Статья: Многолетний режим атмосферных осадков в г. Иркутске

Многолетний режим атмосферных осадков в г. Иркутске

А.В. Аргучинцева, И.В. Латышева, Л.В. Голубева

Иркутский государственный университет, Иркутск

Аннотация

Исследуются временные ряды месячной и годовой суммы атмосферных осадков в г. Иркутске за 130-летний период (1887-2016 гг.) с помощью рассчитанных коэффициентов асимметрии, эксцесса, наклона линейного тренда, устойчивость которого определялась по коэффициенту детерминации (Я²), показывающему вклад тренда в дисперсию осадков. В линейных трендах сумм атмосферных осадков обнаружена устойчивая тенденция положительных отклонений во все месяцы года, однако значимость коэффициентов является низкой. Более выражена цикличность колебаний, установленная на основе спектрального анализа. В многолетней динамике годовых сумм осадков отчетливо проявляются квазидвухлетняя динамика и более длительные циклы продолжительностью около 30 и 60 лет, которые могут отражать вклад крупномасштабных циркуляционных факторов в многолетнем режиме увлажнения территории. Степень корреляционной связи между североатлантическим колебанием, тихоокеанским декадным колебанием, индексом южного колебания и летними суммами атмосферных осадков в г. Иркутске в период 2000-2017 гг. существенно возросла по сравнению с более ранним периодом исследования (1887-1999 гг.). Вклад последних хорошо отражает аномально высокая сумма осадков (319 % нормы), выпавших в г. Иркутске в декабре 2017 г.

Ключевые слова: атмосферные осадки, Иркутск, климатические индексы, синоптические условия, циркуляция.

Abstract

The Long-Term Regime of Atmospheric Precipitation in Irkutsk

A.V. Arguchintseva, I. V. Latysheva, L.V. Golubeva

Irkutsk State University, Irkutsk

The paper studies the time series of monthly and annual amounts of atmo-sphere precipitation in Irkutsk for the 130-year period (1887-2016 years) with the help of calculated coefficients of asymmetry, process, the slope of the linear trend, the stability of which was determined by the coefficient of determination (R²), which shows the contribution of the trend to precipitation variance. The linear trends of precipitation amounts showed a steady trend of positive deviations in all months of the year, but the significance of the coefficients is low. More pronounced cyclical fluctuations, identified on the basis of spectral analysis. In the long-term dynamics of annual precipitation amounts, the quasi-annual dynamics and longer cycles, lasting about 30 and 60 years, which can reflect the contribution of large-scale circulation factors in the multiple-holographic regime of humidification of the territory. The degree of correlation between the North Atlantic Oscillation (NAO), the Pacific Decadal Oscillation (PDO), the SOI South Oscillation Index and the summer precipitation in Irkutsk in the period 2000-2017 years significantly increased compared with the earlier period of the study (1887-1999 years). The contribution of the latter reflects well the abnormally high amount of precipitation (319% of the norm), which was released in Irkutsk in December 2017 year.

Keywords: atmospheric precipitation, Irkutsk, climatic indices, synoptic conditions, circulation.

Введение

Многолетний режим атмосферных осадков является важной составляющей природно-климатических особенностей любого региона. Современные тенденции атмосферных осадков, помимо изменений средних величин, выражаются в резком изменении их частоты и интенсивности. Существенное влияние на интенсивность атмосферных осадков оказывает температура окружающей среды, что хорошо согласуется с термодинамическим уравнением Клапейрона - Клаузиуса, описывающим равновесное состояние системы «жидкость - пар»: при увеличении температуры увеличивается и количество пара, возвращающегося в дальнейшем на подстилающую поверхность.

При исследовании атмосферных осадков во внетропических широтах следует также учитывать адвективные переносы тепла и влаги циклонами и связанными с ними атмосферными фронтами. Поскольку эти процессы по-разному проявляются в условиях неоднородной подстилающей поверхности и рельефа, то пространственно-временные изменения сумм атмосферных осадков и их интенсивности в различных районах характеризуются высокой кластеризацией, что отражается в неоднородности распределения экстремальных и средних значений сумм атмосферных осадков [Trenberth, 2011].

