Текст книги "Метеорологические и геофизические исследования"

Несмотря на значительное внимание к изучению состояния вечной мерзлоты в Антарктике, которое ранее уделялось в рамках программах САЭ/РАЭ, систематические площадные измерения динамики деятельного слоя грунта начались только при выполнении проекта МПГ ANTPAS. Помимо измерения толщины деятельного слоя грунта в сезон 51 РАЭ выполнены градиентные измерения в приземном слое атмосфере и в поверхностном слое для оценки компонентов теплового и водного баланса мерзлых грунтов и оценки влияния растительного покрова на сезонное протаивание почвы. Показано, что реакция деятельного слоя на атмосферное потепление различна для разных форм антарктических ландшафтов. Измерены приземные концентрации парниковых газов (углекислого газа и метана) над геокриологическим полигоном.

В период сезонных работ 2008–2009 гг. измерения параметров мерзлоты кроме станции Беллинсгаузен проведены на полигонах в районах российских антарктических станций Новолазаревская (площадка А24) и Прогресс (площадка А23).

Таким образом, в период МПГ создана национальная стационарная геокриологическая сеть в Антарктиде как часть международной циркумполярной сети.

Выводы

Основные результаты рассмотренных выше работ в период МПГ 2007–2009 гг. сводятся к следующему:

– восстановлена российская циркумполярная сеть метеорологических измерений в Антарктике, состоящая из 8 станций. Начаты регулярные геокриологические наблюдения на трех станциях (Беллинсгаузен, Новолазаревская, Прогресс), прибрежные гидрологические и планктонологические наблюдения на острове Кинг Джордж, позволившие оценить воздействие текущего изменения климата на развитие местных экосистем;

– построен наиболее полный набор метеорологических данных отечественных и зарубежных антарктических станций, основанный на текущей синоптической информации, которая прошла единый контроль качества данных и впервые стала доступна для антарктического сообщества. Исторические и текущие данные российских антарктических станций размещены на Интернет-сайте ААНИИ (http://www.aari.aq) и обновляются ежедневно;

– выполнены оценки трендов климатических параметров Южной полярной области за период инструментальных наблюдений. Расчеты показали, что, несмотря на заметные проявления потепления в Западной Антарктике, метеорологический режим Антарктиды в целом характеризуется естественной изменчивостью атмосферных процессов;

– обнаруженный сигнал потепления в средней тропосфере Южной полярной области является наибольшим на планете и требует специального исследования. Один из максимумов сезонного тропосферного потепления зафиксирован на станции Беллинсгаузен, что обусловливает необходимость восстановления программы радиозондирования атмосферы на этой станции.

Успех метеорологических проектов SCAR READER и IPY COMPASS, объединивших национальные архивы стран-операторов в Антарктике, обусловил появление новых информационных ресурсов READER Ice, READER Ocean и READER Aerosol, что позволило существенно улучшить понимание формирования климатообразующих процессов в Антарктике и их влияния на глобальный климат.

Литература

Абакумов Е.В., Власов Д.Ю., Горбунов Г.А., Козерецкая И. А., Крыленков В.А., Лагун В.Е., Лукин В.В., Сафронова Е.В. Содержание и состав органического вещества литоземов острова Кинг-Джорж, Западная Антарктика // Вестник Санкт-Петербургского Университета. Серия 3, Биология. 2009. Вып. 2. С. 124–137.

Алдухов О.А., Лагун В.Е., Черных И.В., Яговкина С.В. Об изменении климата в тропосфере над Антарктическим полуостровом // Problemy Klimatologii Polarnej. Польша. 2006. T. 16. С. 7–22.

Воейков А.И. Шотландская южно-полярная экспедиция и температура к югу от Южно-Американского материка // Метеорологический вестник. 1906. № 10. C. 18–24.

Воейков А.И. Температура воздуха и солнечное сияние на Земле Южная Георгия // Известия АН. Сер. IV. 1910а. Т. 4. С. 34–42.

