CC BY
197
УДК 551.513, 551.583
ИЗМЕНЕНИЯ КРУПНОМАСШТАБНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ И СОВРЕМЕННОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ КЛИМАТА НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ
Демин В.И.1, Священников П.Н.2,3, Иванов Б.В.2,3
1 Полярный геофизический институт КНЦ РАН
2 Санкт-Петербургский государственный университет
3 Арктический и антарктический научно-исследовательский институт
Аннотация
Рассмотрены изменения температуры воздуха на Кольском п-ове внутри однородных макроциркуляционных групп Е, W, C (по классификации Г.Я. Вангенгейма). Обнаружено, что потепление наблюдается во все сезоны при всех трех группах макропроцессов, что можно рассматривать как аргумент в пользу присутствия иных механизмов современного потепления в регионе, кроме изменений крупномасштабной циркуляции атмосферы.
Ключевые слова
циркуляция атмосферы, климат Арктики, изменение климата, Мурманская область.
Введение
Вторая половина XX в. и начало XXI в. характеризуются заметным потеплением на Кольском п-ове [1-2]. Согласно [3], среднегодовая температура воздуха (с) в г. Мурманске для периода 1881-1960 гг. составляла 0 °С. Для базового периода 1961-1990 гг., используемого при описании современного климата, tcs -также около 0 °С. С 1991 по 2013 гг. tcz повысилась до 1 °С, а за десятилетие 2004-2013 гг. она оказалась равной 1.4 °С.
Повышение температуры в регионе наиболее заметно в зимние месяцы (особенно декабрь -январь), однако также фиксируется и в другие сезоны (рис. 1). При этом потепление нельзя списать на положение метеорологических станций внутри населенных пунктов. Интенсивность антропогенного «острова тепла» пропорциональна числу жителей [4, 5]. Наблюдаемое же потепление охватывает весь регион и практически не зависит от плотности населения и характера хозяйственной деятельности в окрестностях метеорологической площадки [1, 2].
Рис. 1. Изменение среднемесячных температур, рассчитанных для периодов 1991-2013 и 19611990 гг. в городах Мурманск (население более 300 тыс. чел. (1), Кандалакша (34 тыс. чел. (2) и в селе Краснощелье (около 400 чел.(3). Ряды климатически однородные. По оси ординат -изменение температур, по оси абсцисс - месяцы (I, II, III, ..., XI, XII)
Возможная причина изменения климата в регионе - перемены в крупномасштабной циркуляции атмосферы, которые могли привести к более высокой повторяемости выхода
101
на регион более теплых воздушных масс (и/или уменьшения холодных вторжений) при общем сохранении их термодинамических свойств. Основанием для такого предположения может служить существование в циркуляционном режиме атмосферы длительных периодов (от 10 лет и более) с аномальным развитием тех или иных динамических процессов. Изменения форм циркуляции W, C и Е по классификации Г.Я. Вангенгейма [6, 7], демонстрирующие реальность так называемых циркуляционных эпох, представлены на рис. 2.
Рис. 2. Отклонения числа дней в году (An) с формами циркуляции W, C, E (по классификации Г.Я. Вангенгейма) от их средних многолетних значений за период 1900-2013 гг.
Каждой форме циркуляции соответствует определенная структура планетарных волн в тропосфере: форме W- зональный перенос, а при формах С и Е появляются гребни и ложбины большой амплитуды, но разной географической локализации. Эти особенности термобарического поля в тропосфере определяют траектории движения барических образований и воздушных масс [6]. Соответственно, установление в циркуляционном режиме долговременного периода с аномальным (по сравнению с многолетней нормой) развитием той или иной формы циркуляции может привести к соответствующим аномалиям в поле температуры [6-10].
