Особенности потепления климата Европейской территории России в современных условиях Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ПРИРОДНАЯ СРЕДА

УДК 551.583(47)

ББК 26.237(23)

О.С. Крышнякова, В.Н. Малинин

ОСОБЕННОСТИ ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА ЕВРОПЕЙСКОЙ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Рассматриваются изменения температуры воздуха на Европейской территории России за период инструментальных наблюдений (1880-2005 гг.) и дается их сравнение в сопоставлении с изменениями температуры полушария. Показано, что за период интенсивного потепления 1976-2005 гг. рост температуры воздуха на ЕТР превышает темпы ее роста в Северном полушарии в два раза. С помощью кластерного анализа выделено четыре квазиоднородных района по межгодовым колебаниям температуры и для каждого из них выполнено разбиение межгодового хода температуры на три однородные градации: норма, ниже нормы и выше нормы.

Ключевые слова:

климат, температура воздуха, тренды, Европейская территория России, кластерный анализ, районирование, межгодовая изменчивость

Проблема изменений климата уже давно вышла за чисто научные рамки и приобрела огромное экологическое, экономическое и даже политическое значение. Однако относительно достоверные сведения об изменениях глобального климата стали возможны, очевидно, лишь с середины XIX века, когда во многих регионах земного шара стали выполняться наблюдения на стационарных метеорологических станциях. Наиболее часто используемым показателем глобального климата является приповерхностная температура воздуха (ПТВ), которая в течение всего периода инструментальных

Общество

Terra Humana

Рис. 1. Межгодовой ход глобальной температуры воздуха за период инструментальных измерений по данным разных авторов: CRUTEM31, NCDC2, GISS3, Lugina et al.4

наблюдений испытывает постепенный рост (рис. 1). При этом средний рост глобальной температуры в течение ХХ века составлял 0,6—0,7 оС.

Однако, как видно из рис. 1, изменения ПТВ на земном шаре происходили неодинаково. Наряду с промежутками времени, когда отмечалось интенсивное повышение температуры, были такие, когда она понижалась. Поэтому рассматриваемый нами период времени был разделен на три промежутка, два из которых характеризуют интенсивное потепление (1880-1940 и 1976-2005 гг.), а третий - глобальное похолодание (1941-1975 гг.). В таблице 1 для указанных промежутков времени приводятся оценки линейного тренда ПТВ для обоих полушарий и земного шара в целом. Его числовыми характеристиками являются коэффициент детерминации (Я2), выражающий вклад тренда в дисперсию исходного процесса, и величина тренда (Тг в оС/10 лет).

Таблица 1

Оценки линейных трендов ПТВ за различные периоды времени5

Период, годы Северное полушарие Южное полушарие Земной шар

R2 оС/10 лет R2 оС/10 лет R2 оС/10 лет

1880-2005 0,62 0,072 0,58 0,055 0,64 0,064

1880-1940 0,64 0,109 0,32 0,046 0,59 0,077

1941-1975 0,30 -0,074 0,02 -0,014 0,21 -0,044

1976-2005 0,68 0,252 0,56 0,116 0,65 0,182

Как видно из табл. 1, примерно до начала 1940-х годов наблюдался сравнительно быстрый рост глобальной температуры, характеризуемый величиной тренда Тг = 0,08 оС/10 лет. Особенно ярко он проявлялся в высоких широтах Северного полушария. Поэтому 20-40-е годы XX века получили название «потепление Арктики». Затем вплоть до середины 70-х годов

отмечалось практически повсеместное похолодание, характеризуемое значимым отрицательным трендом Тг = -0,04 оС/10 лет. И только после этого произошел резкий рост ПТВ, продолжающийся до настоящего времени (Тг = 0,18 оС/10 лет). Последнее десятилетие ХХ столетия считается самым теплым за весь период инструментальных измерений температуры воздуха.

Как и следовало ожидать, тренд в Северном полушарии несколько сильнее, чем в Южном. В течение 1941-1975 гг. тренд в Южном полушарии вообще отсутствовал. Величина тренда в 1976-2005 гг. в несколько раз превышает его значение до 40-х годов прошлого столетия5. С учетом последнего десятилетия можно утверждать, что ПТВ на земном шаре за ХХ столетие увеличилась почти на 0,6 оС. Это очень хорошо согласуется с оценками, полученными другими авторами.

