CC BY
29
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2007, том 13, № 32
СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ -
УДК 551.5
ОЦЕНКА УЯЗВИМОСТИ ГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ЗОНАЛЬНЫХ ГРАНИЦ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СЦЕНАРИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА
©2007 г. Н.А. Шумова
Институт водных проблем Российской академии наук Россия, 119991 Москва, ул. Губкина, д. 3, E-mail: [email protected]
Реферат. Оценивается адекватность прогнозируемых величин температуры воздуха и осадков, полученным по моделям общей циркуляции атмосферы GISS, GFDL, СССМ и UKMO условиям засушливых земель Прикаспийского региона. На основании рассчитанных величин коэффициента увлажнения и гидротермического коэффициента показаны тенденции и масштабы возможного изменения гидротермических условий и возможного сдвига южной границы степи исследуемого региона при ожидаемом изменении климата. Ключевые слова: климат, гидротермические условия, агроценозы.
Рост интенсивности антропогенной деятельности и связанное с ним увеличение сжигания топлива способствует повышению концентрации углекислого газа в атмосфере, поглощающего длинноволновое излучение Земли. Такими же свойствами обладают фреоны, метан, окислы азота, которые попадают в атмосферу вследствие промышленной деятельности. В результате возрастает поглощение теплового излучения Земли, а, следовательно, радиационный баланс, что в свою очередь влечет за собой глобальное повышение температуры воздуха и изменение атмосферной циркуляции. Все это приводит к региональным перераспределениям глобальной температуры и атмосферных осадков.
В настоящее время среди специалистов нет единого мнения относительно масштабов и сроков возможных изменений климата. Более того, по мнению ряда ученых (Кондратьев, 1990; Кондратьев, Демирчян, 2001; Бомер-Кристиансен, 2003) парниковая гипотеза глобального потепления климата необоснованно сфокусирована на антропогенном факторе (и упрощена до углеродного учета), количественная оценка вклада которого в настоящее время отсутствует, а данные наблюдений не подтверждают глобальное потепление. Поэтому разработанные сценарии изменения климата не следует рассматривать как прогноз. Эти сценарии только помогают определить возможное направление изменения тех или иных исследуемых элементов и величину их возможного изменения за определенные сроки.
Ощутимые, а тем более значительные изменения климата могут привести к соответствующим изменениям региональных гидротермических условий и возможному сдвигу зональных границ на север. Однако региональный отклик растительности и в целом ландшафтов на глобальные климатические изменения весьма неоднозначен. Известные в настоящее время прогнозно-экологические разработки носят в основном весьма схематичный характер и направлены преимущественно на оценку будущего состояния биосферы как планетарной системы по ограниченному набору метеорологических параметров (Коломыц, 2006). Региональный уровень прогнозирования до сих пор остается слабо разработанным по причине недостатка фактического материала и методических трудностей перехода от глобального прогноза к региональному.
Информация глобальных моделей об изменениях климатических характеристик весьма схематична и представлена в основном данными об ожидаемых изменениях среднемесячных
1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №06-05-64159.
значений температуры воздуха и атмосферных осадков с довольно схематичным их распределением по территории. Исходя из, этого для оценки гидротермических условий в данной работе используются коэффициент увлажнения - индекс Г.Н. Высоцкого (Высоцкий, 1960) и гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова (1958), для расчетов которых достаточно располагать указанной выше информацией. Необходимо добавить, что эти коэффициенты широко используются специалистами, что дает возможность сравнивать результаты, полученные другими авторами.
Из сказанного вытекают две основные задачи. Первая задача - оценить адекватность прогнозируемых величин температуры воздуха и осадков, полученным по моделям общей циркуляции атмосферы, условиям исследуемого региона. В данном случае - это область засушливых земель Прикаспийской низменности, которая по JI.C. Бергу (1947; 1952) определяется зонами степей и пустынь. Вторая задача - оценка тенденций и масштабов возможного изменения гидротермических условий и возможного сдвига южной границы степи исследуемого региона при ожидаемом изменении климата.
Как было отмечено выше, температура воздуха и осадки являются теми характеристиками климата, изменение которых в настоящее время является объектом прогноза при использовании самых различных методов прогнозирования климатических изменений. Наиболее обоснованными признаются оценки изменения климата, выполненные с помощью моделей общей циркуляции атмосферы или так называемых моделей высокого разрешения (Climate Change, 1990). Они рассматривают широкий спектр физических процессов, характеризующих климатическую систему, и оценивают влияние увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере на климат. Эти модели дают возможность оценить предполагаемые локальные изменения температуры воздуха и осадков в различных регионах при удвоении концентрации содержания С02 в атмосфере.
