CC BY
13Journal of Siberian Federal University. Biology 4 (2008 1) 323-344
УДК 551.583
Структура и динамика метеорологических полей на азиатской территории России
в период интенсивного глобального потепления 1975-2005 гг.
Иван И. Ипполитов, Михаил В. Кабанов, Сергей В. Логинов, Елена В. Харюткина*
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН 634055 Россия, Томск, пр. Академический, 10/3 1
Received 26.11.2008, received in revised form 3.12.2008, accepted 10.12.2008
В работе по данным наблюдений за 1975-2005 гг. для Азиатской территории России (АТР) выполнен анализ полей температуры, давления и осадков. Рассчитаны как средние поля этих величин, так и поля их линейных трендов для указанного интервала времени. Установлено, что для 1975-2005 гг. потепление на территории имело место во все календарные месяцы года, за исключением декабря. Состоятельные оценки средних по территории трендов потепления установлены для марта, мая-августа и октября с величинами средних по территории трендов в интервале от 0,37 до 0,65 °С/10 лет. Для среднегодовых значений температуры изменение составило 0,34 °С/10 лет при среднеквадратичном отклонении 0,20 °С/10 лет. Поле давления характеризуется отрицательными трендами во все месяцы, кроме июля, августа, ноября и декабря, в которые изменение либо отсутствует (июль, август), либо является слабоположительным (ноябрь, декабрь). Для среднегодового давления найдена оценка -0,22 гПа/10 лет при среднеквадратичном отклонении 0,17 гПа/10 лет.
Для осадков установлена тенденция к их снижению, как в отдельные календарные месяцы, так и за год в целом, однако значения трендов нигде не превышают их среднеквадратичные отклонения.
Ключевые слова: региональный климат, метеорологические поля, климатические изменения
Введение
В третьем и четвертом отчетах Международной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) отмечается необходимость исследования изменений климата в различных регионах с тем, чтобы понять происходящие глобальные изменения климата (1РСС, 2001, МГЭИК, 2007). Подчеркивается (Мелешко и др., 2007), что анализ региональных изменений
* Corresponding author E-mail address: [email protected]
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
климата представляется чрезвычайно важным, поскольку именно такие изменения могут оказывать значительное влияние на экономику и социальные структуры. Азиатская территория России (АТР) представляет собой обширный регион планеты, в котором реализуются разнообразные физико-географические условия и который вносит существенный вклад в формирование климата Северного полушария.
Исследованиям изменений климата на территории АТР посвящено большое количество работ (например, Груза и др., 2003, 2006; Ипполитов и др., 2004; Павлов и др., 2005; Дюкарев и др., 2006).
Результаты расчетов линейных трендов температуры и осадков, выполненных для отдельных станций на всей территории России в 1951-2000 гг. (Груза и др., 2003), показывают, что общая тенденция изменения средней годовой температуры воздуха характеризуется положительным трендом 0,47 °С/10 лет - зимой, 0,29 °С/10 лет - летом, пространственное распределение трендов неоднородно, районы с максимальными темпами потепления расположены в Средней и Восточной Сибири.
Положительные изменения среднегодовой температуры воздуха, рассчитанные по территории АТР за тот же период времени, варьируют от значений 0,2 °С/10 лет вдоль побережья Северного Ледовитого океана до 0,5° С/10 лет в отдельных районах Сибири и Дальнего Востока (Ипполитов и др., 2004). Близкие к этим оценки получены также в других работах (Павлов и др., 2005).
Изменчивость температуры и осадков для различных регионов временных отрезков периода 1928-1994 гг. исследована на территории Предбайкалья Н.Н. Густокашиной (2003), а также объектами детальных исследований были распределение осадков и их трендов по территории АТР (Груза и др., 2003; Дюкарев и др., 2006) и эволюция полей давления на территории АТР (Ипполитов и др., 2004; Дюка-рев и др., 2006).
Можно отметить, что процитированным выше работам присущ один общий недостаток: их результаты трудно сравнивать между собой, даже если речь идет об одной и той же территории. Это объясняется тем, что, как правило, разные авторы выбирают для исследований разные временные интервалы, а
сама природа линейного тренда предполагает сильную зависимость получаемых результатов от такого выбора. На результаты влияет и выбор исходных данных, который оказывается также различным у разных авторов. Последнее менее критично, поскольку позволяет для одной и той же территории и одного и того же временного интервала получать качественно схожие результаты, если территория покрывается достаточно равномерно, пусть и различным числом станций наблюдения.
Выбор нашего временного интервала 1975-2005 гг. продиктован тем, что именно с середины 70-х гг. отмечен беспрецедентный рост глобальной температуры приземного воздуха, продолжающийся и по настоящее время.
Цель работы - исследовать временную динамику полей температуры, давления и осадков на территории АТР, выраженную через линейные тренды этих климатических характеристик, и обсудить некоторые возможные последствия из выявленных изменений.
Исходные данные и методы исследования
Для вычисления полей температуры, давления и осадков на территории АТР нами использовались ежесуточные данные наблюдений за приземными температурой, давлением и осадками на 454 станциях, расположенных к востоку от Урала и в северных районах Казахстана, Монголии, Китая (Центр распределения данных NOAA, ftp://ftp.cdc.noaa) за 1975-2005 гг.
Использование станций наблюдения Казахстана, Монголии и Китая необходимо для правильного воспроизведения метеорологических полей на южной границе АТР.