Итак, в последней четверти ХХ века началось резкое потепление глобального климата. И не исключено, что оно в определенной степени имеет естественный, природный характер. Ведь еще А.И. Воейков и В.И. Вернадский подчеркивали, что мы живем в конце последней ледниковой эпохи и только выходим из нее6.

Эти результаты не означают, что потепление ПТВ на территории земного шара происходит одинаково и повсеместно, поскольку есть некоторые локальные районы, где отмечено похолодание. Например, Северо-Западная Атлантика и Южная Гренландия. Есть также районы, где потепление развивается ускоренными темпами. Так, для России в целом в течение XX столетия потепление составило около 1,0 °С/100 лет, причем за последние 30 лет - 0,43 °С/10 лет7, что почти в 2 раза превышает рост ПТВ в Северном полушарии.

Рассмотрим теперь особенности формирования колебаний температуры воздуха на Европейской территории России (ЕТР). С этой целью были использованы взятые из архива ВНИИГМИ-МЦД8 данные ПТВ по 16 наиболее длинным метеорологическим станциям, расположенным относительно равномерно на ЕТР. Самая северная станция - Усть-Циль-ма, самая южная - Сочи. Для этих станций были рассчитаны оценки трендов за те же периоды, что и в таблице 1, а полученные результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2

Оценки линейных трендов температуры воздуха на Европейской

территории России за различные периоды времени (оС/10 лет)

Значения тренда 1880-1940 1941-1975 1976-2005 1880-2005

Средний по 16 станциям 0,091 0,247 0,520 0,073

Максимальный 0,320 0,572 0,750 0,138

Минимальный -0,238 -0,111 0,206 0,011

Из таблицы 2 видно, что средний тренд температуры воздуха на ЕТР совпадает с трендом ПТВ Северного полушария за 1880-2005 гг. и за 1880-1940 гг. При этом максимальный тренд за весь рассматриваемый

Общество

Terra Humana

период отмечался в Кирове (0,14 °С/10 лет) и Санкт-Петербурге (0,13 °С/10 лет) и практически отсутствовал в Сочи. За период с 1880 по 1940 гг. максимальный положительный тренд был в Архангельске (0,32 °С/10 лет), что, безусловно, связано с потеплением Арктики. Одновременно в некоторых преимущественно южных районах происходило похолодание, максимум которого приурочен к Ростову-на-Дону (-0,24 °С/10 лет). Однако когда в Северном полушарии отмечалось похолодание, на большей части ЕТР шло потепление, особенно интенсивное в среднем течении Волги. Тренд ПТВ в Казани за 1941-1975 гг. составлял 0,57 °С/10 лет. Исключение составляли приполярные районы, где наблюдалось относительное похолодание.

Как следует из табл. 2, наиболее интенсивно потепление на ЕТР развивалось за последние 30 лет, достигнув «рекордного» значения 0,52 °С/10 лет, что несколько превышает темпы потепления в среднем для России. Поэтому рассмотрим характер потепления за данный период времени более подробно. Исходными данными послужили значения температуры воздуха для 38 метеорологических станций ЕТР за период с 1976 по 2005 гг., взятые из постоянно пополняемого архива ВНИИГМИ-МЦД8. Статистическая значимость трендов определялась по критерию Стьюдента.

На рис. 2 представлено распределение значимых трендов на ЕТР для средней годовой температуры воздуха. Можно видеть, что для большей части ЕТР отмечается устойчивая тенденция к повышению температуры. При этом максимальный рост ПТВ (Тг > 0,7 °С/10 лет) отмечается на крайнем северо-востоке - в Малоземельской тундре и нижнем течении Печоры, а наименьший рост ПТВ (Тг < 0,4 °С/10 лет) - в предгорьях Кавказа.

