Метеорологические и геофизические исследования

Как видно из рис. 2, в тропосфере на уровнях от 925 гПа до 300 гПа в течение всего исследуемого периода наблюдалось чередование положительных и отрицательных аномалий температуры воздуха с периодичностью 2–3 года. Потепление тропосферы, начавшееся в 2000 году, было наименее ярко выражено в зимний период. Максимальные значения аномалии температуры (+3 ?) были отмечены зимой и весной в 1960–1961 годах в приземном слое и на уровне 925 гПа. Минимальные значения аномалии температуры (-3 ?) были отмечены зимой 1979 года в слое от земли до 400 гПа. Начиная с 2003 года, наблюдаются устойчивые положительные аномалии во всей толще тропосферы.

Рис. 2. Межгодовая изменчивость нормированных аномалий среднесезонной температуры воздуха по данным радиозондирования на стандартных изобарических поверхностях за 1959–2009 годы

Межгодовое изменение аномалий температуры в нижней стратосфере в основном находилось в противофазе с ходом аномалий температуры воздуха в тропосфере, особенно в весенне-летний период. Примерно до 1974 года в стратосфере отмечается преобладание положительных аномалий. Можно отметить максимальные значения аномалий температуры +3 ? летом 1967 и 1968 гг. Похолодание верхних слоев атмосферы отмечается весной, летом и осенью с начала 1980-х годов по настоящее время, зимой похолодание не выражено. Минимальные значения аномалии температуры (-3 ?) отмечены весной 1997 года в слое 250–30 гПа и осенью 2005 года в слое 300–100 гПа.

Результаты расчетов по сезонам и в целом за год средней многолетней температуры воздуха (S, °С), её линейного тренда (K, °С/год) и дисперсии (D, °С), выполненных по срочным данным на пятнадцати стандартных изобарических поверхностях, приведены в таблице 1. Как видно из таблицы, тенденция к потеплению в тропосфере прослеживается как в течение всего года, так и по отдельным сезонам. Значительная тенденция к потеплению может быть отмечена в зимний период в нижней стратосфере (30–10 гПа). Однако достоверность последних значений невелика, поскольку лишь небольшое количество радиозондов достигало этих высот из-за низкой температуры воздуха, что подтверждается и минимальным количеством лет, данные которых были использованы для анализа.

Таблица 1. Статистические характеристики температуры воздуха на стации Тикси за период 1959–2008 гг.

Примечание: заливкой отмечены положительные значения трендов, N – количество лет наблюдений, данные которых были использованы для анализа.

Тенденция к похолоданию прослеживается наиболее отчетливо в зимний и осенний периоды, до -0,05 °С/год, захватывая всю толщу верхней тропосферы и нижней стратосферы от 500 гПа до уровня 50 гПа. Такая же закономерность отмечается в осенний период и за год в целом от уровня 400 гПа до 10 гПа. Весной и летом тенденция к похолоданию отмечается только в стратосфере от 150 гПа до 10 гПа.

Долговременные тенденции изменений температуры воздуха представлены на рис. 3 значениями коэффициента линейного тренда за анализируемый период. Как видно из рис. 3, в тропосфере прослеживается слой с положительными трендами температуры. Наибольшие положительные тренды отмечены на уровне 850 гПа в зимний период. Четко обозначен переходный слой 500 гПа – 200 гПа с практически нулевыми трендами. Слой с отрицательными трендами, увеличивающимися с высотой от 300 гПа до 20 гПа, расположен в верхней тропосфере и стратосфере. Исключение составляет зимний период, когда на уровне 30–20 гПа отмечен существенный положительный тренд 0.14 °С/год.

Рис. 3. Тренды температуры воздуха в регионе Гидрометеорологической обсерватории Тикси за период 1959–2009 годы

Географическое распределение и сезонный ход удельной влажности воздуха, как известно, зависят от его температуры, особенностей горизонтального переноса воздушных масс и наличия вертикальных движений в тропосфере. По мере удаления от поверхности земли связь удельной влажности с термическим полем атмосферы усиливается. На рис. 4 представлены межгодовые изменения нормированных на среднеквадратическое отклонение аномалий удельной влажности воздуха, рассчитанных по данным для шести стандартных изобарических поверхностей. В целом они соответствуют изменению температуры в тропосфере (рис. 2), однако еще более ярко выражены.

