Колебания температуры воздуха в Балкаш-Алакольском бассейне



Ключевые слова: температура воздуха, аномалия, среднее квадратическое отклонение, асимметрия, коэффициент вариации, экстремально теплый, экстремально холодный.

Озеро Балкаш относится к числу крупнейших естественных водоемов земного шара и имеет важное народнохозяйственное значение. Бассейн оз.Балхаш расположен в юго-восточной части Казахстана и включает территории Алматинской области, юго-восточную часть Карагандинской области, юго-западную Восточно-Казахстанской и восточную Жамбылской областей, а также северо-западную часть провинции Синьцзян в пределах Китайской Народной Республики.

Особенности географического положения оз. Балкаш обусловливают резкую континентальность и засушливость климата. Для бассейна оз. Балкаш характерны большие суточные и годовые колебания температуры воздуха, холодная зима, продолжительное, жаркое и сухое лето. Весенний период непродолжителен и характеризуется неустойчивой погодой, частыми возвратами холодов. Осенью учащается вторжение холодных арктических масс, что ускоряет переход к зиме [2].

Для проведения анализа колебания температуры воздуха были использованы материалы, приведенные в «ТМ-1» и в «Справочнике по климату Казахстана» по району исследования с 1936 г. по 2015 г.

Для выявления тенденции изменения среднегодовой температуры воздуха на юго-востоке Казахстана были использованы данные 18 станции. В качестве ряда наблюдений взят период с 1962 по 2016 гг. Для наглядности приведен ход среднегодовой температуры воздуха для метеорологических станций, расположенных в разных частях оз. Балкаш (МС Балкаш, Алматы, Чиганак, Актогай).

Рис. 1. Временной ход температуры воздуха на МС Балкаш, Алматы, Чиганак, Актогай

Временной ход температуры воздуха на всех рассматриваемых станциях имеет волнообразный вид с максимальными и минимальными периодами. В целом по полиномиальному тренду отмечается тенденция к повышению на фоне среднемноголетней температуры воздуха, за исключением МС Актогай, где с 1962 года наблюдается заметное понижение температуры воздуха на — 1,7 ^°С. Далее с 1976 года температура воздуха постепенно повышается. Но с 2005 года, за периодом потепления температура воздуха постепенно снижается. Максимальные значения были зарегистрированы в 1994, 1997 гг. — 8,2 ^°С, выше нормы на 1,7 ^°С.

Далее был рассмотрен временной ход аномалии температуры воздуха в холодный и теплый периоды над исследуемой территорией. Расчеты отклонения температуры воздуха от их средних многолетних значений показывает, что с ноября по февраль количество случаев с положительной аномалией больше, чем с отрицательной, но, а в марте преобладает количество случаев с отрицательной аномалией. Для теплого периода среднее число с положительной и отрицательной аномалией по территории показывает, что только в октябре преобладает количество случаев с отрицательной аномалией. Наибольшее количество случаев с положительными аномалиями отмечается в сентябре, а наименьшее — в августе.

Основными показателями температуры воздуха можно считать статистические характеристики (среднее, среднее квадратическое отклонение, коэффициент асимметрии и автокорреляционную функцию) месячных, суточных, срочных рядов температуры, а также максимальных и минимальных значений температуры за сутки по рядам данных экстремальных термометров.

За критерий отбора экстремально холодных и экстремально теплых лет был принят следующий: аномалия температуры воздуха должна превышать среднюю многолетнюю изменчивость температуры (σ) на большей части территории (на 75 %, на 14 станции из 18). Значения среднего квадратического отклонения были рассчитаны по 18 станциям с 1962 по 2016 гг.

Рис. 2. Среднее квадратическое отклонение (σ) в холодный и теплый периоды с 1962 по 2016 гг.

На юго-востоке Казахстана значения σ в холодный период колеблется в пределах 1,8–4,9 °С. Наибольшая изменчивость температуры воздуха наблюдается в декабре и варьирует в пределах 2,0–5,0 °С. Наименьшее значение σ во всем холодном периоде отмечено на станции Мынжылкы. Для теплого периода значения σ колеблется в пределах 0,8–4,1 °С. Наибольшая изменчивость температуры воздуха наблюдается на станции Саяк а мае месяце, составляя 8,0 °С. Наименьшее значение σ во всем теплом периоде отмечено на станции Жаркент.