В настоящей работе используются климатические оценки, полученные на основе моделей GISS (Hansen et al., 1983), GFDL (Manabe, Wetherald, 1987), CCCM (Climate Change, 1990), UKMO (Wilson, Mitchell, 1987) и сценария климата (Climate) за период 1951-1980 (Carter et al., 1992), основные характеристики которых приведены в таблице 1. Указанные модели позволяют получить средние месячные величины температуры воздуха и осадков при современной концентрации углекислого газа в атмосфере (1 хС02 ) и при ее удвоении (2хС02), а также их климатические нормы за тридцатилетний период (Climate). При этом следует отметить, что по данным Межправительственной комиссии по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change) удвоение концентрации углекислого газа в атмосфере может быть достигнуто к 2075 году (Tegart, Sheldon, 1992).
Проведем оценку того, насколько корректно указанные климатические модели отражают климатические условия исследуемого региона. Для этого нами из климатических моделей GISS, GFDL, CCCM и UKMO были получены суммы среднесуточных положительных температур воздуха и годовые суммы осадков при современной концентрации углекислого газа в атмосфере (1 хС02) и их климатические нормы из модели Climate для 23 агрометеорологических станций Прикаспийского региона и прилегающих территорий (рис. 1). Результаты сравнения, представленные в таблице 2, показали, что наиболее близки к климатическим данным значения температуры, полученные по моделям и GFDL, СССМ и UKMO. Значения температуры, полученные по модели GISS, в среднем занижены на 9%. К этому хотелось бы добавить, что данные по температуре, полученные по сценарию Climate, полностью согласуются со средними многолетними данными наблюдений, полученными для метеорологических станций Прикаспийского региона (отношение величин сумм среднесуточных положительных температур воздуха ЕТметео, полученных по материалам наблюдений метеорологических станций Прикаспийского региона, к их климатическим нормам из модели Climate £TCUmate равно единице). Что касается годовых величин осадков,
то их значения, полученные по моделям GFDL и UKMO, больше чем на 30% занижены по сравнению со сценарием Climate. По моделям GISS и СССМ годовые суммы осадков завышены по сравнению со сценарием Climate на 27 и 16% соответственно.
Таблица 1. Основные характеристики климатических моделей. Table 1. The main characteristics of climate models.
Климатическая модель Разрешение, град. Вертикальные Увеличение глобальной Увеличение глобальных
уровни, температуры при осадков при
кол-во ед. удвоении СОг, °С удвоении СОг, %
GISS (Goddard Institute for 7.83 x 10.0 9 4.2 11
Space Sciences)
GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory) 2.22x3.75 9 4.0 8.3
CCCM (Canadian Climate 3.75x3.75 10 3.5 3.8
Center Model)
UKMO (United Kingdom Meteorological Office) 2.50x3.75 11 3.5 9.0
Рис. 1. Карта расположения метеорологических станций. 1 - Самара, 2 - Безенчук, 3 - Ростоши, 4 -Оренбург, 5 - Воронеж, 6 - Саратов, 7 - Ершов, 8 - Уральск, 9 - Чингирлау, 10 - Каменка, 11 -Каменная Степь, 12 - Белогорка, 13 - Джаныбек, 14 - Беловодск, 15 - Эльтон, 16 - Капустин Яр, 17 -Черный Яр, 18 - Константиновский, 19 - Харабали, 20 - Гигант, 21 - Кореновск, 22 - Краснодар, 23 -Золотушка. Здесь и далее точечные линии - границы степной зоны по J1.C. Берг (1947; 1952). Fig. 1. Map of meteorological station location. 1 - Samara, 2 - Bezenchuk, 3 - Rostoshi, 4 - Orenburg, 5 -Voronezh, 6 - Saratov, 7 - Ershov, 8 - Uralsk, 9 - Chingirlau, 10 - Kamenka, 11 - Kamennaya Step, 12 -Belogorka, 13 - Dzhanybek, 14 - Belovodsk, 15 - Elton, 16 - Kapustin Yar, 17 - Chernyi Yar, 18 -Konstantinovskii, 19 - Kharabali, 20 - Gigant, 21 - Korenovsk, 22 - Krasnodar, 23 - Zolotushka. Hear and in the following dotted lines indicate boundaries of steppe zone (Берг, 1947; 1952).
