ОЦЕНКА СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТОКООБРАЗУЮЩИХ ОСАДКОВ ДЛЯ РЕГИОНА ТАМБОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Аннотация: Статья посвящена оценке изменения климатических характеристик, а именно повторяемости экстремальных осадков в теплый период в центральном регионе Тамбовской области. Были проанализированы ряды суточных наблюдений за 80 лет по метеостанции города Тамбов. Для оценки изменений использованы специальные статистические методы, практикуемые в гидрометеорологии и климатологии. Полученные результаты свидетельствуют о повышении частоты появления опасных суточных дождевых осадков в регионе за последние десятилетия.

Выпуск: №3 / 2018 (июль — сентябрь)

УДК: 504.37 (470.326)

Автор(ы): Ильинич Виталий Витальевич
кандидат технических наук, профессор, кафедра метеорологии и климатологии, Российский государственный аграрный университет–Московская сельскохозяйственная академия им. К. А.Тимирязева, г. Москва

Белолюбцев Александр Иванович
доктор сельскохозяйственных наук, профессор, кафедра метеорологии и климатологии, Российский государственный аграрный университет–Московская сельскохозяйственная академия им. К.А.Тимирязева, г. Москва

Анохин Дмитрий Евгеньевич
студент, кафедра метеорологии и климатологии, Российский государственный аграрный университет–Московская сельскохозяйственная академия А им. К.А.Тимирязева, г. Москва

Береснева Елена Викторовна
студентка, кафедра метеорологии и климатологии, Российский государственный аграрный университет–Московская сельскохозяйственная академия им. К.А.Тимирязева, г. Москва

Страна: Россия

Библиографическое описание статьи для цитирования: Оценка статистических характеристик стокообразующих осадков для региона Тамбовской области [Электронный ресурс] / В. В. Ильинич, А. И. Белолюбцев, Д. Е. Анохин, Е. В. Береснева // Современные проблемы территориального развития : электрон. журн. – 2018. – № 3. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования: Pentium III, процессор с тактовой частотой 800 МГц; 128 Мб; 10 Мб; Windows XP/Vista/7/8/10; Acrobat 6 х.

 

Введение

Во многих современных исследованиях [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10] было продемонстрировано увеличение как экстремальных осадков, так и частоты их появления за последние десятилетия. Соответственно, была выдвинута гипотеза об их увеличении в связи с общим потеплением климата, поскольку теплый воздух потенциально может содержать большее количество влаги, которая, концентрируясь, способствует более интенсивным штормовым дождям. Представленная гипотеза требует подтверждения практически к каждому конкретному региону на базе длительных рядов наблюдений за суточными осадками и температурой воздуха.

Максимальные суточные осадки с заданной вероятностью превышения входят во многие формулы и математические модели для расчетов максимального стока, который в свою очередь определяет масштабы гидротехнических сооружений, степень затопления территории катастрофическими паводками, степень эрозионных процессов и т.д. Таким образом, в качестве  основной цели настоящего исследования выбрана задача проверки обозначенной научной гипотезы в отношении изменения вероятностных характеристик экстремальных осадков для условий черноземной зоны РФ.

В соответствии с основной целью, решались следующие задачи:

  • Сформировать временные ряды наблюдений для вычисления статистических характеристик суточных осадков и температуры за вегетационный период относительно конкретного пункта;
  • Оценить тенденции температуры воздуха за вегетационный период в многолетнем разрезе;
  • Исследовать и уточнить различные статистические характеристики наблюдаемых атмосферных осадков;
  • Оценить частоту экстремальных суточных осадков в различных временных рядах наблюдений;

 

Объект исследования

Объектом исследования выбрана территория Тамбовской области, где черноземные почвы подвержены влиянию поверхностной водной эрозии за счет ливневых дождей. Черноземные почвы являются наиболее ценным типом почв, благодаря большому содержанию гумуса. Стоимость 1 кубического метра чернозема колеблется от 850 до 950 руб. Выпадение ливневых осадков вызывает смыв большого количества почвы, что приводит к снижению ее плодородия, а соответственно, и стоимости.

Тамбовская область расположена между 51°30´ и 54°00´ с. ш., 40° и 43°00´ в. д. в южной части Восточно-Европейской равнины. Область занимает центральную часть Окско-Донской низменности и входит в зону Центрально-Черноземного центра России. На северо-востоке в пределы области заходят западные отроги Керенско-Чембарской возвышенности. Там находятся наиболее высокие точки поверхности области, достигающие отметок в 210 м над уровнем моря. В долине р. Цна у северной границы области лежат наиболее низкие участки – 83 м над уровнем моря. Таким образом, рельеф этой области характерен значительными уклонами поверхности сельскохозяйственных полей, которые усугубляют степень водной эрозии.

