Анализ статистических характеристик климатических параметров в Центральном Казахстане, в Акмолинской области

Средние месячные температуры воздуха яв­ляются одной из основных характеристик тер­мического режима. В работе были исследованы средние месячные температуры по 6-ти стан­циям Акмолинской области: Акколь, Астана, Бирлик, Ерейментау, Есиль, Кокшетау. В работе были рассчитаны средние многолетние значе­ния, характеристики вариации и характеристики отклонений распределений от нормального, т.е. коэффициенты асимметрии (As) и эксцесса (Ex) средних месячных температур для рядов разной длины. Среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации рассчитывались по из­вестным формулам.

Как и следовало ожидать, самым холодным месяцем является январь, а самым теплым -июль. На станции Ерейментау минимум тем­пературы приходится на февраль. Возможно, различие в среднемесячных температурах об­условлено тем, что Ерейментау расположен в межгорной котловине, где зимой накапливается холодный воздух.

Годовой ход средних месячных температур на перечисленных метеорологических станциях обычен и одинаков, за исключением Ерейментау.

Повышение средней многолетней темпера­туры от января к февралю повсеместно незначи­тельное, поскольку циркуляционные и радиаци­онные условия этих месяцев близки между со­бой. От февраля к марту с увеличением прихода солнечной радиации отмечается заметное повы­шение температуры воздуха. Характерным для апреля является наибольшее в году повышение температуры, что вызвано сменой отрицатель­ного радиационного баланса на положительный [1]. Переход через 0° на всех станциях происхо­дит в апреле, наиболее теплый июль характерен для станции Бирлик (21,8°). Переход через 0° в сторону похолодания происходит в ноябре. Наи­более низкая среднемесячная температура в де­кабре на станции Акколь (-14,0°С ), а в январе - на станции Астана (-16,7°С ). В работе были рассчитаны средние месячные температуры для разных периодов, включительно до 2000 г. При сравнении температур, приведенных в клима­тическом справочнике, где период наблюдений был выбран с 1951 по 1980 гг., и вычисленных, можно заметить, что два ряда имеют некоторые отличия (таб. 1). На всех станциях (Акколь, Аста­на, Бирлик, Кокшетау) годовая температура уве­личилась на 0,4-0,5°С. Показания температуры холодного периода во всех населенных пунктах выше в среднем на 0,5°С , а в теплый период -на 0,)°С. по сравнению с рядом, приведенным в климатическом справочнике [2].

К числу основных показателей режима тем­пературы воздуха следует отнести величину го­довой амплитуды среднемесячных температур, определяемой по разности между средними тем­пературами самого теплого и самого холодного месяцев года. Соответствующие данные дают нам представление о степени континентально-сти климата [1]. Наибольшей годовой амплиту­дой обладает станция Бирлик - )8,)^, наимень­шей - Ерейментау )5,2°С. На остальных четы­рех станциях: Акколь, Астана, Есиль, Кокшетау амплитуды, соответственно, равны )6,1°С, )7°С , )7,5°С , )5,5°С. А.С. Утешев [1] выделя­ет 7 типов по характеру годового распределения температуры воздуха. Согласно этим типам ис­следуемую нами территорию следует отнести к первому типу - холодная продолжительная зима и теплое влажное лето.

Самая низкая средняя месячная темпера­тура наблюдалась в Астане, Акколе, Бирлик, Ерейментау, Есиле, Кокшетау в январе 1969 г.: -)0,1^, - 29,8°С, - )0,1°С , - 29,4°С , - )0,)^, - 28,)°С. Самые высокие средние температуры в июле отмечались в 1965 г. в Акколе (2),5°С), Астане (24,2°С, Бирлик (25°С, Ерейментау (24|)°С), Есиле (24|)°С), Кокшетау (2)°С). На отдельных станциях в разные годы отмечались экстремальные среднемесячные температуры июля: Бирлик - 24,4°С (1951), 2),9°С (1952), 24,5°С (1974), 24,6°С (198)); Есиль - 24,2°С (1940), 24,1°С (1951), 24,6°С (1989); Кокшетау -28,2°С (1988), 25°С (1996).

