CC BY
239
УДК 551.5
Ю.П. Переведенцев, К.М. Шанталинский, Н.А. Важнова, Э.П. Наумов, А.В. Шумихина
ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА НА ТЕРРИТОРИИ ПРИВОЛЖСКОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО ОКРУГА В ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ С ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ ФАКТОРАМИ
Рассматриваются пространственно-временные изменения основных климатических показателей на территории Приволжского федерального округа в период 1955 - 2010 гг. Выявлены долгопериодные тенденции изменения температуры воздуха, атмосферных осадков, облачности и скорости ветра. Установлена зависимость некоторых климатических показателей от ряда геофизических факторов.
Ключевые слова: климат, изменения климата, температура воздуха, атмосферные осадки, облачность, скорость ветра, геофизические факторы.
В последние годы казанские метеорологи значительное внимание уделяют анализу климатических изменений на обширной территории Приволжского федерального округа (ПФО), выделяющегося многообразием природных условий, сложившихся на территории Волжского бассейна и Предура-лья. Этот интерес обусловлен необходимостью изучения регионального «отклика» на происходящее глобальное потепление климата и оценки последствий изменения в природных и социально-экономических процессах региона. Проблемам изучения глобальных и региональных климатических процессов посвящен цикл опубликованных авторами работ. В частности, результаты статистического анализа современных изменений климата в тропосфере и стратосфере Земли и в отдельных регионах Северного полушария до 2010 г. представлены в работах [1; 2]. В настоящее время завершается подготовка обобщающей монографии по изменениям климата и климатических ресурсов округа, проблемам адаптации социально-экономической и природной сферы к этим изменениям.
Многочисленные факты свидетельствуют о том, что современные изменения климата оказывают дестабилизирующее воздействие на природные процессы, экосистемы и экономику. Участившиеся жестокие засухи и лесные пожары (особенно в 2010 г.), наводнения, зимние морозы и другие негативные явления преобразуют привычную среду обитания, увеличивают масштабы социально-экономических потерь и издержки их преодоления. Проблема изменения климата впервые в 2010 г. обсуждалась Советом безопасности РФ с целью оценки возможной угрозы устойчивому развитию и экономической безопасности России от негативных изменений климата [3]. Несколько ранее (в 2009 г.) была принята климатическая доктрина РФ. Лето 2012 г. также оказалось аномально теплым: жестокая засуха в Нижнем Поволжье и на Южном Урале практически погубила урожай зерновых культур, горели леса в Сибири, а катастрофическое наводнение в Краснодарском крае разрушило город Крымск и привело к многочисленным человеческим жертвам. Засухи, наводнения и другие природные катаклизмы произошли в этот период во многих странах мира (США, Китай и Корея, страны Европейского сообщества, где во второй половине августа тепловая волна подняла температуру выше 40°С). По данным NOAA, июнь 2012 г. оказался самым жарким месяцем в истории Северного полушария - температура воздуха над сушей была на 1,3°С выше средней за XX столетие. Среднемировая температура воздуха в июне составила 16,13°С, что на 0,63 °С выше средних значений для XX в., что свидетельствует о значительных межгодовых колебаниях метеорологических параметров. В августе 2012 г. площадь льдов в Арктике сократилась вдвое по сравнению с 1970-ми гг.
Вместе с тем наметилась тенденция некоторого замедления глобального потепления в последние годы. Согласно работе [4] температура приповерхностного воздуха в 2011 г. оказалась ниже, чем температура в 2010 г., и как отмечено в работе [5], впервые за последние 65 лет среднеглобальная за пятилетие 2006 - 2010 гг. температура оказалась ниже температуры предыдущей пятилетки (2001 -2005 гг.). При этом максимум температуры 1998 г. (в год с эктремальным явлением Эль-Ниньо в экваториальной части Тихого океана, создавшего экстремальные положительные аномалии температуры поверхности океана (ТПО) и тропосферы) остается непревзойденным, несмотря на рост эмиссии углекислого газа. Так, за последние 30 лет антропогенная эмиссия диоксида углерода возросла на 60% - с 5,2 до 8,5 млрд. т углерода в год, а концентрация CO2 - c 339 до 390 млн-1 [5]. Следует отметить, что естественные потоки углерода в атмосфере на порядок превышают антропогенные, однако они сбалансированы, и прирост CO2 определяется в основном за счет антропогенного фактора [6].
