Ақмола облысындағы көп қарлы және аз қарлы қыс мезгілінің метеорологиялық аспектілерін зерттеу



Мақалада Ақмола облысында 1986 жылдан бастап 2018 жылға дейінгі кезеңдегі қыс мезгіліндегі көп қарлы және аз қарлы қысты анықтайтын климаттық параметрлер, яғни ауа температурасы мен жауын-шашын мөлшері қарастырылды. Сонымен қатар қыс мезгіліндегі экстремалды ауа температурасы мен жауын-шашын байқалған жылдары анықталып, қыс мезгілінің ерекшелігін сипаттайтын кешенді критерийді (W), жауын-шашын мен қар жамылғысы мәліметтерін қолдану негізінде көп қарлы және аз қарлы қыстардың каталогы құрастырылды. Г. Я. Вангенгейм және А. А. Гирс индекстері бойынша циркуляция формалары қарастырылды. Қар жамылғысының орташа айлық биіктігі мәні бойынша спутниктік мәліметтер мен метеостанция мәліметтері арасындағы байланыс анықталды. NАО, SOI және АО тербелістері индекстерінің аномалия мәндері қарастырылды.

Түйін сөздер: ауа температурасы, жауын-шашын, қар жамылғысының биіктігі, аномалия, көп қарлы және аз қарлы қыстар, циркуляция.

В статье рассмотрены климатические параметры, определяющие многоснежные и малоснежные зимы в Акмолинской области за период с 1986 по 2018 годы. Составлен каталог многоснежных и малоснежных зим на основе использования комплексного критерия, данных по осадкам и по снежному покрову. А также, составлен каталог экстремально теплых и холодных лет. Рассмотрены формы циркуляции по Вангенгейм-Гирсу. Определены связи между спутниковыми данными по снежному покрову и данными метеостанции. Рассмотрены значения аномалий NАО, SOI и АО.

Ключевые слова: температура воздуха, осадки, высота снежного покрова, аномалия, многоснежные и малоснежные зимы, циркуляция.

Кіріспе

Қаp жамылғысы климаттық жүйенің маңызды паpаметpі бoлып табылады. Өзінің төмен жылу өткізгіштігі мен жoғаpы шағылдыpу қабілеті аpқасында oл жеpдің энеpгетикалық теңгеpімінде, ал қаp жамылғысында жинақталатын су қopы — су теңгеpімінде маңызды pөл атқаpады.

Қысқы айлардың температурасы мен жауын-шашын режимін зерттеу география ғылымының ең өзекті мәселелерінің бірі болып табылады. Бұл метеорологиялық шамалардың өзгеруінің адам өмірі мен қоршаған ортаға әсері оң да, теріс те болуы мүмкін, өйткені ауа температурасы мен атмосфералық жауын-шашын жер бетінің жағдайына, адамның өмірі мен шаруашылық қызметіне де тікелей әсер етеді.

Климаттың өзгеpуі және oдан туындаған залал, өткен ғасыpдың сoңында тіpкелген, біpақ себептеpі мен ықтимал салдаpы туpалы әзіpге біp мағыналы қopытынды алынбаған салдаp ғылыми зеpттеулеpдің өзекті тақыpыбы бoлып табылады. Климаттық көpсеткіштеp, әсіpесе, мысалы, қаp жамылғысының эвoлюциясы сияқты кешенді құбылыстаpдың қаншалықты және қай жаққа ауысатынын бағалау жиі қиын. Қаp жамылғысының өзгеpуі суық маусым климатының темпеpатуpасының, жауын-шашынның, жылынудың жиілігінің және т. б. өзгеpуін көpсететін кешенді индикатop бoлып табылады [1].

Климаттың қазіргі өзгеруі жағдайында қар жамылғысының мониторингі туралы ерекше қызығушылық танытатын көптеген жұмыстар бар. Қар жамылғысының мониторингі тек қар жамылғысын ғана емес, аз қарлы және көп қарлы қыстарды да зерттеудің маңызды бөлігі болып табылады. 1970-ші жылдардан бастап ғарыштан қар жамылғысының мониторингі, спутниктік оптикалық бейнелерді пайдалану арқылы қарапайым операцияға айналды [2, 3, 4].

