Оценка изменений температуры воздуха и осадков Среднего и Южного Урала в XX веке

Оценка изменений температуры воздуха и осадков Среднего и Южного Урала в XX веке

Наблюдавшееся в прошедшем столетии повышение средней глобальной температуры воздуха, получившее название «глобальное потепление», сказалось на различных видах хозяйственной деятельности человека. Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) было отмечено, что наблюдаемые изменения климата приведут к увеличению частоты экстремальных явлений, повышению интенсивности осадков, резким перепадам температуры воздуха, росту количества засух и др. [4]. Перечисленные изменения станут происходить с неодинаковой интенсивностью в разных районах земного шара. Территориальные различия будут зависеть в первую очередь от физико-географических особенностей региона. Расчеты показывают, что ожидается существенное увеличение зимних осадков, а изменение количества летних осадков будет менее заметно и в высоких широтах, возможно, пойдет в сторону уменьшения [9]. В связи с этим появилась необходимость адаптации хозяйственной деятельности, особенно в агропромышленном комплексе, к ожидаемым климатическим изменениям. Способы адаптации должны разрабатываться с учетом особенностей территории, в том числе и климатических.

Анализ изменений климата за последние 100 лет на территории Урала и сопредельных территориях показывает, что средняя температура воздуха у поверхности Земли возрастает и особенно существенен этот рост зимой и весной. Изменение средней годовой температуры воздуха неодинаково в различных районах Урала. Так, проведенные исследования временных изменений средней годовой температуры по 16 метеостанциям показали, что на Урале эта характеристика меняется от 2−3°С/100 лет для юга территории и Зауралья до 0,7−0,8°С/100 лет для Северного Урала [14; 16]. Годовое количество осадков за последнее столетие увеличилось на 5−10% в районах средних широт, что было отмечено еще О. А. Дроздовым [3]. На Урале эта тенденция проявляется также достаточно четко, но в разных зонах несколько отличается. Изменения годовой суммы осадков в течение столетия характеризовались положительным коэффициентом линейного тренда, причем наибольший рост наблюдался в горной части Среднего Урала, а наименьший — на равнинной части Среднего Урала и в Оренбурге [18].

Изменения средней месячной температуры воздуха и месячных сумм осадков, а также экстремальных температур и осадков еще более неоднородны. Исследование этих характеристик позволит выявить дополнительные пространственно-временные особенности трансформации регионального климата.

Помимо выявленных тенденций наблюдаются также периодические колебания метеорологических характеристик. Это может быть связано с астрономическими и некоторыми геофизическими факторами. Наблюдается периодичность активности центров действия атмосферы, известна цикличность Южного колебания, которая относится к межгодовым колебаниям продолжительностью 2−5 лет, кроме того, выделяются внутривековые (11, 22-летние, «брикнеровские»), межвековые колебания различной длительности [1; 5−6; 8; 11].

Следовательно, нельзя однозначно утверждать, что современное потепление является результатом воздействия только антропогенного фактора; определенный вклад вносят естественные колебания климата. Такие колебания могут проявляться по-разному в зависимости от особенностей территории. Например, Уральские горы — это своеобразная граница, разделяющая естественные синоптические районы; здесь нарушаются зональные закономерности распределения различных метеоэлементов, особенно температуры воздуха и осадков.

Методика исследований. Для мониторинга наблюдаемых изменений климатических характеристик на Урале и прилегающей территории использовались ряды средних суточных и экстремальных температур и суточных сумм осадков по семи метеостанциям: Пермь, Бисер, Екатеринбург, Красноуфимск, Уфа, Кустанай, Оренбург. Длительность рядов составляла от 100 до 70 лет.

Анализ временных изменений средних месячных температур воздуха выполнялся для отдельных групп станций. Данные сгруппированы по двум широтным зонам: Средний и Южный Урал. В первую зону включены метеорологические станции, расположенные в пределах 5658° с. ш., во вторую — в пределах 52−54° с. ш. Длительность полученных рядов составляла от 70 лет и более до 2006 г.