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
При этом в среднем в период 1976 - 2010 гг. глобальная среднегодовая температура росла со скоростью 0,2°/10 лет, а на территории России со скоростью 0,5°/10 лет. Остается открытым вопрос о генезисе современного потепления - вкладе антропогенных и естественных факторов. В частности, в работе [5] отмечается, что пик современного потепления (1975 - 2005 гг.) пришелся на период совпадения чрезвычайно интенсивных положительных фаз Северо-Атлантического (САК) и Южного (ЮК) колебаний с рекордными за последние 600 лет уровнями солнечной активности, что и обеспечило скорость потепления в масштабах планеты >0,2°/10 лет.
Наиболее развита парниковая теория климата, где главная роль отводится внешнему антропогенному форсингу, позволяющая производить оценки климата будущего с помощью современных математических моделей [7]. В частности, для Поволжья, согласно оценкам, приведенным в работе [3], для периода 2011 - 2030 гг. ожидаются следующие изменения климата: умеренное потепление (зимой 0,9 - 1,3 °С; летом 1,0 - 1,2 °С), повышение летних экстремальных температур, небольшое увеличение среднего количества осадков. То есть ожидается прирост годовой температуры воздуха со скоростью примерно 0,5 °С/10 лет.
В настоящей работе главное внимание уделено изменению основных показателей климата на территории Приволжского Федерального округа за последние десятилетия (1955 - 2010 гг.). При этом особое внимание уделено температурно-влажностному и ветровому режиму, режиму общей облачности, а также количественной оценке влияния ряда естественных факторов (солнечная активность, неравномерное вращение Земли, индексы циркуляции атмосферы) на температуру воздуха и осадки региона. Определена корреляционная зависимость между изменениями температуры воздуха рассматриваемого региона и всего Северного полушария.
Исходные средние месячные данные температуры воздуха, сумм атмосферных осадков, скорости ветра и общей облачности на 200 метеостанциях, относительно равномерно расположенных по территории округа и сопредельным территориям, методом объективной интерполяции были разнесены в узлы квадратной сетки с шагом 20 км и проведено пространственное и временное осреднение исследуемых величин по территории всего округа, отдельных его регионов, сезонам года. По исходным и пространственно осредненным временным рядам были рассчитаны характеристики описательной статистики, выполнен трендовый и корреляционный анализ, методом цифровой фильтрации выделены низкочастотные колебания (НЧК) с периодом более 10 лет, тем самым производится фильтрация межгодовой изменчивости «климатических шумов» в рядах и выделяются тренды, характеризующие медленные колебания.
1. Пространственные изменения климатических показателей
Рассмотрим особенности пространственного изменения основных климатических показателей на территории ПФО.
Значения многолетней средней годовой приземной температуры (СГПТ) изменяются от 6,0 °С (юго-запад) до 0 °С (северо-восток) (рис. 1). В центре округа СГПТ имеют порядок 3,0 - 4,0 °С, с запада на восток происходит понижение температуры. В возвышенных районах Башкортостана и на северо-востоке Пермского края формируются наиболее суровые условия. Годовые изотермы направлены с северо-запада на юго-восток. В Предуралье картина усложняется, сказывается влияние возвышенного рельефа местности. В январе многолетняя температура повышается от -18,0 °С (северо-восток) до -9,0 °С (юго-запад). Самые низкие температуры формируются в восточной половине региона. В июле изотермы ввиду доминирующего влияния радиационного фактора принимают зональный характер и многолетние температуры возрастают от +16,5 °С (северо-восток) до 24,0°С (крайний юг). И если запад округа характеризуется достаточно мягким континентальным климатом, то восток - весьма суровым. Существенные отличия в климатических условиях отмечаются между Средним и Нижним Поволжьем, что является следствием различного влияния радиационных и циркуляционных факторов.
Межгодовые колебания температуры, характеризующиеся поведением среднего квадратиче-ского отклонения (СКО), наиболее выражены в январе (СКО порядка 4,0 - 5,0 °С), летний период более стабилен (СКО порядка 2 °С). Осредненные по территории округа значения СКО убывают от 4,4 °С (январь) до 1,7 °С (сентябрь).
Атмосферные осадки имеют более сложный характер изменений по территории, чем температура (рис. 2). Годовые суммы осадков возрастают с юга и юга-востока на север от 300 мм до 800 мм. Наибольшее количество осадков выпадает в предгорных районах Пермского края и Башкортостана. В
холодный период распределение количества осадков более неоднородное, на крайнем юго-востоке их выпадает меньше всего - 80 мм, а на севере территории и наветренных склонах Уральских гор - до 280 мм. В теплый период на большей части территории ПФО распределение осадков имеет примерно зональный характер и уменьшается от 440 мм на севере до 200 мм на юго-востоке. Исключением являются крайние восточные районы округа, где под влиянием Уральских гор изогиеты располагаются меридионально вдоль склонов. На востоке Пермского края наблюдается максимум осадков теплого периода, составляющий более 560 мм. В то же время в течение всего года отмечаются орографически обусловленные локальные максимумы, например, в районе Бугульмы - 380 мм, где сказывается влияние Бугульминско-Белебеевской возвышенности.
