Статья: Климатические изменения средних значений и экстремумов приповерхностной температуры воздуха на юге европейской территории России

УДК 551.524.3

Климатические изменения средних значений и экстремумов приповерхностной температуры воздуха на юге европейской территории России

Б.А. Ашабоков

А.А.Ташилова

Л.А.Кешева

Н.В.Теунова

З.А.Таубекова

Резюме

В статье приводятся результаты анализа изменений средней, максимальной и минимальной температуры воздуха в различные сезоны года и за год на временном отрезке 1961- 2011 гг. Анализ проведен с использованием данных 20 метеостанций, представляющих равнинную, предгорную, горную и высокогорную климатические зоны юга Европейской части территории России. Определены схожие и различающиеся характеристики изменений температурного режима воздуха в разных климатических зонах. Показано, что в летние сезоны происходит повышение температуры воздуха примерно с одинаковой скоростью во всех климатических зонах. Стабильностью среднегодового хода температуры отличаются высокогорная метеостанция Терскол и причерноморская метеостанция Сочи. В остальных климатических зонах наблюдается рост среднегодовой температуры. По результатам анализа изменений температурных экстремумов наибольший рост «горячих» экстремумов наблюдается в летние и осенние сезоны в равнинной и предгорной климатических зонах. Отмеченные тенденции имеют достаточно устойчивый характер. температура климатический сезон

Ключевые слова. Изменение климата, средняя температура, абсолютные максимумы, абсолютные минимумы, тренды, аномалии, экстремумы, климатические зоны, юг Европейской России.

Summary

Results of the analysis of changes in annual and seasonal temperatures (means, absolute maxima, absolute minima) in 1961-2011 are presented. The analysis is carried out with the use of 20 weather stations representing flat, foothill, mountain and high-mountain climatic zones of the South of European Russia. Similar and different characteristics of changes in temperature conditions are identified for various climatic zones. It is shown that for summer the rates of air temperature increase are roughly equal in all climatic zones under consideration. The average annual course of temperature is stable at Terskol (high mountains) and Sochi (sea coast) meteorological stations. Average annual temperature increases in other climatic zones. The results of a research of change of quantity of extrema of temperatures on climatic zones and seasons showed that the largest growth of «hot» extrema is observed in flat and foothill zones during summer and autumn seasons. Assessment of stability of climatic changes, which is carried out by method of the fractal analysis, shows persistence of the studied ranks. As it follows from our analysis of changes in temperature extremes, the most intensive growth of `hot' extremes is observed in flat and foothill climatic zones in summer and fall. The trends are rather robust.

Keywords. Climate change, average temperature, absolute maxima, absolute minima, trends, anomalies, extremes, climatic zones, South of European Russia.

Изменение климата является одной из важнейших проблем 21 века, при этом «особенную обеспокоенность вызывает беспрецедентно высокая скорость глобального потепления, наблюдаемая в течение последних десятилетий» (Климатическая доктрина…, 2009). Территория России существенно более чувствительная к воздействиям на климат, чем Северное полушарие и земной шар в целом. Сказывается так называемая «арктическая амплификация»: изменение температуры в высоких широтах на 1°C приводит к ее изменению на 2.5°C на территории России. Размах аномалий среднегодовых температур в Российской Федерации достигает 3-4°C, в то время как для земного шара и суши Северного полушария он лишь несколько превосходит 1.0-1.5°С ( Клименко и др., 2013).

В статье (Булыгина и др., 2000) говорится, что «факт значительного потепления климата в последние десятилетия подтверждает и уменьшение числа дней с экстремально низкими температурами воздуха, преобладающее на большей части страны во все сезоны года, что в сочетании с наблюдающимся ростом числа дней с аномально высокой температурой воздуха свидетельствует об увеличении экстремальности климата».