При этом годовые суммы осадков, полученные по материалам наблюдений агрометеорологических станций исследуемого региона, на 22% меньше аналогичных значений, полученных по сценарию Climate (отношение годовых сумм осадков, полученных по материалам наблюдений метеорологических станций Прикаспийского региона Рметео, к их
климатическим нормам из модели Climate PCUmate равно 0.78). Анализируя результаты сравнения нельзя сказать однозначно какая из этих моделей лучше отражает современное состояние климата региона (1 хС02) и является предпочтительнее для оценок в Прикаспийском регионе. Поэтому далее мы будем использовать данные всех четырех моделей для оценок влияния изменения климата на гидротермические условия и уязвимость зональных границ исследуемой территории.
Таблица 2. Адекватность климатических моделей условиям Прикаспийского региона (UTlxCOг и Р1хСОг - сумма среднесуточных положительных температур воздуха и годовые суммы осадков из климатических моделей при современной концентрации углекислого газа в атмосфере (1 хС02), ^climate и ^climate ~ климатические нормы сумм среднесуточных положительных температур воздуха и годовых сумм осадков из модели Climate). Table 2. Adequacy of climate models to Caspian Sea region conditions (ZTlxC0^ and PlxCO - average positive daily air temperature sum and annual precipitation from climate models due the present day atmospheric concentration of carbon dioxide (1 xC02), ¿Tclimate and PCUmate - climate rate of average positive daily air temperature sum and annual precipitation from Climate model).
Климатическая модель ^Г\хС02 р 1 1 хСОг
УТ С lim ate Р С lim ate
GISS 0.91 Ml
GFDL 1.02 0.69
СССМ 1.01 1.16
икмо 1.02 0.68
Используя указанные выше модели общей циркуляции атмосферы, были получены прогнозируемые величины температуры воздуха и осадков при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере (2хС02). Для Прикаспийского региона ожидаемое увеличение сумм среднесуточных положительных температур воздуха по данным разных моделей может составить в среднем от 35 до 51%. Ожидаемое изменение годовых сумм осадков в исследуемом регионе по разным моделям может составлять в среднем от -3% до 21%. При этом по модели ОКБ предполагается их увеличение для всей исследуемой территории. Остальные три модели изменения климата предполагают некоторое увеличение осадков в степной зоне исследуемой территории и их уменьшение в зоне пустыни. Более детальные данные приведены в таблице 3.
Для оценки современных гидротермических условий в Прикаспийском регионе и при ожидаемых изменениях климата нами используются условные показатели увлажнения, которые представляют собой отношение ресурсов влаги к потребности во влаге, определяемой через испаряемость, или к фактору, ее заметающему. Это коэффициент увлажнения (Высоцкий, 1960) и гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова (Селянинов, 1958).
Коэффициент увлажнения представляет собой отношение годовой суммы осадков к испаряемости:
КУ = Р/ЕО (1)
где КУ - коэффициент увлажнения, Р - осадки, ЕО - испаряемость.
Для расчета коэффициента увлажнения используются годовые суммы осадков, а испаряемость определяется в зависимости от температуры воздуха по соотношению:
ЕО = а(^Т) (2)
где ^'/' - сумма средних многолетних суточных положительных температур воздуха,
а = 0.28.
Для определения параметра а была построена эмпирическая зависимость между суммами средних многолетних суточных положительных температур воздуха, измеренных на метеорологических станциях лесостепной и степной зон, и величинами испаряемости, рассчитанными по зависимостям (Будаговский, 1964):
Ю = Ь1Ви1Ф^ + Ь2(Я-В), (3)
0.7 , 0.026^»
\ =-, Ъ2=-(4)
1 + 1.56^ 1 + 1.56^
24513 17ЛГ
<Р = 7-^ 235+г, (5)
(235 +Г)2
С ы
DLA1=—1—л, U=u + 0.4, (6)
с2и +1
Фх={\-е-Ы1\ (7)
где ЕО - испаряемость (потенциально возможное испарение), Ъх и Ъ2 - функция температуры воздуха, ср - производная насыщающей упругости водяного пара от температуры воздуха, Т - температура воздуха на высоте 2 м, D^ - функция скорости ветра, и - скорость ветра на высоте 2 м, и - функция скорости ветра, с1 и с2 -коэффициенты, определяемые на основе полевых исследований, Ф1 - функция относительной площади листьев, LAI - относительная площадь листьев, d - дефицит влажности воздуха на высоте 2 м, R - радиационный баланс, В -теплообмен в почву.
