CC BY
62УДК 551.585.55
ДИНАМИКА СОВРЕМЕННОГО КЛИМАТА СТЕПЕЙ ЕВРОПЕЙСКОЙ РОССИИ
А.Н. Золотокрылин
Институт географии РАН Россия, 119017, Москва, Старомонетный пер., 29, [email protected]
Введение. Наблюдаемое в настоящее время изменение климата характеризуется как «продолжающееся глобальное потепление» [3]. Большая часть территории России, включая степную зону, находится в области значительного наблюдаемого и прогнозируемого изменения климата, последствием которого могут быть новые территориальные различия климатических условий.
Ныне нет единого мнения по отношению к будущему климату степей России. Климатические сценарии разных моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) не исключают как аридизацию, так и гумидизацию степного климата. Изменения зимних и летних осадков к середине XXI в., рассчитанные по ансамблю из 16 МОЦАО для самого жесткого сценария А2 (без ограничения выбросов парниковых газов в атмосферу), указывают на вероятное иссушение степной зоны [3, 4].
Принимая во внимание сформулированную A.A. Григорьевым [1] основную географическую закономерность взаимосвязи между географической зональностью и изменениями режима тепла и влаги, можно ожидать реакцию динамичных компонентов зональных ландшафтов на территории наибольших изменений климата. Реакция будет обусловлена изменением распределения тепла и влаги и их соотношения (степени соразмерности). В качестве показателей степени соразмерности используют радиационный индекс сухости Будыко (отношение годового радиационного баланса к энергетическому эквиваленту годовых осадков) и коэффициент увлажнения (отношение годовых осадков к годовой испаряемости).
Доклад состоит из двух частей. В первой анализируется динамика климата степной зоны Европейской России за период 1936-2000 гг. с целью дифференциации зоны по особенностям проявления в ней глобального потепления. Вторая часть посвящена оценке тенденции показателей соотношения между теплом и влагой, на основании которой можно будет сделать предварительный вывод о реакции увлажнения степных ландшафтов на глобальное потепление.
Территория, материалы и методика исследования
Степная зона Восточно-Европейского и Кавказского секторов и ее провинции рассматриваются согласно «Ландшафтно-экологическому районированию России» [2]. Увлажнение территории дифференцировано по методике, представленной в «Мировом атласе опустынивания» [9] и рекомендованной Конвенцией по борьбе с опустыниванием [8] для засушливых земель.
В докладе использованы материалы, подготовленные Е.А. Черенковой [6] для анализа изменения увлажнения суббореальных равнинных ландшафтов России в XX в. Материалы включают ежедневные данные метеорологических наблюдений за температурой воздуха и осадками за период 1936-2000 гг. из климатического архива Международного Центра данных Росгидромета в Обнинске. Отдельно анализировались ряды среднемесячных значений радиационного баланса, составленные по актинометрическим справочникам за 1961-1986 гг., и ряды наблюдений среднемесячного радиационного баланса за период 1996—2000 гг. Международного Центра данных Росгидромета. Распределение метеорологических и актинометрических станций на территории представлено на рис. 1.
Изменения климата оценивались как разности климатических показателей сравниваемых периодов 1936—1960, 1961—1990 и 1991—2000 гг. В качестве меры интенсивности климатических изменений за периоды 1936—2000 и 1976—2006 гг. использовался коэффициент линейного тренда, определенный по методу наименьших квадратов и характеризующий среднюю скорость изменений климатических показателей, соответствующую тренду.
40°Е
•fo актинометрические станции i Щ метеорологические станции
I I степные типичные и
- сухостепные ландшафты
| | полупустынные ландшафты
Рисунок 1. Суббореальные ландшафты Европейской России [2].
Изолинии — коэффициент увлажнения за период 1936-2000 гг. Годовая испаряемость в формуле коэффициента увлажнения вьиислена по методу Торнтвейта [7].
