Региональные модельные оценки увлажнения засушливых земель России в 2011-2030 гг Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2013, том 19, № 4 (57), с. 64-69

- ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ ——==

УДК: 551.5

РЕГИОНАЛЬНЫЕ МОДЕЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ УВЛАЖНЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ РОССИИ В 2011-2030 ГГ.1

© 2013 г. Е.А. Черенкова

Институт географии РАН Россия, 119017 г. Москва, Старомонетный пер., д. 29. E-mail: [email protected]

Поступила 31.05.2013

В статье по результатам численного моделирования на РКМ ГГО в период 2011-2030 гг. по сравнению с последним двадцатилетием XX-го века исследовано возможное изменение климата и увлажнения засушливых земель России в ближайшей перспективе. Установлено, что всреднем на территории может потеплеть за год на 0.6° С и в мае-августе на 0.4° С, а годовая сумма осадков может возрасти на значительной части территории, не превысив 10%. Ожидается, что на большей части европейской территории засушливых земель России в период 2011-2030 гг. будет наблюдаться иссушение. Полученные на основе анализа модельных расчетов оценки вполне согласуются с тенденцией изменения увлажнения засушливых земель России в ближайшей перспективе, экстраполированной ранее по данным наблюдений. Таким образом, формирующаяся в настоящее время тенденция может стать устойчивой. На азиатской территории засушливых земель региональной моделью прогнозируется продолжение роста увлажнения.

Ключевые слова: коэффициент увлажнения, осадки, испаряемость, региональная климатическая модель РКМ ГГО, засушливые земли.

В изменении увлажнения территории засушливых земель равнин России выделяются периоды устойчивого роста и уменьшения увлажнения. Так, с начала XX-го века вплоть до середины 30-х годов наблюдалось снижение увлажнения, а затем начался его постепенный рост. На рубеже XX-XXI-го века на большей части территории засушливых земель увлажнение вновь начало понижаться (Золотокрылин, Черенкова, 2013; Золотокрылин и др., 2014). По данным наблюдений с применением эмпирического подхода была выдвинута гипотеза о том, что это изменение носит не временный, а устойчивый характер на территории всей зерновой зоны России (Золотокрылин, Черенкова, 2013). В этой ситуации вопрос, насколько устойчивой будет формирующаяся тенденция и каковы будут региональные особенности изменений, становится весьма актуальным. Ситуацию можно хотя бы частично прояснить с помощью анализа результатов численных экспериментов на климатических моделях, позволяющих дать представление о будущем климате в зависимости от различных сценарных прогнозов.

Цель данной статьи в попытке оценить предстоящие изменения увлажнения территории засушливых земель России в условиях меняющегося регионального климата в ближайшее двадцатилетие.

Территория, данные и методика исследования

Исследования проводились для территории засушливых земель России, представленной степными типичными, сухостепными и полупустынными ландшафтами (Ландшафтная карта СССР, 1988). Северная граница засушливых земель России была уточнена ранее (Золотокрылин, Черенкова, 2009) в соответствии с рекомендацией Конвенции ООН по борьбе с опустыниванием на основании коэффициента увлажнения К. Торнтвейта (КУТ), представляющего отношение ресурсов влаги (ежегодного количества осадков) к потребности во влаге (определяемой посредством потенциальной

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Программы ОНЗ-13 РАН (Проект «Опустынивание засушливых земель юга России в контексте изменений климата»).

испаряемости), меняющееся в диапазоне от 0.05 до 0.65 (CCD, 1994). Увлажнение (влагообеспеченность) территории характеризуется соотношением между приходной и расходной компонентами водного баланса (количеством выпадающих атмосферных осадков и испаряемостью) и численно выражается с помощью коэффициентов увлажнения. Испаряемость является условной величиной, характеризующей максимально возможное (потенциально возможное, не ограниченное запасами воды) испарение в данной местности при существующих атмосферных условиях (Хромов и др., 1974). Годовое и летнее (в данном случае с мая по август) увлажнение исследовалось с помощью коэффициента увлажнения, в котором испаряемость получена по методу К. Торнтвейта.

КУТ рассчитывается следующим образом (Thornthwaite, 1948):

a = f(I), где I - тепловой индекс с поправкой на широту.