Возможные механизмы формирования аномалий атмосферных осадков в контексте глобальных изменений климата и естественных квазициклических процессов обсуждаются в ряде работ, например [Mokhov, Semenov, 2016]. Проявление высокочастотных колебаний во временных рядах атмосферных осадков тесно связано с влиянием атмосферной циркуляции, которой тоже свойственны периодические колебания. В частности, для североатлантического колебания (NAO - North Atlantic Occillation) характерна периодичность примерно 2-3 года; южной осцилляции (Эль-Ниньо) - от 3 до 8 лет [North Atlantic Oscillation ... , 2005]. Длительные периоды отсутствия атмосферных осадков в теплый период года чаще всего обусловлены с блокингами, при которых возникают меридиональные барические гребни и устанавливается теплая воздушная масса с большими дефицитами точки росы [Сравнительные исследования засух, 2013]. Отмечено, что межгодовые изменения блокирующих процессов тесно согласуются с вторжениями холодных арктических масс и статистически связаны с вариациями месячных сумм атмосферных осадков в различных районах России [Холопцев, Катунина, Тимошенко, 2017].

Одним из факторов, влияющих на процессы осадкообразования, рассматриваются аэрозоли различного происхождения [Possible influences of ... , 2009]. Предполагается, что поглощающие аэрозоли способны нагревать атмосферу и вызывать восходящие движения, усиливать конвергенцию влаги на нижнем уровне и тем самым увеличивать количество атмосферных осадков. Кроме того, аэрозоли могут повышать концентрацию ядер конденсации облаков; при наличии более влажного и теплого воздуха пониженные скорости слияния и столкновения могут привести к переохлаждению капель на более высоких уровнях, откуда выпадают осадки в виде льда с последующим таянием. Выделение скрытого тепла в процессе замерзания наверху и таяния внизу предполагает более активный перенос тепла и активизирует глубокую конвекцию [Flood or Drought ... , 2008].

В работах [Midweek increase ... , 2008, Detwiller, 1970] отмечены внутринедельные различия количества атмосферных осадков. По данным [Baumer, Vogel, 2007], недельный максимум количества осадков на метеорологических станциях Германии в период 1991-2005 гг. отмечался в субботу, а минимум - в понедельник, причем наибольшие внутринедельные различия показывали осадки интенсивностью >10 мм в сутки. Характерными особенностями обнаруживаемых недельных циклов метеопараметров являются нестационарность, выражающаяся в изменении амплитуд и фаз сигналов во времени, а также их сезонная и региональная зависимости [Simmonds, Keay, 1997]. В качестве наиболее вероятных причин недельной цикличности атмосферных осадков в урбанизированных регионах рассматривают антропогенные факторы, в частности изменение уровня городского загрязнения от рабочих дней к выходным, которое оказывает влияние на составляющие теплового баланса и, как следствие, температуру городского воздуха [Forster, Solomon, 2003; Weekly cycle of ... , 2007].

Для получения надежных статистических характеристик по количеству осадков желательно в качестве основного использовать весь период инструментальных наблюдений. Для выявления экстремальных климатических явлений в режиме атмосферных осадков рекомендуют применять различные индексы: максимальная пентадная сумма осадков, суточный индекс интенсивности осадков, число суток с осадками > 20 мм/сут., максимальная продолжительность сухих и влажных периодов и др. [Donat, 2013]. Для выделения самых высоких абсолютных значений сумм атмосферных осадков используются квантильные пороговые значения 0,90; 0,95 и 0,99 [Бардин, Платова, 2013]. В работе [Ковальчук, 2013] на основе закона статистического распределения осадков соответствующего сезона, идентифицированного по всему вековому массиву наблюдений, были отмечены категории ежедневных осадков: экстремально ниже нормы, значительно ниже нормы, ниже нормы, норма, выше нормы, значительно выше нормы и экстремально выше нормы.

Однако вне зависимости от выбранного критерия выделения направленные тенденции сильных и очень сильных осадков являются индикатором изменения регионального климата, что представляет большой интерес в областях изучения региональных проявлений глобальных изменений климата. По данным [Шабанов, Матвеева, Маркина, 2017], на европейской части России за последние 50 лет возросло количество событий очень сильных осадков, причем большая часть таких событий приходится на северные районы, где существенный вклад в их увеличение вносят твердые осадки. В северной части Фенноскандии за период 1914-2013 гг. выявлена тенденция к исключительно высоким суточным суммам осадков к концу периода исследования [Kivinen, Sirpa, Kirsti, 2017]. В австралийских саваннах возросло количество сильных осадков в течение влажного сезона, что согласуется с влиянием Индийско-Австралийского муссона [Rogers, Beringer, 2017]. В то же время в ряде регионов не установлено статистически значимых изменений сумм атмосферных осадков [Сухова, Журавлева, 2017]. В частности, ослабление изменчивости атмосферных осадков наблюдается в Антарктике [Fyke, Le- naerts, Wang, 2013].

