Общая_климатологияКн1

С.П. Кундаса и Т.В. Мишаткиной. – Минск, МГЭУ им. А.Д. Сахарова, 2012. –

С. 171–181.

6.Лобанов В.А. Лекции по климатологии. Часть 2. Динамика климата. Кн.1. В 2 кн.: учебник. – СПб.: РГГМУ, 2016. - 332 с.

7.Лобанов В.А. Лекции по климатологии. Часть 2. Динамика климата. Кн.2. В 2 кн.: учебник. – СПб: РГГМУ, 2018. – 377 с.

8.Романова Е.Н. Микроклиматическая изменчивость основных элементов климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. – 279 с.

9.Романова Е.Н., Мосолова Г.И., Береснева И.А. Микроклиматология и ее значе-

ние для сельского хозяйства. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 245 с.

10.Сапожникова С.А. Микроклимат и местный климат. Л.: Гидрометеоиздат,

1950. – 242 с.

11.Физические основы теории климата и его моделирования. Труды Международной научной конференции, организованной ВМО и МСНС при поддержке программы ООН по окружающей среде. Стокгольм, 29 июля – 10 августа 1974. Л.: Гидрометеоиздат, 1977 – 271 с.

12.Climate Change 2013. The Physical Science Basis. Working Group I. Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change Edited by Thomas F. Stocker, Dahe Qin, Gian-Kasper Plattner, Melinda M.B. Tignor, Simon K. Allen, Judith Boschung, Alexander Nauels, Yu Xia, Vincent Bex, Pauline M. Midgley Cambridge University Press. Cambridge, New York, Melbourne, Madrid, Cape Town, Singapore, Sгo Paolo, Delhi, Mexico City. - 1552 pp.

90

Тема 1 Климатологическая обработка

рядов наблюдений

Лекция 2. Климатическая информация и банки данных

2.1. Способы получения и свойства климатических рядов

Как следует из истории развития климатологии, климат в простом его представлении характеризуется как многолетний режим погоды. Поэтому для изучения характеристик климата требуются, прежде всего, многолетние наблюдения. Даже при современном изменяющемся климате Всемирная метеорологическая организация (ВМО) предлагает рассчитывать средние климатические величины за квазистационарный период в 30 лет с 1961 по 1990 гг. В условиях же устойчивого климата, чем продолжительнее период наблюдений, тем надежнее определяются климатические характеристики, что объясняется теорией выборочного статистического оценивания.

Многолетние измерения – это основа для получения рядов климатических характеристик. Известно высказывание Иоганна Кеплера: «Знать – значит измерить», что соответствует основному принципу современной науки – проверяемости любой теории и любым исследователем на основе опыта или измерений.

Климатическая обработка применяется к многолетним рядам наблюдений и ее целью является определение климатических характеристик, например, многолетнего среднего значения или расчетных климатических характеристик редкой повторяемости (1 раз в 100 или 200 лет). Все закономерности, которые получены в климатологии, например, изотермы норм температур по Земному шару, являются результатами климатической или климатологической обработки. Также расчетные климатические характеристики являются практическим вкладом климатологии в различные отрасли человеческой деятельности (строительство, сельское хозяйство, транспорт и другие) Поэтому климатическая обработка информации является основой климатологии и все числовые климатиче-

91

ские характеристики получены только на основе климатической обработки [5]. В качестве основного математического аппарата для климатической обработки применяются вероятностностатистические методы.

Для получения климатических рядов используются метеорологические наблюдения, выполняемые в определенные сроки. Например, наблюдения за температурой воздуха в настоящее время проводятся 8 раз в сутки через 3 часа и называются срочными наблюдениями. Измерение осадков осуществляется раз в сутки. При применении автоматических регистрирующих приборов дискретность наблюдений (интервалы между измерениями) может задаваться и быть значительно меньше, чем 3 часа. В результате даже в течение одного года наблюдений формируется большой массив данных, а климатические характеристики получаются из метеорологических данных путем последовательного обобщения или агрегирования информации. Можно выделить три основных уровня обобщения: внутри года, за многолетний период и по пространству.

