Метод визначення дат стійких переходів температури повітря через фіксовані значення та тенденції їх змін в умовах сучасного клімату

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

УДК 551.583:551.588

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ ДАТ СТІЙКИХ ПЕРЕХОДІВ ТЕМПЕРАТУРИ ПОВІТРЯ ЧЕРЕЗ ФІКСОВАНІ ЗНАЧЕННЯ ТА ТЕНДЕНЦІЇ ЇХ ЗМІН В УМОВАХ СУЧАСНОГО КЛІМАТУ

Скриник Олеся

Атанасіївна

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі метеорології та кліматології Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор географічних наук, професор Сніжко Сергій Іванович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедри метеорології та кліматології

Офіційні опоненти: доктор географічних наук Антоненко Володимир Степанович Київський національний університет культури і мистецтв, завідувач кафедри міжнародного туризму кандидат географічних наук, старший науковий співробітник Бабіченко Валентина Миколаївна Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, головний науковий співробітник

Захист відбудеться „_26_” ____03___ 2009 р. о 14.00_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою:

м. Київ, МСП-680, проспект Глушкова 2, географічний факультет.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою:

01033, м. Київ, вул. Володимирівська, 64.

Автореферат розісланий „20_” 02

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22 кандидат географічних наук В.В. Гребінь

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. В останні десятиліття кліматологічні дослідження набувають особливої гостроти і актуальності у зв'язку із глобальною проблемою - проблемою підвищення середньої приземної температури повітря. Клімат може змінюватись, причому ці зміни стосуються не тільки історичного минулого, а і сьогодення і на масштабах часу, співвимірних з тривалістю людського життя. Усвідомлення цього факту ставить перед кліматологами першочергове завдання стосовно виявлення наявних і прогнозування майбутніх кліматичних змін, їх соціальних, економічних та екологічних наслідків.

Одним із основних кліматологічних показників, що характеризують певну географічну територію є температурний режим. Тому вивчення його особливостей (в тому числі і дослідження тривалості періодів з певною температурою та дат їх початку і закінчення) було і залишається найбільш важливою задачею при проведенні комплексних кліматологічних досліджень. В Україні кліматологічні дослідження температурного режиму проводяться давно і дуже інтенсивно. Протягом останнього століття відбувався збір і накопичення емпіричного матеріалу, здійснювалась його систематизація і опрацювання. Завдяки роботам українських кліматологів І.Є.Бучинського, В.М.Бабіченко та ін. досліджено основні фактори формування температурного режиму України, встановлено основні статистичні параметри кліматичного температурного поля на території нашої держави, досліджено загальні тенденції вікової трансформації температурного режиму внаслідок глобальних змін клімату.

Поряд із значними досягненнями у дослідженні температурного режиму України залишаються деякі питання, які ще не отримали остаточного вирішення. Вони стосуються проблеми детального дослідження систематичних змін у віковому ході характеристик температурного режиму (їх причин та наслідків) та, особливо, прогнозування тенденцій їх подальшої еволюції. Наприклад, є невирішеною остаточно задача виявлення і ідентифікації регулярних вікових змін дат стійких переходів температури повітря через певні фіксовані значення та тривалості відповідних періодів. Очевидно, розв'язання вказаної задачі має дуже велике значення для різних галузей економіки країни. У відповідності із вище зазначеним формулювалася мета дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати, які наведені у дисертації, отримані при проведенні досліджень за темою „Методичні засади розробки основ регіонального природокористування в Україні” НДР № 01БФ050-03 (План НДР НДЧ Київського національного університету імені Тараса Шевченка; 2005 - 2007 рр., виконавець).

Мета і задачі дослідження. Метою проведених досліджень є визначення особливостей вікового ходу (протягом XX і початку XXI століть) дат стійких весняних і осінніх переходів температури повітря через 0, 5, 10 оС та тривалості відповідних періодів на території України; виявити можливу реакцію вказаних кліматологічних показників на підвищення середньої глобальної температури повітря.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі дослідження:

запропонувати новий підхід до визначення дат стійких переходів температури повітря через фіксовані порогові значення. Новий підхід має бути оптимальним для досягнення поставленої у дисертаційному дослідженні мети;

на основі статистико-імовірнісного аналізу виявити і дослідити вікові зміни (які вже відбулися) часових меж і тривалості теплого (з температурою вище 0 оС) і вегетаційних (з температурою вище 5 і 10 оС) періодів в Україні;

спрогнозувати і обґрунтувати тенденції можливих змін (які можуть відбутися у майбутньому) досліджуваних кліматологічних характеристик.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є особливості температурного режиму України, а саме: кліматичні поля дат стійких переходів середньої добової температури повітря через 0, 5, 10 оС та тривалості відповідних періодів.

Предмет дослідження. Вікова трансформація кліматичних полів зазначених характеристик на території України внаслідок глобального потепління. Тенденції їх можливих майбутніх змін.

Методи дослідження. З формальної точки зору об'єктом дослідження є ряди даних спостережень за температурою повітря на метеорологічних станціях і вікові ряди дат стійких переходів температури повітря через 0, 5, 10 оС та тривалості відповідних періодів. Тому основними методами дослідження є методи математичної статистики з подальшою фізичною (кліматологічною) інтерпретацією отриманих результатів. Так, для виявлення систематичних (регулярних) змін у рядах досліджуваних кліматологічних показників використовувались методи регресійного аналізу, для виявлення прихованих періодичностей з метою прогнозування тенденцій їх майбутніх змін - методи спектрального аналізу. Процес обчислення дат стійких переходів був повністю автоматизований, для чого були використані певні елементи чисельних методів. Для більшої ефективності визначення просторових особливостей змін досліджуваних показників використовувався картографічний метод представлення результатів розрахунків.

