Общая_климатологияКн1

В.А. Лобанов

ЛЕКЦИИ ПО КЛИМАТОЛОГИИ

Часть 1

R = (I*+i)(1-α) – (Es- δEa)

R = LE + Р + А

ОБЩАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ

Книга 1

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

_________________________________________________________

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.А. Лобанов

ЛЕКЦИИ ПО КЛИМАТОЛОГИИ ЧАСТЬ 1

ОБЩАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ Книга 1

Допущено Учебно-методическим объединением по образованию

вобласти гидрометеорологии в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Метеорология»

РГГМУ Санкт-Петербург

2019

1

УДК 551.51

ББК Л68

Рецензент: Ю.П. Переведенцев, д-р геогр. наук, проф. (Казанский государственный университет)

Л68 Лобанов В.А. Лекции по климатологии. Часть 1. Общая климатология: Книга 1.: учебник. − СПб, РГГМУ, 2019. – 378 с.

Учебник представляет собой курс лекций по первой части дисциплины “Климатология”, которая имеет самостоятельное название “Общая климатология” в отличие от второй части под названием “Динамика климата” и посвящена изучению физических свойств и факторов формирования климата, особенностям распределения климатических характеристик по Земному шару, их классификациям и методам обработки с целью определения расчетных климатических характеристик. Весь материал разделен на три основные части: климатическая обработка метеорологической информации, факторы формирования климата и закономерности пространственного распределения климатических характеристик, которые охватывают весь спектр проблем, связанных с формированием и закономерностями форм климата, а также с основным практическим приложением климатологии. Для понимания методов обработки климатической информации в лекциях даны базовые знания из статистического оценивания и регрессионного анализа.

Учебник предназначен для студентов-метеорологов высших учебных заведений, аспирантов и специалистов, интересующихся вопросами изменений климата, а также материал доступен и учащимся техникумов соответствующего профиля.

Lobanov, V.A. Lectures on climatology. Part 1: General Climatology. Book 1. Textbook in 2 Books. − St. Petersburg: RSHU, 2019. – 378 pp.

The textbook is a series of lectures on the first part of the course "climatology", which has an independent called "The general climatology" and is devoted to the study of physical properties and factors of climate formation, the characteristics of the distribution of climatic characteristics around the globe, their classifications and processing methods to determine the designed climatic characteristics. All material is divided into three main parts: climatic processing of meteorological information, factors of climate formation and patterns of spatial distribution of climatic characteristics that cover the whole range of problems associated with the formation and patterns of climate forms, as well as with the main practical application of climatology. In order to understand the methods of processing climate information, the lectures provide basic knowledge from statistical estimation and regression analysis.

The textbook is designed for students of Meteorological higher education institutions, graduate students and professionals interested in the issues of climate change, as well as the material is available to students of technical schools of the corresponding profile.

2

Содержание

климатологии……………………………………………………………………….....15

Тема 1. Климатическая обработка рядов наблюдений . . . . . . ………………..91

Лекция 2. Климатическая информация и банки данных…………………………..91

2.1.Способы получения и свойства климатических рядов………………………..91

2.2.Международная система хранения режимной метеорологической информации…………………………………………………………………………...97

2.3.Функции мирового центра гидрометеорологических данных

(на примере ВНИИГМИ-МЦД)…………………………………………………….101

2.4. Международные архивы климатических данных…………………………….125 Лекция 3. Общие сведения из математической статистики и регрессионного анализа……………………………………………………………..138

3.1.Основные сведения из теории вероятностей и математической статистики.138

3.2.Основные сведения из регрессионного анализа……………………………...186 Лекция 4. Оценка однородности и стационарности………………………………199

4.1.Причины неоднородности……………………………………………………...199

4.2Предварительные (простые) методы выявления неоднородности…………..201

4.3Статистические методы оценки однородности и стационарности………….207

4.4Примеры оценки стационарности параметров временных рядов по статистическим критериям……………………………………………………...226

Лекция 5. Восстановление пропусков и удлинение рядов наблюдений………...238

5.1.Методы…………………………………………………………………………..238

5.2.Примеры применения………………………………………………………..…256

5.3.Учет исторических максимумов……………………………………………….271 Лекция 6. Определение расчетных климатических характеристик……………...285

6.1.Методы…………………………………………………………………………..285

6.2Особенности обработки разных метеорологических величин……………….296

6.3Практические приложения……………………………………………………...322

Тема 2. Факторы формирования климата……………………………………...341

Лекция 7. Астрономические факторы……………………………………………...341

7.1.Классификация факторов климата…………………………………………….341

7.2.Приходящая солнечная радиация…………………………………………......352

7.3.Трансформация солнечной энергии в атмосфере…………………………….370

3

2.1.Methods of obtaining and properties of climatic time series …………..................91