Воейков А.И. Метеорология. и климатология южно-полярных стран // Записки по гидрографии. 1910б. Вып. XXXII. C. 15–21.

Воейков А.И. Климат Магеллановых земель и западной Антарктиды // Метеорологический вестник. 1910 в. № 3. C. 77–78.

Данилов А.И., Лагун В.Е. Полярная метеорология (результаты работ за 2003–2006) // Известия РАН. Сер. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 44. № 4. С. 554–564

Данилов А.И., Лагун В.Е., Клепиков А.В., Катцов В.М., Вавулин С.В. Текущие изменения климата Антарктики и сценарии его будущих изменений // Арктика и Антарктика. Москва, Наука, 2003. Вып. 2 (36). С. 114–125.

Иванов Н.Е., Лагун В.Е., Луценко Э.И. Особенности климатического режима станции Русская (Западная Антарктида) // Проблемы Арктики и Антарктики. 2008. Вып. 3(80). С. 48–71.

Лагун В.Е., Иванов Н.Е., Яговкина С.В. К вопросу о потеплении в районе Антарктического полуострова // Problemy Klimatologii Polarnej. Польша. 2006. Т. 16. С. 23–45.

Лагун В.Е., Иванов Н.Е., Яговкина С.В. О режиме приземного ветра в Западной Антарктиде // Problemy Klimatologii Polarnej. Польша. 2007. Т. 17. С. 7–30.

Aldukhov O.A. Lagun V.E., Chernykh I.V. About Cloudiness Low Boundary over Antarctic Peninsula // Research activities in atmospheric and oceanic modelling. CAS/JSC Working Group on Numerical Experimentation Report (Ed. Ritchie H.). 2003. (www.cmc.ec.gc.ca/rpn/wgne/2003/ chapters/02.pdf).

Chernykh I.V., Alduchov O.A. Correlations of Cloudiness Parameters and Air Surface Temperature for Western, Eastern and Central Part of Antarctic / 9th IAMAS Beijing Scientific Assembly. 2005. Beijing. CD, F-5–F-6. (http://web.lasg.ac.cn/IAMAS2005/download.html).

http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter3.pdf

http://www.ncdc.noaa.gov/sotc?report=global&year=2009&month=13&submitted=Get+Report.

Jagovkina S.V., Lagun V.E. Climatology of Antarctic upper-air parameters // Polish Polar Studies. Gdynia. 2004. P. 131–142.

Kejna M. Trends of air temperature of the Antarctic during the period 1958–2000 // Polish Polar Research. 2003. V. 24, № 2. P. 99–126.

Kejna M., Lagun V. Comparison of the climate of the stations Arctowski and Bellingshausen (King George Island, South Shetland Islands) in the years 1977–1999 // Polish Polar Studies. Gdynia. 2004. P. 149–166.

Lagun V., Ivanov N., Jagovkina S. Antarctic Peninsula Warming. Event: Diagnosis and Possible Causes // MOCA-09, the IAMAS / IAPSO / IACS 2009 Joint Assembly. Montreal.19^th–29^th July 2009. (www.moca-09.org/f/documents/MOCA-09Program16w.pdf).

Marshall G.J. Trends in the Southern Annular Mode from Observations and Reanalyses // Journal of Climate. 2003. V. 16. P. 4134–4143.

Marshall G.J., Lagun V.E., Lachlan-Cope T.A. Changes in Antarctic Peninsula tropospheric temperatures from 1956–99: a synthesis of observations and reanalysis data // International Journal of Climatology. 2002. V. 22. № 2. P. 291–310.

Monaghan A.J., Bromwich D. H., Chapman W., Comiso J. C. Recent variability and trends of Antarctic near-surface temperature // J. Geophys. Res. 2008. V.113. (D04105, doi:10.1029/2007JD009094).