Рис. 1. Среднее многолетнее (1961 - 1990 гг.) значение годовой температуры воздуха, °С
Для оценки временной изменчивости количества осадков воспользуемся коэффициентом вариации Су, представляющем собой отношение СКО к среднему значению, выраженному в процентах. Для сумм осадков, осредненных по территории ПФО, коэффициент Су в течение года меняется от минимума в декабре (31%) до максимума в марте (44%), далее его значения вновь убывают и достигают абсолютного минимума в июле (30%), в сентябре Су=38%. Таким образом, наиболее изменчивы во времени атмосферные осадки конца зимы и начала весны, а наиболее устойчивы - летние.
Распределение по территории параметра Су таково. Наименьшая изменчивость наблюдается на севере Пермского края, Кировской области, где значения су за год, холодный и теплый период не превосходят соответственно 15, 22 и 20%. Наибольшие значения су наблюдаются в Ульяновской, Самарской, Саратовской и Оренбургской областях (больше 20 и 25 %). В холодный период наблюдается значительная неоднородность в распределении су.
Рассмотрим теперь распределение средней зональной составляющей скорости ветра и (м/с) по территории ПФО в зимний и летний периоды, вычисленной за 1948 - 2010 гг. (рис. 3). Зимой скорости потоков достигают максимума на северо-востоке (7 - 8 м/с), а на юге и юге-западе отмечаются наименьшие скорости (~5 - 6 м/с). Горизонтальный градиент скорости ветра направлен с северо-востока на юго-запад и на всей территории округа доминирует западный перенос, обусловленный разностью температур между низкими и высокими широтами.
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Рис. 2. Среднее многолетнее (1961 - 1990 гг.) значение годовых сумм осадков, мм
Летом скорость зональных потоков заметно ослабевает в связи с уменьшением барических градиентов. Наибольшие ее значения отмечаются на юго-востоке (~5 м/с), а на севере наименьшие ~3,5 м/с. Градиент зональной скорости направлен с юго-востока на северо-запад. Изотахи сгущены на юге и юго-востоке региона.
Аналог вертикальной скорости ветра в изобарической системе координат т зимой представлен семейством замкнутых изолиний с центром в районе Димитровграда, где т ~ -6гПа/12 час (восходящие потоки). Лишь на крайнем северо-востоке, юго-востоке и юге т>0. Но в целом вся территория ПФО занята однородной областью восходящих потоков, свидетельствующих об активной циклонической деятельности, благоприятной для формирования слоистой обложной облачности.
Летом северо-запад округа занят восходящими потоками (т= -2, -3 гПа/12 час). Большая же часть территории занята нисходящими движениями т>0, которые на юге достигают 7 гПа/12 час. Район Южного Предуралья находится в малоградиентном поле вертикальных движений (6 гПа/12 час). Таким образом, летом в регионе создаются условия для размыва облачности, так как преобладают нисходящие движения, свойственные антициклонической форме циркуляции. Следует, однако, иметь в виду, что в летний период складываются благоприятные условия для возникновения и развития конвективных облаков мезомасштаба (внутримассовые процессы).
В происходящих климатических процессах значительна роль облачности, которая определяет приход солнечной радиации и регулирует тепловое излучение, тем самым оказывая определяющее влияние на энергетический баланс Земли; из облаков выпадают атмосферные осадки. Она тесно связана с влажностью атмосферы и с испарением подстилающей поверхности, имеет важное климатооб-разующее значение. В работе [8] приводятся данные о динамике облачного покрова Земли по спутниковым данным за 1983 - 2009 гг. Показано, что доля глобальной общей облачности уменьшилась с 68 до 64,6% (уменьшение облачности на 4% равносильно увеличению потока приходящей солнечной радиации на 0,9Вт/м2). Это достаточно заметная величина, так как, согласно отчету 1РСС-2007, за период 1950 - 2006 гг. увеличение приходящей солнечной радиации составило только 1,6 Вт/м2 (астрономический фактор).
Рис. 3. Среднее многолетнее (1961 - 1990 гг.) значение зональной компоненты скорости ветра: а- зимой (декабрь - февраль); б - летом (июнь - август) на изобарической поверхности 700 гПа, м/с
Распределение средней годовой общей облачности по территории ПФО следующее (рис. 4): больше всего облаков в северной ее части (небосвод закрыт на 70%), к югу происходит уменьшение до 60% (55% на крайнем юго-востоке), а изолиния в 65% проходит через Пензу и Самару. Зимой в северной и центральной частях округа она достигает 75%, на юге ~70%, а в юго-восточной части Оренбургской области 65%. Летом ее количество заметно уменьшается: на севере 65%, на юге округа ~50%, а на границе с Казахстаном всего 45%.
