CC BY
223
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 551.582, 551.583
ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В МУРМАНСКЕ С НАЧАЛА XIX ВЕКА
В.И. Демин1, А.Р. Анциферова2, О.И. Мокротоварова2
Молярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты
2Мурманское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
Аннотация
С помощью процедуры приведения коротких рядов к длинным по станциям-аналогам восстановлены сезонные и среднегодовые температуры в городе Мурманске в период 1802-1934 гг. Это позволило значительно удлинить существующий с 1935 г. ряд измерений в Мурманске и провести анализ климатических изменений за 211 лет. Долговременная тенденция к потеплению проявляется во все сезоны. Численное значение скорости этого потепления сильно зависит от выбранного для анализа временного интервала, так как изменение макроциркуляционных процессов и смена циркуляционных эпох сильно искажают имеющийся тренд в масштабах десятилетий. Зимние температуры достигли своих наибольших значений в 1930-е гг., в последующие десятилетия они снижались. Новый подъем температуры начался с 1980-х гг., но ее современные значения все равно не превышают уровня предыдущего потепления. Средние за последние 10-30 лет весенние, летние и осенние температуры в Мурманске -наиболее высокие за весь рассматриваемый период.
Ключевые слова:
Мурманская обл., климат, изменение климата, статистическая климатология.
Введение
Последние десятилетия XX в. и начало XXI в. на территории Мурманской обл. характеризуются значительными изменениями климатических параметров относительно их значений, рассчитанных по периоду 1961-1990 гг. (базовый период при описании современного климата или климатическая норма «1961-1990»). Например, за прошедшие с 1991 г. 23 года превышение среднегодовой температуры в Мурманске отмечено в 21 случае. Это, безусловно, можно было бы рассматривать как беспрецедентное по скорости потепление, если бы результаты оценок не зависели в значительной степени от длины выбранного для анализа временного интервала. Например, современные температуры в регионе явно выше климатических норм «1961-1990 гг.», в то же время они не являются исключительно высокими по сравнению с температурами, имевшими место в период предыдущего потепления, достигшего пика в 1930-е гг. [1]. Кроме того, в температурных рядах заметно присутствие циклических колебаний, выражающихся в чередовании периодов потепления и похолодания, происхождение которых - предмет острой дискуссии. Существенную трудность создает и непродолжительность метеорологических наблюдений как в Арктике, так и в глобальном масштабе. Например, инструментальные измерения температуры воздуха в регионе начинаются только с конца XIX века, а продолжительность климатически однородных рядов еще много меньше. Тем не менее, в ряде случаев удается оценить климатические ресурсы прошлого методом приведения коротких рядов к длительным сериям.
Материал и методика исследований
Первые метеорологические наблюдения на Кольском п-ове начались в 1843 г. на побережье Белого моря на Терско-Орловском маяке. Наблюдения проводились с перерывами по 1865 г. Однако данные за указанный период считаются малонадежными [2] и не представлены в климатических архивах. В 1863-1865 гг. наблюдения проводились на Святоносском маяке.
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
113
Изменение температуры воздуха в Мурманске с начала XIX века
Непродолжительность измерений и отсутствие информации о приборах и их установке сводит ценность наблюдений практически к нулю (возобновлены на маяке Святой Нос в 1895 г.).
Самая ранняя и длительная серия измерений области имеется в г. Кола - с 1878 г. С 1896 г. начаты измерения температуры на Терско-Орловском маяке, с 1894 г. - на маяке в Вайда-Губе, с 1896 г - в Ковде, с 1899 г. - в Печенге, в п. Ловозеро и г. Полярный (Александровск).
К сожалению, все указанные гидрометеорологические станции (ГМС) в последующие годы были или закрыты, или перенесены в другое место (часто под старым названием), что, как правило, вело к нарушению климатологической однородности. Метеорологические наблюдения в Мурманске начались в 1918 г. на территории торгового порта (64 м н.у.м.). В 1924 г. станция перенесена на 1.5 км к юго-востоку от прежнего положения с изменением высоты (21 м н.у.м.). В 1935 г. - на мыс Халдеев (51 м н.у.м.) [3]. Таким образом, за период метеорологических наблюдений в Мурманске изменилась не только высота метеорологической площадки, но, самое главное, ее положение относительно Кольского залива, заметное влияющего на температурный режим прибрежных территории. В зимнее время залив - огромный резервуар тепла, оказывающий отепляющее воздействие на прибрежные территории, а летом он же выступает в роли охладителя.
