Общая_климатологияКн1

квадратические отклонения высоты, числа дней, дат появления и схода снежного покрова – только по постоянной рейке. Особое положение в смысле метода ее получения занимает такая характеристика, как максимальный прирост (средний и абсолютный) снега за сутки. Она может быть определена из результатов наблюдений за высотой снежного покрова, а также по данным об осадках.

Для характеристики высоты снежного покрова вычисляют средние ее значения не по месяцам, а по декадам зимних месяцев. Эти величины в начале и конце зимы рассчитываются только в том случае, когда снежный покров наблюдался более чем в 50% зим. Среднюю величину за декаду получают делением суммарной высоты на все число лет выбранного периода независимо от наличия снега в эту декаду. Если же снег наблюдался менее чем в 50 % зим, то среднюю за данную декаду не вычисляют. Следует иметь в виду, что начиная с 1977 г. в месячных выводах таблицы ТМ-1 и, следовательно, в ежемесячниках приводится не средняя декадная высота снежного покрова, а высота его на последний день декады. Поэтому начиная с этого года среднюю многолетнюю высоту следует вычислять, используя имеющиеся в ТМ-1 суммы высот за декады.

Средние многолетние значения высоты снежного покрова по снегосъемкам вычисляют так же, как и по постоянным рейкам. Поскольку ряд наблюдений по снегосъемкам короче (снегосъемки начаты в 1936 г.), при его обработке полезно сравнивать некоторые результаты с данными, полученными по постоянной рейке. Так проверяются данные о высоте снежного покрова для крайних декад и декад внутри зимы с отсутствием снега в некоторые зимы. Если при снегосъемке снега в декаде не зафиксировано (в таблицах стоит прочерк), а по показаниям постоянной рейки он наблюдался, то этот год не следует включать в расчеты. Наибольшие и наименьшие декадные высоты снежного покрова по месяцам определяются по данным постоянной рейки, наибольшие и наименьшие высоты за зиму вычисляются для обоих способов наблюдения. Как правило, результаты различаются между собой, хотя и не слишком сильно.

Средние значения плотности снежного покрова (кг/м3) и запаса воды в снеге, в отличие от аналогичных значений высоты снеж-

310

ного покрова, вычисляются только по данным тех лет, когда снежный покров образовывался. Плотность снежного покрова начинают измерять лишь тогда, когда его высота достигает 5 см, поэтому весной и осенью крайние декады, для которых указывается высота снега и плотность снега, могут не совпадать, т. е. период, за который приводится плотность снега, оказывается короче периода с указанием высоты снежного покрова. Кроме средней плотности, вычисляют среднюю плотность при наибольшей декадной высоте снежного покрова и при наибольшем запасе воды в снежном покрове. Для получения этих характеристик плотности за каждый год выбирается значение плотности в ту из декад, когда высота снежного покрова или запас воды в снеге были наибольшими. Эти декады обычно различаются в разные годы. Таким образом, осредняются данные плотности для разных декад. По запасу воды в снеге наряду со средним определяется еще и среднее из наибольших значение.

Для характеристики продолжительности залегания снежного покрова (число дней со снегом, даты появления, схода и образования, разрушения устойчивого снежного покрова) в соответствии с методикой ГГО приняты следующие критерии:

-устойчивым считают такой снежный покров, который лежит не менее месяца с перерывами не более 3 дней подряд или вразбивку, перерыву в один день в начале зимы предшествует залегание снежного покрова не менее 5 дней, а перерыву в 2–3 дня – не менее 10 дней;

-если в конце зимы, не более чем через 3 дня после схода снежного покрова, вновь образуется снежный покров, который лежит не менее 10 дней, такое залегание снежного покрова считается непрерывным:

-если за зиму имеется несколько периодов с устойчивым снежным покровом, разделенных по времени не более чем на 5 дней один от другого, то период от первого дня с устойчивым снежным покровом до последнего дня за зиму с таким покровом считается одним периодом с устойчивым снежным покровом;

-средние многолетние даты образования и разрушения снежного покрова вычисляются только в том случае, когда число зим со снежным покровом составляет более 50 % всех зим и лишь за зи-

311

мы, когда был только один период с устойчивым снежным покровом; - при отсутствии снежного покрова хотя бы в одну из зим выбира-

ются только две крайние даты – самого раннего появления и самого позднего схода снежного покрова, даты же самого позднего появления и самого раннего схода не определяются (аналогично и по устойчивому снежному покрову).

