Статья: Оценка однородности многолетних рядов температуры и солености морской воды при изменении способов и сроков их наблюдения на морских постах дальневосточной прибрежной сети

Оценка однородности многолетних рядов температуры и солености морской воды при изменении способов и сроков их наблюдения на морских постах дальневосточной прибрежной сети

Н.Г. Алисимчик, С.И. Кислова

Выполнена статистическая оценка однородности многолетних рядов наблюдений температуры и солености морской воды при изменении методов, сроков и мест их измерения на постах дальневосточной прибрежной сети.

Для температуры воды выявлены два фактора, нарушающих однородность многолетних рядов наблюдений: сдвиг стандартного срока наблюдения и перенос места наблюдения.

Установлены два основных фактора нарушения однородности многолетних рядов солености морской воды: отсутствие синхронных наблюдений при переходе с одного метода на другой и погрешности ГМ-65 при его эксплуатации, превышающие межповерочный интервал.

Ключевые слова: температура морской воды, соленость морской воды, статистические оценки.

The statistical estimation of the homogeneity of long-term series of temperature and seawater salinity was carried out when changing the methods, timing and places of their measurement at the stations of the Far Eastern coastal network.

For the water temperature, two factors have been identified that violate the homogeneity of long-term observation series -- a shift in the standard observation time and a shift in the observation place.

Two main factors of the homogeneity disruption of long-term series of seawater salinity have been established: the absence of synchronous observations when switching from one method to another one and GM-65 error when its operation exceeds the calibration interval

Key words: water temperature, seawater salinity, statistical estimates.

Введение

Дальневосточная морская береговая сеть ведет наблюдения за состоянием прибрежных вод на российском побережье Японского, Охотского, Берингова морей и прилегающей части Тихого океана. В настоящее время около 70 морских постов ежедневно проводят наблюдения за температурой, соленостью, уровнем моря, волнением, ледовыми явлениями и загрязнением. Полученные данные в режиме реального времени передаются в региональные УГМС (управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды) для составления и уточнения морских прогнозов. Вторая функция этих наблюдений - получение климатических характеристик, рассчитанных на основе многолетних данных, опубликованных в «Ежегодниках» соответствующего моря (Ежегодные данные о режиме и качестве вод морей и морских устьев рек). Если для составления прогнозов важна оперативность, то для получения надежных климатических характеристик необходима их однородность, которая была ключевой идеей при создании наблюдательной сети.

Суть однородности заключается в том, что на всех морских постах наблюдения должны выполняться в стационарных местах, по одним и тем же методикам, одинаковыми способами, в одни и те же сроки, на стандартной глубине 0,5 м. Выполнение этих условий позволяет отслеживать и сравнивать климатические тенденции на побережьях всех морей России.

В процессе функционирования дальневосточной морской береговой сети имело место влияние субъективных факторов, искажающих климатические характеристики прибрежных вод: изменение способов наблюдения, сокращение сроков наблюдения, антропогенные нагрузки, перенос мест наблюдения. В результате на каждом морском посту сложилось свое сочетание отклонений от требований сохранения однородности характеристик. Кроме того, в последние годы был сделан явный акцент на прогностический аспект наблюдений [5, 6], и это привело к снижению их качества в ущерб климатической составляющей. Требования к однородности характеристик снизились, в многолетних рядах наблюдений имеются нестыковки, что вызывает обеспокоенность у климатологов во всем мире.

В работе [1] исследовано влияние переноса места измерения температуры воды на однородность ее многолетних характеристик на станции Сосуново (Японское море). Установлено, что значения температуры воды, измеряемые до и после переноса этого поста, не однородны, их нельзя использовать как один ряд для инженерных расчетов и климатических характеристик.

Цель настоящего исследования - оценка влияния субъективных факторов, не обусловленных климатическими процессами, на однородность многолетних рядов температуры и солености морской воды, измеренных на постах дальневосточной прибрежной сети.