30 35 4 0 4 5 50 5 5 60

-70

В5

В0

55

50

45

40

30 35 40 45 50 55 60

Рис. 2. Пространственное распределение значений линейного тренда среднегодовой температуры воздуха на Европейской территории России за 1976-2005 гг.

Отметим, что по данным Росгидромета потепление за 1976-2006 гг. на ЕТР составило 0,48 °С/10 лет9. По нашим же оценкам средний тренд ПТВ для ЕТР равен Тг = 0,55 оС/10 лет, то есть несколько выше, чем по данным Росгидромета.

Изучение пространственно-временных закономерностей природных процессов - важнейшая проблема физической географии. Решение многих частных задач этой проблемы возможно на основе кластерного анализа - совокупности методов и алгоритмов теории распознавания образов, направленных на решение процедуры классификации множества объектов в многомерном пространстве признаков10.

Главная цель КА - разбиение множества объектов на сравнительно небольшое число однородных групп (классов) по наиболее существенным признакам их сходства11. При этом принципиально важным является понятие однородности. В классической постановке КА понятие однородности двух или нескольких объектов означает близость их физических состояний, которая трактуется как геометрическая близость в многомерном пространстве признаков.

Применительно к проблеме пространственно-временной изменчивости температуры воздуха на ЕТР аппарат КА использован для решения следующих задач:

- районирование ЕТР по характеру межгодовых колебаний температуры воздуха;

- разбиение межгодового хода температуры воздуха на однородные градации.

Число используемых в настоящее время алгоритмов КА настолько велико и разнообразно, что с трудом поддается какой-либо систематизации12. Наибольшее распространение в гидрометеорологии получили эвристические и иерархические алгоритмы. В современных пакетах статистических программ обычно реализуются эвристический метод к-средних (к-теаш) и различные иерархические алгоритмы, среди которых наибольшего предпочтения заслуживает алгоритм Уорда. Данный алгоритм минимизирует сумму квадратов расстояний для двух кластеров, формирование которых происходит на каждом шаге. Он приводит к образованию кластеров приблизительно равных размеров с минимальной внутриклассовой дисперсией. Этим он близок к эвристическим алгоритмам, минимизирующим внутриклассовую дисперсию (расстояния) и максимизирующим межклассовую дисперсию (расстояния). В данной работе применялся алгоритм Уорда, а для оценки расстояния между объектами использовалась евклидова метрика.

Районирование ЕТР по характеру межгодовых колебаний температуры

Районирование - одно из фундаментальных понятий географической науки. Самое общее традиционное представление о районировании сводит его сущность к мысленному делению территории на части по каким-либо

Среда обитания

Terra Humana

признакам. Однако районирование - не всякое территориальное членение, а деление определенного, а именно регионального уровня, объектом которого являются достаточно крупные территориальные образования с более или менее сложной внутренней структурой13. С точки зрения КА районирование - территориальная классификация, то есть перенесение результатов классификации на карту.

Процедуре классификации была подвергнута матрица среднегодовых значений температуры воздуха для 38 станций размером 38x30. На рис. 3 приводится дендрограмма, построенная методом Уорда. Наиболее сложным моментом анализа дендрограммы является определение оптимального числа классов. Очевидно, для этого могут быть использованы статистические критерии. Если по критериям Стьюдента и Фишера центры классов при их делении различаются значимо, то это означает, что классы хорошо различимы. Кроме того, дополнительно может использоваться также и коэффициент корреляции. Если сравниваемые классы имеют высокую положительную корреляцию, то это значит, что классы повторяют друг друга и, следовательно, разбиение на такие классы не имеет смысла.

і

а—^________________________I

ь------

^ I

0 50 100 150 200 250 300

Расстояние

Рис.3. Дендрограмма межгодовых колебаний температуры воздуха на ЕТР

С этой точки зрения оптимальным вариантом на рис. 3 является разбиение всей совокупности на четыре класса. Перенесение результатов классификации на карту также позволило выделить 4 квазиоднородных района: Приполярный, Северный, Центральный и Южный (рис. 4). Нетрудно видеть, что распределение районов носит хорошо выраженный зональный характер, обусловленный радиационным притоком тепла.