При расчете годовой испаряемости учитываются только месяцы с положительной средней месячной температурой воздуха. Оценки испаряемости по методу Торнтвейта широко используются в засушливых регионах мира (World ..., 1992) и рекомендованы Конвенцией по борьбе с опустыниванием (CCD, 1994). Используемый метод адекватно отражает зональные изменения средних многолетних значений испаряемости на территории юга Русской равнины и показывает хорошую согласованность с другими методами определения испаряемости (Черенкова, Шумова,

В данной работе при анализе регионального климата, годового и сезонного увлажнения были использованы среднемесячные данные приземной температуры воздуха и месячных сумм осадков региональной климатической модели Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (РКМ ГГО) в период 2011-2030 гг. Региональная модель была создана в конце 90-х годов и с тех пор претерпела множество улучшений, среди которых одним их наиболее важных является увеличение пространственного разрешения по сравнению с предыдущей версией модели (Школьник и др., 2006, 2007). В этом смысле, перспективы использования региональных моделей, имеющих более высокое разрешение по сравнению с глобальными климатическими моделями, не вызывают сомнения.

Региональная модель ГГО (Школьник и др., 2012; 8Ько1шк й а1., 2010) встроена в глобальную модель общей циркуляции атмосферы ГГО Т42Ь25. Обе модели включают описание всех основных физических процессов в атмосфере и на подстилающей поверхности - это конвекция и конденсация, радиационный перенос в облачной атмосфере с учетом суточного хода, горизонтальный и вертикальный турбулентный обмен теплом, влагой и моментом количества движения, гравитационно-волновое сопротивление, тепло- и влагообмен в деятельном слое почвы. В качестве граничных условий на поверхности океана использованы результаты расчетов совместных моделей из проекта СМ1Р3. Особенностью РКМ является то, что в отличие от глобальных моделей низкого пространственного разрешения, региональная модель с горизонтальным разрешением в 25 км и 25-ю вертикальными слоями учитывает географические особенности территории России с высокой степенью детализации: наличие больших внутренних естественных и искусственных водоемов и рек, играющих существенную роль в формировании локального влагооборота, а также мезомасштабную орографию, влияющую на перемещение воздушных масс над равнинами России. Все это очень важно для воспроизведения пространственно-временной изменчивости регионального климата. В модели использован сценарий увеличения концентрации парниковых газов и аэрозолей в атмосфере А2 по номенклатуре МГЭИК. Для уменьшения влияния внутренней климатической изменчивости рассмотрены ансамблевые оценки (3 расчета с разными начальными условиями).

В узлах сетки РКМ ГГО были рассчитаны средние многолетние значения климатических характеристик в указанные периоды. В качестве базового периода, относительно которого проанализированы будущие изменения, рассмотрен период активного потепления 1981-2000 гг. Для

О Торнтвейт

(1)

(2)

2007).

сравнения «модель-климат» использованы данные наблюдений суточных значений температуры воздуха и сумм осадков из климатического архива ВНИИГМИ-МЦД (www.meteo.ru) за аналогичный временной интервал (46 метеостанций в пределах территории исследования).

На основе интерполированных методом кригинга данных с помощью ГИС Мар1п^о были построены карты пространственного распределения температуры воздуха, осадков и коэффициента увлажнения. Статистическая значимость результатов оценивалась с помощью критерия Стьюдента (^ test с уровнем значимости 0.95) для временных рядов разной длины.

Проведенное сравнение температур воздуха, осадков и КУТ в среднем за год, с мая по август по региональной модели с данными наблюдений за базовый период (1981-2000 гг.) показало, что модель воспроизводит несколько заниженные по сравнению с наблюденными значениями приземной температуры на всей исследуемой территории. Наиболее заметные погрешности РКМ обнаруживаются на азиатской части территории. В летний сезон 1981-2000 гг. модель воспроизводит заниженные по сравнению с наблюденными значениями приземной температуры на европейской части территории исследования (до 10%) и до 25-30% на азиатской части (рис. 1а). Занижение межгодовой изменчивости температуры немного больше (в отдельных точках достигает 50-60%). Модель завышает суммы годовых осадков и осадков с мая по август вблизи горных массивов - в Предуралье (до 25-40%), а отклонения от данных наблюдений на Алтае еще больше (рис. 1б). На остальной территории осадки занижены в пределах 7-10%. Аналогичные оценки справедливы в отношении коэффициента увлажнения, поскольку его изменения определяются в большей степени вариациями осадков. С учетом выявленных недостатков воспроизведения моделью рассмотренных показателей в работе оцениваются не их средние значения, а возможные изменения и тенденции.

°с

25 т

22 -19 -16 -13 -10

мм 800 -!■■

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

1 3 5 7 9 111315171921232527293133353739414345 Ме те останции

■ I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

1 3 5 7 9 111315171921232527293133353739414345 Метеостанции

а)

б)

Рис. 1. Средние с мая по август за период 1981-2000 гг. значения температуры (а) и осадков (б) по РКМ ГГО (треугольники) и наблюдениям (круги). Метеостанции упорядочены по долготе с запада на восток. Fig. 1. Average temperature (a) and precipitation (б) from May to August for the period 1981-2000 based on a regional climate model RCM MGO data (triangles) and observations (circles). Weather stations in order of longitude from west to east.

