Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,831

КВАНТИЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭКСТРЕМУМОВ ОСАДКОВ НА ЮГЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ

Ташилова А.А. 1
1 ФГБУ «Высокогорный геофизический институт»
В работе приводится анализ динамики сезонных и годовых экстремумов осадков на юге европейской части России (ЕЧР) на основе инструментальных данных 20 метеостанций за период с 1961 по 2018 г. Для выявления количества экстремальных значений осадков на юге России был применен квантильный анализ, определяющий высшие (выше порогового значения) и низшие (ниже порогового значения) значения осадков. По результатам квантильного анализа исследована динамика распределения их количества в базовый (1961-1990 гг.) и современный (1991-2018 гг.) периоды. По результатам исследования наиболее значительный рост экстремальных суточных максимумов с 1991 года имел место в степной и прикаспийской зонах, отличающихся засушливым климатом с наименьшим количеством годовых и сезонных сумм осадков (особенно в прикаспийской зоне). Все полученные экстремальные осадки превышали верхнюю границу нормы (высшие экстремумы), за исключением двух случаев, когда были низшие экстремумы: весенние суммы осадков в 2003 г. на предгорной м/станции «Ставрополь» и летние суммы осадков в 1998 г. в Терсколе (высокогорье). Получено, что во всех климатических зонах юга европейской части России наблюдался рост количества экстремальных сумм осадков с 37 % в базовый период до 63 % в современный период и рост количества экстремальных суточных максимумов с 42 % до 58 %. Получено, что количество высших экстремумов сумм осадков и суточных максимумов на юге ЕЧР увеличилось примерно в 1,5 раза в современный период.
сумма осадков
суточный максимум осадков
климатический экстремум
квантильный анализ
высшие экстремумы
низшие экстремумы
1. Климатическая доктрина Российской Федерации от 17.12.2009 г. № 861-рп. [Электронный ресурс]. URL: http://www.kremlin.ru/acts/6365 (дата обращения: 22.10.2021).
2. IPCC, 2014: Appendix II: Glossary [Mack, C.J., C. Planton and C. von Stechow (editors)]. In: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Main Authors: R.K. Pachauri and L.A. Meyer (Editors)]. IPCC, Geneva, Switzerland, 2014. P. 133–148.
3. Алешина М.А., Семенов В.А., Чернокульский А.В. Роль глобальных и региональных факторов в изменении экстремальности летних осадков на Черноморском побережье Кавказа по результатам экспериментов с моделью климата // Фундаментальная и прикладная климатология. 2019. Т. 3. С. 59–75.
4. Базелюк А.А. Опасные гидрометеорологические явления на юге европейской территории России // Природные и социальные риски в береговой зоне Черного и Азовского морей. М.: Триумф, 2012. С. 33–41.
5. Ташилова А.А. Статистические оценки частотного распределения «базовой триады» осадков на юге России // Доклады Адыгской (Черкесской) Международной Академии Наук. 2020. № 2. С. 47–57.
6. Meredith E.P., Semenov V.A., Maraun D., Park W., Chernokulsky A.V. Crucial role of Black Sea warming in amplifying the 2012 Krymsk precipitation extreme. Nature Geoscience. Nature Publishing Group (United Kingdom). 2015. Vol. 8. No. 8. P. 615–619.
7. Zolina O.G., Kapala A., Simmer C., Gulev S.K. Analysis of extreme precipitations over Europe from different reanalyses: a comparative assessment. Global and Planetary Change. 2007. Vol. 44. P. 129–161.
8. IPCC, 2012. Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation, Edition: Chapter 3 Changes in climate extremes and their impacts on the natural physical environment, Publisher: Cambridge University Press. The Edinburgh Building, Shaftesbury Road, Cambridge CB2 8RU ENGLAND.Editors: Field C.B., Barros V., Stocker T.F., Qin D., Dokken D.J., Ebi K.L., Mastrandrea M.D., Mach K.J., Plattner G.-K., Allen S.K., Tignor M., and Midgley P.M. 2012. 582 р.
9. Pendergrass A.G. What precipitation is extreme? Science. 2018. Vol. 360. No. 6393. P. 1072–1073.
10. Пшихачева И.Н. Сравнительный комплексный анализ и прогноз режима осадков в различных климатических зонах юга России: дис. … канд. физ.-мат. наук. Нальчик, 2014. 219 с.