Показатели вариации играют важную роль в статистическом анализе метеорологических элементов. Среднее квадратическое отклонение, называемое также основным, или стандартным, отклонением, вместе со средним значением дают полную количественную характеристику и характеризуют изменчивость. Среднее квадра-тическое отклонение показывает варьирование значений, в данном случае температур, вокруг центра распределений, т.е. средней арифмети­ческой. В отдельные годы месячные температу­ры воздуха могут резко отличаться от средней многолетней. Варьирование значений признака небольшое (рис. 1 и 2). В холодный период от­мечаются большие значения стандартного от­клонения, а в теплый - они варьируют меньше. Годовой ход средних квадратических отклоне­ний обратен годовому ходу средних месячных температур. Он почти одинаков на всех рассмо­тренных станциях: имеет минимум в теплую половину года (август) и максимум в холодную (январь). Несколько отличен годовой ход темпе­ратур на станции Бирлик: имеется второй макси­мум в марте (4,5°С).

Коэффициент вариации выражает изменчи­вость признаков в процентах или долях едини­цы. Его величина определяется отношением аб­солютных значений двух основных характери­стик вариационного ряда - средней арифмети­ческой и среднего квадратического отклонения. Он показывает, насколько рассеяние велико по сравнению с нормой (средним многолетним значением). При нормальном распределении коэффициент вариации обычно не превышает 45-50% и часто бывает гораздо ниже этого уров­ня. Рассеяние считается слабым, если Cv менее 20%. Следует заметить, что пики коэффициента вариации приходятся на срединные месяцы вес­ны и осени - переходные месяцы, т.е. изменчи­вость температуры в эти месяцы наибольшая. Годовой ход на всех станциях одинаков с мак­симумами в переходный период года (апрель, октябрь) (рис. )). Рассеяние превышает норму в апреле в Астане и в Акколе в октябре.

Анализ этих двух характеристик изменчи­вости показывает, что изменчивость средних месячных температур имеет сходный характер для всех рассмотренных станций Акмолинской области.

Казахстан относится к числу районов, недо­статочно обеспеченных осадками. Разнообразие климатических и орографических условий Ка­захстана обуславливают неравномерное распре­деление осадков по его территории.

А.С. Утешев [1] отмечает, что в степной зоне республики в среднем за год выпадает 250­300 мм осадков. Внутри степной зоны узкой полосой выделяются районы лесостепи и се­верные склоны Казахской складчатой страны с годовым количеством осадков 300-400 мм. Эта полоса вытянута примерно с севера на юг и сво­ей центральной частью проходит через Петро­павловск, Астану и Каркаралинск. Увеличение осадков в южной части степной зоны обуслав­ливается в основном обострением циклонов и фронтов в районе Казахского мелкосопочника. В распределении вида и количества осадков Казахстан имеет сезонный характер. Это об­условлено взаимодействием воздушных масс, поступающих из Арктики, с Атлантического океана и из Средней Азии. В холодный период из-за вторжения холодных и бедных влагой ар­ктических воздушных масс количество осадков невелико и изменяется в пределах 50-100 мм. А в теплый период барико-циркуляционные усло­вия благоприятствуют значительному выпаде­нию осадков. За теплый период в северной ча­сти равнинного Казахстана в среднем выпадает 200-275 мм.

Учитывая вышесказанное, следует отме­тить, что исследуемая нами территория под­чиняется общему распределению количества осадков. Количество осадков в Акмолинской области распределено по периодам неодинако­во (табл. 2).

Из таблицы 2 видно, что в Астане и Ерейментау выпадает больше 100 мм в холодный период, а в Бирлик и Есиле менее - 200 мм в теплый пе­риод.

