Савенець Михайло Валерійович Сезонна та довготермінова мінливість основних аерологічних характеристик над територією України

Краткое описание

Савенець Михайло Валерійович, науковий співро­бітник відділу моніторингу атмосфери Українського гідрометеорологічного інституту ДСНС та НАН Украї­ни: «Сезонна та довготермінова мінливість основних аерологічних характеристик над територією України» (11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеороло­гія). Спецрада Д 26.001.22 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Український гідрометеорологічний інститут
Державна служба України з надзвичайних ситуацій
Національна академія наук України
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Міністерство освіти і науки України
Кваліфікаційна наукова праця
на правах рукопису
САВЕНЕЦЬ МИХАЙЛО ВАЛЕРІЙОВИЧ
УДК: 551.587; 551.510.5
ДИСЕРТАЦІЯ
СЕЗОННА ТА ДОВГОТЕРМІНОВА МІНЛИВІСТЬ ОСНОВНИХ
АЕРОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАД ТЕРИТОРІЄЮ УКРАЇНИ
11.00.09 – метеорологія, кліматологія, агрометеорологія
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей,
результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
____________________________/ М.В. Савенець
Науковий керівник: Дворецька Ірина Віталіївна, кандидат географічних наук,
старший науковий співробітник
КИЇВ – 2017

ЗМІСТ
ст.
СПИСОК СКОРОЧЕНЬ…………………………………………………………....13
ВСТУП………………………………………………………………………………14
РОЗДІЛ 1. ПРОБЛЕМАТИКА ДОСЛІДЖЕНЬ КЛІМАТУ ВІЛЬНОЇ
АТМОСФЕРИ ……………..……………………………………………………….20
1.1 Стан вивчення розподілу аерологічних характеристик над територією
України…………………………………………………………………...20
1.2 Довготермінова мінливість клімату вільної атмосфери …...………....22
1.3 Методи та критерії контролю аерологічної інформації ………………25
1.4 Сучасні бази даних аерологічної інформації………………………..…28
1.5 Висновки до розділу: постановка задачі дослідження……………..…32
РОЗДІЛ 2. ОСОБЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ, ВПОРЯДКУВАННЯ ТА
КРИТИЧНОГО АНАЛІЗУ АЕРОЛОГІЧНИХ ДАНИХ…...……………………..33
2.1 Методика критичного аналізу та розробка бази даних
аерологічної інформації…………..…………………..…………………..33
2.1.1 Створення бази даних первинної аерологічної інформації………34
2.1.2 Методика критичного аналізу даних аерологічних
характеристик………………………………..………………………..38
2.1.3 Розробка програмних засобів візуалізації аерологічної
Інформації……………………………………………………………..41
2.2 Методика обчислення сезонної та довготермінової мінливості……...46
2.3 Практичне значення результатів створення СУБД аерологічної
інформації та удосконалення методики критичного аналізу…………51
2.4 Висновки до розділу……………………………………………………..54
РОЗДІЛ 3. СЕЗОННІ МОДЕЛІ АЕРОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК………..56
3.1 Характеристики сезонних моделей висоти ізобаричного рівня ……...56
12
3.2 Сезонні моделі характеристик вітру …………………………………...64
3.3 Характеристики сезонних моделей температури повітря ..…………..73
3.4 Сезонні моделі характеристик вологості повітря ...…………………...80
3.5 Висновки до розділу……………………………………………………..89
РОЗДІЛ 4. ПРОСТОРОВО-ЧАСОВІ ОСОБЛИВОСТІ СЕЗОННОГО
ХОДУ……………………..........................................................................................91
4.1 Просторово-часові особливості сезонних змін висоти
ізобаричного рівня …………………………….…………....….....................91
4.2 Сезонні зміни характеристик вітру ….……………………....…………94
4.3 Особливості сезонних змін температури повітря та точки роси…….101
4.4 Просторово-часові особливості сезонного розподілу
характеристик вологості повітря ………………………………………….109
4.5 Висновки до розділу……………………………………………………112
РОЗДІЛ 5. ДОВГОТЕРМІНОВА МІНЛИВІСТЬ АЕРОЛОГІЧНИХ
ХАРАКТЕРИСТИК………………………………………………………………..114
5.1 Довготермінова мінливість висоти ізобаричного рівня ...…………...115
5.2 Довготермінові коливання характеристик вітру ……………………..120
5.3 Довготермінова мінливість температури повітря ……………………129
5.4 Довготермінові коливання характеристик вологості повітря ……….134
5.5 Практичне значення результатів аналізу коротко- та
довготермінової мінливості аерологічних характеристик……………….140
5.6 Висновки до розділу……………………………………………………142
ВИСНОВКИ………………………………………………………………………..144
ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ…………………….146
ДОДАТКИ………………………………………………………………………….163
Додаток А……………………………………………………………………….….164
Додаток Б……………………………………………………….............………….198
13
СПИСОК СКОРОЧЕНЬ
AASI – Australian Atmospheric Soundings Information
CARDS – Comprehensive Aerological Data Set
DRCT – wind direction
DWPT – dew point
ECIP – Earth Science Information Partners Program
HGHT – heopotential height
MIXR – mixing ratio
MONADS – Monthly Aerological Data Set
NCDC – National Climatic Data Center
RELH – relative humidity
SKNT – wind speed (knot)
TEMP – temperature
VBA – Visual Basic for Application
Vm – meridional wind
Vz – zonal wind
БД – база даних
ВМО – всесвітня метеорологічна організація
СУБД – система управління базами даних
УкрГМІ – Український гідрометеорологічний інститут
14
ВСТУП
Актуальність теми. Питання зміни клімату стало одним з найбільш
дискусійних серед глобальних проблем сучасного суспільства. Для розуміння
усіх процесів, що зумовлюють кліматичні зміни, необхідним є комплексний
аналіз не тільки приземного клімату, але й стану тропосфери та стратосфери.
