Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками

Посредством трехпараметрического распределения Гаусса (Gμ,σ,ε) воссоздана вековая динамика статистических распределений температуры воздуха и атмосферных осадков на основе наблюдений в Киеве. Осуществлены линейные прогнозы μ, σ, ε, что позволило рассчитать плотности вероятностей и вероятности кате...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Доповіді НАН України
Date:2013
Main Authors: Осадчий, В.И., Ковальчук, Л.А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2013
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/86196
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками / В.И. Осадчий, Л.А. Ковальчук // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 10. — С. 124–129. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859793139394412544
author Осадчий, В.И.
Ковальчук, Л.А.
author_facet Осадчий, В.И.
Ковальчук, Л.А.
citation_txt Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками / В.И. Осадчий, Л.А. Ковальчук // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 10. — С. 124–129. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Доповіді НАН України
description Посредством трехпараметрического распределения Гаусса (Gμ,σ,ε) воссоздана вековая динамика статистических распределений температуры воздуха и атмосферных осадков на основе наблюдений в Киеве. Осуществлены линейные прогнозы μ, σ, ε, что позволило рассчитать плотности вероятностей и вероятности категорий температуры и осадков на 2010–2016 гг., 2017–2023 гг. Вековое 5%-е потепление сопровождается также высокими вероятностями отрицательных аномалий температуры. Статистические параметры атмосферных осадков подчинены межгодовой вариабельности и вековой стабильности. Климатический процесс един и не делим: выборочным спектрам температуры и осадков характерна изменчивость не только по амплитуде, но и по фазе. За допомогою трипараметричного розподiлу Гауса (Gμ,σ,ε) вiдтворено вiкову динамiку статистичних розподiлiв температури повiтря та атмосферних опадiв на основi спостережень у Києвi. Здiйснено лiнiйнi прогнози μ, σ, ε, що дозволило розрахувати щiльнiсть iмовiрностi та ймовiрностi категорiй температури й опадiв на 2010–2016 рр., 2017–2023 рр. Вiкове 5%-е потеплiння супроводжується також високими ймовiрностями вiд’ємних аномалiй температури. Статистичнi параметри атмосферних опадiв пiдпорядкованi рiчним варiацiям та вiковiй стабiльностi. Клiматичний процес єдиний та неподiльний: вибiрковим спектрам температури i опадiв характерна мiнливiсть не тiльки за амплiтудою, а й за фазою. By means of three-parameter Gauss distribution (Gμ,σ,ε), the secular dynamics of the statistical distributions of air temperature and rainfalls is recreated based on supervisions in Kyiv. Linear prognoses of μ, σ, and ε are carried out, which allowed us to calculate the probability density and the probabilities of temperature categories and fallouts for 2010–2016 and 2017–2023. The secular 5% rise in temperature is accompanied by the high probabilities of temperature negative anomalies. The statistical parameters of atmospheric fallouts are inferior to interannual variations and the secular stability. The climatic process is single and not divisible: the changeability is characteristic of the selective spectra of temperature and fallouts not only in the amplitude, but also in the phase.
first_indexed 2025-12-02T12:14:09Z
format Article
fulltext УДК 556,531:556,18:311; Член-корреспондент НАН Украины В.И. Осадчий, Л. А. Ковальчук Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками Посредством трехпараметрического распределения Гаусса (Gµ,σ,ε) воссоздана вековая ди- намика статистических распределений температуры воздуха и атмосферных осадков на основе наблюдений в Киеве. Осуществлены линейные прогнозы µ, σ, ε, что позволило рассчитать плотности вероятностей и вероятности категорий температуры и осад- ков на 2010–2016 гг., 2017–2023 гг. Вековое 5%-е потепление сопровождается также высокими вероятностями отрицательных аномалий температуры. Статистические параметры атмосферных осадков подчинены межгодовой вариабельности и вековой ста- бильности. Климатический процесс един и не делим: выборочным спектрам темпера- туры и осадков характерна изменчивость не только по амплитуде, но и по фазе. Состояние проблемы. С климатическим потеплением связывают увеличение частоты как стихийных, так и экстремальных метеорологических явлений в Украине [1]. Климатичес- ким изменениям приписывают нарушения сезонных ритмов, хотя не установлены причи- ны ранних или поздних сезонов, или, другими словами, фазовых