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Нами проведена классификация режима температуры и количества осадков по характеру изменения низкочастотной компоненты с использованием показателя сходства векторов разных станций, в виде которых были представлены поля изменения межгодовых разностей НЧК. Установлено, что изменение температурного режима на исследуемой территории достаточно однородно. Лишь на крайнем севере округа (север Кировской области и север Пермского края) и на крайнем юго-востоке (южные районы Башкортостана, центр и восток Оренбургской области) имеют место некоторые отличия в долгопериодном ходе температуры от остальной части округа. Таким образом, на территории округа выявлено три разных по площади района, отличающихся по изменению температуры. Атмосферные осадки отличаются существенно большей пространственно-временной неоднородностью, поэтому на территории ПФО было выделено 7 районов по долгопериодному изменению сумм осадков. Наличие указанных районов свидетельствует о сравнительно неоднородном характере формирования температурно-влажностного режима ПФО под влиянием атмосферной циркуляции, состояния подстилающей поверхности и других факторов.
2. Многолетние изменения климатических показателей
Перейдем к рассмотрению временного хода НЧК (т>10 лет) аномалий температуры воздуха, количества осадков и общего количества облаков, рассчитанных от нормы 1961 - 1990 гг. по 200 станциям ПФО. Данный подход позволяет выявить долгопериодные тенденции в колебаниях важнейших показателей климата в период 1955 - 2010 гг., характеризующих территорию ПФО в целом.
Установлено, что годовая температура воздуха увеличилась за 56 лет примерно на 1,8 °С. При этом в середине 1970-х гг. произошел переход кривой температуры из области отрицательных аномалий в положительную. Кривые, характеризующие временное поведение аномалий количества осадков и облачности, имеют более сложный характер, причем минимум облачности отмечен несколько раньше минимума осадков (1968 и 1972 г. соответственно). В 1970-х гг. знак годовых аномалий осадков и облачности сменился с отрицательного на положительный, и после достижения максимальных значений рассматриваемых величин в 2000 г. начался их спад (рис. 5). Если в 1972 г. аномалия годо-
вых сумм осадков была отрицательной (-24 мм), то в 2000 г. положительная аномалия составила 20 мм. Таким образом, за 28 лет годовая сумма осадков выросла почти на 45 мм, а облачность возросла на 3,5%. Период 1990-х гг. был благоприятным для сельского хозяйства, так как тепло- и влагообес-печенность региона заметно возросли с 1970-х гг. Причина этого в поведении атмосферной циркуляции - усилении ее западной формы. В период 1980-х - 1990-х гг. индекс NAO имел положительную аномалию, причем в зимний период в 1992 г. был достигнут его максимум.
Рис. 5. Многолетний ход НЧК с периодом более 10 лет аномалий средних годовых значений приземной температуры воздуха (°С), количества осадков (мм) и общей облачности (%),
осредненных по территории ПФО
Долгопериодная динамика рассматриваемых показателей по сезонам такова. Зимняя картина их колебаний имеет сходство с годовой по тенденции развития, начиная с 1970 г. Отметим, что в 1970 г. два показателя приняли минимальное значение: температура имела аномалию -1°С, облачность (-3%). Минимум осадков пришелся на 1971 г. (-7 мм). Однако максимальных значений рассматриваемые показатели достигли в разное время: температура в 2006 г. (1,9°С), облачность в 1998 г. (~5%), осадки в 2000 г. (14 мм). Как и в случае минимума, максимум осадков запаздывает ~ на 4 года относительно максимума облачности (рис. 6). Этот факт трудно объяснить без специального исследования, так как происходят либо изменения в структуре облаков, либо в циркуляционных системах. Летняя картина заметно отличается от зимней особенно в последние десятилетия. Кривая аномалий температуры достигла своего минимума в 1971 - 72 гг. (-0,18°С), а затем наблюдалось ее неуклонное возрастание до 2010 г. (0,75°С). Следовательно, летняя температура повысилась за последние 40 лет примерно на 1 °С, что улучшило теплообеспеченность вегетационного периода.
Для оценки степени возмущенности температурного поля на территории округа рассчитывались известные индексы Багрова и Токарева, межгодовой ход которых показывает, что в последнее десятилетие возмущенность температуры наименьшая, кроме того, в зимний период, начиная с 1971 г., аномальность температурного поля заметно слабее летней.