SCAR’s Antarctic Climate Change and the Environment (ACCE) Review Report. 2009. (http://www.scar.org/treaty/atcmxxxii/Atcm32_ip005_e.pdf).

Smith K.L. Jr., Glatts R.C., Baldwin R.J., Chereskin T.K., Ruhl H., Lagun V. Weather, ice, and snow conditions at Deception Island, Antarctica: long time-series photographic monitoring // Deep-Sea Research II (Topical Studies in Oceanography. Ecosystem studies at Deception Island, Antarctica, Edited by K.L. Smith, Jr.). 2003. Vol. 50. Issues 10–11. P. 1649–1664.

Turner J., Colwell S.R., Marshall J., Lachlan-Cope T., Carleton A.M., Jones P.D, Lagun V.E, Reid P.A., Jagovkina S. The SCAR READER project: Towards a high-quality data base of mean Antarctic meteorological observations // Journal of Climate. 2004. V. 17. №. 14. P. 2890–2898.

Turner J., Colwell S.R., Marshall J., Lachlan-Cope T., Carleton A.M., Jones P.D., Lagun V.E., Reid P.A., Iagovkina S. Antarctic climate change during the last 50 years // International Journal of Climatology. 2005. V. 25, № 2. P. 279–294.

Turner J., Lachlan-Cope T.A., Colwell S., Marshall G.J., Connolley W.M. Significant Warming of the Antarctic Winter Troposphere // Science. 2006. V. 311. № 5769. P. 1914–1917. (DOI: 10.1126/science.1121652).

A.I. Danilov, V.E. Lagun, A.V. Klepikov. Antarctic climate current changes (Arctic and Antarctic Research Institute, St-Petersburg, Russia)

Аbstract

The review of preliminary results of three large interdisciplinary clusters for South Polar area executed in International Polar Year (IPY) 2007–2009 is presented. These three are COMPASS (Comprehensive Meteorological dataset of active IPY Antarctic measurement phase for Scientific and applied Studies), CLICOPEN (impact of CLImate induced glacial melting on marine and terrestric COastal communities on a gradient along the Western Antarctic PENinsula) and ANTPAS (Antarctic Permafrost And Soils).

The outcome of the IPY COMPASS Project is the multiuser meteorological and aerological current data base of all Antarctic stations with longtime observations, which came to be available for Antarctic community for the first time. These data after applying of the quality control procedure, are used for dataware of climate investigations in Antarctica, for improving of regional numerical models and of reanalysis, and for applied investigations.

The warming impact on local ecosystems over Antarctic Peninsula area for last decades, indicated in decreasing of sea ice cover, in shortening of icy period and, as a consequence, in removing of sediments, in changes of salinity exchange and of sea water dissolved oxygen content, in changes of specific structure, of food chains and biota communities structure and so on became a subject of study in CLICOPEN cluster.

The outcome of The ANTPAS Project aimed at generalization of historical and current data about the distribution, the thickness, the age, the physical and geochemical properties of Antarctic and sub-Antarctic islands permafrost and soils is the creation of geocryological polygons National net.

The estimations of climate parameters trends for South Polar area for instrumental observation period with account of data obtained during IPY activity are executed. The results of calculations demonstrated that, in spite of remarkable Western Antarctic warming manifestations, the meteorological regime of Antarctic is characterized by atmospheric processes natural variability in whole.

А.П. Макштас[1]1
  Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия


[Закрыть], И.И. Большакова[2]2
  Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия


[Закрыть], Р.М. Гунн[3]3
  Якутское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Якутск, Россия


[Закрыть], О.Л. Жукова[4]4
  Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия


[Закрыть], Н.Е. Иванов[5]5
  Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия


[Закрыть], С.В. Шутилин[6]6
  Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия


[Закрыть]
Климат района Гидрометеорологической обсерватории Тикси

Аннотация

Приведено описание созданных в ААНИИ при участии Тиксинского Филиала Якутского УГМС электронных архивов всех доступных данных аэрологических, стандартных метеорологических и гидрологических наблюдений, выполненных на полярной станции Тикси с августа 1932 по декабрь 2007 года. Описаны методы анализа в диапазонах межгодовой изменчивости, годового хода, изменчивости синоптического масштаба и суточного хода. Выполнен статистический анализ характеристик долгопериодной изменчивости свободной атмосферы, приземного слоя и гидрологического режима района Гидрометеорологической обсерватории Тикси.