С 1935 г. метеорологическая площадка сохраняет свое положение и, несмотря на последующую застройку окружающих территорий, ее температурный ряд с этого момента считается климатически однородным* [3]. ГМС «Мурманск» включена в Глобальную систему наблюдений за климатом (ГСНК).
Температурный ряд по городу Мурманску доступен для климатической обработки с 1935 г., однако существует возможность оценить климатические условия города и в более ранний период. Так, например, в «Справочнике по климату СССР» [4] представлены среднемесячные температуры Кольского п-ова периода 1881-1960 гг., который считался базовым для климатического описания территории СССР до 1990 г. Для станций с наблюдениями, начавшимися позднее 1881 г. (в т.ч. и на ГМС «Мурманск», Халдеев мыс), при составлении «Справочника по климату» методом разностей было выполнено приведение к единому периоду (1881-1960 гг.). Среднемесячные температуры T этого периода для пунктов с неполным рядом наблюдений рассчитывались по формуле
T =Ган+ДТ,
где Тан - среднемесячные значения на станции-аналоге (ближайшая станция с полным рядом наблюдений), ДТ - средняя разность среднемесячных температур на приводимой станции и станции-аналоге за период их параллельных наблюдений [5, 6].
В основе такого приведения лежит значительная синхронность колебаний среднемесячной (и тем более сезонной) температуры, обусловленная связанностью крупномасштабных атмосферных процессов на расстояниях, часто достигающих сотен километров. Эта связь процессов определяет большую устойчивость разностей или отношений соответствующих метеорологических элементов на соседних станциях. Вариации среднегодовой температуры в городах Мурманск и Хапаранда (Швеция), удаленных друг от друга почти на 500 км, показаны на рис. 1.
Другой метод приведения - построение уравнения регрессии между исследуемой метеорологической станцией и станцией-аналогом (обладающей большей длиной ряда) по данным, полученным за период их совместной работы, и последующий расчет по найденному выражению значений на искомой станции в отсутствующие годы по их значениям на станции-аналоге.
Климатически однородным считается ряд, характеристики которого меняются только в соответствии с естественной изменчивостью макропроцессов, оказывающих влияние на погоду и климат данного региона, не содержат эффектов, вызванных сменой методики производства измерения, типа измерительного прибора, а также переносом измерительной площадки или неестественным изменением окружающей местности (прим. авт).
114
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
В.И. Демин, А.Р. Анциферова, О.И. Мокротоварова
Связь сезонных температур в Мурманске и Коле представлена на рис. 2. Выделение сезонов на Кольском п-ове проведено по классификации, предложенной Б.А. Яковлевым [3]: зима - ноябрь-март, весна - апрель-май, лето - июнь-август, осень - сентябрь-октябрь.
Рис. 2. Связь средних зимних (а), весенних (б), летних (в), осенних (г) температур в Коле (t%) и Мурманске (їм). Зимние температуры взяты до 1965 г. (перенос метеорологической площадки в Коле)
Коэффициенты корреляции сезонных температур между Колой и Мурманском очень высоки - от 0.996 до 0.998, а среднеквадратичная ошибка (СКО) не превышает 0.1 °С. Таким
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
115
Изменение температуры воздуха в Мурманске с начала XIX века
образом, температурный ряд по Мурманску можно весьма надежно восстановить до 1878 г. по данным измерений в Коле.
При любом приведении ряды по станции-аналогу и по приводимой станции должны быть климатически однородными. В этой связи не представляется возможным использовать для реконструкции климатических условий Мурманска температурный ряд по Архангельску, где наблюдения начались в 1813 г., так как этот «единый» (под одним именем) ряд в действительности составлен из серий измерений, проводимых в разных местах города и по разным методикам. Несмотря на то, что температурные данные по Архангельску можно обнаружить в открытых базах климатических центров, их гомогенизацией (устранением климатической неоднородности) никто не занимался, и, учитывая, что часть данных получена по термометрам, размещенным на окнах или стенах домов [7], такая процедура представляется практически невозможной.