Из выделенных относительно теплых и относительно холодных летних месяцев за рассматриваемый период выделим экстремально теплые и экстремально холодные месяцы.

Таблица 1

Календарь экстремально теплых (ЭТ) и экстремально холодных (ЭХ) месяцев в зимние и летние периоды по юго-востоку Казахстана

	Месяцы
	декабрь	январь	февраль	июнь	июль	август
ЭТ	-	-	2006	1977 1990	-	1998 2002
ЭХ	1984	1969	1969 1978	1987	1972 2003	1969

В июне только 2 случая были экстремально теплыми (˃1,5σ), а экстремально холодным только 1 (1987 г.). В июле экстремально теплых случаев не наблюдалось, а 2 случая были экстремально холодными (1972,2003 гг.). В августе 2 случая были больше 1,5σ, 1 меньше, т. е. экстремально холодным. По анализу зимних месяцев следует, что в декабре и в январе экстремально теплых случаев не наблюдалось, и только 1 случай был экстремально холодным (1984,1969 соответственно). В феврале экстремально теплым был 1 случай (2006 г.), и 2 случая экстремально холодными.

В качестве интегральной характеристики аномальности температурного поля применился параметр Багрова (К). Параметр аномальности Багрова учитывает величину аномальности и он всегда положительный. Обычно он близок к единице. Если К ≥1,16, то аномалия считается большой, если К≤0,73, то аномалия считается малой.

При расчете критерия Н. А. Багрова были выделены экстремальные годы в зимние и летние месяцы за исследуемый период. За критическое значение было взято значение 1,16.

Рис. 3. Экстремальные годы по критерию Н. А. Багрова в зимние и летние месяцы

Из рисунка можно видеть, что в декабре экстремальные значения температуры наблюдались в 1974 г. К=4,01, в 1984 г. К=8,79 а в 2013 г. аномалия была наибольшей К=7,05. В январе и феврале наибольшее значение аномальности температуры воздуха наблюдается в 1969 г (К=9,40, К=8,43 соответственно). Экстремальные значения температуры в течение всей зимы встречаются редко и относятся они к различным сезонам, что говорит об аномальности всего года, а не отдельно о зиме. В июне экстремальные значения температуры наблюдались в 1987 г. К=5,88, в 1990 г. К=4,02. В июле наибольшее значение аномальности температуры воздуха наблюдается в 1972 г (К=6,48), и 2003 г. (К=5,19). В августе 1969, 1998 гг были отмечены как экстремальными годами по рассматриваемой территории.

Для расчета статистических характеристик были взяты значения среднемесячной температуры воздуха в холодный и теплый периоды с 1962 по 2016 гг.

Таблица 2

Значения асимметрии и эксцесса распределения температуры воздуха в холодный период по юго-востоку Казахстана

Станции/месяцы	11		12		1		2		3
	As	Ex	As	Ex	As	Ex	As	Ex	As	Ex
Саяк	-0.35	-0.75	0.45	2.76	-0.76	1.15	-0.10	0.05	0.39	-0.80
Балкаш	-0.60	-0.53	0.72	2.44	-0.73	1.38	-0.35	0.51	0.33	-0.86
Ост.Алгазы	-2.61	11.33	0.69	2.04	-0.63	0.90	-0.29	0	0.31	-0.74
Сарышаган	2.10	9.16	0.67	2.25	2.20	12.02	1.89	8.30	0.51	-0.41
Актогай	-0.73	-0.21	0.18	2.74	-0.78	0.97	-0.66	0.18	0.19	-1.05
Чиганак	-0.47	7.33	0.37	2.08	-0.49	0.23	0.73	2.88	0.48	0.21
Учарал	-0.31	-0.82	0.24	2.33	-0.75	0.27	-0.83	1.10	0.13	-0.87
Матай	-0.30	-0.85	0.31	1.77	-0.62	0.42	-0.45	0.73	0.21	-0.87
Аул 4	-0.47	-0.61	0.43	1.98	-0.58	0.38	-0.57	0.63	0.21	-0.85
Куйган	-0.39	-0.74	-0.08	0.49	-0.57	0.14	-0.23	0.38	0.12	-0.80
Талдыкорган	-0.28	-0.92	0.16	1.79	-0.58	0.28	-0.74	0.61	0.33	-0.85
Баканас	-0.29	-0.85	-0.10	0.79	-0.53	0.13	-0.66	0.27	0.09	-0.59
Жаркент	-0.22	-0.33	-1.01	2.18	-0.59	0.02	-0.76	0.34	0.34	-0.74
Айдарлы	-0.27	-1.01	-0.96	1.79	-0.61	-0.03	-0.69	-0.07	0.06	-0.20
Есик	-0.05	-1.17	-0.53	1.46	-0.59	0	-0.49	-0.31	0.30	-0.63
Алматы	-0.16	-1.10	-1.26	2.80	-0.68	0.41	-0.62	0.08	0.47	-0.52
Кеген	-0.26	-0.43	-0.92	1.35	-0.35	-0.27	-0.61	0.16	0.32	-0.45
Мынжылкы	-0.31	-0.16	-0.94	1.94	-0.29	-0.77	-0.44	-0.18	1.26	3.27