Наукова новизна одержаних результатів:

запропоновано новий підхід до вирішення задачі визначення стійких переходів температури повітря через певні порогові значення, який базується на оригінальному трактуванні поняття стійкості дати переходу;

вперше сформульовано формальне означення стійкого переходу середньої добової температури повітря через фіксоване значення. Запропоноване означення служить основою кліматологічного методу визначення дат стійких переходів температури;

розроблено новий (кліматологічний) метод визначення дат стійких переходів середньої добової температури повітря, який є оптимальним для виявлення вікових змін досліджуваних кліматологічних характеристик;

отримано нові результати стосовно вікової динаміки тривалості теплого і вегетаційних періодів та їх часових меж на території України. Згадані результати отримані за допомогою розробленого кліматологічного методу. Висновки стосовно регулярних змін досліджуваних кліматологічних характеристик статистично значущі, тобто, науково обґрунтовані. Використання кліматологічного методу дозволило здійснити підтвердження раніше відомого факту щодо деякого вирівнювання кліматичного температурного поля в Україні;

отримано нові дані стосовно спектральних характеристик часових рядів дат стійких переходів і тривалості відповідних періодів на території України. Отримані дані дозволяють прогнозувати тенденції можливих майбутніх змін;

вперше запропоновано обґрунтування ефекту зростання дисперсії у рядах тривалості періодів з певною температурою у порівнянні з дисперсією рядів дат стійких весняних і осінніх переходів через відповідне значення.

Практичне значення одержаних результатів:

розроблений підхід може бути методологічною основою для систематизації методів визначення стійких переходів температури повітря через певні фіксовані значення;

запропонований кліматологічний метод може бути використаний для дослідження особливостей періодів з іншою пороговою температурою, наприклад, опалювального періоду (з середньою добовою температурою нижче 8 оС);

всебічне (комплексне) вивчення особливостей періодів з певною температурою можливе лише з використанням різних методів визначення стійких температурних переходів (в тому числі - з використанням розробленого кліматологічного методу). Детальні і глибокі знання особливостей періодів з певною температурою мають велике значення практично для всієї економіки країни (енергетика, сільське господарство, туризм і т.д.).

інформація стосовно спектральних характеристик часових рядів дат стійких переходів і тривалості відповідних періодів може бути використана для створення напівемпіричних прогностичних моделей досліджуваних показників.

Особистий внесок здобувача. Постановка наукових задач дослідження розроблена здобувачем спільно з науковим керівником. Науковому керівнику належать також загальні ідеї вирішення поставлених наукових задач. Особистий внесок здобувача полягає в:

зборі, систематизації, попередньому опрацюванні емпіричних даних, на основі яких проводились подальші розрахунки;

детальному обґрунтуванні методологічних основ запропонованого підходу до вирішення задачі визначення дати стійкого переходу середньої добової температури повітря через певне фіксоване значення;

розробці алгоритмічної бази комп'ютерної програми, що реалізує і автоматизує кліматологічний метод, на основі якого і проводилися розрахунки дат стійких переходів;

проведенні розрахунків статистичних параметрів досліджуваних рядів, кліматологічній інтерпретації отриманих результатів (у тому числі і побудова карт).

У статтях, опублікованих у співавторстві з науковим керівником і іншими дослідниками, здобувачу належать: створення бази даних вимірів середньої добової температури, обґрунтування запропонованого кліматологічного методу, проведення розрахунків статистичних параметрів досліджуваних рядів, побудова карт.

Апробація результатів. Основні результати роботи доповідались на засіданнях кафедри метеорології та кліматології географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, а також на:

Second International Conference on Earth System Modelling (ICESM), Hamburg, 2007;

науковому семінарі, що проводився кафедрою метеорології та кліматології географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка (під керівництвом проф. С.І.Сніжка), Київ, 2008;

науковому семінарі відділу кліматичних досліджень та довгострокового прогнозу погоди УкрНДГМІ (під керівництвом проф. В.Ф.Мартазінової), Київ, 2008;

X З'їзді Українського географічного товариства „Географія в інформаційному суспільстві”, Київ, 2008;

Науковій студентсько-аспірантській конференції „Молоді науковці - географічній науці”, Київ, 2008.

Публікації. Наукові результати дисертації опубліковані в:

наукових журналах і збірниках наукових праць - 4;

матеріалах і тезах конференцій - 3.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел із 123 найменувань. Повний обсяг дисертації становить 125 сторінок. Робота вміщує 7 таблиць, 21 рисунок.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, вказані основні методи дослідження, наукова новизна і практичне значення. Також відмічено особистий внесок здобувача і наведено список наукових семінарів і конференцій, де було апробовано отримані під час виконання дисертаційної роботи результати.

У першому розділі за літературними джерелами докладно розглянуто і проаналізовано сучасний стан проблеми дослідження особливостей періодів (їх початку, закінчення та тривалості) з температурою повітря вище 0, 5, 10 оС в Україні.

В першу чергу розглянуто сучасні підходи до визначення основного поняття кліматології - поняття клімату. Проведення такого розгляду є необхідним з точки зору подальшого використання сучасного трактування цього поняття для обґрунтування власного методу визначення дат стійких переходів температури повітря через фіксовані значення. Відмічено вклад вітчизняних кліматологів у розвиток кліматологічної науки, у вивчення кліматичних умов нашої країни, їх змін внаслідок сучасних глобальних кліматичних змін.

Звернено увагу, що дати стійких переходів температури через 0, 5, 10 оС та тривалість відповідних періодів у дисертації розглядаються як кліматологічні показники, які характеризують термічний режим досліджуваної території. Тому в загальних рисах розглянуто також особливості формування термічного режиму в Україні, загальні тенденції його сучасних змін внаслідок глобального потепління.