По суточным значениям рассчитывались среднемесячные значения климатических величин. Так как данные, в силу различных
причин, содержат пропуски, то расчет среднемесячных величин проводился для тех месяцев, для которых количество пропусков в данных (за месяц) не превышало 5 суток. Далее, для каждой станции по среднемесячным величинам вычисляли их среднегодовые значения и тренды. Тренды находили для рядов среднемесячных величин с пропусками не более 2 лет на 30-летнем интервале. Обработка данных по осадкам имела свои особенности. Здесь на временных рядах, помимо лакун (пропусков), встречаются участки, как правило, с 2000 по 2007 гг., с резкими изменениями величин (почти в 2 раза, например, для станции Ича), говорящие о том, что, по-видимому, измерения выполнены в неполном объеме. Поэтому для получения устойчивых оценок долговременных изменений из выборки рассчитанных трендов были удалены величины с экстремальными значениями, оцениваемыми из функции распределения по уровню 0.95.
Для устранения влияния пространственной неоднородности месторасположения метеорологических станций проводилась пространственная интерполяция рассчитанных среднегодовых значений величин и их трендов на сетку 1х1° по алгоритму Крайгинга (Cressie, 1990). Полученные таким образом поля величин приводятся на картах, показывающих их пространственное распределение.
При построении оценок, характеризующих пространственное распределение какой-либо величины по территории, проводилась их коррекция на площадь, вызванная тем обстоятельством, что при движении к северу уменьшается площадь ячейки сетки. Коррекция заключалась в умножении рассчитываемой величины на коэффициент, равный отношению соответствующих площадей. По скорректированным значениям рассчитанных величин проводились вычисления вы-
борочной плотности вероятности рх(х) с последующим расчетом выборочной функции распределения Fх(х). Объем выборки составлял ~ 2100 узлов. В качестве характеристики средней величины выборки использовалась оценка по медиане функции распределения Fх(х). Нахождение оценок параметров линейной регрессии и их стандартных ошибок о^ по уровню 0.95 проводилось по общепринятой методике (Мэйндоналд Дж., 1988).
Поле температуры
На рис. 1а изображена карта средних по интервалу 1975-2005 гг. среднегодовых температур воздуха. На этой и последующих картах, кроме собственно территории АТР, в соответствии с упоминавшимся выше выбором станций наблюдения, показаны также примыкающие северные районы Казахстана, Монголии и Китая. Они сохранены, чтобы не нарушать целостную картину восприятия. Однако при расчете функций распределения, плотностей вероятностей и вытекающих из них численных оценок учитывали только узлы сетки, расположенные на территории АТР.
Из расчета функций распределения среднегодовых температур (рис. 1в) следует, что в среднем за рассматриваемый интервал 70 % территории находилось в зоне отрицательных среднегодовых температур и лишь 30 % - в зоне нулевых, либо положительных значений. Самой теплой является станция наблюдения Холмск на Сахалине (4,58°С), самой холодной - станция наблюдения Оймякон в Якутии (минус 16,02 °С).
На рис. 1б показана карта распределения линейных трендов среднегодовой температуры, а на рис.1в - статистика трендов, выраженная через их функции распределения и плотность вероятности.
Из приведенных рисунков следует, что в рассматриваемый временной интервал по-
а)
в)
Рис. 1. Характеристики поля среднегодовой температуры по АТР: а) - распределение среднегодовой температуры (оС); б) - распределение трендов среднегодовой температуры (оС/10 лет); в) - выборочная функция распределения F и плотность вероятности p для трендов среднегодовой температуры
Таблица 1. Тренды температуры Tlr (°С/10 лет) на некоторых станциях территории АТР
Станция Широта (ос.ш.) Долгота (ов.д.) Высота (м) Ttr
Ерофей Павлович 53,96 121,93 522 1,44
Жилинда 70,13 113,96 62 1,22
Верхняя Гутара 54,21 96,97 984 1,13
Юбилейный 70,76 136,21 24 1,09
Горин 51,20 136,0 92 0,98
теплением была охвачены практически все (~96 %) районы АТ . Средняя по территории скорость потепления (рис. 1с) составила 0,34 °С/10 лет при среднеквадратичном отклонении 0,2 °С/10 лет. Распределение скорости потепления по территории (рис. 1б) неравномерно. Похожие распределения средних значений температур и тенденции их изменений приведены в Оценочном докладе Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет, 2008). Более быстрыми, чем средний, темпами потепление происходит в районе Среднесибирского плоскогорья и на Чукотке, где также имеются горные хребты. Простое предположение о возможной связи скорости потепления с высотой станции над уровнем моря не подтверждается данными, приведенными в табл. 1.
В первой колонке таблицы содержатся название станции наблюдения, во второй и третьей - ее географические координаты, в четвертой - высота станции над уровнем моря и в пятой - линейный тренд изменения среднегодовой температуры, выраженный в °С/10 лет. Все станции расположены в Среднесибирском плоскогорье и ранжированы по убыванию тренда.
Данные табл. 1 показывают, что влияние орографии местности на скорости потепления в явном виде не просматривается. Например, станция Жилинда, расположенная на 62 м выше уровня моря, и станция Верхняя Гу-тара, которая находится выше уровня моря на
984 м, показывают вполне сопоставимые скорости потепления 1,22 и 1,13 °С/10 лет
Указанные в таблице 1 значения трендов потепления для пяти станций примерно в 1,5 раза превышают значения трендов тех же станций, но вычисленные для интервала времени 1951-2000 гг. (Груза и др., 2006). Отметим также, что для этого временного периода потепление на Чукотке выражено крайне слабо. Типичные скорости вполне согласуются со скоростью потепления, вычисленной для Азиатского континента в целом на сетке 5°х5° (Шерстюков, 2008).
Рассмотрим теперь внутригодовую динамику распределения трендов температуры для исследуемой территории. Принято считать (Мелешко и др., 2008), что наибольшие темпы потепления в умеренных широтах Северного полушария проявляются в зимне-весенний период. Зададимся этим вопросом для обсуждаемого нами случая.
