О.И.Прокопов - Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН
advertisement
ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕРМИЧЕСКИХ АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЙ ПО ДАННЫМ МНОГОЛЕТНИХ НАБЛЮДЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ О.И.Прокопов Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, E-mail: prok-oleg@yandex.ru Введение. Данные о сезонной изменчивости термических атмосферных условий (ТАУ) необходимы для решения ряда прикладных задач в агрометеорологии, океанологии и экологии [1]. Обычно (исходная модель) считается, что сезоны длятся три месяца, начинаются одно и то же время и оцениваются по средней температуре <T>, рассчитанной при помесячном осреднении данных [2]. В структуре исходной (календарной) модели заложено существенное внутреннее противоречие: реальная динамика термических свойств воздушных потоков не укладывается во временные рамки (сроки начала и длительность) календарных сезонов [3-5]. Следствие этого противоречия – зима и лето не всегда отвечают требованию экстремальности значений средних за сезон температур [3]. Внутреннее противоречие исходной модели успешно разрешается при использовании альтернативной модели выделения сезонов [3]. В соответствии с ее положениями границы сезонов определяются временем наступления трехмесячной серии эпизодов вторжения в район исследований холодных и теплых воздушных масс. Зимний и летний (базовые) фактические сезоны выделяются по экстремальным, в границах годового цикла, значениям <T>. Весенний и осенний (переходные) сезоны рассматриваются как промежутки между базовыми периодами. Характеристики фактических сезонов оценивались при подекадном осреднении температуры. Временные рамки календарных и фактических сезонов обычно отличаются, что приводит к разнице в оценках их ТАУ. Первичные материалы. Хронологическая последовательность значений подекадной температуры <Т>Д охватывала 72-летний (с 1935 по 2007 гг.) период наблюдений [3 – 5]. Ниже календарные сезоны вводились подстрочным индексом «F». Термические условия в границах календарных сезонов оценивались по средней температуре <Т>F. Оценки фактических сезонов идентифицировались надстрочным индексом «*». Сравнительный анализ оценок <T> календарных и фактических сезонов. Различия оценок ТАУ календарных и фактических сезонов обусловлены хронологическим сдвигом, т.е. смещением фактических сезонов относительно сроков начала их календарных аналогов [3 – 5] . Для зимних сезонов значения разности δT = <T> – <T*> менялись от –1.18 до 3.72°С, для летних – от –1.81 до 0°С. В границах фактических переходных сезонов значения δT определялись, наравне с хронологическим индексом, вариациями их длительности. Для выборок переходных сезонов, где хронологический сдвиг не фиксировался, значения δT менялись от –5.2 до 0.6°С для весны и от от –2.85 до 7.18°С для осени. 2 Соотношение статистических показателей календарных и фактических сезонов подтверждает более высокий уровень отображения экстремальности термических свойств фактическими сезонами и меньший разброс значений <Т>Д в их границах [3]. Эти выводы позволяют рассматривать переход к альтернативной версии как важный этап в процессе оптимизации методов выделения сезонов и оценки их термических условий. Выбор меры центральной тенденции при оценке ТАУ сезонов. Обычно выборки сезонов со сходными ТАУ подбираются по значениям <T> [2]. Между тем, для сопоставления ТАУ сезонов по этому параметру необходима малая степень различия трех параметров одновременно: средней температуры, величины стандартного отклонения и величины тренда значений подекадной температуры в границах сезона [4]. Поэтому <T>, как единичная оценка ТАУ сезонов, представляется неполной, а сопоставление однотипных сезонов по значениям этого параметра – недостаточно достоверным [4, 5]. Использование медианы сезонных выборок подекадной температурыТМ отвечает, во-первых, условию оценки ТАУ сезонов одним параметром. Вовторых, задаче исключения влияния тренда экспериментальных данных на оценку термических свойств сезона. В-третьих, задаче уменьшения суммарной ошибки при замене элементов ряда значением медианы [6]. Замена, при оценке ТАУ сезонных выборок одним числом, среднего значения на медиану рассматривается как еще одна возможность повышения достоверности оценок термических условий в границах сезонов [3, 4]. Статистическая взаимосвязь элементов