Экстремальность климата на территории России

 

Оценки климатических экстремумов на территории РФ

Коршунова Н.Н. (nnk@meteo.ru), Давлетшин С.Г. (sdavletshin@meteo.ru), Дементьева Т.В.3 (tedemand@mail.com)

ФГБУ "Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных"

Один из важнейших аспектов изучения климатической системы связан с анализом повторяемости экстремальных климатических явлений. Наблюдаемые изменения климата характеризуются изменением частоты экстремальных явлений. В (Доклад о состоянии климатического обслуживания…2020) приводятся данные о том, что за последние 50 лет более 11 000 бедствий были вызваны погодными, климатическими и связанными с водой опасными явлениями, в результате которых погибли 2 миллиона человек и был нанесен экономический ущерб в размере 3,6 триллиона долларов США. В связи с этим исследования климатических экстремумов признаны одной из ключевых сфер деятельности Всемирной метеорологической организации (ВМО). Подготовленные во ВНИИГМИ-МЦД специализированные массивы данных высокого качества по основным климатическим параметрам позволили по данным большого количества станций изучить изменчивость климатических экстремумов на территории России с учетом данных наблюдений за последние годы и выявить некоторые региональные и сезонные особенности.

В рамках данного исследования в качестве индексов климатических экстремумов используется число дней за сезон, когда метеорологический параметр выше или ниже некоторого предельного значения. Значение метеорологической величины, соответствующее границе 95% или 5% интервала ранжированного ряда, рассматривалось как предельное. Подсчитывалось количество дней за сезон каждого года, когда величина метеорологического элемента выходила за предельное значение. По рядам полученных величин на каждой станции расcчитывались коэффициенты линейного тренда. Данная методика подробно описана в (Булыгина О.Н. и др. 2000, Bulygina O.N. et al 2007). Расчеты выполнены для максимальной и минимальной температуры воздуха и осадкам по данным 400 станций России за период 1971-2019гг.; максимальной скорости ветра (с учетом порыва) по данным 489 станций за период 1976-2019 гг.

Результаты представлены в виде карт, подготовленных с помощью ГИС в регулярной стереографической проекции, в которой используется стандартный метод обратных взвешенных расстояний с коэффициентами обратно пропорциональными квадрату расстояния. Тренд рассчитывался методом наименьших квадратов, уровень статистической значимости тренда определялся с помощью критерия Стъюдента.

 

Максимальная температура воздуха

Весной наметилась тенденция уменьшения числа дней с аномально высокими температурами воздуха на значительной части европейской территории страны, а на Урале, в отдельных районах Архангельской и Тюменской областей увеличение таких дней прекратилось (рис. 1). Летом тенденции изменения числа дней с экстремально высокими температурами в южных областях не изменились как на европейской, так и на азиатской территории страны. На севере число дней с аномально высокими температурами стало расти: значительно уменьшились области отрицательных трендов на Кольском полуострове; на Таймыре, в Эвенкии и Чукотском АО знак тренда поменялся. Эти выводы согласуются с данными ежегодного мониторинга (Доклад об особенностях климата…. 2020). Осенью можно отметить замедление потепления в Западной Сибири, меньше дней с аномально высокими температурами стало на Алтае, в Кемеровской области, восточных районах автономных округов Тюменской области. Сохранилась тенденция уменьшения аномально теплых дней в среднем течении Лены. Замедлилось потепление в южных районах Хабаровского и Приморского краев. Значительно теплее за эти годы осень стала Чукотском АО, где область максимальных коэффициентов линейного тренда (более 1,5оС/10лет) охватила практически всю территорию округа. Зимой продолжилось замедление потепления на большей части азиатской территории. Значительно меньше дней с аномально высокими температурами стало на Таймыре, в северо-западных и центральных районах Якутии, Амурской области. Однако, на северо-востоке АЧР – в Магаданской области и Чукотском АО – зимы становятся теплее. На ЕЧР можно отметить тенденцию к уменьшению числа дней с аномально высокими температурами в северо-западных областях и на Нижней Волге.

Рисунок 1. Коэффициенты линейного тренда в рядах числа дней с аномально высокой температурой воздуха [дни/10 лет]

 

Минимальная температура воздуха

В изменении сезонного числа дней с аномально низкими температурами воздуха также выявлены некоторые региональные особенности (рис. 2).

Весной в центральных областях ЕЧР и Поволжье увеличилось число аномально холодных дней. На АЧР тенденция уменьшения аномально холодных дней сохранилась, за исключением небольших районов на севере Якутии и юго-востоке Чукотского АО, где знак коэффициента линейного тренда изменился. Лето становится теплее в Западной Сибири, где значительно сократилась область положительных коэффициентов линейного тренда. Во многих районах ЕЧР летом уменьшение аномально холодных дней замедлилось.

Рисунок 2. Коэффициенты линейного тренда в рядах числа дней с аномально низкой температурой воздуха [дни/10 лет]

Осенью наибольшие изменения произошли в Сибири. В центральных районах Красноярского края произошла смена знака коэффициентов линейного тренда, и наметилась тенденция к уменьшению аномально холодных дней. Практически исчезли очаги положительных коэффициентов линейного тренда в районе Обской Губы и на юге Забайкалья. Сохраняется тенденция дней с экстремально низкими температурами в Алтайском крае и Республике Алтай. Этот факт можно объяснить тем, что в последние годы атлантические циклоны, проникая далеко в глубь материка, ослабляют Сибирский антициклон, заставляя смещаться его основное ядро к югу, на территорию Монголии. Этим же объясняется и значительное уменьшение аномально холодных дней зимой на арктическом побережье Таймыра, в Эвенкии и северо-западных районах Якутии. Ослабление Сибирского антициклона в последние годы привело к уменьшению числа дней с аномально низкими температурами и на дальневосточном юге. На ЕЧР тенденция уменьшения аномально холодных дней зимой усилилась в западных областях и на Черноморском побережье.