Розглянуто і докладно проаналізовано сучасний стан досліджень особливостей теплого (з температурою вище 0 оС) і вегетаційних (з температурою вище 5 і 10 оС) періодів на території України. Для раціонального проведення аналізу виділено три основні напрями досліджень зазначеної тематики.

У першому напрямі - розробці методів визначення дат стійких переходів - відмічено вклад вчених кліматологів і агрометеорологів колишнього СРСР Д.А.Педя, О.В.Федорова, Г.З.Венцкевич, І.А.Гольцберг, А.А.Шепелевського, О.М.Поповської. Ними було запропоновано різні методи обчислення дат стійких переходів, які використовуються у сучасній кліматологічній та агрометеорологічній практиці. Наголошено, що незважаючи на це, роботи по відшуканню найбільш адекватного методу визначення стійких переходів не припиняються, оскільки всі відомі методи дають різні результати. Інколи різниця у датах „стійких” переходів, обчислених різними методами, може досягати місяця і більше.

Серед більш сучасних результатів в цьому напрямі відмічено роботи Л.П.Наумової і І.Sladekа, метод якого повністю автоматизує метод Д.А.Педя. Зазначено, що саме цей метод найбільш часто використовується у наукових дослідженнях, пов'язаних із виявленням регулярних змін у рядах зазначених показників.

Вказано, що другий напрям досліджень - визначення статистичних характеристик полів тривалості певних періодів і їх часових меж в Україні (без приділення уваги можливим трендам внаслідок зміни клімату) - є найбільш детально і ґрунтовно розробленим. Завдяки роботам вчених УкрНДГМІ та Київського університету імені Тараса Шевченка (кафедра метеорології і кліматології) І.Є.Бучинського, В.М.Бабіченко, Н.М.Гавриленко, В.І.Ромушкевич, С.Ф.Рудішиної, З.С.Бондаренко, А.Я.Короткової, М.І.Щербаня, Л.М.Гущиної, А.М.Фрідмана, В.І.Конторщикова, Н.І.Михайлової та ін. статистичні характеристики полів дат стійких переходів середньої добової температури через різні порогові значення і тривалості відповідних періодів в Україні були досліджені дуже детально. Було запропоновано методи прогнозування дат стійких переходів температури повітря через фіксовані значення.

Також зазначено, що значний вклад у дослідженні особливостей періодів з певною температурою (важливих для вирощування сільськогосподарських культур) внесли вітчизняні агрометеорологи. Відмічено роботи А.М.Польового (Одеський екологічний університет), В.П.Дмитренка (УкрНДГМІ), В.С.Антоненка (Київський національний університет культури).

Третій напрям досліджень - виявлення і прогнозування тенденцій систематичних змін зазначених кліматологічних показників на території України внаслідок глобального потепління. Вказано, що дослідженням систематичних змін займаються вчені УкрНДГМІ, Українського Гідрометцентру В.М.Бабіченко, В.П.Дмитренко, Т.І.Адаменко, М.Б.Барабаш, Ж.Л.Ємельянова, О.Г.Татарчук, М.І.Кульбіда та ін. Відмічено, що аналогічні задачі активно вивчаються як у ближньому, так і у дальньому зарубіжжі, що свідчить про їх важливість та актуальність. Як приклад, відмічено роботи В.М.Мірвіса та А.А.Мініна в Росії, В.Ф.Логінова в Білорусі.

Докладний огляд і аналіз літературних джерел по кожному із напрямів свідчить про існування деяких невирішених аспектів поряд із значними результатами і досягненнями. Зазначено, що оскільки на сучасному етапі найбільш актуальними є дослідження регулярних змін кліматологічних показників внаслідок глобального потепління, то для виявлення їх вікової динаміки необхідно, по-перше, розробити новий або удосконалити відомі методи визначення стійких переходів з метою їх найкращої адаптації для досліджень кліматичних змін. По-друге, на основі достатньо довгих часових рядів даних про середню добову температуру на реперних метеорологічних станціях, що покривають територію України, отримати вікові ряди дат переходів через 0, 5, 10 оС та тривалості відповідних періодів. Після чого необхідно провести ґрунтовний статистичний аналіз цих рядів з метою отримання достатньо вичерпних висновків щодо змін, які вже відбулися. По-третє, на основі сучасних статистичних методів отримати фізично обґрунтовану інформацію відносно тенденцій можливих майбутніх змін досліджуваних кліматологічних характеристик.

У другому розділі запропоновано новий підхід до вирішення задачі визначення стійких переходів температури повітря через фіксовані значення, в рамках якого розроблено новий метод визначення дат стійких переходів. Обґрунтовано оптимальність методу для дослідження вікових регулярних (систематичних) змін кліматологічних показників.

Спочатку сформульовано загальну постановку задачі стосовно визначення дати стійкого переходу температури повітря через задане порогове значення. Здійснено її аналіз, на основі якого виділено основні проблемні місця, що зустрічаються на шляху розв'язання задачі. З проведеного аналізу зроблено висновок, що основним, фундаментальним поняттям, яке необхідно детально роз'яснити при вирішенні загальної постановки задачі є поняття стійкості дати переходу. Тобто, спочатку необхідно роз'яснити, що слід розуміти під стійкістю переходу, про стійкість відносно чого йде мова. Детальне роз'яснення поняття стійкості має служити методологічною основою введення будь-якого методу визначення стійкого переходу температури повітря. Жоден із існуючих методів не дає чіткого трактування цього поняття. Тобто, у всіх відомих методах дається лише алгоритм обчислення дат стійких переходів, не пояснюючи в чому суть цього поняття.