Мурзабекова У. Н. мақаласында өзінің табиғи жағдайлары бойынша Қазақстан толығымен қар жамылғысы мерзімді жатқан аймақта орналасқандығы көрсетілген, бірақ жекелеген аудандарда қар жамылғысының жату ұзақтығы мен ерекшеліктері әртүрлі. Қар жамылғысы аз жылу өткізгіштігінен күздік дақылдарды қатып қалудан сақтайды, топырақта ылғалдың жиналуына ықпал етеді, бұл өнімділікке оң әсер етеді. Бірақ жылы қыстарда өсімдіктердің ұзақ уақыт бойы қар қабатының астында болуы есебінен, олардың пісіп-жетілуі орын алады және бұл астық өнімділігіне теріс әсер етеді [5].

Зерттеу нысаны

Ақмола облысы — Батысында Қостанаймен, солтүстігінде Солтүстік Қазақстан облысымен, шығысында Павлодармен, оңтүстігінде Қарағанды облысымен шектесіп жатыр. Оңтүстік-батысында Ұлытаумен және солтүстігінде Көкшетау тауларымен шектелген. Облыс жалпы шығыстан батысқа қарай иіліп орналасқан. Ақмола облысының ортасынан Ішім өзені кесіп жатыр.

Климаты шұғыл континенталды, құрғақ, жазы ыстық және қысы салқын әрі ұзақ (5,5 айға созылады). Температураның тәуліктік және жылдық амплитудалары өте жоғары. Қаңтардың орташа темпертурасы минус 16–18 °С, шілдеде 19–21°С. Көктем мен күз анық байқалмайды. Ашық күндер саны көп, күннен келетін жылу мөлшері жоғары. Жылдық жауын-шашын мөлшері солтүстіктен оңтүстікке қарай азаяды, максимумы маусым айына, ал минимумы ақпан айына сәйкес келеді. Солтүстігінде жауын-шашынның жылдық орташа мөлшері 400 мм, оңтүстігінде 250 мм. Тұрақты қар жамылғысы қарашаның ортасында қалыптасып, оңтүстігінде 130–140 күн, солтүстігінде 150–155 күн жатады.

Зерттеу нәтижелері және оны талдау

Температуралық режим мен жауын-шашынның уақыттық және кеңістіктік өзгерістерін зерттеу нәтижесінде климаттың қазіргі өзгерістері белгілі болды, полярлық және экваторлық ендіктер, мұхиттар мен континенттер үстіндегі климаттық режимнің ерекшеліктері анықталды. Климаттық өзгерістер себептерін, ірі климаттық ауытқулардың қалыптасуын түсінуде айтарлықтай аз прогреске қол жеткізілді. Кейбір жағдайларда бұл температура режимі мен жауын-шашын мөлшерінің өзгеру себептерін түсіндірудің күрделілігімен түсіндіріледі [6].

Ақмола облысының аумағында максималды орташа айлық ауа температурасы шілдеде (19,9 °С) байқалған. Температура мәні 19,3 °С-дан Ақкөл станциясында 20,7 °С-ға дейін Есіл станциясында ауытқыған. Минималды орташа айлық ауа температурасы облыс аумағында қаңтарда (минус 15,1 °С). Ауа температурасының жылдық жүрісінде барлық станцияларда максимум шілдеде, ал минимум қаңтар айында байқалған.

Ақмола облысының станцияларында 1986–2018 жж. қыс мезгілінде (желтоқсан-ақпан) ауа температурасының төмендеуі минус 0,4 °С/10 жыл тенденциясымен өзгерген.

Ең жоғары орташа айлық жауын-шашын мөлшері шілдеде 63 мм. Жауын-шашын мөлшерінің ең аз мәндері қыста (14 мм) болған. Жылдық жауын-шашын мөлшері үшін орташа мән аумақ бойынша 335 мм құрап, 286 мм-ден (Есіл станциясы) 393 мм (Ерейментау станциясы) дейін өзгерген.

