Внутригодовая изменчивость температуры приземного воздуха и её моделирование для города Ставрополя

Введение. Известно, что временной ход температуры в течение года носит сезонный характер. Однако темпы роста температуры в переходные периоды разные. Это осложняет прогнозирование такого важного, в частности для сельского хозяйства, параметра, как температура воздуха приземного слоя атмосферы. Соответственно, в статье проводится анализ внутригодовой изменчивости температуры воздуха и её сопоставление с синусоидальной моделью годового хода температуры.
Материалы и методы исследований. Рассматриваются временные ряды температуры воздуха приземного слоя атмосферы для города Ставрополя и ставится задача – сравнение фактических и теоретических значений годовых амплитуд. В элементарной (синусоидальной) модели эта теоретическая величина оказывается прямо пропорциональной годовой дисперсии. Также рассмотрен временной ряд разностей температур (межмесячные изменения), так называемых дискретных производных, и проводится сравнение обычной и дискретной производной функции синуса в качестве элементарной модели годового хода температуры. Вводится новая величина – среднеквадратичное отклонение изменчивости, которое также характеризует дисперсию, но не для ряда температур, а их разностей.
Результаты исследований и их обсуждение. Отмечается, что теоретическое (т.е. справедливое для синусоидальной модели) и фактическое значение амплитуды годового хода температуры достаточно хорошо согласовываются. Однако из-за непериодических отклонений разница между этими величинами может достигать 2 °С, которая на графике внутригодовой изменчивости характеризуется асимметричностью. Кроме того, рассматривается среднемноголетний годовой ход температуры и проводится его анализ с использованием дискретных производных. Показано, что отношение амплитуды годовой температуры к амплитуде дискретной производной этой величины равно циклической частоте колебаний годового хода температуры.
Выводы. Полученные результаты подтверждают возможность использования синусоидальной модели годового хода температуры (хотя и с некоторыми ограничениями, связанными с асимметричностью и сдвигом внутригодовых пиковых точек). Анализ годового хода температуры с помощью дискретных производных и его сопоставление с синусоидальной моделью позволил выявить особенности среднемноголетней внутригодовой изменчивости температуры приземного воздуха для г. Ставрополя за период 1944–2022 гг. (иногда наблюдается изменение темпов нагрева или охлаждения, в редких случаях – инверсия при рассмотрении временного ряда среднемесячных температур)

1. Афанасьев И. С., Комарова А. Р., Закинян Р. Г., Шевченко А. И. Парниковый эффект / под ред. Р. Г. Закиняна // Проблемы физики атмосферы, климатологии и мониторинга окружающей среды: доклады IV международной научной конференции (Ставрополь, 23–25 мая 2022 г.). Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2022. 256 с.

2. Ашабоков Б. А., Федченко Л. М., Кешева Л. А., Теунова Н. В. Изменения температурного режима и режима осадков теплого и холодного периодов в различных климатических зонах Северо-Кавказского региона // Наука. Инновации. Технологии. 2021. № 3. С. 55–72.

3. Витязев В. В. Вейвлет-анализ временных рядов: учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2001. 58 с.

4. Волкова В. И., Бадахова Г. Х., Барекова М. В., Каплан Г. Л.

5. Особенности атмосферной циркуляции переходного периода и колебания дат начала весны в Центральном Предкавказье // Наука. Инновации. Технологии. 2021. № 1. С. 125–138

6. Волкова В.И., Бадахова Г.Х., Кравченко Н.А., Каплан Г.Л. Динамика и современный температурный режим календарного лета на ставропольской возвышенности // Наука. Инновации. Технологии. 2020. № 4. С. 149–160.

7. Глотова М. Ю. Математическая обработка информации: учебник и практикум для вузов / М. Ю. Глотова, Е. А. Самохвалова. 3-е изд., испр. и доп. Москва: Изд-во «Юрайт», 2023. 301 с.

8. Елисеева И.И. Статистика: учебник / И.И. Елисеева и др. Москва: Проспект, 2015. 443 с.

9. Задорожная Т. Н. Выявление циклических колебаний в полях аномалий температуры воздуха на Европейской территории / Т. Н. Задорожная, В. П. Закусилов // Science Time. 2016. № 3 (27). С. 180–186.

10. Иванова Т. В. Численные методы в оптике: учебное пособие. СПб.: Ун-т ИТМО, 2017. 84 с.

11. Кизбикенов К. О. Прогнозирование и временные ряды: учебное пособие. Барнаул: АлтГПУ, 2017. 113 с.

12. Кричевский М. Л. Временные ряды в менеджменте. Ч. 1: монография / М. Л. Кричевский. М.: Русайнс, 2016. 220 с.

13. Лапина Л. Э. Анализ изменения температуры воздуха и суммы осадков по данным метеостанций Старица и Тверь за многолетний период / Л. Э. Лапина, И. Л. Григорьева // Вестник Тверского государственного университета. Серия: География и геоэкология. 2020. № 3 (31). С. 57–78.

14. Митрова Т., Хохлов А., Мельников Ю. Глобальная климатическая угроза и экономика России: в поисках особого пути. Сколково: Центр энергетики Московской школы управления, 2020. 69 с.

15. Назаркин Н. С. Анализ временных рядов методом сингулярного спектрального анализа: магистерская диссертация: 27.04.03 / Н. С. Назаркин. Красноярск: СФУ, 2018. 51 с.

16. Отнес Р. К., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. Основные методы / пер. с англ. В. И. Хохлова; под ред. И. Г. Журбенко. М.: Наука, 1982. 428 с.

17. Рогозин М. Ю. Чем опасен парниковый эффект / М. Ю. Рогозин, Д. С. Иванченко // Молодой ученый. 2017. № 51 (185). С. 120–124.

18. Самарский А. А., Гулин А. В. Численные методы: учебное пособие для вузов. М.: Наука; Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. 432 с.

19. Семенов С. М. Сравнительные оценки влияния изменения концентраций диоксида углерода, метана, закиси азота и водяного пара на радиационно-равновесную температуру земной поверхности / С. М. Семенов, И. О. Попов // Метеорология и гидрология. 2011. № 8. С. 34–33.

20. Ташилова А. А. Прогноз летних температур методом сингулярно-спектрального анализа на юге России в 2019– 2023 гг. / А. А. Ташилова, Б. А. Ашабоков, Л. А. Кешева, Н. В. Теунова // Наука. Инновации. Технологии. 2020. № 2. С. 115–134.

21. Хованова Н. А., Хованов И. А. Методы анализа временных рядов / Н. А. Хованова, И. А. Хованов. Саратов: ГосУНЦ Колледж, 2001. 119 с.