На рис. 2 представлены карты распределения температурных трендов для всех календарных месяцев с января по декабрь, а на рис. 3 - соответствующие плотности вероятности. Эти рисунки, а также вычисленные для каждого месяца функции распределения (не приводятся) позволяют дать достаточно полную картину температурных изменений при переходе от одного месяца к другому.
В январе на территории АТР протекают разнонаправленные процессы. Потепление происходит в Средней Сибири и в Приморье,
Январь
Июль
Рис. 2. Распределения трендов температуры на АТР за календарные месяцы в период 1975-2005 гг. (оС/10 лет)
Рис. 3. Плотности вероятности распределения трендов температуры на АТР за календарные месяцы в период 1975-2005 гг.
похолодание - в Западной Сибири и на Чукотке, при этом потеплением охвачено 60 % территории. Плотность распределения вероятностей имеет многомодовый характер и занимает широкую область изменения трендов: от минус 1,5 до 1,5 °С/10 лет.
Среднее по территории значение тренда Т1г составляет 0,27 °С/10 лет при среднеквадратичном отклонении 0^=0,84 °С/10 лет. В феврале потеплением оказывается охваченным уже 80 % территории. В этом месяце похолодание в Западной Сибири сменяется потеплением, значительно ослабевает похолодание Чукотки и появляется область слабого похолодания на севере Средней Сибири. Распределение плотности вероятности трендов, оставаясь по-прежнему многомодовым и широким, смещается в положительную область, что приводит к увеличению значений
ТГ и
Март является безусловным лидером по темпам потепления. Оно происходит практически на 100 % территории, причем похолодание Чукотки сменяется достаточно интенсивным потеплением. Ширина распределения плотности вероятности уменьшается, она полностью смещается в область положительных трендов, что приводит к продолжению роста Тг и уменьшению о^.
В апреле кривая распределения плотно -сти вероятности снова смещается в направлении отрицательных трендов, так что потеплением оказывается охваченным лишь 75 % территории, и его темпы ослабевают. Такое смещение вызвано появлением обширных областей похолодания в Западной Сибири.
В мае процесс потепления вновь охватывает практически всю территорию АТР. В этом изменении главную роль вновь сыграла Западная Сибирь: там процесс похолодания в апреле сменился процессом интенсивного потепления. На остальной территории характер
изменения температуры существенно не изменился. Оценки Т1г для мая являются одними из самых высоких в годовом ходе.
Летние месяцы с июня по август весьма схожи по характеру распределения плотности вероятности (рис. 1в). Во всех случаях кривые распределения находятся практически полностью в области положительных трендов, обеспечивая потепление в каждом из месяцев на 90 % территории АТР. Однако темпы потепления для этих месяцев оказываются различными. Как мы увидим далее, июль - это один из месяцев с самыми высокими темпами потепления, охватывающего все регионы, за исключением Западной Сибири.
В сентябре, так же как, например, в апреле, наблюдается похолодание в Западной Сибири и потепление на остальной части территории, причем последнее по площади преобладает (~85 %). Темпы потепления невелики.
В октябре кривая распределения плотности вероятности почти целиком смещается в область положительных трендов, потеплением охвачена вся территория. По темпам потепления этот месяц лишь немногим уступает марту.
Ноябрь характеризуется большими контрастами в поведении температурных трендов. Около 65 % территории в этом месяце нагревается, остальная часть - охлаждается. Область сильного охлаждения наблюдается на севере Западной Сибири и далее, распространяясь на юго-восток, достигает района Байкала. Интенсивное потепление происходит в северной части остальной территории. Темпы, как нагревания, так и охлаждения можно оценить из распределения плотности вероятностей, которое становится широким, занимая область трендов от -1,5°С/10 лет до +2°С/10 лет, и, в чем-то напоминая аналогичные распределения для января и февраля.
Таблица 2. Средние (медианы) по АТР температуры T (°С), тренды температуры Ttr (°С/10 лет), а также их среднеквадратические отклонения а (°С) и atr (°С/10 лет) для отдельных календарных месяцев и за год
Сезон
T
Т.
Январь -27,85 7,66 0,27 0,84
Февраль -24,70 7,13 0,51 0,65
Март -15,91 6,85 0,65 0,39
Апрель -5,18 6,28 0,23 0,41
Май 4,45 4,89 0,55 0,33
Июнь 13,04 3,53 0,37 0,25
Июль 16,32 2,78 0,46 0,29
Август 13,02 2,66 0,26 0,22
Сентябрь 5,42 2,79 0,19 0,25
Октябрь -5,46 5,01 0,57 0,29
Ноябрь -18,53 7,51 0,29 0,73
Декабрь -26,34 7,86 -0,03 0,36
Год -6,41 4,89 0,34 0,20
а
а
tr
Наконец декабрь - это месяц, когда на тер -ритории происходят разнонаправленные чередования трендов потепления и похолодания, сосредоточенные в областях малых масштабов так, что примерно половина территории охлаждается, а половина нагревается со скоростями, не превышающими ±0,5°С/10 лет.
Средние по территории температуры и их тренды для отдельных календарных месяцев и года в целом приведены в табл. 2. Из нее следует, что за исключением декабря, в целом по территории во все календарные месяцы доминирует процесс потепления.
Оценки трендов оказываются состоятельными для марта, мая, июня, июля, августа и октября. Для января оценка тренда потепления, хотя и высокого, оказывается несостоятельной (Тг < с4г).
По географическим признакам выделяются Западная Сибирь и Чукотка. В Западной Сибири процессы потепления определенным образом чередуются с процессами похолодания. Чукотка интенсивно охлаждается в январе, однако в остальные месяцы в этом регионе происходит потепление, в основном,
высокими темпами. Возможно, что это связано с изменениями океанической циркуляции в Северо-Тихоокеанском регионе.