Генезис кліматичних змін можна дослідити тільки із залученням даних
висотного розподілу метеорологічних параметрів, адже атмосфера являє собою
багаторівневу систему і зміни будь-якого її окремого шару призводять до змін
усіх інших шарів. Детальне вивчення можливе тільки із аналізом сезонної та
довготермінової мінливості аерологічних характеристик. Сезонна мінливість
дозволяє встановити основні закономірності розподілу полів метеорологічних
величин на висотах. Аналіз довготермінової мінливості виявляє процеси, що
визначають формування таких закономірностей. Останні узагальнення
середнього багаторічного розподілу метеорологічних параметрів у тропосфері –
нижній стратосфері для території України виконано більше 30 років назад і
потребують оновлення. Недостатня кількість узагальнень клімату вільної
атмосфери за останні десятиріччя унеможливлює вивчення взаємозв’язків та
проведення комплексного аналізу з приземним кліматом. З огляду на кліматичні
зміни останніх десятирічь стає очевидною нагальна потреба у дослідженні
клімату вільної атмосфери, так як граничний шар, вільна тропосфера та
стратосфера тісно пов’язані між собою і зміни стану одного з шарів призводять
до змін усієї атмосфери, а в межах часового масштабу кількох десятків років –
до змін у системі атмосфера – діяльний шар суходолу.
Найнадійнішим джерелом метеорологічної інформації на висотах
залишається аерологічне зондування атмосфери. Проте, в Україні існує
проблема з наявністю електронної бази даних радіозондування атмосфери в
сучасному розумінні цього слова – з програмними засобами візуалізації,
15
збереженими зв’язками між різними частина бази даних та гнучкістю до
можливості програмування. Без такої бази даних проведення досліджень
висотного клімату неможливе через великі об’єми вибірок, які ще й
відповідають різним атмосферним рівням. Тому створення бази даних
аерологічної інформації стає важливою складовою частиною дослідження
аерологічного клімату.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові
результати, які викладено у дисертаційній роботі, отримані під час проведення
досліджень у відділі моніторингу атмосфери УкрГМІ за безпосередньої участі
автора як виконавця державних бюджетних тем: №8/12 «Дослідження динаміки
показників основних газових та аерозольних домішок атмосферного повітря над
територією України» (ДР № 0112U004650, 2012–2014 рр.); №7/15 «Дослідження
впливу метеорологічних величин на вміст та динаміку малих газових і
аерозольних домішок атмосферного повітря над територією України» (ДР №
0115U002801, 2015–2017 рр.).
Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є встановлення
закономірностей короткотермінової (сезонної) та довготермінової мінливості
аерологічних характеристик над територією України.
Для досягнення мети поставлені наступні завдання:
• розробити метод критичного аналізу даних на наявність грубих помилок у
аномальних відхиленнях аерологічних характеристик;
• встановити кількісні особливості короткотермінових коливань
аерологічних характеристик на основі побудованих сезонних моделей;
• дослідити особливості вертикального та горизонтального розподілу
середніх багаторічних значень аерологічних характеристик;
• дослідити довготермінові коливання аерологічних характеристик та
встановити причини, що їх зумовлюють.
16
Об’єктом дослідження є поля метеорологічних величин у тропосфері і
нижній стратосфері над територією України. Предметом дослідження є сезонна
(короткотермінова) та довготермінова мінливість аерологічних характеристик
над територією України.
Матеріали та методи дослідження. Вихідними матеріалами для
виконання роботи слугували щоденні дані радіозондування атмосфери за
наступними параметрами: висота ізобаричного рівня, температура повітря,
точка роси, відносна вологість, відношення суміші, швидкість та напрямок
вітру, зональна та меридіональна складові вітру. Дані радіозондування
атмосфери отримано на мережі аерологічних станцій України та прилеглих
територій за період 1979–2010 рр. Первинну інформацію систематизовано у
створеній автором електронній базі даних аерологічних характеристик.