Проаналізувавши, як поняття стійкості трактується у різних галузях науки, запропоновано оригінальне трактування стійкості дати температурного переходу, яке є чітким і зрозумілим з точки зору кліматології. Для максимально коректного врахування температурної мінливості на різних часових масштабах запропоновано розділити поняття стійкості на дві частини. У першому випадку можна говорити про стійкість дати у межах окремого року, у другому - в межах деякого проміжку часу тривалістю в декілька десятиліть. Зазначено, що введення такого розділення поняття стійкості можна вважати виправданим, оскільки в різних кліматологічних задачах необхідно максимально коректно враховувати значну мінливість температури як протягом окремого року, так і з року в рік.

Таким чином, зазначено, що у першому випадку (тобто, при дослідженні особливостей температурного режиму певних окремих років)

стійкість дати переходу повинна розглядатися відносно малих випадкових флуктуацій температури в межах одного річного циклу (у вибраному річному ході).

Тобто, якщо в часовому ході температури (в окремому річному ході) в силу тих чи інших причин виникатимуть малі флуктуації, то це не повинно вплинути суттєво на обчислювану дату переходу (малій дії повинна відповідати мала реакція на дію).

У другому випадку (при дослідженні особливостей температурного режиму притаманних певному кліматичному періоду)

стійкість дати переходу повинна розглядатися відносно випадкових флуктуацій температури у річних циклах в межах декількох десятиліть (у кліматичному періоді).

Тобто, якщо в часовому ході температури (у річних циклах протягом якогось періоду) в силу тих чи інших причин виникатимуть „малі” флуктуації на висхідних чи низхідних гілках, то це не повинно вплинути суттєво на обчислювану дату переходу.

Здійснено критичний аналіз основних методів з метою дослідження стійкості дат, що ними визначаються. Зазначено, що з точки зору кліматології (у вище запропонованому значенні поняття стійкості) стійкі дати визначаються лише методом гістограм. Але водночас, метод гістограм слабо придатний для вирішення задачі стосовно виявлення регулярних змін у досліджуваних кліматологічних характеристик. Зроблено висновок, що необхідність розробки методу, який був би оптимальним для вирішення цієї задачі, залишається.

Далі запропоновано власний метод, в основі якого лежить означення стійкого переходу, що органічно випливає із вище розглянутого трактування поняття стійкості. Зазначено, що означення є прийнятним як з точки зору кліматологічної стійкості, так і з точки зору стійкості у межах окремих років. Основне вихідне припущення: реальний річний хід середньої добової температури на деякій станції (де - середня добова температура, - рік, - календарна дата дня) є окремою реалізацією нестаціонарної випадкової функції .

Означення: Стійкий перехід середньої добової температури повітря через порогове значення А - це перехід, який здійснює середнє значення (математичне очікування) випадкової функції .

Ще раз акцентовано увагу, що оскільки не залежить від випадкових флуктуацій у окремих реалізаціях, то запропоноване означення повністю узгоджується із приведеними вище трактуваннями поняття стійкості дати переходу. Воно, по-суті, є їх наслідком. Тоді

дата стійкого весняного переходу середньої добової температури - це момент часу (календарна дата дня) на висхідній гілці річного ходу, для якого починає виконуватися умова ;

дата стійкого осіннього переходу - момент часу (календарна дата дня) на низхідній гілці річного ходу, для якого починає виконуватися умова .

Наголошено, що приведені означення дають достатню теоретичну базу для побудови алгоритму визначення дат стійких переходів середньої добової температури. Необхідно уточнити лише процедуру отримання . Середнє значення розраховується за формулою

, ,

де індекси і вказують на перехід до дискретного аналогу середнього значення випадкової функції .

Зауважено, що отриманий на основі (1) ряд, , можна трактувати як середній за декілька десятиліть річний хід середньої добової температури (кліматологічний річний хід). Тому метод визначення дат переходу температури на його основі доцільно назвати кліматологічним методом.

Особливо акцентовано, що приведена вище процедура визначення математичного очікування випадкової функції , а відповідно і дати стійкого переходу ґрунтується на сучасному означенні найважливішого поняття кліматології - клімату. Тому обґрунтованість запропонованого методу певною мірою визначається також і обґрунтованістю сучасного означення клімату.

Зазначено, що при практичному застосуванні формули (1) виникають певні труднощі: осереднення по ансамблю із 31-річної реалізації не дає гладкий хід осередненої величини (рис. 1). В осередненому річному ході температури спостерігаються інтенсивні коливання малої амплітуди (в порівнянні з реальним ходом середньої добової температури), накладені на деякий монотонний хід на висхідній і низхідній гілках. Тобто, виникає проблема однозначності визначення стійкого переходу: внаслідок наявності малоамплітудних флуктуацій може бути декілька переходів температури, але протягом дуже малого проміжку часу (кілька днів). Для розв'язання даної проблеми запропоновано до отриманого кліматологічного річного ходу застосувати метод Д.А.Педя.

Сформульовано основні переваги запропонованого методу при дослідженні регулярних (систематичних) змін кліматологічних показників:

метод базується на чіткому розумінні поняття стійкості дати переходу і на формальному означенні стійкого переходу середньої добової температури повітря; кліматологія вегетаційний глобальний потепління

отримані кліматологічним методом часові ряди дат переходів і тривалості відповідних періодів мають значно меншу дисперсію і міжрічну мінливість, що дозволяє набагато легше провести їх аналіз щодо виявлення можливих регулярних змін (рис. 2). Крім того, зменшення дисперсії приводить до збільшення статистичної значущості наявних лінійних трендів, що дозволяє робити більш обгрунтованіші висновки стосовно можливих вікових змін досліджуваних кліматологічних характеристик;

навіть для емпіричних даних досить короткої тривалості в часових рядах, отриманих за допомогою кліматологічного методу, не спостерігається різка просторова мінливість коефіцієнтів лінійних трендів, що дозволяє виявляти можливий характер регулярних просторових змін.