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
2012. Вып. 4
30
20
10
-10
2
3 &
в
п) рц
0) (и
& О
-1
-2
1950
Температура
Количество осадков
Обшее количество облачности
4
2
(в и в
о
1 0)
0 о
-1
V
_2 я
-3
1960
1970
1980 Годы
1990
2000
2010
Рис. 6. Многолетний ход НЧК с периодом более 10 лет аномалий средних зимних (декабрь - февраль) значений приземной температуры воздуха (°С), количества осадков (мм) и общей облачности (%),
осредненных по территории ПФО
По аномалиям летних осадков минимум отмечен в 1970 - 71 гг. (-12 мм), а максимум в 1987 г. (+13 мм), затем они стали снижаться до 2000 г., а далее несколько возросли. Таким образом, прирост осадков составил ~ 25 мм, но начиная с 1980-х гг. количество летних осадков в целом имеет тенденцию к снижению. Облачность же после достижения своего минимума в 1966 г. (-2,1%) достигла максимума в 1990 г. (2,3%), затем пошла на понижение, а с 2004 г. наблюдается ее слабый рост (рис. 7).
Вместе с тем летом в осадках выявляется колебание с периодом порядка 30 лет, то есть процесс более высокочастотный, чем зимой (~60 лет).
В выделенных нами семи районах ПФО кривые НЧК годовых осадков имеют разнообразную временную динамику с расхождением по фазам. Так, в 1-м, самом большом районе, охватывающем центр и восток округа, уменьшение осадков произошло в начале XXI столетия, во 2-м районе (на юго-западе) отмечается уменьшение осадков с 2000 г., в 3-м районе (запад) - с 2002 г. (незначительное запаздывание), в 4-м районе (юг) процесс уменьшения осадков начался с 1990 г., в 5-м (северо-запад, север) снижения осадков в 2000-х гг. не отмечается. На небольших территориях, занимаемых 6-м и 7-м районами (юг), после максимума в 1990 г. произошло понижение сумм осадков. Таким образом, наибольший контраст в изменении осадков наметился вдоль меридиана.
Следует отметить, что в результате происходящих изменений климата с 1980-х гг. наблюдается постепенное увеличение стока Волги, наиболее выраженное в зимний период. Межгодовая изменчивость режима увлажнения во многом обусловлена особенностями атмосферной циркуляции отдельных лет [9].
Естественно, что для объяснения полученных результатов необходимо привлечь данные, характеризующие состояние атмосферной циркуляции. Были построены НЧК аномалий зональной, меридиональной и вертикальной составляющих скорости ветра. Зимой аномалия зональной компоненты достигает своего минимума в 1972 г. (-0,5 м/с), а в 1998 г. главный максимум (~1,0 м/с), в 1958 г. бо-
лее слабый максимум (0,45 м/с). Выявляется ~40-летнее колебание в зональном ветре. При отрицательной аномалии зонального ветра отмечается минимум температуры, однако с начала 2000-х гг. наблюдается резкое понижение скорости ветра. Колебания вертикальной составляющей Ат происходят в противофазе с Аи: минимальным значениям зональной скорости соответствуют максимальные значения вертикальной. НЧК меридиональной составляющей ветра имеет волновой характер с периодом ~20 лет. Летняя картина сложнее зимней: зональная составляющая проявляется с циклом « 30 лет, меридиональная - с периодом 35 лет с максимумом в 1985 г., Ат с периодом ~ 30 лет и главным минимумом ~ в 1990 г. Летом в противофазе находятся аномалии меридионального и вертикального ветра. Это логично, так как зимой преобладает западная форма циркуляции, а летом меридиональная, когда циклоническая активность заменяется антициклонической.
Рис. 7. Многолетний ход НЧК с периодом более 10 лет аномалий средних летних (июнь - август) значений приземной температуры воздуха (°С), количества осадков (мм) и общей облачности (%),
осредненных по территории ПФО
3. Геофизические факторы и их влияние на режим температуры и осадков
Изучено также поведение естественных факторов, с которыми определялась корреляционная связь ранее рассмотренных климатических показателей. К их числу относятся: северо-атлантическое колебание, количественно характеризуемое индексом NAO, явление Эль-Ниньо - Южное колебание (ЭНЮК), количественно оцениваемое индексом Южное колебание (ЮК), длительность суток (угловая скорость вращения Земли), относительные числа пятен на Солнце, характеризующие солнечную активность (числа Вольфа). На рис. 8 представлены межгодовые изменения указанных показателей за период 1955 - 2010 гг. С помощью фильтра Поттера проведена сглаживающая кривая (оставлены колебания с периодом т>10 лет), которая позволяет судить о тенденции изменения каждого фактора.