Обращает на себя внимание, что принятые в настоящее время климатические нормы, относительно которых оцениваются современные изменения климата, были рассчитаны по периоду 1961-1990 гг., который пришелся на аномальное развитие макропроцессов формы Е (рис. 2). В то же время последние два десятилетия характеризуются снижением частоты макропроцессов формы Е и увеличением макропроцессов формы W. Температурный режим на Кольском п-ове при данных формах макропроцессов различный, что уже само по себе способно было вызвать появление тренда.
Так, при западной форме циркуляции (W) циклоническая деятельность развивается в средних широтах. Вдоль этих широт с запада на восток перемешаются циклоны и гребни. На Кольском п-ове в этот момент наблюдается преимущественно неустойчивая погода, прохладная летом и осенью [11]. Зимой и весной преобладание западного типа циркуляции, если он проявляется в чистом виде, вызывает положительную аномалию температуры в регионе. Однако, если при западной форме циркуляции эпизодически происходят вторжения воздушных масс из Арктики, то на Кольском п-ове формируется значительная отрицательная аномалия температуры.
При меридиональных процессах формы С исландский минимум ослабевает или совсем исчезает, и давление в Арктике растет. Над Кольским п-овом устанавливается северный, северовосточный, а иногда и восточный перенос холодных арктических масс, что и обуславливает возникновение отрицательной аномалии [1 1].
При восточной форме циркуляции Е за счет углубления исландского минимума и антициклогенеза над Европейской территорией России и западной Сибирью усиливается поток
102
теплого воздуха с юго-запада на северо-восток, что вызывает значительное потепление на Кольском п-ове во всех сезонах. Похолодание возможно только в холодное полугодие, когда сибирский антициклон значительно распространяется на запад и северо-запад зимой или восточная циркуляция перебивается меридиональной С [11].
На рис. 3 представлены среднемесячные значения температуры воздуха в г. Мурманске при различных формах циркуляции в течение 1949-2013 гг. Возрастание частоты процессов формы Е приводит к росту температуры воздуха, особенно заметному в летнее время, а увеличение повторяемости процессов W или С - к понижению.
Рис. 3. Годовой ход среднесуточной температуры воздуха в г. Мурманске при макропроцессах форм W (1), C (2), E (3) и по общей выборке (4) за период с 1949 по 2013 гг.
Изложенное показывает, что при изучении долговременных изменений климата в отдельном регионе не достаточно рассмотрения вариаций только температуры воздуха, необходимо также прослеживать динамику температуры внутри однородных макроциркуляционных групп. Учет циркуляционного фактора требуется и для регионального уточнения глобальных климатических сценариев, которые должны рассматриваться как фоновые, так как тренд температуры, вызванный сменой режима циркуляции, очевидно, может наложиться на тренд, обусловленный глобальными процессами, усилить или ослабить его.
Данные и методы
Существует несколько схем типизации атмосферных макропроцессов (см, например, [6, 9, 14]). В настоящей работе рассматривается типизация Г.Я. Вангенгейма,
предусматривающая выделение в Атлантико-Европейском секторе трех форм циркуляции: западная W, восточная E
и меридиональная С [7]. Одно из преимуществ выбранной схемы - наличие хорошо выраженных многолетних периодов с аномальным развитием той или иной формы.
Следует отметить, что изучение исключительно формы циркуляции не обеспечивает достаточной однородности: погодный режим в заданном районе может иметь существенные различия при одной и той же форме циркуляции в зависимости от процессов, предшествующих ее возникновению, и стадии преобразования в другие формы [6, 12]. По этой причине температура воздуха в конкретный день зависит не только от типа циркуляции, но и от довольно длительной предыстории наблюдаемого процесса (цепочки преобразований W, C, E). Более того, даже в течение каждой эпохи наблюдается развитие процессов нескольких разновидностей основной формы и отдельных разновидностей других форм, отражающих черты прошедшей
103
эпохи или «ростки» следующей эпохи [6]. Вместе с тем, увеличение числа рассматриваемых макропроцессов, например, за счет привлечения тихоокеанского сектора (З, Mj, М2), приведет к возрастанию числа групп с трех до девяти с одновременным сокращением числа случаев в каждой группе, что скажется на надежности статистических оценок на интервале в 20-30 лет. Таким образом, только создавая максимально возможные по числу событий группы, можно в какой-то степени надеяться на «обнуление» предыстории процесса и выделение характеристик, присущих именно данной форме.