Разбиение межгодовых колебаний температуры воздуха на однородные градации

Обычно, исходя из тех или иных физических критериев, исследователь разделяет временной ряд на три градации: «ниже нормы», «норма» и «выше нормы». Иногда временной ряд делится на пять пунктов, когда дополнительно вводятся градации «значительно ниже нормы» и «значительно

Рис. 4. Районирование Европейской территории России по характеру межгодовых колебаний температуры воздуха

выше нормы». При этом чаще всего в качестве критериев служат среднее арифметическое и доли среднеквадратического отклонения. Естественно, такое разделение на градации во многом искусственно, поскольку не учитывает особенности внутренней структуры временного ряда.

Более адекватное решение данной задачи можно получить при помощи алгоритмов КА. Действительно, в этом случае значения временного ряда, отнесенные в одну градацию, оказываются наиболее близкими, в то время как различия значений, принадлежащих разным градациям, напротив, максимальны. При этом границы между классами могут не совпадать с долями среднеквадратического отклонения и даже среднее значение в градации «норма» может отличаться от среднего арифметического всего ряда.

Исходя из полученных оценок КА для отдельных районов и ЕТР в целом, межгодовые колебания температуры воздуха следует разбить на три градации. Введем из соображений удобства следующие обозначения для каждой из градаций: НН - ниже нормы, Н - норма, ВН - выше нормы. Вначале для каждого района были вычислены пространственные средние значения температуры, которые использованы для построения дендрограмм. В таблице 3 представлены результаты разбиения температуры воздуха по градациям с указанием числа случаев, нижней и верхней границ и среднего значения. Следует отметить, что распределение числа случаев по градациям оказалось очень сходным в Приполярном и Южном районах. Кроме того, заметное сходство выявляется при сравнении Южного района и ЕТР в целом.

Среда обитания

Terra Humana

Таблица 3

Разбиение среднегодовых значений температуры воздуха по градациям для ЕТР и ее районов

Район Параметры Градации

НН Н ВН

Приполярный Число случаев Нижняя граница, °С Среднее, °С Верхняя граница, °С 4 -2,5 -2,2 -1,9 11 -1,2 -0,8 -0,3 15 -0,1 0,7 2,4

Северный Число случаев Нижняя граница, °С Среднее, °С Верхняя граница, °С 9 1,2 2 2,5 6 2,8 2,9 3,2 15 3,5 4,1 5,0

Центральный Число случаев Нижняя граница, °С Среднее, °С Верхняя граница, °С 5 3.4 4,0 4.4 13 4,8 5,4 6,1 12 6,5 6,8 7,2

Число случаев 4 12 14

Нижняя граница, °С 9,1 10,1 11,1

Среднее, °С 9,4 10,4 11,6

Верхняя граница, °С 9,7 10,8 12,0

Число случаев 4 13 13

ЕТР Нижняя граница, °С 2,9 3,7 5,1

Среднее, °С 3 4,2 5,6

Верхняя граница, °С 3,2 4,7 7,4

В качестве примера на рис. 5 приводится разбиение температуры воздуха на указанные градации для ЕТР в целом. Как видно из рис. 5, температура в градации НН отмечалась исключительно в первое десятилетие рассматриваемого периода, в то время как температура в градации ВН, наоборот, наблюдалась преимущественно в последнее десятилетие.

8,0 -

7.0 -

6.0 -

5.0 -

4.0 -

3.0 -

2.0 -

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

♦ НН ■ Н ▲ ВН

Рис.5. Распределение среднегодовых колебаний значений температуры воздуха на 3 однородные

градации (НН, Н, ВН) для ЕТР в целом

Рассмотрим более подробно вопрос пространственных особенностей формирования потепления климата на ЕТР (рис. 6). Из данного рисунка видно, что на Европейской территории России в период интенсивного потепления имело место чередование холодных и теплых лет, которое происходило в каждом из выделенных квазиоднородных районов по-разному. Несмотря на это, можно выделить годы, когда температура одной градации наблюдалась повсеместно. К примеру, 1977 и 1982 годы оказались в рамках нормы и в районах, и для всей территории Европейской части России. В то же время есть годы, когда отмечается противоположный характер аномалий температуры. Так, 1994 год оказался холодным для Северного района, но аномально теплым для Приполярного. В целом холодными оказались 1976, 1978, 1985 и 1987 гг., а теплыми - 1981, 1983, 1989-1991, 1995 гг. и период с 1999 по 2005 гг.