Индекс NAO, как это видно по поведению кривой НЧК (рис. 8а), достиг своего максимума в начале 1990-х гг., после этого он неуклонно понижается и в настоящее время находится на самом низком за последние 40 лет уровне. Произошел переход значения NAO в отрицательную фазу, для которой характерно ослабление интенсивности западного переноса воздушных масс [10].
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Установлено, что ряды индекса NAO содержат примерно 60-70-летнюю составляющую и обнаруживают сильную положительную корреляцию с рядами температуры воздуха Северного полушария (СП). Эпохи с положительными индексами NAO характеризуются более интенсивным западным переносом воздушных масс и заметным потеплением большей части внетропической зоны СП, особенно выраженным в зимне-весенний период.
Согласно работе В.В. Клименко [5] в ближайшие десятилетия естественные факторы будут оказывать сдерживающее воздействие на процесс глобального потепления, что будет связано, в первую очередь, со снижением солнечной активности и переходом NAO в отрицательную фазу, для которой характерно ослабление интенсивности западного переноса воздушных масс.
Индекс Южного колебания в период 1950 - 2010 гг. имеет значительную межгодовую изменчивость и в последние десятилетия, судя по кривой НЧК, находится в отрицательной зоне, что свидетельствует о преобладании процессов Эль-Ниньо (теплая фаза) над Ла-Нинья (холодная фаза). В 1983 г. отмечался абсолютный минимум индекса, за ним следовал минимум 1998 г. Действительно, в указанные годы происходили сильные Эль-Ниньо и колебания приземной глобальной температуры (рис. 8б). Этому индексу свойственны 22-летние колебания. Известно, что процессы ЭНЮК ответственны за дальние связи в климатической системе, влияющие на погоду и климат территорий, удаленных от места их экстремального проявления на многие тысячи километров.
Солнечная активность (СА), характеризуемая числами Вольфа, согласно рис. 8в, слабеет. Так, в 19-м цикле солнечной активности (слева) отмечаются наибольшие значения чисел Вольфа (~190), затем наблюдается их понижение и старт последнего 24-го цикла начинается с самой низкой отметки, судя по кривой НЧК. В работе [5] отмечено, что в текущем 24-м цикле, начавшемся осенью 2008 г., зафиксированы минимальные за всю 33-летнюю историю спутниковых наблюдений значения солнечной постоянной.
На рис. 8г представлены данные о продолжительности суток за последние десятилетия. Судя по кривой НЧК, величина продолжительности суток (зависящая от скорости вращения Земли) испытывает ~20-летние осцилляции. На факт существования квазидвадцатидвухлетних осцилляций (22 года) скорости вращения Земли указано в работе [11]. Согласно рис. 8г в 1970-х гг. продолжительность суток была наибольшей, затем она стала уменьшаться, то есть происходило ускорение вращения Земли.
В работах [11; 12] показано, что колебания планетарной циркуляции атмосферы, в силу закона сохранения импульса всегда сопровождаются изменениями угловой скорости вращения Земли. При этом глобальный междуполушарный энергомассоперенос воздуха, возникающий между холодным зимним и теплым летним полушариями, а также между холодными полярными «шапками» и теплыми экваториальными и тропическими широтами, приводит к формированию четко выраженной полугодовой, годовой, квазидвухлетней и 5-6-летней цикличности в вариациях угловой скорости вращения Земли.
В таблице представлены значения коэффициентов корреляции между аномалиями температуры воздуха и сумм осадков ПФО с аномалиями температуры СП в целом, аномалиями NAO, ЮК, чисел Вольфа, продолжительности суток. Коэффициент корреляции, начиная с величины г=0,28, при данной выборке значим на уровне 95% (n=56).