Застосовано такі методи досліджень: гармонічний аналіз для виділення
коротко- і довготермінових коливань, спектральний аналіз для побудови
інтегрованої періодограми залишків, регресійний аналіз для розрахунку
коефіцієнтів Фур’є та обчислення трендів. Автоматизацію розрахунків,
створення візуалізатора вертикальних профілів та аніматора просторового
розподілу здійснено автором особисто з використанням мов програмування
VBA та VisualBasic.
Наукова новизна одержаних результатів.
Вперше:
•розроблено метод критичного аналізу аномальних даних, що базується на
багаторазовому фільтруванні сумнівних значень досліджуваних показників;
•визначено висоти зсувів фаз та, через центральну частоту та ширину спектра
сезонних коливань, описано визначальні процеси, які зумовлюють
короткотермінову мінливість висотного розподілу аерологічних характеристик
над територією України;
17
•визначено тренди градієнтів температури тропосфери поза граничним шаром,
як індикатора чинників формування кліматичних змін;
•встановлено та проаналізовано довготермінову мінливість аерологічних
характеристик всього профілю тропосфери та нижньої стратосфери на основі
значущих довготермінових коливань;
•встановлено домінуючий вплив низькочастотних припливних коливань на
мінливість клімату вільної атмосфери у межах часового масштабу кількох
десятків рокі.
Удосконалено:
•методику проведення кліматичного та горизонтального контролю з метою
виявлення недостовірних даних у рядах аерологічної інформації;
•методи візуалізації аерологічних характеристик для території України;
Набули подальшого розвитку:
•знання щодо короткотермінової мінливості основних аерологічних
характеристик над територією України;
•методи обробки та систематизації первинної інформації аерологічних даних
Практичне значення роботи. Розраховані сезонні моделі аерологічних
характеристик використано для створення регіональних моделей прогнозу
загального вмісту озону та аналізу залежності озону від висотного розподілу
метеорологічних величин, та можуть використовуватися для аналізу впливу
аерологічних характеристик на динаміку малих газових складових в
оперативній та режимній діяльності організацій, що займаються питаннями
забруднення та якості атмосферного повітря.
Методика критичного аналізу аерологічної інформації може бути
використана в оперативній, прикладній та методичній діяльності організацій,
що виконують аналіз інформації радіозондування атмосфери.
18
Отримані результати розрахунку сезонної мінливості аерологічних
характеристик, зокрема середні багаторічні значення, можуть
використовуватися для вирішення прикладних задач в галузях економіки, що
потребують визначення висотного розподілу метеорологічних параметрів.
Результати розрахунку довготермінової мінливості можуть бути використані
для дослідження кліматичних змін над територією України.
Матеріали дисертаційного дослідження можуть бути впроваджені в
навчальні курси з фахової підготовки здобувачів вищої освіти різних
кваліфікаційних рівнів вищих учбових закладів відповідного профілю, а також в
освітньо-наукову програму підготовки аспірантів відповідного профілю в
Українському гідрометеорологічному інституті ДСНС України та НАН
України.
Особистий внесок здобувача полягає у створенні електронної бази даних
аерологічних характеристик різних рівнів архівації, виконанні критичного
аналізу та виявленні недостовірних значень у рядах аерологічних
характеристик. Автором створено прикладні програмні модулі для
автоматизації розрахунків та візуалізації даних. Аналіз та узагальнення даних
щодо особливостей короткотермінової мінливості аерологічних характеристик,
просторового й часового розподілу короткотермінових коливань та осереднених
багаторічних значень, особливостей довготермінової мінливості аерологічних
характеристик та їхнього просторово-часового розподілу виконано автором
особисто.
Визначення мети й завдань, обґрунтування методологічних засад
досліджень, інтерпретація основних результатів та формулювання висновків
здійснено разом із науковим керівником. З наукових праць, опублікованих у
співавторстві, використано положення та ідеї, які належать особисто автору,
про що зазначено у переліку наукових праць, представлених в авторефераті.
19
Апробація результатів дослідження. Отримані результати досліджень
були представлені на 7 міжнародних конференціях: 20-му міжнародному
симпозиумі «Оптика атмосфери та океану. Фізика атмосфери» (Новосибірськ,
2014), Міжнародної конференції «Проблеми гідрометеорологічного
забезпечення господарської діяльності в умовах зміни клімату» (Мінськ, 2015),
13th та 14th International Conference of Young Scientists on Energy Issues CYSENI
(Kaunas, 2016 та 2017), EUMETSAT Meteorological Satellite Conference
(Darmstadt, 2016), Міжнародній науково-практичній конференції «Актуальні
проблеми наук про Землю: використання природних ресурсів та збереження
навколишнього середовища» (Брест, 2017), Міжнародній науково-практичній
конференції «Регіональні проблеми України: географічний аналіз та пошук
шляхів вирішення» (Херсон, 2017); на наукових семінарах відділу моніторингу
атмосфери УкрГМІ та на засіданнях вченої ради УкрГМІ.