Облачность

Стандартные наблюдения на метеостанциях ведутся за количеством и формой облаков, а также за ее высотой. Обычно климатологической обработке подвергаются ряды двух первых характеристик. Высота облаков по визуальным наблюдениям определяется неточно, поэтому ее климатические характеристики получают по шаропилотным данным либо косвенным расчетным способом. Основными климатическими показателями количества облаков являются: среднее значение, повторяемость различных отметок облачности и среднее число ясных и пасмурных дней. Среднее значение, вообще говоря, непоказательно для облачности, так как оно не только не является преобладающим в течение месяца (года), но, как правило, находится в градации количества облаков наименее вероятной. Тем не менее, успешно используется как краткая климатографическая характеристика и в ряде специальных расчетов, например, радиационного баланса.

Повторяемость количества облаков (общих и нижних раздельно) вычисляют обычно по градациям 0–2 балла (ясно), 3–7 баллов (полуясно), 8–10 баллов (пасмурно) помесячно независимо от сроков наблюдения и по отдельным срокам. Иногда определяют повторяемость облаков и по более мелким градациям: 0, 1–3, 4–6, 7–9, 10 баллов. Выделение градаций 0 и 10 баллов связано с тем, что на эти отметки облачности обычно приходится наибольшее число случаев. В градациях же 0–2 и 8–10 баллов распределение числа случаев оказывается неравномерным.

Наряду с повторяемостью количества облаков по градациям вычисляют среднее число ясных и пасмурных дней по общей и нижней облачности. Эта характеристика в большей степени, чем повторяемость, позволяет судить об устойчивости ясного и пас-

312

мурного неба в течение суток. Ясным днем называют день, в котором сумма отметок облачности за 8 сроков не превышает 14 баллов и ни в один из сроков не была больше 5 баллов. Пасмурный день по определению – такой день, когда сумма отметок облачности за 8 сроков составляет не менее 66 баллов. В период четырехсрочных наблюдений ясным считался день, когда сумма баллов не превышала 7 баллов, а пасмурным, когда она была не менее 33. Из приведенных определений следует, что ясный день в настоящее время определяется несколько иначе, чем раньше, что создает неоднородность климатологического ряда при объединении данных за период до 1966 г. и после него. Дополнительную небольшую неоднородность вносит учащение сроков наблюдений. Попытки увязать эти данные с помощью введения поправок не увенчались успехом, т. к. поправки оказались неустойчивыми по территории. Поэтому, а также вследствие малой изменчивости указанной характеристики по территории целесообразно при расчетах ясных и пасмурных дней ограничиваться периодом восьмисрочных наблюдений.

Обработка форм облачности для получения климатических характеристик может проводиться по-разному. Например, вычисляя повторяемость различных форм облаков, за 100 % можно принимать как общее число наблюдений, так и число наблюдений, когда отмечались облака. Обычно применяется второй способ расчета, который позволяет получить относительную повторяемость форм облаков. Кроме того, определяя повторяемость облаков верхнего и среднего ярусов, следует также исключать случаи, когда эти облака были не видны, т. е. когда нижняя облачность была сплошной (10 баллов). Зная повторяемость ясной и пасмурной погоды, можно от относительной повторяемости данной формы облаков перейти к ее абсолютной повторяемости. Существуют и другие принципы климатологической обработки форм облачности. Например, рассчитываются повторяемости форм облаков только при облачности 5 баллов или при их количестве 1, 2, 3, ..., 10 баллов.

Атосферные явления

Климатические характеристики частоты образования и продолжительности атмосферных явлений немногочисленны. Наблю-

313

дения за атмосферными явлениями ведутся визуально и всегда содержат элемент субъективности. В прошлые годы методика наблюдений предусматривала неодинаковые критерии при оценке того или иного явления его продолжительности. Так, до 1959 г. продолжительность явлений отмечалась с точностью до четверти часа, позднее – в долях часа, а с 1977 г. – в часах и минутах. Кроме того, качество самих наблюдений не всегда было одинаковым. Все эти причины, естественно сказавшиеся на качестве исходного материала наблюдений, затрудняют обработку данных. Поэтому СКО и коэффициент асимметрии для рядов наблюдений за явлениями при массовой обработке не вычисляют, ограничиваясь средним и наибольшим числом дней с явлением и повторяемостью различной продолжительности явлений (общей и непрерывной).

