Метеорологические и геофизические исследования - Г. Алексеев

Рис. 6. Оценки характеристик межгодовой изменчивости и годового хода: а – гистограммы (f) повторяемости температуры, давления и облачности в центральные месяцы сезонов; б – многолетний годовой ход температуры и давления в форме «ящиков с усами» по срочным (1) и среднемесячным (2) данным; в – средний многолетний годовой ход балла облачности (3) и повторяемости ясного (4), полуясного (5) и пасмурного (6) неба; г – средний многолетний годовой ход (7) и годовой ход СКО абсолютной влажности по срочным (8) и среднемесячным (9) данным; д – повторяемость годовых экстремумов срочных (9) и среднемесячных (10) значений температуры, давления и скорости ветра по месяцам

В таблице 7 выделены ячейки, для которых распределение отличается от нормального по критериям A≠0, E≠0. Как видно из таблицы, распределения среднесуточной температуры воздуха в большинстве месяцев имеют положительную асимметрию, наибольшие по модулю значения А, Е отмечаются летом. Распределение среднемесячных значений в большинстве случаев близко к нормальному.

На рис. 6 б годовой ход и межгодовая изменчивость Т и Р представлены квантилями распределения среднесуточных, среднемесячных и среднесезонных данных. Совместное представление квантилей суточного и месячного разрешения в форме «ящиков с усами» демонстрирует большой вклад в изменчивость процессов синоптического масштаба. Из него видно, что годовой ход проявляется не только в среднем, но и в параметрах масштабов распределения (в высоте «ящика» и в длине «усов» для данных как суточного, так и месячного разрешения). Следует отметить, что по этим показателям годовой ход давления проявляется столь же ярко, как и температуры. Заметим также, что для данных суточного разрешения отношение длины «усов» к высоте «ящика» заметно больше, чем для данных месячного разрешения. Соотношение длин верхнего и нижнего усов в ящиках срочных значений температуры летом позволяет утверждать, что особенности коэффициентов А, Е в таблице 7 связаны с аномалиями малой обеспеченности. Действительно, оценки коэффициента асимметрии, приведенные в таблице 8, показывают, что левая асимметрия обусловлена положительными аномалиями обеспеченностью менее 0,1.

Таблица 5. Годовой ход повторяемости среднесуточной температуры воздуха (%)

Таблица 6. Годовой ход повторяемости среднесуточного атмосферного давления (%)

Таблица 7. Годовой ход моментов и экстремумов распределения среднесуточных и среднемесячных значений температуры и давления.

Примечание. Жирным шрифтом выделены значимо не нулевые коэффициенты асимметрии и эксцесса

Таблица 8. Квантильные оценки коэффициента асимметрии среднесуточной температуры в июне

Годовой ход характеристик облачности представлен на рис. 6 в кривыми годового хода среднемесячного многолетнего балла облачности N и повторяемостями ясного, полуясного и пасмурного неба. Как видно из рис., балл общей облачности имеет наименьшие значения в холодное время года и демонстрирует тенденцию к увеличению – в тёплое. Отчетливо выражены два максимума – в мае и в августе-сентябре. Такой же годовой ход у повторяемости пасмурного неба. В тоже время годовой ход ясного и полуясного неба находятся в противофазе (для последнего максимум зимой и минимум летом) и имеет существенно меньший размах.

Для удельной влажности воздуха годовой ход представлен на рис. 6 г графиками m(t) и σ(t), рассчитанной по срочным и среднемесячным данным. Как видно из рис., влажность воздуха резко возрастает в теплый сезон; при этом m(t)>σ(t). Для нее, как и для температуры воздуха, характерен значительный вклад в дисперсию регулярного годового хода.

Ещё одной характеристикой годового хода является распределение годовых экстремумов по месяцам, диаграммы которых приведены в первой части рис. 6 д. Наиболее сосредоточенным является распределение max(T), самое размытое распределение имеет min(Р). Максимум V отмечается с октября по март, с максимумом повторяемости в декабре-феврале.

Годовой ход и межгодовая изменчивость скорости ветра представлены на рис. 7 графиками роз ветров, векторов , эллипсами  и квантильными диаграммами по месяцам.

