Просторово-часова зміна температурно-вологісного режиму лівобережної України

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 551.524.3:551.571.2

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

ПРОСТОРОВО-ЧАСОВА ЗМІНА ТЕМПЕРАТУРНО-ВОЛОГІСНОГО РЕЖИМУ ЛІВОБЕРЕЖНОЇ УКРАЇНИ

Решетченко Світлана Іванівна

Одеса - 2011



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник: кандидат географічних наук, доцент Гончарова Людмила Дмитрівна, Одеський державний екологічний університет, доцент кафедри фізики атмосфери та кліматології

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, доцент Хохлов Валерій Миколайович, Одеський державний екологічний університет, професор кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів

кандидат географічних наук, доцент Тимофеєв Владислав Євгенович, Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, старший науковий співробітник

Захист відбудеться «23» червня 2011 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.02 в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м. Одеса, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ.

Автореферат розісланий «17» травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 41.090.02 О.В. Вольвач



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Дисертаційна робота обумовлена необхідністю визначення стану основних кліматичних ресурсів лівобережного регіону України в умовах глобального потепління. Глобальне потепління, яке спостерігалося у другій половині ХХ століття та продовжується у першому десятиріччі ХХI століття, характеризується значною кількістю аномальних атмосферних явищ, які впливають на екологічні та соціально-економічні умови суспільства.

На думку науковців, внаслідок глобального потепління клімат на території України стане різко змінюватися. Тому необхідно вже сьогодні створювати необхідні водогосподарські та агротехнічні комплекси, які забезпечать раціональне використання, збереження та відновлення природних ресурсів.

Дослідження останніх десятиріч засвідчили, що кліматичні умови України можуть виявитися як несприятливі для проживання і господарської діяльності суспільства. Так, під впливом змін в системі атмосфера-океан-суходіл, пов'язаних з антропогенним посиленням парникового ефекту, на території країни очікується виснаження агрокліматичних ресурсів і прісної води на півдні, існує можливість опустелювання південних регіонів. Тому питання подальшого соціально-економічного розвитку держави, що викликані змінами в земній кліматичній системі, для України є надзвичайно актуальними. Треба взяти до уваги, що глобальне потепління має різко виражені регіональні особливості, а саме - для одних країн воно несе сприятливі зміни, для інших ці зміни негативні і можуть привести до економічних збитків в різних галузях господарства (особливо сільському) та загострення екологічної напруженості.

Таким чином, дослідження змін та коливань температурно-вологісного режиму в цілому, а також окремих його характеристик, в цілях врахування в сільському господарстві та інших видах господарської діяльності, і розробка досконалих методів прогнозування температурно-вологісного режиму для різних територій України з великою завчасністю в теперішній час мають велике значення.

Вивчення регіональних змін клімату в межах загальної проблеми дає також можливість поліпшити моделі очікуваних проекцій змін клімату у ХХI столітті, які розробляються провідними науковими закладами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в рамках науково-дослідної роботи кафедри фізики атмосфери та кліматології з теми «Режим опадів по регіонах України наприкінці ХХ та на початку ХХI століть» (номер державної реєстрації 0111U000590).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є визначення динаміки температурно-вологісного режиму лівобережної України впродовж ХХ-го та на початку XXI-го століть, виявлення міжширотних зв'язків в полях температури повітря, опадів та приземного тиску в Атлантико-Європейському секторі за допомогою комплексу статистичних методів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі: температурний вологісний міжширотний опади

визначити вікову зміну середньомісячної температури повітря та місячної кількості опадів на території даного регіону;

встановити особливості змін середньомісячної та середньодобової температури повітря, місячних і добових сум опадів на початку XXI століття на ст. Харків;

вирішити повну проблему власних значень матриць кореляції температури повітря, опадів та атмосферного тиску, здійснити розкладання даних кліматичних полів в базисі власних векторів матриці кореляції та одержати часові ряди ортогональних компонент;

визначити головні компоненти полів температури повітря, опадів та приземного тиску;

провести районування території лівобережної України за подібною термічною структурою, за подібним режимом зволоження та розподілом приземного атмосферного тиску;

виявити спектри можливих періодичних коливань температурно-вологісного режиму та визначити ті з них, на які припадає переважаюча частина сумарної дисперсії полів середньомісячної температури повітря, опадів та атмосферного тиску;

дослідити міжширотні зв'язки в полях температури повітря, опадів та приземного тиску в Атлантико-Європейському секторі.

Об'єкт дослідження. Особливості формування температурно-вологісного режиму території лівобережної України під впливом великомасштабних процесів в Атлантико-Європейському секторі.

Предмет дослідження. Визначення просторово-часових змін температурно-вологісного режиму лівобережного регіону в зв'язку зі змінами глобального клімату.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі використовувалися методи багатовимірного статистичного аналізу (кластерний, кореляційний і компонентний) та методи дослідження випадкових функцій (взаємний спектральний аналіз, виявлення прихованих періодичностей за допомогою інтегрального перетворення Фур'є в «вікні» Гіббса, а також згладжування часових рядів за допомогою тригонометричних фільтрів).