В отдельные годы годовая сумма осадков была значительно меньшей, чем приведенная в климатическом справочнике [3]. Так, в 1951 г. ко­личество осадков составило всего 126 мм за год, в Акколе в 1937 г. - 143,3 мм, в Бирлик в 1995 г. - 106,1 мм, в Есиле в 1944 г. - 117,3 мм, в Кокшетау в 1949 г. - 158,2 мм.

Однако в некоторые годы осадков выпадает намного больше, чем в среднем за год. Обильны­ми осадками по Акмолинской области выделяют­ся Акколь - 541,4 мм (1960), Астана - 709 мм (1912), Ерейментау - 603,2 мм (1960), Есиль - 406,4 мм (1993), Кокшетау - 523,6 мм (1994).

Как отмечалось выше, по характеру внутри-годового распределения месячных осадков в Казахстане выделяются три типа. Акмолинская область относится к первому типу, где отмеча­ется выраженное преобладание летних осадков с максимумом в июле, причем весной осадков меньше, чем осенью. Годовой ход на всех стан­циях сходен. Наибольшее различие в количестве осадков характерно для июля, когда осадков вы­падает более всего (табл. 2).

Сравнивая средние месячные суммы осад­ков по климатическому справочнику (1951-1980 гг.) и по исследуемым значениям (от 46 до 109 лет), было обнаружено, что количество осадков в Астане увеличилось преимущественно в хо­лодный период. Годовое количество осадков за рассмотренный период в Астане на 30 мм боль­ше, чем приведенное значение в климатическом справочнике [3]. На станции Акколь годовое ко­личество осадков уменьшилось как за холодный, так и за теплый период и сократилось в среднем на 30 мм. На остальных станциях, т.е. в Бирли-ке и Кокшетау, сумма осадков тоже меньше, чем приведенная в климатическом справочнике [3] на 15 мм, причем это уменьшение наблюдается во все месяцы года.

Если годовой ход средних квадратических отклонений температур обратен годовому ходу средних месячных температур, то годовой ход среднего квадратического отклонения (рис. 4) аналогичен ходу месячных сумм осадков, т.е максимум приходится на июль (Акколь - 59,7 мм, Астана - 50,8 мм, Бирлик - 31,7 мм, Ерей-ментау - 66,6 мм, Есиль - 36,4 мм, Кокшетау -72,2 мм), минимум на месяцы холодного пери­ода года. Это согласуется с выводами, получен­ными ранее другими авторами [4-6]. Наряду со сходством присутствуют некоторые различия. К примеру в Астане суммы осадков значительно варьируют и в январе, и в феврале, и в марте, а в Ерейментау - в январе. Наибольшая измен­чивость отмечается в июле, когда наблюдается максимум осадков.

Для годового хода коэффициента вариации месячных сумм осадков характерен ярко вы­раженный максимум в Астане в феврале. На других станциях он разнообразен. В Акколе ни в одном из месяцев года разброс не превы­шает норму. C_v находится в пределах 0,5-0,7. Годовое значение не велико (0,2). Аналогич­ные значения характерны и для других стан­ций. Рассеяние превышает норму только на станции Астана зимой (февраль - 1,2). Для осредненных по площади осадков бывшей Це­линоградской (нынешней Акмолинской) обла­сти коэффициент вариации находится в тех же пределах [4].

Таким образом, режим осадков и их измен­чивость на рассмотренных станциях сходен.

В нормальном распределении соблюдается равенство между средней арифметической, ме­дианой и модой. При наличии асимметрии рас­пределения указанное равенство нарушается. Принято различать асимметрию правосторон­нюю, или положительную, и левостороннюю, или отрицательную.

При исследовании были подсчитаны коэф­фициенты асимметрии и эксцесса. Как известно, в первом приближении при значениях коэффи­циента асимметрии As<0,2 она считается не­значительной, при 0,2<As<0,5 - умеренной, при As>0,5 - сильной.