Введение

Метеорологическая станция Тикси была открыта в поселке «Полярка» 12 августа 1932 года. С момента ее основания на станции выполнялись четырехразовые, а с 1970 года – восьмиразовые измерения атмосферного давления; температуры и влажности воздуха; интенсивности выпадения осадков; высоты снежного покрова; продолжительности солнечного сияния; направления и скорости ветра и температуры поверхности почвы. Кроме этого визуально определялись дальность видимости, количество и формы облачности.

Аэрологические наблюдения на станции были начаты в 1935 году. С 1946 года радиозондирование на станции стало регулярным. Начиная с 1935 года использовались радиозонды РЗ-43 и РЗ-049, затем аэрологические комплексы «Малахит А-22» (1957–1975 гг.), «Метеорит –2» и зонды РКЗ-5 (1975–1988 г. г), «АВК-1» и зонды МРЗ-3 – с 1988 г. до сентября 2010 года, когда был задействован современный аэрологический комплекс МАРЛ-А. Таким образом, на метеорологической станции «Полярка» был получен практически непрерывный ряд данных зондирований атмосферы, который является одним из самых длинных в Арктике.

Морские гидрологические наблюдения на гидрометеорологической станции «Полярка» были начаты в 1932 году и продолжаются до настоящего времени. Данные о морфометрических характеристиках недеформированного льда и снега позволяют отслеживать таяние и нарастание ледяного покрова в течение года.

В настоящей статье приведены основные результаты исследований климатической системы региона, полученные на основе электронных архивов исторических данных, созданных в ААНИИ в сотрудничестве с сотрудниками Якутского УГМС в 2007–2009 годах. На рис. 1 приведен общий вид метеостанции Тикси до преобразования ее в Гидрометеорологическую обсерваторию (в августе 2010 года) и места проведения основных видов наблюдений.

Рис. 1. Общий вид метеостанции Тикси

Климат свободной атмосферы по данным аэрологических зондирований на полярной метеостанции Тикси

Создание сети полярных обсерваторий, одной из основных целей которой является исследование изменчивости климата полярных районов, подразумевает изучение состояния атмосферы региона в прошлом в сравнении с ее состоянием в настоящем, что особенно важно, учитывая радикальное изменение природных условий в Арктике в последние годы. В данном разделе приведено описание климата свободной атмосферы по данным аэрологических наблюдений, выполненных в 1959–2009 годах на полярной станции Тикси.

На протяжении более двадцати лет в ААНИИ осуществляется мониторинг климата свободной атмосферы полярных областей Земли на основе базы среднемесячных и срочных данных аэрологических зондирований, выполненных к северу от 60⁰ с.ш. Были созданы архивы, разработаны методы, технология и программные средства формирования и расширения базы статистик и их оценки. База статистик была сформирована по результатам обработки данных как срочных, так и среднемесячных (до 1978 года) аэрологических наблюдений. Использованные при ее формировании архивы создавались в разных институтах. Их формат, структура, а также перечень характеристик различны для разных периодов. Подробно структура архивов, их организация, методика обработки и программные средства описаны в работах (Александров, Майстрова 1995; Майстрова, 1981; Майстрова, 1986; Тьюрки, 1981). Методы контроля созданного архива приведены в работах (Алексеев, 1998; Белышев, Клеванцов, 1983).

