4.3. Особенности статистической структуры приземных метеорологических полей

При анализе данных о пространственной структуре приземных метеорологических полей необходимо иметь в виду, что на них гораздо большее влияние, чем на аэрологические поля, оказывают особенности подстилающей поверхности. Это приводит к нарушениям однородности поля, вследствие чего размеры областей локальной однородности оказываются меньшими, к большим значениям меры ошибок наблюдений, отражающим больший вклад микрометеорологических процессов, и к большему влиянию суточного и годового хода. Поэтому исследование этих полей требует большей детальности, чем исследование аэрологических полей, поскольку перенесение результатов, полученных для определенного района, сезона или времени суток, на другие районы, сезоны или времена суток может оказаться неправомерным. Практически такое детальное исследование не производилось, поэтому имеющиеся в литературе данные могут в большинстве случаев считаться ориентировочными, дающими лишь общее представление о характере пространственной изменчивости соответствующих полей.

Вывод о большей пространственной изменчивости приземных полей относится в разной мере к разным элементам. Их условно можно разделить на две группы. К первой группе относятся элементы, представляющие собой непрерывные в пространстве и во времени поля. Типичными для этой группы являются поля давления, температуры, влажности воздуха и скорости ветра. Если изменчивость приземного поля давления сравнительно мало отличается от изменчивости барического поля в свободной атмосфере, то различия в изменчивости высотных и наземных полей температуры и влажности оказываются гораздо большими. Еще большие различия характерны для поля ветра, для которого конкретные особенности расположения сравниваемых станций зачастую оказываются гораздо более важными, чем расстояние между станциями.

Тем не менее для элементов этой группы в целом характерна сравнительно высокая пространственная связность, в силу которой их локальные значения могут использоваться для описания поля на значительных расстояниях от пунктов наблюдения.

Гораздо большая изменчивость характерна для второй группы метеорологических элементов, которые описывают не непрерывные в пространстве и во времени поля, а объекты, которые существуют в ограниченных пространственно-временных областях. Сюда относятся данные об облачности, осадках, грозах, туманах, заморозках и т. д. К элементам этой группы можно отнести также тесно связанные с условиями облачности характеристики радиации и температуры поверхности почвы. Поля этих элементов являются разрывными, характерные масштабы изменчивости определяются масштабами соответствующих объектов, которые, как правило, существенно меньше обычных расстояний между станциями стандартной метеорологической сети. Поэтому мгновенные значения этих элементов не поддаются анализу по данным этой сети. Необходимые для описания их изменчивости данные о статистической мезоструктуре также не могут быть получены по данным обычной сети, для этого требуются либо данные наблюдений специально организованной сгущенной сети, либо наблюдений с помощью современных (например, радиолокационных или спутниковых) методов. Значения этих элементов, должным образом осредненные по времени или пространству, оказываются гораздо более репрезентативными. Именно такие осредненные значения обычно и анализируются. Поэтому при исследовании статистической структуры элементов этой группы основное внимание уделяется структуре осредненных во времени значений.

Ниже проиллюстрированы основные особенности статистической структуры наземных полей первой группы на примере поля температуры воздуха. Из элементов второй группы мы подробно остановимся на суммах осадков. Указанные элементы практически наиболее важны, и структура их к настоящему времени исследована лучше других. Данных о пространственной изменчивости других элементов имеется в настоящее время мало, соответственно, о них будут приведены лишь самые общие сведения.

2. Систематические исследования пространственной структуры наземных метеорологических полей были впервые выполнены в 40-х годах в Главной геофизической обсерватории под руководством О. А. Дроздова в связи с задачей о рационализации метеорологической сети. Специфика задачи требовала основное внимание уделять изучению пространственной изменчивости на сравнительно небольших расстояниях. Вычисления в те годы могли выполняться лишь вручную, что сильно ограничивало объем исходного материала и соответственно уменьшало статистическую обеспеченность полученных результатов.

В работах этого цикла вычислялись пространственные структурные функции, что позволяло обойтись меньшим объемом вычислений и упрощало расчет абсолютных значений ошибок интерполяции. Использование структурных функций давало также возможность свести к минимуму искажения за счет временной нестационарности. Вместе с тем при таком подходе затрудняется сопоставление характера связности разных полей и даже одного поля в различных условиях, поскольку для оценки пространственной корреляции по структурным функциям необходимо знать дисперсии исследуемых величин, которые, как правило, не рассчитывались.

Это тем более существенно, что дисперсии метеорологических элементов в приземном слое являются очень изменчивыми в пространстве и имеют значительный годовой и суточный ход.

В качестве примера в табл. 4.5 приводятся значения дисперсии температуры воздуха в некоторых пунктах России. Из таблицы видно, что эти значения, а следовательно, и значения ковариационной и структурной функций для различных месяцев года и в разных районах могут различаться на целый порядок. При расчете характеристик статистической структуры температуры воздуха в приземном слое влияние годового хода оказывается еще более существенным, чем для свободной атмосферы.

Таблица 4.5