Поле давления
На рис. 4 представлены: среднее за 19752005 гг. поле давления на территории АТР (а); поле трендов давления (б); функция распределения F и плотность вероятности p трендов давления (в).
Поле давления формируется на рассматриваемой территории под сильным влиянием зимнего Сибирского антициклона. Центр его располагается над Монгольским плато, а гребень простирается в северо-восточном направлении, образуя самостоятельное ядро, расположенное восточнее хребта Черского. Динамика Сибирского антициклона характеризуется тем (Мохов и др., 2000), что с середины 1960-х гг. росло давление в его центре и проявлялась достаточно четкая тенденция сдвига долготы центра на запад. Рост давления в центре Сибирского антициклона после 1950-х гг. отмечен также в работах других исследователей (Вакуленко и др., 2000).
а)
игае 1
1 (Н
иш
10»
КИЙ
1414
ми
ши
Н№
™ ■
■11 -1.2 -1 -0« -Об -0.4 -ог О 91 0*1 , гПаЛОпет
в)
Рис. 4. Характеристики поля давления по АТР: а) - распределение среднегодового давления (гПа); б) -распределение трендов среднегодового давления (гПа/10 лет); в) - выборочная функция распределения F и плотность вероятности р для трендов среднегодового давления
Как ясно из рис. 4с, среднее по территории давление за исследуемый промежуток времени составило 1016гПа. Будем считать эту изобару (рис. 4а) пограничной, выделяющей на территории зону влияния Сибирского максимума. Согласно рис. 4с этой зоной охвачено примерно 60 % АТР.
На северо-западе АТР и вдоль тихоокеанского побережья выделяются зоны относительно низких (Р<1016гПа) давлений. Первая из них обусловлена влиянием Исландского минимума, вторая - Алеутского. Таким образом, поле давления на территории АТР формируется под влиянием трех центров действия атмосферы Северного полушария: Сибирского максимума, Исландского и Алеутского минимумов. Отметим, в связи с этим, что давление в центре Исландского минимума участвует в определении индекса NAO (North Alantic Oscillation), а давление на территории, над которой существует Алеутский минимум, - в определении Тихоокеанского индекса NP (North Pacific). С этой точки зрения становится понятной физическая основа дальних связей этих индексов с колебаниями температуры во внетропических широтах Северного полушария (Hurrell, 1996).
В годовом ходе максимальное среднее по территории давление реализуется в январе: P =1024,5 гПа, с = 6,6 гПа; минимальные - в июле: P =1007,4 гПа, с = 1,7 гПа.
Сибирский антициклон начинает формироваться в сентябре (Р~1017 гПа), достигает максимального развития в январе (Р~1050 гПа) и разрушается в апреле-мае. К июлю на его месте образуется обширная депрессия (Р—1003 гПа), захватывающая юго-восточную часть АТР.
Карта трендов среднегодовой температуры (рис. 4б) показывает чередование по территории очагов с положительными и отрицательными трендами среднегодового дав-
ления, причем последние преобладают как по охвату территории, так и по абсолютным величинам трендов. Более конкретную картину дают функция распределения вероятности и кривая плотности распределения, представленные на рис. 4в. Видно, что области отрицательных трендов давления охватывают 85 % рассматриваемой территории со средней оценкой р =-0,22 гПа/10 лет, atr=0,17 гПа/10 лет. Преобладающее уменьшение давления вдоль побережья арктических морей не может быть связано с динамикой центров действия атмосферы. По-видимому, оно объясняется выявленным уменьшением в 80-х и 90-х гг. прошлого столетия давления в Центральной Арктике (Walsh et al., 1996). Тенденция снижения давления в Арктике во второй половине ХХ столетия отмечена в работах других исследователей (Serreze et al., 2000).
На рис. 5 приведены поля линейных трендов давления приземного воздуха на территории АТР за период 1975-2005 гг. для отдельных календарных месяцев, а на рис. 6 -соответствующие распределения плотностей вероятности.
Характерная черта поля изменения давления в январе - его повышение на Чукотке. Оно сопровождает отраженный на рис. 2 процесс интенсивного похолодания на этой территории в том же месяце. В остальных районах давление падает, так что в целом для АТР имеем оценки Ptr = -0,19 гПа/10 лет, atr=0,89 гПа/10 лет. В феврале тренд давления на Чукотке сменяется на противоположный, так что в этом месяце P r = -0,97 гПа/10 лет, atr=0,59 гПа/10 лет. Это самый высокий средний по территории отрицательный тренд давления среди разных календарных месяцев, причем давление падает практически на всей территории АТР.
Следующим по темпам падения давления оказывается март: P r = -0,75 гПа/10 лет,
Январь
нСЧ»-*.
Июль
Февраль
Август
Сентябрь
Рис. 5. Распределения трендов давления на АТР за календарные месяцы в период 1975-2005 гг. (гПа/10 лет)
atr= 0,60 гПа/10 лет, причем, как и в феврале, давление падает практически повсеместно по территории. В апреле тенденция к его снижению сохраняется на 80 % территории, очаги слабого положительного тренда располагаются на западе и востоке АТР. В целом для апреля РГ=-0,40 гПа/10 лет, atr=0,45 гПа/10 лет.
В мае давление повышается в Средней Сибири и снижается на остальной территории, что приводит к примерно одинаковому балансу разнонаправленных трендов и дает в целом по территории Pr = -0,06 гПа/10 лет, atr=0,44 гПа/10 лет.
В июне кривая распределения плотности вероятности трендов смещается в область отрицательных значений, падение давления по территории практически повсеместное: Ptr =-0,49гПа/10 лет, а^=0,40гПа/10 лет. В июле и августе существенных изменений в давлении не происходит: область слабых положительных трендов располагается в центральной части территории, а область столь же слабых отрицательных трендов - по северным и южным районам.