 

Атмосферные осадки

Распределение коэффициентов линейного тренда числа дней с аномально большими осадками в последние годы изменилось в меньшей степени (рис. 3), однако некоторые региональные особенности также можно отметить.
Весной в центральных областях ЕЧР число дней с аномально большими осадками в последние годы уменьшается, а в юго-западных и южных – увеличивается. Усилилась тенденция увеличения числа дней с аномальными осадками на севере Западной Сибири и в центральных районах Красноярского края, что хорошо согласуектся с тенденциями в изменении температурного режима в этих районах. Следует отметить увеличение числа дней с экстремальными осадками в Чукотском АО и уменьшение таких дней в Приморском крае.

Рисунок 3. Коэффициенты линейного тренда в рядах числа дней с аномально большими осадками [дни/10 лет]

Летом сохранилась тенденция уменьшения числа дней с сильными дождями на юге ЕЧР, Южном Урале и в Крыму. Это особенно неблагоприятно для Крыма, т.к. регион испытывает значительный дефицит водных ресурсов. На АЧР тенденция уменьшения экстремальных осадков сохраняется на арктическом побережье, Камчатке, центральных районах Хабаровского края, Эвенкии и Забайкалье. В Иркутской области выявлена тенденция увеличения числа дней с большими осадками, что свидетельствует о потенциальной угрозе повторения масштабных наводнений, подобных Тулунскому 2019 года. Осенью усилилась тенденция увеличения числа дней с аномальными осадками на севере Таймыра, востоке Ямало-Ненецкого АО, а в северных районах Эвенкии коэффициенты линейного тренда сменили знак. На Камчатке усилилась тенденция уменьшения числа дней с большими осадками. Зимой характер распределения коэффициентов линейного тренда в рядах числа дней с большими осадками практически не изменился, можно отметить только усиление в отдельных районах тенденций обоих знаков.

 

Сильный ветер

В изменении числа дней с сильным ветром осенью и зимой на территории страны преобладают области с отрицательными коэффициентами линейного тренда (рис. 4). Небольшие очаги положительных трендов отмечены на Урале, в районе Байкала и на юге Дальневосточного ФО. Осенью число дней с сильным ветром растет также в Ямало-Ненецком АО и на севере Эвенкии.

Наиболее выраженные тенденции увеличения числа дней с сильным ветром выявлены весной и летом. На Урале, в Западной Сибири, Прибайкалье и на дальневосточном юге весной и летом отмечается значительный рост числа дней с сильным ветром, коэффициенты линейного тренда на отдельных станциях превышают 6 дней/10 лет. Летом на большей части Восточной Сибири число дней с экстремальными скоростями ветра уменьшается.

Рисунок 4. Коэффициенты линейного тренда в рядах числа дней с сильным ветром (более 15 м/с) [дни/10 лет]

 

Список использованных источников

1. Булыгина О.Н., Коршунова Н.Н., Разуваев В.Н., Шаймарданов М.З., Швец Н.В. Изменчивость экстремальных климатических явлений на территории России // Труды ВНИИГМИ-МЦД. 2000. Вып. 187. С. 16-31
2. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2019 год – Москва. 2020
3. Доклад о состоянии климатического обслуживания в 2020 году: от заблаговременных предупреждений к заблаговременным действиям//Пресс-релиз ВМО, Женева. 13 сентября 2020
4. Bulygina O.N., Razuvaev V.N., Korshunova N.N., Groisman, P. Ya.,2007: Climate variations and changes in extreme climate events in Russia. // Environ. Res. Lett. 2 N4 (October-December 2007)045020, 7 pp.
5. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2019 год – Москва. 2020

 

Оценки экстремальности температурного режима и режима осадков для территории РФ и ее регионов

Коршунова Н.Н. (nnk@meteo.ru), Булыгина О.Н., Разуваев В.Н. (Razuvaev@meteo.ru), Давлетшин С.Г. (sdavletshin@meteo.ru)

ФГБУ "Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных"

Исследуются региональные особенности изменения на территории России индексов климатических экстремумов, в качестве которых используется число дней за сезон, когда метеорологический параметр выше или ниже некоторого предельного значения. Расчеты выполнены для максимальной и минимальной температуры воздуха, атмосферных осадков по данным 518 станций России за период 1971-2016гг. Анализ проводился по данным в точке и по рядам средних для 18 квазиоднородых климатических регионов, выбранных на основании классификации Алисова.Показано, что на фоне глобального потепления на территории России имеются районы, где уменьшается число дней с аномально высокими температурами, увеличивается число дней с аномально низкими температурами. Анализируется также изменение на территории России числа дней с оттепелями за последние десятилетия.

Ключевые слова: температура воздуха, осадки, изменчивость климатических параметров, экстремальность, индексы климатических экстремумов, квазиоднородные климатические регионы
Введение

На фоне глобального потепления, факт которого в настоящее время не подвергается сомнению, наблюдаются значительные изменения климата. В связи с этим ученые всего мира пытаются оценить состояние основных компонентов климатической системы и выявить тенденции их изменения, чтобы минимизировать негативное воздействие этих изменений на жизнь и хозяйственную деятельность человека[1,2].