В статье (Hansen et al., 2012) приводятся результаты исследования температурных аномалий за последние десятилетия. В современный период кривая распределения температур становится шире, смещаясь в сторону более высоких значений (правосторонняя асимметрия). Отклонение от среднеарифметического значения температуры на три и более стандартные единицы (3у) сейчас охватывает примерно 10% планеты. Исследователи климата не пришли к единому мнению по поводу антропогенного влияния на тенденцию изменения глобальной температуры. Дж. Хансен (Hansen et al., 2012) пишет, что с высокой степенью уверенности можно утверждать, что жара, будь то в Техасе или в Москве, вызвана влиянием на климат человека. Российские климатологи (Груза, Ранькова, 2011; Груза, Ранькова, 2012) пишут о необходимости помнить, что естественное и антропогенное влияние на ход климатической изменчивости пока следует рассматривать как дискуссионные.

Потепление климата становится способным оказать колоссальное влияние на окружающую среду и на все сферы человеческой деятельности. Отсюда «…пополнение знаний о климатической системе является необходимой предпосылкой формирования и реализации независимой, научно и социально обоснованной политики в области климата» (Климатическая доктрина…, 2009), дающей возможность адаптации к этим изменениям. Это делает исследование регионального климата таким же актуальным как и исследование глобального климата.

Материалы и методы исследования

Последствия потепления климата могут быть обусловлены: «медленными» изменениями параметров окружающей среды и опасными природными явлениями, интенсивность и частота появления которых повышаются. Особенно тяжелыми последствия потепления климата могут быть для горных территорий Северного Кавказа, что непосредственным образом отразится на социально-экономической и политической ситуации в стране. Для снижения последствий изменения климата необходимо получение и эффективное использование информации об изменениях климата. Это делает проблемы анализа и прогноза изменений климата юга России и особенно горных территорий Северного Кавказа актуальными.

В работах (Ашабоков и др., 2008; Доклад об особенностях климата…, 2016; Ташилова и др., 2016), посвященных изменению климата на юге европейской территории России, анализировались статистические характеристики эмпирических рядов средних, максимальных и минимальных температур метеостанций Прохладная, Нальчик, Ахты, Теберда, Терскол, представляющих равнинную, предгорную, горную и высокогорную зоны Северного Кавказа.

Целью данной работы явилось продолжение исследований изменений климата, включая динамику экстремальных сезонных и годовых значений, на базе расширенных данных климатических переменных.

В настоящей работе на основе данных климатических переменных 20 метеостанций за период 1961-2011 гг., полученных от Северо-Кавказского Управления гидрометеослужбы, были исследованы ряды средних, максимальных и минимальных сезонных и годовых температур на юге европейской территории России. Зимний сезон включал декабрь предыдущего года. Ряды абсолютных максимумов и минимумов сезонных температур формировались из наибольших и наименьших значений, выбранных из трех месяцев для каждого сезона. Физико-географическое местоположение исследованных двадцати метеостанций представлено в табл. 1 и на рис.1.

Таблица 1. Физико-географические характеристики метеостанций на юге ЕТР

Рисунок 1. Физико-географическое местоположение метеостанций на юге ЕТР

Характеристики линейных трендов за полный период исследования с 1961 г. по 2011 г. и с 1976 г. по 2011 г. представлены через угловой коэффициент b (°С/10 лет), значимость тренда за исследуемый период 1961-2011 гг. определялась величиной вклада в объясненную дисперсию (D, %). Стандартное отклонение у использовалось в качестве меры типичной изменчивости сезонной и годовой температур за период 1961-2011 гг. Аномалии температуры ДТ определялись как отклонения наблюдаемого значения от климатической нормы (среднее многолетнее значение рассматриваемой климатической переменной за 1961-1990 гг.) за эти же годы.