Қарастырылған барлық станцияларда қыс мезгілінде ауа температурасының төмендеу тенденциясы байқалған. Жауын-шашынның таралуы әркелкі болған.

Соңғы жылдары Қазақстан аумағы бойынша жауын-шашын мөлшерінің өзгеруі ауа температурасына қарағанда біркелкі емес. Алайда, жалпы 1954–2003 жылдары көптеген аудандарда жауын-шашынның жылдық сомасы ұлғайып келеді. Ең жоғары өсім (50 жыл ішінде 60 мм-ден астам) Қазақстанның солтүстік бөлігінде (Қостанай, Павлодар, Ақтөбе облыстары) байқалады, ал Шығыс Қазақстан және Ақмола облыстарында олар 15–60 мм-ге азайды [7].

Атмосфералық жауын-шашын — ең маңызды және бір мезгілде өзгермелі метеорологиялық шамалардың бірі. Бұл оның сипаттамаларын зерттеу, талдау және болжау үшін ғылыми зерттеулер мен басқа да жобалардың сан түрлілігін түсіндіреді. Атмосфералық жауын-шашын мөлшерінің ауытқуын анықтау үшін келесі формула қолданылды:

(1)

мұндағы, — жауын-шашын мөлшерінің нақты мәні;

— жауын-шашынның орташа айлық мөлшері.

Формула (1) жауын-шашынның аса ылғалды және тапшы аномалияларын анықтайтын негізгі критерий болып табылады. Бұл үшін, әр ай үшін және әр станция үшін бөлек R есептеледі, содан кейін қарастырылып отырған кезеңді жіктеу үшін келесі градациялар қолданылады: R≤80 % кезінде, таңдалған кезең жауын-шашын тапшылығымен белгіленді; 80 %≤R≥120 % кезінде, жауын-шашын мөлшері нормаға сәйкес болды; R≥120 % кезінде, артық жауын-шашын болды. Есептеу нәтижесі кесте 1-де берілген.

Кесте 1

Ақмола облысы үшін қыстың көп қарлы және аз қарлы айларының каталогы

Айлар	Жылдар
	көп қарлы	аз қарлы
желтоқсан	1987, 1988, 1989, 1991, 2004, 2013, 2016	1992, 1993, 1998, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2011, 2012, 2018
қаңтар	1991, 1997, 2001, 2013, 2014, 2016	1990, 1994, 1995, 1998, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2011, 2012
ақпан	1987, 1989, 1994, 1998, 2001, 2002, 2004, 2007	1986, 1988, 1991, 1992, 1995, 1996, 1998, 1999, 2005, 2009, 2010, 2012, 2015, 2016, 2018
жағдайлар саны	21	38

Жалпы қыс мезгілі бойынша 21 көп қарлы және 38 аз қарлы жағдайлар байқалған. Қарастырылған жылдары аз қарлы және суық қыстардың басым болғандығын айтуға болады.

Қыстың екі класы үшін ауа температурасының алқабын талдау практикалық қызығушылыққа ие және өте маңызды болып табылады. Себебі, ауа температурасы төселме беткейге тікелей әсер етеді. Қар жамылғысы аз болған уақытта, дақылдар ауа температурасының төмендігінен қатып қалу жағдайына ұшырайды. Қысқы маусым үшін негізгі метеорологиялық шамалар ауа температурасы мен жауын-шашын мөлшері болып табылады.

Критерий ретінде, қыстың ерекшеліктерін сипаттайтын шаманы қолдануға болады. Ол келесі формуламен анықталады:

(2)

мұндағы,

W — қыс мезгілінің ерекшелігін сипаттайтын, кешенді критерий;

Т — ауа температурасы;

R — жауын-шашын мөлшері;

орташа квадраттық ауытқу.

Бұл критерийді А. В. Попов ұсынған [8]. Бұл критерий бойынша кейбір варианттарды талдауға болады:

а) егер ΔТ>0 және ΔR>0, онда W≫0;

б) егер ΔТ<0 және ΔR<0, онда W≪0;

в) егер ΔТ>0 және ΔR<0, онда W өлшемі және таңбасы >0 және <0 арақатынасы бойынша, соған ұқсас ΔТ<0 және ΔR>0 бойынша анықталады.