Публікації. Результати дисертаційного дослідження опубліковано в 5
наукових працях, у тому числі в 4 статтях у вітчизняних фахових періодичних
виданнях, рекомендованих МОН України, 1 статті в іноземному періодичному
фаховому виданні, 7 матеріалах та тез доповідей міжнародних конференцій за
кордоном та в Україні.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з
анотації, вступу, п’яти розділів, висновків, переліку використаних літературних
джерел із 172 найменувань та 2-х додатків. Робота виконана на 199 сторінках
машинописного тексту і містить 63 рисунки, 16 таблиць, додатки на 36
сторінках.

Список литературы

ВИСНОВКИ
У дисертації отримано нові науково обґрунтовані результати, що в
сукупності вирішують важливе наукове завдання – встановлення
закономірностей сезонної та довготермінової мінливості основних аерологічних
характеристик над територією України.
1. Розроблено та реалізовано метод критичного аналізу даних радіозондування
атмосфери, який базується на багаторазовому фільтруванні непідтверджених
значень аномальних показників. Застосування вказаного підходу надало
можливість покращити якість інформаційної бази та додатково включити до
обчислень 49 % значень аномальних показників аерологічних характеристик.
2. На основі побудованих сезонних моделей встановлено кількісні
характеристики короткотермінових коливань. У результаті визначального
впливу радіаційного чинника сезонність висоти ізобаричного рівня найбільш
значимо проявляється у нижній стратосфері, де коефіцієнт детермінації
сезонних моделей досягає 0.8. Встановлено, що зсув фаз короткотермінових
коливань при переході до рівня 850 гПа складає 90–110 днів.
3. На підставі аналізу сезонної мінливості вітру уточнено тривалість періодів
переважаючого напрямку вітру в шарі 500–150 гПа. Показано, що у зв’язку зі
зменшенням кількості чинників формування вітру при переході від граничного
шару до вільної тропосфери півширина спектра сезонних коливань зменшується
з 0.5–0.8 до 0.1–0.2 доба-1
.
4. Сезонність температури найбільш значимо проявляється у нижній
тропосфері. Встановлено, що рівень початку перебудови полів температури на
стратосферний режим починається з 200 гПа, а зсув фаз короткотермінових
коливань на межі тропосфери та стратосфери досягає 100 днів.
5. Встановлено період інверсійного вертикального розподілу відносної
вологості в граничному шарі атмосфери, що триває від 5 до 11 місяців залежно
145
від місця розташування станції. Сезонність відносної вологості найкраще
проявляється у нижній тропосфері у регіонах зі змінними умовами насиченості,
а відношення суміші – на прилеглих до моря територіях.
6. Температурний градієнт у вільній тропосфері поза граничним шаром варіює
від γ=5.14 до γ=6.35 °С/км залежно від сезону та місця розташування станції. На
переважній більшості станцій не виявлено значущих трендів температурного
градієнту, що вказує на односпрямовану зміну температурного режиму вільної
тропосфери.
7. Серед усіх значущих коливань найбільший вплив на довготермінову
мінливість аерологічних характеристик чинять припливні низькочастотні
коливання з основним періодом 18.6 років. Вони визначають до 62% дисперсії
залишків короткотермінової мінливості.
8. Найсуттєвіші довготермінові зміни аерологічних характеристик пов’язані із
перебуванням на висхідній чи низхідній гілці їх низькочастотних коливань і
полягають у наступному: зменшенням висот ізобаричних рівнів у тропосфері на
40–120 метрів за останні 15 років; збільшенням швидкості вітру нижньої
стратосфери в останні 10 років на 8–15 м/с та незначних варіаціях вітру у
тропосфері; зростанням температури нижньої та середньої тропосфери та її
зменшенням на 1.5–3˚С у нижній стратосфері; зменшенням характеристик
вологості на 4–12% та 0.2–0.5 г/кг залежно від рівня з початку 1990-х рр.
9. Отримані результати можуть бути застосовані для проведення комплексного
аналізу з приземними кліматичними даними з метою виявлення характеру їх
взаємодії в кліматичній системі та оцінки майбутніх кліматичних змін.
Встановлені закономірності дозволяють проводити валідацію супутникових та
модельних даних, використовуватися при вирішенні прикладних задач
динамічної та синоптичної метеорології, зокрема чисельного моделювання
атмосферних процесів.