Методика мониторинга климата на территории РФ: температура приземного воздуха, атмосферные осадки

Действующая в ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН» технология мониторинга приземного климата развивается с середины 1990-х гг. коллективом под руководством Г.В. Груза (Ранькова Э.Я., Бардин М.Ю., Рочева Э.В., Самохина О.Ф., Платова Т.В., Соколов Ю.Ю.). С использованием этой технологии готовятся материалы к ежегодному докладу Росгидромета об особенностях климата на территории РФ, выпускаются сезонные и годовой бюллетени мониторинга климата России и СНГ и другие материалы. Однако утвержденной методики мониторинга климата в Росгидромете до настоящего времени не было.

Предлагаемая методика включает:
- собственную регулярно пополняемую информационную базу,
- средства пополнения базы текущими данными (выборка, контроль, приведение к необходимым форматам и запись в базу),
- средства расчета климатических аномалий, индексов и статистик,
- средства расчета региональных обобщений станционных данных и интерполяции в регулярную сетку,
- средства подготовки выходных материалов мониторинга.


Рис. 1. Общая схема технологии мониторинга приземного климата

В основу информационной базы положены временные ряды месячных данных о температуре воздуха и атмосферных осадках на станциях сети гидрометеорологических наблюдений (1383 станции Земного шара; из них в действующей технологии используются данные 455 станций стран СНГ и Балтии), доступные не позднее, чем с 1951 г. (наиболее длинные ряды – с 1886 г.).



Рис. 2. Сеть станций на территории стран СНГ и Балтии
(cтанции, с которых телеграммы КЛИМАТ не поступают с 1990-х гг., показаны красными кружками)

Массивы пополняются ежемесячно данными КЛИМАТ, получаемыми из двух источников: оперативных баз данных Гидрометцентра РФ и из ВНИИГМИ-МЦД.

В соответствии с документами ГСНК основные данные для мониторинга климата - FM 71-XII CLIMAT Guide to the GCOS surface and upper-air networks: GSN and Guan (version 1.1) GCOS –73 (WMO/TD No. 1106).

ВНИИГМИ-МЦД (данные КЛИМАТ в формате архивного хранения):
- 10-е след. месяца - по станциям СНГ,
- 25-е след. месяца - зарубежные.

Гидрометцентр РФ (комплекты данных формируются автоматически из оперативных баз данных): - 10-го и 20-го след. месяца - данные КЛИМАТ (с соответствующим сроком отсечения), - 2-4-го следующего месяца - данные СИНОП,
срочные в формате суточных выводов и осредненные за истекший месяц.

Данные подвергаются контролю (сравнение источников между собой и с месячными обобщениями суточных данных СИНОП; логический, статистический и горизонтальный контроль) и записываются в базу.

КК (контроль качества данных) многоступенчатый:
- фильтрация противоречивых данных из разных источников (+месячные выводы из СИНОП),
- логический и первичный статистический контроль,
    критерии:
    - пороги для переменных и нормированных аномалий,
    - соотношения между Tmin, Tmean и Tmax.

Горизонтальный контроль:
    критерии:
    - невязка значения, интерполированного из соседних станций (сравнение со средней квадратической на обучающей выборке).

Визуальный контроль противоречивых и сомнительных значений:
- картирование,
- совместный анализ рядов на близких станциях («временной»),
- привлечение данных СИНОП и исторических экстремумов.

Решение о предпочитаемом источнике и/или об ошибочном значении

Сопряжение оперативных данных с базовыми массивами МК

«Ошибочные» данные исключаются до привлечения дополнительной информации.

По месячным станционным данным рассчитываются станционные аномалии (отклонений от норм базового периода 1961-90 гг.; для осадков дополнительно относительных аномалий). Вся дальнейшая обработка ведется с полученными аномалиями. Рассчитываются аномалии, осредненные по сезонам и за год («сезонный» год: среднее за 4 сезона, и календарный год). Аномалии используются для картирования и для расчета станционных климатических индексов и статистик (эмпирические вероятности, ранги, оценки линейного тренда), для региональных обобщений (региональные средние; индексы экстремальности: доли площади под экстремальными аномалиями; коэффициент аномальности Н.А. Багрова). Для расчетов используется собственное ПО, основанное на алгоритмах, учитывающих отсутствие данных и минимизирующих вызванные им смещения.

Месячные станционные аномалии:
- аномалии температуры и осадков,
- нормированные аномалии температуры,
- относительные аномалии осадков,
- вероятностные характеристики аномалий (ранги, вероятности непревышения).