Используя многолетние ряды среднемесячной температуры воздуха в пределах указанных зон, мы определили величину тренда, которая характеризует многолетние изменения климата с месячным разрешением. Обработка результатов наблюдений включала процедуру скользящего сглаживания с различными интервалами (5, 7, 11 лет и более) [13; 16]. Самыми информативными оказались интервалы сглаживания от 11 до 15 лет. Рассматривались как линейные, так и полиномиальные аппроксимации полученных временных изменений температуры воздуха, затем анализировались сезонные особенности изменений климата. Обработанные таким способом данные позволили выявить ритмичность в пределах вековых изменений температуры и осадков.

Анализ температурных изменений. На рассматриваемой территории наблюдается весенний и зимний тип потепления, который характеризуется устойчивой тенденцией повышения температуры воздуха в марте (Средний Урал) и в апреле (Южный Урал), а также в декабре (табл. 1). Отмечается запаздывание появления тенденции к повышению температуры воздуха по мере увеличения широты. Длительность запаздывания может составлять около 5−7 лет при переходе от южной зоны к средней.

Анализ рядов экстремальных температур позволил выявить следующие особенности [15; 18]: в XX в. общий характер изменений одинаков, наблюдается тенденция роста; наибольшие положительные коэффициенты линейного тренда отмечаются в марте практически на всей территории Урала за исключением Уфы и Оренбурга — там максимальный рост приходится на февраль.

В августе коэффициенты линейного тренда отрицательны почти на всех метеорологических станциях (кроме Екатеринбурга), а с декабря повсеместно наблюдается положительная тенденция изменений максимальной и минимальной температуры воздуха.

Кроме того, на Среднем Урале наиболее положительные тренды минимальной и максимальной температуры отмечаются в марте, мае и октябре. В теплую половину года коэффициенты тренда наименьшие, причем для максимальной температуры они могут быть и отрицательными. Это указывает на сближение максимальной и минимальной температуры воздуха и должно приводить к уменьшению суточных амплитуд летом.

На юге Урала наибольшие различия отмечаются между Уфой (Предуралье) и Кустанаем (Зауралье). Для Предуралья типичны значительные положительные тренды максимальной температуры, а для Зауралья — минимальной. Также Южное Зауралье характеризуется высокими значениями коэффициентов тренда в течение всего года.

Как показано Б. Г. Шерстюковым [12], различия коэффициентов линейного тренда (Ктр) для различных широтных зон могут быть сведены к пяти типам. Временное распределение коэффициентов тренда на Среднем и Южном Урале таково, что весеннее потепление дополняется зимним, а это указывает на соответствие второму типу изменений линейного тренда. Наибольший рост температуры приходится на холодную половину года.

Коэффициенты линейного тренда изменений средних годовых минимальной и максимальной температур воздуха (°С/50 лет) и оценка достоверности аппроксимации Таким образом, проведенные исследования рядов среднемесячных максимальных и минимальных температур воздуха указывают на различие трендов в течение всего года, их изменение с широтой, а также с долготой (Зауралье и Предуралье). Одна из причин подобных вариаций — разные циркуляционные условия [16].

Динамика индексов изменения климата, определенных по экстремальным температурам, также указывает на общее повышение температуры. Для территории Среднего и Южного Урала тенденции изменения индексов отрицательны (индексы FD и ID), наблюдается уменьшение числа дней с отрицательной максимальной и минимальной температурой, что указывает на повышение температуры воздуха зимой (табл. 4). Например, в Екатеринбурге число холодных дней убывает в среднем на 2,3−2,6 дня, а в Уфе — примерно на 3 дня каждые 10 лет.

Тенденции изменения индексов, связанных с максимальной температурой воздуха, носят неоднозначный характер. Например, на Среднем Урале наблюдается отрицательный тренд таких изменений, что в сочетании с отрицательным трендом числа холодных дней указывает на сближение экстремумов температуры, т. е. приводит к уменьшению амплитуды температурныхколебаний. На Южном Урале число дней с высокой максимальной и минимальной температурой в XX в. увеличилось. В то же время число дней с максимальной температурой более 25 °C (индекс SU) практически не меняется, проявляется тенденция к более значительному повышению зимних температур воздуха.