Коэффициенты асимметрии распределения средних месячных температур чаще незначи­тельные, т.е. <0,2, реже умеренные и только на станции Бирлик асимметрия сильная наблюдает­ся в марте, августе, в Кокшетау в июле. As=0 на станции Акколь в мае, в Астане - в мае, в Ерей­ментау - в июне, в Есиле - в сентябре, а в Кокше-тау - в мае, в сентябре.

Коэффициент эксцесса при распределении средних температур в Акмолинской области не превышает крайнего отрицательного значения -2, а положительные изменяются в пределах 0,1-6,7. Также имеются месяцы и периоды на различных станциях, когда Ex=0. Таким об­разом, в большинстве случаев распределение средних месячных температур близко к нор­мальному.

При распределении месячных сумм осадков асимметрия сильная, реже встречается умерен­ная. Совершенно симметричных распределе­ний нет. Отрицательный эксцесс не превышает предельной границы, положительные эксцессы варьируют от 0,1 до 14.

Анализ As и Ex указывает на то, что распре­деления месячных сумм осадков отличаются от нормального. Значения коэффициента асимме­трии во всех случаях положительны, что соот­ветствует исследованиям других авторов [4].

Для большей наглядности закономерности распределения метеорологических величин нами были построены гистограммы распределе­ния месячных сумм осадков и средних месячных температур на всех станциях за январь и июль.

Гистограммы распределения средних ме­сячных температур за январь на всех станци­ях имеют отрицательную асимметрию (лево­стороннюю) (рис. 5), на станциях Астана и Есиль - двумодальные. Чаще на всей иссле­дуемой территории повторяются темпера­туры в пределах -16 - (-18)°С. Гистограммы температуры июля близки к нормальному распределению (рис. 6). На станциях Бирлик, Кокшетау гистограммы двумодальные. Число повторений температур со значением в преде­лах 20-21°С наибольшее.

Гистограммы распределения месячных сумм осадков в Акмолинской области (рис. 7 и 8) име­ют положительную асимметрию (правосторон­нюю) как в январе, так и в июле. Наибольшая повторяемость осадков в январе характерна для градации 0-20 мм. Большие осадки зимой вы­падают редко. В июле повторяемость на каждой станции разная, это обусловлено местными ус­ловиями территории, но распределение везде одинаково - длинный правый «хвост», т.е. отме­чается положительная асимметрия.

Таким образом, анализ гистограмм показы­вает, что некоторые значения среднемесячной температуры и большинство месячных сумм осадков требуют нормализации.

Для выявления многолетних тенденций в из­менении климатических параметров: температу­ры и количества осадков ряды наблюдений ап­проксимировались линейной функцией, т.е. были построены линейные тренды. Анализ линейных трендов временного хода годовых температур по­казал, что их рост наблюдается повсеместно.

Однако увеличение незначительное, в сред­нем на всей исследуемой территории на 0,2° за 10 лет. Рост годовых температур отмечается больше на фоне температур холодного периода (на 0,3° за 10 лет), теплое полугодие характери­зуется увеличением температур в среднем так­же на 0,2° за 10 лет. Кроме того, были изучены временные ходы среднемесячных температур срединных месяцев сезонов. Наибольший рост наблюдается в январе и октябре. Помимо это­го, анализировались линейные тренды за 1971­2000 гг. Тренды за этот период положительные, рост составляет в среднем 0,3° за 10 лет.