Состояние проблемы

Наблюдения на всей морской береговой сети проводятся в стандартные сроки: 00, 06, 12, 18 ВСВ (Всемирное скоординированное время, эквивалентное гринвичскому, с теми же часовыми поясами). Количество сроков регламентировано разрядом морского поста РД 52.10.842-2017. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 9. Гидрометеорологиче-ские наблюдения на морских станциях и постах. Ч. 1. Гидрологические наблюдения на береговых станциях и постах. М.: Изд-во ИТРК, 2017. 375 с.. Температура воды со времени основания прибрежной сети РФ измеряется ртутным термометром. С течением времени, особенно в два последних десятилетия, многие посты перешли на сокращение сроков, а в иных случаях - на их сдвиг. В данной работе рассмотрены оба этих случая. Выполнен статистический анализ однородности среднегодовых значений температуры воды для трех постов. На примере Углегорска и Холмска исследован переход с четырех сроков наблюдений на два смежных: 00 и 06 ВСВ, а на посту Находка - сдвиг стандартного срока 12 ВСВ на 2 ч в сторону светлого времени (20:00 ч местного времени).

Соленость морской воды на прибрежной сети РФ традиционно измеряется один раз в сутки (00 ВСВ), но в различные годы изменялись методы ее определения - физический (ареометрический), химический (аргентометрический), электрометрический (солемер ГМ-65). Эти три метода равно применимы на всей прибрежной сети РФ.

До 1960 г. на всей сети соленость определяли физическим методом, позже на каждой станции сложился свой принцип чередования перечисленных выше трех методов. К настоящему времени из-за отсутствия нормальной воды Нормальная вода - стандартная морская вода, природная, тщательно отфильтрованная морская вода (содержа-ние хлора 19,38 %о, что соответствует солености 35 %о), соленость которой определена с точностью до 0,001 %о. Используется в качестве эталона для калибровки солемеров при определении солености морской воды в экспе-диционных и лабораторных условиях. все посты дальневосточной морской сети, за исключением двух (Владивосток и Находка), вернулись к физическому методу измерения солености. На постах Владивосток и Находка соленость измеряют автоматическим датчиком AANDERAA Гидростатический автоматический датчик фирмы AANDERAA Data Instruments (Норвегия)..

Для статистической оценки однородности среднегодовых значений солености, измеренных разными методами в различных сочетаниях, нами выбраны шесть морских постов: Посьет, Александрова, Углегорск, Холмск (Японское море), Нагаево и Охотск (Охотское море). Эти посты имеют большой период наблюдений при минимальных пропусках.

Исходные данные

Информационным ресурсом для решения этой задачи послужили материалы, опубликованные в Морских ежегодниках и ежемесячниках Ежегодные данные о режиме и качестве вод морей и морских устьев рек. Японское море. Владивосток: Изд-во Приморского УГМС, 1938-2016. Т 10, ч. 1., архивные данные Приморского и Колымского УГМС (Управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды).

Статистически обработаны среднегодовые и среднемесячные значения температуры по Находке (1933-2015 гг.), Холмску (1947-2016 гг.), Углегорску (1950-2016 гг.). Значимых перерывов в наблюдениях температуры воды на постах нет.

Для оценки однородности многолетних значений солености использованы наблюдения без значимых перерывов на постах Посьет (1945-2008 гг.), Александровск (1938-- 2012 гг.), Углегорск (1962--2016 гг.), Холмск (1947--2016 гг.), Охотск (1942--2014 гг.), Нагаево (1960--2016 гг.).

Оценка однородности среднегодовых значений температуры воды при изменении числа сроков ее наблюдения на морских постах Японского моря

Статистическую оценку однородности среднегодовых значений температуры воды проводили, как принято в статистике, по равному количеству параметрических и непараметрических критериев. В данной работе использовались два параметрических критерия -- Фишера (F) и Стьюдента (t) и два непараметрических -- фон Неймана (N) и двусторонний Т-критерий Вилкоксона. Поскольку значения последнего критерия оказались близки к таковым критерия Стьюдента (практически дублируют их), то здесь они не приведены.

