Климатические изменения на юге России: тенденции и возможности прогноза

Размещено на http://www.allbest.ru/

КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ НА ЮГЕ РОССИИ: ТЕНДЕНЦИИ И ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗА

Объектом настоящего исследования является климат Черноморского региона. В контексте статьи исследуемый регион ограничен 38-48 градусами северной широты и 20-45 восточной долготы. Основное внимание уделяется климату Черноморского побережья России и прилежащих к нему горных территорий, на которых расположены Кавказский биосферный заповедник и Сочинский национальный парк. В связи с этим вопросы вариации климатических характеристик здесь приобретают особую актуальность, поскольку они потенциально способны быть причиной изменения границ ареалов распространения растений и животных, а также границ ландшафтов. В условиях высотной поясности эти границы особенно подвижны, и их изменения могут привести к ощутимому снижению биоразнообразия и даже к разрушению отдельных экосистем.

Разумеется, изменения в поле приземной температуры, и, особенно, в поле атмосферных осадков, не происходят синхронно по всей планете. В целом, на уровне регионов обнаруживается серьезная пространственная и временная неоднородность в тенденциях изменений климата. При этом, как правило, с уменьшением масштаба пространственного осреднения заметно увеличивается межгодовая изменчивость температуры [1-3]. Кроме того, на фоне роста глобально-осредненной температуры может наблюдаться и ее снижение в отдельных регионах [4]. Так, на побережье Черного моря и в районах, примыкающих к нему, рост температуры наблюдается с конца 70-х - начала 80-х годов 20-го века, а к северу от Главного Кавказского хребта рост, предположительно, начался еще раньше, с начала 1960-х годов [3]. Характерно, что периоду роста температуры на большинстве станций предшествовал длительный период стабильности, когда температурные тренды практически отсутствовали. Рост температуры в западной части Черного моря более чем вдвое превысил ее рост в восточной части, что, по-видимому, можно объяснить особенностями региональной атмосферной циркуляции. На Черноморском побережье Кавказа и на Южном берегу Крыма рост температуры за последние три десятилетия оставался самым низким в Черноморском регионе [3]. Приведенные примеры показывают непростой характер связей между глобальными изменениями и их региональными проявлениями.

Оценка потенциального влияния глобальных климатических изменений на вариации регионального климата имеет важное практическое значение для объяснения причин изменений в природной среде. Как уже было упомянуто, региональные вариации климата зачастую не связаны напрямую с изменениями климата глобального. Влияние местных факторов, смягчающих глобальные климатические изменения затрудняют идентификацию последних. воздух атмосферный циркуляция увлажнение

Использованные данные и методы анализа

В качестве «глобальных» данных (или «глобальных» переменных) в настоящей работе были использованы:

1. Аномалии приземной температуры воздуха (включая территорию Мирового океана), осредненной по территории всей планеты по отношению к среднему значению за период 1951-1980 гг. [5, 6];

2. Индекс Североатлантического колебания (North Atlantic Oscillation, сокращенно NAO), рассчитываемый как осредненная за год нормализованная разница атмосферного давления между метеостанциями Лиссабон (Португалия) и Стиккисхольмур/Рейкьявик [7].

3. Индекс колебания «Северное море - Северный Каспий» (NCP), рассчитываемый как нормализованная разница атмосферного давления между центрами действия - в Северном море (0°E, 55°N and 10°E, 55°N) и в северной части Каспийского моря [8, 9].

В качестве данных на отдельных станциях были использованы климатические ряды TG - среднее из среднесуточных значений температуры воздуха (45 рядов) и RR - среднегодовая сумма осадков (76 рядов) Европейского проекта по сбору и анализу климатических данных (European Climate Assessment & Dataset project, ECA&D) [10] за 1900-2012 гг. Очевидное несоответствие количества рядов TG и RR обусловлено тем, что в силу разных причин сеть наблюдений за осадками гуще сети наблюдений за температурой, особенно на территории бывшего СССР. Были проигнорированы ряды, общее количество лет наблюдений на которых составило менее 30, а также ряды с фрагментарными данными.