Результаты анализа показывают, что в холодный период на большей части рассматриваемой территории значения асимметрии и эксцесса небольшие и не превышают критических значении. Распределение считается достоверно нормальным если абсолютная величина показателей асимметрии и эксцесса меньше их ошибок репрезентативности в 3 и более раз (As=0,99, Ex=1,98).

Так в ноябре, январе и феврале на большей части рассматриваемой территории распределение температуры имеет слабую отрицательную асимметрию, а в марте положительную асимметрию.

На станции Сарышаган в январе (As=2,20) и феврале (As=1,89) значения асимметрии больше критического. Значения эксцесса на большинстве рассматриваемых станции в ноябре и марте отрицательные, а в зимние месяцы положительные.

В декабре на большей части территории значения эксцесса больше критического.

Таблица 3

Значения асимметрии и эксцесса распределения температуры воздуха в теплый период по юго-востоку Казахстана

Станции/месяцы	4		5		6		7		8		9		10
	As	Ex	As	Ex	As	Ex	As	Ex	As	Ex	As	Ex	As	Ex
Саяк	-0.53	-1.27	-0.62	-1.51	-0.16	-0.06	-0.18	0	0.12	0.02	-0.70	-0.04	-1.28	3.89
Балкаш	0.03	-0.23	-0.18	-0.91	0.10	-0.13	-0.27	-0.03	0.09	0.18	-0.97	0.71	-0.17	0.34
Ост.Алгазы	0.06	-0.18	-0.26	-0.93	0.06	0.24	-0.29	0.12	0.08	0.23	-1.00	1.20	-1.38	4.20
Сарышаган	-3.22	16.29	-0.11	-0.75	0.14	0	-0.25	0	-0.03	-0.05	-3.55	14.93	0.84	5.30
Актогай	0.25	0.37	-0.62	0.50	-1.04	2.12	-1.43	3.51	-1.07	1.81	-0.66	0.34	-1.47	5.59
Чиганак	1.23	4.21	0.78	2.43	0.51	0.79	0.43	2.45	-2.01	8.48	-2.86	11.75	-1.63	5.70
Учарал	0.13	0.11	-0.05	-0.75	0.44	1.49	-0.26	0.76	-0.43	0.46	-1.06	2.37	0.33	2.56
Матай	0.22	-0.16	-0.15	-0.58	0.17	0.14	-0.29	0.79	-0.20	0.31	-0.90	0.88	-0.66	4.30
Аул 4	-0.22	-0.28	-0.05	-0.11	0.06	-0.31	-0.06	-0.25	0.16	-0.24	1.00	5.74	1.46	4.68
Куйган	-0.15	-0.64	-0.05	-0.16	0.09	-0.33	-0.24	-0.47	0.06	0.30	-1.83	4.69	-0.83	2.09
Талдыкорган	0.02	0.01	-0.08	-0.07	0.30	0.09	-0.45	0.21	-0.30	-0.43	-0.31	-0.52	0.65	3.78
Баканас	0.09	-0.06	0.01	-0.24	-0.22	0.44	0.00	0.23	-0.12	-0.07	-0.38	0.01	-0.33	0.23
Жаркент	-0.03	-0.34	0.15	-0.03	0.46	0.62	-0.47	0.48	0.19	-0.76	0.04	-0.92	0.11	0.65
Айдарлы	-0.06	-0.08	0.08	0.19	0.02	-0.09	0.16	0.17	-0.30	-0.23	-0.37	-0.28	-1.37	4.21
Есик	0.10	-0.30	0.26	0.45	0.30	-0.51	-0.21	0.20	-0.07	-1.07	0.12	-1.24	-0.75	2.69
Алматы	0.25	0.37	-0.62	0.50	-1.04	2.12	-1.43	3.51	-1.07	1.81	-0.66	0.34	-1.47	5.59
Кеген	-0.05	-0.05	0.15	-0.26	0.27	0.70	-0.57	0.71	0.40	-0.07	-0.05	-0.81	-1.37	3.23
Мынжылкы	1.66	4.50	2.22	6.84	-1.17	5.74	2.87	10.75	2.60	8.56	1.32	3.80	-0.05	0.86