Наукова новизна отриманих результатів полягає в комплексному статистичному дослідженні просторово-часових змін температурно-вологісного режиму лівобережної України на протязі ХХ та початку ХХI століть в умовах глобальної зміни клімату.

Вперше для території лівобережної України вирішені такі задачі:

проаналізована зміна середньомісячної температури повітря та місячної кількості опадів на 38-ми станціях регіону за період 1951-2000 рр., а також зміна середньодобової температури повітря та добової кількості опадів на ст. Харків на початку ХХI століття;

застосовано метод кластерного аналізу УАІМКА (універсальний адаптивний ітераційний метод кластерного аналізу), оснований як на метричних, так і на не метричних мірах схожості і критеріях кластерізації для всіх місяців року, що був розроблений і апробований в Одеському державному екологічному університеті;

проведена фізично обґрунтована об'єктивна кластеризація території лівобережної України за трьома основними характеристиками клімату: середньомісячній температурі повітря, місячній кількості опадів, середньомісячному атмосферному тиску для кожного з 12 місяців; сформовані узагальнені кластери і для них отримані вектори-центри кластерів;

в результаті розв'язання задачі стиску вихідної інформації про кліматичні поля досліджуваного регіону була визначена кількість головних компонент, на які припадає переважаюча частина сумарної дисперсії вказаних полів;

за допомогою інтегрального перетворення Фур'є в «вікні» Гіббса були виявлені періодичні коливання в часових рядах головних компонент, а за допомогою косинус-фільтра отримані трендові та періодичні складові детермінованих основ, що «приховані» в часових рядах головних компонент температури повітря, опадів та атмосферного тиску; для основних трендів побудовані рівняння регресії;

проведено сумісний аналіз згладжених рядів головних компонент температури повітря та опадів, тиску та температури, тиску та опадів за період 1951-2000 рр.;

досліджені енергетичні спектри часових рядів головних компонент температури повітря, опадів, атмосферного тиску на території лівобережної України та часових рядів індексів Північно-Атлантичного коливання (ПАК) та Північного Морського-каспійського коливання (NCP), а також визначені з ймовірністю 95% статистично значущі періодичності в спектральній щільності вказаних рядів головних компонент;

визначені основні циркуляційні процеси, під дією котрих впродовж року формується температурно-вологісний режим території лівобережної України.

Практичне значення отриманих результатів. З методичної точки зору результати даної дисертаційної роботи можуть бути використані науково-дослідними організаціями (закладами) для дослідження температурно-вологісного режиму інших регіонів країни. Застосовані принципи комплексного статистичного дослідження та одержані результати також можуть бути використані при визначенні динаміки регіональних змін клімату у майбутньому, а також при розробці фізико-статистичних моделей метеорологічних прогнозів для цілей сталого розвитку України.

Особистий внесок здобувача. Постановка наукового завдання та план розробки окремих частин дисертаційної роботи здійснено разом з науковим керівником. При розв'язанні задач дослідження здобувачем самостійно:

створена база емпіричних даних середньомісячної температури повітря, місячної кількості опадів та приземного тиску для 38-ми станцій лівобережної України за 12 місяців другої половини ХХ століття, що були надані Центральною Геофізичною обсерваторією;

реалізовані на ПЕОМ алгоритми кореляційного, компонентного, кластерного аналізів та методів дослідження випадкових функцій;

проведено аналіз просторово-часової структури часових рядів метеорологічних та кліматичних об'єктів;

побудовано поля кліматичних показників та отримано територіальний розподіл лівобережної України за подібними внутрішніми кліматоутворювальними факторами;

виявлено фізичні процеси, що впливають на формування температурно-вологісного режиму території лівобережної України.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи представлялися й обговорювалися на науково-практичній конференції «Екологічні проблеми рідного краю» (15 травня 2008 р., м. Харків), міжнародній науково-практичній конференції «Регіон-2009: стратегія оптимального розвитку» (5-6 листопада 2009 р., м. Харків), III Всеукраїнській науково-практичній конференції «Географія та екологія: наука і освіта», присвяченої 80-річчю Уманського державного педагогічного університету (15-16 квітня 2010 р., м. Умань), VII, IX та Х наукових конференціях молодих вчених ОДЕКУ (14-19 травня 2007 р., 11-16 травня 2009 р. та 11-14 травня 2010 р., м. Одеса), міжнародній конференції «Глобальні та регіональні зміни клімату» (16-19 листопада 2010 р., м. Київ).

Публікації. Основні результати дисертаційних досліджень викладені автором у співавторстві з науковим керівником або особисто в 14 наукових працях, в тому числі в 7 статтях у провідних наукових виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 215 найменувань та 6 додатків. Загальний обсяг роботи 272 сторінки друкованого тексту, включаючи 31 рисунок, 35 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі надаються відомості про актуальність теми дисертаційного дослідження, її зв'язок з науковими програмами, темами. Подаються мета і задачі дослідження, наводиться новизна та практичне значення роботи. Надається інформація про апробацію одержаних результатів, особистий внесок дисертанта та його наукові праці.

Перший розділ має оглядовий характер. В ньому аналізуються стан сучасних досліджень в Україні та вікова трансформація регіональних кліматичних умов на фоні глобального потепління клімату.