Осылайша, W>0 мәні жылы және көп қарлы қысты сипаттаса, W0 мәні суық және аз қарлы қысты сипаттайды. Есептеу нәтижесі кесте 2-де берілген.

Кесте 2

W кешенді критерийі бойынша көп қарлы және аз қарлы қысқы айлардың каталогы

Айлар	Жылдар
	көп қарлы	аз қарлы
желтоқсан	1988, 1991, 2004, 2013	1992, 1993, 1998, 2001, 2003, 2012, 2018
қаңтар	1991, 2001, 2013, 2016	1990, 1995, 1998, 2003, 2005, 2006, 2007, 2012
ақпан	1989, 1998, 2001, 2002, 2004	1986, 1988, 1991, 1995, 2005, 2010, 2012, 2016
жағдайлар саны	13	23

W кешенді критерийі бойынша қыс мезгілінде 13 көп қарлы және 23 аз қарлы жағдайлар байқалған. Бұл критерий бойынша есептелген көп қарлы және аз қарлы қыстың жағдайлар саны жауын-шашын аномалиясы R мәліметтеріне сүйене отырып іріктелген жағдайлар санынан кем болып тұр. Бұл критерий бойынша да аз қарлы және суық қыстардың басым болғандығын көруге болады.

Аз қарлы және көп қарлы қыстарды aнықтау үшін қар жамылғысы биіктігінің орташа айлық аномалиясының орташа квадраттық ауытқу мәндерінен жоғары болған мәндерді алуға негізделген әдіс қолданылды.

Анoмалдылық жеке стaнциялар бойынша емес, қарaстырылған территoрия бойынша анықтaлды. Есептеу нәтижесі кесте 3-те берілген.

Кесте 3

|Δ|>σ бойынша көп қарлы және аз қарлы жылдар каталогы

Айлар	Жылдар
	көп қарлы	аз қарлы
желтоқсан	1994, 2001, 2006, 2015	1993, 2003, 2010, 2012, 2018
қаңтар	1989, 2002, 2013	1996, 2010, 2011, 2012, 2018
ақпан	1997, 2000, 2001, 2002	1995, 2005, 2012, 2014
жағдайлар саны	12	14

Бұл критерий бойынша есептелген көп қарлы және аз қарлы қыстың жағдайлар саны жауын-шашын аномалиясы R және W кешенді критерийі мәліметтеріне сүйене отырып, іріктелген жағдайлар санынан кем болып тұр. Дегенмен, аз қарлы және суық қыстар басым болғандығын көріп тұрмыз.

Ауа темперaтурасының экстремaлды жылдарын aнықтау үшін де жоғарыда берілген әдіс қолданылды. Анoмалдылық жеке стaнциялар бойынша емес, қарaстырылған территoрия бойынша анықтaлды. Ақмола облысының станциялары бойынша ауа температурасының экстремалды жылы және экстремалды суық жылдары анықталды. Есептеу нәтижесі кесте 4-те берілген.

Кесте 4

|Δt| > σ критерийі бойынша экстремалды жылы және суық жылдар каталогы

Айлар	Жылдар
	экстремалды жылы	экстремалды суық
желтоқсан	2006, 2015	2002, 2012, 2018
қаңтар	1992, 2002, 2007	1996, 2006, 2008, 2010, 2011, 2012, 2018
ақпан	1999, 2000, 2002, 2016	1994, 2005, 2010, 2012, 2014
жағдайлар саны	9	15

Желтоқсан айында экстремалды жылы жылдар саны 2, ал экстремалды суық жылы жылдар саны 3 құрайды. Қаңтар айында 3 жыл экстремалды жылы, 7 жыл экстремалды суық болып табылады. Ақпан айында экстремалды жылы жылдар саны 4, ал экстремалды суық жылдар саны 5-ке тең болған.