В таблице 9 приведены в инвариантной форме оценки моментов, экстремумов распределений и тренды. Анализ роз ветра, приведенных на рис. 7 а и в таблице 9, показывает, что в холодный сезон преобладают Ю – ЮЗ – З ветры, а в теплый сезон – ветры С – СВ направлений. При этом, в отличие от холодного сезона, распределение скорости ветра по румбам в теплый сезон года ближе к равномерному. Повторяемость штиля в холодный сезон в несколько раз выше, чем в теплый. Таким образом, в холодный сезон усилена контрастность – максимальный модуль скорости больше, чем в теплый сезон, но при этом велика также и повторяемость штилей и слабых ветров (V < 3 м/с). В теплый сезон наиболее выражена повторяемость умеренных ветров со скоростью 3÷7 м/с.

Оценки годового хода векторов средней скорости и параметров эллипсов СКО (рис. 7 б) подтверждают сделанное выше заключение о том, что в холодный сезон средняя скорость направлена с ЮЮЗ на ССВ, а в теплый сезон в противоположном направлении. При этом увеличение модуля средней скорости в холодный сезон по сравнению с теплым в значительной степени обусловлено большей изменчивостью направления скорости ветра в теплый сезон. Направление и модуль СКО, как следует из таблицы 9, более устойчивы в течение года. Однако и в этих характеристиках наблюдается годовой ход, проявляющейся в зимнем усилении изменчивости. Инвариант I1 в холодный сезон составляет от 5.5 до 6.2 м/с, а в теплый – от 3.9 до 5.1 м/с. Форма эллипса СКО в течение года также изменяется. В холодный сезон он вытянут и ориентирован примерно в направлении среднего переноса, а в теплый сезон становится близким к окружности.

Рис. 7. Годовой ход роз повторяемости скорости ветра (а), совмещённых векторов среднего переноса и эллипсов рассеяния (б) и квантильных диаграмм (в)

Изменчивость модуля средней скорости ветра, как векторной величины, обусловлена не только его усилением или ослаблением, но и изменчивостью по направлению. Одной из характеристик вклада последней в общую дисперсию является отношение v =DV/I1. Как следует из таблицы 9, в холодный сезон v =0.70–0.75, а в теплый сезон v =0.25–0.30, что подтверждает вывод о том, что летом относительная роль изменчивости по направлению в величине модуля средней скорости ветра возрастает. Подчеркнем, что сильные и штормовые ветры сосредоточены в относительно узком секторе – от Ю до З, причем штормовые ветры (более 25–30 м/с) – только в ЮЮЗ – ЮЗ секторах. Самые сильные ветры (до 40 м/с) наблюдаются зимой.

Таблица 9. Годовой ход модуля скорости ветра, вектора средней скорости ветра, инварианты тензора СКО по среднесуточным данным, вектора максимальной скорости ветра по срочным данным и параметры векторного тренда по среднемесячным данным

Выше были представлены средние климатические значения основных метеорологических параметров и статистические характеристики изменчивости для всего периода измерений. Рассмотрим теперь их межгодовую изменчивость. На рис. 8 приведены графики изменений среднемесячных значений Т, Р и N и их аппроксимации линейными трендами, годовой ход коэффициентов трендов (б) и их вклад в общую дисперсию (в).

Как видно из рис. 8, для Т и Р знак коэффициента линейного тренда изменяется от месяца к месяцу, во все месяцы тренд слабый, незначимый на 95 % уровне значимости, и объясняет не более 4–6 % общей дисперсии. Следует особо отметить ярко выраженные, значимые в зимний и летний сезоны, тренды балла общей облачности, положительные зимой и отрицательные летом и описывающие в эти сезоны до 30 % дисперсии. При этом согласованность знаков трендов Т и N (оба положительны зимой и имеют противоположные знаки летом) позволяет предположить, что влияние облачности на радиационный прогрев нижнего слоя атмосферы (уменьшение радиационного выхолаживания – зимой и увеличение инсоляции – летом) является одним из основных механизмов положительных трендов температуры воздуха в зимний и летний сезоны года.

Рис. 8. Долгопериодная изменчивость температуры воздуха, приземного давления и балла общей облачности в районе Тикси: а – изменчивость среднемесячных значений для января и июля и их аппроксимация линейными трендами; б – годовой ход коэффициентов тренда (положительный – 1, отрицательный – 2); в – дисперсионный вклад трендов в общую изменчивость МП (незначимый – 3, значимый на 95 % уровне значимости – 4)