У другому розділі проводиться обґрунтування комплексу методів статистичного аналізу часових рядів кліматичних характеристик, що використовувалися у дисертаційному дослідженні. За допомогою компонентного аналізу була розв'язана задача стиску вихідної інформації про поля температури повітря, опадів та приземного тиску на мережі станцій лівобережної України. Розв'язання повної проблеми власних значень

(1)

дало змогу отримати власні значення та власні вектори матриці кореляції середньомісячної температури повітря, місячної кількості опадів та атмосферного тиску. Відповідно до структури власних значень та власних векторів, була визначена кількість головних компонент, що характеризують найбільш суттєві великомасштабні особливості структури множини вихідних векторів. Вони в той же час є узагальненими характеристиками температури повітря, опадів та атмосферного тиску для всієї лівобережної території країни.

Як відомо, часові ряди метеорологічних величин утримують «приховані» періодичні компоненти, обумовлені хвильовою природою атмосферних процесів. Виявлення «прихованих» періодичних компонент здійснювалося за допомогою інтегрального перетворення Фур'є з врахуванням «вікна» Гіббса для посилення фільтруючих якостей перетворень

, (2)

. (3)

Рівняння (2) і (3) дають можливість отримати амплітуду



(4)

та початкову фазу

(5)

гармонічних коливань, які утримуються у випадковому процесі . Початкова фаза дає можливість визначити точку на осі часу, яка є початком коливання. Періодичності приймалися за вірогідні в тому разі, якщо їх амплітуди виходили за верхню довірчу межу з заданою ймовірністю. З метою розкладання часових рядів головних компонент температури повітря, опадів та атмосферного тиску на детерміновану та випадкову компоненти використовувався оператор ковзного осереднення

(6)

з ваговою функцією

. (7)

Взаємний спектральний аналіз дав можливість отримати важливі характеристики статистичної структури часових рядів та встановити взаємозв'язки між різними їх сторонами. Дослідження взаємної спектральної щільності проводилося за допомогою таких дійсних функцій: ко-спектра, квадратурного спектра, амплітудного спектра, фазового спектра та когерентності.

За допомогою універсального адаптивного ітераційного методу кластерного аналізу (УАІМКА) проведена фізично обґрунтована об'єктивна кластеризація території лівобережної України за трьома основними характеристиками клімату.

У третьому розділі наведені результати дослідження динаміки температурно-вологісного режиму для території лівобережної України на протязі ХХ та на початку XXI століть. На першому етапі представлені зміни середньомісячної температури повітря та місячної кількості опадів за період 1901-2000 рр. на шести довгорядних станціях (Київ, Полтава, Суми, Луганськ, Лубни, Лозова). Для встановлення просторово-часових особливостей цих характеристик були сформовані десятирічні періоди для кожної станції та для кожного з 12 місяців побудовані і проаналізовані графіки вікових змін.

В якості прикладів на рис. 1 та рис. 2 представлена динаміка середньомісячної температури повітря та місячної кількості опадів для січня та липня.

Аналіз часових рядів середньомісячної температури повітря вказує на те, що в залежності від сезону та окремого місяця сезону спостерігаються різні тенденції в її просторово-часових змінах. Із зимових місяців тільки у грудні (починаючи з 70-х років) спостерігається зниження температури повітря по регіону, а у січні та лютому - вона зростає. Весною (окрім травня) температура повітря зростає. Влітку та восени суттєвих просторово-часових змін не відбувається, бо вони мають коливальний характер з періодами 20-30 або 30-40 років.

Розподіл опадів на території лівобережного регіону на шести довгорядних станціях у період 1901-2000 рр. характеризується значною плямистістю, а наприкінці ХХ століття режим зволоження часто змінювався і, крім загальних рис, кожний сезон мав свої особливості, які у подальшому потребували вивчення на мережі більшої кількості станцій.

Рис. 1 Динаміка середньомісячної температури повітря (а-січень, б-липень).

Рис. 2 Зміна середньомісячної кількості опадів (а-січень, б-липень).

Як відомо, загальна циркуляція атмосфери з 50-х років ХХ століття зазнала суттєвої перебудови, тому надалі була проаналізована динаміка середньомісячної температури повітря та опадів на 38-ми станціях регіону за кожний з 12 місяців упродовж періоду 1951-2000 рр. Як з'ясувалося, на станціях лівобережної України за останні десять років ХХ століття порівняно з періодом 1961-1990 рр. у грудні температура повітря була нижчою на 0,6°С, а у січні та лютому вона перевищила кліматичну норму на 2,1°С та на 1,6°С відповідно. Із трьох весняних місяців тільки у травні середньомісячна температура повітря в 90-х роках минулого століття на всіх 38-ми станціях лівобережного регіону рівномірно знижувалася порівняно з нормою. Літо стало більш спекотливим наприкінці століття у порівнянні з кліматичною нормою у середньому по всіх станціях лівобережної України: у червні - на 0,5°С, у липні - на 0,8°С, у серпні - на 0,4°С. Восени змінювання середньомісячної температури повітря має різні тенденції. Так, у вересні в середньому по регіону температура в період 1991-2000 рр. порівняно з нормою була меншою на 0,3°С; у листопаді температура була нижче норми в середньому вже на 1,4°С і тільки у жовтні середньомісячна температура повітря за останні десять років ХХ століття перевищувала норму на 0,5°С.