Рис. 4. Межгодовая изменчивость нормированных аномалий среднесезонной удельной влажности воздуха на стандартных изобарических поверхностях на станции Тикси за период 1959–2009 гг.

При анализе межгодовых колебаний нормированных аномалий удельной влажности отмечается, главным образом, сходство в характере изменений год от года на уровнях от 850 гПа до 300 гПа и сохранение главных особенностей для различных сезонов. Несколько отличается характер межгодовой изменчивости нормированных аномалий у поверхности земли. Обращает внимание сохранение отрицательных аномалий в приземном слое атмосферы с 1959 г. до конца 1990-х годов и рост положительных аномалий с 2000 г. до 2009 г. Такой характер изменений удельной влажности у поверхности земли хорошо согласуется с аналогичными изменениями температуры воздуха. В слоях нижней и средней тропосферы прослеживается преобладание положительных аномалий удельной влажности вплоть до 1978 г., отрицательных аномалий до середины 1980-х годов и некоторая тенденция к увеличению числа положительных аномалий в последующий период, особенно на высоте 850 гПа летом. Наиболее крупные положительные аномалии наблюдались в период с 1961 по 1976 годы. Максимальные положительные аномалии (до +3 ?) отмечены на уровне 400 гПа в 1962 году. Наиболее значительные отрицательные аномалии удельной влажности (до -3 ?) отмечались зимой 1979 года в слое от поверхности земли до 500 гПа.

Результаты расчетов по сезонам и за год в целом средней многолетней удельной влажности (Q, г/кг), её линейного тренда (K, г/кг/год) и дисперсии (D, г/кг), выполненные по срочным данным на шести стандартных изобарических поверхностях в свободной атмосфере и в приземном слое воздуха за анализируемый период наблюдений, приведены в таблице 2. Как видно из таблицы, наиболее выраженные положительные тренды отмечаются в слое от земли до 925 гПа. При этом сами значения коэффициентов линейного тренда удельной влажности невелики. Максимальный тренд удельной влажности 0.004 г/кг/год отмечается на уровне 925 гПа зимой и летом. Весной и осенью положительные коэффициенты трендов удельной влажности отмечены только у земли, тогда как отрицательные тенденции – в тропосфере от 925 до 300 гПа.

Таблица 2. Статистические характеристики удельной влажности на стации Тикси за период 1959–2009 гг.

Примечание: заливкой отмечены положительные значения трендов, N – количество лет наблюдений, данные которых были использованы для анализа

Анализ данных аэрологических зондирований, выполненных на метеостанции Тикси в 1959–2009 годах, позволил выявить основные закономерности долговременных изменений температуры (до высоты 10 гПа) и удельной влажности воздуха (до высоты 300 гПа). Обе характеристики свободной атмосферы показали наличие слабого, но положительного тренда в нижней тропосфере, особенно явно выраженного в 2000-е годы. В то же время полученные результаты являются лишь качественным свидетельством наблюдаемого в последние годы потепления нижнего слоя атмосферы и похолодания верхней тропосферы и нижней стратосферы. Это обусловлено относительно небольшой длиной рядов наблюдений, имеющимися пропусками данных и частотой радиозондирований, не превышающей двух радиозондирований в сутки. Значительно больший объем информации как по количеству наблюдаемых параметров, так и по продолжительности, качеству и частоте наблюдений был получен на метеорологической станции Тикси в ходе выполнения стандартных метеорологических наблюдений. Результаты анализа этих наблюдений изложены в следующей части статьи.

Климат приземного слоя атмосферы района Гидрометеорологической обсерватории

Анализ климата района Тикси базируется на созданном в период МПГ электронном архиве данных срочных метеорологических наблюдений, основой которого послужили имеющиеся в Фондах ААНИИ и в архиве Тиксинского филиала ЯУГМС рукописные таблицы ТМ-1 и ТГМ-1, а также, начиная с 1970-х годов, электронные таблицы ТМС. Всего архив содержит данные срочных наблюдений за более чем 27 000 дней (864 месяца) с августа 1932 года по 31 декабря 2007 года. Статистический анализ был выполнен для следующих метеорологических параметров: температура воздуха на высоте 2 метра (Т), атмосферное давление на уровне моря (Р), абсолютная влажность воздуха (А), скорость ветра

и балл общей облачности (N).