2.2.International storage system of regime meteorological

information …………………………………………………………………………….97 2.3. Functions of the World Hydrometeorological Data Center

(example of RIHMI-WDC)…………………………………………………………...101 2.4. International Climate Data Archives …………………………………………….125 Lecture 3. Basic information on mathematical statistics and

regression analysis …………………………………………………………………...138

3.1.Basic information on probability theory and mathematical statistics……………138

3.2.Basic information on the regression analysis ……………………………………186 Lecture 4. Assessment of homogeneity and stationarity ……………………………..199

4.1.Causes of heterogeneity …………………………………………………………199

4.3Statistical methods for assessment of homogeneity and stationarity …………….207

4.4Examples of assessment of the stationarity of time series parameters

by statistical criteria…………………………………………………………………..226 Lecture 5. Restore of gaps and lengthening the time series of observations ………...238

5.1.Methods ………………………………………………………………………….238

5.2.Examples of application …………………………………………………………256

5.3.Using information of historical maxima…………………………………………271 Lecture 6. Determination of the design climatic characteristics ……………………..285

4

Введение

Учебник представляет собой изложение материала по первой части учебного курса «Климатология», которая имеет самостоятельное название «Общая климатология» и посвящена изучению закономерностей климата в стационарных условиях, включая климатическую обработку метеорологической информации, факторы формирования климата, распределение климатических характеристик по земному шару и климатические классификации. Это базовая часть климатологии может быть также определена как «статика климата» в отличие от второй части учебного курса, в которой рассматриваются изменения климата, и она посвящена его динамике.

Предыдущий учебник по аналогичному курсу климатологии для гидрометеорологических институтов был издан в 1989 г. авторским коллективом (О.А. Дроздов, В.А. Васильев, Н.В. Кобышева, А.Н. Раевский, Л.К. Смекалова, Е.П. Школьный) под названием «Климатология» и к настоящему времени требовал переработки и дополнений.

Материал учебника изложен в виде последовательности из 15 лекций, которые содержательно объединяются в 3 большие темы:

-климатологическая обработка рядов наблюдений;

-основные факторы формирования климата;

-пространственные закономерности климата и климатические классификации.

Первая вводная лекция посвящена определению климатологии и климата, основным задачам и видам климатологии, истории становления климатологии как науки и международным организациям ВМО и ЮНЕСКО, объединяющим и координирующим деятельность в области мировой климатологии.

Первая из рассматриваемых тем «Климатологическая обработка рядов наблюдений» посвящена одному из важнейших практических направлений климатологии – определению параметров многолетних рядов (среднее многолетнее значение, естественная изменчивость) и событий редкой повторяемости, которые необходимы в различных отраслях экономики: строительство, транспорт,

5

сельское хозяйство и многие другие. Тема включает в себя 5 лекций:

-климатическая информация и банки данных;

-общие сведения из математической статистики и регрессионного анализа;

-оценка однородности и стационарности;

-восстановление пропусков и удлинение рядов наблюдений;

-определение расчетных климатических характеристик.

Влекции по климатической информации дается определение климатических (климатологических) рядов, рассматриваются источники получения климатической информации, основные признаки рядов, последовательность обработки и методы, которые для этого применяются. Рассматривается международная система сбора и хранения режимной метеорологической информации. На примере Мирового центра данных в г.Обнинске (Россия) показаны его основные функции, сформированные климатические архивы и научно-исследовательские и справочные продукты, создаваемые на основе имеющихся в Центре данных. Также приводится обзор баз климатических данных в других международных центрах, к которым имеется свободный доступ в Интернете: Мировой центр данных в Вашингтоне, метеорологический институт королевства Нидерландов, немецкий метеорологический институт, ВМО, центр по окружающей среде национальной администрации по океану и атмосфере США, метеорологический офис Великобритании.

Вторая лекция по данной теме посвящена основным базовым сведениям из математической статистики и регрессионного анализа, которые необходимо знать и понимать для выполнения климатической обработки. В части статистического оценивания рассматриваются следующие вопросы:

-статистическая вероятность и случайность;

-основные теоремы теории вероятности (сложения, умножения, Байеса применительно к метеорологии);

-генеральная совокупность и выборка;

-дифференциальная и накопленная частота и соответствующие распределения;

-нормальное распределение и другие виды аналитических распределений;

6

-параметры распределений и методы их оценивания;

-нуль-гипотеза: определение, свойства, алгоритм проверки;

-риски 1-го и 2-го рода, уровень значимости;

-альтернативная гипотеза, мощность критериев;

-три основные распределения выборочных статистик: распределение Стьюдента, хи-квадрат распределение, F-распределение.