Дополнительно рассмотрены климатические изменения индексов экстремальности атмосферных осадков за период 1976—2006 гг. [3]. Первый из этих индексов - повторяемость интенсивных осадков (RIO), который рассчитывается как число дней в году с осадками не менее 10 мм/сутки. Второй индекс — максимальная за год продолжительность сухих периодов (CDD). Он рассчитывается как максимальное число последовательных дней в году с осадками менее 1 мм.
В докладе затронута динамика опасных атмосферных засух (ОАЗ) в степной зоне. ОАЗ оценивалась по критерию, рекомендованному Гидрометцентром Росгидромета: засуха возникает в сезон вегетации, когда в течение не менее 30 дней подряд при среднесуточной температуре воздуха выше 25 °С осадки не превышают 5 мм в сутки.
Как показано в работах Е.А. Черенковой [5, 6], при анализе среднесуточных температур воздуха и осадков нередко встречаются ситуации, когда на фоне установившегося периода с температурой воздуха больше 25 °С бывают 1—3 дня с более низкой температурой. Временное понижение температуры, как правило, связано с выпадением неэффективных осадков (менее 5 мм). Если после такого понижения температуры вновь превышают 25 °С, то такие случаи рассматриваются как слабые ОАЗ, в отличие от сильных ОАЗ по критерию Гидрометеоцентра Росгидромета.
Радиационный индекс сухости Будыко вычислялся за периоды 1961-1986 и 1996-2000 гг. Так как малое количество актинометрических станций было недостаточным для детального анализа радиационного индекса сухости, то было проведено сравнение коэффициентов увлажнения Высоцкого, Иванова, Чиркова, Торнтвейта с радиационным индексом сухости. Наиболее высокую корреляцию с радиационным индексом сухости (0,87-0,91) показал коэффициент увлажнения Торнтвейта. Ниже представлена формула Торнтвейта [7], по которой рассчитывалась испаряемость в коэффициенте увлажнения:
^ОТорнетвейт ^ * ^ ( Ю Т/'У)
где ЕОТориетвейт - испаряемость, см мес1;
Т— средняя месячная температура воздуха, °С;
а — /у/Л где I— тепловой индекс, учитывающий поправку на широту.
Для расчета годовой испаряемости учитываются только месяцы с положительной средней месячной температурой воздуха.
Дополнительно анализировались карты изменения экстремальных показателей климата, трендов испаряемости в XX в., опубликованные в «Оценочном докладе об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации» [3,4].
Результаты
Температура воздуха. Картина пространственного изменения температуры степной зоны динамична. Она меняется в зависимости от длины временного интервала. Среднегодовая температура воздуха в период 1961—1990 гг. по сравнению с периодом 1936-1960 гг. стала выше на 0,1—0,7 °С (0,05—0,3 °С за 10 лет), причем потепление возрастало с запада на восток зоны. Максимум потепления отмечался в Заволжской Высокосыртовой провинции. В декаду 1991—2000 гг. потепление ускорилось (0,3-0,8 °С за 10 лет), но его максимум сдвинулся на запад в Окско-Донскую, Приволжскую и Заволжскую Низкосыртовую провинции.
Потепление происходило в основном в холодный период года (ноябрь-март) и его максимум в начале был в Заволжской Высокосыртовой провинции, а в конце века — в Окско-Донской, Приволжской и Заволжской Низкосыртовой провинциях. Характерно, что в Азово-Кубанской провинции в конце века отмечалось понижение температуры холодного периода.
Повышение температуры теплого периода года в 1961—1990-е годы было незначительным (0,1-0,2 °С за 10 лег). В Азово-Кубанской провинции зоны отмечалось даже похолодание. Наибольшее потепление (до 0,2-0,3 °С за 10 лет) отмечались в Окско-Донской и Приволжской провинциях. Далее к востоку изменения температуры были минимальными. Но в Заволжской Высокосыртовой провинции потепление усилилось с максимумом на востоке провинции. В последнюю декаду XX в. произошло резкое повышение температуры теплого периода (до 0,9 °С) в Приволжской, Заволжской Низкосыртовой провинциях и в восточной части Заволжской Высокосыртовой провинции.