смещений температуры относительно нормы. К тому же нет обоснования устойчивости положительных трендов температуры, т. е. не изучена предсказуемость климата. В результате воздействия на кли- матическую систему природных и антропогенных факторов предвидится к 2100 г. повыше- ние глобальной температуры на 2–4 ◦С относительно ее значения в начале промышленной революции [2]. В связи с гипотезой о глобальном потеплении, нами дана объективная оценка будущего состояния регионального климата как основа для принятия стратегических решений. Материал и методика. В основу исследования положены ежедневные значения тем- пературы воздуха и атмосферных осадков в Киеве, полученные Гидрометеорологической службой Украины по результатам стандартных наблюдений, которые были очищены от де- терминированной составляющей — годового хода. Из ежедневных значений температуры воздуха или атмосферных осадков вычитались среднемноголетние значения температуры или осадков соответствующего дня, т. е. значения медианы. По температуре воздуха исполь- зованы ежедневные аномалии с 1900 по 2010 гг.; по атмосферным осадкам, учитывая их нерегулярность, использованы месячные суммы аномалий осадков с 1881 по 2010 гг. Будущее состояния климата оценено не традиционно, а посредством прогнозирования характеристик климата: средних значений температуры и осадков, при помощи парамет- ров статистических распределений температуры и осадков. Идентифицированные по ожи- даемым параметрам законы (статистических распределений температуры и осадков) были соответственно сопоставлены с современными законами и с законами вековой давности, что позволило оценить существенность возможных изменений климата в рамках интерва- ла предсказуемости. Законы идентифицировались трехпараметрической (µ, σ, ε) моделью © В. И. Осадчий, Л.А. Ковальчук, 2013 124 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №10 Рис. 1. Выборочная спектральная плотность (RmdT — амплитудно-частотная характеристика) аномалий температуры воздуха в Киеве: 1 — 1929–1935 гг.; 2 — 2003–2009 гг. Гаусса [3] (generalized Gaussian distribution). Кроме того, были вычислены предшествовав- шие и ожидаемые вероятности аномалий температуры воздуха и осадков по семи диапазо- нам, а именно: экстремально ниже нормы, значительно ниже нормы, ниже нормы, норма, выше нормы, значительно выше нормы, экстремально выше нормы. Целостность климатического процесса исследовалась с привлечением гармонического анализа [3, 4]. На первом этапе к расчетам привлекались средне пятидневные аномалии температуры воздуха, подвергнутые скользящему гармоническому анализу по семилетиям, когда длина анализируемого временного ряда составляла 512 значений, что позволяло после каждого преобразования Фурье получать 255 гармоник. Затем вычислялись значения спектральной плотности амплитуд (амплитудно-частотные характеристики) и спектральной плотности фаз (фазово-частотные характеристики). После их анализа были выделены низко-(клима- тические), средне-(сезонные) и высоко-(синоптические) гармоники. Для оценки фазовых смещений были вычислены в скользящем режиме спектральные энергии фаз климатичес- кой, сезонной и синоптической составляющих колебаний температуры воздуха. Для оценки вклада каждой из групп гармоник в значения температуры были вычислены в скользящем режиме спектральные энергии амплитуд колебаний климатических, сезонной и синоптичес- кой составляющих аномалий температуры воздуха. На втором — при скользящем гармоническом анализе месячных сумм аномалий осад- ков анализируемый временной ряд включал 21 год и 4 мес., что составляло 256 значений, а каждое преобразования Фурье давало 128 гармоник. Обсуждение результатов исследований. Наиболее высокие значения спектральной плотности (нормированных амплитуд) аномалий температуры воздуха характерны для низ- кочастотных (0,012–0,086) гармоник климатической составляющей с периодом от 7-ми лет до 1-го года. Уменьшаются на десятки процентов амплитуды среднечастотных (0,087–1,031) гармоник сезонной составляющей с периодами от 1-го года до 3-х мес. и на сотни процентов уменьшаются амплитуды высокочастотных (1,032–3,129) гармоник синоптической состав- ляющей с периодами от 3-х мес. до 10-ти сут (рис. 1). Скользящие оценки спектральной энергии амплитуд, т. е. площади под кривой их спект- ральной плотности, которая может трактоваться, согласно Парсевалю [4], как дисперсия, показали, что дисперсии климатической, сезонной и синоптической составляющих имеют ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №10 125 Рис. 2. Выборочная спектральная плотность (RmdOs — амплитудно-частотная