Значения коэффициентов корреляции аномалий температуры (AT) и сумм осадков (APr) ПФО и аномалий температуры СП (АТсП), Северо-Атлантического колебания (NAO), чисел Вольфа (W), аномалий продолжительности суток (D) и индекса ЮК
АТСП NAO W D ЮК АТСП NAO W D ЮК
Исходные ряды Сглаженные ряды
Год АТ 0,59 0,05 -0,06 -0,31 -0,04 0,97 -0,57 -0,69 -0,70 -0,37
APr 0,25 0,21 0,12 -0,21 -0,15 0,78 0,06 -0,11 -0,73 -0,77
ДТСП 1 -0,17 -0,11 -0,66 -0,27 1 -0,56 -0,58 -0,83 -0,35
Зима AT 0,62 0,64 0,05 -0,28 -0,15 0,96 0,78 -0,34 -0,81 -0,57
APr 0,30 0,11 0,24 -0,25 -0,05 0,67 0,37 0,24 -0,86 -0,18
АТСП 1 0,31 -0,05 -0,61 -0,37 1 0,70 -0,46 -0,86 -0,44
Лето AT 0,41 -0,15 0,05 -0,25 0,24 0,98 -0,69 -0,54 -0,84 -0,40
APr 0,02 0,05 -0,11 -0,11 -0,06 0,46 -0,05 -0,09 -0,45 -0,85
АТсп 1 -0,29 -0,15 -0,69 -0,03 1 -0,77 -0,61 -0,84 -0,29
1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
а) г°ды
1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 б) Годы
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
200
160
120
в)
1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Годы
1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 г) Годы
Рис. 8. Динамика исходных рядов и НЧК с периодом более 10 лет: а - индекса САК; б - индекса ЮК; в - чисел Вольфа; г - аномалий продолжительности суток (мс)
Как видно из таблицы, статистически значимая положительная корреляция отмечается между аномалиями температуры ПФО и СП для зимы, лета и года в целом. Связи более тесные зимой (г=0,62), чем летом (г=0,41). Действительно, в последние десятилетия (с 1976 г.) наблюдается глобальное потепление климата, что находит свой отклик и на территории Поволжья, особенно в зимний период. Естественно, что связь осадков на территории ПФО с температурными аномалиями всего СП оказалась несравненно слабее - для зимы г=0,30, а для лета 0,02 (практически связь отсутствует). Следует отметить, что потепление привело к росту осадков зимой, что физически ясно (увеличение влажности воздуха и циклонической активности).
Достаточно высокая тепловая зависимость формируется на территории ПФО зимой от состояния Северной Атлантики. Свидетельством этому является тесная корреляция зимних аномалий температуры с аномалиями индекса NAO (г=0,64). Летом величина г=-0,15 статистически незначима. NAO оказывает определенное воздействие и на формирование аномалий температуры всего СП (зимой г=0,31, летом г=-0,29).
Как и следовало ожидать, связь с индексом ЮК оказалась значимой лишь в масштабах температурного поля СП (зимой г=-0,37). Связь отрицательная, так как отрицательные аномалии ЮК вызывают рост температуры. Однако это явление больше себя проявляет в Южном полушарии, где на океанических просторах Тихого и Индийского океанов разворачиваются основные события, связанные с ЮК.
Связи температуры, осадков с солнечной активностью оказались незначимыми. Лишь для зимы коэффициент корреляции г между аномалиями осадков и чисел Вольфа составил 0,24. В то же время неравномерность вращения Земли находит свой отклик в температурном поле как ПФО, так и в особенности СП. Так, для годовых значений аномалий температуры СП г=-0,66 (для зимы г=-0,61, для лета г=-0,69). Изменения температуры воздуха, как и скорости вращения Земли, происходят с периодичностью в 60 - 70 лет. Кроме того, изменения скорости вращения Земли оказывают влияние на зональную циркуляцию атмосферы (а следовательно, и на температуру воздуха). Возможно, это и явилось причиной столь высокой статистической связи. Так как знак г отрицательный, то это означает, что с уменьшением продолжительности суток (ускоряется вращение Земли) температура растет. Для ПФО, естественно, рассматриваемая связь более слабая (для года г=-0,31, для зимы г=-0,28).
Коэффициенты взаимной корреляции между рядами резко возросли, когда вместо исходных рядов стали использоваться сглаженные. Отфильтровав шум и оставив главные циклы, мы пришли к более высокой корреляционной зависимости между рядами. Так, коэффициент взаимной корреляции между аномалиями, характеризующими случайную межгодовую изменчивость, температуры округа и СП, достиг значения 0,98 в летний период и т.д. (см. табл.).
Выводы
Таким образом, результаты анализа метеорологических данных по территории Приволжского федерального округа за последние 56 лет (1955 - 2010 гг.) позволили выявить следующие основные закономерности региональных изменений климата:
1) объективная классификация многолетних колебаний температуры и количества осадков на территории округа по характеру изменения низкочастотной компоненты позволила выделить 3 района, отличающихся по изменению температуры, и 7 - по изменению осадков;
2) отмечена общая тенденция роста зимней температуры воздуха с 1970 г. до 2006 г. (на 2,8 °С) и летней температуры до 2010 г. (~1°С);
3) выявлено уменьшение годового количества общей облачности и осадков. При этом продолжительность многолетних циклов осадков летом вдвое меньше, чем зимой;
4) анализ экстремумов НЧК общей облачности и осадков позволил обнаружить ~ 4-летнее запаздывание годовых осадков по фазе относительно облачности: с 1997 г. наблюдается уменьшение общей облачности, а с 2002 г. и атмосферных осадков;
5) выявлено снижение зимней зональной составляющей скорости ветра с начала 2000-х гг. Вместе с тем, согласно временному ходу НЧК, зимой зональная и вертикальная составляющие скорости ветра находятся в противофазе, а летом - в меридиональной и вертикальной;
6) обнаружена статистически значимая отрицательная связь между рядами осредненной по территории ПФО годовой температуры воздуха и продолжительности суток (г = -0,66), а также тесная положительная корреляционная связь между рядами зимней температуры и индекса NAO (г=0,64).