Жалпы алғанда, 9 экстремалды жылы, 15 экстремалды суық жылдар байқалған. Экстремалды жылы жылдарға көп қарлы жылдар, ал экстрмалды суық жылдарға аз қарлы жылдар сәйкес келеді. Көп қарлы және аз қарлы айларға арналған W, E, С циркуляция формалары бар күндер санының аномалия мәндері анықтaлды. Есептеу нәтижесі кесте 5-те берілген.

Кесте 5

Көп қарлы және аз қарлы айлардың W, Eжәне Сциркуляция формалары бар күндер санының аномалиялары

Айлар	Көп қарлы				Аз қарлы
	ΔW	ΔE	ΔC	ΔW		ΔE	ΔC
желтоқсан	5	-8	3	-5		4	-2
қаңтар	10	-6	0	0		3	-3
ақпан	9	-10	1	-1		2	-3
орташа мәні	8	-8	1	-2		3	-3

Көп қарлы айлар W және C циркуляция формаларының басымдығымен анықталады, ал аз қарлы — циркуляцияның Е формасымен анықталады.

USGS FEWS NET деректер порталы бүкіл әлем бойынша құрғақшылық мониторингі геокеңістіктік деректерге, спутниктік суреттер өнімдеріне және туынды деректер өнімдеріне қолжетімділікті қамтамасыз етеді [9]. USGS деректер порталынан алынған, ғарыштық түсірілімдерден Ақмола облысының кескіні алынып, соңғы 18 жыл уақыт аралығындағы қыс айлары бойынша қар жамылғысының орташа айлық биіктігі есептелінді. Есептеу нәтижесі сурет 1-де көрсетілген.

Сурет 1. Спутниктік деректер бойынша қар жамылғысының орташа айлық биіктігінің уақыттық жүрісі

Спутниктік деректерге сәйкес, 2000–2001 және 2012–2013 жылдары қыс айларында қар жамылғысының максималды орташа айлық биіктігі 40 см болып байқалған, ал минималды мәні 2017–2018 жылдары 14 см-ге тең болған. Ақмола облысындағы метеостанция мәліметтері бойынша қар жамылғысының орташа айлық биіктігі есептелінді. Есептеу нәтижесі сурет 2-де көрсетілген.

Сурет 2. Метеостанция мәліметтері бойынша қар жамылғысының орташа айлық биіктігінің уақыттық жүрісі

Метеостанция мәліметтеріне сәйкес, 2012–2013 жж. қыс айларында қар жамылғысының максималды орташа айлық биіктігі 42 см болып, ал минималды мәні 2001–2002 жж. 13 см тең болған.

Жалпы алғанда спутниктік деректер мен метеостанция мәліметтеріне сәйкес соңғы 18 жыл уақыт аралығындағы қыс айлары бойынша қар жамылғысының орташа айлық биіктігінің уақыттық жүрістері шамамен бір-біріне ұқсас болып келеді.

Көп қарлы және аз қарлы айлар үшін NАО Солтүстік-Атлант тербелісінің, SOI Оңтүстік тербелісінің және АО Арктика тербелісінің индекстерінің аномалия мәндері есептелді. Есептеу нәтижесі кесте 6-да берілген.

Кесте 6

Көп қарлы және аз қарлы айларға арналған NAO, SOI және AO индекстерінің аномалиялары

Айлар	көп қарлы			аз қарлы
	ΔNAO	ΔSOI	ΔAO	ΔNAO	ΔSOI	ΔAO
желтоқсан	1,65	0,20	1,275	-1,29	0,25	-0,256
қаңтар	0,53	0,12	1,712	-0,23	0,14	-0,320
ақпан	0,56	0,09	0,510	-0,51	0,05	-0,222
орташа мәні	0,92	0,14	1,165	-0,67	0,15	-0,266

Көп қарлы қыс айларына NAO және AO инекстерінің оң таңбалы аномалиялары мен SOI индексінің оң таңбалы аномалиясы, ал аз қарлы қыс айларына NAO және AO индекстерінің теріс таңбалы аномалиялары мен SOI индексінің оң таңбалы аномалиясы сәйкес келеді. NAO мен AO индекстерінің оң таңбалы фазасында суық арктикалық ауа Азияға дейін таралмайды, ол өз кезегінде көп қарлы, қатты аязсыз ауа райы жағдайларына алып келеді. Ал индестердің теріс фзасында, суық ауа материкке терең еніп, Орта Азия аумағында аязды және аз қарлы ауа райы жағдайларының қалыптасуына септігін тигізеді.