Аппроксимация временного хода годовых сумм осадков с помощью линейного тренда по­казала, что нет единой тенденции изменения за рассматриваемый период. Показано, что тренды количества осадков бывают как положительные, так и отрицательные. На пяти станциях Акколь, Бирлик, Ерейментау, Есиль, Кокшетау линейный тренд годовых сумм осадков положительный (рис. 9), т. е. наблюдается явное увеличение осад­ков, а в Астане тренд отрицательный, следова­тельно, за исследуемый период осадки имеют тенденцию к уменьшению. Распределение коли­чества осадков по сезонам демонстрируют уве­личение осадков. Зимой количество осадков рас­тет повсеместно, кроме Астаны. Весной осадки также увеличиваются, за исключением Астаны и Есиля. Летом и осенью тренды осадков поло­жительные, кроме Ерейментау, где тренд отри­цательный летом, а в Астане и Кокшетау - осе­нью. За период 1971-2000 гг. линейные тренды количества осадков изменяются иначе, чем за многолетний период. На станции Астана отмеча­ется рост сумм осадков, в Акколе - понижение. Следовательно, в целом в Акмолинской области количество осадков повышается.

Совместный анализ трендов температуры и количества осадков показал, что возможна связь между метеорологическими элементами как прямая, так и обратная. При сопоставлении временных ходов многолетних годовых значе­ний температуры и осадков выявлено, что для подавляющего большинства станций харак­терны положительные тренды осадков при по­ложительных трендах температуры. В Астане рост температуры сопровождается понижени­ем осадков. Можно сделать вывод, что на фоне роста температуры в Акмолинской области ко­личество осадков повышается. По сезонам рас­пределение температуры и осадков несколько иное. Зимой на всех станциях рост температуры сопровождается увеличением количества осад­ков, кроме Астаны, где отрицательный тренд осадков сохраняется.

Весной на 4 станциях положительным трен­дам температуры соответствуют положитель­ные тренды осадков, на 2 остальных станциях Есиль и Астана отрицательные тренды осад­ков на фоне роста температуры. Летом тренды температуры и осадков положительные, исклю­чение составляет Ерейментау, где повышение температуры сопровождается уменьшением осадков. Осенью в Акмолинской области трен­ды температуры положительные, которым со­ответствует увеличение осадков в Акколе, Бир-лик, Ерейментау, Есиле, а в Кокшетау и Астане - понижение осадков.

Совместный анализ трендов температуры и осадков за 1971-2000 гг. имеет иную картину. На фоне роста годовых температур на всех станци­ях увеличивается количество осадков, кроме Ак-коля, где тренд осадков отрицателен.

В результате анализа в работе были получе­ны следующие выводы:

1)  годовой ход среднемесячных температур на всех станциях обычный и одинаковый;

2)  вычисленные годовые значения темпера­туры выше, чем приведенные в климатическом справочнике; на станциях Акколь, Астана, Бир-лик, Кокшетау - на 0,4-0,5°, годовой ход средних квадратических отклонений месячных темпера­тур обратен годовому ходу температур; он поч­ти одинаков на всех станциях, за исключением станции Берлик; годовой ход коэффициента ва­риации температур на всех станциях совпадает; рассеяние в основном не превышает норму; 

3)   годовой ход месячных сумм осадков оди­наков на всей исследуемой территории с ярко выраженным максимумом в июле;

4)   годовой ход средних квадратических от­клонений месячных сумм осадков аналогичен годовому ходу осадков;

5)    коэффициенты асимметрии и эксцесса распределения среднемесячных температур не превышают критические; распределение близко к нормальному;

6)  коэффициенты асимметрии и эксцесса ме­сячных сумм осадков показали, что их распре­деление отличается от нормального, оно имеет положительную асимметрию;

7)  данные температуры для некоторых стан­ций Акмолинской области и осадков в большин­стве случаев требуют нормализации;

8)  для всех станций наблюдается рост годо­вых температур, наибольший рост отмечается в холодный период года;

9)  за последние 30 лет (1971-2000 гг.) в Акмо­линской области отмечается тенденция к увели­чению годового количества осадков, за исключе­нием станции Акколь;

10)  за период 1971-2000 гг. на фоне роста температур для большинства станций наблюдается рост осадков.

Литература

 1 Утешев А.С. Климат Казахстана. - Л.: Ги-дрометиздат, 1959. - С. 189-289.