По данным Американского метеорологического общества [3]с начала 20 века средняя глобальная приземная температура воздуха неуклонно повышалась в среднем на 0,78-0,90оС/100 лет. После 1980 года скорость повышения глобальной приземной температурывоздуха значительно выросла. Пятнадцать из шестнадцати самых теплых лет относятся к началу 21-го века, и лишь 1998-й является единственным годом 20-го века в этом списке. При этом рекордные значения глобальной приземной температуры воздуха фиксировались три года подряд, что случается крайне редко. Однако, на фоне глобального потепления имеются районы, где температура воздуха изменяется по-другому, поэтому очень важно выявлять и учитывать региональные особенности изменения основных климатических параметров. Подготовленные во ВНИИГМИ-МЦД специализированные массивы данных высокого качества по основным климатическим параметрам[4, 5, 6] позволили по данным большого количества метеорологических станций изучить изменчивость основных климатических параметров в последние десятилетия на территории России и выявить некоторые региональные и сезонные особенности.

 

Методика и данные

Наблюдаемые изменения климата характеризуются изменением частоты экстремальных погодных и климатических явлений.

В рамках данного исследования в качестве индексов климатических экстремумов используется число дней за сезон, когда метеорологический параметр выше или ниже некоторого предельного значения. Значение метеорологической величины, соответствующее границе 95% или 5% интервала ранжированного ряда, рассматривалось как предельное. Подсчитывалось количество дней за сезон каждого года, когда величина метеорологического элемента выходила за предельное значение. По рядам полученных величин на каждой станции расcчитывались коэффициенты линейного тренда. Данная методика подробно описана в [7, 8].

Расчеты выполнены для максимальной и минимальной температуры воздуха и количества осадков по ежедневным данным 400 метеорологических станций России за период 1971-2016гг.[6].В расчетах по оттепелям использовались ежедневные данные о средней температуре воздуха на 518 метеорологических станций России за период 1976-2016гг. [6].

Анализ проводился по данным в точке и по рядам средних для 18 квазиоднородых климатических регионов, выбранным на основании классификации Алисова [9]. Средние для регионов значения характеристик получены следующим способом. Значения на метеостанциях арифметически осреднялись по квадратам сетки (1◦Nx 2◦E), а затем с весовыми коэффициентами в зависимости от широты квадрата проводилось осреднение по регионам, показанным на рис.1. Такой способ осреднения обеспечивает хорошие результаты без учета пространственной функции ковариации[10].Тенденция изменений числа дней с экстремальными температурами,большим количеством осадкови числа дней с оттепелями оценивалась коэффициентами линейного тренда. Тренд рассчитан методом наименьших квадратов.

Рис.1. Квазиоднородные климатические районы (по Алисову)

1 - Север Европейской территории России (ЕТР) и Западной Сибири; 2 - Северная часть Восточной Сибири и Якутии; 3 - Чукотка и север Камчатки; 4,5,6,7 и 8 – северо-запад, северо-восток, юго-запад, юго-восток и степная часть Восточно-Европейской равнины соответственно; 9- Северный Кавказ; 10 и 11- северная и южная части лесной зоны Западной Сибири; 12- степная зона Западной Сибири; 13 - Алтай и Саяны;14,15 и 16- центр Восточной Сибири, бассейн Ангары и Забайкалье; 17,18 – Дальний Восток (между 50оN и 60оN и южнее 60оN соответственно).

Карты подготовлены с использованием пакета программ «MAPINFO»[11] в регулярной азимутальной стереографической проекции,в котором используется стандартный IDW-метод пространственной интерполяции с коэффициентами обратно пропорциональными квадрату расстояния.

 

Результаты

1.Экстремальность температурного режима

На фоне увеличения числа дней с аномально высокими температурами воздуха на большей части России во все сезоны (рис. 2) число дней с аномально высокими температурами уменьшается зимой на северо-востоке Дальневосточного Федерального округа (ФО) и ЕТР, в центральных районах Восточной Сибири; летом - на Кольском полуострове, Чукотке и в муниципальных районах Красноярского края. Следует отметить, что на всей территории страны увеличилось число дней с аномально высокими температурами весной и осенью, причем весной таких дней стало больше в северных районах Азиатской территории, а осенью – на юге Европейской территории и Западной Сибири.

Для квазиоднородных климатических районов наибольшие коэффициенты линейного тренда, значимые на 5% уровне, получены в летний и осенний периоды (рис. 3). Зимой на Азиатской территории значимых трендов не выявлено.

Рис. 2. Коэффициенты линейного тренда в рядах числа дней с аномально высокой температурой воздуха tmax, [дни/10 лет] для сезонов года.

Рис. 3. Коэффициенты линейного тренда (% от среднего многолетнего значения за 10 лет) в рядах числа дней с аномально высокой температурой воздуха, осредненные по территории квазиоднородных климатических районов.

