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

Максимальное значение осредненных сезонных аномалий (ДТ=0.4°С) наблюдалось также для летних температур. С середины 90-х годов 20-го столетия наблюдаются исключительно положительные аномалии летних температур. Значительно увеличивалась скорость роста температуры воздуха и в осенние сезоны: от 0.15°С/10 лет с 1961 г. и до 0.47°С/10 лет с 1976 г.

Следует отметить, что для всех климатических зон региона получены синхронные во времени изменения среднегодовых температур (рис. 2). Видимо, это можно объяснить влиянием одних и тех же центров низкочастотной изменчивости (или центров дальнодействия), которые посредством объектов синоптического масштаба (циклоны, антициклоны, и т.п.) оказывают удалённое влияние на климат в определённых районах Евразии и являются источниками аномалий различных метеорологических полей.

Широкий диапазон разброса средних температур и скорости их изменения в различных климатических зонах также определяются особенностями местоположения м/станций (от Ростова-на-Дону на севере до Дербента на юге и от Сочи на западе до Изберга на востоке). На рисунке 2 и из таблицы 3 видно, что среднегодовая температура максимальна в Сочи (красная линия, tср=14.18°С) и минимальна в Терсколе (черная линия, tср =2.5°С). Среднегодовая температура воздуха по данным горной м/станции Ахты (1054 м н.у.м., tср = 9.4°С) и м/станций предгорной зоны (tср = 9.24°С) примерно одинаковы. Видимо, это можно объяснить тем, что горный климат Ахты смягчается близостью Каспийского моря.

Рисунок 2. Ход среднегодовых температур по данным 20 м/станций на юге ЕТР за 1961-2011 гг.

Таблица 3. Характеристики температурного режима приземного воздуха в климатических зонах юга ЕТР

* Верхняя (нижняя) граница средней температуры (tср ±2 у) при 95%-ном доверительном интервале

Анализ скорости изменения температуры воздуха по данным метеостанций, расположенных в различных климатических зонах (табл. 3), показал, что:

1. Во всех климатических зонах юга России, за исключением причерноморской (Сочи) и высокогорной (Терскол), за период 1961-2011гг. наблюдалось увеличение средних годовых температур: в степной зоне на 0.25°С/10 лет, в прикаспийской зоне на 0.21°С/10 лет, в предгорной зоне на 0.23 °С/10 лет; в горной зоне на 0.17°С/10 лет. В причерноморской зоне (Сочи) скорость изменения среднегодовой температуры составила 0.06°С/10 лет, а в высокогорной зоне (Терскол) 0.01°С/10 лет, что характеризует достаточно стабильный термический режим в этих зонах. По данным метеостанций в гг. Кисловодск (предгорная зона) и Махачкала (прикаспийская зона) также получены незначительные скорости изменения среднегодовой температуры 0.07°С/10 лет и 0.08°С/10 лет соответственно. Вероятно, это объясняется региональными особенностями рельефа наличием больших водоемов и снежных массивов, которые сглаживают амплитуды изменения средней годовой температуры. Наиболее значимые тренды (от D=26% до D=29% вклада объясненной дисперсии в тренд) среднегодовой температуры получены по данным метеостанций Махачкала, Нальчик, Кисловодск, Черкесск.

Разброс скорости роста максимальных температур в среднем составил R=0.35°С/10 лет: от минимального R=0.12°С/10 лет в причерноморской зоне до максимального R= 0.47°С/10 лет в горной зоне. Разброс скорости роста минимальных температур в среднем оказался более значительным R=0.58°С/10 лет: от минимального R=0.13°С/10 лет в прикаспийской зоне до максимального R=0.71 °С/10 лет в степной зоне.

Во всех климатических зонах в динамике сезонных средних температур наблюдалась общая закономерность наибольшая скорость роста температуры имела место в летние сезоны (в причерноморской зоне b=0.28°С/10 лет, в степной b=0.34°С/10 лет, в прикаспийской b=0.26°С/10 лет, в предгорной b=0.37°С/10 лет, в горной b=0.35°С/10 лет, в высокогорной зоне b=0.3°С/10 лет).