Таблица 3. Средние величины отношений сумм среднесуточных положительных температур воздуха хсо2 и осадков за год Р2хСо2 ПРИ возможном удвоении концентрации углекислого газа в
атмосфере к соответствующим величинам в современных климатических условиях ^ Т1хСО^ и Р1хСС>2 (в скобках даны минимальные и максимальные значения). Table 3. Average values of ratio average positive daily air temperature sum ^T2xC0^ and annual precipitation PlxCo2 due possible doubling atmospheric concentration of carbon dioxide to appropriate values due the present day climate condition У, '1\хГа2 and P\xco2 (in brackets are minimal and maximum values).
Модель хСОг р 1 2 хС02
УТ \хСОг Р 1 1 хСОг
GISS 1.35 (1.30-1.43) 1.21 (1.08-1.30)
GFDL 1.37 (1.31-1.45) 1.08 (0.92-1.21)
CCCM 1.44(1.37-1.51) 0.97 (0.93-1.13)
UKMO 1.51 (1.37-1.63) 1.09 (0.93-1.24)
В основе расчета коэффициента увлажнения лежат данные климатических моделей GISS, GFDL, СССМ и UKMO по температуре воздуха и осадкам для условий современной концентрации углекислого газа в атмосфере (1 хС02) и при ее удвоении (2хС02). Величина испаряемости определялась в зависимости от температуры воздуха по соотношению (2). Затем, используя полученные данные по осадкам и испаряемости, по уравнению (1) были оценены значения коэффициента увлажнения для условий современной концентрации углекислого газа в атмосфере (1 хС02) и при ее удвоении (2хС02). Однако впрямую использовать полученные величины коэффициента увлажнения при 1 хС02 и 2хС02 мы считаем недостаточно корректным, так как данные по температуре и осадкам, полученные по климатическим моделям при 1 хС02 (современные климатические условия), не вполне согласуются с данными метеорологических станций исследуемого региона, о чем было сказано выше. Поэтому нами было найдено отношение между величинами коэффициента увлажнения при 2хС02 и 1 хС02, показывающее насколько изменится коэффициент увлажнения при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере. Величина этого отношения составила по разным сценариям ожидаемого изменения климата соответственно 0.90 (GISS), 0.84 (GFDL), 0.76 (СССМ) и 0.74 (UKMO). Как видно из приведенных данных во всех случаях имеет место уменьшение коэффициента увлажнения. Что с экологической точки зрения свидетельствует о возрастании аридности климата. Для получения абсолютных возможных величин коэффициента увлажнения при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере за основу были взяты значения коэффициента увлажнения для современных климатических условий, полученные на основании средних многолетних измеренных на метеорологических станциях данных, и величины полученных выше отношений.
На рисунке 2 представлены величины коэффициента увлажнения КУ в современных климатических условиях (Метео) и при ожидаемом удвоении углекислого газа в атмосфере по различным сценариям изменения климата. Темными кружками выделены метеостанции, на которых КУ < 0.3, то есть выделена зона пустыни (Хромов, Мамонтова, 1974). В современных климатических условиях метеостанции, коэффициент увлажнения которых соответствует зоне пустыни, расположены в основном за пределами южной границы степной зоны, определенной по Л.С. Бергу (1947; 1952). При ожидаемом удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере коэффициенты увлажнения уменьшаются на 10-26% в зависимости от климатической модели и наблюдается некоторое продвижение зоны пустыни к северу. Здесь необходимо отметить, что величина уменьшения коэффициента увлажнения при глобальном изменении климата находится в пределах его (коэффициента увлажнения) межгодовой изменчивости в современных климатических условиях. Аналогичная, хотя и в разной степени выраженная тенденция уменьшения коэффициента увлажнения (доминирующий термоаридный климатический тренд) показана в работе Э.Г. Коломыц
В отличие от коэффициента увлажнения, для оценки которого используются годовые суммы осадков и испаряемости, Г.Т. Селянинов (1958) рассматривает период со среднесуточными температурами воздуха выше 10°С, т.е. период с активными температурами воздуха, условно говоря - период вегетации.
Гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова (ГТК) определяется по соотношению
где Р - сумма осадков в миллиметрах за период со среднесуточными температурами воздуха выше 10°С, ^ '/' - сумма среднесуточных температур воздуха в градусах за то же
время. По Г.Т. Селянинову (Хромов, Мамонтова, 1974), южная граница степной зоны хорошо совпадает с изолинией ГТК = 0.5.
(2006).
(8)
GISS
45о
50°
GFDL
0.50,
О
0.45
0.37,
0.33 0.27 ......
0.26 |
: 0.23 0.25/' •
0.22 #0.21
у»>/ " •
ь О-:--. 0.15
0 49 0.34Х. 4 5°--6?./_ 0.52/'■■■-,
СССМ
45о
50°
икмо
Рис. 2. Коэффициент увлажнения (КУ) при современной концентрации углекислого газа в атмосфере (Метео) и при ожидаемом ее удвоении по различным сценариям изменения климата. Темными кружками показана зона пустыни.
Fig. 2. Moistening coefficient due the present day atmospheric concentration of carbon dioxide (Meteo) and due its possible doubling at various climate change scenario. Full cycles show desert zone.
Для расчета гидротермического коэффициента в современных климатических условиях были использованы средние многолетние измеренные на метеорологических станциях суммы осадков за период со среднесуточными температурами воздуха выше 10°С и суммы среднесуточных температур воздуха в градусах за то же время. Используя полученные из климатических моделей данные по осадкам и температуре воздуха были оценены значения гидротермического коэффициента для условий современной концентрации углекислого газа в атмосфере (1 хС02) и при ее удвоении (2хС02). Далее, как и в случае с коэффициентами увлажнения (и по той же причине) были определены соотношения между величинами гидротермического коэффициента при 2хС02 и 1 хС02, показывающие насколько изменится гидротермический коэффициент при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере. Величина этих отношений для гидротермического коэффициента составила 1.10 (GISS), 0.98 (GFDL), 0.88 (СССМ) и 0.98 (UKMO). Отметим, что в случае удвоения концентрации углекислого газа в атмосфере гидротермический коэффициент согласно модели GISS может возрасти на 10%, практически без изменения остается гидротермический коэффициент при его оценках по сценариям GFDL и UKMO. Согласно модели СССМ уменьшение значений гидротермического коэффициента при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере может составить 12%. Используя за основу, как и в случае с коэффициентом увлажнения, значения гидротермического коэффициента для современных климатических условий, полученные на основании средних многолетних измеренных на метеорологических станциях данных, и соответствующие величины отношений, были вычислены величины гидротермического коэффициента при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере при различных сценариях изменения климата.
Результаты оценок гидротермического коэффициента в современных климатических условиях (Метео) и при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере по различным сценариям климата приводятся на рисунке 3. Темными кружками выделены метеостанции, на которых гидротермический коэффициент опускается ниже ГТК < 0.5, что соответствует условиям пустыни. Гидротермический коэффициент в случае удвоения концентрации углекислого газа согласно модели GISS может возрасти на 10%, практически не изменится согласно моделям GFDL и UKMO, и лишь по модели СССМ его уменьшение может составить 12%. Иными словами по моделям GISS и СССМ при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере отмечаются совершенно противоположные тенденции изменения гидротермических условий Прикаспийского региона.
Проведенные оценки показывают, что гидротермический коэффициент ГТК, характеризующий в большей степени период вегетации, менее подвержен влиянию глобального изменения климата. Однако какая либо тенденция изменения гидротермического коэффициента при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере не прослеживается.
В современных климатических условиях метеостанции, гидротермический коэффициент которых соответствует зоне пустынь, расположены в основном в пределах ландшафтно-географической зоны пустыни, определенной по Л.С. Бергу (1947; 1952). Согласно климатическим моделям GFDL и UKMO, гидротермический коэффициент при ожидаемом удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере практически сохраняется на современном уровне. При расчетах на основании данных модели GISS выявляется тенденция некоторого отступления зоны пустыни на юг. Согласно данным модели СССМ ожидается некоторое продвижение зоны пустыни на территорию современной степи.