Тамбовская область расположена в умеренном климатическом поясе в области умеренно континентального климата. Индекс континентальности для Тамбовской области по Л. Горчинскому в среднем равен 42. Среднее расстояние до Северного Ледовитого океана составляет 1800 км, до Атлантического – 3300 км.

Территория региона относится к зоне недостаточного увлажнения. Гидротермический коэффициент Селянинова в области в среднем составляет 0,95 – 1,10. Господствующей воздушной массой является континентальный умеренный воздух. Морской воздух умеренных широт поступает обычно в циклонах и приносится ветром западных направлений.

Данные наблюдений за осадками температурами взяты с метеорологической станции города Тамбов, который является представительным для достаточно точной оценки вероятностных характеристик осадков и температуры.

Известно, что количество осадков менее 10 мм/сут практически не приводят к поверхностному стоку даже на крутых склонах: выпавшие атмосферные осадки трансформируются в почвенную влагу, не вызывая при этом смыва почв. Количество осадков более 20 мм/сут не успевают просачиваться в почву, в результате чего возникает поверхностный сток, приводящий к смыву плодородного слоя почвы. Экстремальные осадки более 40 мм/сут вызывают существенную поверхностную эрозию почв.

 

Методы и материалы

Полный ряд исследуемых наблюдений состоял из 80 лет среднесуточных значений осадков. Подход к формированию статистического временного ряда экстремальных осадков имеет свои особенности, так как несколько катастрофических значений могут проявиться в течение одного календарного года, а в течение другого года значительных осадков наблюдаться не будет. Следует отметить, что у нас нет доказанных математических подходов для оценки вероятностных характеристик экстремальных осадков, потому что их формирование является сложным процессом. Поэтому мы не имеем возможности подобрать довольно объективный метод для формирования статистического ряда и соответствующего закона распределения случайных величин на данном этапе. Поэтому стоит вопрос о необходимости какой-либо новой гипотезы и более длительного ряда наблюдений за явлениями погоды. Тем не менее на современном этапе существующие нормативные документы по оценке максимального стока и эрозионных процессов предписывают определять вероятностные характеристики экстремальных осадков по статистическим рядам наблюдения, которые формируются исключительно по годовым максимумам суточных осадков.

Как указывалось выше, непродолжительные дожди со слоем осадков менее 20 мм не могут привести к значительному смыву почв. Таким образом, были сформированы три статистических ряда:

  • временной ряд 1 включает значения максимальных суточных осадков за каждый год (в сумме – 80 значений);
  • временной ряд 2 включает все значения, которые превышают суточное количество осадков со слоем 20 мм (общее количество значений – 176);
  • временной ряд 3 включает значения средних температур воздуха за вегетационный период.

На Рис. 1 представлен график изменения максимальных суточных осадков за годы наблюдений в хронологическом порядке по временному ряду 1. Линия тренда – практически «нулевая». Однако можно заметить, что за последние 40 лет наблюдалось 4 случая превышения катастрофически сильных суточных осадков – более 50 мм, в то время как в предыдущие 40 лет – таких случаев только два (оба в 1945 году).

Рис. 1. Хронологический график максимальных суточных осадков за годы временного ряда 1

Расчеты основных статистических характеристик проводились по статистическим рядам: для всех 80 лет, для первых 40 лет и вторых 40 лет. Для расчетов основных статистических характеристик был использован метод приближённого наибольшего правдоподобия [11,12,13,14], позволяющего наилучшим образом оценить степень асимметрии (коэффициент асимметрии Cs, и в частности соотношение между коэффициентами асимметрии и вариации Cs/Cv) в рамках трёхпараметрического закона распределения вероятностей случайных величин, который широко применяется в России относительно гидрометеорологических статистических рядов данных наблюдений. В результате расчета были получены основные статистические характеристики по статистическому ряду 1: к среднее значение экстремальных суточных осадков (Xo), коэффициент вариации (Сv) и коэффициент асимметрии Cs. Квантили распределения экстремальных суточных осадков (Xp=0,1%, Xp=1%, Xp=10%) были определены согласно выше названного закона распределения вероятностей.