Результаты и их обсуждение

Как показал анализ расчетов, на территории засушливых земель России в период 2011-2030 гг. по сравнению с базовым двадцатилетием может потеплеть всреднем за год на 0.6°С. Увеличение годовой приземной температуры воздуха имеет достаточно равномерное широтное распределение, изменения будут возрастать с юга на север, достигая максимальных значений (до 0.8°С) на севере Волгоградской, юге Саратовской и Курганской области. Ожидаемое потепление в летний сезон может составить всреднем 0.4°С. При этом на европейской части засушливых земель возможен больший рост средней температуры с мая по август (всреднем 0.5°С), чем на азиатской части (0.2°С). Потеплеет на всей исследуемой территории, за исключением северной половины Ставропольского края, востока Краснодарского края, юга Омской и юго-запада Новосибирской области.

На значительной части территории в период 2011-2030 гг. по сравнению с 1981-2000 гг. региональной моделью прогнозируется увеличение количества годовых осадков. Их наибольший

рост составит всреднем 10% на юге Омской области и в Приазовье (до 7%). Уменьшение многолетних сумм осадков всреднем на 3% ожидается на территории Волгоградской области, на 1.2% - на севере Ростовской и на юго-западе Саратовской области. Пространственное распределение годовых и летних осадков по знаку изменений имеет довольно схожую структуру. Основное отличие касается юга Оренбургской области, где количество осадков за год может вырасти всреднем на 2.2%, а в летний сезон напротив может сократиться всреднем на 4%. По сравнению с годовыми осадками региональной моделью прогнозируется, что изменения сумм осадков с мая по август на европейской территории будет больше. Наибольший рост суммарных летних осадков возможен на юге Омской области (10%) в Приазовье (9.6%). Количество осадков с мая по август в ближайшем будущем может уменьшиться на территории Волгоградской области на 5%, на севере Ростовской на 3.7% и на юго-западе Саратовской области на 3.4%.

Так как в вычислении коэффициента увлажнения участвуют температура и осадки, то в узлах модельной сетки, в которых оба параметра изменяются однонаправленно, важно понимать для каждого узла, какой из них меняется интенсивнее.

Рассмотрим, как может измениться увлажнение в период 2011-2030 гг. по сравнению с двадцатилетием активного потепления конца ХХ-го века. Согласно сценарию РКМ, годовое увлажнение понизится по сравнению с базовым периодом практически на всей европейской территории засушливых земель России (рис. 2а). Исключение составит Краснодарский край и южная половина Ростовской области, где прогнозируется статистически значимый рост годового увлажнения, а также небольшой участок в Саратовской области. Региональная модель показывает также статистическую значимость иссушения в предгорьях Кавказа, однако, большие значения изменений могут быть объяснены эффектом близости горных массивов и погрешностью модельных данных при переходе на другую подстилающую поверхность. На остальной части европейской территории будет наблюдаться медленное иссушение, статистически значимое только на территории Волгоградской области и юге Оренбургской области. В противовес европейской территории, на азиатской части в период 2011-2030 гг. будет наблюдаться повышение годового увлажнения. Наибольшим и статистически значимым оно будет на юге Омской области. Пространственное распределение изменений летнего увлажнения практически повторяет годовое увлажнение (рис. 2б). Необходимо отметить, что изменения за оба периода сильно коррелируют на всей территории, за исключением Русской равнины, где ожидаются меньшие и статистически незначимые изменения летнего увлажнения.

Заключение

По результатам численного моделирования на региональной климатической модели ГГО на территории засушливых земель России в период 2011-2030 гг. по сравнению с последним двадцатилетием ХХ-го века годовое (и, соответственно, зимнее) потепление ожидается более сильным (за год всреднем на территории на 0.6°С), чем летнее (в мае-августе - на 0.4°С). На фоне увеличения средних годовых температур воздуха и температур в мае-августе практически на всей исследуемой территории количество осадков может также возрасти на значительной части засушливых земель (не превысив 10%).

Согласно сценарному прогнозу РКМ ГГО, в ситуации возможного потепления в ближайшем двадцатилетии XXI века ожидается, что на большей части засушливых земель Европейской территории России в период 2011-2030 гг. будет наблюдаться иссушение. Полученные на основе анализа модельных расчетов результаты вполне согласуются с тенденцией изменения увлажнения засушливых земель России в ближайшей перспективе, экстраполированной ранее по данным наблюдений. Таким образом, формирующаяся в настоящее время тенденция может стать устойчивой. С другой стороны, РКМ ГГО прогнозирует продолжение роста увлажнения азиатской территории засушливых земель в период 2011-2030 гг. С учетом этого факта можно предположить, что здесь смена направленности изменений увлажнения будет иметь место не раньше окончания рассмотренного временного интервала.