Амплитуды температуры воздуха, определенные как разность между суточным максимумом и минимумом, также указывают на их сближение в различные сезоны года. Однако проследить какую-либо закономерность в пространственном распределении минимумов и максимумов сложно. Зимой на Южном Урале наблюдается сближение экстремумов (уменьшение амплитуды), особенно во 2-й половине XX в., а на остальной территории — их расхождение [16]. Летом наблюдается тенденция сближения экстремумов в районах Среднего и Южного Урала (кроме Уфы и Кустаная).

Следовательно, для большей части территории Урала характерно суммарное повышение температуры воздуха, при котором происходит сближение экстремальных температур как летом, так и зимой. В среднем Предуралье положительная тенденция изменения годовой температуры сопровождается более интенсивным ростом максимальной зимней температуры.

Изменение количества осадков. В результате анализа выявлено, что на территории Среднего и Южного Урала возрастает не только годовое количество осадков [17], но и величина их суточного максимума (табл. 5). Фильтрация с шириной окна в 15 лет указывает на достаточно длительные периоды с относительно высокими и низкими максимумами, поэтому использование только линейной аппроксимации не всегда оправданно. Однако применение полиномов со степенью 2 не привело к видимым улучшениям. Это можно объяснить значительной дисперсией суточных максимумов осадков (табл. 5). Линейную аппроксимацию можно использовать лишь для ориентировочной оценки тенденций изменения осадков ввиду большой погрешности.

Отмечен рост годового максимума суточного количества осадков на Среднем Урале, а на Южном Урале рост сменяется уменьшением, коэффициенты тренда отрицательные. Снижается также интенсивность летних пятидневных осадков [18].

Как известно, для оценки эволюции средней температуры воздуха и интенсивности осадков в текущем столетии применяются модели климата. По сценарию «обычного развития» в конце XXI в. ожидается увеличение глобальной средней приземной температуры воздуха до 2,8°С, при этом среднее потепление на поверхности суши составит 3,5 °С. ВМО, руководствуясь положениями Киотского протокола, ожидает сокращения выбросов парниковых газов.

«Парниковая» гипотеза потепления не может полностью объяснить региональные изменения климата, например, на Урале. Так, по данным К. В. Кондратовича [7], изменения парникового эффекта региональны и должны проявляться в вариациях повторяемости атмосферных макропроцессов. Антропогенный фактор — лишь один из нескольких элементов, определяющих глобальные и региональные изменения климата.

Выявление ритмических особенностей изменения климата. При анализе временных изменений температуры воздуха в течение XX в. выделялись периоды потепления: с 1910 по 1945 и с 1976 по 2000 г., а между ними наблюдались периоды похолодания [2]. В целом на территории России за столетие потепление составило около 1 °C, но сам процесс увеличения температуры включал периоды более интенсивного роста, который сменялся падением температуры. Вековые изменения температуры воздуха различаются в районах Среднего и Южного Урала.

На Среднем Урале (Пермь, Екатеринбург) период потепления начался с 1900 и продолжался до 1930 г., после чего к 1945 г. произошло понижение температуры воздуха (рис. 5). В Екатеринбурге повышение температуры воздуха в этот период происходило более интенсивно, чем в Перми.

Характерным свойством выделенных циклов является их асимметричность, заключающаяся в том, что они состоят из двух отличающихся друг от друга по длительности частей. Общая тенденция подъема температуры воздуха в первой части цикла сменяется спадом во второй части. Такому квазитридцатипятилетнему циклу свойственно некоторое увеличение амплитуды межгодовых колебаний температуры воздуха во второй части. Следующий квазитридцатипятилетний цикл пришелся на период 1965;2000 гг. Амплитуда второго цикла имеет тенденцию к увеличению по сравнению с предыдущим циклом, что может быть объяснено влиянием антропогенного фактора в данный период. Эти особенности проявляются при исследовании средних сезонных и месячных температур воздуха, а также минимальных и максимальных температур. Наиболее четко такие изменения заметны в теплый и холодный периоды года. В отдельные месяцы переходных сезонов отмечается нарушение выявленной цикличности. В эти периоды вековые изменения температур могут иметь даже отрицательные тренды [13].