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 (рис. 4). Наиболее заметна тенденция уменьшения числа очень морозных дней на севере Восточной Сибири и в Якутии. В то же время, на юге Западной Сибири и Забайкалья выявлена тенденция увеличения числа дней с аномально низкими температурами воздуха зимой и осенью, т.е. в этих районах возрастает угроза промерзания мелких речек и водоемов, аварий на водопроводах, перебоев в водоснабжении населения. Летом число дней с аномально низкими температурами растет в отдельных районах Западной Сибири. А на арктическом побережье Восточной Сибири последние очень теплые летние сезоны привели к изменению знака коэффициента линейного тренда: если за период 1971-2010гг. наблюдалась тенденция увеличения числа дней с аномально низкими температурами, то за рассматриваемый период выявлена тенденция уменьшения таких дней.

Рис. 4. Коэффициенты линейного тренда в рядах числа дней с аномально низкой температурой воздуха tmin, [дни/10 лет] для сезонов года.

Наибольшее уменьшение числа дней с аномально низкой температурой воздуха выявлено во всех квазиоднородных районах ЕТР летом и осенью (рис. 5). Летом такая же тенденция преобладает и на Азиатской территории, за исключением Западной Сибири. В Западной Сибири наиболее заметное уменьшение числа дней с аномально низкими температурами наблюдается весной.

Рис.5. Коэффициенты линейного тренда (% от среднего многолетнего значения за 10 лет) в рядах числа дней с аномально низкой температурой воздуха, осредненные по территории квазиоднородных климатических районов

С изменением температуры воздуха связано такое явление как оттепели. Оттепели относятся к неблагоприятным явлениям погоды, которые оказывают влияние на такие важные отрасли экономики как сельское хозяйство, строительство, транспорт. В данном исследовании использовалось определение оттепели, данное К.Ш. Хайруллиным[12], когда оттепелью считалось повышение средней суточной температуры воздуха до 0оС и выше внутри холодного периода при среднесуточной температуре воздуха устойчиво ниже 0оС. За дату устойчивого перехода температуры воздуха через 0оС осенью принимался первый день периода, сумма отрицательных отклонений которого превышает сумму положительных отклонений любого из последующих периодов с положительными отклонениями. За конец принимается день перехода средней суточной температуры воздуха через 0оС весной.

Осенью на Европейской территории, за исключением отдельных районов на северо-западе и западе, число дней с оттепелью уменьшается (рис.6). Это обусловлено, в первую очередь, значительным потеплением в осенний период, а, следовательно, сдвигу на более поздние сроки даты устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 0оС. По этой причине в двух квазиоднородных климатических районах на ЕТР выявлена тенденция уменьшения числа оттепелей в осенний период (рис.7).

Зимой выявлены тенденции увеличения числа дней с оттепелью на территории квазиоднородных климатических районов 4 (северо-западная часть Восточно-Европейской равнины) и 11 (южная часть лесной зоны Западной Сибири). На Северном Кавказе (район 9) число дней с оттепелью в зимний период уменьшается. Весной можно отметить отсутствие оттепелей в начале сезона на севере Азиатской территории России, а в конце сезона – на юге Европейской, что определяется сезонным распределением температуры воздуха. За весенний период в целом значимые коэффициенты линейного тренда, осредненные по территории квазиоднородных климатических районов, получены для северо-западной и северо-восточной частей Восточно-Европейской равнины (районы 4 и 5) и северной части лесной зоны Западной Сибири (район 10). В этих районах выявлена тенденция уменьшения числа дней с оттепелями. В степной зоне Восточно-Европейской равнины число дней с оттепелью растет.

Рис.6. Коэффициенты линейного тренда (на 5%-ном уровне значимости) в рядах числа дней с оттепелью: осень- а) - сентябрь; б) – октябрь; в) – ноябрь; зима- а)-декабрь; б) – январь; в) – февраль; весна – а) – март; б) – апрель; в) – май

Рис.7. Коэффициенты линейного тренда (% от среднего) в рядах числа дней с оттепелью, осредненные по территории квазиоднородных климатических районов
2. Экстремальность режима осадков

Экстремально большие осадки в значительной степени влияют на режим рек. Большое количество осадков зимой и весной обуславливают высокий уровень весеннего половодья, сильные ливни летом часто становятся причиной катастрофических наводнений.Зимой очаги уменьшения числа дней с аномально большими осадками довольно хорошо согласуются с зонами уменьшения числа дней с экстремально высокими температурами воздуха (рис. 8). На большей части ЕТР наблюдается увеличение числа дней с сильными снегопадами. Увеличилось число дней с сильными снегопадами на севере Западной Сибири и Красноярского края, куда в последние годы часто проникали атлантические циклоны, принося влажные воздушные массы. Весна стала более влажной на большей части России. Тенденция уменьшения числа дней с большими осадками сохранилась только на юго-востокеТаймыра, Амурской области и отдельных районах Чукотского АО. В Северо-Кавказском и Южном ФО также наблюдается увеличение числа дней с аномально большими осадками во все сезоны, кроме лета, а значит, учитывая горный характер многих рек и состояние их русел, и в будущем сохранится угроза опасных паводков в этом регионе.Осенью число дней с большими осадками Осенью число дней с большими осадками слабо растет на большей части страны, что хорошо согласуется с ростом числа дней с аномально высокой температурой воздуха. Наиболее заметна тенденция увеличения числа дней с аномально большими осадками в осенний период в западных районах Ямало-Ненецкого АО и центральных районах Республики Саха-Якутия.

Рис. 8. Коэффициенты линейного тренда в рядах числа дней с аномально большими осадками r, [дни/10 лет] для сезонов года.