Расчет N-критерия выполняли по следующей формуле Руководство по специализированному климатологическому обслуживанию экономики / под ред. Н.В. Кобыше- вой. СПб., 2008. С. 18--19.:

где n -- число членов ряда, у. -- среднегодовое значение температуры воды за i-й год, у -- ее среднемноголетнее значение.

Если N-критерий указывал на неоднородность, то ряд дополнительно оценивали по параметрическим критериям F и t, значения которых рассчитаны в соответствии с работой [2], а их критические значения взяты из работы [4].

На постах Холмск и Углегорск измерения температуры воды до 1991 г. проводили в четыре основных срока (00, 06, 12, 18 ВСВ), с 1991 г. -- в два смежных срока (00, 06 ВСВ). Согласно действующему Наставлению РД 52.10.842--2017. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 9. Гидрометеорологиче-, при двухсрочных смежных наблюдениях в морские Ежегодники в качестве среднесуточной температуры помещается ее значение, измеренное в 00 ВСВ, которое помечается соответствующим символом (*).

На посту Находка наблюдения в 1933--1966 гг. проводились в четыре основных срока. В 1967 г. после перенесения места измерения температуры воды с входной части мыса Астафьева, разделяющего одноименные залив и бухту Находка, в лагуну Пятачок (бухта Находка) наблюдения проводились в два несмежных срока: 00 и 12 ВСВ до 1990 г. В 1991 г. срок 12 ВСВ был сдвинут на 2 ч в сторону светлого времени.

Результаты оценки однородности температуры воды на постах Находка, Углегорск и Холмск по критерию N представлены в табл. 1.

Таблица 1

Статистические характеристики однородности среднегодовых значений температуры воды на постах Находка, Углегорск и Холмск по критерию фон Неймана (Л^/)

Примечание. N - критерий фон Неймана, N_Kp - критическое значение величины N.

Ряд считается однородным, если расчетное значение N больше его критического значения (N), при этом возможны три степени оценки ряда: неоднородный, однородный с признаками неустойчивости, однородный. Чем ближе к 2 полученное значение N, тем устойчивее однородность ряда.

Как видно из соотношения критического и расчетного значений N-критериев, приведенных в табл. 1, весь ряд среднегодовых значений температуры воды на посту Находка резко неоднороден и требует дополнительной оценки.

На постах Углегорск и Холмск ряды среднегодовых значений температуры воды однородны с небольшим признаком неустойчивости. Для уточнения результатов, полученных по критерию N, для всех трех постов дополнительно рассчитаны t- и F- критерии (табл. 2).

Для поста Находка в табл. 2 приведены расчетные характеристики температуры воды с разбивкой на три ряда наблюдения: 4-срочные до переноса места наблюдения (19331966 гг.), 2-срочные несмежные (00 и 12 ВСВ) - после переноса места наблюдения (1967-1990 гг.), 2-срочные со сдвигом срока 12 ВСВ в сторону светлого времени на 2 ч (1991-2015 гг.).

Как видно из табл. 2, при 2-срочных наблюдениях в 1967-2015 гг. и сдвиге срока 12 ВСВ на 2 ч в сторону светлого времени в 1991-2015 гг. величина критерия t (6,80) в три раза выше его критического значения. Таким образом, можно заключить, что этот сдвиг стандартного срока на посту Находка по критерию t превосходит совокупную неоднородность, вызванную переносом места наблюдения и переходом от 4-срочных к 2-срочным наблюдениям (t = 5,40 за 1933-1990 гг.). При этом критерий F в обоих случаях остается практически на том же уровне.

Таблица 2

Статистические характеристики и критерии однородности среднегодовых значений температуры морской воды на постах Находка, Углегорск, Холмск