Таблица 1. Основные статистические характеристики временных рядов

Годы наблюдений Статистические характеристики
Xo,мм Сv Cs/Cv Xp=0,1%, мм Xp=1%, мм Xp=10%, мм
1936 — 2015 (80 лет) 36,1 0,32 3 89,5 71,1 50,9
1936 — 1975 (40 лет) 37,0 0,32 2 84,8 67,0 51,8
1976 — 2015 (40 лет) 35,3 0,33 4,5 102,4 74,1 50,5

Результаты Табл. 1 позволяют сделать вывод об уменьшении максимальных суточных осадков для расчётных вероятностей превышения экстремальных суточных осадков в течение последних 40 лет. Однако средние значения, коэффициент вариации и значения Xp=10% примерно одинаковы.

Помимо представленных проведённых статистических расчётов также анализировались точки эмпирической вероятности превышения (Pэ) максимальных суточных осадков (Х, мм), которые определялись на основе использования известной формулы Вейбула:                                                              где m – порядковый номер значений в убывающем ряду, N – количество членов ряда.

Результаты представлены на Рис.2, откуда можно сделать выводы, что из 40 случаев в 28 точки эмпирической обеспеченности за последние 40 лет – не ниже         соответствующих точек предыдущих 40 лет. Более того самые экстремальные значения существенно выше значений соответствующих вероятностей превышения. Такой факт можно расценивать, как подтверждение гипотезы о повышении экстремальных осадков за последние десятилетия.

Рис. 2. Точки эмпирической вероятности превышения экстремальных суточных осадков за 40 лет по статистическому ряду 1, разделенному на два одинаковых периода.

Следует также заметить, что значение осадков вероятности превышения 10% с представленного графика не существенно различаются с соответствующими результатами Табл. 1. В то же время значения Xp=0,1% и Xp=1%, мм в принципе невозможно определить по приведённому на Рис.1 графику, что характерно для большинства метеостанций России, поскольку редкие метеостанции обладают ежесуточными корректными наблюдениями за период более 50 лет.

Для анализа повторяемости интенсивных стокообразующих осадков был использован статистический ряд 2 всех суточных осадков, наблюденных за весь период наблюдений, который также был разделен на 2 периода по 40 лет. По этим двум рядам определялась частота случаев превышения суточных осадков 20 мм, при которых гарантировано происходит чувствительный процесс водной эрозии практически на любых склонах. Гистограмма частоты таких случаев представлена на Рис. 3

Рис. 3. Число случаев более 20 мм

Аналогичная гистограмма была построена для случаев превышения суточных осадков 50 мм, при которых практически происходит наводнение прилегающих территорий, и имеется особая опасность для гидротехнических сооружений (плотины, мосты и т.п.). Результаты представлены на Рис. 4.

Рис. 4. Число случаев больше 50 мм

Из полученных гистограмм видно, что второй ряд последних десятилетий обладает большей частотой неблагоприятных и опасных суточных осадков. Таким образом, можно заключить, что и частота максимальных суточных осадков и их величины возросли в последние 40 лет по сравнению с предыдущими 40 годами. Такой факт может объясняться повышением температуры в вегетационный период, как за счет глобального потепления климата, так и за счет местных ландшафтных изменений подстилающей поверхности (увеличение селитебных площадей за счет увеличения доли асфальтированной территории и территории, находящиеся под крышами строений) в последние десятилетия. Для оценки изменения температуры воздуха в вегетационный сезон, когда осадки проявляются исключительно в виде дождей, построен график средних температур относительно этого сезона за период многолетних наблюдений (Рис. 5).

Рис. 5. Хронологический график среднесуточных температур по временному ряду 3

Из представленного графика очевиден положительный тренд температур, который свидетельствует о принятии гипотезы потепления местного климата в летний период. То есть условия для повышения абсолютной влажности воздуха и потенциального образования экстремальных осадков в последние десятилетия улучшились.

 

Выводы

  1. Проведённый статистический анализ данных наблюдений за максимальными суточными осадками подтверждает гипотезу о их повышении и увеличении частоты случаев опасных осадков за последние десятилетия.
  2. Для оценки водной эрозии от ливневых дождевых осадков нет необходимости определять максимальные суточные осадки вероятности превышения 1%, поскольку авария в случае противоэрозионных мероприятий не несёт за собой значительных финансовых потерь, а точность определения осадков такой вероятности превышения существенно уступает точности определения соответствующей характеристики вероятностью превышения 10%. Более того такую величину мо
  3. жно достаточно точно определять на основе точек эмпирической вероятности, поскольку на большинстве метеостанций России имеется не менее 30 лет ежесуточных наблюдений.