Сентябрь и октябрь демонстрирует схожие изменения в давлении. Оно повышается в Западной Сибири и менее существенно в Приморье, и понижается на остальной части территории. При этом для всей изучаемой области тенденция к снижению давления оказывается преобладающей, так что Pr = -0,56 гПа/10 лет, atr=0,77 гПа/10 лет для сентября и Pr = -0,64 гПа/10 лет, atr=0,76 гПа/10 лет для октября.
В ноябре и декабре в целом по территории преобладает тенденция к повышению давления: в ноябре на 70 % и в декабре на 95 % территории. В ноябре крупный очаг положительных трендов формируется на севере Западной и Средней Сибири, а в декабре он распространяется на всю Западную Сибирь и на всю северную часть АТР. Преобладающие
величины положительных трендов можно установить из кривых распределения плотности вероятности, приведенных на рис. 6.
Поле осадков
Закономерности формирования поля осадков определяются действием различных факторов (Климат России, 2001). Главными из них являются влагосодержание воздушной массы, ее температура и возможность вертикального подъема за счет турбулентных потоков либо упорядоченной конвекции. В свою очередь, эти процессы складываются под влиянием циркуляционных факторов и рельефа. Выпадению осадков способствуют циклогенез и вынужденный подъем воздуха при встрече с препятствием, причем наиболее значительный вклад в характер поля осадков вносит рельеф местности. Трудности в анализе режима осадков заключаются в том, что это климатическая характеристика чрезвычайно изменчива в пространстве и времени.
На рис. 7а представлено распределение среднего годового количества осадков по территории АТР за исследуемый период. Среднее по территории годовое количество осадков, оцененное через их функцию распределения, составило 541,5 мм. Исходя из этой оценки, на территории АТР можно выделить несколько областей с повышенным количеством осадков: Западная Сибирь, Приморье, Сахалин и Камчатка.
Повышенное содержание осадков в Западной Сибири - следствие западного переноса влаги из Северной Атлантики, хотя и ослабленного Уральскими горами. В пользу такого утверждения можно привести оценки доли вклада в осадки местного испарения, приводимые для европейской части бывшего СССР М.И. Будыко (1980). Показано, что для такого обширного региона только очень небольшая часть осадков (около 12 %) повторно
Р_ , |Л1ЛйМа
Р_ . rfltntam
Рис. 6. Плотности вероятности распределения трендов давления на АТР за календарные месяцы в период 1975-2005 гг.
Рис. 7. Характеристики поля осадков по АТР: а) - распределение среднегодового количества осадков (мм); б) - распределение трендов среднегодового количества осадков (мм/10 лет); в) - выборочная функция распределения F и плотности вероятности р трендов среднегодового количества осадков
выпадает за счет пара, образованного местным испарением, а основная часть осадков, выпадающих на этой территории, формируется из водяного пара, принесенного извне.
Повышенное количество осадков в Приморье, на Сахалине и на Камчатке связано с процессами циклонической активности на севере Тихого океана.
Пониженное, по сравнению со средним, количество осадков в северной части АТР обусловлено тем, что в этой области вертикальная конвекция подавляется холодными арктическими морями.
Внутригодовая изменчивость осадков изучалась по той же методике, которая была применена для исследования полей температуры и давления. Расчет помесячных карт трендов осадков, функций распределения и кривых плотностей вероятностей (не приводятся) позволил получить результаты, суммированные в табл. 3. За холодный сезон года брали интервал времени с ноября по март, а за теплый - с апреля по октябрь.
Как следует из знаков трендов, в рассмотренный интервал времени 1975-2005 гг. на территории АТР преобладает тенденция к снижению осадков. Для среднегодовых величин эта тенденция, согласно рис. 7, отмечается на 80 % территории. Для года в целом, как это следует из рис. 7б, слабая тенденция к росту осадков наблюдается в центральной части АТР.
Распределение по территории разнонаправленных трендов в отдельные календарные месяцы не носит системного характера. Тенденция к снижению осадков на территории более выражена для месяцев холодного периода, для которого оценка тренда является состоятельной.
Полученные результаты по изменчивости осадков могут быть сравнены с данными других авторов.
Н.Н. Густокашиной (2003) рассмотрена структура временных рядов основных климатических параметров для территории Предбайкалья (51°-64°с.ш., 95°-119°в.д.). Для анализа поля осадков использовались данные 29 станций, имеющих периоды наблюдения от 60 до 115 лет, причем изменения в осадках рассматривались для периода 1936 - 1994 гг. Отмечено неравномерное распределение осадков по исследуемой территории. На Среднесибирском плоско -горье их выпадает от 300 до 400 мм в год, в Восточном Саяне и на Северо-Байкальском нагорье - 650 мм. По временам года осадки распределяются тоже неравномерно. В холодный сезон выпадает 15-20 % осадков, в теплый - 80-85 %. В ходе годовых сумм осадков преобладает тенденция к их уменьшению. Для усредненных по территории сумм осадков отрицательные тренды составляют: -0,3 мм/10 лет для холодного периода, -8.4 мм/10 лет для теплого периода, -8,75 мм/год для года в целом.
Г.М. Виноградова (2000) использовала месячные данные по температурам и суммам осадков за период 1901-1996 гг. 13 станций Западной Сибири, из которых 7 станций представляли север региона и 6 - юг. Применялось скользящее 30-летнее осреднение, что дало изменчивость метеовеличин, близкую к тренду.