2. Тенденции изменения сезонных абсолютных максимумов и минимумов температуры воздуха в различных климатических зонах имеют некоторые особенности. Максимумы температуры во всех зонах увеличивались с наибольшей скоростью в осенние сезоны. В г. Сочи, например, скорость роста осенних температур составила 0.42°С/10 лет, в степной зоне 0.38°С/10 лет, в прикаспийской 0.5°С/10 лет, в предгорной 0.39°С/10 лет, в горной 0.6°С/10 лет. Минимумы температуры более быстрыми темпами увеличивались в весенние сезоны: в степной зоне на 1.05°С/10 лет, в прикаспийской на 0.64°С/10 лет, в предгорной зоне на 1.1°С/10 лет. При этом, как можно заметить, скорость увеличения весенних минимумов наибольшая и превышает 1°С/10 лет. В среднем скорость роста абсолютных минимумов температур опережала скорость роста ее абсолютных максимумов.

В табл. 3 представлены верхняя и нижняя границы интервалов значений среднегодовой температуры воздуха в различных климатических зонах: при 95%-ном уровне значимости ее значения находятся в интервале ± 2у. Нижняя и верхняя границы диапазонов доверительных интервалов среднегодовой температуры по данным причерноморской, прикаспийских, степных, предгорных и горных метеостанций пересекаются. Значительно ниже остальных расположена среднегодовая температура в Терсколе (2.5°С с учетом межгодовой изменчивости от 1.22°С до 3.78°С), что объясняется высотной зональностью. Отличает эту станцию также стабильность изменения годовой температуры (0.01°С /10 лет).

Изменение количества «холодных» и «горячих» экстремумов средней, максимальной и минимальной температуры воздуха в приземном слое атмосферы в периоды 1961-1990 гг. (базовый) и 1991-2011 гг. (современный) в равнинной, предгорной и горной зонах представлено на рис. 3. На рис. 3а видно, что количество «горячих» экстремумов средней температуры в равнинной зоне возросло с 5 в базовый период до 19 в современный период, а «холодных» уменьшилось с 12 в базовый период до 10 в современный период. Количество «горячих» экстремумов абсолютных максимумов возросло в два раза (с 16 до 32), при значительном уменьшении количества «холодных» экстремумов (с 35 до 21). Таким образом, основной вклад в увеличение количества «горячих» экстремумов средней температуры вносят изменения максимальной температуры, в уменьшение количества «холодных» экстремумов - изменения минимальной температуры.

В предгорной зоне (рис.3б) тенденции изменения количества «горячих» и «холодных» экстремумов средних температур аналогичны. Наблюдается значительное уменьшение «холодных» экстремумов минимальной температуры (с 29 в базовый период до 7 в современный период) и значительное увеличение «горячих» экстремумов максимальной температуры (с 5 до 14). В результате наблюдается увеличение «горячих» экстремумов (с 5 до 17) и уменьшение «холодных» экстремумов (с 13 до 7) средней температуры воздуха в современный период.

Рисунок 3. Динамика количества экстремумов температур в 1961-1990 гг. (базовый) и 1991-2011 гг. (современный) периоды: а) равнинная зона, б) предгорная зона, в) горная зона.

В горной зоне (рис. 3в) в современный период наблюдается аналогичные тенденции изменения «горячих» экстремумов и уменьшение холодных» экстремумов средней температуры воздуха. По данным двух м/станций (Ахты и Теберда) получено уменьшение количества «горячих» экстремумов средней и минимальной температуры, что может быть связано и с ограниченностью статистического материала.

Динамику изменения количества экстремальных значений средней температуры воздуха на высокогорной м/станции Терскол проанализируем без иллюстрации. За период с 1961 по 2015 гг. в летние и весенние сезоны не было выявлено ни одного значения средней температуры воздуха, которое квалифицировалось бы как экстремальное. В зимние сезоны наблюдались один «горячий» экстремум (-2.7°С) в 1966 г. и один «холодный» экстремум (-11.5°С) в 2008 г. при климатической норме средней температуры -6.4°С, в осенние сезоны - один холодный экстремум (-0.8°С при норме среднеосенней температуры +3.8°С) в 2011 г. и один горячий экстремум (+7.2°С) в 1975 г.

Рисунок 4. Динамика количества экстремумов температур по сезонам для всех м/станций на юге ЕТР в 1961-1990 гг. и 1991-2011 гг. а) «горячие» экстремумы; б) «холодные» экстремумы

На рис.4 представлена динамика изменения количества «горячих» (рис. 4а) и «холодных» (рис. 4б) экстремумов температур (средних, абсолютных максимумов, абсолютных минимумов) по сезонам, из которой видно, что наблюдаются две взаимно обратные тенденции - количество «горячих» экстремальных средних температур растет, а количество «холодных» экстремумов средних температур уменьшается. Значительный рост «горячих» экстремумов характерен для максимальной температуры, а снижение количества «холодных» экстремумов наблюдается для минимальной температуры.