Наибольшие коэффициенты линейного тренда, осредненные по территории квазиоднородных районов, получены весной для восточных районов ЕТР и Западной Сибири; осенью – Восточной Сибири и севера Якутии; зимой – южных районов Восточной Сибири и Дальнего Востока.В степной части Восточно-Европейской равнины (район 9) число дней с экстремально большими осадками летом уменьшается, сказались сильные засухи последних лет.

Рис. 9. Коэффициенты линейного тренда (% от среднего многолетнего значения за 10 лет) в рядах числа дней с аномально большими осадками, осредненные по территории квазиоднородных климатических районов

 

Выводы

В результате проведенных исследований экстремальности температурного режима и режима осадков на территории России в последние десятилетия по данным ежедневных наблюдений выявлены региональные и сезонные особенности.

На фоне увеличения числа дней с аномально высокими температурами воздуха на большей части России во все сезоны число дней с аномально высокими температурами уменьшается зимой на северо-востоке Дальневосточного ФО и ЕТР, в центральных районах Восточной Сибири; летом - на Кольском полуострове, Чукотке и в муниципальных районах Красноярского края. Значительно уменьшается число очень морозных дней на севере Восточной Сибири и в Якутии. В то же время, на юге Западной Сибири и Забайкалья выявлена тенденция увеличения числа дней с аномально низкими температурами воздуха зимой и осенью. На ЕТР выявлена тенденция уменьшения числа оттепелей в осенний период из-за значительного потепления в осенний период. На большей части ЕТР, севере Западной Сибири и Красноярского краянаблюдается увеличение числа дней с сильными снегопадами.
Выявленные региональные особенности изменения основных климатических параметров помогут в выработке адаптационных мер, сокращению рисков и минимизации ущербов от неблагоприятных погодных условий и климатических изменений

 

Литература

1.    Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Том II. Последствия изменений климата: М., 2008
2.    Изменения климата 2014 г. Обобщающий доклад МГЭИК
3.    State of the Climate in 2016 //Bull. Amer. Meteor. Soc., 2017, 98, №8, S212–S2014.
4.    Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Трофименко Л.Т., Швец Н.В.«Описание массива данных среднемесячной температуры воздуха на станциях России» // Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014621485 http://meteo.ru/data/
5.    Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Коршунова Н.Н., Швец Н.В. «Описание массива данных месячных сумм осадков на станциях России» // Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2015620394 http://meteo.ru/data/
6.    Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Александрова Т.М.«Описание массива данных суточной температуры воздуха и количества осадков на метеорологических  станциях России и бывшего (TTTR)» // Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014620942 http://meteo.ru/data/
7.    Булыгина О.Н., Коршунова Н.Н., Разуваев В.Н., Шаймарданов М.З., Швец Н.В. Изменчивость экстремальных климатических явлений на территории России // Труды ВНИИГМИ-МЦД. 2000. Вып. 187. С. 16-31 http://meteo.ru/activity/publications/rihmi-works/
8.    Bulygina O.N.,Razuvaev V.N.,Korshunova N.N., Groisman, P. Ya.,2007: Climate variations and changes in extreme climate events in Russia. // Environ. Res. Lett. 2 N4 (October-December 2007)045020, 7 pp.
9.    АлисовБ.П.  1956.  КлиматСССР. М.: МосковскийУниверситет.127 с.
10.    КаганР. Л. 1979. Осреднениеметеорологическихполей. Л.: Гидрометеоиздат. 279 С.
11.    Пакет программ «MAPINFO»// http://www.mapinfo.ru/product/mapinfo-mapbasic
12.    Хайруллин К.Ш. Оттепели на территории СССР. – Л.: Гидрометеоиздат, 1969.88 с.

УДК 551.583

 

Изменение индексов экстремальности на территории России

Коршунова Н.Н. (nnk@meteo.ru),  Давлетшин С.Г. (sdavletshin@meteo.ru)

ФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных»

Введение:

Существенное увеличение экстремальных явления – один из показателей изменениия климата. Как отмечалось в [1], за последние 50 лет более 11 000 бедствий были вызваны погодными, климатическими и связанными с водой опасными явлениями, в результате которых погибли 2 миллиона человек и был нанесен экономический ущерб в размере 3,6 триллиона долларов США. В связи с этим исследования климатических экстремумов стали одной из ключевых сфер деятельности Всемирной метеорологической организации (ВМО). В 1999 г. объединенной рабочей группой ВМО по обнаружению изменений климата были предложены 16 индексов экстремальности, которые характеризуют экстремальные свойства климата на годовом отрезке времени. Все предложенные индексы пригодны для характеристики климата в средних широтах. Десять из них рекомендованы ВМО для использования в исследованиях по обнаружению изменений экстремальности и изменчивости климата.

В последние годы данной проблеме посвящено много исследований отечественных и зарубежных авторов, в которых при оценке изменений климата используются производные климатических индексов экстремальности. В частности, в прежних исследованиях по оценке экстремальности температурного режима и режима осадков, проводимых во ВНИИГМИ-МЦД, в качестве индексов климатических экстремумов использовалось число дней за сезон, когда метеорологический параметр выше или ниже некоторого предельного значения [2-5]. Значение метеорологической величины, соответствующее границе 95% или 5% интервала ранжированного ряда, рассматривалось как предельное.