В «Климатической доктрине Российской Федерации» говорится, что изменение климата является одной из важнейших международных проблем XXI века, выходящих за рамки научной проблемы [1]. Следствием изменения климата становятся экстремальные явления, которые можно обнаружить по изменениям в распределении рядов и частоте их появления [2]. Современные климатические изменения проявляются, помимо изменений средних величин (медленное изменение), в резком изменении частоты и интенсивности экстремальных климатических событий как температуры, так и осадков, приводящих к засухам или наводнениям [3–5]. За последние 7 лет на территории юга России произошло несколько катастрофических наводнений. В работе [6] авторы на основе данных метеонаблюдений Средиземноморья и Причерноморья за последние 30–40 лет и при помощи составленной ими климатической модели пришли к выводу о том, как глобальное потепление и стабильный рост температур воздуха и морской воды влияли на региональный климат. Дестабилизация системы ветров над Черным морем летом 2012 г. и особое стечение других климатических факторов привели в тот сезон к тому, что уровень осадков на юго-восточном Черноморье вырос на 300 %, то есть в три раза. Причиной этого было то, что теплая вода на поверхности моря заметно быстрее испаряется и увеличивает долю воды в атмосфере на очень большие значения – на 20 % и более. При определенных обстоятельствах они будут очень быстро подниматься в тропосферу, концентрироваться и выпадать в виде очень мощных локальных осадков.

Цель исследования – выявление экстремальных величин осадков на юге европейской части России и динамика распределения их количества.

Материалы и методы исследования

Для исследования изменения режима осадков были использованы данные 20 м/станций государственной наблюдательной сети Росгидромета, предоставленные Северо-Кавказским управлением гидрометеорологической службы (СК УГМС). Климатический экстремум – это достижение метеорологической или климатической переменной значения, которое выше (ниже) некоторого порога, близкого к верхнему (или нижнему) диапазону наблюдаемых значений переменной [2]. Как отмечено в [7], определение экстремальных осадков является очень сложной проблемой, так как это определение может быть различно для разных задач и для разных географических районов. В работе приводится анализ трех основных методологических подходов к их определению: 1) анализ абсолютных значений; 2) использование порогового квантиля, определяемого из функций плотности вероятности; и 3) анализ продолжительности периодов с непрерывными осадками. В работах [8; 9] встречаются и другие способы определения экстремальных осадков. Общие определения включают 99-й и 95-й процентили на все влажные дни (иногда встречается 90-й процентиль). При использовании менее экстремальных определений, таких как 90-й или 95-й процентиль, величина увеличения в ответ на потепление меньше, чем при более экстремальных определениях (Рendergrass, 2018), реагируя скорее как среднее количество осадков, чем как экстремальное [9].

Для исследования экстремальности рядов осадков в настоящей работе использовался квантильный метод, реализованный в статистической программе SPSS 21.0. Для получения экстремальных значений необходимо преобразовать исходный ряд x1, x2, x3,………..xi, xn в ранжированный ряд вида x1 > x2 >x3 > ………..xi> xn. Обозначим медиану (50 % квартиль) x50, значения 25 % и 75 % квартилей как x25 и x75, выбросы S1.5 и экстремумы S3.0.

Тогда аномальные элементы (выбросы ∆1.5, экстремумы ∆3.0) рассчитываются как

∆1.5 = 1,5х. от |x75 – x25| (1)

∆3.0 = 3,0х. от |x75 – x25| (2)

Для каждого значения выбросов и экстремумов рассчитывают пороговые значения

missing image file (3)

missing image file (4)

Результат примера расчета экстремумов осадков с помощью квантильного анализа представлен в табл. 1 и на рис. 1. Как видно, имеется один выброс, удовлетворяющий условию (3), для n = 12 (порядковый номер в ряде максимальных суточных). Экстремумы, удовлетворяющие условию (4), отсутствуют.

Таблица 1

Процентили

 

5 %

10 %

25 %

50 %

75 %

90 %

95 %

Максимальные суточные осадки, мм

5,6

6,0

8,0

11,0

16,0

19,8

23,0

missing image file

Рис. 1. Коробчатая диаграмма

Значения осадков, превышающие верхний порог, назовем «верхними» экстремумами, их количество обозначим nUExtr (upper-extremes), а значения ниже нижнего порога – «нижними» экстремумами, соответственно nLExtr (lowest-extremes) – количество «нижних» сезонных и годовых экстремумов, то есть число дней со значениями осадков (выбросы, экстремумы) ниже рассчитанного порогового значения для данного ряда. В «Резюме МГЭИК» (2014) [1] рекомендовано определять пороговые значения экстремальных температур для каждого сезона как 5-й и 95-й процентили для полной выборки суток этого сезона. Вычисления экстремумов по квантилям и процентилям показали идентичность результатов.