Аналіз зміни середньомісячної температури повітря та місячної кількості опадів на станції Харків за період 1951-2010 рр. підтвердив раніше визначені тенденції. Так, у січні, липні та жовтні зберігається тенденція «потепління» (рис. 3). В зимовий період середньомісячна температура повітря на ст. Харків за період 2001-2010 рр. у середньому зросла на 1,6°С, у весняний - на 1,0°С, у літній - на 1,5°С та восени - на 1,2°С. На початку XXI століття (період 2001-2010 рр.) режим опадів на даній станції характеризується як посушливий. Лише у січні, липні та жовтні відмічалося збільшення місячної кількості опадів.

Рис. 3 Динаміка середньомісячної температури повітря та опадів на станції Харків (а-січень, б-липень).

Дослідження середньодобової температури повітря по регіонах України в умовах глобального потепління клімату стає актуальним, тому що її коливання впливають на погодні умови, які мають як сприятливі, так і несприятливі наслідки. Зміни середньодобової температури повітря та добової кількості опадів на території північно-східної України підтвердили нестабільність погодних умов на початку XXI століття.

У четвертому розділі представлені результати параметризації полів температури повітря, опадів та атмосферного тиску для території лівобережної України. За допомогою компонентного аналізу були отримані власні значення та власні вектори матриць кореляції вказаних характеристик. Оскільки сума всіх власних значень матриць кореляції дорівнює сумарній дисперсії випадкового поля, а власні значення впорядковані, то перші з них вичерпують найбільший відсоток від сумарної дисперсії кліматичних полів. Відповідно до зазначеної структури власних значень та власних век торів були побудовані поля перших власних векторів матриць кореляції і визначена кількість головних компонент, що характеризують великомасштабні особливості середньомісячних полів температури повітря, опадів та атмосферного тиску. Із проведених досліджень можна зробити висновок, що поле середньомісячної температури повітря на території лівобережної України характеризується переважно першою головною компонентою, яка у всі сезони року вичерпує від 80% до 93% сумарної дисперсії цього поля. Для опису режиму зволоження на досліджуваній території у лютому-квітні, вересні-листопаді та грудні треба враховувати дві головні компоненти, які будуть вичерпувати від 64% до 76% сумарної дисперсії цього поля, а з травня по серпень - три головні компоненти, які складають більше 50% дисперсії поля місячної кількості опадів. Кліматичне поле атмосферного тиску впродовж року формується під впливом великомасштабних атмосферних процесів, оскільки перше власне значення і відповідно перша головна компонента вичерпують у період зима-весна-осінь (окрім вересня) понад 85%, а влітку її вклад в загальну дисперсію складає майже 70%. Крім того, отримані часові ряди головних компонент середньомісячної температури повітря, опадів та тиску будуть надалі використовуватися при дослідженні їх статистичної структури.

За допомогою нового методу кластерного аналізу, що був розроблений та апробований в Одеському державному екологічному університеті, проведена фізично обґрунтована об'єктивна кластеризація території лівобережного регіону за подібною термічною структурою, подібним режимом зволоження та розподілом атмосферного тиску. В якості прикладу, на рис. 4 представлені кластери температури повітря та опадів у жовтні.

Рис. 4 Кластеризація території лівобережної України (а-температура повітря, б-опади).

В залежності від зміни атмосферної циркуляції та сонячної радіації у різні сезони року відбувається трансформація меж визначених районів. Це позначається на температурно-вологісному режимі території та на формуванні кліматичного поля атмосферного тиску, що треба враховувати при прогнозуванні динаміки регіональних змін клімату у майбутньому та плануванні різних галузей господарства.

За допомогою інтегрального перетворення Фур'є визначені періодичності, що містяться в головних компонентах середньомісячної температури повітря, опадів та атмосферного тиску. Були виявлені з ймовірністю 95% 2-4, 6, 7, 9, 12 та 20-річні коливання в цих часових рядах.

Як відомо, зміни випадкового процесу у часі визначають по його детермінованій основі, яка була отримана за допомогою ковзного осереднення часових рядів головних компонент температури повітря, опадів та тиску. Вона містить тренди та періодичні складові.

Аналіз трендів в рядах середньомісячної температури повітря та атмосферного тиску даного регіону вказує на їх перебудову з середини 70-х років ХХ століття. Щоб визначити інтенсивність цих змін для кожного кліматичного параметра, були побудовані лінійні рівнянні регресії (приклади наведені на рис. 5-7).

Рис. 5 Детермінована основа першої головної компоненти середньомісячної температури повітря у квітні.

Для визначення впливу термічного режиму на розподіл опадів по території лівобережного регіону проводився сумісний аналіз згладжених рядів першої головної компоненти температури повітря та опадів, а також рядів першої головної компоненти тиску та опадів. Було встановлено, що для кожного сезону переважаючим є обернений зв'язок між даними характеристиками.



Рис. 6 Детермінована основа першої головної компоненти місячної кількості опадів у квітні.