Картина пространственного изменения температуры в степной зоне несколько меняется, если удлинить интервал наблюдений и ограничиться периодом усиления глобального потепления 1976—2006 гг. Распределение коэффициента линейного тренда температуры за этот период показывает, что средняя скорость изменения среднегодовой температуры составила 0,5°/10 лет на большей части степной зоны. И только в Донецкой и Приазовско-Манычской провинциях скорость была ниже 0,2°/Ю лет. Летом наибольшая скорость (0,5—0,6°/10 лет) отмечалась в западных провинциях, а минимальная — в восточных провинциях. Характерно, что в Заволжской Высокосыртовой провинции отмечалась практически нулевая скорость.
Таким образом, проявившееся в начале в восточных провинциях степной зоны потепление позднее распространилось на центральные и отчасти западные провинции. Потепление холодного периода преобладало в восточных и центральных провинциях. В период интенсивного глобального потепления наметилась тенденция наибольшего повышения температуры летнего сезона в западных провинциях, чем центральных и восточных.
Осадки. Период 1961—1990 гг. характеризуется повышенными средне многолетними годовыми осадками на большей части степной зоны по сравнению с периодом 1936—1960 гг. Значительное повышение осадков наблюдалось в Среднерусской и Окско-Донской провинциях (до 20 мм/10 лет). Максимальное повышение (35 мм/10 лет) было в Заволжской Низкосыртовой провинции. В декаду 1991—2000 гг. рост годовых осадков замедлился или сменился падением, как это произошло на востоке Заволжской Высокосыртовой провинции. Но и здесь средние за период годовые осадки были выше, чем за период 1936—1960 гг. Рост осадков (не менее 25 мм/10 лет) продолжился в Среднерусской степной и Ергенинской провинциях.
Повышение годовых осадков в степной зоне в период 1961—1990 гг. по отношению к периоду 1936—1960 гг. отчасти произошло за счет осадков холодной части года. Максимальное повышение осадков на 25-30 мм/10 лет было в Заволжской Низкосыртовой провинции. В декаду 1991—2000 гг. изменение осадков холодного периода было минимальным почти во всей степной зоне. Но заметное падение осадков имело место в Ставропольской провинции.
Осадки теплого периода возросли (до 15 мм/10 лет) в Среднерусской и Окско-Донской, Приволжской и Заволжской Низкосыртовой провинциях в период 1961-1990 гг. по отношению к периоду 1936-1960 гг. Изменения были минимальными в провинциях Кавказского сектора и в Заволжской Высокосыртовой провинции. В последнюю декаду XX в. осадки увеличились на 20-30 мм/10 лет на большей части степной зоны, за исключением Заволжской Высокосыртовой провинции. Здесь осадки понизились почти на 20 мм/10 лет.
Представляет интерес пространственное распределение локальных коэффициентов линейного тренда сумм осадков в степной зоне за период 1976-2006 гг. Тренд годовых осадков был положительный (около 5%/10 лет) в большинстве провинций. Отрицательный тренд наметился в Приволжской степной, Заволжской Низкосыртовой и в крайне восточной части Заволжской Высокосыртовой провинциях. Падение осадков в Приволжской степной и в Заволжской Низкосыртовой провинциях объясняется снижением как зимних, так и ле тних осадков. В то же время увеличение летних осадков в Заволжской Высокосыртовой провинции не смогло скомпенсировать их падение зимой на всей территории.
Положительные тренды числа дней с интенсивными осадками и максимальной в году продолжительности сухого периода в 1976-2006 гг. отмечались в Заволжской Низкосыртовой провинции и в степных провинциях Кавказского сектора. В остальных провинциях наблюдались отрицательные тренды этих индексов. Иными словами, в этих провинциях степной зоны возросла экстремальность осадков, характеризуемая ростом повторяемости интенсивных осадков и максимальной в году продолжительности сухого периода, в то время, как в остальных провинциях экстремальность осадков уменьшилась.