Выявлено, что картина изменений в осадках разная на севере и на юге территории. На севере годовые осадки увеличились в среднем на 60 мм (тренд ~ 6 мм/10 лет), а на юге уменьшились на 50 мм (тренд ~5 мм/10 лет). Тренды хорошо видны до 1980 г. С 1980 по 1996 гг. изменения на севере прекратились, а на юге наметился некоторый рост. Указанная тенденция уменьшения осадков на юге Западной Сибири имела место и в целом для ХХ столетия, хотя в цитируемой работе это
Таблица 3. Средние (медианы) по АТР количества осадков R (мм), тренды количества осадков Rtr (мм/10 лет), а также их среднеквадратические отклонения а (мм) и atr (мм/10 лет) для отдельных времен года.
Время года R a Rtr atr
Январь 21,53 12,52 -0,23 2,31
Февраль 19,90 11,07 -0,13 1,72
Март 22,36 9,90 -0,61 1,80
Апрель 30,22 12,15 -0,39 2,40
Май 42,43 15,15 -0,07 3,32
Июнь 63,65 19,88 -1,99 5,73
Июль 76,51 26,39 -2,67 6,68
Август 77,70 27,48 0,00 6,48
Сентябрь 58,65 18,92 -1,08 5,45
Октябрь 42,21 17,41 0,15 3,54
Ноябрь 33,73 14,53 -0,05 2,73
Декабрь 26,63 13,33 -1,30 2,74
Год 541,46 123,05 -5,03 18,44
Теплый сезон 402,11 104,93 -2,16 15,76
Холодный сезон 125,30 50,26 -1,87 5,51
тенденция выявлена по слишком малому числу станций.
Н.В. Зукерт и Д.Г. Замолодчиков (1997) использовали данные 17 станций, расположенных в тундровой зоне России, для оценки изменения температуры и осадков в 1960 -1994 гг.; для этих периодов определялись средние величины, среднеквадратические отклонения, коэффициенты асимметрии и эксцесса в холодный и теплый сезоны. Отмечена сильная межгодовая изменчивость сумм осадков в оба сезона. В холодный сезон во всех регионах (Кольский полуостров, Большеземельская тундра, полуостров Ямал, полуостров Таймыр, Север Якутии, Чукотка) проявляется тенденция уменьшения сумм осадков, особенно выраженная после 1980 г. Абсолютные величины уменьшения сумм осадков невелики и не превышают с.
Суммы осадков в теплый период во всех регионах, кроме Чукотки, увеличиваются. На Чукотке осадки теплого периода несколько уменьшаются.
Приведенные выше данные качественно согласуются с полученными нами результатами.
Обсуждение результатов
Как показано ранее, климатические изменения, происходящие на территории АТР в период интенсивного глобального потепления 1975-2005 гг., проявляются в значительном повышении температуры приземного воздуха как за год в целом, так и в отдельные календарные месяцы в менее значительном понижении давления, и в тенденции к снижению количества осадков и в теплый, и в холодный сезоны, причем в последний тенденция к снижению более значительна.
Характерной чертой изменения температуры считается выраженная мезомас-штабная изменчивость, заключающаяся в том, что отдельно взятая область АТР в различные календарные месяцы может либо нагреваться, либо охлаждаться. Эти изменения существенны, и их необходимо учитывать
при рассмотрении различных природных процессов.
Одной из активно обсуждаемых является проблема деградации вечной мерзлоты (Израэль и др., 2002; Ершов и др., 1994; Ани-симов и др., 1999). Основными оценочными параметрами многолетних изменений крио-литозоны обычно считают глубину сезонного протаивания и температуру верхних горизонтов почвы. Эти параметры формируются, в первую очередь, под влиянием температуры воздуха, растительности и снежного покрова. Поэтому при разработке прогнозных сценариев необходимо учитывать реалистические сценарии изменения, например, температуры воздуха и количества осадков на определенной территории в периоды промерзания и протаивания. В качестве примера можно привести изменения температуры воздуха и осадков на севере Западной Сибири (рис. 2). В период протаивания (май, июнь) здесь наблюдается достаточно интенсивное потепление, что должно способствовать ускоренному разрушению вечной мерзлоты. В то же время в этом регионе в период промерзания (ноябрь, декабрь) преобладает понижение температуры, что помогает повышению устойчивости вечной мерзлоты. Этому содействует также тенденция к снижению количества осадков холодного периода года. Вопрос о том, какова будет реакция вечной мерзлоты на изменение температуры и осадков в этой области, требует специального исследования. Однако уже известен «феномен Якутии» (Павлов, 2000; Перельштейн и др., 2006), заключающийся в том, что в этом регионе, несмотря на ускоренные темпы потепления, уменьшение высоты снежного покрова сопровождается пониже -нием температуры грунтов.
Сильная межмесячная изменчивость трендов температуры может быть вызвана разными причинами. Отепляющая роль пар-
никовых газов сводится к тому, что они изменяют баланс длинноволновой радиации таким образом, что при возрастании в атмосфере концентрации, например, углекислого газа уменьшается поток уходящего в космос длинноволнового излучения от системы Земля - атмосфера. В то же время внутри этой системы возрастает поток длинноволнового излучения, направленного к земной поверхности, что приводит к дополнительному нагреву последней. Таким образом, возникает изменение баланса приходящей и уходящей радиации на поверхности почвы. Углекислый газ достаточно равномерно перемешан в тропосфере, поэтому прямое влияние повышения его содержания на образование мезо-масштабных неоднородностей температуры исключено. Температура приземного воздуха, в основном, определяется зависящей от радиационного баланса температурой почвы, однако на нее воздействуют такие факторы, как ветер, облачность, турбулентность, испарение, смена воздушных масс и др.