Благодарности. Автор благодарит И.М. Школьника за предоставление данных РКМ ГГО.

45°Е 60°Е 75°Е

Рис. 2. Изменение годового (а) и летнего/с мая по август/ (б) увлажнения по данным РКМ ГГО в период 20112030 гг. по сравнению с 1981-2000 гг. в границах территории засушливых земель РФ (в период 1936-2008 гг.). Условные обозначения: штриховкой показаны статистически значимые изменения; тонкими линиями обозначены субъекты РФ. Fig. 2. Change of: annual (a) and summer/May to August/ (б) humidification according to RCM MGO data during the period 2011-2030 compared to 1981-2000 for drylands of Russia (boundaries in the period 1936-2008). Symbols: statistically significant areas of change are shaded; the thin lines are the administrative borders of the Russian Federation.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Золотокрылин А.Н., Черенкова Е.А. 2013. Тенденции увлажнения зернового пояса России в начале XXI века // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. М.: ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН». Том XXV. С. 251-264. Золотокрылин А.Н., Титкова Т.Б., Черенкова Е.А. 2014. Увлажнение засушливых земель европейской территории России: настоящее и будущее // Аридные экосистемы. № 3. 11 с. (в печати)

Золотокрылин А.Н., Черенкова Е.А. 2009. Площадь засушливых земель равнин России // Аридные экосистемы. Т. 15. № 1(37). С. 5-12.

Ландшафтная карта СССР. 1988. М. 1:4000000 / Научн. ред. А.Г. Исаченко. ГУГК при СМ СССР. М.: 1988. 4 л.

Хромов С.П., Мамонтова Л.И. 1974. Метеорологический словарь. Л.: Гидрометеоиздат. 568 с.

Черенкова Е.А., Шумова Н.А. 2007. Испаряемость в количественных показателях климата // Аридные экосистемы. Т. 13. № 33-34. C. 57-69.

Школьник И. М., Мелешко В.П., Катцов В.М. 2006. Возможные изменения климата на европейской территории России и сопредельных территориях к концу ХХ1 века: расчет с региональной моделью ГГО // Метеорология и гидрология. № 3. С. 5-16.

Школьник И.М., В.П. Мелешко, В.М. Катцов. 2007. Региональная климатическая модель ГГО для территории Сибири // Метеорология и Гидрология. №6. С. 5-17.

CCD. 1994. Unated Nations Convention to Combat Desertification. In those Countries Experiencing Serioous Drought and/or Desertification, particulary in Africa. Interim Secretariat for the Convention to Combat Desertification. Geneve Executive Center-C.P.76-1219. Chatelaine/Geneve. 71 p.

Школьник И.М., Мелешко В.П., Ефимов С.В., Стафеева Е.Н. 2012. Изменения экстремальности климата на территории Сибири к середине XXI века: ансамблевый прогноз по региональной модели ГГО // Метеорология и гидрология. № 2. С. 5-23.

Thornthwaite C.W. An approach toward a rational classification of climate // Geographical Review. 1948. Vol. 38. No. 1. P. 55-94.

ShkolnikI.M., NadyozhinaE.D., Pavlova T.V., MolkentinE.K., SemioshinaA.A. 2010. Snow cover and permafrost evolution in Siberia as simulated by the MGO regional climate model in the 20 and 21 centuries // Environmental Research Letters. Vol. 5. № 1. P. 1-8.

World Atlas of Desertification. 1992. UNEP. London: Edward Arnold. 63 p.

REGIONAL MODEL ASSESSMENT OF HUMIDIFICATION OF DRYLAND

OF RUSSIA IN 2011-2030

© 2013. E.A. Cherenkova

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences Russia, 119017Moscow, Staromonetnyiper., 29. E-mail: [email protected]

The projected climate and moisture condition change of dry land of Russia is studied based on the results of numerical simulations on the RCM MGO during the period 2011-2030 compared to the last two decades of 20-th century. It is revealed that warming of the territory is projected at annual average of 0.6°C and Summer average of 0.4°C (May to August); and precipitation increase over most of the territory will not exceed 10%.

It is expected that a draining will be on the almost all European dry lands of Russia in the period 20112030. The model results are consistent with the trend of changes in moisture of the arid lands of Russia using weather stations data. Thus, the currently formed trend could be sustained. It is expected the continuous wetting in the Asian drylands according to Regional model.

Keywords: moisture index, precipitation, evapotranspiration, regional climate model RCM MGO, drylands.