Ряд в городе Коле, как уже было сказано выше, - самый ранний из всех имеющихся на Кольском п-ове. Однако в последние десятилетия в связи с актуальностью проблемы климатических изменений выполнена гомогенизация длинных температурных рядов на севере Скандинавии. Например, в Вардё (Норвегия), расположенном примерно в 160 км к северо-западу от Мурманска, метеорологические наблюдения начались еще в 1829 г., а непрерывный ряд имеется с 1840 г. История метеорологических наблюдений в Вардё и процедура гомогенизации приведены в работе [8]. Однородный ряд данных предоставлен Норвежским метеорологическим институтом (Norwegian Meteorological Instutute).
Корреляция зимних, весенних, летних, осенних и среднегодовых температур между Мурманском и Вардё составляет 0.93, 0.94, 0.93, 0.95 и 0.94 соответственно.
Более длительный температурный ряд получен для Торнедалена, расположенного на границе Финляндии и Швеции и удаленного от Мурманска на 500 км. Он составлен из наблюдений в г. Хапаранда (с августа 1859 г.), а к 1802 г. продлен по сериям параллельных наблюдений 1802-1862 гг. в Хапаранде, Overtomea и Kalix. Данные и описание процедуры их получения приведены в статье [9]. Корреляция зимних, весенних, летних, осенних и среднегодовых температур в городах Торнедалене и Мурманске за период параллельных измерений составляет 0.91, 0.84, 0.68, 0.91 и 0.90 соответственно.
Таким образом, существует возможность продления температурного ряда в Мурманске к 1878 г. по наблюдениям в Коле, до 1840 г. по рядам в Вардё и Торнедалене (мультирегрессией), а к 1802 г. (1802-1839 гг.) по наблюдениям в Торнедалене.
Возможность использования данных рядов Вардё и Торнедалена проверена с помощью критериев для выбора станций-аналогов [10, 11]:
n > 6-10, r > Акр, к/щ > Вкр,
где n - число лет с параллельными наблюдениями, r - коэффициент парной или множественной корреляции между значениями метеорологической величины в приводимом пункте и их значениями в пункте-аналоге; Акр - критическое значение коэффициента корреляции (обычно задается > 0.7); к - коэффициент уравнения регрессии, ok - его средняя квадратичная погрешность; Вкр - критическое значение отношения k/ok (обычно задается > 2).
Все перечисленные условия в построении регрессий «Мурманск - Кола» и «Мурманск -Вардё + Торнедаллен» выполнены. Несколько хуже обстоит дело с корреляцией летних температур в городах Мурманск и Торнедален. Но приведение становится возможным и в этом случае, так как коэффициент корреляции летних температур в Торнедалене и Мурманске после продления к 1878 г. по Коле уже более 0.71 (многоступенчатое приведение [6]).
Использование регрессионных связей предполагает, что температурный режим конкретного года в Мурманске будет восстановлен с некоторой ошибкой. В случае приведения по близко расположенной метеостанции «Кола» СКО всего около 0.1 °С. Однако при восстановлении ряда в Мурманске мультирегрессией по Вардо и Торнедалену СКО для зимних, весенних, летних и осенних температур достигает 0.90, 0.48, 0.47, 0.34 °С
116
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
В.И. Демин, А.Р. Анциферова, О.И. Мокротоварова
соответственно, а только по Торнедалену - 0.78, 0.85, 0.94 и 0.62 °С. Но, во-первых, эта ошибка не скажется на долговременном тренде, а, во-вторых, климат описывается как среднее значение некоторых параметров за многолетний период (как правило, от 30 лет и более). Так как СКО
арифметического среднего за n лет в \fn раз меньше ошибки одного восстановления, точность оценки климатических ресурсов в виде среднего значения за многолетний период существенно возрастает.
Безусловно, все последние рассуждения подходят только для случая, когда измерения на станциях-аналогах полностью корректны. А уверенности в этом, к сожалению, нет. Так, например, ряд по Торнедалену считается довольно качественным до 1832 г. [9]. Более ранние данные (в первую очередь летние температуры) менее надежны, что вызвано, как предполагается, недостатками радиационной защиты термометра и малыми перекрытиями рядов со станций, использованных при восстановлении ряда по Торнедалену. Тем не менее, других таких же длинных рядов в регионе нет, следовательно, нет возможности более качественно оценить климатические условия региона начала XIX в., кроме как воспользоваться существующими рядами инструментальных измерений.