Большая часть работ по данной теме посвящена исследованию волн тепла. Зарубежные ученые давно занимались изучением формирования волн тепла [6-9] и их влиянием на человека [10, 11]. В нашей стране толчком к детальному изучению волн тепла стала аномальная продолжительная жара на европейской части России летом 2010 года [12-16], причем интенсивность и продолжительность этой волны тепла привлекла внимание и зарубежных исследователей [17, 18]. В [16] волны тепла рассмотрены как эпизоды длительных положительных аномалий температуры воздуха в широтной зоне 45о-55ос.ш. С использованием данных реанализов получены основные характеристики волн тепла (повторяемость, продолжительность и интенсивность) и рассмотрена их связь с макроциркуляционными условиями и тепловым состоянием различных слоев океана в предшествующий холодный период года. Авторы установили, что влияние особенностей теплового режима океана в предшествующий холодный период проявляется в продолжительных летних аномалиях тепла на континенте во все летние месяцы. При этом области с наибольшими коэффициентами корреляции меняют свое положение от месяца к месяцу.

Другие индексы при анализе изменения климата использовались гораздо реже, и исследования проводились на региональном уровне. Можно отметить работу [19], где для оценки изменения климата Алтайского края, помимо индекса продолжительности волн тепла, использовался индекс «сухих» периодов. Выявленное увеличение числа волн тепла и уменьшение продолжительности «сухих» периодов позволили авторам подтвердить тенденцию изменения климата Алтайского края. Для Западной Сибири в [20] авторы рассчитали и проанализировали изменение нескольких индексов экстремальности, в частности повторяемость холодных дней и ночей, повторяемость теплых дней и ночей, повторяемость сильных осадков, число сильных снегопадов, годовая сумма осадков выше 95 процентиля, однако значимых трендов в изменении этих индексов не выявили. Таким образом, гипотеза о росте повторяемости и пороговых значений индексов экстремальности на фоне изменений глобального климата для территории Западной Сибири не подтвердилась.

 

Данные и методика

В работе использовались ежедневные данные специализированного массива «Температура воздуха и количество осадков (ежедневные данные)», который доступен на сайте ВНИИГМИ-МЦД [10]. Массив регулярно пополняется, что позволяет проводить исследования по актуальным данным. Массив содержит данные 600 метеорологических станций РФ и бывших республик СССР. Со времени создания специализированного массива некоторые российские станции, входящие в данный массив, были закрыты или законсервированы, поэтому расчеты проводились по данным 488 метеорологических станций России, действующих в настоящее время. Для подобных исследований использование высококачественных постанционных данных для довольно густой сети метеорологических станций предпочтительнее по сравнению с использованием реанализов, поскольку в расчетах характеристик экстремальности приземного климата реанализы могут давать существенные погрешности. Расчеты проводились по данным за период от начала работы станции до 2020 года.

В данном исследовании рассматривались следующие индексы экстремальности.

• HWDD - продолжительность волн тепла. Рассчитывается как максимальное количество последовательных дней за год (не менее 5 дней) с суточным максимумом, превышающим норму более чем на 5°С. В качестве нормы использовалась средняя за период 1961-1990 гг. максимальная температура соответствующего дня.
• CWDD – продолжительность волн холода. Рассчитывается как максимальное количество последовательных дней за год (не менее 5 дней) с суточным минимумом, ниже нормы более чем на 5°С. В качестве нормы использовалась средняя за период 1961-1990 гг. минимальная температура соответствующего дня.
• Т90 – индекс теплых ночей представляет собой число дней за год с суточным минимумом температуры выше 90 процентиля, выраженное в процентах от общего числа дней.
• Tn10 - индекс холодных ночей представляет собой число дней за год с суточным минимумом температуры ниже 10 процентиля, выраженное в процентах от общего числа дней.
• CDD – максимальное за год число последовательных «сухих» периодов (с осадками не более 1 мм).
• R95 – доля интенсивных осадков. Рассчитывается как процентное отношение интенсивных осадков к годовой сумме. Под интенсивными осадками понимались осадки, суточная сумма которых превышала 95 процентиль за период 1961-1990 гг.
• R10 – число дней с интенсивными осадками. Для умеренных широт осадки более 10 мм можно считать интенсивными.

Результаты представлены в виде карт, подготовленных с помощью ГИС в регулярной стереографической проекции, в которой используется стандартный метод обратных взвешенных расстояний с коэффициентами обратно пропорциональными квадрату расстояния.

Тренд, представленный на графиках, рассчитывался методом наименьших квадратов, уровень статистической значимости тренда определялся с помощью критерия Стъюдента.

 

Результаты

1. Индексы продолжительности волн тепла и холода

На рис. 1 представлено распределение на территории России средних многолетних значений индексов продолжительности волн тепла HWDD и волн холода.

Максимальные значения индекса HWDD получены в Сибири, в среднем и нижнем течении Енисея. Это обусловлено, в основном, повышением зимних температур. Именно в центральных районах Красноярского края в 90-х годах прошлого века отмечался наибольший рост числа дней с аномально высокими температурами воздуха [2]. Довольно продолжительные волны тепла (11-14 дней) наблюдаются на большей части европейской территории и на северо-востоке азиатской (рис. 1, а). Минимальная продолжительность волн тепла и холода отмечается на дальневосточном юге, что связано с частой сменой воздушных масс в период летнего муссона. Интересно, что максимальная продолжительность и волн холода наблюдается в центральных районах Красноярского края и на Чукотке (рис. 1,б), что нельзя объяснить изменениями в температурном режиме этих районов. По-видимому, преобладающая роль здесь принадлежит циркуляционной составляющей.

Атмосферная циркуляция является важнейшим фактором формирования волн тепла и холода, однако, как было показано в [21], зависимость между аномалиями приземной температурой и модами крупномасштабной циркуляцией носит сложный характер.