Значения асимметрии и эксцесса в теплый период показывают, что на большей части рассматриваемой территории значения асимметрии и эксцесса небольшие и не превышают критических значении (As=0,99, Ex=1,98). В апреле на большей части территории распределение температуры имеют положительную асимметрию. На станциях Чиганак и Мынжылкы значения асимметрии больше критического (As=1,23–1,66). Значения эксцесса на 11 станциях — отрицательные. На станциях Сарышаган, Чиганак, Мынжылкы значения эксцесса больше критического.

В мае, июле и августе на большей части территории распределение температуры близко к нормальному закону, за исключением станции Мынжылкы (As=2,22–2,87, Ex=6,84–10,75).

В сентябре на всех станциях значения асимметрии меньше критических. Значения эксцесса также не превышают критического уровня, кроме станции Сарышаган, Чиганак, Учарал, Аул4 и Куйган.

В октябре также на всех станциях значения асимметрии близки к нормальному закону. А значения эксцесса на большей части территории больше критических (Ex=2,09–5,70).

В целом можно сказать, что на большей части рассматриваемой территории распределение статистических величин в основном близок к нормальному.

В следующем рисунке приведены результаты расчетов тенденций изменения температуры по 18 станциям рассматриваемой территории в целом за год.

Рис. 4. Коэффициенты линейного тренда средней температуры воздуха за период 1962–2016 гг.

Анализ трендов показывает, что средние годовые величины температуры воздуха в большей части рассматриваемого региона имеют положительную тенденцию и колеблется она от 0,005 °С/10 лет до 0,06 °С/10 лет. Исключением являются станции Балкаш, Сарышаган, Актогай, Чиганак, Учарал, Аул4 и Баканас, где в июле тренд годовых значении температуры отрицательные и составляет в среднем -0,002 °С/10 лет. Такое среднегодовое значение тренда получено за счет его низких величин в данном месяце.

В результате выполненного анализа получено что во временном ходе температуры воздуха отмечается тенденция к повышению на фоне среднемноголетней температуры воздуха. Экстремальные значения температуры в течение всей зимы встречаются редко и относятся они к различным сезонам, что говорит об аномальности всего года, а не отдельно о зиме. На большей части рассматриваемой территории распределение статистических величин в основном близки к нормальному. Анализ средних значении трендов температуры показал, что значимое повышение температуры воздуха отмечается станции Саяк. Статистически значимых понижений температуры воздуха за исследуемый период не наблюдалось.

Литература:

1. Справочник по климату Казахстана. — Алматы. — 2004. — Вып. — 14.– 558 с.
2. Утешев А. С. Климат Казахстана. — Л.: Гидрометеоиздат, 1959. — 360 с.
3. Лакин Г. Ф., Биометрия. — М.: Высш. шк., 4 — е изд., перераб. И доп. — 1990. — 352 б.
4. Кожахметова Э. П. Режим температуры воздуха и количества осадков на территории Иле — Балхашского бассейна с учетом динамики изменения климата. — Алматы, 2009. — 135 с.
5. Чередниченко А. В. Изменение климата Казахстана и возможности адаптации за счет доступных водозапасов облачности. — Бишкек: Илим, 2010. — 259 с.
6. Э.А Турсунов, А.С Мадибеков, К.Е Бектурсунов, Л. Ж. Альмагамбетова. Результаты полевых исследований озера Алаколь (Итишпес) в южной части Балкаша // География және геоэкология мәселелері. — Алматы:, 2014. — С.3–8.
7. Чередниченко В. С., Кожахметова Э. П. Колебания климата в Иле-Балхашском бассейне и его связь с уровнем озера // Гидрометеорология и экология. — 2009.- № 3.-С.62–77.