Зроблено висновок, що у подальших дослідженнях для виявлення тенденцій регулярних змін доцільно використовувати кліматологічний метод, а для дослідження особливостей температурних умов, притаманних кожному окремому року, міжрічної мінливості розглядуваних показників чи для статистичного прогнозу тенденцій можливих подальших змін - метод гістограм.

У третьому розділ, використовуючи кліматологічний метод досліджено систематичні зміни у віковому ході дат стійкого переходу середньої добової температури через 0, 5, 10 оС та тривалості відповідних періодів на території України. У якості вхідної інформації використано дані про середню добову температури за період з 1900 по 2005 рр. на 17 метеорологічних станціях України і трьох станціях сусідніх держав: Брест (Білорусь), Курськ (Російська Федерація), Кишинів (Молдова). Кількісну оцінку наявних регулярних змін у вікових рядах дат переходів і тривалості відповідних періодів отримано за допомогою обчислення коефіцієнтів лінійних трендів (k) відповідних рядів. Визначення статистичної значущості k здійснено обчисленням відповідних коефіцієнтів детермінації (R2). Просторові особливості тенденцій регулярних змін досліджено картографічним методом.

Для періоду з температурою вище 0 оС отримано наступні висновки:

відносно стабільна поведінка до середини 50-х рр. (рис. 3). Коефіцієнти лінійних трендів за період до 1955 р. приймають порівняно малі (за модулем) значення;

початок весни за період 1955-1990 рр. змістився на більш ранні терміни на всій території України (за винятком Закарпаття), проте на північному заході і в центрі України в середньому на 15 днів (k = -2,5ч-4,8 днів/10 років), на південному сході на 5ч7 днів (k = -2,2ч-2,8 днів/10 років);

осінні стійкі переходи змістились на пізніші терміни за аналогічний період тільки у центральному регіоні і на узбережжі теплих морів на 3ч7 днів (k = 0,8ч2,3 днів/10 років); у інших регіонах або взагалі не змінились, або змістились на раніші терміни на приблизно такий же період. Найбільш інтенсивні зміни осінніх переходів відбулись у Закарпатті (k = -4,0 днів/10 років);

значення k практично на всіх станціях є статистично значущі. Тобто, виявлені зміни справді відбулися і такий висновок є достатньо науково (статистично) обґрунтованим;

тривалість періоду з температурою вище 0 оС зросла на всій території України, проте на північному заході більш інтенсивно (? 18 днів) ніж на південному сході (? 5 днів);

На основі аналогічних розрахунків статистичних параметрів для періоду з температурою вище 5 оС отримано наступні висновки:

відносно стабільна поведінка до середини 50-х років. Коефіцієнти лінійних трендів за період до 1955 р. приймають порівняно малі (за модулем) значення;

просторово неоднорідний розподіл регулярних змін;

початок періоду за 1955-1990 рр. на півночі, центрі і Закарпатті змістився на більш ранні терміни в середньому на 5ч6 днів (k = -1,5ч-1,9 днів/10 років), на південному сході на ? 3 дні (k = -1,0ч-1,2 днів/10 років);

осінні стійкі переходи за аналогічний період, на відміну від періоду з температурою вище 0 оС, змістились на раніші терміни практично на всій території України, за винятком узбережжя, причому у північному і центральному регіонах на 3ч5 днів, а південному сході - на 6ч12 днів;

за період 1955-1990 рр. для весняних і осінніх переходів значення k практично на всіх станціях є статистично значущі, про що свідчать відповідні значення величини R2. Тобто, виявлені зміни справді відбулися і такий висновок є достатньо статистично обґрунтованим;

тривалість періоду з температурою вище 5 оС дещо зросла на півночі, центрі і у прибережній зоні України, а на заході і у південно-східному регіоні весняне „потепління” компенсується осіннім „похолоданням”, що приводить тут до деякого зменшення тривалості досліджуваного періоду.

На основі аналогічних розрахунків статистичних параметрів для періоду з температурою вище 10 оС отримано наступні висновки:

на відміну від періодів з температурою вище 0 і 5 оС регулярні зміни для періоду з температурою вище 10 оС не проявилися настільки ж чітко. Їх важко виявити і обґрунтувати;

коефіцієнти лінійних трендів як за період до 1955 р., так і за період 1955-1990 рр. приймають порівняно малі (за модулем) значення. Зменшилась статистична значущість обчислених лінійних трендів, що підтверджує висновок про відсутність чітких проявів регулярних змін в досліджуваних рядах;

за період 1955-1990 рр. на сході і півдні весняні і осінні переходи змістились на пізніші терміни. Для весняних переходів k = 0,6ч0,7 днів/10 років; для осінніх переходів k = 0,8ч2,6 днів/10 років;

на півночі і заході значущими і суттєвими є зміни тільки осінніх переходів;

тривалість періоду з температурою вище 10 оС практично не змінилася на більшій частині території України, за винятком крайніх південно-східних і північно-західних регіонів, де вона зросла приблизно на 6 ч 10 днів;

Зроблено загальні висновки, щодо вікових змін дат стійких переходів температури повітря через 0, 5, 10 оС та тривалостей відповідних періодів. Зазначено, що використання кліматологічного методу для обчислення рядів дат стійких переходів температури повітря через фіксовані порогові значення дозволило чітко ідентифікувати регулярні зміни в рядах досліджуваних кліматологічних показників і науково обґрунтувати їх наявність.

Відмічено, що регулярні зміни часових меж і тривалості періодів з температурою вище 0, 5 та 10 оС в Україні відбувались тільки в другій половині минулого століття. Вони мали просторово неоднорідний характер. Вказано, що чіткої злагодженості у тенденціях змін переходів через 0, 5 та 10 оС немає. Виділяється перехід через 5 оС, особливо восени.