Индестердің әртүрлі фазаларының қалыптасу себептері осы күнге дейін әлі де терең зерттелмеді. Түрлі гипотезалар талқылануда, олардың ішінде келесілерді атап өтуге болады: парниктік газдардың эмиссиясының өсуі мен Арктикадағы мұздықтардың азаюы, стратосферада су буы мөлшерінің өзгеруі, озон концентрациясының өзгеруі [10].

Қорытынды

1. Ақмола облысының қарастырылған станцияларында 1986–2018 жж. қыс мезгілінде барлық станцияларда ауа температурасының төмендеуі минус 0,4 °С/10 жыл тенденциясымен өзгерген, ал жауын-шашынның таралуы әркелкі болған.
2. Жауын-шашын аномалиясы бойынша құрастырылған каталогта 21 көп қарлы және 38 аз қарлы жағдайлар байқалған.
3. W кешенді критерийі бойынша 13 көп қарлы және 23 аз қарлы жағдайлар байқалған.
4. Δ| > σ критерийі бойынша 12 көп қарлы және 14 аз қарлы жылдар байқалғандығы анықталды.
5. Қалың қарлы айлар W және C циркуляция формаларының басымдығымен анықталады, ал аз қарлы айлар циркуляцияның Е формасымен анықталады.
6. Спутниктік деректер мен метеостанция мәліметтеріне сәйкес соңғы 18 жыл уақыт аралығындағы қыс айлары бойынша қар жамылғысының орташа айлық биіктігінің уақыттық жүрістері шамамен бір-біріне ұқсас болып келеді, соны есепке ала отырып, екі дерек көзі де зерттеу жұмыстарында қолданылуы мүмкін және олар дұрыс нәтиже беретіндігіне көз жеткізе аламыз.
7. Ақмола облысының аумағындағы көп қарлы және аз қарлы айлар Солтүстік Атлант, Оңтүстік, Арктика тербелістерінің әртүрлі фазаларында қалыптасады.

Әдебиеттер:

1. Шмакин А. Б. Климатические характеристики снежного покрова Северной Евразии и их изменения в последние десятилетия // Снежный покров и снежные лавины. — М.: Наука, 2010. — С. 43–57.
2. Булыгина О. Н., Коршунова Н. Н., Разуваев В. Н. Мониторинг снежного покрова на территории Российской // Труды Гидрометцентра России. 2017. — Вып. 366. — С. 87–96.
3. Терехов А. Г. Спутниковый мониторинг формирования снежного покрова Казахстана // Гидрометеорология и экология, № 3, 2018
4. David A Robinson, Kenneth F. Dewey, Richard R., Heim, Jr7. Global Snow Cover Monitoring: An Update
5. Мурзабекова У. Н. Климатические особенности устойчивого снежного покрова на территории Казахстана // Труды КазНИИГМИ. — 1983. — № 73. — С. 78–86.
6. Верещагин М. А., Переведенцев Ю. П., Шанталинский К. М., Тудрин В. Д. Факторный анализ многолетней динамики глобального термического режима приземного слоя воздуха // Известия РАН. — 2004. — С. 34–41.
7. Пиманкина Н. В. Современные изменения снегозапасов на территории Казахстана // Материалы гляциологических исследований. — 2006. — № 107. — С. 110–114.
8. Попов А. В. О возможности прогноза теплых многоснежных и холодных малоснежных зим // Труды Гидрометцентра СССР. — 1975. — С. 39–45.
9. https://earlywarning.usgs.
10. Stricherz V. UW scientists say Arctic Oscillation might carry evidence of global warming // University of Washington. 2001.