Полнота созданного архива может быть представлена следующими характеристиками. Количество месяцев с наличием данных менее чем за 25 дней составляет лишь 5 для Т и Р, 4 – для N, 3 – для

. Количество месяцев с отдельными пропусками также не велико. Это означает, что в статистическом анализе не использованы данные лишь за 0.5 % от числа месяцев, содержащихся в архиве, отбракованные по такому жесткому критерию, как наличие информации за все 4 срока за 25 и более дней в каждом месяце. Количество пропусков больше только для А (22 месяца с данными менее, чем за 25 дней) и для N (по отдельным пропускам без нарушения критерия 25 дней).

Создание столь масштабного архива данных, содержащего более 1.23 миллиона значений метеорологических параметров, занесенных с бумажного носителя, часто низкого качества, с большим количеством исправлений, в принципе невозможно без ошибок. Для коррекции ошибок архива, состоящего из отдельных файлов для каждого календарного года, были созданы, с целью исключения влияния сезонного хода, отдельные файлы в формате EXEL для каждого календарного месяца за весь период наблюдений. Таким образом, было сформировано 12 файлов, которые и были подвергнуты процедуре коррекции.

На первом этапе с помощью графического представления данных в среде EXEL были выявлены и исключены грубые ошибки данных (типа 100 м/с вместо 10 м/с, 9999 гПа вместо 999 гПа и т. п.) для каждого параметра и каждого срока.

На втором этапе на рядах с исключенными грубыми выбросами был продолжен графический анализ сомнительных данных. Для этого график данных конкретного месяца и конкретного срока наблюдений был дополнен графиками значений за предыдущий и последующий сроки измерений. При этом были выявлены те выбросы, которые реальны и которые сомнительны (согласованность или постоянство в различные сроки).

Следует отметить, что перед выполнением первого этапа были оценены дисперсия, асимметрия и эксцесс (2, 3 и 4-й моменты распределения). Их неправдоподобно большие значения являлись первым признаком возможного наличия грубых ошибок. После выполнения первого этапа эти оценки были повторены по исправленным на этом этапе рядам.

После исключения выбросов в рядах, тем не менее, могли остаться ошибки, не выбивающиеся из реального диапазона изменчивости. Для их обнаружения был использован следующий алгоритм. По последовательности результатов измерений x

, i=1,2,…,n рассчитывались ряды значений:

(1)

и их суммы:

(2)

Если ?x

> Д?*, измерения с номерами i-1, i, i+1 считались сомнительными и проверялись по первоисточникам. Ряд (1) анализировался графически. При этом критическое значение Д задавалось равным 5.

Дополнительный контроль температур воздуха и почвы проводился по данным значений о максимальном и минимальном значениях параметра для данного дня. Для этого рассчитывался размах суточного хода по срочным данным а

и по данным максимального и минимального термометров а

. Затем строились точечные диаграммы в координатах дата и а

-а

и выявлялись дни с положительными значениями данного параметра. Следует отметить, что в ряде случаев размах суточного хода по срочным данным был больше, чем по измеренным минимальному и максимальному термометрам, что в ряде случаев было связано с ошибками в срочных значениях. Однако дополнительный анализ показал невысокую надежность данных о минимальной и максимальной температурах. Тем не менее, проведенный дополнительный контроль позволил выявить в архиве 72 ошибочных значения температур воздуха и почвы.

Таким образом, в результате пошаговой проверки был создан максимально возможно скорректированный архив данных стандартных метеорологических наблюдений, выполненных на метеорологической станции Тикси в 1932–2007 годах, позволяющий исследовать изменчивость климата района Гидрометеорологической обсерватории.

Статистический анализ изменчивости основных характеристик климата приземного слоя атмосферы и облачности был выполнен на основе моделей случайной величины и стационарного случайного процесса. Распределение дисперсии по диапазонам представлено оценками дисперсии данных годового, сезонного, месячного, суточного и срочного разрешения и оценками спектральной плотности в стационарном приближении S(?). При этом дисперсию в полосе частот (?

, ?

) определяет спектральная функция.

(3)

Особенности распределения вероятностей изменчивости основных метеоэлементов f(х) представлены таблицами повторяемости и оценками моментов – среднего значения m, дисперсии D, среднеквадратического отклонения (CKO) ?=D

, асимметрии А, эксцесса Е и экстремумов X

, X

. Для анализа использованы также квантили распределения X

: минимум X

, нижняя квартиль X

, медиана

, верхняя квартиль X