Программный комплекс для восстановления данных наземных наблюдений за состоянием снежного покрова

Snow has a strong local influence on the surface energy balance and contributes to the formation of atmospheric circulation anomalies. The state of the snow cover is assessed using ground and satellite observations. Snow depth and snow coverage of the territory visible from the weather station are measured on the weather stations of the WMO network.

Often the data series collected from weather stations have data gaps of different lengths. The researcher, depending on the context of the study and on the features of the meteorological variables used, can deal with these gaps in different ways: ignore; completely exclude years, seasons and other time intervals with gaps from the study; restore the integrity of the series using various methods.

This work is devoted to the design of an algorithm and the development on its basis of a software package for the reconstruction of observational data for snow coverage of the visible area of a meteorological station. The work was based on stations located within Western and Eastern Siberia. The snow cover here is characterized, as a rule, by stable occurrence in the winter period, the presence of a snowless period (in the summer season), as well as a rather fast transition from the state of absolute snow coverage of the territory to the snowless state and back.

The developed software package allows the reconstruction of observation data on snow coverage (expressed in points) for gaps of different length, with the reproduction of the seasonal variation of this parameter. The modular structure of the program code allows to easily adapt the program to different processed data formats, as well as to expand the set of techniques for data recovery.

The research was carried out according to State project No. 121031300158–9.

Снег оказывает сильное локальное влияние на баланс поверхностной энергии и способствует формированию аномалий атмосферной циркуляции [1, 2]. Снежный покров приводит к понижению температуры за счёт увеличения альбедо, препятствует выделению тепла из почвы, может приводить к локальным изменениям высоты геопотенциала [3-5]. Всё это может приводить к усилению бароклинности на границе снежного покрова, что ведёт к перераспределению систем вихревой активности синоптического масштаба и к изменениям атмосферной циркуляции [6, 7]. Таким образом, снег играет важную роль в изменениях атмосферной циркуляции и изменчивости климата.

Состояние снежного покрова оценивается с помощью наземных и спутниковых наблюдений. В частности, измеряется глубина снежного покрова, его протяжённость, площадь и плотность покрытия.

На метеостанциях, входящих в сеть ВМО осуществляется измерение таких параметров как глубина снежного покрова и покрытие видимой с метеостанции территории снегом [8]. Здесь глубина снега представляет собой среднее значение, рассчитанное по трём проведённым на метеостанции замерам глубины, и выражается в сантиметрах. Покрытие снегом представляется в бальном виде от 0 до 10, где 0 обозначает полное отсутствие снега на обозримом пространстве, а 10 – полное покрытие его снегом, при этом глубина снежного покрова в роли не играет. Доступ к этим данным по каждой станции России и СНГ можно легко получить через портал ВНИИГМИ-МЦД Автоматизированной информационной системы обработки режимной информации, АИСОРИ (http://aisori-m.meteo.ru/waisori/).

Часто ряды данных, собранных с метеостанций, имеют такой недостаток, как пропуски данных различной длины. Исследователь, в зависимости от контекста исследования и от особенностей используемых метеорологических переменных, может поступать с этими пропусками различным образом: игнорировать; полностью исключать годы, сезоны и другие интервалы времени из исследования; восстанавливать целостность ряда с помощью различных методов. У каждого из подходов, разумеется, есть своя область применимости. В частности, при исследовании экстремальных проявлений тех или иных метеорологических переменных предпочтительнее опираться на исходный ряд данных, а при исследованиях поведения переменных в климатических масштабах времени зачастую удобнее и надёжнее оперировать целостным рядом данных.

Данная работа посвящена созданию алгоритма и разработке на его основе программного комплекса для восстановления данных наблюдения за покрытием снегом видимой территории метеостанции. Эти данные могут иметь особенности в зависимости от своего географического расположения. Работа проводилась на основе станций, расположенных в рамках Западной и Восточной Сибири. Для снежного покрова здесь характерно, как правило, устойчивое залегание в зимний период, наличие бесснежного периода (в летний сезон), а также довольно быстрый переход от состояния абсолютного покрытия территории снегом к бесснежному состоянию и обратно. В рамках каждой отдельной станции не составляет труда восстановить данные для сезонов абсолютного покрытия снегом в случае, когда длина пропуска составляет не более одного-трёх дней особенно при наличии информации о глубине снежного покрова. В остальные сезоны и при иных длинах пропусков необходимо насколько это возможно воспроизвести временной ход величины, характерный в рассматриваемый сезон для рассматриваемой метеостанции.

Разработанный программный комплекс позволяет проводить восстановление данных наблюдений о покрытии снегом видимой со станции территории (выраженное в баллах) для пропусков разной длины, с воспроизведением сезонного хода этого параметра. Модульная структура программного кода позволяет легко адаптировать программу под различные форматы хранения обрабатываемых данных, а также расширять набор методик для восстановления данных. На данном этапе развития программного комплекса конечный пользователь взаимодействует с ним через короткие понятные файлы с настройками, где он указывает пути к данным, а также список обрабатываемых станций. В процессе обработки по количеству указанных метеостанций создаются файлы в формате MS Excel, содержащие восстановленные и исходные ряды данных о балле покрытия снегом и его глубине, перечень всех обнаруженных интервалов с пропусками с отметкой о типе проведённого восстановления, а также средние многолетние значения балла покрытия снегом для каждого дня, определенные по исходному ряду данных. Кроме того, по всем обработанным за цикл станциям отдельным дополнительным файлом создаются две сводные таблицы, содержащие информацию о проведённых восстановлениях в общем за весь обработанный период, и информацию о количестве дней с пропусками для каждого года. Файл со сводной информацией позволяет практически мгновенно оценить качество исходных данных в контексте пропусков и ошибок, а также, возможно, выбрать для дальнейшей работы станции наилучшим образом соответствующие цели и контексту предполагаемого исследования пользователя.

Исследование выполнено в рамках госбюджетной темы № 121031300158–9.

Литература

1. Barnett T.P., Dümenil L., Schlese U., Roeckner E., Latif M. The effect of Eurasian snow cover on regional and global climate variations // Journal of Atmospheric Sciences. 1989. V. 46. No. 5. P. 661–686.
2. Cohen J., Rind D. The effect of snow cover on the climate // Journal of Climate. 1991. V. 4. No. 7. P. 689–706.
3. Cohen J., Entekhabi D. The influence of snow cover on Northern Hemisphere climate variability // Atmosphere-Ocean. 2001. V. 39. No. 1. P. 35–53.
4. Henderson G.R., Leathers D.J., Hanson B. Circulation response to Eurasian versus North American anomalous snow scenarios in the Northern Hemisphere with an AGCM coupled to a slab ocean model // Journal of Climate. 2013. V. 26. No. 5. P. 1502–1515.
5. Ye K., Wu R., Liu Y. Interdecadal change of Eurasian snow, surface temperature, and atmospheric circulation in the late 1980s // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2015. V. 120. No. 7. P. 2738–2753.
6. Walsh J.E., Ross B. Sensitivity of 30-day dynamical forecasts to continental snow cover // Journal of Climate. 1988. V. 1. No. 7. P. 739–754.
7. Walland D.J., Simmonds I. Modelled atmospheric response to changes in Northern Hemisphere snow cover // Climate Dynamics. 1996. V. 13. No. 1. P. 25–34.
8. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам, Выпуск 3, Часть 1. Метеорологические наблюдения на станциях. Ленинград: Гидрометиздат, 1985 г., 301 с.