Одним из основных факторов, определяющих природную изменчивость климата, считается изменчивость в атмосферной и океанической циркуляции, выравнивающей температурные градиенты между низкими и высокими широтами. Связь атмосферной циркуляции с изменениями температуры приземного воздуха рассматривалась во многих работах. Так, В.И. Бышевым с соавторами (2002) установлено удовлетворительное согласие между типами атмосферной циркуляции и знаком аномалий приземной температуры воздуха. И над материками, и над океанами положительные аномалии приземной температуры воздуха возникают при фазах развития меридиональных южных типов циркуляции, а отрицательные - при меридиональных северных процессах. В.В. Поповой и А.Б. Шмакиным (2006) показано, что
современное потепление с середины 1970-х гг. связано с усилением зонального переноса при положительной фазе индекса МАО, который в этот период играл основную роль в колебаниях температуры. До середины 1970-х гг. существенную роль в колебаниях температуры, согласно этой работе, играли процессы блокирования зонального переноса. Серрезе с соавторами (2000) утверждает, что потепление в Северной полярной области связано с изменениями циклонической активности. Авторами установлено, что циклоническая активность увеличилась к северу от 60°с.ш., начиная с середины 1960-х гг., как в холодный, так и в теплый сезоны, и уменьшилась в широтном поясе 30-60°с.ш. При этом увеличение циклонической активности в высоких широтах в холодный период является наиболее выраженным и прогрессирующим с начала 1980-х гг. и приблизительно совпадает с наиболее выраженным трендом увеличения температур в Северном полушарии.
Хуррелл (НиггеП, 1996) показал, что почти половина изменений температуры в зимний период в Северном полушарии может быть связана с изменением индексов СевероАтлантического колебания (32 %) и Южного колебания (16 %). И.И. Моховым с соавторами (2000а) установлена связь аномалий приземной температуры с динамикой центров действия атмосферы Северного полушария. Доказана связь эволюции межгодовой климатической изменчивости с явлениями Эль-Ниньо /Ла-Нинья (Мохов и др., 2000б; Груза и др., 1999).
Наименее исследован вопрос связи изменений в облачности и температуре, основанной на фактических данных о состоянии облачности, хотя такая связь весьма существенна для понимания изменений в климате.
Применительно к территории России этот вопрос изучался Б.Г. Шерстюковым (2008). В
работе использованы данные о температуре воздуха, относительной влажности воздуха и количества общей облачности по 1600 станциям России за 1976-2005 гг. По этим данным были сформированы 73 пентадных 30-летних ряда, полученные осреднением 5-суточных данных, и рассмотрены корреляции полученных таким образом рядов температуры и облачности. Установлено, что в зимний период положительные тренды количества общей облачности соответствуют положительным трендам температуры воздуха и наоборот. Это объясняется тем, что в холодный период года температурный режим атмосферы регулируется преимущественно в результате изменения потока уходящей длинноволновой радиации земли и нижней атмосферы. В теплый период года соотношение трендов количества облачности и температуры воздуха обратное. В теплое полугодие температурный режим атмосферы формируется приходящей коротковолновой солнечной радиацией. Поэтому, когда облачность экранирует приходящую коротковолновую радиацию, температура воздуха понижается. В этих условиях тренды количества общей облачности и температуры воздуха оказываются разнонаправленными.
Таким образом, вопрос о физических механизмах формирования мезомасштабной изменчивости температуры на территории АТР требует значительных дополнительных исследований.
Представляется, что динамика поля давления определяется динамикой центров действия атмосферы Северного полушария: Исландского и Алеутского минимумов, летней Азиатской депрессией и зимним Сибирским максимумом. Уменьшение давления вдоль побережья Арктических морей, по-видимому, связано с уменьшением давления в центральной Арктике в период 1979-1994 гг. (Walsh et al. 1996).
Оценка изменчивости осадков затруднена тем обстоятельством, что поле осадков во многом имеет дискретный характер, особенно
в теплый период года, и для надежных оценок трендов требуется интервал времени больший, чем рассмотренный в настоящей работе.
Список литературы
Анисимов О.А., Нельсон Ф.Э., Павлов А.В. (1999) Прогнозные сценарии эволюции криоли-тозоны при глобальных изменениях климата в XXI веке // Криосфера Земли. 3(№ 4): 15-25.
Будыко М.И. (1980) Климат в прошлом и будущем. Л.: Гидрометеоиздат, 350 с.
Бышев В.И., Коннова Н.К., Нейман В.Г., Романов Ю.А. (2002) Особенности динамики климата Северного полушария в XX столетии //Доклады Академии наук. 384(№ 5): 674681.
Вакуленко Н.В., Монин А.С., Шишков Ю.А. (2000) Об изменениях общей циркуляции атмосферы в XX веке //Доклады Академии наук. 371(№ 6): 802-805.
Виноградова Г.М., Завалишин Н.Н., Кузин В.И. (2000) Изменчивость сезонных характеристик климата Сибири в течение XX века //Оптика атмосферы и океана, 13(№6-7): 604617.
Груза Г.В., Ранькова Э.Я., Клещенко Л.К., Аристова Л.И. (1999) О связи климатических аномалий на территории России с явлением Эль-Ниньо-Южное колебание //Метеорология и гидрология. 5: 32-50.
Груза Г.В., Ранькова Э.Я. (2003) Колебания и изменения климата на территории России // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 39(№2): 166-185.
Груза Г.В., Ранькова Э.Я. (2006) Наблюдаемые изменения современного климата. Возможности предотвращения изменения климата и его негативных последствий. Проблема Киотско-го протокола. М: Наука, с. 60-74.
Густокашина Н.Н. (2003) Многолетние изменения основных элементов климата на территории Предбайкалья. Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 107 с.
Дюкарев Е.А., Ипполитов И.И., Кабанов М.В., Логинов С.В. (2006) Изменение климата азиатской территории России во второй половине XX столетия: сравнение данных наблюдений реанализов //Оптика атмосферы и океана. 19(№ 11): 934-940.