Период потепления 1900;1930 гг. на Южном Урале сменился периодом понижения температуры воздуха, а очередной период потепления пришелся на 1945;2000 гг. (Оренбург) или на 1965;2000 гг. (Уфа). Таким образом, в Уфе период относительно низких температур воздуха продолжался значительно дольше, чем в Оренбурге.

Согласно различным сценариям изменения климата, основанным на модельных расчетах, при потеплении климата в XXI в. количество осадков должно значительно возрасти в высоких широтах северного полушария.

Поэтому весьма актуальным становится исследование режима осадков не только в глобальном масштабе, но и в отдельных регионах, каким является территория Урала. Изменения количества осадков характеризовались положительным коэффициентом линейного тренда на всех метеостанциях [15; 17]. Колебания осадков носят сложный характер, так как они определяются многими факторами, в том числе и температурой воздуха. При понижении температуры воздуха количество осадков должно уменьшаться, однако такая зависимость наблюдается не всегда. Ряды осадков могут быть неоднородны в силу изменения методики наблюдений.

При исследовании рядов осадков Среднего Урала выделяется период их уменьшения в 1930;1947 гг., после чего наблюдается рост количества осадков.

Период увеличения количества осадков заканчивается в 1995;1997 гг. (Средний Урал), таким образом, ожидаемого постоянного увеличения количества осадков не наблюдается. Выявленная тенденция увеличения количества осадков относится к периоду 1945;1995 гг. Отмечаются различия во временных изменениях осадков в Среднем Предуралье (Пермь, Бисер) и Зауралье (Екатеринбург), что проявляется в значительной интенсивности колебаний осадков западнее Уральских гор.

На Южном Урале отличия между временными изменениями осадков в Уфе и Оренбурге менее существенны, чем на Среднем Урале.

Здесь также можно выделить период уменьшения количества осадков, который приходится на первую треть столетия (1895−1940 гг. (Уфа) или 1900;1935 гг. (Оренбург)). Далее следует период увеличения их количества до 1997 г. В последнем цикле наблюдаются наиболее существенные изменения — количество осадков в Уфе возрастает на 50−60%, в Оренбурге вариации осадков незначительны.

Заключение

Таким образом, наблюдаемое повышение температуры воздуха на Среднем и Южном Урале в XX в. представляет собой достаточно сложный процесс, различающийся в Предуралье и Зауралье, а также зависящий от широты. Общее зимнее и весеннее повышение температуры воздуха характерно во всем рассмотренном регионе как для средних месячных, так и для экстремальных температур. В летнее время, как правило, в августе, тренды температурных изменений отрицательны. На большей части территории положительные тренды изменений минимальной температуры превышают соответствующие тренды максимальной температуры.

Климатические индексы, определенные по экстремальным температурам, указывают на возрастание к концу XX в. частоты появления более высоких температур и увеличение продолжительности таких периодов. Тенденции изменения индексов различаются для Среднего и Южного Урала, а также для районов Предуралья и Зауралья.

Анализ временных изменений экстремальных осадков (суточных максимумов) можно провести лишь ориентировочно ввиду их значительной изменчивости. Однако в южной части Урала (Оренбург) и в Красноуфимске выявляется тенденция к уменьшению интенсивности осадков, а на остальной территории — к ее увеличению.

Особенности временных изменений температуры воздуха позволяют выделить достаточно длительные периоды ее повышения и понижения. Такие колебания имеют значительную амплитуду на Среднем Урале и менее интенсивны на Южном Урале. Длительность колебаний может составлять 20−35 лет. Период современного повышения температуры воздуха в южной части Урала начался в 50-е гг., а на Среднем Урале и в Уфе — в 1965 г.

Периодичность изменения количества осадков менее выражена, но во всех случаях выделяется интервал их уменьшения, приходящийся на 1930;1947 гг. Эти периоды могут совпадать в разных частях Урала, но интенсивность таких изменений различна для Предуралья и Зауралья, а также меняется в зависимости от широты. Период наблюдаемого повышения количества осадков в конце XX в. закончился.

климат метеорологический температура осадок.