В работе использован каталог атмосферных процессов [7, 13], а также ежеквартальные «Обзоры гидрометеорологических процессов в Северном ледовитом океане», подготовленные Арктическим и Антарктическим НИИ.
Результаты работы и обсуждение
Для периодов 1961-1990 и 1991-2013 гг. были рассчитаны среднесезонные значения температуры для разных форм циркуляции. Выделение сезонов на Кольском п-ове проведено по классификации, предложенной Б.А. Яковлевым [11]: зима (ноябрь-март), весна (апрель-май), лето (июнь-август), осень (сентябрь-октябрь). Изменение сезонных температур по всей выборке и отдельно при разных формах циркуляции показано в таблице.
Средние сезонные температуры в г. Мурманске и их изменение при различных формах циркуляции
Таблица
Форма циркуляции Сезон Средняя t °C Разность t °C
1961-1990 1991-2013
W зима -9.4 -6.8 2.6
весна -0.7 0.8 1.5
лето 9.3 10.6 1.3
осень 2.9 3.9 1.0
E зима -7.4 -6.8 0.6
весна 2.2 3.7 1.5
лето 12.4 12.7 0.3
осень 5.0 5.8 0.8
C зима -9.1 -8.6 0.5
весна -0.6 0.5 1.1
лето 8.4 9.4 1.0
осень 2.5 3.0 0.5
Как видно из таблицы, в 1961-2013 гг. в регионе одновременно «потеплели» все макропроцессы, независимо от формы циркуляции W, E или C. Аналогичная ситуация (повышение средней температуры при всех формах циркуляции в 1991-2013 гг. по сравнению с 1961-1990 гг.) наблюдается, например, в горных районах Кольского п-ова (Хибины [15]).
Этот факт показывает, что объяснить современное потепление только изменением циркуляции с более частым (по сравнению с периодом 1961-1990 гг.) поступлением в район Кольского полуострова теплых воздушных масс и/или меньшим поступлением холодных довольно сложно. Скорее всего, имеет место влияние еще какого-либо механизма или механизмов. К такому же выводу можно придти и путем сопоставления наблюдаемых изменений температуры с изменениями частот появления форм циркуляции E, W, C.
Так, на Кольском п-ове в теплое полугодие при макропроцессах формы Е, как правило, наблюдается положительная аномалия температуры воздуха. Средняя летняя температура при макропроцессах формы Е в период 1961-1990 гг. в Мурманске составляла 12.4 °С, в то время как при макропроцессах форм W и С - 9.3 и 8.4 °С соответственно. Тогда переход от циркуляционной эпохи формы Е к эпохе с формой W, который произошел с начала 1990-х гг. (рис. 2), очевидно, должен был привести к некоторому снижению летней температуры.
104
В действительности же летние температуры в период 1991-2013 гг. несколько повысились. Очевидно, уменьшение числа макропроцессов формы Е было полностью скомпенсировано повышением температуры воздушных масс, поступающих в регион. В этой связи можно даже предположить, что наблюдаемое летнее потепление в регионе даже занижено за счет увеличения в последние два десятилетия числа частоты появления более «холодных» макропроцессов.
Заключение
Принятые в настоящее время климатические нормы, относительно которых принято оценивать современные изменения климата, рассчитаны по периоду 1961-1990 гг., который пришелся на аномальное развитие макропроцессов формы Е (по классификации Г.Я. Вангенгейма). В то же время последние два 10-летия характеризуются снижением частоты макропроцессов формы Е и увеличением макропроцессов формы W. Показано,
что температурный режим на Кольском п-ове при данных формах макропроцессов различный, а значит, учет смены циркуляционных эпох необходимое при диагностике климатических изменений.