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант «12-05-97014-р поволжье а»).
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Переведенцев Ю.П., Верещагин М.А., Шанталинский К.М. и др. Изменения климатических условий и ресурсов Среднего Поволжья. Казань: Центр инновационных технологий, 2011. 295 с.
2. Переведенцев Ю.П., Шанталинский К.М. Мониторинг глобальных и региональных изменений климата в тропосфере и стратосфере Северного полушария // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. М., 2011. Т. XXIV. С. 116-130.
3. Оценка макроэкономических последствий изменений климата на территории Российской Федерации на период до 2030 года и дальнейшую перспективу / под ред. В.М. Катцова, Б.Н. Порфирьева. М.: ДАРТ: Главная геофизическая обсерватория, 2011. 252 с.
4. Бирман Б.А., Бережная Т.В. Основные погодно-климатические особенности Северного полушария Земли за 2011 год. Аналитический обзор. М.: Гидрометецентр РФ, 2012. 56 с.
5. Клименко В.В. Почему замедляется глобальное потепление? // Доклады АН. 2011. Т. 440, №4. С. 536-539.
6. Нигматуллин Р.И. Заметки о глобальном климате и океанских течениях // Изв. РАН, ФАО. 2012. Т. 48, №1. С. 37-44.
7. Дымников В.П., Лыкосов В.Н., Володин Е.М. Моделирование климата и его изменений: современные проблемы // Вестн. РАН. 2012. Т. 82, №3. С. 227-236.
8. Покровский О.М. Климатология облачности по результатам международного спутникового проекта // Тр. ГГО. 2012. Вып. 565. С. 115-131.
9. Анисимов О.А., Борзенкова ИИ., Жильцова Е.Л. Гидрометеорологические условия Волжского региона и современные изменения климата // Метеорология и гидрология. 2011. №3. С. 33-42.
10. Clark M.P., Serreze M.C., Robinson D.A. Atmospheric controls on Eurasian snow extent // Int. J. Climatology. 1999. Vol. 19. P. 27-40.
11. Сидоренков Н.С. Физика нестабильностей вращения Земли. М.: Физматлит, 2002. 383 с.
12. Андрианов О.Р., Белевич Р.Р. О связи колебаний некоторых океанографических характеристик с вариациями угловой скорости вращения Земли // Метеорология и гидрология. 2003. №11. С. 64-71.
Поступила в редакцию 06.09.12
Yu.P. Perevedentsev, K.M. Shantalinsky,N.A. Vazhnova, E.P. Naumov, A. V. Shumikhina
Changes of the climate in Privolzhsky Federal district in the recent decades and their relationship to geophysical
factors
The paper covers spatial and temporal changes in key climate indicators in the Privolzhsky Federal District, in the period of 1955 - 2010. We have revealed long-period trends in air temperature, precipitation, cloud cover and wind speed.
The dependence of some climatic parameters from a number of geophysical factors have been established.
Keywords: climate, climate change, air temperature, precipitation, cloudiness, wind speed, geophysical factors.
Переведенцев Юрий Петрович, доктор географических наук, профессор E-mail: [email protected]
Шанталинский Константин Михайлович, кандидат географических наук, доцент E-mail: [email protected]
Важнова Надежда Александровна, аспирант E-mail: [email protected]
Наумов Эдуард Петрович, кандидат географических наук, доцент
E-mail: [email protected].
ФГАОУ ВПО «Казанский федеральный университет» 420008, Россия, г. Казань, ул. Кремлевская 18
Шумихина Алла Валерьевна, руководитель группы метеопрогнозов ФГБУ «Удмуртский ЦГМС» E-mail: [email protected]
Perevedentsev Yu.P., doctor of geography, professor E-mail: [email protected]
Shantalinsky K.M.,
candidate of geography, associate professor E-mail: [email protected]
Vazhnova N.A., postgraduate student E-mail: [email protected]
Naumov E.P.,
candidate of geography, associate professor E-mail: [email protected]
Kazan (Volga) Federal University 420008, Kazan, Kremlevskaya st., 18
Shumikhina A.V., head of weather forecasts FGBU «Udmurt CGMS» E-mail: [email protected]