Первый уровень обобщения информации внутри года предназначен для получения одной климатической характеристики за каждый год. При этом используются или все наблюдения в течение года для получения такой величины как среднегодовая температура воздуха или сумма осадков за год; или часть наблюдений (например, для определения среднемесячной температуры января, среднесуточной температуры за конкретный день года, например, среднесуточной температуры на 1 января) или просто выбирается климатическая величина из срочных наблюдений, например, максимальная или минимальная в году срочная температура, температура воздуха в 9 часов утра 9 мая и т.п. Иногда требуется выполнить не просто осреднение за какой-либо период внутри года (сутки, декада, месяц, сезон, полугодие, год), а вычислить некоторые параметры, например, коэффициенты функции внутригодовых изменений. Результатом внутригодового агрегирования информации будет одна климатическая характеристика за каждый год. За много лет наблюдений вычисляется массив погодичных (определенных за каждый год) климатических характеристик, число которых соответствует числу лет наблюдений. В итоге формируется ряд мно-

92

голетних наблюдений за рассматриваемой климатической характеристикой.

В зависимости от вида климатической характеристики и способа ее получения внутри года можно выделить следующие четыре признака климатических рядов:

-временное разрешение или способ обобщения за определенный период (срочное, суточное, декадное, месячное, годовое);

-интервал дискретности или интервал времени между вычисляемыми климатическими характеристиками (от нуля для среднегодовых характеристик до года для срочных характеристик);

-длина реализации или количество данных наблюдений для получения климатической характеристики внутри года (от одного срочного значения до 2920 (365 суток х 8 сроков) срочных значений при расчете среднегодовой температуры по данным срочных наблюдений);

-характеристика, по которой формируется ряд (значение метеорологической величины, число дней, дата перехода через какое-либо значение, продолжительность периода и т.д.)

Второй уровень обобщения относится к обработке климатической информации за многолетний период. Применяемые методы обработки зависят от того, изменяются или не изменяются во времени основные параметры временных рядов, такие как средние значения и дисперсии. Поэтому прежде, чем приступить к обобщению за многолетний период следует выполнить анализ климатических данных на качество, однородность и стационарность. В случае стационарности основных параметров временных рядов, обобщения за многолетний период осуществляются тремя основными способами в зависимости от качества и цели обработки данных:

-определение только среднего и предельных значений климатической характеристики за многолетний период, если данные имеют большие погрешности, что, как правило, относится к визуальным наблюдениям (туман, гроза, метель, град, пыльная буря);

-определение среднего значения и повторяемости в заданных градациях для климатических характеристик, точность наблюдения или измерения которых не столь высокая (облачность, скорость и направление ветра, влажность воздуха);

93

-расчет всех параметров распределения вероятностей и определение расчетных климатических характеристик редкой повторяемости для тех климатических величин, которые определяются с высотой точностью и имеют большое практическое значение (температура воздуха, температура почвы, осадки и другие).

Третий уровень связан с пространственным обобщением климатических данных. Для этой цели рассматриваются обобщенные по времени климатические характеристики на многих метеостанциях, которые формируют климатическое поле. Самый распространенный способ пространственного обобщения, который имел место уже при первых климатических исследованиях в XIX веке, – это построение карт изолиний норм или средних многолетних значений температур воздуха, осадков, атмосферного давления. Эти карты позволили установить основные закономерности пространственного распределения климатических характеристик по Земному шару. Так, карты норм среднегодовых температур позволили установить не только широтные закономерности увеличения температуры от полярных районов к экватору, но выявить влияние неодинакового нагрева океана и суши, что проявляется в изогнутости изотерм в направлении на юг над континентами и на север над океанами. Карты осредненного за многолетний период атмосферного давления позволили открыть такую важную особенность как центры действия атмосферы – «акупунктурные точки» Земли, которые отвечают за атмосферную циркуляцию и мониторинг которых проводится в настоящее время в виде известных индексов: Северо-Атлантическое колебание, Эль-Ниньо и другие. Способы пространственного обобщения климатической информации также разные и зависят от свойств поля рассматриваемой характеристики. Можно выделить несколько уровней пространственного обобщения:

-пространственное осреднение выполняется в том случае, если изменения по территории небольшие и соизмеримы с погрешностью определения климатических характеристик;

-карты изолиний или пространственные модели от географических координат строятся в том случае, если изменения по пространству существенны и зависят от широты, долготы, высоты местности;

94

-если же закономерности от координат отсутствуют, а изменения по пространству существенны, то строятся модели от факторов, которые, как правило, являются азональными, т. е. характеризуют влияние местных особенностей в виде озер, водохранилищ, леса, локальный понижений и выпуклостей рельефа, результатов антропогенного воздействия (например, город как «остров тепла»).