Таким образом, во всей степной зоне среднемноголетние годовые осадки возрастали вплоть до конца 1980-х годов. Позднее тенденция роста ослабла или изменила знак. Тенденция снижения среднем-ноголетних годовых осадков наметилась преимущественно в восточных провинциях степной зоны.
Засухи. В период 1936—1960 гг. сильные ОАЗ охватывали большую часть степной зоны, за исключением ее самых западных провинций. В период 1961-1990 гг., по сравнению с 1936-1960 гг., сильные ОАЗ наблюдались преимущественно в восточных провинциях, а частота ОАЗ была ниже. Одновременно произошло увеличение средней продолжительности ОАЗ на 3—5 дней. Охват сильными ОАЗ в степной зоне увеличился в период 1991—2000 гг. за счет Приволжской провинции и провинций Кавказского сектора. Также возросла частота ОАЗ, но средняя продолжительность засухи при этом сократилась.
Степная зона целиком входит в ареал слабых ОАЗ. Для периода 1961—1990 гг. по сравнению с 1936—1960 гг. характерно снижение частоты и средней продолжительности слабых ОАЗ в западных провинциях, за исключением центральных провинций, где частота засухи повысилась. Период 1991—2000 гг., по сравнению с 1961-1990 гг., характеризуется ростом частоты и средней продолжительности слабых ОАЗ в большинстве провинций.
Показатели соотношения тепла и влаги. В качестве показателей соотношения тепла и влаги рассмотрены радиационный индекс сухости Будыко, коэффициенты увлажнения (годовая испаряемость рассчитывалась разными методами) и гидротермический коэффициент (ГТК) Селянинова.
Прежде чем перейти к анализу показателей соотношения тепла и влаги, остановимся на результатах наблюдений за радиационным балансом и испаряемостью. В степной зоне на фоне сильной межгодовой изменчивости радиационного баланса стали проявляться его разнонаправленные тренды в теплой и холодной частях года. К концу XX в. радиационный баланс холодной части года статистически значимо увеличился за счет сокращения периода со снежным покровом, а теплой части — уменьшился в результате увеличения облачности. В итоге, на большинстве станций преобладал небольшой рост годового радиационного баланса.
Во второй половине XX в. наблюдалось повсеместное уменьшение испаряемости и испарения на территории Европейской России [3, 4]. Скорость отрицательного тренда на территории возрастала в южном направлении и была максимальной в степных и полупустынных ландшафтах (50—60 мм за 40 лет). С середины 1980-х годов межгодовая амплитуда колебаний испаряемости стала уменьшаться по сравнению с предыдущим периодом.
Выявленная многолетняя тенденция повышения годовых осадков и падения испарения в степной зоне проявилась в изменении соотношения между ними. Сравнение вычисленного по данным наблюдений радиационного индекса сухости Будыко за периоды 1961-1986 и 1996-2000 гг. указывает на его понижение к концу XX в., т. е. - на тенденцию повышения увлажнения стегшой зоны. Особенно сильно радиационный индекс сухости понизился в Заволжской Низкосыртовой провинции, где он стал заметно меньше двух.