Рис. 7 Детермінована основа першої головної компоненти атмосферного тиску у липні.

У п'ятому розділі представлені результати дослідження впливу Північної Атлантики та Середземномор'я на формування кліматичних полів лівобережної України. На першому етапі були визначені енергетичні спектри головних компонент температури повітря, опадів та атмосферного тиску. Величини періодів низькочастотних коливань в спектральній щільності першої головної компоненти середньомісячної температури повітря у зимовий період відповідають статистично значущим 3-6-річним коливанням, у весняний - 4-6, влітку - 3-4, восени - 3-6-річним періодичностям. Оскільки атмосферна циркуляція формує регіональні та глобальні особливості кліматичних полів, були досліджені часові ряди першої головної компоненти атмосферного тиску на території лівобережної України. Так, були виявлені 11-річні коливання, до яких в різні сезони року додаються 3-6-річні періодичності. В спектральній щільності першої головної компоненти місячної кількості опадів виявлені в теплий період року 3-5-річні коливання, а в другій головній компоненті - 11-річні, 3-6 та 8-річні гармоніки. Оскільки останнім часом велику увагу приділяють аномальним процесам в тропічній та субтропічній зонах океану та атмосфери, бо зростає повторюваність погодно-кліматичних аномалій у середніх широтах, тому надалі досліджувалися «енергетичні спектри» часових рядів індексів Північно-Атлантичного коливання (ПАК) та Північного Морського-каспійського коливання (NCP). Аналізуючи величини низькочастотних коливань в спектральній щільності часових рядів ПАК та NCP, був виявлений широкий спектр коливань: 2-6 та 8 років. Встановлено, що часова неоднорідність у ході глобальної температури повітря залежить від атмосферної циркуляції. Чисельні дослідження підтвердили думку про взаємозв'язок стану центрів дії атмосфери, інтенсивності атмосферної циркуляції та змін кліматичних характеристик в регіоні Північної Атлантики в ХХ та на початку XXI століть. Для визначення впливу Північної Атлантики на формування кліматичних полів лівобережної України за допомогою взаємного спектрального аналізу досліджувалися міжширотні зв'язки в полях температури повітря, опадів та приземного тиску в Атлантико-Європейському секторі. Розглядалися вісім взаємопов'язаних фізичних процесів: часовий ряд індексу ПАК та перша головна компонента середньомісячної температури повітря, часовий ряд індексу ПАК та перша головна компонента місячної кількості опадів, часовий ряд індексу ПАК та друга головна компонента місячної кількості опадів, часовий ряд індексу ПАК та перша головна компонента атмосферного тиску. Аналогічне дослідження проводилося для часових рядів індексу NCP. Було встановлено, що значний вплив на формування температурно-вологісного режиму мають атмосферні процеси, які виникають над Північною Атлантикою та Середземномор'ям. 

ВИСНОВКИ

Проведене комплексне статистичне дослідження просторово-часових змін температурно-вологісного режиму лівобережної України на протязі ХХ на початку ХХI століть в умовах глобальної зміни клімату дало змогу отримати важливі його статистичні характеристики, які доповнюють існуючі відомості про регіональну динаміку кліматичних умов на території України і основні результати якого полягають у наступному:

Аналіз вікових змін середньомісячної температури повітря на шести довгорядних станціях (на фоні глобального потепління) вказує на регіональні особливості термічного режиму території лівобережної України. З 70-х років для більшості місяців року зміна температури повітря на лівобережній Україні співпадає зі змінами глобальної температури повітря, але у травні, вересні, листопаді та грудні спостерігаються свої регіональні особливості.

Динаміка місячної кількості опадів на території лівобережної України за період 1901-2000 рр. вказує на те, що у зимовий та осінній сезони різкі зміни місячної кількості опадів також припали на період 70-х років ХХ століття, що, на наш погляд, пов'язано зі змінами загальної циркуляції атмосфери у цей період. Навесні та влітку на території, що досліджується, режим зволоження має складний характер і потребує подальших досліджень.

Дослідження температурного режиму за період 1951-2000 рр. дає змогу констатувати, що взимку в середньому по регіону спостерігається підвищення температури повітря порівняно з кліматичною нормою. З усіх сезонів року на станціях лівобережної України тільки восени середньомісячна температура повітря в 90-і роки була нижче за кліматичну норму (на 0,4°С).

Зміни середньодобової температури повітря та добової кількості опадів за період 2000-2009 рр. на станції Харків вказують на нестійкий характер температурно-вологісного режиму на території північно-східної України.

Переважаючу частку сумарної дисперсії полів температури повітря вичерпує перше власне значення, на яке припадає від 80% до 93% сумарної дисперсії цього поля; перше власне значення і відповідно перша головна компонента матриці кореляції атмосферного тиску вичерпує понад 85% сумарної дисперсії цього поля; для вивчення режиму зволоження на даній території треба використовувати дві головні компоненти, які вичерпують від 64% до 76% сумарної дисперсії поля опадів.

За подібним режимом зволоження, подібним термічним режимом та розподілом атмосферного тиску на території лівобережної України за допомогою кластерного аналізу було визначено (в залежності від сезону року) від двох до чотирьох районів.