В ходе разработки архива была проведена его адаптация, под которой подразумеваются все манипуляции, которые должны быть выполнены для формирования однородных рядов. Прежде всего, это изменения форматов и структуры объединяемых архивов. В данной работе среднемесячные статистики основных метеорологических параметров были рассчитаны по единой методике по данным срочных наблюдений из архивов AEROSTAN, AEROSTAB, CARDS, что обеспечило однородность анализируемых рядов данных. Ниже приведены результаты анализа межгодовой изменчивости нормированных на среднеквадратическое отклонение аномалий среднемесячных и среднесезонных температуры и удельной влажности воздуха на стандартных изобарических поверхностях.

Как видно из рис. 2, в тропосфере на уровнях от 925 гПа до 300 гПа в течение всего исследуемого периода наблюдалось чередование положительных и отрицательных аномалий температуры воздуха с периодичностью 2–3 года. Потепление тропосферы, начавшееся в 2000 году, было наименее ярко выражено в зимний период. Максимальные значения аномалии температуры (+3 σ) были отмечены зимой и весной в 1960–1961 годах в приземном слое и на уровне 925 гПа. Минимальные значения аномалии температуры (-3 σ) были отмечены зимой 1979 года в слое от земли до 400 гПа. Начиная с 2003 года, наблюдаются устойчивые положительные аномалии во всей толще тропосферы.

Рис. 2. Межгодовая изменчивость нормированных аномалий среднесезонной температуры воздуха по данным радиозондирования на стандартных изобарических поверхностях за 1959–2009 годы

Межгодовое изменение аномалий температуры в нижней стратосфере в основном находилось в противофазе с ходом аномалий температуры воздуха в тропосфере, особенно в весенне-летний период. Примерно до 1974 года в стратосфере отмечается преобладание положительных аномалий. Можно отметить максимальные значения аномалий температуры +3 σ летом 1967 и 1968 гг. Похолодание верхних слоев атмосферы отмечается весной, летом и осенью с начала 1980-х годов по настоящее время, зимой похолодание не выражено. Минимальные значения аномалии температуры (-3 σ) отмечены весной 1997 года в слое 250–30 гПа и осенью 2005 года в слое 300–100 гПа.

Результаты расчетов по сезонам и в целом за год средней многолетней температуры воздуха (S, °С), её линейного тренда (K, °С/год) и дисперсии (D, °С), выполненных по срочным данным на пятнадцати стандартных изобарических поверхностях, приведены в таблице 1. Как видно из таблицы, тенденция к потеплению в тропосфере прослеживается как в течение всего года, так и по отдельным сезонам. Значительная тенденция к потеплению может быть отмечена в зимний период в нижней стратосфере (30–10 гПа). Однако достоверность последних значений невелика, поскольку лишь небольшое количество радиозондов достигало этих высот из-за низкой температуры воздуха, что подтверждается и минимальным количеством лет, данные которых были использованы для анализа.

Таблица 1. Статистические характеристики температуры воздуха на стации Тикси за период 1959–2008 гг.

Примечание: заливкой отмечены положительные значения трендов, N – количество лет наблюдений, данные которых были использованы для анализа.

Тенденция к похолоданию прослеживается наиболее отчетливо в зимний и осенний периоды, до -0,05 °С/год, захватывая всю толщу верхней тропосферы и нижней стратосферы от 500 гПа до уровня 50 гПа. Такая же закономерность отмечается в осенний период и за год в целом от уровня 400 гПа до 10 гПа. Весной и летом тенденция к похолоданию отмечается только в стратосфере от 150 гПа до 10 гПа.

Долговременные тенденции изменений температуры воздуха представлены на рис. 3 значениями коэффициента линейного тренда за анализируемый период. Как видно из рис. 3, в тропосфере прослеживается слой с положительными трендами температуры. Наибольшие положительные тренды отмечены на уровне 850 гПа в зимний период. Четко обозначен переходный слой 500 гПа – 200 гПа с практически нулевыми трендами. Слой с отрицательными трендами, увеличивающимися с высотой от 300 гПа до 20 гПа, расположен в верхней тропосфере и стратосфере. Исключение составляет зимний период, когда на уровне 30–20 гПа отмечен существенный положительный тренд 0.14 °С/год.