Наиболее сложной является обработка продолжительности явления. Прежде всего, следует различать среднюю продолжительность явления в данном месяце и среднюю месячную продолжительность явления в день с явлением. При расчете первой характеристики сумма всех случаев с явлением (в день может наблюдаться не один случай), делится на число лет наблюдений, при расчете второй − на число дней с явлением, т. е. вычисляется абсолютная и относительная повторяемость продолжительности явления. Обязательно следует оговорить при расчетах непрерывной продолжительности явления методику обработки тех случаев явления, которые начинаются в одном, а оканчиваются в другом месяце. Принято такое явление не делить на части для разных месяцев, а общую его продолжительность относить к тому месяцу, на который пришлась большая часть продолжительности явления. Климатической характеристикой непрерывной продолжительности служит ее повторяемость. Явления различной продолжительности разносятся по градациям продолжительности, и число случаев заданной продолжительности в каждой градации относится к общему числу случаев с данным явлением. Перечисленные характеристики обычно вычисляют по таким явлениям, как туман, гроза, метель, град и пыльная буря. Гололедно-изморозевые явления следует рассматривать особо, так как они наблюдаются не только визуально, но и с помощью прибора − гололедного станка.

314

Гололедно-изморозевые отложения

Гололедно-изморозевые образования, к которым относятся сложные отложения (гололед, зернистая и кристаллическая изморозь, замерзший мокрый снег, осаждающийся на проводах), определяются как по данным визуальных, так и инструментальных наблюдений. Число дней с обледенением, суммарные продолжительности нарастания отложения и обледенения в часах определяются визуально по наблюдениям за отложениями на гололедном станке так же, как аналогичные характеристики других атмосферных явлений (туман, метель и т. д.). Получение характеристик распределения максимумов масс на гололедном станке заключается в следующем. Если массы отложений непосредственно не измерялись, а измерялись только размеры большого и малого диаметра отложения, то масса рассчитывается по формуле. При определении размеров отложений возникают погрешности за счет осредненного значения плотности гололеда. Последняя зависит от фи- зико-географических условий местности, и поэтому более правильно определять ее для каждого района. Кроме того, плотность отложения зависит от диаметра провода, троса или каната, на котором она образуется, а потому при оценке обледенения на проводах воздушных линий и на других объектах в значения плотности следует вводить поправки.

Обычно вычисляют повторяемость различных значений годовых максимумов масс гололедно-изморозевых отложений, а также среднее квадратическое отклонение распределения годовых максимумов масс отложений, а также массы отложения, повторяемостью один раз в 2, 5, 10, 15 лет. Большую опасность создает обледенение проводов при сильном ветре. Поэтому наряду с характеристиками собственно обледенения рассчитываются комплексные характеристики ветра и обледенения. Такими характеристиками служат:

-повторяемость направлений ветра (%) и штилей при максимальном отложении, образовавшемся за данный случай обледенения;

-повторяемость максимальной скорости ветра за период обледенения, при котором достигается максимальный размер отложения за год;

315

- повторяемость максимальной скорости ветра при обледенении за сезон.

Солнечная радиация и солнечное сияние

Ряды наблюдений за различными видами солнечной радиации имеют свои особенности, связанные со спецификой наблюдений. Прежде всего, наблюдения проводятся в сроки, отличные от сроков, установленных для наблюдения за другими метеорологическими величинами. Измерения составляющих радиационного баланса производятся 6 раз в сутки: в 0 час. 30 мин., в 6 час. 30 мин., в 9 час 30 мин., в 12 час 30 мин., в 15 час. 30 мин., в 18 час. 30 мин. Наблюдения в срок часто не позволяют получить достаточно надежные данные. Стоит в момент наблюдения небольшому облачку прикрыть солнце, как измеряемое значение прямой солнечной радиации резко изменится. По этой причине, а также исходя из практической необходимости получать суммарный приход солнечного тепла за некоторый отрезок времени (час, сутки, месяц), при климатологической обработке часто по ряду с характеристиками интенсивности солнечной радиации (энергетической освещенности) рассчитывают характеристики сумм солнечной радиации за часовые интервалы, сутки, месяц. Характеристики часовых сумм получают либо по данным самописцев, либо с использованием графиков суточного хода. Месячные суммы вычисляются как произведение суточного значения на число календарных дней месяца.

В климатических справочниках помещают обычно следующие климатические показатели:

-средняя интенсивность (энергетическая освещенность в кВт/м2) прямой, рассеянной, суммарной радиации и радиационного баланса при ясном небе и при средних условиях облачности;

-средние суммы прямой солнечной радиации (МДж/м2) на нормальную к лучу поверхность и на горизонтальную поверхность при ясном небе и средних условиях облачности;

-средние суммы суммарной солнечной радиации (МДж/м2) на горизонтальную поверхность при ясном небе и средних условиях облачности;

316

-средние суммы рассеянной солнечной радиации (МДж/м2) на горизонтальную поверхность при средних условиях облачности;

-альбедо деятельной поверхности (%) при средних условиях облачности;

-средние суммы радиационного баланса деятельной поверхности (МДж/м2) при средних условиях облачности.