Отримані головні компоненти полів температури повітря, опадів та атмосферного тиску свідчать про те, що їм властивий цілий спектр періодичних коливань: квазідворічні і багаторічні періоди коливань, зокрема сумісних з періодами сонячної активності, періодами обертання аномалій води, місячної нутації земної вісі та великомасштабних взаємодій океану і атмосфери в Північній Атлантиці.

В часових рядах головних компонент середньомісячної температури повітря, місячної кількості опадів та атмосферного тиску була вилучена детермінована основа випадкового процесу за допомогою тригонометричних фільтрів. Зміни тенденцій в рядах середньомісячної температури повітря та атмосферного тиску даного регіону відбулися у середині 70-х років ХХ століття. Побудовані лінійні рівнянні регресії дозволяють визначити інтенсивність цих змін для кожного кліматичного параметра.

Визначені величини періодів низькочастотних коливань в спектральній щільності головних компонент середньомісячної температури повітря, місячної кількості опадів, атмосферного тиску та часових рядів індексів Північно-Атлантичного коливання і Північного Морського-каспійського коливання вказують на існування широкого спектру гармонік з періодами від 2-х до 6-ти, 8 та 11 років, які належать до великомасштабних компонентів кліматичної системи.

Взаємний спектральний аналіз дав можливість визначити періоди значущої взаємодії між гармоніками, що присутні в процесах, які досліджувалися, та довести існування тісного кореляційного зв'язку між періодичними складовими в часових рядах індексів ПАК, NCP та головними компонентами кліматичних характеристик лівобережної України.

Результати дисертаційної роботи вказують на особливості просторово-часових змін температурно-вологісного режиму, які відбулися у другій половині ХХ та на початку ХХI століть, а виявлені особливості статистичної структури кліматичних полів треба враховувати при складанні довгострокових прогнозів погоди.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гончарова Л.Д. Зміни середньомісячної температури повітря впродовж другої половини ХХ століття на території лівобережної України / Л.Д. Гончарова, С.І. Решетченко // Вісник Одеського державного екологічного університету. - Одеса: ТЕС, 2009. - Вип. 8. - С. 79-89. (Обробка даних температури повітря та аналіз отриманих результатів).

2. Гончарова Л.Д. Особливості вікової зміни температури повітря на території лівобережної України / Л.Д. Гончарова, С.І. Решетченко // Вісник Харківського націон. ун-ту ім. В.Н. Каразіна. - Харків, 2009. - № 882. - С. 116-124. (Обробка даних та аналіз отриманих результатів).

3. Решетченко С.І. Статистичні характеристики температури повітря та опадів у другій половині ХХ століття на території лівобережної України / С.І. Решетченко // Вісник Харківського націон. ун-ту ім. В.Н. Каразіна. - Харків, 2009. - № 864. - С. 225-231.

4. Гончарова Л.Д. Особливості статистичної структури полів температури повітря та опадів у другій половині ХХ століття на території лівобережної України / Л.Д. Гончарова, С.І. Решетченко // Вісник Одеського державного екологічного університету. - Вип. 9.- Одеса: ТЕС, 2010. - С. 103-113. (Обробка даних температури повітря, опадів та аналіз отриманих результатів).

5. Гончарова Л.Д. Особливості статистичної структури полів атмосферного тиску у другій половині ХХ століття на території лівобережної України / Л.Д. Гончарова, С.І. Решетченко // Український гідрометеорологічний журнал. - № 6.- Одеса: ТЕС, 2010. - С. 54-61. (Обробка даних та аналіз отриманих результатів).

6. Гончарова Л.Д. Вплив Північної Атлантики на температуру повітря, опади, атмосферний тиск на лівобережній Україні / Л.Д. Гончарова, С.І. Решетченко // Український гідрометеорологічний журнал. - № 7. - Одеса: ТЕС, 2010. - С. 54-61. (Обробка даних та аналіз отриманих результатів).

7. Решетченко С.І. Особливості зміни місячної кількості опадів на території лівобережної України протягом ХХ століття / С.І. Решетченко, Л.Д. Гончарова // Вісник Харківського націон. ун-ту ім. В.Н. Каразіна. - Харків, 2010. - № 909. - С. 147-153.

8. Решетченко С.І. Характер динаміки змінювання середньомісячної кількості опадів на лівобережній Україні у 20 столітті / С.І. Решетченко // Матеріали VII наукової конференції молодих вчених, Одеса, 14-19 травня, 2007р. - Одеса, 2007. - С. 108.

9. Решетченко С.І. Характеристика кліматичних показників по м. Харків / С.І. Решетченко // Матеріали науково-практичної конференції студентів вищих навчальних закладів Харківської області, Харків, 15 травня 2008 р. - Харків, 2008. - С. 45.

10. Решетченко С.І. Дослідження статистичної структури температури повітря та опадів на території лівобережної України / С.І. Решетченко // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції, Харків, 5-6 листопада, 2009 р. - Харків, 2009. - С. 417-421.

11. Решетченко С.І. Дослідження статистичної структури температури повітря та опадів на території північно-східної України / С.І. Решетченко // Матеріали IX наукової конференції молодих вчених, Одеса, 11-16 травня, 2009 р. - Одеса, 2009. - С. 68.