характеристика) аномалий атмосферных осадков в Киеве: 1 — 1881–1902 гг.; 2 — 1986–2006 гг. отрицательные тенденции. При этом доминировали дисперсии сезонной и синоптической со- ставляющих над дисперсией климатической составляющей аномалий температуры. Диспер- сии фаз климатической, сезонной и синоптической составляющих, симметричные относи- тельно нуля, имеют отрицательные тенденции. Наименее слабую отрицательную тенденцию и незначительный размах колебаний имела климатическая составляющая, что свидетель- ствует о минимальном ее влиянии на смещения сезонностей. Размахи сезонной и синопти- ческой составляющих были близки, частично асинхронны, тогда как синхронность, по-ви- димому, обуславливала сезонные смещения в хронологии аномалий температуры, т. е. сме- щения сроков сезонов. Проверка по средним значениям и стандартным отклонениям со- ставляющих аномалий температуры подтвердила, что закон статистических распределе- ний фактических аномалий температуры есть свертка законов климатической, сезонной и синоптической составляющих температуры: низко-, средне- и высокочастотные колеба- ния температуры представляют собой единый климатический процесс. Выборочные спектральные плотности аномалий осадков не подчинены столь однознач- ной изменчивости, как у аномалий температуры: напротив, с увеличением частоты, ампли- туды могут расти на сотни процентов (рис. 2). Спектральная энергия климатической и се- зонной составляющей аномалий осадков, как и аномалий температуры, со временем умень- шалась, но спектральная энергия синоптической составляющей аномалий осадков слабо росла. Дисперсии фаз климатической, сезонной и синоптической составляющих аномалий осадков были симметричны относительно нуля, не имели тенденций и были хаотичны, что не могло обуславливать смещения сроков сезонов. Проверка по статистическим моментам составляющих аномалий осадков также подтвердила, что закон статистических распреде- лений аномалий осадков есть свертка законов климатической, сезонной и синоптической составляющих аномалий осадков. Климатический процесс един как по температуре, так и по осадкам. Скользящий анализ параметров статистических распределений температурных анома- лий показал, что дисперсия и эксцесс в течение века слабо уменьшались, тогда как матема- тическое ожидание в течение последних десятилетий росло. Положительное смещение цен- тра распределений, т. е. положительный тренд температуры в Киеве, по-видимому, обуслов- лен атмосферно-океаническими процессами в северных частях Атлантического, Индийского и Тихого океанов. Проверка гипотезы проведена на основе полувековых ежедневных наблю- 126 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №10 Рис. 3. Эволюция законов статистических распределений p(x) аномалий температуры воздуха dT за 1901– 2023 гг. дений за температурой воздуха в Киеве, Мурманске, Петропавловске-Камчатском и Бомбее. Статистически значимой оказалась не только корреляционная матрица, но и синхронная регрессия между аномалиями температуры воздуха в Киеве и аномалиями температуры во- здуха в Мурманске и Бомбее. Следовательно, в качестве интервала предсказуемости сред- ней температурной аномалии в Киеве может быть принят минимальный период инерции атмосферно-океанических процессов, предположительно равный около 20 лет. На основа- нии линейного прогноза математического ожидания и стандартного отклонения аномалий температуры до 2023 г. были вычислены плотности вероятностей температурных аномалий на периоды: 2010–2017 гг. и 2018–2023 гг. Хотя эволюция плотности вероятности не может трактоваться, как значимое изменение климата (рис. 3), но она обуславливает существенные изменения вероятностей аномалий температуры по диапазонам. Повысились вероятности температурных аномалий: экстре- мально выше нормы (+8,7 . . . + 12,0 ◦С) с 0,008 до 0,016; значительно выше нор- мы (+5,2 . . . + 8,6 ◦С) с 0,05 до 0,10; выше нормы (+1,8 . . . + 5,1 ◦С) с 0,15 до 0,30. Несмотря на положительную тенденцию математического ожидания, понизилась за счет отрицательных тенденций дисперсии и эксцесса, вероятность температур в пределах нор- мы (−3,0 . . . + 1,7 ◦С) с 0,54 до 0,46. Понизились вероятности температур ниже нормы (−9,3 . . . − 3,1 ◦С) с 0,22 до 0,11; значительно ниже нормы (−15,6 . . . − 9,4 ◦С) с 0,015 до 0,005; экстремально ниже нормы (−22,0 . . . − 15,7 ◦С) с 0,007 до 0,0007. В целом с учетом размаха аномалий температур от −22 до +12 и повышения скользящей средней семилетней температуры на 1,6 ◦С за период 1900–2010 гг. вековое потепление составило всего лишь 5%. Скользящий анализ параметров статистических распределений осадков показал, что в течение века их математическое ожидание слабо росло с коэффициентом тренда kr = = 0,0018, тогда как дисперсия слабо убывала (kr = −0,0016), и практически не имела тренда вариабельность эксцесса (kr = −0,0002). Соответственно повысилась вероятность месячных аномалий осадков в пределах нормы (−18 . . .