Результаты и обсуждение
На рис. 3 представлены изменения среднесезонных и среднегодовых температур в Мурманске в период с 1802 г.; проведено 10-летнее сглаживание, отмечены СКО восстановленных данных. Г оризонтальные линии соответствуют средним значениям температур за период 1802-1880 гг., климатическим нормам «1881-1960 гг.» и «1961-1990 гг.», а также средним многолетним значениям за период 1980-2010 гг. Отметим, что значения, рассчитанные за период 1981-2010 гг., в настоящее время широко используются рядом климатических центров вместо норм «1961-1990 гг.», которые признаются устаревшими. Численные значения среднесезонных и среднегодовых температур в Мурманске, рассчитанных для периодов 1802-1880 гг. и 1981-2010 гг., климатические нормы 1881-1960 гг. [4] и 1961-1990 гг. представлены также в таблице.
Средние сезонные и годовые температуры в Мурманске для различных периодов
Период Средняя температура, °С
Зима Весна Лето Осень Год
1802-1880 -9.7 -0.2 10.6 3.1 -0.9
1881-1960 -8.0 0.7 10.6 3.2 0.0
1961-1990 -8.5 1.1 10.9 3.8 0.1
1981-2010 -7.6 1.7 11.1 4.2 0.6
1984-2013 -7.5 1.9 11.3 4.4 0.8
1994-2013 -7.3 2.0 11.4 4.7 1.0
2004-2013 -6.8 2.9 11.8 5.2 1.5
Примечание. Для периодов 1881-1960 и 1961-1990 гг. приведены официальные климатические нормы (выделено жирным шрифтом).
Долговременная тенденция к повышению температуры проявляется во все сезоны: ХХ век заметно теплее XIX века (рис. 3).
Вместе с тем, это потепление не монотонно: периоды потепления неоднократно сменялись периодами похолодания. В температурном ряду прослеживаются признаки присутствия квазициклических колебаний, природа которых остается неустановленной. Из-за наличия циклов потепления и похолодания представить долговременный тренд в виде численного значения довольно сложно, так как результат в значительной степени зависит от выбранного для анализа временного интервала (а именно от того, на какой участок цикла попадает начало ряда). Если,
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
117
Изменение температуры воздуха в Мурманске с начала XIX века
например, ограничиться при анализе последним 50-летним периодом (сравнивая современные значения температур с нормами «1961-1990 гг.), то начало такого ряда придется на период относительного похолодания (рис. 3), а его окончание - на период последнего потепления, начавшийся со второй половины 1980-х гг. В результате скорость потепления окажется сильно увеличенной. Скорости изменения температур для данного периода составляют 0.39, 0.44, 0.18 и 0.30 °С/10 лет для зимы, весны, лета и осени соответственно. Для сравнения: скорости изменения сезонных температур на территории Мурманской обл. в период 1961-2007 гг. равны 0.4, 0.3, 0.2, 0.2 °С/10 лет [12]). Очевидно, что все эти значения чрезвычайно высоки, так как в переводе на 100 лет речь пойдет уже о градусах, а не их десятых.
Рис. 3. Вариации средних сезонных и среднегодовой температуры в Мурманске с 1802 г. по 2013 г. и их сглаживание 10-летним фильтром:
а - зима, б - весна, в - лето, г - осень, д - год. Серой заливкой отмечена СКО приведенных данных. Горизонтальные красные соответствуют средним многолетним температурам для периодов 1802-1880, 1881-1960, 1961-1990 и 19812010 гг.
118
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
В.И. Демин, А.Р. Анциферова, О.И. Мокротоварова
Если воспользоваться рядом с 1935 г. - начало наблюдений в Мурманске на Халдеевом мысе, то значения сезонных трендов составят 0.05, 0.21, 0.03, 0.13 °С/10 лет. Для ряда 1878-2013 гг. (а до 1878 г. значения температуры в Мурманске восстанавливаются весьма надежно по Коле) - 0.07, 0.12, и 0.14 °С/10 лет. Наконец, по всему ряду 1802-2013 гг. тренд у зимних, весенних, летних и осенних температур - 0.14, 0.11, 0.04 и 0.06 °С/10 лет. В зависимости от выбранного интервала численные значения трендов могут отличаться многократно.