12. Решетченко С.І. Характеристика статистичної структури поля атмосферного тиску у другій половині ХХ століття на території лівобережної України / С.І. Решетченко, Л.Д. Гончарова // Матеріали III Всеукраїнської науково-практичної конференції, Умань, 15-16 квітня 2010 р. - Умань, 2010. - С. 228-230.

13. Решетченко С.І. Статистична структура поля атмосферного тиску на території лівобережної України / С.І. Решетченко // Матеріали Х наукової конференції молодих вчених, Одеса, 11-15 травня 2010 р. - Одеса, 2010. - С. 166.

14. Reshetchenko S.I. The investigation of no periodical phenomenon's in ranks of air temperature during 2000-2009 years at the station Kharkov / S.I. Reshetchenko // International Conference Global and regional climate changes. - Conference Abstracts. - Kyiv, 2010. - P. 34-35.



АНОТАЦІЇ

Решетченко С.І. Просторово-часова зміна температурно-вологісного режиму лівобережної України. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. - Спеціальність 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2011.

Комплексне статистичне дослідження просторово-часових змін температурно-вологісного режиму лівобережної України здійснювалося на основі середньомісячних кліматичних характеристик (температури повітря, кількості опадів, атмосферного тиску) на 38-ми станціях даного регіону за 12 місяців та індексів Північно-Атлантичного коливання (ПАК) і Північного Морського-каспійського коливання (NCP).

За допомогою компонентного аналізу була розв'язана задача стиску вихідної інформації про поля температури повітря, опадів та приземного атмосферного тиску на мережі 38-ми станцій лівобережної України. Визначена кількість головних компонент, що відбивають найбільш суттєві великомасштабні особливості структури множини вихідних векторів, які є узагальненими характеристиками температурно-вологісного режиму регіону, який досліджувався. За допомогою нового методу кластерного аналізу (УАІМКА) проведена фізично обґрунтована об'єктивна кластеризація території лівобережної України за подібною термічною структурою, подібним режимом зволоження та розподілом атмосферного тиску. За допомогою інтегрального перетворення Фур'є були визначені періодичності, що «приховані» в часових рядах головних компонент температури повітря, опадів та атмосферного тиску. За допомогою косинус-фільтра отримані трендові та періодичні складові детермінованих основ випадкових процесів. Реалізація алгоритму дослідження стаціонарних випадкових процесів дозволила встановити особливості статистичної структури головних компонент і виявити характеристики низькочастотних коливань в спектральній щільності перших головних компонент, що характеризують температурно-вологісного режим лівобережної України. Взаємний спектральний аналіз дозволив встановити наявність вірогідних статистичних взаємозв'язків між окремими процесами в Атлантико-Європейському секторі. Було розглянуто вісім пар взаємопов'язаних випадкових процесів і визначено вклад коливань різної частоти (періоду) в загальну дисперсію окремих випадкових процесів, що розглядалися. Встановлено, що на формування температурно-вологісного режиму даного регіону впливають атмосферні процеси Північної Атлантики та Середземномор'я.

Ключові слова: циркуляція, періодичність, тренди, поле, температура повітря, опади, атмосферний тиск.



Решетченко С.И. Пространственно-временное изменение температурно-влажностного режима левобережной Украины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. - Специальность 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2011.

Комплексное статистическое исследование пространственно-временных изменений температурно-влажностного режима левобережной Украины проведено на основе среднемесячных климатических характеристик на 38-ми станциях данного региона: температуры воздуха, осадков, атмосферного давления, а также индексов Североатлантического колебания (САК) и Северного Морского-каспийского колебания (NCP) на протяжении ХХ и в начале XXI столетий. В диссертационной работе использовались методы многомерного статистического анализа (кластерный, корреляционный и компонентный) и методы исследования случайных функций (взаимный спектральный анализ, выявление «скрытых» периодичностей с помощью интегрального преобразования Фурье в «окне» Гиббса, а также сглаживание временных рядов с помощью тригонометрических фильтров).

Анализ динамики среднемесячной температуры воздуха на территории данного региона в течение ХХ столетия показал, что в зависимости от сезона и конкретного месяца сезона наблюдаются разные тенденции в ее изменениях. Так, зимой только в декабре (начиная с 70-х годов) отмечалось понижение температуры воздуха на всех станциях региона, а в январе и феврале - ее повышение. Весной (кроме мая) температура воздуха растет. Летом и осенью существенных изменений температуры воздуха не наблюдается, поскольку они имеют характерные циклы с периодами 20-30 или 30-40 лет.

Распределение среднемесячных сумм осадков на территории левобережной Украины носит сложный характер. В конце ХХ столетия он часто изменялся и каждый сезон имел свои особенности.

Изменения среднемесячной температуры воздуха и месячных сумм осадков на станции Харьков в течение 1951-2010 гг. подтвердили ранее определенные тенденции. Так, в январе, июле и октябре продолжается повышение температуры воздуха. Зимой температура воздуха на станции Харьков за период 2001-2010 гг. увеличилась на 1,6°С, весной - на 1,0°С, летом - на 1,5°С, осенью - на 1,2°С. Режим увлажнения в целом характеризуется засушливостью, лишь в январе, июле и октябре осадков стало больше. Изменения среднесуточной температуры воздуха и суточных сумм осадков подтвердили нестабильность погодных условий в начале XXI столетия.