Похожую картину изменения дает анализ разных коэффициентов увлажнения в степной зоне. Статистически значимую скорость положительного линейного тренда показывают все рассмотренные коэффициенты увлажнения за период 1936—2000 гг. Наибольший коэффициент тренда коэффициента увлажнения (годовая испаряемость вычислялась по методу Торнтвейта [7]) был в Среднерусской провинции. Максимальное относительное повышение коэффициента увлажнения отмечалось в период 1961 — 1990 гг. в Среднерусской, Заволжской Низкосыртовой, Заволжской Высокосыртовой провинциях, где оно возросло более чем на 20% по отношению к периоду 1936—1960 гг. В декаду 1991—2000 гг. произошли разнонаправленные изменения коэффициента увлажнения по сравнению с периодом 1961—1990 гг. Увлажнение Донецкой, Приазовско- Маныч-ской, восточной половины Заволжской Высокосыртовой провинций и провинций Кавказского сектора возросло, а увлажнение остальных провинций снизилось. Несмотря на снижение увлажнения в конце XX в., все же оно оставалось более высоким, чем в период 1961—1990 гг. Отметим, что средний коэффициент увлажнения степной зоны в периоды 1936—1960, 1961-1990, 1991-2000 гг. равнялся соответственно 0,67, 0,76, 0,77.
Систематическое повышение увлажнения вегетационного сезона степей за период 1936—2000 гг., характеризуемое ГТК Селянинова, не было таким повсеместным, как годовое увлажнение. В период 1961—1990 гг. по отношению к периоду 1936-1960 гг. наибольшее повышение ГТК произошло в западных провинциях зоны (примерно до р. Волги). Восточнее повышение ГТК было более слабым. В декаду 1991—2000 гг. на большей части степной зоны ГТК понизился. Исключением стали провинции Кавказского сектора и восточная половина Заволжской Высокосыртовой провинции. Средний ГТК для степной зоны менялся в периоды 1936—1960,1961—1990, 1991—2000 гг. соответственно 0—78, 0—87, 0—86.
Таким образом, степная зона дифференцируется на западные провинции, где имело место относительно слабое потепление и наибольшее увеличение годового увлажнения, и на восточные — с наибольшим потеплением и относительно слабым повышением увлажнения за год и вегетационный сезон. Увлажнение степной зоны было максимальным в период 1961—1990 гг.
60°Ы 45°Е 60°Е 75°Е
60°Ы 45° Е 60°Е 75°Е
М Л
щ, .....¡пши
45° N
Рисунок 2. Изменение положения изолиний коэффициента увлажнения за разные периоды в степной зоне.
Изолинии коэффициента увлажнения: а) — 0,65; б) — 0,50; пунктирная линия - 1936—1960 гг., тонкая линия - 1961-1990 гг., толстая линия - 1991-2000 гг. Тонкой штриховкой на затемненном фоне выделен коридор стандартного отклонения коэффициента увлажнения за период 1936-1960 гг. Верхняя линия — северная граница суббореальных ландшафтов. Годовая испаряемость в формуле коэффициента увлажнения вычислялась по методу Торнтвейта [7].
Представляется важным ответить на вопрос: как повлияло повышение увлажнения степи в XX в. на положение изолиний коэффициента увлажнения, близких к границам сухой степи? По значениям коэффициента увлажнения, в котором годовая испаряемость определена по методу Торнтвейта, были выбраны изолинии 0,65 и 0,50 (рис. 2). Согласно Конвенции ООН по борьбе с опустыниванием [8] эти изолинии отделяют сухие субгумидные земли от субгумидных на севере и семиаридных на юге. Далее была построена карта коэффициента увлажнения за период 1936—1960 гг. и выделены изолинии 0,65 и 0,50. Для этих изолиний были построены коридоры стандартного отклонения, отражающие территориальные смещения изолиний в пределах коридора в 67% всех случаев. Затем на эту карту были нанесены изолинии коэффициента увлажнения, построенные за периоды 1961-1990 и 1991—2000 гг.
Сравнение положения изолиний коэффициента увлажнения показало, что изолинии за более поздние периоды не выходят за пределы коридора, хотя они сместились почти вплотную к южному пределу коридора. Таким образом, наблюдаемое повышение увлажнения оказалось недостаточным, чтобы говорить о статистически значимом смещении рассматриваемых изолиний к югу. Но рост увлажнения степной зоны имел значение для природных процессов, например, для демутации растительного покрова, повышения уровня грунтовых вод и т. д.