Сравнивая обнаруженные тренды с изменениями глобальной температуры [13], можно предположить, что полученное по 200-летнему ряду потепление с характерной скоростью порядка 0.5-1.5 °С/100 лет, по всей видимости, отражает общую тенденцию к потеплению глобального климата (ее скорость несколько увеличена в полярных широтах). Однако при таких скоростях вклад глобального потепления в изменения региональной температуры в масштабах нескольких десятилетий очень мал. На коротких временных интервалах данный тренд сильно маскируется другими факторами, вызывающими вариации температуры.
Известно, например, что в общей циркуляции атмосферы существуют периоды, когда повторяемость одного из макропроцессов или группы макропроцессов заметно превышает свои многолетние значения - так называемые циркуляционных эпохи. Их продолжительность составляет от 10 до 30 лет (по Г.Я. Вангейнгейму) и 25-30 лет по Б.Л. Дзердзеевскому [14]. Каждой такой эпохе соответствует определенный фон циркуляции и определенный режим погоды в различных районах [15]. И каждая такая эпоха создает длительную тенденцию одного знака в многолетних изменениях характеристик атмосферы.
В работах [3, 16] показано, что в Мурманске во все сезоны разность средних температур, наблюдаемых при той или иной форме циркуляции, может достигать нескольких градусов. Установление в циркуляционном режиме долговременного периода с аномальным (по сравнению с многолетней нормой) развитием той или иной формы циркуляции (так называемых циркуляционных эпох) может привести к появлению и соответствующих аномалий в поле температуры. Так, в результате вмешательства циркуляционных факторов вместо более или менее монотонного изменения температуры получаются волны потепления и похолодания. В этой связи становится очевидной опасность заключений о климатических изменениях по коротким рядам данных (не содержащим в себе несколько циркуляционных эпох).
Представлены аномалии среднесезонных температур в период 1802-2013 гг.: от средних значений за 100-летний период 1881-1980 гг. (рис. 4). Изменения температуры в разных сезонах не всегда идут с одинаковым знаком: потепление одного сезона не обязательно сопровождается потеплением других (рис. 5). Это затрудняет выделение единых периодов потепления и похолодания. Такое несовпадение знаков сезонных тенденций может указывать на их циркуляционную обусловленность, так как даже один и тот же макроциркуляционный процесс в разные сезоны года может вызывать разные по знаку аномалии температуры. Так, например, при зональном переносе на Кольский п-ов поступает морской воздух, который зимой из-за предварительного прогрева над незамерзающей акваторией будет вызывать потепление, а летом и осенью - относительно прохладную погоду. Усиление такого макропроцесса в одну из циркуляционных эпох, очевидно, по-разному отразится и на температурных тенденциях отдельных сезонов. Вместе с тем, объяснить все изменения температуры в регионе только сменой макроциркуляционных процессов не удается -современное потепление наблюдается при всех формах макропроцессов [16].
Характер потепления в период с 1802 г. различается для верхних и нижних квартилей температуры (рис. 4). В зимнее время более заметен рост верхних квантилей, весной - нижних. Потепление летом более выражено за счет положительных трендов экстремально теплых случаев. Потепление осенью для разных квантилей примерно одинаковое. Если считать, что увеличение разности верхних и нижних квантилей служит мерой вариабельности климата, то можно говорить о некотором росте его экстремальности за рассматриваемый период.
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
119
Изменение температуры воздуха в Мурманске с начала XIX века
Рис. 4. Процесс-диаграммы для трендов сезонных температур в Мурманске (заливкой отмечена область СКО)
Рис. 5. Аномалии сезонных температур в Мурманске (от средних значений 1881-1980 гг.) после 10-летнего сглаживания: 1 - зима, 2 - весна, 3 - лето, 4 - осень
Сезонные температуры в городе Мурманске представлены после 10, 20 и 30-летнего сглаживания (рис. 6) по схеме:
t'n=(tn+tn-i + ...+tn.m+\)/m, m=10.