выборок <T>F и <T*> F, <T*> F и T*MF. Статистическая взаимосвязь между элементами многолетних выборок <T>F и <T*> F, <T*> F и T*MF анализировалась по уровню неопределенности между средними значениями их выборок. Для ее оценки использовалось соотношение между критерием Стьюдента tSt, рассчитанным для конкретной модификации сезона, и значением его критической величины t*St. Неравенство tSt < t*St, зафиксированное для разности параметров <T*>F и T*MF всех модификаций фактических сезонов, подтверждает, что с вероятностью ошибки не более 5% различие между средними значениями выборок <T*>F и T*MF носит случайный характер [6]. Поэтому неравенство tSt < t*St рассматривается как довод в пользу замены параметра <T*>F на показатель T*MF. Для разности параметров <T>F и <T*>F зафиксировано неравенство tSt > t*St. Следовательно, нулевая гипотеза отвергается и наблюдаемые различия существенны [6]. Таким образом, альтернативная модель столь значительно меняет оценку ТАУ, что показатель <T> уже не может рассматриваться как достоверная оценка их термических свойств. Распределение годовых циклов по градациям характеристик фактических сезонов. Возможности альтернативных методов повышения достоверности оценок ТАУ сезонов исследовались по распределениям характеристик сезонов: сроков их начала и длительности, значений медианы сезонных выборок подекадной температуры, средней скорости ее изменения и т.п. Распределение характеристик сезонов по градациям их термических свойств характеризуются унимодальностью и совмещением мер центральной тенденции в границах пика. Эти распределения могут рассматриваться как удобная форма обобщения данных о временных рамках и характеристиках ТАУ сезонов по результатам многолетних исследований. Для конкретного сезона 3 (единичного элемента гистограмм) они несут в себе информацию о временных рамках и спецификации разряда, включающего данный элемент. Отдельный разряд распределений позволяет оценить вероятность реализации данного интервала значений параметра для конкретной последовательности сезонов и уточнить, по концевым элементам наполнения разрядов, их экстремальные значения. Отдельное распределение для конкретной характеристики сезонов включает данные об относительной частоте значений характеристик по их градациям, общем, за весь период наблюдений, интервале изменчивости параметров, их точных значениях на границах многолетнего ранжированного ряда. Здесь же уточняются наиболее вероятные и экстремальные значения параметров, выявляются сезоны, отвечающие этим признакам. Заключение Детальная проработка относительно узкой и, на первый взгляд, очевидной проблемы выделения сезонов в годовом цикле термических атмосферных условий, позволила получить нетривиальные результаты и решить заявленные в данной работе задачи. Альтернативные методы выделения сезонов точнее отражают их термические атмосферные условия и более гибко, чем стандартная процедура деления годового цикла на сезоны, отслеживают режим вторжения в район Черного моря относительно холодных или теплых воздушных потоков. Эти методы столь существенно меняют оценку термических условий сезонов, что традиционная исходная модель уже не может рассматриваться как средство достижения достоверной оценки их термических свойств. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и администрации Краснодарского края (грант № 06-05-96681). Литература: 1. Прокопов О.И. К вопросу о выделении сезонов в годовом гидрологическом цикле деятельного слоя Черного моря. Океанология, 1993, т. 33, № 4, с. 527 – 531. 2. Титов В.Б., Савин М.Т. Об оценке температурного режима атмосферы, формирующего гидрологическую структуру Черного моря. Метеорология и гидрология, 2000, № 10, с. 78 – 84. 3. Прокопов О.И. Многолетняя изменчивость термических атмосферных условий в границах фактических зимних и летних сезонов (северо-восточная часть Черного моря, 1935 – 2004 гг.). Вестник южного научного центра, 2007, т. 3, № 3, с. 41 – 50. 4. Прокопов О.И. Многолетняя изменчивость временных рамок и термических свойств весенних и осенних фактических сезонов. Наука Кубани, 2008, № 2, с. 59 – 65. 5. Прокопов О.И. Многолетняя изменчивость средней температуры воздуха в северо-восточной части Черного моря в границах аномально холодных периодов. Метеорология и гидрология, 2007, № 11, с. 50 – 61. 6. Айвазян С.А., Мхитарян В.С. Прикладная статистика и основы эконометрики. М.: ЮНИТИ, 2001, 1022 с.