В целом основные изменения количества осадков на территории Северного полушария происходят в тропиках и часто объясняются динамикой событий Эль-Ниньо (ENSO). На фоне уменьшения количества выпавших осадков в субтропиках и тропиках в настоящее время выявлены тенденции к их увеличению в более высоких широтах, особенно в Северной Америке, Евразии и Аргентине. Снижение осадков отмечается в районе Средиземного моря, на юге Азии и во всей Африке [Knowles, Dettinger, Cayan, 2006].

В России, согласно данным Второго оценочного доклада Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации (М., 2014), на большей части территории (по станционным временным рядам годовых и сезонных аномалий осадков за 1976-2012 гг.) выявлена тенденция к росту количества атмосферных осадков (5 % за 10 лет), за исключением отдельных областей Сибири и Дальнего Востока.

Согласно ансамблевым прогнозам (2007 г.) Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), в Северном полушарии на широте около 45° в XXI в. ожидается устойчивая тенденция к увеличению количества осадков в связи с увеличением количества водяного пара в атмосфере и его переносом с более низких широт, где прогнозируется уменьшение количества осадков. Ожидается, что возрастет интенсивность тропических циклонов и сильных штормов категории 4 и 5 в Атлантике, которые будут сопровождаться более сильным ветром и более интенсивными осадками. Кроме того, смещение траекторий циклонов делает некоторые регионы более влажными, а некоторые - более сухими, что приводит к кратковременным изменениям атмосферных осадков [Lau, Sheu, 1988]. Ярким примером влияния тропического циклогенеза на усиление интенсивности атмосферных осадков является выход урагана Харви в период с 25 по 30 августа 2017 г., с которым связано сильное наводнение в Хьюстоне и окружающей области, где количество осадков достигло 1043,4 мм. Наблюдения с 1880 г. по региону показывают положительный тренд в интенсивности экстремальных осадков (среднем 15 %), примерно вдвое за это время повысилась влажность воздуха [Attribution of extreme ... , 2017].

Исходный материал и методы исследования

Исходным материалом, использованным в работе, являются многолетние данные наблюдений за атмосферными осадками в период 1887-2016 гг., предоставленные Иркутским управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. С точки зрения случайных процессов исходные данные можно представить либо как 130 временных реализаций (по годам) с 12 сечениями (с шагом месяц), либо как 12 реализаций (по месяцам) со 130 сечениями (с шагом год). В зависимости от целей решаемой задачи нами рассматривались оба варианта. Статистические оценки временных рядов базировались на расчетах значимых моментов: начальных (характеристиках положения) и центральных (характеристиках разброса).

Для оценки долговременных тенденций временных рядов месячных сумм атмосферных осадков использовался трендовый анализ (линейный), значимость которого определялась по коэффициентам аппроксимации. Для выявления циклических закономерностей временных рядов числа дней с грозой применялись методы Фурье-преобразования (single spectrum):

где t - время; f - частота, x - сигнал во временной области; X - сигнал в частотной области.

Анализ синоптических и циркуляционных условий формирования аномалий атмосферных осадков в г. Иркутске проведен по данным Архива 1ЧСБР/]ЧСАЯ.

Результаты исследования

Ряд наблюдений за атмосферными осадками (130 лет) был условно разбит на пять равных временных отрезков (26 лет), что почти соответствует климатическим периодам. Для каждого из пяти периодов (I - 1887-1912 гг., II - 1913-1938 гг., III - 1939-1964 гг., IV 1965-1990 гг., V - 1991-2016 гг.) проведены статистические расчеты (табл. 1), которые показывают, что количество осадков от периода к периоду возрастает, но скорость их изменения монотонно уменьшается. Аналогично ведут себя и средние показатели (см. табл. 1). В целом по сравнению с периодом I к настоящему времени количество осадков увеличилось на 26,5 %.

Таблица 1. Многолетняя динамика осадков по климатическим периодам

Многолетнее годовое среднее количество осадков (осреднение за 130 лет можно считать за норму) в г. Иркутске составило 435 мм, причём распределение осадков по месяцам крайне неравномерно (табл. 2): максимальное количество осадков приходится на июль, минимальное - на февраль (рис.1).