Проведены линии, соответствующие средней сезонной (годовой) температуре за последние 10, 20 и 30 лет для периодов 2004-2013, 1994-2013, 1984-2013 гг. соответственно. Данный прием позволяет сравнить температуру последних 10, 20, 30 лет с температурой за аналогичные по длине периоды времени в прошлом.
Зимние температуры достигли своих максимальных значений в 1930-е гг., а в последующий период они даже несколько снизились (рис. 3, 6). Их новое повышение
120
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
В.И. Демин, А.Р. Анциферова, О.И. Мокротоварова
началось с 1980-х гг., но они все равно еще не превысили уровня предыдущего потепления. По этой причине наблюдаемое с 1980-х гг. потепление зимних сезонов выглядит впечатляющим, только если ограничиваться последним 40-50-летним интервалом. Вместе с тем, зимние температуры ХХ в. заметно выше значений, характерных для XIX столетия.
Рис. 6. Вариации средних сезонных (а - зима, б - весна, в - лето, г - осень) и годовых (д) температур в Мурманске после 10-летнего (а1, б1, в1, г1, д1), 20-летнего (а2, б2, в2, г2, д2) и 30-летнего (а3, б3, в3, г3, д3) сглаживания. Горизонтальной красной чертой отмечена средняя температура сезона или года последнего 10, 20, 30-летия (буквенный индекс 1, 2 и 3 соответственно)
Современные летние температуры также не являются исключительными (рекордными) в абсолютном значении (рис. 3в), такие температуры отмечались и в прошлом. Однако теплые
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
121
Изменение температуры воздуха в Мурманске с начала XIX века
сезоны стали наблюдаться более часто. За счет этого летняя температура, рассчитанная как среднее значение за последние 10, 20 и 30 лет, оказывается наибольшей среди всех возможных 10-, 20- и 30-летних интервалов рассмотренного периода (рис. 6в). Довольно впечатляющим выглядит повышение весенних и осенних температур: последние 10-летия описанных сезонов также оказались самыми теплыми (рис. 6б, г).
Вследствие роста сезонных температур среднегодовая температура также заметно выросла и достигла наиболее высоких значений за прошедшие два столетия (рис. 6д).
Потепление весенних и осенних температур привело к заметному сдвигу климатических сезонов. Переход среднесуточной температуры через 0 °С весной в последние 30 лет происходит на 11 дней раньше, чем это имело место в период 1802-1880 гг., а обратный переход к отрицательным значениям осенью задерживается на неделю (рис. 7). На 2 недели удлинился и период со среднесуточной температурой выше 5 °С. Продолжительность периода со среднесуточной температурой выше 10 °С, с которым, в частности, ассоциируется летний сезон, практически не изменилась.
В данной работе для реконструкции температуры использованы измерения, выполненные на расположенной в черте города ГМС «Мурманск». В этой связи возникает вопрос о том, насколько ее показания корректно отражают тенденции прилегающих территорий. Известно, что воздух в городской застройке (называемой городским «островом тепла») обычно теплее, чем в окружающей сельской (фоновой) местности. В общем виде городской «остров тепла» представляет собой сильный температурный градиент на границе города и более слабое повышение температуры к его центральной части [17]. Интенсивность и размеры данного явления изменяются во времени и пространстве под влиянием метеорологических условий, местных особенностей и характеристик города.
Чтобы ответить на вопрос о том, насколько температурное поле в районе ГМС «Мурманск» искажено городским «островом тепла», сравним долговременные изменения сезонных температур в Мурманске с изменениями температуры на ГМС «Полярное», расположенной в схожих климатических условиях (один и тот же климатический район [3]) в 30 км от Мурманска, на берегу Кольского залива. ГМС «Полярное» с 1913 г. находится на пустынном Екатерининском острове вне городской застройки, к северу от г. Полярный, и отделена
122
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
В.И. Демин, А.Р. Анциферова, О.И. Мокротоварова
от города проливом. Главное, что за период с 1915 г. - начала строительства Мурманска -численность населения в Мурманске и Полярном менялась с совершенно разной скоростью (рис. 8а). Это важно, так как интенсивность городского «острова тепла» прямо пропорциональна числу городских жителей [17]. Появление «острова тепла» диагностируется по увеличению разности показаний между ГМС, расположенной в черте города, и ГМС, находящейся в фоновых условиях (так называемый «ползучий» тренд).