Наголошено, що для всіх температурних меж характерною є тенденція до більш раннього переходу весною та більш пізнього восени (тобто, до збільшення тривалості) у північних і центральних районах. Зазначено, що для того щоб пояснити таку тенденцію необхідно проводити дослідження циркуляційних (синоптичних) процесів, що формують відповідний температурний режим. Відмічено, що це має бути предметом окремого ґрунтовного дослідження. Тут лише зазначено, що причиною згаданої тенденції може бути зменшення повторюваності північно-західних циклонів (чи зміщення їх траєкторій на північ) та ультраполярних вторгнень. Такі явища можливі за рахунок певних змін глобальної циркуляції. Наприклад, це може бути результатом зміщення на схід Азорського антициклону. В разі такого зміщення є можливими зміни як повторюваності циклонів різних напрямків руху, так і зміни їх траєкторій.

Найбільш коротко висновок проведених досліджень сформульовано наступним чином: для всіх трьох періодів у тих регіонах, де тривалість була відносно малою, відбувалось її збільшення, а в тих регіонах, де вона була великою, зміни або взагалі не відбулися, або існувала тенденція до деякого зменшення тривалості (рис. 5). Тобто, в другій половині минулого століття існувала тенденція до деякого вирівнювання кліматичного температурного поля в Україні.

У четвертому розділі проведено розрахунки спектральних характеристик рядів дат стійких переходів через 0, 5, 10 оС та тривалості теплого і вегетаційних періодів з метою визначення інформації, важливої для прогнозування тенденцій майбутніх змін. Дослідження спектральних характеристик проведено на прикладі центральних районів України (станції Київ, Полтава, Умань). Період спостережень за температурою на вибраних станціях становить більше ста років, що дозволяє отримувати достатньо обґрунтовані результати.

а), в), д) - осереднені за 1961-1965 рр. дані, які отримані кліматологічним методом;

б),г), е) - осереднені за 1986-1990 рр. дані, які отримані кліматологічним методом.

Для кожної станції ряди дат стійких переходів через 0, 5, 10 оС обчислено методом гістограм. Після чого в середовищі пакету прикладних статистичних програм STATISTICA розраховано спектральну щільність відповідних рядів і визначено основні частоти (періоди).

Для періоду з температурою вище 0 оС виділено основні частоти (рис. 6):

для ряду весняних стійких переходів: ? 0,44 рік -1 (період ? 2 роки), ? 0,17 рік -1 (період: ? 6 років), ? 0,09 рік -1 (період: ? 11 ч 12 років);

для ряду осінніх стійких переходів: ? 0,03 рік -1 (період ? 33 роки), ? 0,09 рік -1 (період: ? 11 ч 12 років), ? 0,28 рік -1 (період: ? 3 ч 4 роки);

для ряду тривалості: ? 0,09 рік -1 (період: ? 11 ч 12 років), ? 0,4 рік -1 (період ? 2 ч 3 роки), ? 0,25 рік -1 (період: ? 4 роки).

На основі проведених розрахунків зроблено висновки про тенденції майбутньої поведінки досліджуваних характеристик:

на фоні тренду в рядах стійких весняних переходів у майбутньому буде спостерігатися інтенсивна міжрічна мінливість; наступний найбільш ранній весняний перехід можливо відбудеться у 2012 р. Досить ранній весняний перехід є також можливим у наступному році;

осінні переходи на фоні незначних систематичних змін у сторону пізніших дат будуть зазнавати порівняно менш значних міжрічних коливань. Наступний найбільш пізній перехід є можливим у 2010 ч 2012 рр.;

спостерігається різке зростання дисперсії ряду тривалості по відношенню до рядів стійких переходів завдяки ефекту підсилення коливань на окремих частотах. Тобто, існують частоти, для яких відповідні коливання у рядах весняних переходів сприяють більш ранньому настанню весняного стійкого переходу, а у рядах дат осінніх переходів аналогічні коливання (з такими ж частотами) сприяють більш пізньому переходу і навпаки.

Проведення аналогічних обчислень для періоду з температурою повітря вище 5 оС дозволило отримати наступні висновки:

на фоні тренду у рядах стійких весняних переходів через 5 оС у майбутньому не буде спостерігатися інтенсивна міжрічна мінливість; наступний відносно ранній перехід є найбільш імовірним у 2009 або у 2010 р.

осінні переходи на фоні незначних систематичних змін у сторону більш ранніх дат будуть зазнавати інтенсивних міжрічних коливань. Спрогнозувати наступний найбільш пізній перехід дуже важко.

спостерігається зростання дисперсії ряду тривалості по відношенню до рядів стійких переходів завдяки ефекту підсилення коливань на окремих частотах.

Для періоду з температурою повітря вище 10 оС отримано наступні висновки:

дуже важко спрогнозувати тенденції майбутніх значень рядів дат стійких весняних і осінніх переходів через 10 оС. Вказані ряди є найбільш складними для здійснення прогнозу. Є підстави лише стверджувати, що у вказаних рядах у майбутньому буде спостерігатися інтенсивна міжрічна мінливість спостерігається зростання дисперсії ряду тривалості по відношенню до рядів стійких переходів завдяки ефекту підсилення коливань на окремих частотах.

ВИСНОВКИ

У дисертації на основі розробленого оригінального методу визначення дат стійких переходів температури повітря через порогові значення виявлено, обґрунтовано наявність та досліджено регулярні (систематичні) зміни у віковому ході дат стійких переходів середньої добової температури через 0, 5, 10 оС та тривалості відповідних періодів на території України. Також дається прогноз тенденцій майбутньої можливої поведінки вказаних кліматологічних показників.

За проведеними дослідженнями сформульовано такі наукові висновки та практичні результати:

Запропоновано новий підхід до вирішення задачі визначення стійкого переходу середньої добової температури повітря через певні порогові значення, методологічною основою якого є оригінальне (кліматологічне) трактування стійкості дати переходу температури повітря.