Вчасти регрессионного анализа дается информация по следующим вопросам:

-простая линейная зависимость между переменными, аналитический вид уравнения, коэффициент корреляции и его особенности;

-метод наименьших квадратов и другие методы оценки коэффициентов уравнения регрессии и оценки их статистической значимости;

-простая и множественная регрессия, виды структур уравнения множественной регрессии;

-оценка эффективности регрессионного уравнения.

Вследующей лекции рассматриваются методические вопросы оценки однородности и стационарности как первого шага обработки климатической информации. Прежде всего, приводятся возможные причины неоднородности данных и простые методы ее выявления, включая визуальный анализ, методы соответствующих разностей и отношений. Обосновывается необходимость применения статистических методов и последовательности проверки однородности данных, включающей, прежде всего, оценку однородности экстремумов эмпирического распределения, далее проверку однородности во времени (стационарности) дисперсий двух частей временного ряда, и затем проверку стационарности средних значений. Для проверки однородности резко отклоняющихся от эмпирического распределения экстремумов применяются непараметрические критерии Диксона и параметрический критерий СмирногоГраббса, учитывающие внутрирядную связанность временных рядов гидрометеорологических характеристик и асимметричность их распределений. Для оценки стационарности дисперсий применяется критерий Фишера, а средних значений – критерий Стьюдента, которые также обобщены с учетом автокорреляции и асимметрии. Даются примеры практического применения рассмотренных критериев для оценки изменений регионального климата на севере

7

Западной Сибири и определения расчетных характеристик при проектировании с помощью современных вычислительных программ.

Четвертая лекция по теме климатической обработки посвящена восстановлению пропусков и увеличению продолжительности рядов наблюдений. Данная процедура обеспечивает как более надежный расчет повторяемостей редких событий, так и более надежную оценку параметров распределения. Рассматриваются три методических подхода к решению данной задачи, основанные на свойствах однородности синоптических процессов (воздушных масс) и функции внутригодовых изменений:

-метод индивидуальных аналогов, основанный на построении уравнений за многолетний период между климатическими характеристиками на рассматриваемой метеостанции и на метеостанци- ях-аналогах;

-метод пространственных моделей, основанный на взаимосвязи климатических полей за отдельные годы и за многолетний период;

-метод сезонной функции, основанный на взаимосвязи внутригодовых климатических характеристик в отдельные годы и за многолетний период.

Для каждого из методов даны алгоритмы расчета, включающие основные уравнения, условия их эффективности и особенности корректировки и обобщения результатов. Приведены показатели эффективности восстановленных данных на зависимом и независимом материале. Применение методов рассмотрено на примере восстановления многолетних рядов температуры воздуха на Европейской территории России с использованием современных вычислительных программ. В качестве частного случая восстановления данных представлена методика использования информации об исторических максимумах для корректировки эмпирических обеспеченностей и параметров временных рядов.

Взавершающей пятой лекции темы рассматривается последовательность определения расчетных климатических характеристик, которая включается три основные этапа:

-построение эмпирического распределения;

8

-расчет параметров распределения (среднее значение, среднее квадратическое отклонение, коэффициент асимметрии) по данным наблюдений;

-аппроксимация эмпирического распределения аналитическим распределением и определение на его основе расчетных климатических характеристик.

Для каждого шага алгоритма расчетов рассматриваются теоретические и методические вопросы и даются практические приложения.

Во второй части лекции внимание уделяется особенностям обработки и расчетов отдельных климатических характеристик, среди которых: температура воздуха, осадки, температура почвы, скорость и направление ветра, влажность воздуха, атмосферное давление, снежный покров, облачность, гололедно-изморозевые отложения, солнечная радиация и солнечное сияние, атмосферные явления (туман, гроза, метель, град, пыльная буря). Помимо одномерных распределений в расчетах применяются комплексы, состоящие из двух-трех климатических характеристик, которые представляются в виде многомерных распределений. В заключительной части лекции представлены сведения о прикладной климатологии (строительная, транспортная, агроклиматология и другие) и в качестве примера рассматривается структура нормативного документа – СНиПа по строительной климатологии.

Вторая главная тема курса «Общая климатология» связана с рассмотрением основных факторов формирования климата и их распределениями по поверхности Земли, а именно:

-астрономические факторы, связанные с поступлением солнечной радиации к внешней границе атмосферы и далее к поверхности земли;

-составляющие радиационного баланса;

-составляющие теплового баланса, как подстилающей поверхности, так и системы земля-атмосфера;

-общая циркуляция атмосферы и основные виды атмосферной циркуляции в разных частях Земли;

-общая циркуляция океана и ее проявление в разных частях Земли;

-факторы рельефа земной поверхности.

9