Рис. 8. Изменение населения в городах Полярный (а1) и Мурманск (а2) и разность среднесезонных температур на ГМС «Мурманск» и «Полярное» (б), осредненная по десятилетиям: 61 - зима, 62 - весна, 63 - лето, 64 - осень
Несмотря на значительный рост городов, разность сезонных температур на указанных ГМС увеличилась только весной и осенью и на величину не более чем 0.1 °С (рис 8б). При этом увеличение разности плохо согласуется с ростом населения. Обращает внимание отсутствие потепления на ГМС «Мурманск» по сравнению с ГМС «Полярное» в зимний период. Известно, что загрязнение воздуха в городе (малые газовые компоненты, водяной пар, аэрозоли) задерживают уходящее длинноволновое излучение. При отрицательном радиационном балансе подстилающей поверхности и более интенсивных потоках антропогенного тепла в зимний период разность температур между городской станцией и фоновой в этом случае должна была увеличиться. Не прослеживается четко и увеличение разности летом, когда в период полярного дня, при продолжительной инсоляции, тепло должно более интенсивно накапливаться внутри городской застройки из-за большей площади поглощающей поверхности.
Повышение разности температур только в весенние и осенние сезоны и на довольно незначительную величину (не более 0.1 °С) за 100-летний период (1915-2014 гг.) довольно плохо
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
123
Изменение температуры воздуха в Мурманске с начала XIX века
вписывается в известную картину городского «острова тепла». Это позволяет говорить об отсутствии убедительных признаков искажения сезонных температур на ГМС «Мурманск» городским «островом тепла».
Такое утверждение, безусловно, нельзя рассматривать как отрицание существования в Мурманске «острова тепла», который, например, может быть более выражен в других районах города. Отсутствие эффекта в районе положения ГМС «Мурманск» может быть вызвано как особенностями положения ГМС «Мурманск» (на окраине сильно вытянутого города с его наветренной стороны, в то время как сам «остров» преимущественно сдвигается по направлению ветра), так и небольшой повторяемостью сочетания метеорологических условий, способствующих проявлению «острова тепла» в районе ГМС (значительная облачность, низкая повторяемость штилей, сильный ветровой режим, уменьшающий разность между районами города и пригородами). Таким образом, измерения на ГМС «Мурманск» достаточно репрезентативны для климатологических задач.
Следует отметить, что «остров тепла» более отчетливо проявляется при слабом ветре и безоблачном небе, когда загрязненный воздух сильнее задерживает уходящее длинноволновое излучение и различие в выхолаживании города и сельской местности проявляется наиболее отчетливо. Однако точно такие же условия способствуют и проявлению микроклиматических особенностей, обусловленных неоднородностью подстилающей поверхности, величина которых измеряется многими градусами [18, 19]. По этой причине задача отделения «острова тепла» в Мурманске от эффектов, вызванных сложным рельефом города и тепловым воздействием на прилегающие территории Кольского залива в разных частях города, представляется довольно трудной и пока не решенной.
Выводы
С помощью процедуры приведения коротких рядов к длинным по станциям-аналогам восстановлены сезонные и среднегодовые температуры в городе Мурманске в период 1802-1934 гг. Это позволило значительно удлинить существующий с 1935 г. ряд измерений в Мурманске и провести анализ климатических изменений за 211 лет.
По реконструированному ряду долговременная тенденция к потеплению проявляется во все сезоны. Численное значение скорости этого потепления сильно зависит от выбранного для анализа временного интервала, так как изменения макроциркуляционных процессов и смена циркуляционных эпох сильно искажают имеющийся тренд в масштабах десятилетий вплоть до появления циклов потепления и похолодания.
Изменения температуры в разных сезонах не всегда идут в одной фазе. Наибольшие вариации за рассмотренный период у зимних и весенних температур, наименьшие - у летних. Зимние температуры достигли своих наибольших значений в 1930-е гг., а в последующие десятилетия они снижались. Новый подъем температуры начался с 1980-х гг., но ее современные значения все равно не превзошли уровня предыдущего потепления. Средние за последние 10-30 лет весенние, летние и осенние температуры в Мурманске наиболее высокие за весь рассматриваемый период.