Проаналізовано стійкість дат переходів температури, визначених основними відомими методами. Зроблено висновок, що з точки зору кліматології стійким є метод гістограм, який втім слабо придатний для виявлення регулярних вікових змін.

Сформульовано формальне означення стійкого переходу температури повітря через фіксоване значення в рамках запропонованого підходу до вирішення задачі. Означення є, по-суті, наслідком чіткого формулювання і детального роз'яснення власного трактування поняття стійкості дати переходу і прийнятого припущення, що часовий хід температури є окремою реалізацією нестаціонарного випадкового процесу. Сформульоване означення служить основою кліматологічного методу визначення дати стійкого переходу температури повітря.

Запропоновано новий (кліматологічний) метод визначення дати стійкого переходу середньої добової температури повітря через певні фіксовані значення. Доведено оптимальність методу для виявлення регулярних (систематичних) змін у рядах дат стійких переходів і тривалості відповідних періодів. Краща ефективність кліматологічного методу для виявлення регулярних змін досліджуваних кліматологічних показників показана як теоретично, так і на основі емпіричного матеріалу.

Виявлено і обґрунтовано наявність регулярних вікових змін тривалості періодів з температурою вище 0, 5, 10 оС та їх часових меж на території України. Особливо чітко вікові зміни проявилися весною для періодів з температурою 0 і 5 оС.

Згаданий результат отримано за допомогою розробленого кліматологічного методу. Висновки стосовно регулярних змін досліджуваних кліматологічних характеристик статистично значущі, тобто науково обґрунтовані. Використання кліматологічного методу дозволило дослідити просторові особливості регулярних змін дат стійких переходів через 0, 5, 10 оС та тривалості відповідних періодів. Отримані результати стосовно просторових особливостей підтвердили раніше відомий факт щодо деякого вирівнювання кліматичного температурного поля в Україні.

Визначено спектральні характеристик часових рядів дат стійких переходів і тривалості відповідних періодів на території України. Для рядів дат переходів через 0 і 5 оС отримана інформація дає змогу прогнозувати тенденції майбутніх змін. Крім того, вона може бути використана для створення напівемпіричних моделей, з допомогою яких можна здійснювати науково обґрунтований прогноз досліджуваних показників (а не тенденцій їх можливих майбутніх змін).

Знайдено пояснення зростання дисперсії у рядах тривалості теплого і вегетаційних періодів порівняно із дисперсією рядів дат переходу температури повітря через відповідні значення. Різке зростання дисперсії у рядах тривалості досліджуваних періодів виникає внаслідок підсилення окремих частот у рядах дат весняних і осінніх стійких переходів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті

1. Скриник О.А. До проблеми визначення дати стійкого переходу середньої добової температури повітря через фіксоване значення / О.А. Скриник, О.Я. Скриник // Наукові праці УкрНДГМІ. - 2006. - Вип. 255. - С.41-55. (здобувачу належать: детальне обґрунтування методологічних основ запропонованого підходу до вирішення задачі щодо визначення дати стійкого переходу середньої добової температури повітря через певне фіксоване значення, проведення розрахунків статистичних параметрів рядів дат стійких переходів температури повітря через 5 оС і тривалості відповідного періоду).

2. Скриник О.А. Стан досліджень особливостей тривалості теплих періодів в Україні / О.А. Скриник // Фізична географія та геоморфологія. - 2007. - Вип. 52. - С. 73 - 81.

3. Сніжко С.І. Особливості тривалості вегетаційного періоду і періоду активної вегетації на території України (тенденції зміни внаслідок глобального потепління) / С.І. Сніжко, О.А. Скриник, І.М. Щербань // Український гідрометеорологічний журнал. - 2007. - №2 - С. 119-128. (здобувачем виконано збір та аналіз первинної інформації, проведено обчислення статистичних параметрів досліджуваних рядів).

4. Сніжко С.І. Задача визначення дати стійкого переходу приземної температури повітря через певне фіксоване значення (аналіз методів) / С.І. Сніжко, О.А. Скриник // Український гідрометеорологічний журнал. - 2008. - № 3. - С. 56 - 67. (здобувачем виконано критичний аналіз основних методів визначення дат стійких переходів температури повітря через фіксовані значення, здійснено обчислення дат стійких переходів, виконано дослідження трактування поняття стійкості у різних галузях науки).

Тези і матеріали конференцій

5. Скриник О.А. Тенденції зміни часових границь і тривалості теплих періодів (з температурою більшою 5 оС і 10 оС) на Україні внаслідок глобального потепління / О.А. Скриник, С.І. Сніжко // Матеріали X з'їзду Українського географічного товариства „Географія в інформаційному суспільстві”. - Київ: ВГЛ „Обрії”, 2008. - С. 41-43. (здобувачем виконано створення бази даних вимірів середньої добової температури, проведено розрахунки статистичних параметрів досліджуваних рядів).

6. Скриник О.А. Зміни тривалості теплого і вегетаційних періодів в Україні протягом минулого століття / О.А. Скриник // Матеріали наукової конференції „Молоді науковці - географічній науці”. - Київ: ВГЛ „Обрії”, 2008. - С. 26.

7. Skrynyk O.Ya. Warm period duration changes in Ukraine as a possible result of global warming / O.Ya. Skrynyk, O.A. Skrynyk // Second International Conference on Earth System Modelling (ICESM). - Hamburg, 2007. - ID-NR: ICESM2007-A-00083.

АНОТАЦІЯ

Скриник О.А. Метод визначення дат стійких переходів температури повітря через фіксовані значення та тенденції їх змін в умовах сучасного клімату. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Географічний факультет Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Київ, 2009.