Результаты исследования и их обсуждение

По результатам квантильного анализа были выявлены высшие экстремумы осадков и проведена их систематизация по сезонам, климатическим зонам и подпериодам исследования. Динамика количества экстремумов осадков в различных климатических зонах юга ЕЧР представлена на рис. 2 и в табл. 2. Из табл. 2 следует, что при сравнении зимнего и осеннего сезонов 1961–1990 гг. и 1991–2018 гг. имел место значительный рост количества высших экстремумов сумм осадков (25 % : 75 % зимой и 34 % : 66 % осенью). Вклад в полученное соотношение внесли экстремумы сумм осадков равнинной (40 % : 60 % зимой и 38 % : 62 % осенью), предгорной (29 % : 71 % зимой и 33 % : 67 % осенью) и горной (0 : 100 % зимой и 25 % : 75 % осенью) зон. В весенний сезон соотношение количества экстремумов сумм осадков в базовый и современный периоды оставалось постоянным (50 % : 50 %) во всех зонах. В летний сезон количество экстремальных сумм осадков в современный период незначительно снижалось (52 % : 47 %).

missing image file missing image file

missing image file missing image file

Рис. 2. Динамика изменения количества высших экстремумов осадков ( %) на юге ЕЧР, 1961–2018 гг.

Таблица 2

Динамика ( %) экстремумов сезонных сумм осадков и суточных максимумов

Климатические зоны

Количество экстремумов

сумм осадков, n ( %)

Количество экстремумов суточных

максимумов осадков, n ( %)

 

1961-1990 гг.

1991-2018 гг.

1961-1990 гг.

1991-2018 гг.

 

зима

I. Равнина, из них:

Причерноморье

степная

Прикаспий

4 (40 %)

1

1

2

6 (60 %)

0

2

4

8 (40 %)

1

4

3

12 (60 %)

1

2

9

II. Предгорье

2 (29 %)

5 (71 %)

4 (67 %)

2 (33 %)

III. Горная

0 (0 %)

7 (100 %)

1 (50 %)

1 (50 %)

По всем зонам

6 (25 %)

18 (75 %)

13 (47 %)

15 (53 %)

 

весна

I. Равнина, из них:

Причерноморье

степная

Прикаспий

2 (33 %)

0

0

2

4 (67 %)

0

2

2

14 (52 %)

1

7

6

13 (48 %)

1

7

5

II. Предгорье

1 (100 %)

0 (0 %)

6 (60 %)

4 (40 %)

III. Горная

1 (100 %)

0 (0 %)

3 (43 %)

4 (57 %)

По всем зонам

4 (50 %)

4 (50 %)

23 (52 %)

21 (48 %)

 

лето

I. Равнина, из них:

Причерноморье

степная

Прикаспий

5 (50 %)

1

2

2

5 (50 %)

0

3

2

14 (44 %)

1

5

8

18 (56 %)

1

8

9

II. Предгорье

3 (60 %)

2 (40 %)

2 (20 %)

8 (80 %)

III. Горная

0 (0 %)

0 (0 %)

2 (50 %)

2 (50 %)

По всем зонам

8 (53 %)

7 (47 %)

18 (39 %)

28 (61 %)

 

осень

I. Равнина, из них:

Причерноморье

степная

Прикаспий

6 (38 %)

1

1

4

10 (62 %)

0

7

3

9 (26 %)

0

6

3

25 (74 %)

0

18

7

II. Предгорье

3 (33 %)

6 (67 %)

6 (55 %)

5 (45 %)

III. Горная

1 (25 %)

3 (75 %)

0 (0 %)

0 (0 %)

По всем зонам

10 (34 %)

19 (66 %)

15 (31 %)

30 (69 %)

 

год

I. Равнина, из них:

Причерноморье

степная

Прикаспий

17 (41 %)

3 (100 %)

4 (22 %)

10 (43 %)

24 (59 %)

0 (0 %)

14 (78 %)

13 (57 %)

45 (40 %)

3 (50 %)

22 (39 %)

20 (33 %)

68 (60 %)

3 (50 %)

35 (61 %)

41 (67 %)

II. Предгорье

9 (41 %)

13 (59 %)

18 (49 %)

19 (51 %)

III. Горная

2 (15 %)

11 (85 %)

6 (46 %)

7 (54 %)

Все зоны юга ЕЧР

28 (37 %)

48 (63 %)

69 (42 %)

94 (58 %)

missing image file

 

missing image file

Сумма осадков,

1961–1990/

1991–2018 гг.

missing image file

Суточный максимум осадков,

1961–1990/

1991–2018 гг.