Кроме того, достаточно очевидным является то, что холодные года отмечаются в первую треть исследуемого временного промежутка практически на всей ЕТР. Затем следует аномально теплый период из трех лет (1989-1991 гг.), с 1992 года наблюдается период, соответствующий норме, а

Приполярный Северный Центральный Южный ЕТР

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

ВН

Н

НН

Рис. 6. Распределение средних годовых значений температуры воздуха на 3 градации (НН, Н, ВН) для квазиоднородных районов ЕТР

Среда обитания

Terra Humana

с 1999 года на всей Европейской территории России отмечаются аномально теплые года. Это убедительно свидетельствует об интенсивном росте температуры воздуха в последние десятилетия.

На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы. Анализ температурного режима за период интенсивного потепления 19762005 гг. показал, что рост температуры воздуха на ЕТР превышает темпы ее роста в Северном полушарии в два раза. Максимальный рост отмечен на крайнем северо-востоке ЕТР, а минимальный - на юге ЕТР. По характеру межгодовых колебаний на Европейской территории России выделяется четыре квазиоднородных района, имеющих выраженное зональное распределение: Приполярный, Северный, Центральный и Южный. Проведенное разбиение межгодовых колебаний температуры на однородные градации позволило проследить потепление на ЕТР во времени и пространстве. Относительно холодным периодом, как и следовало ожидать, оказалась первая треть исследуемого периода. С конца 1980-х годов практически на всей Европейской части России отмечается своего рода переходный период, когда аномально теплые года сменяются годами с обычными температурными условиями. Но уже с конца 1990-х гг. на всей ЕТР наблюдается период только положительных аномалий температуры воздуха.

1 Brohan, P., et al., 2006: Uncertainty estimates in regional and global observed temperature changes: A new dataset from 1850. J. Geophys. Res., 111, D12106, doi:10.1029/2005JD006548.

2 Smith, T. M., and R. W. Reynolds, 2005: A global merged land and sea surface temperature reconstruction based on historical observations (1880-1997). J. Clim., 18, 2021-2036.

3 Hansen, J., et al., 2001: A closer look at United States and global surface temperature change. J. Geophys. Res., 106, 23947-23963.

4 Lugina, K. M., et al., 2005: Monthly surface air temperature time series area-averaged over the 30-degree latitudinal belts of the globe, 1881-2004. In: Trends: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy, Oak Ridge, TN, http://cdiac.esd.ornl.gov/trends/temp/lugina/lugina.html.

5 Малинин В. Н. Межгодовые изменения климата и уровня Мирового океана. - Сб. докладов российско-британской конф. «Киотский протокол: экономические аспекты». -СПб., 2006. - С. 68-80.

6 Яншин А. Л. Потепление климата и другие глобальные экологические проблемы на пороге XXI века. / Экология и жизнь. - 2001. - № 1. - С. 42-43.

7 Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2006 год Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 2007. -Режим доступа: http://www.meteorf.ru.

8 Адрес официального сайта ВНИИГМИ-МЦД. - http://www.meteo.ru

9 Обзор загрязнения природной среды в Российской Федерации за 2006 г. М., Росгидромет, 2007. - Режим доступа: http://www.meteorf.ru.

10 Малинин В. Н., Радикевич В. М. и др. Изменчивость вихревой активности атмосферы над Северной Атлантикой. - СПб., 2003. - С. 171.

11 Вайновский П. А., Малинин В. Н. Методы обработки и анализа океанологической информации. Ч. 2. Многомерный анализ. - СПб., 1992.

12 Многомерный статистический анализ в экономике. / Под ред. В. Н. Тамашевича. -М., 1999.

13 Исаченко А. Г. Теория и методология географической науки. - М., 2004. - С. 129.