Рис. 3. Тренды температуры воздуха в регионе Гидрометеорологической обсерватории Тикси за период 1959–2009 годы

Географическое распределение и сезонный ход удельной влажности воздуха, как известно, зависят от его температуры, особенностей горизонтального переноса воздушных масс и наличия вертикальных движений в тропосфере. По мере удаления от поверхности земли связь удельной влажности с термическим полем атмосферы усиливается. На рис. 4 представлены межгодовые изменения нормированных на среднеквадратическое отклонение аномалий удельной влажности воздуха, рассчитанных по данным для шести стандартных изобарических поверхностей. В целом они соответствуют изменению температуры в тропосфере (рис. 2), однако еще более ярко выражены.

Рис. 4. Межгодовая изменчивость нормированных аномалий среднесезонной удельной влажности воздуха на стандартных изобарических поверхностях на станции Тикси за период 1959–2009 гг.

При анализе межгодовых колебаний нормированных аномалий удельной влажности отмечается, главным образом, сходство в характере изменений год от года на уровнях от 850 гПа до 300 гПа и сохранение главных особенностей для различных сезонов. Несколько отличается характер межгодовой изменчивости нормированных аномалий у поверхности земли. Обращает внимание сохранение отрицательных аномалий в приземном слое атмосферы с 1959 г. до конца 1990-х годов и рост положительных аномалий с 2000 г. до 2009 г. Такой характер изменений удельной влажности у поверхности земли хорошо согласуется с аналогичными изменениями температуры воздуха. В слоях нижней и средней тропосферы прослеживается преобладание положительных аномалий удельной влажности вплоть до 1978 г., отрицательных аномалий до середины 1980-х годов и некоторая тенденция к увеличению числа положительных аномалий в последующий период, особенно на высоте 850 гПа летом. Наиболее крупные положительные аномалии наблюдались в период с 1961 по 1976 годы. Максимальные положительные аномалии (до +3 σ) отмечены на уровне 400 гПа в 1962 году. Наиболее значительные отрицательные аномалии удельной влажности (до -3 σ) отмечались зимой 1979 года в слое от поверхности земли до 500 гПа.

Результаты расчетов по сезонам и за год в целом средней многолетней удельной влажности (Q, г/кг), её линейного тренда (K, г/кг/год) и дисперсии (D, г/кг), выполненные по срочным данным на шести стандартных изобарических поверхностях в свободной атмосфере и в приземном слое воздуха за анализируемый период наблюдений, приведены в таблице 2. Как видно из таблицы, наиболее выраженные положительные тренды отмечаются в слое от земли до 925 гПа. При этом сами значения коэффициентов линейного тренда удельной влажности невелики. Максимальный тренд удельной влажности 0.004 г/кг/год отмечается на уровне 925 гПа зимой и летом. Весной и осенью положительные коэффициенты трендов удельной влажности отмечены только у земли, тогда как отрицательные тенденции – в тропосфере от 925 до 300 гПа.

Таблица 2. Статистические характеристики удельной влажности на стации Тикси за период 1959–2009 гг.

Примечание: заливкой отмечены положительные значения трендов, N – количество лет наблюдений, данные которых были использованы для анализа

Анализ данных аэрологических зондирований, выполненных на метеостанции Тикси в 1959–2009 годах, позволил выявить основные закономерности долговременных изменений температуры (до высоты 10 гПа) и удельной влажности воздуха (до высоты 300 гПа). Обе характеристики свободной атмосферы показали наличие слабого, но положительного тренда в нижней тропосфере, особенно явно выраженного в 2000-е годы. В то же время полученные результаты являются лишь качественным свидетельством наблюдаемого в последние годы потепления нижнего слоя атмосферы и похолодания верхней тропосферы и нижней стратосферы. Это обусловлено относительно небольшой длиной рядов наблюдений, имеющимися пропусками данных и частотой радиозондирований, не превышающей двух радиозондирований в сутки. Значительно больший объем информации как по количеству наблюдаемых параметров, так и по продолжительности, качеству и частоте наблюдений был получен на метеорологической станции Тикси в ходе выполнения стандартных метеорологических наблюдений. Результаты анализа этих наблюдений изложены в следующей части статьи.