Во многих случаях климатическая обработка информации является не только формальной процедурой, но и научным исследованием с целью получения новых знаний о закономерностях климата и его изменениях.

Метеорологическая информация бывает двух основных видов: оперативная и режимная. Оперативной называется та, которая измеряется и сразу же используется в оперативных целях, например, для прогнозов в реальном времени. Режимная же информация получается путем анализа данных наблюдений с целью устранения больших случайных погрешностей, систематических погрешностей, погрешностей наблюдателей и приборов. Поэтому режимная информация – это обработанные и проанализированные данные наблюдений. Климатическая информация получается только на основе режимной информации.

Внастоящее время в региональных Центрах (ЦГМС) и Управлениях (УГМС) гидрометслужбы существуют автоматизированные системы первичной обработки гидрометеорологической информации. Базовыми технологиями для получения оперативной информации являются следующие:

-метеорологическая телекоммуникационная система (MTS);

-комплекс ГИС-МЕТЕО для изготовления, обработки и документирования метеорологических карт;

-универсальная метеорологическая абонентская система (UniMas). Эти технологии позволяют войти в единую метеорологиче-

скую сеть МЕКОМ Росгидромета. Для обработки основных видов гидрометинформации применяются следующие автоматизированные системы:

- по обработке режимной метеорологической информации по станциям – система ПЕРСОНА-МИС, и постам – система ПЕРСОНА-МИП;

95

-по обработке прибрежной морской информации – система ПЕРСОНА-БЕРЕГ;

-по обработке режимной гидрологической информации – система ПЕРСОНА-РЕК;

-по обработке агрометеорологической информации – система ИПКАМЕ;

-по обработке актинометрической информации – система SONE;

-по обработке данных теплобалансовых наблюдений – система

HBALANCE;

-по обработке гидрохимической информации – система ГидрохимПК;

-по обработке информации загрязнения атмосферного воздуха в городах – система АСОИЗА-ПЭВМ;

-по обработке судовых океанологических данных – система

KENARM;

-по обработке климатических данных – системы КЛИКОМ и

CLiWare.

Система CliWare позволяет решать задачи по управлению гидрометеорологической информацией на различных уровнях ее обработки и представления. Комплекс базируется исключительно на Web технологиях, что позволяет его использовать как в сетях Интранет, так и в сетях Интернет. При этом решаются четыре основные задачи:

-ввод гидрометеорологической информации в систему,

-получение различных климатических характеристик,

-ведение базы данных гидрометеорологической информации и метаданных,

-доведение информации до потребителей.

Источниками данных для климатологических рядов являются как книжки и таблицы наблюдений, так и режимные справочные издания и среди них:

-книжки записи наблюдений на станциях (КМ-1, КМ-2, КМ-3

и т. д.);

-таблица ТМ-1 (все метеовеличины за месяц);

-таблица ТМ-3 (температура почвы);

-таблицы ТМ-11 и ТМ-12 (солнечная радиация);

-таблицы самописцев (температура, давление, влажность, осадки);

96

-метеорологические ежемесячники;

-актинометрические ежемесячники;

-синоптические бюллетени и карты.

Начало однородных рядов наблюдений зависит от изменения числа сроков и методик наблюдений, что влияет по-разному на климатические характеристики разного временного разрешения. Так, если в качестве климатической характеристики рассматривается обобщение за год или за месяц (среднегодовая, среднемесячная температуры воздуха), то началом однородных рядов наблюдений считается конец XIX столетия (1889–1898 гг.). С 1936 г. вместо трехсрочных наблюдений стали производится четырехсрочные наблюдения и этот год считается началом однородных климатических рядов суточного временного разрешения (например, среднесуточная температура воздуха). В 1966 г. на сети метеорологических станций был осуществлен переход на восьмисрочные наблюдения, и с этого года считаются однородными климатические ряды, сформированные из срочных данных.