В настоящей работе был использован метод расчета пространственных корреляций. Пусть xk(i), где i=1, ... Nk - метеорологические измерения температуры воздуха или суммы осадков на какой-либо метеорологической станции k из общего количества станций A, i - год, Nk - общее количество лет измерения данной величины. Аналогичные измерения на другой станции, l, обозначим соответственно xl(j), где j=1, ... Nl - длина ряда наблюдений на этой станции. До тех пор, пока Nk ? Nl, и в рядах xk(i) и xl(i) существуют пропуски данных (причем в несовпадающие годы), их совместный анализ невозможен. Сформируем два новых ряда, yk и yl, имеющих равную длину М, и из которых удалены те годы, в которые хотя бы один из рядов имеет пропуск. Линейная связь между рядами yk и yl будет количественно выражаться коэффициентом корреляции Пирсона . Рассчитав все возможные комбинации , получаем матрицы Ac, где с=Т (температура) или с=Р (осадки) симметричные относительно главной диагонали, которая состоит из единиц (корреляционные матрицы). Последней можем поставить в соответствие такую же квадратную матрицу Z расстояний между каждой парой станций. Расстояния рассчитываются, исходя из географических координат каждой из станций.

Если за xl(j) считать одну из глобальных переменных, тогда квадратная матрица А вырождается в матрицу-столбец B, которой можно поставить в соответствие матрицу S расстояний в градусах широты ? и долготы ? от условного нижнего левого угла исследуемой области .

Результаты исследования

Корреляционные матрицы температуры воздуха и осадков (АТ и АР) в Черноморском регионе представлены на рисунке 1а и 1б. Каждый из неповторяющихся элементов матриц АТ и АР показан в зависимости от расстояния станций друг от друга, задаваемых в матрицах расстояний ZТ и ZР. Средние парные корреляции r(z), где z - расстояние между станциями, рассчитывались путем подгонки двойной экспоненциальной функции.

Очевидно, существенное различие в корреляционной структуре полей. Средняя корреляция снижается с 1 до 0,5 уже на расстоянии около 250 км и при увеличении расстояния происходит дальнейшее ее падение. Средняя корреляция температуры снижается медленнее, и достигает условного порогового значения 0,5 на расстоянии, превышающем 1000 км. Очевидно, также, что экспоненциальная зависимость корреляции от расстояния не вполне адекватно отражает реальность, поскольку при приближении расстояния между станциями к нулю, средняя корреляция стремится не к единице, а к 0,98. Интересно отметить также и бульший разброс значений корреляций температуры.

Заключение

На основании проведенных исследований пространственной корреляционной структуры полей температуры воздуха и атмосферных осадков в Черноморском регионе, можно сделать следующие выводы:

в целом по региону существует значительный разброс зависимости корреляций от расстояния между станциями, определяемый влиянием локальных условий на формирование изменчивости температуры и осадков;

в среднем, пространственная корреляция температуры воздуха более чем вдвое выше, чем пространственная корреляция осадков;

осредненная по региону корреляция осадков стремится к нулю при увеличении расстояния между станциями, а корреляция температуры к предельному положительному значению (около 0,4); последнее свидетельствует о синхронности (в среднем) изменения температуры воздуха во всем регионе;

Анализ связей полей температуры воздуха и осадков с некоторыми внешними по отношению к региону факторам показал:

формирование режима температуры и осадков в значительной степени определяется сменами фаз NAO и NCP;

связь температуры воздуха и осадков на отдельных станциях региона с глобальной температурой слаба и неоднозначна.

Последнее означает, что глобальное потепление не оказывает непосредственного влияния на режим температуры и осадков - это происходит опосредовано, через изменения в режиме атмосферной циркуляции над регионом.

Синхронность изменений в режиме температуры воздуха и осадков на различных метеостанциях в Черноморском регионе на протяжении последних трех десятилетий [4] указывает на то, что эти изменения, вероятно, вызваны одними и теми же причинами. Нельзя с полной уверенностью утверждать, что потепление воздуха над Черным морем и его окрестностями напрямую обусловлено теми же причинами, что и глобальное потепление, а именно увеличением в атмосфере концентрацией парниковых газов. Скорее, здесь действуют более сложные причинно-следственные связи. Необходимо отметить, что объяснение механизмов, связывающие региональные климатические изменения с ростом глобальной температуры воздуха, очень сложны и недостаточно исследованы.