Дискуссия. Обнаружение изменений климата есть процесс определения, что климат меняется в соответствии с некоторыми статистически заданными критериями без выявления причин этих
изменений. Без понимания причин невозможно предвидеть дальнейшие изменения. Климатические сценарии, построенные с помощью моделей климата, являются основным инструментом предсказания и выявления причин будущих изменений климата.
Из-за несовершенства моделей современный уровень климатических сценариев еще недостаточен, чтобы уверенно предсказывать, например, изменение режима осадков. В результате моделям до сих пор не удается удовлетворительно воспроизвести распределение соотношения тепла и влаги, соответствующее полученным данным.
Но есть довод качественного порядка, который следует принять во внимание при оценке будущего увлажнения степной зоны. Он базируется на многолетней цикличности годовых осадков. Положительная фаза многолетнего цикла отчетливо проявилась в степной зоне в период 1961— 1990 гг., а отрицательная — в период 1936—1960 гг. В конце XX в. наметилась тенденция снижения годовых осадков в Приволжской и на большей части Заволжской Низкосыртовой провинциях, которая продолжилась в начале XXI в. Одновременно в этих провинциях отмечалось слабое снижение увлажнения. Возможно, что в этих провинциях степной зоны начинается формирование отрицательной фазы цикла осадков.
Заключение. Динамика степного климата Европейской России в условиях глобального потепления второй половины XX в. имеет следующие характерные черты:
1. Неравномерность потепления, которое проявилось вначале в восточных провинциях степной зоны и позднее распространилось на центральные и отчасти западные провинции. Потепление холодного периода преобладало в восточных и центральных провинциях. В конце XX в. наметилась тенденция наибольшего повышения температуры летнего сезона в западных провинциях, чем центральных и восточных.
2. Во второй половине XX в. наблюдался статистически значимый рост годовых осадков во всей степной зоне, который можно рассматривать как положительную фазу многолетнего цикла. В конце XX в. возникла тенденция снижения осадков в некоторых степных провинциях.
3. Рост годовых осадков и падение испаряемости вызвали рост увлажнения степной зоны, которое достигло максимума в конце 1980-х — начале 1990-х годов.
4. В конце XX в. возросла частота опасных атмосферных засух. Одновременно увеличилась экстремальность осадков в некоторых степных провинциях.
5. Степная зона дифференцируется на западные провинции, где имело место относительно слабое потепление и наибольшее увеличение годового увлажнения, и на восточные - с наибольшим потеплением и относительно слабым повышением годового увлажнения за вегетационный сезон.
Автор благодарен Е.А. Черенковой за предоставленные к докладу материалы и рисунки.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 07-05-00593).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Григорьев A.A. Некоторые итоги разработки новых идей в физической географии / A.A. Григорьев // Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз. - 1946. - № 2.
2. Исаченко А.Г. Экологическая география России / А.Г. Исаченко. — СПб.: Изд-во СПб. ун-та, 2001.- 328 с.
3. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. I. Изменения климата. — М.: Росгидромет, 2008. — 227 с.
4. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. II. Последствия изменений климата. — М.: Росгидромет, 2008. — 288 с.
5. Черенкова Е.А. Динамика опасной атмосферной засухи в Европейской России во второй половине XX в. / Е.А. Черенкова // Метеорология и гидрология - 2007. - № 11. - С. 14-25.
6. Черенкова Е.А. Изменение увлажнения суббореальных равнинных ландшафтов России в XX и XXI веках: автореф. дис.... канд. геогр. наук. — М., 2009. — 19 с.
7. Thornthwaite C.W. An approach toward a rational classification of climate // Geog. Rev. — 1948. -Vol. 38, No. 1,-P. 55-94.
8. UNCCD: United Nations Convention to combat desertification in those countries experiencing serious drought and desertification, particularly in Africa. — Geneva, 1994.
9. UNEP. World atlas of desertification. - L.: Arnold, 1992. - 69 p.