В работе рассмотрены изменения температуры воздуха в г. Мурманске с 1961 по 2013 гг. Выявлено, что потепление наблюдается во все сезоны и внутри всех групп однородных макропроцессов, выделенных по классификации Г.Я. Вангенгейма. По этой причине объяснить региональные изменения температуры в последние 10-летия увеличением числа «теплых» и уменьшением числа «холодных» макропроцессов не представляется возможным. Кроме изменения крупномасштабной циркуляции атмосферы, необходимо предположить присутствие дополнительного механизма(-ов) современного потепления на Кольском п-ове.
ЛИТЕРАТУРА
1. Комплексные климатические стратегии для устойчивого развития регионов Российской Арктики в условиях изменения климата (модельный пример Мурманской области). Режим доступа: поИйр:// www.climatechange.ru/files/Murmansk_summary_sm.pdf 2. Демин В.И. Основные климатические тенденции на Кольском полуострове за период инструментальных метеорологических наблюдений // Труды Кольского научного центра РАН "Прикладная экология Севера". 2012(9). 2. С. 98-110. 3. Справочник по климату СССР. Вып. 2. Мурманская область. Часть II. Температура воздуха и почвы. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 144 с. 4. Оке Т.Р. Климаты пограничного слоя. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 360 с. 5. Landsberg H.E. The urban climate // International Geophysics Series, Academic Press, New York. 1981. Vol. 28. P. 275. 6. Гирс А.А.
Макроциркуляционный метод долгосрочных метеорологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 488 с.
7. Гирс А.А. Многолетние колебания атмосферной циркуляции и долгосрочные гидрометеорологические прогнозы. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 280 с. 8. Климатический режим Арктики на рубеже XX и XXI вв. / под ред. Б.А. Крутских. СПб.: Гидрометеоиздат, 1991 г. 200 с. 9. Куражов В.К., Иванов В.В., Коржиков А.Я. Роль атмосферной циркуляции в формировании долгопериодных колебаний климата Арктики // Тр. ААНИИ. 2007. Т. 447. С. 33-43. 10. Циркуляционные механизмы современных колебаний климата / под ред. К.В. Кувшинова. М.: Наука, 1987. 192 с. 11. Яковлев Б.А. Климат Мурманской области. Мурманск, 1961. 180 с.
12. Болотинская М.Ш., Иванов В.В. Синоптико-статистические характеристики изменчивости естественных стадий развития макропроцессов различного временного масштаба // Тр. ААНИИ. 1999. Т. 441. С. 6-18.
13. Дмитриев А.А., Белязо В.А. Космос, планетарная изменчивость и атмосфера полярных регионов. СПб.: Гидрометеороиздат, 2006. 360 с. 14. Кононова Н.К. Классификация циркуляционных механизмов Северного полушария по Б.Л. Дзердзеевскому / отв. ред. А.Б. Шмакин; Ин-т географии РАН. М.: Воентехиниздат, 2009. 372 с. 15. Demin V.I., Chernous P.A., Moroz N.V. Long-term variation of large-scale circulation and its relation to climate changes at the Kola Peninsula // Abstracts of 32th International Conference on Alpine Meteorology, Kranjska Gora, June, 2013. Ljubljana: Ministrstvo za kmetijstvo in okolje, Agencija RS za okolje, 2013. P. 34.
Сведения об авторах
Демин Валерий Иванович - н.с., научный сотрудник Полярного геофизического института КНЦ РАН; e-mail: demin@pgia.ru.
Священников Павел Николаевич - зав. кафедрой климатологии СПбГУ, старший научный сотрудник Арктического и антарктического НИИ; e-mail: svyashchennikov@mail.ru.
Иванов Борис Вячеславович - зав. лабораторией Арктического и антарктического НИИ, доцент кафедры океанологии СПбГУ; e-mail: b_ivanov@aari.ru.
105