Литература

Rybak E.A. Complex Geographical Analysis of the Greater Sochi Region on the Black Sea Coast/ Rybak E.A., Rybak O.O., Zasedatelev Y. V. [Текст] // GeoJournal. - 1994. - V. 34. - P. 507-513.

Переведенцев Ю.П. Региональные проявления современного потепления климата в тропостратосфере Северного полушария. [Текст] / Переведенцев Ю.П., Верещагин М.А., Наумов Э.П., Шанталинский К.М., Николаев А.А. // Известия РАН. Серия географическая. - 2005. - №6. - С. 6-16.

Hansen J. Global surface temperature change. [Текст] / Hansen J., Ruedy R., Sato M., Lo K. // Reviews of Geophysics. - 2010. - V. 48. - RG4004. doi:10.1029/2010RG000345.

Hansen J. Global temperature change. [Текст] /Hansen J., Sato M., Ruedy R., Lo K., Lea D.W., Medina-Elizade M.// Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2006. - V. 103. - P. 14288-14293. - doi:10.1073/pnas.0606291103.

Kutiel H. North Sea Caspian Pattern (NCP) - an upper level atmospheric teleconnection affecting the eastern Mediterranean: Identification and definition. [Текст] / Kutiel H., Benaroch Y. // Theoretical and Applied Climatology. - 2002. - V. 71. - P. 17-28.

Kutiel H. North Sea Caspian Pattern (NCP) - an upper level atmospheric teleconnection affecting the eastern Mediterranean: Implications on the regional climate. [Текст] / Kutiel H., Maheras P., Tьrkes M., Paz S. // Theoretical and Applied Climatology. - 2002. - V. 72. - P. 173-192.

Рыбак О.О. Чередование режимов в изменчивости североатлантического колебания. [Текст] / Рыбак О.О., Рыбак Е.А. // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. - 2009. - №2. - С. 60-65.

Рыбак Е.А. О спектральной структуре Североатлантического колебания. [Текст] / Рыбак Е.А., Рыбак О.О. // Метеорология и гидрология. - 2005. - №3. - С. 39-49.

Аннотация

КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ НА ЮГЕ РОССИИ: ТЕНДЕНЦИИ И ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗА

Рыбак Олег Олегович Д.физ.-мат.н.

Филиал Института природно-технических систем г. Сочи, Россия, заведующий лабораторией

354024 г. Сочи, Курортный проспект, 99/18

Рыбак Елена Алексеевна К.физ.-мат.н. SPIN-код 9833-6628

Сочинский научно-исследовательский центр РАН, г. Сочи, Россия, ст.н.сотр. 354000 г. Сочи, ул. Театральная -8а

В работе анализируется пространственная структура полей приземной температуры воздуха и сумм осадков в Черноморском регионе. С использованием метода пространственных корреляций определяются пространственные связи между приземной температурой воздуха и осадками на отдельных станциях исследуемого региона с одной стороны и среднегодовой приземной температурой воздуха, осредненной по всему Земному шару, и индексами атмосферной циркуляции, с другой. Индексы атмосферной циркуляции - Северо-Атлантическое колебание (NAO) и колебание «Северное море - Северный Каспий» (NCP) - обуславливают в значительной степени региональный режим тепла и увлажнения. Цель исследования - установление вероятных причин и механизмов, определяющих климатические вариации в регионе, и связи последних с глобальными климатическими изменениями. Показано, что связь температуры воздуха и осадков на отдельных станциях региона с глобальной температурой слаба и неоднозначна. В то же время формирование режима температуры и осадков в значительной степени определяется сменами фаз NAO и NCP. Это означает, что глобальное потепление оказывает не непосредственное влияние на региональный климат, а, что более вероятно, через изменения в режиме атмосферной циркуляции над регионом

Ключевые слова: КЛИМАТ, ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА, ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ, АТМОСФЕРНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ, ПРИЗЕМНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА, ОСАДКИ, ПРОСТРАНСТВЕННАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