+ 25 мм) с 0,574 до 0,581; немного повыси- ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №10 127 Рис. 4. Эволюция законов статистических распределений p(x) аномалий атмосферных осадков dOs за 1881– 2023 гг. лись вероятности аномалий выше нормы (+25,1 . . .+75 мм) с 0,183 до 0,187; значительно выше нормы (+75,1 . . .+125 мм) с 0,015 до 0,0019. Не изменились вероятности (0,002) ме- сячных аномалий осадков экстремально выше нормы (>125,1 мм). Понизилась вероят- ность аномалий осадков ниже нормы (−18,1 . . .− 53 мм) с 0,211 до 0,162, и не существен- но повысились вероятности аномалий значительно ниже нормы (−53,1 . . . − 88,0 мм) с 0,032 до 0,036, а также экстремально ниже нормы (<−88,1 мм) с 0,004 до 0,007. Судя по вековой эволюции плотности вероятностей аномалий осадков (рис. 4), нет объективных оснований ожидать значимых изменений осадков в ближайшие два десятилетия. Таким образом, анализ вековой динамики статистических распределений температуры воздуха и атмосферных осадков в Киеве свидетельствует о том, что потепление сопровож- дается значительными отрицательными аномалиями температуры воздуха, в то время как атмосферным осадкам свойственны межгодовые различия и вековая стабильность. Кроме того, спектры температуры и осадков изменчивы не только по амплитуде, но и по фазе, что подтверждает единство климатического процесса. 1. Стихiйнi метеорологiчнi явища на територiї України за останнє двадцятирiччя (1986–2005 pр.) / За ред. В. М. Лiпiнського, В. I. Осадчого, В.М. Бабiченко. – Київ: Нiка-Центр, 2006. – 312 с. 2. IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007. – (AR4). – Geneva: World Meteorological Organi- zation (WMO), 2008. – 1327 p. 3. Булашев С.В. Статистика для трейдеров. – Москва: Компания Спутник+, 2003. – 245 с. 4. Тропченко А.Ю., Тропченко А.А. Цифровая обработка сигналов. Методы предварительной обработ- ки. – Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2009. – 100 с. Поступило в редакцию 16.05.2013Украинский научно-исследовательский гидрометеорологический институт НАН Украины и МЧС Украины, Киев 128 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №10 Член-кореспондент НАН України В. I. Осадчий, Л.А. Ковальчук Стохастичне оцiнювання мiсцевого клiмату на основi вiкових спостережень за температурою повiтря та атмосферними опадами За допомогою трипараметричного розподiлу Гауса (Gµ,σ,ε) вiдтворено вiкову динамiку ста- тистичних розподiлiв температури повiтря та атмосферних опадiв на основi спостере- жень у Києвi. Здiйснено лiнiйнi прогнози µ, σ, ε, що дозволило розрахувати щiльнiсть iмо- вiрностi та ймовiрностi категорiй температури й опадiв на 2010–2016 рр., 2017–2023 рр. Вiкове 5%-е потеплiння супроводжується також високими ймовiрностями вiд’ємних ано- малiй температури. Статистичнi параметри атмосферних опадiв пiдпорядкованi рiчним варiацiям та вiковiй стабiльностi. Клiматичний процес єдиний та неподiльний: вибiрко- вим спектрам температури i опадiв характерна мiнливiсть не тiльки за амплiтудою, а й за фазою. Corresponding Member of the NAS of Ukraine V. I. Osadchiy, L. A. Kovalchuk Stochastic evaluation of a local climate on the basis of the secular watching of air temperature and rainfalls By means of three-parameter Gauss distribution (Gµ,σ,ε), the secular dynamics of the statistical distributions of air temperature and rainfalls is recreated based on supervisions in Kyiv. Linear prognoses of µ, σ, and ε are carried out, which allowed us to calculate the probability density and the probabilities of temperature categories and fallouts for 2010–2016 and 2017–2023. The secular 5% rise in temperature is accompanied by the high probabilities of temperature negative anomalies. The statistical parameters of atmospheric fallouts are inferior to interannual variations and the secular stability. The climatic process is single and not divisible: the changeability is characteristic of the selective spectra of temperature and fallouts not only in the amplitude, but also in the phase. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №10 129
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-86196
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Russian
last_indexed 2025-12-02T12:14:09Z
publishDate 2013
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Осадчий, В.И.