Оценки урожая, полученные для различных сценариев изменения климата с использованием гидротермического коэффициента Г.Т. Селянинова (Шумова, 2005), подтвердили выводы, сделанные в работе Дж. Алькамо и др. (2003), что ожидаемые климатические изменения в среднем не будут негативно влиять на сельскохозяйственное производство в степной зоне - одном из основных зернопроизводящих районов России.
икмо
1.11
о
GFDL
1.11
О
Мстсо 1.
Рис. 3. Гидротермический коэффициент (ГТК) при современной концентрации углекислого газа в атмосфере (Метео) и при ожидаемом ее удвоении по различным сценариям изменения климата. Темными кружками показана зона пустыни.
Fig. 3. Hydrothermal coefficient due the present day atmospheric concentration of carbon dioxide (Meteo) and due its possible doubling at various climate change scenario. Full cycles show desert zone.
Оценивая влияние возможного изменения климата на гидротермические условия Прикаспийского региона и возможный сдвиг зональных границ можно сделать вывод, что
наиболее уязвимыми являются оценки увлажнения, которые описываются через коэффициент увлажнения КУ и являются интегральным годовым показателем. Величины гидротермического коэффициента ГТК, которые являются показателем периода со среднесуточными температурами воздуха выше 10°С, дают неоднозначную картину возможных изменений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алъкамо Дж., Дронин Н., Эндеян М., Голубев Г., Кириленко А. Новый взгляд на воздействия изменений климата на сельское хозяйство и водные ресурсы России // Тезисы докладов Всемирной конференции по изменению климата. М.: Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, 2003. С. 80-81.
2. БергЛ.С. Географические зоны Советского Союза. М.: Географгиз, 1947. 397 с.
3. БергЛ.С. Географические зоны Советского Союза. М.: Географгиз, 1952. Т.2. 510 с.
4. Бомер-Кристиансен КС. Что движет Киото: наука или интересы // Тезисы докладов Всемирной конференции по изменению климата. М.: Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, 2003. С. 659-660.
5. Будаговский А.И. Испарение почвенной влаги. М.: Наука, 1964. 244 с.
6. Высоцкий Г.Н. Избранные труды. М.: Сельхозгиз, 1960. 435 с.
7. Коломыц Э.Г. Прогнозные и палеогеографические сценарии зональных гидроклиматических и биотических условий Волжского бассейна // Водные ресурсы. 2006. Т. 33. №2. С. 206-223.
8. Кондратьев К.Я. Ключевые проблемы глобальной экологии // Итоги науки и техники. Теоретические и общие вопросы географии. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 9. 454 с.
9. Кондратьев К.Я., Демирчян КС. Глобальные изменения климата и Киотский протокол // Вестник Российской академии наук. 2001. № 11. С. 1-20.
10. Селянинов Г.Т. Принципы агроклиматического районирования СССР // Вопросы агроклиматического районирования СССР. М.: МСХ СССР, 1958. С. 7-14.
11. Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 568 с.
12. Шумова Н.А. Прогноз воздействия возможных изменений климата на гидротермические условия и урожай сельскохозяйственных культур лесостепной и степной зон // Оценка влияния изменения режима вод суши на наземные экосистемы. М.: Наука, 2005. С. 71-107.
13. Carter T.R., Parry М.Г., Nishioka S., HarasawaH. Preliminary guidelines for assessing impacts of climate change // Environmental change unit. Oxford, United Kingdom, and Center for Global Environmental Reseach. Tsukuba, Japan. 1992. 28 p.
14. Climate Change. The IPCC Scientific Assessment. Cambridge, United Kingdom, 1990. 365 p.
15. Hansen J., Russell G., Rind I)., Stone P., Lac is A., Tebedeff S., Ruedy R., Travis Г. Efficient three-dimensional global models for climate studies: models I and II // Monthly Weather Review. 1983. No III. P. 609-662.
16.Manabe S., Wetherald R.T. Large-scale changes in soil wetness induced by an increase in carbon dioxide // Atmospheric Sciences. 1987. No 44. P. 1211-1235.
17. Tegart W.J.McG., Sheldon G.W. Climate change 1992 // The Supplementary Report to The IPCC Impacts Assessment. Canberra, Australia. 1992. 112 p.
18. Wilson C.A., Mitchell F.B. A doubled CO2 climate sensitivity experiment with a global climate model including a simple ocean // Journal of Geophysics Research. 1987. No 92. P. 13315-13343.