За счет роста весенних и осенних температур произошло сокращение зимнего сезона. Продолжительность летнего сезона практически не изменилась.
При сравнении долговременных изменений температуры на ГМС «Мурманск» с ее вариациями на ГМС «Полярное», расположенной в схожих климатических условиях в 30 км от Мурманска, четко выраженных признаков городского «острова тепла» в Мурманске не обнаруживается. По крайней мере, «остров тепла» не прослеживается в поле сезонных температур в окрестностях расположения ГМС «Мурманск». Это позволяет предположить, что выявленные долговременные тенденции температуры характерны и для ближайших фоновых районов.
124
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
В.И. Демин, А.Р. Анциферова, О.И. Мокротоварова
ЛИТЕРАТУРА
I. Демин В.И. Основные климатические тенденции на Кольском полуострове за период инструментальных метеорологических наблюдений // Труды Кольского науч. центра РАН. "Прикладная экология Севера". 2012. 2 (9). Апатиты, 2012. С. 98-110. 2. Рубинштейн Е.С. Климат СССР. Ч. 1: Температура воздуха. Вып. 2: Средние месячные температуры воздуха в европейской части СССР за отдельные годы с севера до 55 с.ш. Л.: ГГО, 1929. 180 с. 3. Яковлев Б.А. Климат Мурманска. Л.: Гидрометеоиздат, 1972, 108 с. 4. Справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. Вып. 2, ч. 1. 144 с. 5. Кобышева Н.В., Наровлянский Г.Я. Климатологическая обработка метеорологической информации. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 296 с. 6. Методы климатологической обработки метеорологических наблюдений / под ред. О.А. Дроздова. Л.: Гидрометеоиздат, 1957. 492 с. 7. Демин В.И. Неклиматические климатические изменения // Материалы гляциологических исследований. 2012. № 1. С. 110-114. 8. Andresen L. Homogenization of monthly long-term temperature series of mainland Norway // Met. no. Note 2 / Norwegian Meteorological Institute, Oslo, Norway. 2011. URL: http: //met.no/filestore/Homog_Norway.pdf 9. Klingbjer P., Moberg A. A composite monthly temperature record from Tornedalen in northern Sweden, 1802-2002 //
J. Climatology. 2003. 23. Р. 1465-1494. 10. Лобанов В.А., Смирнов И.А., Шадурский А.Е. Практикум по климатологии: учеб. пособие. СПб.: Изд-во РГГМУ, 2011. Ч. 1. 145 с. 11. Свод правил по проектированию и строительству: СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. М.,: 2004. 12. Семенов А.В. Инструментальные климатические наблюдения на Кольском полуострове и особенности обслуживания региональных потребителей климатической информацией: докл. // Адаптация к изменению климата и ее роль в обеспечении устойчивого развития регионов: материалы междунар. конф. (Мурманск, 13 мая 2008 г.). URL: http://www.myshared.ru/slide/378692. 13. Climate changes 2014: Physical bases. Fifth Assessment Report. URL: http://www.ipcc.ch/report/ar5. 14. Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 568 с. 15. ГирсА.А. Макроциркуляционный метод долгосрочных метеорологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 488 с. 16. Демин В.И., Священников П.Н., Иванов Б.В. Изменения крупномасштабной циркуляции атмосферы и современное потепление климата на Кольском полуострове // Вестник Кольского научного центра РАН. 2010. № 2. С. 101-105. 17. Оке Т.Р. Климаты пограничного слоя. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 3б0 с. 18. Микроклимат СССР / под ред. И.А. Гольцберг. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 286 с. 19. Мищенко З.А. Биоклимат дня и ночи. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 280 с.
Сведения об авторах
Демин Валерий Иванович - научный сотрудник Полярного геофизического института КНЦ РАН; e-mail: demin@pgia.ru
Анциферова Александра Робертовна - метеоролог Мурманского управления
по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ФГБУ «Мурманское УГМС»); e-mail: klimat@kolgimet.ru
Мокротоварова Ольга Ивановна - начальник ФГБУ "Мурманское УГМС";
e-mail: leader@kolgimet.ru
ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015(20)
125