Дисертація присвячена дослідженню регіональних проявів сучасних глобальних кліматичних змін, а саме: виявленню і обґрунтуванню наявності регулярних змін у вікових рядах дат стійких переходів температури повітря через 0, 5, 10 оС та тривалості відповідних періодів в Україні, прогнозуванню тенденцій майбутньої поведінки зазначених кліматологічних показників.

Розроблено новий підхід до вирішення задачі стосовно визначення дат стійких переходів температури повітря через певні фіксовані значення, методологічною основою якого є оригінальне трактування стійкості дати переходу. Для формалізації процесу вирішення задачі сформульовано означення стійкого температурного переходу, яке по-суті є наслідком чіткого розуміння і трактування поняття стійкості. На основі сформульованого означення запропоновано новий кліматологічний метод визначення дат стійких переходів середньої добової температури повітря. Обґрунтовано оптимальність розроблено методу для виявлення і дослідження регулярних змін у віковому ході тривалості періодів з певною температурою та їх часових меж. Запропонований метод використано для дослідження особливостей періодів з температурою повітря вище 0, 5, 10 оС на території України в умовах сучасного клімату. Виявлено і обґрунтовано наявність систематичних змін у рядах досліджуваних кліматологічних показників у другій половині минулого століття. Досліджено просторові особливості регулярних змін зазначених характеристик в Україні. Підтверджено раніше відомий факт щодо деякого вирівнювання кліматичного температурного поля в Україні. На основі спектрального аналізу досліджено наявність прихованих періодичностей у рядах дат стійких переходів через 0, 5, 10 оС та тривалостей відповідних періодів. Інформація про спектральні характеристики використана для прогнозування тенденцій майбутньої поведінки досліджуваних показників. Знайдено пояснення ефекту зростання дисперсії у рядах тривалості теплого і вегетаційних періодів порівняно із дисперсією рядів дат переходу температури повітря через відповідні значення.

Ключові слова: стійкість, дати переходу середньої добової температури повітря, теплий період, вегетаційний період, період активної вегетації, спектральні характеристики рядів.

Скрыник О.А. Метод определения дат устойчивых переходов температуры воздуха через фиксированные значения и тенденции их изменений в условиях современного климата. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Географический факультет Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, Киев, 2009.

Диссертация посвящена исследованию региональных проявлений современных глобальных климатических изменений, а именно: выявлению регулярных (систематических) изменений в вековых рядах дат устойчивых переходов температуры воздуха через 0, 5, 10 оС и продолжительности соответственных периодов в Украине, прогнозированию тенденций дельнейшего поведения указанных климатологических показателей.

Разработан новый подход к решению задачи определения дат устойчивых переходов температуры воздуха через определенные фиксированные значения. Методологической основой разработанного похода является оригинальная (климатологическая) трактовка понятия устойчивости даты перехода. Учитывая сильную изменчивость температуры на разных масштабах времени, предложено понятие устойчивости даты перехода разделить на две части: устойчивость в пределах отдельного годового хода и устойчивость в пределах нескольких десятилетий (климатического периода). Предложено рассматривать устойчивость вычисляемых дат как их независимость от возможных температурных флуктуаций, в первом случае - в пределах отдельного годового хода температуры, во втором - в пределах нескольких десятилетий. Проведен критический анализ устойчивости дат переходов температуры воздуха, вычисленных основными методами. Показано что с точки зрения климатологии устойчивым есть только метод гистограмм. Указано, что все же метод гистограмм слабо пригодный для решения задачи относительно выявления регулярных изменений исследуемых климатологических характеристик.

Предложен собственный метод вычисления дат. В основе метода лежит определение устойчивого перехода, которое органически вытекает из выше рассмотренного трактования понятия устойчивости, то есть, по-существу, является следствием четкой трактовки этого понятия. Обоснована оптимальность разработанного метод для выявления и исследования регулярных (систематических) изменений в вековом ходе продолжительности периодов с определенной температурой и их временных границ.

Предложенный метод использован для исследования особенностей периодов с температурой воздуха выше 0, 5, 10 оС на территории Украины в условиях современного климата. Выявлено и обоснованно наличие систематических изменений в рядах исследуемых климатологических показателей во второй половине прошлого столетия. Исследованы пространственные особенности регулярных изменений указанных климатологических характеристик в Украине. Подтвержден ранее известный факт относительно некоторого выравнивания климатического температурного поля в Украине.

На основе спектрального анализа исследовано наличие скрытых периодичностей в рядах дат устойчивых переходов через 0, 5, 10 оС и продолжительности соответственных периодов. Информация о спектральных характеристиках использована для прогнозирования тенденций будущего поведения исследуемых показателей. Найдено объяснения увеличения дисперсии в рядах продолжительности теплого и вегетационных периодов сравнительно с дисперсией рядов дат переходов температуры воздуха через соответствующие значения. Показано, что увеличение дисперсии происходит благодаря эффекту усиления колебаний на отдельных частотах. То есть, существуют частоты, колебания которых оказывают содействие более раннему наступлению весеннего устойчивого перехода и в тоже время более позднему - осеннего.

Ключевые слова: устойчивость, даты устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха, теплый период, вегетационный период, период активной вегетации, спектральные характеристики рядов.

Skrynyk O.A. The method of determination of stable temperature transitions over fixed values and their changes due to global warming. - The manuscript.

Thesis on obtaining of the scientific candidate's degree of geographical sciences on speciality 11.00.09 - meteorology, climatology, agrometeorology. - Geographical faculty of Taras Shevchenko Kyiv National University, Kyiv, 2009.

The dissertation is devoted research of regional displays of modern global climatic changes, namely: to revealing of regular changes in time serieses of dates of steady air temperature transitions over 0, 5, 10 oC and durations of the respective periods in Ukraine, to forecasting of tendencies of specified climate indicators further behaviour.