Ершов Э.Д., Максимова Л.Н., Медведев А.В. и др. (1994) Реакция мерзлоты на изменения климата //Геоэкология. 5: 11-24.
Зукерт Н.В., Замолодчиков Д.Г. (1997) Изменение температуры воздуха и осадков в тундровой зоне России //Метеорология и гидрология, 8: 45-52.
Ипполитов И.И., Кабанов М.В., Комаров А.И., Кусков А.И. (2004) Современные природно-климатические изменения в Сибири: ход среднегодовых приземных температур и давления // География и природные ресурсы. 3: 90-96.
Израэль Ю.А., Павлов А.В., Анохин Ю.А. (2002) Эволюция криолитозоны при современных изменениях глобального климата //Метеорология и гидрология. 1: 22-34.
Климат России. (2001) Под ред. Н.В. Кобышевой. СПб.: Гидрометеоиздат, 655с.
Мелешко В.П., Мирвис В.М., Говоркова В.А. (2007) Насколько наблюдаемое потепление климата России согласуется с расчетами по объединенным моделям общей циркуляции атмосферы и океана? //Метеорология и гидрология. 10: 5-19.
Мелешко В.П., Катцов В.М., Мирвис В.М., Говоркова В.А., Павлова Т.В. (2008) Климат России в XXI веке. Часть 1. Новое свидетельство антропогенного изменения климата и современные возможности его расчета //Метеорология и гидрология. 6: 5-19.
МГЭИК, 2007: Изменение климата, 2007 г.: Обобщающий доклад. Вклад рабочих групп I, II и III в Четвертый доклад об оценке межправительственной группы экспертов по изменению климата [Пачаури, Р.К., Райзингер А., и основная группа авторов (ред.)]. МГЭИК, Женева, Швейцария, 104 с.
Мохов И.И., Елисеев А.В., Хворостьянов Д.В. (2000а) Эволюция межгодовой климатической изменчивости, связанной с явлениями Эль-Ниньо/Ла-Нинья //Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 36(№ 6): 741-751.
Мохов И.И., Петухов В.К. (2000б) Центры действия в атмосфере и тенденция их изменения. Известия РАН //Физика атмосферы и океана. 3: 321-329.
Мэйндоналд Дж. (1988) Вычислительные алгоритмы в прикладной статистике: Пер с англ./ Под ред. Е.З. Демиденко. М.: Финансы и статистика, 350 с.
Павлов А.В. (2000) Теплоперенос в природных комплексах севера России //Криосфера Земли. 4(№ 4): 22-31.
Павлов А.В., Малкова Г.В. (2005) Современные изменения климата на севере России. Новосибирск: Гео, 52 с.
Перельштейн Г.З., Павлов А.В., Буйских А.А. (2006) Изменение криолитозоны в условиях современного потепления климата //Геоэкология. 4: 305-312.
Попова В.В., Шмакин А.Б. (2006) Циркуляционные механизмы крупномасштабных аномалий температуры воздуха зимой в Северной Евразии в конце XX столетия //Метеорология и гидрология. 12: 15-25.
Росгидромет, 2008: Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Том I. Изменение климата. Росгидромет, Москва. 227 с.
Шерстюков Б.Г. (2008) Региональные и сезонные закономерности изменений современного климата /ГУ «ВНИИГМИ-МЦО», Обнинск, 246 с.
Hurrell J.W. (1996) Influence of Variations in Extratropical Wintertime Teleconnections on Northern Homisphere Temperature. Geoph. Res. Lett. 23: 665-668.
Cressie N.A.C. (1990) The Origins of Kriging. Mathematical Geology, 22: 239-252.
IPCC, 2001: Climate Change 2001. The Scientific Basis, Contribution of Working Group 1 to the Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) / J. T. Houghton, Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P. J. van der Linden and D.
Xiaosu (Eds.) Cambridge University Press, UK. 944 р.
Serreze M.C., Walsh J.E., Chapin III F.S., Osterkamp T., Dyurgerov M., Romanovsky V., Oechel W. C., Morison J., Zhang T. and Barry R. G. (2000) Observational evidence of recent change in the northern high-latitude environment // Climate Change, 46: 159-207.
Walsh I.E., Chapman W.L., Shy T.L. (1996) Recent Decrease of Sea Level Pressure in the Central Arctic. J. Climate. 9: 480-486.
Structure and Dynamic of Meteorological Fields on the Asian Region of Russia in the Period of the Global Warming for 1975-2005
Ivan I. Ippolitov, Mikhail V. Kabanov, Sergey V. Loginov and Elena V. Kharyutkina
Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems (IMCES) SB RAS
10/3 Akademichesky, Tomsk, 634055 Russia
In this study for the Asian region of Russia (ARR) using observation data of1975-2005 the analysis of temperature, pressure and precipitation fields was done. As average fields of these values, as fields of its linear trends for selected time interval were calculated. It is established that for 1975-2005 it was the warming on this territory during all calendar months of year, except December. The consistent estimates of the warming trends, averaged by territory, for March, May-August and October with magnitudes of trends, averaged by territory, in the interval from 0,37 to 0,65 °C/10 years were obtained. Change of average annual magnitudes of temperature was 0,34 °C/10 years with standard deviation of 0,20 °C/10 years. The pressure field is characterized by negative trends during all months, except July, August, November and December, when change is absent (July, August) or it is weakly positive (November, December). For average annual pressure the estimate was found-0,22 hPa/10 years with standard deviation 0,17 hPa/10 years.
The tendency to the reduction of precipitation in some calendar months and for the year in general was established, but the magnitudes of trends do not exceed its standard deviations.
Keywords: regional climate, meteorological fields, climate change.