2.2. Международная система хранения режимной метеорологической информации

В течение практически 100 лет с начала регулярных наблюдений на гидрометеорологической сети климатические данные формировались и хранились на бумажных носителях, например, в виде Климатологических справочников или Справочников по клима-

ту [1,6,14].

Идея создания специализированного научноисследовательского учреждения, оснащенного парком счетных машин, способных обрабатывать большие объемы метеорологических данных, как для анализа и прогноза, так и для изучения климатических изменений, была выдвинута передовыми ученымиметеорологами еще в 1930-е годы. Эта идея была поддержана академиком Е.К. Федоровым, и в 1942 г. в Москве был образован Центральный научно-исследовательский гидрометеорологический архив. Затем архив был преобразован в Научно-исследовательский институт аэроклиматологии (НИИАК), где развернулись работы

97

по занесению информации на перфокарты и их массовой обработке с целью получения климатических обобщений и создания справочных пособий для нужд народного хозяйства. Позднее НИИАК был включен в состав ВНИИГМИ-МЦД как московское отделение. Уже во второй половине 1940-х годов для обработки данных в Гидрометслужбе бывшего СССР началось применение счетноперфорационных машин. С помощью простейших счетноаналитических машин таблицы с результатами гидрометеорологических наблюдений переносились на перфокарты. Архив этих данных в 1970-х годах составил свыше 500 миллионов перфокарт.

С момента практического применения ЭВМ появилась возможность формировать и хранить метеорологические данные на технических носителях. В 1963–1974 гг. группой научноисследовательских учреждений в бывшем СССР был разработан проект комплексной автоматизации Гидрометслужбы. Проектом было предусмотрено создание автоматизированной системы сбора, обработки, контроля, хранения и распространения информации для оперативных и климатологических целей [3]. Текущая информация передавалась на технических носителях того времени (перфоленты, перфокарты, бинарные микрофильмы, магнитные ленты) во Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных (ВНИИГМИМЦД) и территориальные центры, обрабатывалась и поступала на длительное хранение.

Для того чтобы собрать и обработать огромное количество информации, получаемой со всего мира, и сведения от метеорологических космических систем, необходимо было использовать сложное и дорогостоящее оборудование. Осуществить это можно было в центрах, способных обслуживать все страны мира, поэтому в системе Всемирной службы погоды было решено создать три мировых метеорологических центра (рис.2.1): два – в Северном полушарии (один – в Москве, другой – в Вашингтоне), а третий – в Мельбурне (Южное полушарие, Австралия). Система Мировых центров данных (МЦД) была создана в 1957 г. и действует под эгидой Международного совета научных союзов (МСНС). Эти центры предполагалось оснастить быстродействующей электронной аппаратурой и средствами телесвязи, необходимыми для при-

98

ема и распространения метеорологической информации в глобальном масштабе. И в 1964 г. в Москве на базе вычислительного метеорологического центра Главного управления Гидрометслужбы был создан Мировой метеорологический центр с отделением хранения и статистической обработки гидрометеорологических данных в г. Обнинске Калужской области (будущий ВНИИГМИМЦД).

Мировые центры данных Региональные центры данных Тропические циклоны Модели переноса для ЧС

Центры среднесрочных прогнозов Специальные центры по ЧС Мировые центры прогнозов

Рис. 2.1. Схема размещения центров метеоинформации

(http://www.wmo.int/pages/prog/www/DPS/gdps-2.html)

Помимо трех мировых центров данных в мировой системе хранения данных существует и 25 региональных специализированных метеорологических центрах (RSMCs) достаточно равномерно размещенных по территории Земли (рис. 2.1) и хранящих информацию по выделенной территории: Алжир, Пекин, Экзетер (Великобритания), Бразилия, Буэнос-Айрес, Каир, Дакар, Дарвин (Австралия), Мельбурн, Джидда (Саудовская Аравия), Хабаровск, Майями, Монреаль, Москва, Найроби, Дели, Новосибирск, Оф- фенбах-ам-Майн (Германия), Претория, Рим, Ташкент, Токио, Тунис и Касабланка, Вашингтон, Веллингтон.

Еще одна группа специализированных региональных центров связана с прогнозированием тропических циклонов. Центры раз-

99