Сезонные (годовые) аномалии осреднение при наличии:
- сезон: не менее 2 месяцев,
- «сезонный год» (среднее за 4 сезона): все 4 сезонных значения,
- календарный год: не менее 11 месяцев

Нормы: базовый период: 1961-90 гг.
Статистики, аномалии и индексы рассчитываются с учетом пропусков данных, например:



Региональное осреднение выполняется с использованием алгоритма, учитывающего географическую неравномерность сети станций. Станционные и региональные индексы и статистики также хранятся в базе данных МК.

Осреднение по площади региона:
взвешенное осреднение станционных аномалий с учетом плотности сети

2 этапа с переходом от станций к средним в ячейках (боксах):
(1) осреднение станционных аномалий внутри ячеек сетки (5°д.х2.5°ш.), (т.е. станционные веса обратно пропорциональны плотности сети),
(2) осреднение средних по ячейкам с весами, пропорциональными площади пересечения бокса с регионом.

В настоящее время используются 2 набора регионов РФ:

Физ.-географические



Фед. округа РФ

Для интерполяции станционных данных в регулярную сетку используется метод кригинга с линейной моделью вариограммы.

Оценка трендов:
(коэффициенты линейных трендов месячных, сезонных и годовых величин и их вклад в суммарную дисперсию рядов),
м.н.к. – оценки для периода с 1976 г. (условное начало современного потепления) - рассчитываются при выполнении заданных условий на полноту данных, особенно – на концах интервала

- локальные тренды (на станциях): географическое распределение по территории РФ и СНГ: интерполируются в сетку 2.5° и картируются,
- региональные тренды для территории РФ в целом, ее регионов и ФО.

Региональные индексы аномальности и экстремальности климата:
- индекс аномальности климата (коэффициент аномальности Н.А.Багрова) рассчитывается как среднее квадратическое из станционных значений нормированной аномалии температуры,
- индексы экстремальности климата (сезонные; для температуры и для осадков) основаны на оценке доли площади региона под «экстремальными» аномалиями.
Пороговые значения экстремальных аномалий назначаются в терминах квантилей эмпирического распределения (например, 5-й и 95-й процентили) или в терминах нормированных аномалий определенного уровня (эквивалент процентилей для приблизительно симметричных распределений – например, ±2 для температуры).

Обязательный набор выходных материалов мониторинга, основанный на станционных и региональных аномалиях, индексах и статистиках, включает:
- карты аномалий и географического распределения тренда,
- графики временных рядов региональных аномалий и индексов,
- таблицы региональных аномалий и трендов.

Графические материалы готовятся с использованием пакетов графики Golden Software. Для преобразования данных к форматам, используемым этими программами, используется собственное ПО (интерполяция в регулярную сетку, преобразование координат, форматирование). Для подготовки сложных комбинированных рисунков разработаны пакетные задания, включающие последовательности собственных модулей и макросов пакетов графики.





Методика апробирована на практике в регулярном мониторинге климата. В соответствии с ней готовятся:
- материалы о температуре воздуха и атмосферных осадках в ежегодном докладе Росгидромета об особенностях климата на территории РФ,
- сезонные и годовой бюллетени «ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА. Обзор состояния и тенденций изменения климата России»,
- сезонные и годовой бюллетени Североевроазиатского климатического центра «Обзор состояния и тенденций изменения климата» на территории стран СНГ,
- сезонные и годовой бюллетени «Обзор состояния и тенденций изменения климата на территории Республики Беларусь» (в рамках программы Союзного государства «Совершенствование и развитие единой технологии получения, сбора, анализа и прогноза, хранения и распространения гидрометеорологической информации и данных о загрязнении природной среды»). В 2012 г. в соответствии с методикой подготовлены материалы «Сводного ежегодного сообщения МСГ о состоянии и изменении климата на территориях государств-участников СНГ за 2011 год». Сообщение одобрено 23 сессией МСГ СНГ (Казань, 4-5 октября 2012 г.).

Проект «Методики» подготовлен в соответствии с планом НИОКР Росгидромета на 2012 г. (тема 1.3.1.1) в ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН».


Авторы

Груза Г.В., Бардин М.Ю. и др.


Контакты

Груза Георгий Вадимович
8 (499) 169-11-07
E-mail: ggruza@yandex.ru

Бардин Михаил Юрьевич
8 (499) 160-23-33
E-mail: mick-bardin@yandex.ru


© Методический кабинет Гидрометцентра России