Рисунок 1. Средние многолетние значения индексов продолжительности волн тепла (а) и волн холода (б).

Рисунок 2 на примере изменения индекса HWDD в Енисейске наглядно демонстрирует смену фаз потепления в Сибири, связанную со сменой режимов крупномасштабной атмосферной циркуляции. В конце 1960-х - начале 1970 годов меридиональная циркуляция сменилась зональной с возросшей ролью североатлантических центров действия атмосферы (ЦДА) [21]. Со второй половины 1990-х годов вновь возрастает интенсивность меридиональной циркуляции, и потепление замедляется. Одновременное увеличение волн тепла и холода, а следовательно, их более частая смена, свидетельствует об увеличении изменчивости климата.

Рисунок 2. Изменение индекса продолжительности волн тепла HWDD (а_ и волн холода (б) в Енисейске.

Если рассмотреть изменение индекса HWDD в других районах страны (рис. 3), можно отметить, что увеличение волн тепла в течение всего периода с разной скоростью происходит во всех регионах, за исключением арктического побережья (м. Челюскина, Тикси). В Арктике после значительного потепления в 30-е годы прошлого века наблюдалось похолодание, что привело к уменьшению волн тепла. Начиная с 1976 года, который условно считается началом потепления, в арктическом регионе наблюдается значительное увеличение продолжительности волн тепла.

Рисунок 3. Изменение индекса волн тепла HWDD на метеорологических станциях, расположенных в различных климатических зонах России.

 

2. Индексы теплых и холодных ночей

Среднее значение индекса теплых ночей слабо меняется и на большей части страны составляет 10-11% (рис.4, а). Максимальные значения 12-13% территориально совпадают с очагом максимальных значений индекса HWDD. Минимальные значения 8-9% отмечены на Южном Урале, в северо-восточных районах ЕТР, а также на тихоокеанском побережье Чукотки и Камчатки.

Рисунок 4. Средние многолетние значения индексов теплых (а) и холодных ночей (б).

Значительно больше изменяется по территории индекс холодных ночей (рис. 4,б), поскольку на режим минимальной температуры воздуха в большей степени, чем на режим максимальной температуры, влияют особенности рельефа. Это определяет такой «пятнистый» характер пространственного распределения. Наиболее заметно влияние форм рельефа в зимний период, когда влияние высоты из-за образований инверсий сглаживается. В [8] отмечается, что в Восточной Сибири перепад минимальной температуры между низиной и горными вершинами может достигать 15-20оС.

 

3. Индексы интенсивных осадков и «сухих» периодов

В пространственном распределении индекса «сухих» периодов выделяются два обширных очага максимальных значений в Республике Саха-Якутия, включая арктические острова, и в Забайкалье (рис. 5, а), которые обусловлены, большей частью, продолжительными периодами без осадков в зимний период, когда эти районы находятся в зоне влияния Сибирского антициклона. В отдельные годы продолжительность «сухих» периодов может превышать 100-130 дней. Однако в летнее время в этих районах, а также на северном побережье Охотского моря, в бассейне Ангары и Приморье увеличивается число дней с экстремальными осадками [5], что приводит к увеличению доли интенсивных осадков в годовой сумме и формированию очагов максимальных значений индекса R95 (рис. 5, б). Именно увеличение экстремальных осадков стало причиной катастрофических наводнений в последние годы в Прибайкалье (2019 год - реки Ия, Ока, Бирюса, Уда), Забайкалье (2018 год – реки Витим, Шилка, Ингода) и на дальневосточном юге (2013 год – река Амур; 2017 год- малые реки Приморья).

На европейской территории максимальная продолжительность «сухих» периодов отмечается в Астраханской области и Калмыкии в летний период. На севере ЕТР (Архангельская область, Республика Коми) максимальная продолжительность «сухих» периодов не превышает 20 дней. В этих районах, а также в среднем и нижнем течении Енисея преобладают продолжительные осадки малой интенсивности (рис. 5, б)

Рисунок 5. а) средние многолетние значения индекса «сухих» периодов; (б) средние многолетние значения индекса «интенсивных осадков».

На рисунке 6 представлено изменение индексов экстремальности влажностного режима на метеорологических станциях Мурманск, где во все сезоны, кроме лета, наблюдается тенденция увеличения числа дней с аномально большими осадками, и Волгоград, где в течение всего года отмечается уменьшение таких дней [5]. В Мурманске число «сухих» периодов (CDD) неуклонно снижается при увеличении числа дней с интенсивными осадками (R10), однако их доля в годовой сумме осадков практически не меняется (R95). Это свидетельствует о том, что на Кольском полуострове уменьшение индекса CDD обусловлено увеличением числа дней с непродолжительными осадками малой интенсивности.
В Волгограде, напротив, продолжительность «сухих» периодов довольно существенно выросла именно за счет уменьшения числа дней с интенсивными осадками при уменьшении их доли в годовой сумме осадков.

Рисунок 6. Изменение индексов экстремальности режима осадков на мс Мурманск и Волгоград.

 

Заключение

По актуальным данным рассчитаны основные индексы экстремальности, рассмотрено их временное и пространственное распределение на территории России. Показано, что на большей части страны в последние годы возрастает экстремальность климата, что выражается в увеличении как волн тепла, так и волн холода, а значит в их более частой смене. Это обусловлено влиянием многих факторов, в частности циркуляционных, мезо- и микроклиматических особенностей района и др.