Рис. 3. Динамика ( %) высших экстремумов сезонных осадков на юге ЕЧР

В причерноморской зоне (Сочи) наблюдалась тенденция уменьшения экстремумов сумм осадков и сохранение количества суточных максимумов. В летний сезон наиболее катастрофичными были ливневые осадки с суточным максимумом 245 мм в августе 1971 года, 136 мм в июне 1988 г., 162 мм в июне 1997 г. и 114 мм в июне 2015 г. (среднее за 1961–2018 гг. 72 мм). В осенний сезон все осадки с суточным максимумом > 140 мм имели место в сентябре разных лет: 1975 г., 1989 г., 2009 г. (среднее за 1961–2018 гг. 73 мм).

В работе [10] отмечено, что в 2003 году в Ставрополе (предгорье) был выявлен нижний экстремум суммы осадков, чье значение меньше нижнего порога ≤ 23 мм (весенний сезон). В 2003 г. весенняя сумма осадков составила 23 мм (март – 2 мм, апрель – 17 мм, май – 4 мм), что значительно меньше среднего значения суммы осадков 147 мм, а также климатической нормы 141 мм, что характеризует эту весну как экстремально засушливую.

В горной зоне основной вклад в увеличение количества экстремумов сумм осадков внесли зимние (0 % : 100 %) и осенние (25 % : 75 %) сезоны, количество экстремумов суточных максимумов не изменилось в современный период по сравнению с базовым.

Все высшие экстремальные значения сумм осадков высокогорной станции Терскол (с превышением порогового значения) распределены равномерно по всем сезонам: по 2 зимой (>445 мм в 1963 г., 1987 г.), весной (>426 мм в 2004 г., 2005 г.), летом (>437 мм в 1967 г., 1996 г.), и 3 – осенью (>470 мм в 1972 г., 1989 г., 1992 г.). Имеется 1 низший экстремум сумм осадков со значением ниже порогового <141 мм летом 1998 г. (июнь – 56 мм, июль – 61 мм, август – 24 мм) при климатической норме N = 302 мм.

Годовое количество экстремумов сумм осадков выросло: в степной зоне с 22 % до 78 %, в прикаспийской зоне с 43 % до 57 %. Количество экстремумов суточных максимумов также возросло: с 39 % до 61 % (степная зона), с 33 % до 67 % (прикаспийская зона). По результатам нашего исследования, наиболее значительный рост экстремальных суточных максимумов имел место в степной и прикаспийской зонах, отличающихся засушливым климатом с наименьшим количеством годовых и сезонных сумм осадков (особенно в прикаспийской зоне). Возможно, это объясняется изменением направления движения циклонических воздушных масс, приносящих осадки в прикаспийскую зону, с горизонтального переноса воздушных масс на вертикальный перенос, преобладающий в регионах.

Из результатов исследования динамики экстремумов осадков по сезонам (рис. 3) следует, что на юге ЕЧР в осенний сезон в современный период 1991–2018 гг. по сравнению с базовым 1961–1990 гг. выросло как количество экстремальных сумм осадков (34 % : 66 %), так и суточных максимумов (31 % : 69 %). В зимний сезон увеличилось количество экстремальных сумм осадков (без экстремумов суточных максимумов), а в летний сезон – количество экстремальных суточных максимумов. В весенний сезон на территории юга ЕЧР соотношение количества сумм осадков в базовый и современный периоды оставалось постоянным.

Заключение

Таким образом, все полученные экстремальные осадки превышали верхнюю границу нормы (высшие экстремумы), за исключением двух случаев, когда экстремумы были ниже порогового значения (низшие экстремумы): весенние суммы осадков в 2003 г. на предгорной м/станции «Ставрополь» и летние суммы осадков в 1998 г. в Терсколе (высокогорье).

При сравнении зимнего и осеннего сезонов 1961–1990 гг. и 1991–2018 гг. на юге ЕЧР имел место значительный рост количества высших экстремумов сумм осадков (25 % : 75 % зимой и 34 % : 66 % осенью). В весенний сезон соотношение количества экстремумов сумм осадков в базовый и современный периоды оставалось постоянным (50 % : 50 %) во всех зонах. В летний сезон произошло незначимое уменьшение количества экстремальных сумм осадков с 53 % до 47 %, что на фоне статистически значимого роста средних летних температур (0,47 °/10 лет) может создать условия для засухи на юге ЕЧР.

В целом за год наблюдался рост количества экстремальных сумм осадков с 37 % в базовый период до 63 % в современный период и рост количества экстремальных суточных максимумов с 42 % до 58 %. Таким образом, количество высших экстремумов сумм осадков и суточных максимумов на юге ЕЧР увеличилось примерно в 1,5 раза в современный период по сравнению с базовым.


Библиографическая ссылка

Ташилова А.А. КВАНТИЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭКСТРЕМУМОВ ОСАДКОВ НА ЮГЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 11. – С. 138-143;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37725 (дата обращения: 08.02.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685