Климат приземного слоя атмосферы района Гидрометеорологической обсерватории

Анализ климата района Тикси базируется на созданном в период МПГ электронном архиве данных срочных метеорологических наблюдений, основой которого послужили имеющиеся в Фондах ААНИИ и в архиве Тиксинского филиала ЯУГМС рукописные таблицы ТМ-1 и ТГМ-1, а также, начиная с 1970-х годов, электронные таблицы ТМС. Всего архив содержит данные срочных наблюдений за более чем 27 000 дней (864 месяца) с августа 1932 года по 31 декабря 2007 года. Статистический анализ был выполнен для следующих метеорологических параметров: температура воздуха на высоте 2 метра (Т), атмосферное давление на уровне моря (Р), абсолютная влажность воздуха (А), скорость ветра и балл общей облачности (N).

Полнота созданного архива может быть представлена следующими характеристиками. Количество месяцев с наличием данных менее чем за 25 дней составляет лишь 5 для Т и Р, 4 – для N, 3 – для . Количество месяцев с отдельными пропусками также не велико. Это означает, что в статистическом анализе не использованы данные лишь за 0.5 % от числа месяцев, содержащихся в архиве, отбракованные по такому жесткому критерию, как наличие информации за все 4 срока за 25 и более дней в каждом месяце. Количество пропусков больше только для А (22 месяца с данными менее, чем за 25 дней) и для N (по отдельным пропускам без нарушения критерия 25 дней).

Создание столь масштабного архива данных, содержащего более 1.23 миллиона значений метеорологических параметров, занесенных с бумажного носителя, часто низкого качества, с большим количеством исправлений, в принципе невозможно без ошибок. Для коррекции ошибок архива, состоящего из отдельных файлов для каждого календарного года, были созданы, с целью исключения влияния сезонного хода, отдельные файлы в формате EXEL для каждого календарного месяца за весь период наблюдений. Таким образом, было сформировано 12 файлов, которые и были подвергнуты процедуре коррекции.

На первом этапе с помощью графического представления данных в среде EXEL были выявлены и исключены грубые ошибки данных (типа 100 м/с вместо 10 м/с, 9999 гПа вместо 999 гПа и т. п.) для каждого параметра и каждого срока.

На втором этапе на рядах с исключенными грубыми выбросами был продолжен графический анализ сомнительных данных. Для этого график данных конкретного месяца и конкретного срока наблюдений был дополнен графиками значений за предыдущий и последующий сроки измерений. При этом были выявлены те выбросы, которые реальны и которые сомнительны (согласованность или постоянство в различные сроки).

Следует отметить, что перед выполнением первого этапа были оценены дисперсия, асимметрия и эксцесс (2, 3 и 4-й моменты распределения). Их неправдоподобно большие значения являлись первым признаком возможного наличия грубых ошибок. После выполнения первого этапа эти оценки были повторены по исправленным на этом этапе рядам.

После исключения выбросов в рядах, тем не менее, могли остаться ошибки, не выбивающиеся из реального диапазона изменчивости. Для их обнаружения был использован следующий алгоритм. По последовательности результатов измерений x_i, i=1,2,…,n рассчитывались ряды значений:

(1)

и их суммы:

(2)

Если δx_i > Дδ*, измерения с номерами i-1, i, i+1 считались сомнительными и проверялись по первоисточникам. Ряд (1) анализировался графически. При этом критическое значение Д задавалось равным 5.