Ковальчук, Л.А.
2015-09-09T17:02:36Z
2015-09-09T17:02:36Z
2013
Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками / В.И. Осадчий, Л.А. Ковальчук // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 10. — С. 124–129. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/86196
556,531:556,18:311;
Посредством трехпараметрического распределения Гаусса (Gμ,σ,ε) воссоздана вековая динамика статистических распределений температуры воздуха и атмосферных осадков на основе наблюдений в Киеве. Осуществлены линейные прогнозы μ, σ, ε, что позволило рассчитать плотности вероятностей и вероятности категорий температуры и осадков на 2010–2016 гг., 2017–2023 гг. Вековое 5%-е потепление сопровождается также высокими вероятностями отрицательных аномалий температуры. Статистические параметры атмосферных осадков подчинены межгодовой вариабельности и вековой стабильности. Климатический процесс един и не делим: выборочным спектрам температуры и осадков характерна изменчивость не только по амплитуде, но и по фазе.
За допомогою трипараметричного розподiлу Гауса (Gμ,σ,ε) вiдтворено вiкову динамiку статистичних розподiлiв температури повiтря та атмосферних опадiв на основi спостережень у Києвi. Здiйснено лiнiйнi прогнози μ, σ, ε, що дозволило розрахувати щiльнiсть iмовiрностi та ймовiрностi категорiй температури й опадiв на 2010–2016 рр., 2017–2023 рр. Вiкове 5%-е потеплiння супроводжується також високими ймовiрностями вiд’ємних аномалiй температури. Статистичнi параметри атмосферних опадiв пiдпорядкованi рiчним варiацiям та вiковiй стабiльностi. Клiматичний процес єдиний та неподiльний: вибiрковим спектрам температури i опадiв характерна мiнливiсть не тiльки за амплiтудою, а й за фазою.
By means of three-parameter Gauss distribution (Gμ,σ,ε), the secular dynamics of the statistical distributions of air temperature and rainfalls is recreated based on supervisions in Kyiv. Linear prognoses of μ, σ, and ε are carried out, which allowed us to calculate the probability density and the probabilities of temperature categories and fallouts for 2010–2016 and 2017–2023. The secular 5% rise in temperature is accompanied by the high probabilities of temperature negative anomalies. The statistical parameters of atmospheric fallouts are inferior to interannual variations and the secular stability. The climatic process is single and not divisible: the changeability is characteristic of the selective spectra of temperature and fallouts not only in the amplitude, but also in the phase.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Доповіді НАН України
Науки про Землю
Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками
Стохастичне оцiнювання мiсцевого клiмату на основi вiкових спостережень за температурою повiтря та атмосферними опадами
Stochastic evaluation of a local climate on the basis of the secular watching of air temperature and rainfalls
Article
published earlier
spellingShingle Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками
Осадчий, В.И.
Ковальчук, Л.А.
Науки про Землю
title Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками
title_alt Стохастичне оцiнювання мiсцевого клiмату на основi вiкових спостережень за температурою повiтря та атмосферними опадами
Stochastic evaluation of a local climate on the basis of the secular watching of air temperature and rainfalls
title_full Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками
title_fullStr Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками
title_full_unstemmed Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками
title_short Стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками
title_sort стохастическое оценивание местного климата на основе вековых наблюдений за температурой воздуха и атмосферными осадками
topic Науки про Землю
topic_facet Науки про Землю
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/86196
work_keys_str_mv AT osadčiivi stohastičeskoeocenivaniemestnogoklimatanaosnovevekovyhnablûdeniizatemperaturoivozduhaiatmosfernymiosadkami
AT kovalʹčukla stohastičeskoeocenivaniemestnogoklimatanaosnovevekovyhnablûdeniizatemperaturoivozduhaiatmosfernymiosadkami
AT osadčiivi stohastičneocinûvannâmiscevogoklimatunaosnovivikovihspostereženʹzatemperaturoûpovitrâtaatmosfernimiopadami
AT kovalʹčukla stohastičneocinûvannâmiscevogoklimatunaosnovivikovihspostereženʹzatemperaturoûpovitrâtaatmosfernimiopadami
AT osadčiivi stochasticevaluationofalocalclimateonthebasisofthesecularwatchingofairtemperatureandrainfalls
AT kovalʹčukla stochasticevaluationofalocalclimateonthebasisofthesecularwatchingofairtemperatureandrainfalls