THE ASSESSMENT OF VULNERABILITY OF HYDROTHERMAL CONDITIONS AND ZONE BOUNDARIES OF ARID TERRITORIES DUE VARIOUS CLIMATE CHANGE
SCENARIO
©2007. N.A. Shumova
WaterProblems Institute Russian Academy of Sciences Russia, 119991 Moscow, ul. Gubkina, 3, E-mail: [email protected]
Rise of intensity of anthropogenic activity and close to it increase of fuel burn lead to increase of carbon dioxide concentration in atmosphere, absorbing long wave Earth radiation, that entails global rise of air temperature and change of atmosphere circulation. All this causes corresponding change of regional hydrothermal conditions and possible change of zonal borders to the North.
Information of global models about climatic characteristics change is quite schematic and presented by the data of expected changes of average monthly meaning of air temperature and atmosphere precipitation with quite schematic distribution on the territory. Proceeding from this, for assessment of hydrothermal conditions in this work moistening coefficient is used (Visotskiy, 1960) and hydrothermal coefficient (Selianinov, 1958), for calculation of which is enough to passes by information, mentioned below.
The main aims of this work are assessment of adequacy of prognosing quantity of air temperature and precipitation, found out by the models of the common atmosphere circulation, conditions of dried areas of the Caspian lowland (zones of steppes and deserts) and assessment of trends and scales of possible change of hydrothermal conditions and South borders of the steppe of studied regions by expected climate change.
Assessment of climate change are considered to be best grounded, carried out with the help of models of common circulation of atmosphere or so-called models of high solution (Climate change, 1990 ). They consider wide specter of physical processes, characterizing climatic system and appreciate the influence of consideration of carbon dioxide increase in atmosphere on climate. These models make possible to value considered local changes of air temperature and precipitation in condition of concentration reduplication of C02 contain in atmosphere in different regions.
In the work climatic values, based on models GISS are used (Hansen et al., 1983), GFDL (Manabe, Wetherld, 1987), CCCM (climate change, 1990), UKMO (Wilson, Mitchell, 1987) and scenario of climate for the period 1951-1980 (Carter et al., 1992). Indicated models let us get monthly average value of air temperature and precipitation in modern concentration of carbon dioxide in atmosphere (1 x C02) and in its reduplication (2x C02), as well as their climatic norms for thirty-year period (Climate). By the way, we have to note, that according the data of Intergovermental Panel on Climate change reduplication of concentration of carbon dioxide in atmosphere can be reached to 2075 year (Tegart, Sheldon, 1992).
For evaluation of the fact of how correctly used climatic models reflecting climatic conditions of the studied region, from climatic models GISS, DFDL, CCCM and UKMO, we got sums of day-average positive air temperatures and year sums of precipitation in modern concentration of atmosphere Carbon dioxide (lx C02) and their climatic norms from models Climate for 23 of agrometeological stations of the Caspian region and adjacent territories. The results of comparison showed, that meaning based on models and GFDL, CCCM and UKMO are the closest to climatic data. Meaning of the temperature, given by the models of GISS, are lowered in average about 9%.
It is necessary to note, that the temperature data, given by scenario of Climate, are wholly in accordance with average perennial observation data, received for meteorological stations of Caspian region. As for annual quantity (value) of precipitation, their meanings received by the models of GFDL and UKMO, than 80 % in comparison with Climate scenario on 27 and 16 % accordingly. Herewith annual sum of precipitation received by agrometeological stations observation of studied region are less on 22 % than similar meaning by Climate scenario.
Analyzing results of comparison, it is possible to say uniquely which of these models better reflects modern state of region's climate (lx C02) and is more preferable for Caspian region assessment. Thai's why-further we use data of all four models for evaluation of influence of climate change on hydrothermal conditions and vulnerability of zonal boundaries of studied region. Using mentioned earlier models of all atmosphere circulation, we received forecasted quantities of air temperature and precipitation in conditions of reduplication of carbon dioxide concentration in atmosphere 2x C02. For the Caspian region expected rise of sums of daily average positive air temperature according to data of different models can form about -21%. By this, according to the model GISS their rise for all studied territory is supposed. Other left 3 models of
climate change lead to some rise of precipitation in the steppe zone of studied region and their reduction in the zone of desert. The coefficient of moistening (KY) presents ratio of year sum of precipitation to evaporation
КУ = P / EO
where КУ - coefficient of moistening, /'-precipitation, /'/^-evaporation
For calculation of moistening coefficient we use annual sums of precipitation, and evaporation is determined on the dependence of air by correlation (Shumova, 2005)
ЕО = а(£Т)
where ^ T - is the sum of average many years daily positive air temperature, a = 0.28.