 

  

Список использованных источников 

 

  1. Изменение климата, 2013 г.: физическая научная основа [Электронный ресурс]. URL: http://climate2013.org/images/report/WG1AR5_SPM_brochure_ru.pdf
  2. Belchikhina V. V., Ilinich V. V., Asaulyak I. F., Belolubtsev A. I. Simulation of the precipitation scenarios on the river catchment with consideration of the climatic changes // 12th International Conference on Hydroinformatics (HIC 2016) – Smart Water for the Future. Procedia Engineering. 2016. Vol. 154. P. 665–669.
  3. Dore M. H. I. Climate Change and Changes in Global Precipitation Patterns: What Do We Know? // Environment International. 2005. No. 31. P. 1167–1181.
  4. Endalew G. J. Changes in the frequency and intensity of extremes over Northeast Africa // KNMI. 2007. No. 26. P. 46.
  5. Groisman P. Y., Knight R. W., Easterling T. R., Hegerl G. C., Razuvaev V.N. Trends in intense Precipitation in the Climate Record // Journal of Climate. 2005. No. 18. P. 1326–1350.
  6. Ilinich V. V. Evaluation of asymmetry for ranks of extreme hydrological values // 21 century: fundamental science and technology III. 2014. Vol. 3. P. 10–13.
  7. Ilinich V. V., Larina T. D. Evaluation of changes storm Precipitation during century for the modeling of floods // Sustainable Hydraulics in the Era of Global Change. London: Taylor & Francis Group, 2016. P. 928–934.
  8. Ilinich V., Akulova E., Belchihina V., Ponomarchuk K. Estimation of Statistical Characteristics for Storm Precipitation with Long-term Data to Assess Climate Change // Journal of Climate Change. 2016. Vol. 2, No. 2. P. 83–87.
  9. Sen Roy S. A spatial analysis of extreme hourly precipitation patterns in India // International journal of climatology. 2009. Vol. 29, Is. 3. P. 345–355.
  10. Wilks D. S. Inter annual variability and extreme-value characteristics of several stochastic daily precipitation models // Agricultural and Forest Meteorology. No. 93(3). P. 153–169.
  11. Дружинин В. С., Сикан А. В. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации: учеб. пособие. СПб.: Изд-во РГГМУ, 2001. 170 с.
  12. Определение основных расчетных гидрологических характеристик: Свод правил по проектированию и строительству СП 33–101–2003. М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. 70 с.
  13. Ильинич В. В. Оценка асимметрии в рамках трехпараметрического гамма-распределителя // Природообустройство. 2010. № 5. С. 71–75.
  14. Statistical methods in the Atmospheric Sciences. / Ed.: R. Dmowska, D. Hartman, H. T. Rossby // Inter. Geoph. Series. 2011. Vol. 1. Oxford, OX51GB, UK. 668 p.

 


 

Ilinich Vitaly

Doctor of technical Sciences, Professor, Department of meteorology and climatology, Russian state agrarian University – K. A. Timiryazev Moscow agricultural Academy, Moscow

 

Belolyubtsev Alexander

Doctor of agricultural Sciences, Professor, Department of meteorology and climatology, Russian state agrarian University – K. A. Timiryazev Moscow agricultural Academy, Moscow

 

Anokhin Dmitry

student, Russian state agrarian University – K. A. Timiryazev Moscow agricultural Academy, Moscow

 

Beresneva Elena

student, Russian state agrarian University – K. A. Timiryazev Moscow agricultural Academy, Moscow

  

ESTIMATION OF STATISTICAL CHARACTERISTICS OF RUNOFF-FORMING PRECIPITATION FOR TAMBOV REGION

 

The article is devoted to the assessment of changes in climatic characteristics, namely to the frequency of extreme precipitation in the warm period in the central area of the Tambov region. The series of daily observations of 80 years at the meteorological station of the city of Tambov were analyzed. To assess the changes, we used special statistical methods, which are practiced in Hydrometeorology and climatology. The results indicate an increase in the frequency of occurrence of serious daily rainfall in the region over the past decade.

 

Key words: climatic characteristics, climate change, runoff-forming precipitation, statistical characteristics, excess probability.

 

© АНО СНОЛД «Партнёр», 2018

© Ильинич В. В., 2018

© Белолюбцев А. И., 2018

© Анохин Д. Е., 2018

© Береснева Е. В., 2018