Анализ изменения индексов экстремальности влажностного режима показал, что в северо-западных областях европейской территории России увеличение числа дней с интенсивными осадками не приводит к увеличению их доли в годовой сумме осадков, а продолжительность «сухих» периодов уменьшается из-за увеличения числа дней с малоинтенсивными осадками. На юге европейской территории выявленная тенденция увеличения «сухих» периодов обусловлена уменьшением интенсивных осадков.

Результаты исследования могут быть полезны при планировании в различных отраслях экономики, а также для выработки эффективных и своевременных адаптационных мер для минимизации ущерба от неблагоприятных погодных условий и изменений климата.

 

Список литературы

1. Доклад о состоянии климатического обслуживания в 2020 году: от заблаговременных предупреждений к заблаговременным действиям // Пресс-релиз ВМО, Женева. 13 сентября 2020
2. Булыгина О.Н., Коршунова Н.Н., Разуваев В.Н., Шаймарданов М.З., Швец Н.В. Изменчивость экстремальных климатических явлений на территории России // Труды ВНИИГМИ-МЦД. 2000. Вып. 167. С. 16-31
3. Bulygina O.N., Razuvaev V.N., Korshunova N.N., Groisman, P. Ya.,2007: Climate variations and changes in extreme climate events in Russia. // Environ. Res. Lett. 2 N4 (October-December 2007)045020, 7 pp.
4. Булыгина, О.Н. Критерии экстремальности климатических явлений в температурном режиме и режиме осадков на территории России // Труды ВНИИГМИ-МЦД. – Обнинск, 2007. – Вып. 173
5. Коршунова Н.Н., Булыгина О.Н., Разуваев В.Н. Оценки экстремальности температурного режима и режима осадков для территории РФ и ее регионов // Труды ВНИИГМИ-МЦД. 2018. Вып. 183. С. 20-30
6. Austin J.F. The blocking of middle latitude westerly winds by planetary scale waves. // Q.J.R. Meteorol. Soc., 1980, vol. 106, р. 327-350.
7. Lejenas H., Okland H. Characteristics of Northern Hemisphere blocking as determined from a long time series of observational data. // Tellus, 1983, vol. 35A, р. 350–362.
8. Rex D.F. Blocking action in the middle troposphere and its effect upon regional climate: part I. // Tellus, 1950, vol. 2, р .275-301.
9. Tibaldi S., Molteni F. On the operational predictability of blocking. // Tellus, 1990, vol. 42A, р. 343-365.
10. Hoek G., Brunekreef B., Verhoeff A., van Wijnen J., Fischer P. Daily mortality and air pollution in the Netherlands. // Journal of the Air and Waste Management Association, 2000, № 50 (8), р. 1380-1389.
11. Johnson H., Kovats R. S., McGregor G., Stedman J., Gibbs M., Walton H., Cook L., Black E. The impact of the 2003 heat wave on mortality and hospital admissions in England. // Health Statistics Quarterly, 2005, 25, р. 6-11.
12. Варгин П.Н., Лукьянов А.Н., Ганьшин А.В. Исследование динамических процессов в период формирования блокирующего антициклона на Европейской частью России летом 2010 г. // Известия РАН. Серия: Физика атмосферы и океана, 2012, т. 48, № 5, с. 523-537.
13. Локощенко М.А. Катастрофическая жара 2010 года в Москве по данным наземных метеорологических измерений. // Известия РАН. Серия: Физика атмосферы и океана, 2012, т. 48, № 5, с. 523-537.
14. Мохов И.И. Особенности формирования летней жары 2010 г. на Европейской территории России в контексте общих изменений климата и его аномалий. // Известия РАН. Серия: Физика атмосферы и океана, 2011, т. 47, № 6, с. 709-717.
15. Шакина Н.П., Иванова А.Р. Блокирующие антициклоны: современное состояние исследований и прогнозирования. // Метеорология и гидрология, 2010, № 11, с. 5-17.
16. Рочева Э.В., Смирнов В.Д. О тенденциях в изменении продолжительности «волн тепла» на территории России // URL: http://downloads.igce.ru/publications/pemem/PEMEM25/05_Rocheva_Smirnov_V_D.pdf (дата обращения 6.04.2022)
17. Шевченко О.Г. Характеристика хвилі тепла літнього сезону 2010 р. на території України. // Наукові праці УкрНДГМІ, 2012, вип. 262, с.59-70.
18. Matsueda M. Predictability of Euro-Russian blocking in summer of 2010. // Geophysical Research Letters, 2011, vol. 38, issue 6, doi:10.1029/2010GL046557.
19. Козлова Д.С. Харламова Н.Ф. Изменение индексов экстремальности климата г. Барнаула // Материалы молодежной конференции с международным участием «Географические исследования молодых ученых в регионах Азии» - Барнаул, 2012. Изд-во «Алтай-Циклон», с.124-126
20. Огурцов Л.А., Чередько Н.Н. Волкова М.А., Журавлев Г.Г. Динамика показателей экстремальности климата на территории Западной Сибири // «Оптика атмосферы и океана», 29, № 8 (2016). DOI: 15372/AOO20160803
21. Попова В.В. Современные изменения климата на севере Евразии как проявление вариации крупномасштабной атмосферной циркуляции // Фундаментальная и прикладная климатология, 2018, том 1, с. 84-111. DOI: 10.21513/2410-2018-1-84-111