Using data of climatic models GISS, GFDL, CCCM and UKMO by air temperature and precipitation, we received meaning of moistening coefficient for modern conditions of carbon dioxide concentration in atmosphere lxC02 and in its reduplication 2xC02. Values of ration between moistening coefficient in 2xC02 and lxC02, showing how moistening coefficient will change in condition of carbon dioxide concentration reduplication in atmosphere, made 0.90 (GISS), 0.84 (GFDL), 0.76 (CCCM) and 0.74 (UKMO) accordingly. As given data say, in any case, reduction of moistening coefficient exists what indicates the climate aridity from ecological point of view. For reception of absolute possible values of moistening coefficient in reduplication of carbon dioxide concentration in atmosphere, we took values of the moistening coefficient for modern climatic conditions as the base received on the basis of average many years measuring on meteorological stations data and values, received higher than rations. In expected reduplication of carbon dioxide concentration in atmosphere, moistening coefficient reduces on 10-26% in dependence on climatic model and some movement of desert zone to the North is observed. It is necessary to note that value of moistening coefficient reduction when global climate change exists within its (moistening coefficient) inter year variability in modern climatic conditions.
Analogical though denominated on different level tendency of moistening coefficient diminution (dominating thermo-arid climatic trend) is shown in the work (Kolomitz, 2006).
Unlike moistening coefficient, for estimation of which year sums of precipitation and evaporation are used, hydrothermal coefficient characterizing the period with day average air temperature more than 10°C (period of active air temperature), conditionally - the vegetation period.
Hydrothermal coefficient is defined by correlation
гтк=юр
I.T
where P - sum of precipitation in mm. For the period of day average air air temperatures more than 10°C, ^ /'- sum of day average temperature in degrees for the same period.
Using data of climatic models of precipitation and air temperature meanings of hydrothermal coefficient for conditions of modern carbon dioxide concentration in atmosphere lxC02 and in condition of its reduplication 2xC02 were valued. Hereinafter, as in the case of moistening coefficient, correlation between values of hydrothermal coefficient in 2xC02 and lxC02 were identified showing how hydrothermal coefficient will change by reduplication of carbon dioxide concentration in atmosphere. Value of these relations for hydrothermal coefficient formed 1.10 (GISS), 0.88 (GFDL) and 0.98 (UKMO) that is to say if concentration of carbon dioxide duplicates in atmosphere hydrothermal coefficient can rise on 10% according to the model GISS in its evaluation by scenario GFDL and UKMO. According to models CCCM reduction of meanings of hydrothermal coefficient in duplication of carbon dioxide concentration in atmosphere can form 12%.
In other words, according to models GISS and CCCM in carbon dioxide duplication in atmosphere quite opposite trends of change of hydrothermal conditions of Caspian region are shown.
Using meaning of hydrothermal coefficient for modern climate conditions as a basis as in the case of moistening coefficient, received on the basis of average many years measured in meteorological stations data and similar meanings of relations absolute values of hydrometeological coefficients in reduplication of carbon dioxide concentration in atmosphere in different scenario of climate change were calculated.
Undertaken assessment show that hydrothermal conditions of vegetation period is less subjected to global climate change. However any tendency of hydrothermal coefficient change in reduplication of carbon
dioxide concentration in atmosphere is not observed.
According to climate models GFDL and UKMO, hydrothermal coefficient and zonal borderline in expected reduplication of carbon dioxide concentration in atmosphere are practically saved on the modern level.
In calculations on the basis of the model GISS, tendencies of retreat of desert zone to the South are revealed. According data of CCCM models some moving of desert zone to the territory of modern steppe is expected.
Estimating impact of possible climate change on hydrothermal conditions of Caspian region and possible shift of zonal borders we can conclude that mostly vulnerable are estimations of moistening, which described through moistening coefficient КУ and are integral annual factor. Values of hydrithermal coefficient ГТК, which are factors of period with average daily air temperatures more that 10°C, give ambiguous image of possible changes.