Средние значения интенсивности солнечной радиации при ясном небе получают при следующих условиях:

-для рассеянной, суммарной радиации и радиационного баланса – общая облачность не более 2 баллов, солнечный диск и околосолнечная зона радиусом 5° свободны от облаков и следов облаков;

-для прямой радиации – независимо от облаков, но при диске солнца и околосолнечной зоне 5°, свободных от облаков и их следов.

Характеристики интенсивности солнечной радиации при средних условиях облачности получают путем непосредственного подсчета по данным наблюдений при любых условиях облачности и состояния диска солнца. Наряду со средними значениями характеристик солнечной радиации вычисляют также средние квадратические отклонения, коэффициенты асимметрии и автокорреляции суточных сумм радиации. Для прикладных целей рассчитывают климатические характеристики сумм солнечной радиации на вертикальные и наклонные поверхности.

Климатологическими показателями солнечного сияния, регистрируемого гелиографом, служат:

-средняя общая продолжительность солнечного сияния (часы и %);

-средняя продолжительность сияния в день с солнцем;

-среднее месячное значение продолжительности солнечного сияния для каждого часового интервала;

-среднее число дней без солнца;

-среднее квадратическое отклонение продолжительности солнечного сияния.

Характеристики интенсивности солнечной радиации вычисляются непосредственным подсчетом за весь период наблюдений. Относительная характеристика продолжительности солнечного сияния представляет собой отношение наблюдавшейся продолжительности к теоретически возможной, т. е. продолжительности сияния при безоблачном небе от восхода до захода. Для горных

317

станций возможная продолжительность корректируется поправкой на закрытость горизонта.

Комплексы метеорологических величин

О комплексном значении двух или белее метеорологических величин можно говорить в том случае, если каждое синхронное наблюдение за этими величинами рассматривать как одно возможное состояние природной среды. Тогда совместная обработка этих метеорологических величин позволяет получить дополнительную информацию о климате по сравнению с суммой информации, получаемой при обработке каждой из этих величин в отдельности. Результаты совместной обработки метеорологических величин обычно служат основой для последующего получения многих комплексных специализированных климатических параметров. Распределения наиболее важных метеорологических комплексов, таких как температура воздуха – относительная влажность и температура воздуха – скорость ветра, помещены в новый климатический справочник. В некоторые зарубежные справочники включены распределения даже тройных комплексов (температура воздуха – влажность – ветер). Более трех метеорологических величин в комплекс при расчетах его многомерного распределения, как правило, не включают.

Препятствием к образованию многокомпонентных комплексов является громоздкость представляемых результатов и их недостаточная статистическая точность. Эти препятствия можно обойти, если не вычислять повторяемость сочетаний значений ряда метеорологических величин, а формировать сначала по заданной формуле некоторую комплексную характеристику. В прикладных целях часто используют, например, разнообразные «эффективные» или «эквивалентные» комплексные характеристики (эффективные температуры, эквивалентный ветер). В этом случае распределение комплексной характеристики является одномерным. Однако прямые вычисления и при подобном способе комплексирования не просты, так как для каждого случая наблюдений приходится рассчитывать значение комплексной характеристики, что очень затрудняет ее обработку. Кроме того, каждая такая характеристика может быть использована для решения только одной конкретной задачи, в то время как многомерное распределение сочетаний ме-

318

теорологических величин позволяет определить множество разных комплексных прикладных характеристик косвенным способом.

В климатологической практике значения сочетаний двух или трех метеорологических величин принято сначала распределять по сравнительно узким градациям. Зачастую значения повторяемости сочетаний в тех или иных первоначальных градациях имеют недостаточную статистическую точность. Особенно часто малая точность данных наблюдается на концах распределений. Тем не менее, на это идут, так как в дальнейшем при вычислении комплексных прикладных показателей чаще всего приходится обобщать несколько градаций в соответствии с требованиями конкретной прикладной задачи. Объединение, т. е. укрупнение градаций, возможно в любой требуемой комбинации. При этом повышается точность повторяемости.

Совместная вероятность двумерного распределения для не связанных между собой двух климатических величин x и y вычисляется как произведение их вероятностей: p(x,y) = p(x)p(y). В случае связанности переменных при расчете совместной вероятности учитывается коэффициент корреляции. Так для плотности вероятности двумерного нормального распределения при связанности случайных величин x и y справедлива следующая формула:

,

(6.7)

где: r – коэффициент корреляции случайных величин x и y, σX, σY – СКО случайных величин x и y, mX, mY – математические ожидания случайных величин x и y.

Если случайные величины x и y независимы, то плотность вероятности двумерного нормального распределения вычисляется по формуле:

319