Дополнительный контроль температур воздуха и почвы проводился по данным значений о максимальном и минимальном значениях параметра для данного дня. Для этого рассчитывался размах суточного хода по срочным данным а₁ и по данным максимального и минимального термометров а₂. Затем строились точечные диаграммы в координатах дата и а₁-а₂ и выявлялись дни с положительными значениями данного параметра. Следует отметить, что в ряде случаев размах суточного хода по срочным данным был больше, чем по измеренным минимальному и максимальному термометрам, что в ряде случаев было связано с ошибками в срочных значениях. Однако дополнительный анализ показал невысокую надежность данных о минимальной и максимальной температурах. Тем не менее, проведенный дополнительный контроль позволил выявить в архиве 72 ошибочных значения температур воздуха и почвы.

Таким образом, в результате пошаговой проверки был создан максимально возможно скорректированный архив данных стандартных метеорологических наблюдений, выполненных на метеорологической станции Тикси в 1932–2007 годах, позволяющий исследовать изменчивость климата района Гидрометеорологической обсерватории.

Статистический анализ изменчивости основных характеристик климата приземного слоя атмосферы и облачности был выполнен на основе моделей случайной величины и стационарного случайного процесса. Распределение дисперсии по диапазонам представлено оценками дисперсии данных годового, сезонного, месячного, суточного и срочного разрешения и оценками спектральной плотности в стационарном приближении S(ω). При этом дисперсию в полосе частот (ω₁, ω₂) определяет спектральная функция.

(3)

Особенности распределения вероятностей изменчивости основных метеоэлементов f(х) представлены таблицами повторяемости и оценками моментов – среднего значения m, дисперсии D, среднеквадратического отклонения (CKO) σ=D^0.5, асимметрии А, эксцесса Е и экстремумов X_min, X_max. Для анализа использованы также квантили распределения X_p: минимум X_min, нижняя квартиль X_0.25, медиана , верхняя квартиль X_0.75 и максимум Xmax, которые представлены графически в виде так называемого «ящика с усами» (Тьюни, 1986). Верхняя и нижняя крышки «ящика» задают положение квартилей X_0.25, X_0.75 и определяют область 50 % значений вокруг центра распределения. Положение медианы (линия внутри «ящика») относительно крышек определяет асимметрию без учёта аномальных значений. Верхний и нижний «усы» X_min– X_0.25, X_0.75—X_max определяют по 50 % наиболее сильных отрицательных и положительных аномалий X_0.25, X_0.75. Совместное представление годового хода «ящиков» по месяцам позволяет наглядно выявить основные особенности годового хода метеоэлементов с учётом роли синоптических процессов.

Для описания линейных трендов использована регрессионная модель, описанная, например, в работе (Дрейпер, Смит, 1986). Для более подробного описания годового хода среднемесячных значений, процессов синоптического масштаба и суточного хода использованы модели периодически коррелированного случайного процесса (ПКСП) и случайного импульсного процесса. Модель ПКСП позволяет в частности представить многолетний ряд среднемесячных значений ζ (t_i) _j в виде:

(4)

где – норма, – ряд среднегодовых значений, m(t_i) – среднемноголетний годовой ход среднемесячных значений, ε(t_i)_j – остаток. Компоненты и ε(t_i)_j определяют, следуя работе (Алексеев, Иванов, 1998) аддитивную (АС) и модуляционную (МС) составляющие межгодовой изменчивости. Модель (4) позволяет оценить вклады D_AC, D_m(t) и D_MC в общую дисперсию.

Более подробно методы оценивания вероятностных характеристик изменчивости метеоэлементов изложены в работах (Боков, Бухановский, 2001; Ван дер Варден, 1960; Рожков, 1997; Рожков, 2001). Таблицы, приведенные в работе (Большев, Смирнов, 1968;), использованы для проверки статистических гипотез о значимости коэффициентов асимметрии, эксцесса, трендов и т. д.