Значительный рост количества «горячих» экстремумов характерен для летних (для средних температур с 2 до 22, для максимальных температур с 3 до 14) и осенних (для средних температур с 6 до 20, для максимальных температур с 8 до 26) сезонов. Снижение количества «холодных» экстремумов происходит в зимние (для средних температур с 9 до 0, для минимальных температур с 8 до 26) и весенние (для средних температур с 6 до 1, для минимальных температур с 33 до 1) сезоны.

Рисунок 5. Гистограмма динамики количества «горячих» экстремумов с трендами в 1961-2011 гг.

Из суммарного количеств «горячих» экстремумов за 1961-2011 гг. по данным всех 20 метеостанций был сформирован временной ряд. На рис. 5 приводится гистограмма динамики количества «горячих» экстремумов с трендами (в виде полиномов 1-й и 3-й степени). Можно заметить, что наблюдается рост количества «горячих» экстремумов температур на юге европейской территории России за 1961-2011 гг., значительно усилившийся с 2005 г. Ряд был исследован на экстремальность, получено пороговое значение количества «горячих» экстремумов n=8. Превышение этого количества характеризует год как год с экстремально большим количеством «горячих» экстремумов (на диаграмме красные столбики соответствуют годам с количеством «горячих» экстремумов n> 8).

За базовый период лишь в 1966 г. и 1981 г. наблюдались по 8 экстремально высоких температур. Начиная с 1995 г., количество «горячих» экстремумов растет как по частоте, так и по значению экстремальной температуры: в 1997 г. 10, в 2006 г. 11, в 2007 г. 13, в 2008 г. 12, и, наконец, в 2010 году 29 экстремально высоких температур. В рекордно большое количество «горячих» экстремумов, наблюдаемых в 2010 году, основной вклад внесли летние, осенние температуры и декабрь 2010 года по данным метеостанций во всех зонах, за исключением причерноморской зоны (Сочи).

Тенденцию изменения количества положительных экстремумов на рассматриваемом отрезке времени точнее описывает полином 3-й степени:

y = 1.5 + 0.24x - 0.022x2 + 0.0004x3 (1)

Рост «горячих» экстремумов он описывает с высоким вкладом объясненной дисперсии D=41%. Значение показателя Херста Н=0.76, полученное для данного ряда, указывает на сохранение и в предстоящие годы тенденции увеличения количества «горячих» экстремумов. Аналогично по данным всех метеостанций на отрезке времени 1961-2011 гг. был сформирован ряд из значений суммарного количества «холодных» экстремумов. Тенденцию изменения количества «холодных» экстремумов на рассматриваемом отрезке времени описывает полином 4-й степени:

y = -1.8+ 3.45x - 0.45x2 + 0.023x3 - 0.0005 x4 (2)

Можно заметить циклический характер изменения количества «холодных» экстремумов (вклад объясненной дисперсии составил D=19%). Значение показателя Херста для данного ряда получилось равным Н=0.70, что указывает на сохранение тенденции уменьшения количества «холодных» экстремумов.

Рисунок 6. Гистограмма динамики количества «холодных» экстремумов с трендами в 1961-2011 гг.

На рис. 6 видно, что в 1993 году наблюдался всплеск «холодных» экстремумов температур, общее количество которых составило 22 наибольшее на рассматриваемом отрезке времени. Вероятно, это связано с извержением вулкана Пинатубо (Филлипины, 15°07?N; 120°21Е) в 1991 году, когда мощный выброс аэрозолей закрыл участок небосвода площадью 125000 кмІ. Извержения повторялись, и последнее было зафиксировано в 1993 году.

Последствия извержения Пинатубо были ощутимы по всему миру, было зарегистрировано падение глобальной температуры на 0.5 °С, что могло привести к всплеску «холодных» экстремумов температур.

Рисунок 7. Совмещенная диаграмма количества «горячих» и «холодных» экстремальных температур за 1961-2011 гг.

До середины 90-х годов изменение количества «горячих» и «холодных» экстремумов происходило синхронно, со второй половины 90-х годов 20-го столетия наблюдается значительное снижение количества «холодных» экстремумов (рис. 7). В период с 2006 по 2009 гг. «холодные» экстремумы отсутствовали, при этом в эти же годы наблюдался значительный всплеск количества «горячих» экстремумов.