Путем решения полной проблемы собственных значений матриц корреляции среднемесячной температуры воздуха, месячных сумм осадков и среднемесячного атмосферного давления были получены собственные значения и соответствующие им собственные векторы. Поскольку сумма собственных значений матрицы корреляции равна суммарной дисперсии случайного поля, то первые из них характеризуют наибольший вклад в суммарную дисперсию метеорологических полей. В соответствии с указанной структурой собственных значений и собственных векторов, были построены поля первых собственных векторов матриц корреляции и определено количество главных компонент, которые характеризуют крупномасштабные особенности климатических полей температуры воздуха, осадков и атмосферного давления. Так, поле среднемесячной температуры воздуха представлено первой главной компонентой, которая в течение года охватывает 80%-93% суммарной дисперсии этого поля. Для исследования режима увлажнения на данной территории в феврале-апреле, сентябре-ноябре и декабре необходимо учитывать две главные компоненты, которые будут охватывать от 64% до 76% суммарной дисперсии этого поля, а с мая по август - три главные компоненты, которые составляют 50% дисперсии поля осадков. Климатическое поле атмосферного давления в течение года формируется под действием крупномасштабных атмосферных процессов, поскольку первое собственное значение, а соответственно и первая главная компонента, охватывает в период зима-весна-осень более 85% (кроме сентября), а летом ее вклад в общую дисперсию составляет почти 70%. Полученные временные ряды главных компонент климатических характеристик использовались для исследования их статистической структуры.

С помощью нового метода кластерного анализа, который был разработан и внедрен в Одесском государственном экологическом университете для научных исследований, проведена физически обоснованная кластеризация территории левобережной Украины по температурному режиму, режиму увлажнения и распределению атмосферного давления. С помощью интегрального преобразования Фурье были получены периодичности, содержащиеся в главных компонентах исследуемых климатических полей. С целью выявления во временных рядах главных компонент климатических характеристик детерминированной основы было проведено их сглаживание. Это дало возможность получить тренды и периодические составляющие в данных случайных процессах.

Используя алгоритм исследования стационарных случайных процессов, были получены энергетические спектры главных компонент температуры воздуха, осадков и атмосферного давления. Поскольку большое внимание уделяется аномальным процессам в тропической и субтропической зонах океана и атмосферы, то в работе изучались энергетические спектры временных рядов индексов Североатлантического колебания (САК) и Северного Морского-каспийского колебания (NCP). Получены низкочастотные колебания в спектральной плотности временных рядов САК и NCP, которые характеризуются широким спектром периодов: 2-6 и 8 лет.

Выявлены достоверные статистические взаимосвязи между атмосферными процессами Северной Атлантики с климатическими полями левобережного региона Украины. Значительное влияние на температурно-влажностный режим территории имеют процессы, которые развиваются над акваторией Северной Атлантики и Средиземного моря.

Ключевые слова: циркуляция, периодичность, тренды, температура воздуха, осадки, атмосферное давление.



Reshetchenko S.I. Time-spatial change of the temperature-humidifying mode of left-bank of Ukraine. - Manuscript.

The thesis to claim the academic degree of candidate of geographical sciences on the speciality 11.00.09 - meteorology, climatology, agrometeorology. - The Odessa State Environmental University, Odessa, 2011.

Complex statistical research of time-spatial changes of temperature-humidifying mode of Ukrainian left-bank is spent on the basis of monthly average climatic characteristics at 38 stations of the given region: air temperatures, precipitations, atmospheric pressure, and also indexes of North Atlantic fluctuation (NAO) and Northern Caspian fluctuation (NCP) during XX and in the beginning of XXI centuries. By means of methods of the multidimensional statistical analysis and methods of research of stochastic functions features of statistical structure of the given climatic fields have been defined. The analysis of change of monthly average temperature of air and the monthly sums of deposits at station Kharkov within 1951-2010 has confirmed earlier defined tendencies. As a whole the humidifying mode is characterized by dryness, only in January, July and October there became more precipitations. Changes of daily average air temperature and the daily sums of precipitations have confirmed instability of weather conditions in the beginning of XXI century. To solve a full problem of own values of matrices of correlation of monthly average air temperature, the monthly sums of precipitations and monthly average atmospheric pressure own values and appropriating them own vectors have been received. To reveal main component of climatic features of left-bank forest-steppes and steppes of the determined basis in temporary lines their smoothing has been lead. It has enabled to receive trends and periodic components in the given accidental processes. Variation of the tendency in the lines of air temperature and atmospheric pressure on the territories of investigated region has occurred in the middle of 70th years of XX century. Statistical interrelations between atmospheric processes of Northern Atlantic with the given climatic fields of left-bank region are considered. Significant influence on the temperature-humidifying mode of territory has processes which develop above the Mediterranean sea.

Keywords: circulation, periodicity, trends, air temperature, precipitations, atmospheric pressure.

Размещено на Allbest.ru

...