В ходе исследования произведена оценка устойчивости климатических изменений. В качестве ее интегральной характеристики использовался показатель фрактальных свойств временных рядов, так называемый показатель Херста (Н). В середине 20 века британский гидролог Х.Е.Херст, опубликовавший работу «Долгосрочная вместимость» (Hurst, 1951) заметил, что многие физические процессы не подчиняются прогнозам традиционной статистики. В результате Херстом был осуществлен массовый анализ природных явлений, основанный на зависимости нормированного размаха параметра R/S от величины приращения времени t, названный впоследствии Б. Мандельбротом фрактальным анализом (Мандельброт, 2002). Значение нормированного размаха изменяет масштаб по мере увеличения приращения времени согласно значению степенной зависимости, которое обычно называют показателем Херста (Н). Г. Херст показал, что большинство естественных явлений, включая речные стоки, температуры, осадки, солнечные пятна, следуют «смещенному случайному блужданию» -- тренду с шумом, и коэффициент Н более или менее симметрично распределен вокруг среднего значения 0,73 (для природных явлений) со стандартным отклонением, равным примерно 0,09. Таким образом, было установлено, что все временные природные ряды на некоем интервале масштабов самоподобны, и процессы, идущие в настоящий момент, определяются предыдущими состояниями (долговременная память). Все это позволяет применять метод фрактального анализа для определения трендоустойчивости переменных рядов природных процессов (Солнцев и др., 2007; Тухель и др., 2011). Процессы, для которых Н=0.5, имеют независимое распределение данных, характеризуются отсутствием тренда (классическое броуновское движение). Временные последовательности с 0.5<H<1 относятся к классу персистентных (устойчивых), сохраняющих эффект долговременной памяти. Случай 0<H<0.5 характеризуется антиперсистентностью и для них характерна знакопеременная тенденция.

Согласно определению в (Глоссарии терминов…, 2001), климатический экстремум (экстремальное метеорологическое или климатическое) - это достижение метеорологической или климатической переменной значения, которое выше (ниже) некоторого порога, близкого к верхнему (или нижнему) диапазону наблюдаемых значений переменной. Нами для нахождения экстремальных значений строился ранжированный ряд, разбивался на три квартиля (25%, 50%, 75%), определялась межквартильная ширина как разница между третьим (75%) и первым (25%) квартилями. Значения, превышающие межквартильную ширину в полтора раза и более, определяются как экстремальные. Назовем экстремумы, превышающие верхнее пороговое значения температуры исследуемого ряда «горячими» экстремумами, меньше нижнего порогового значения температуры «холодными» экстремумами.

Во многих работах (Hansen et al., 2010; Гусакова, Карлин, 2014; Груза и др., 2015) приводятся различные оценки изменения глобальной приповерхностной температуры воздуха. Со второй половины 20 в. и в первом десятилетии 21 в. в среднем скорость варьировалась в диапазоне 0.17±0.01°С. По нашим оценкам тренд потепления на юге европейской территории России соответствует общей направленности изменения глобальной температуры за этот же период.. Скорость роста среднегодовой температуры воздуха с 1961 года составила 0.2°С/10 лет, с 1976 года происходило усиление скорости роста среднегодовой температуры до 0.43°С/10 лет (табл.2). Величина вклада объясненной дисперсии тренда увеличилась с D=13% (1961-2011 гг.) до D=31.5% (1976-2011 гг.). Значение показателя Херста Н=0.81, полученное для рядов среднегодовой температуры в период 1961-2011 гг., демонстрирует их высокую трендоустойчивость.

На отрезке времени 1961-2011 гг. наблюдается рост средней температуры воздуха во все сезоны года и за год в целом. Из табл.2 видно, что средняя зимняя температура увеличивалась с 1961 года на 0.22°C/10 лет, а с 1976 года скорость ее роста достигла 0.38°C/10 лет. Средняя температура воздуха в весенние сезоны увеличивалась с 1961 года со скоростью 0.08°C/10 лет, с 1976 года она увеличилась до 0.21°/10 лет. Скорость увеличения температуры воздуха в летние сезоны на этих временных отрезках соответственно были равны 0.33°C/10 лет и 0.65°C/10 лет, то есть она заметно превышает скорости роста в остальные сезоны.

Таблица 2. Характеристики динамики средней температуры воздуха на юге ЕТР