Изменения климата в сухостепной зоне Тувинской горной области

УДК 551.510.41

М. Ф. Андрейчик

ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В СУХОСТЕПНОЙ ЗОНЕ ТУВИНСКОЙ ГОРНОЙ ОБЛАСТИ

22

Изменение климата носит синусоидальный характер. Скорость потепления климата составила 0,077 С/год — 2,23 С за 30 лет. Выявлены солнечно-земные связи. Гидротермический коэффициент уменьшился на 16%. В 2001 г. наметилась тенденция замедления темпов потепления климата.

Climate changes correspond to a sinusoidal pattern. The climate warming rate is about 0.077 C/year or 2.23 C in 30 years. Solar-terrestrial relationships are described in the article. Hydrothermal coefficient has decreased by 16%. A decreasing climate warming trend emerged in 2001.

Ключевые слова: потепление климата, центр Азии, инерционность термических параметров, нелинейные связи, замедление процесса потепления.

Key words: climate warming, center of Asia, persistence of thermal properties, nonlinear connections, decreasing climate warming trend.

Введение

Наблюдаемое в настоящее время изменение климата на планете считается общепризнанным фактом. В Тувинской горной области современные изменения климата изучаются впервые. В качестве исходных статистических данных использованы материалы метеостанции Эрзин, расположенной на территории России, в северной части Убсу-Нурской котловины (СЧУНК) — в сухостепной зоне Тувинской горной области (Тувы).

Самым холодным периодом для СЧУНК были 1961 — 1976 гг. — среднегодовая температура колебалась в интервале от -6,1 (1961 г.) до -3,9 °С (1971 г.), самым теплым — 1998 г. (-0,8 °С). Самым теплым для России был 1995 г., за ним следуют 2005 и 2002 гг. Для Земного шара в целом самым теплым был 1998 г. — рекордно теплая веха за всю полуторавековую историю инструментальных наблюдений за погодой [1].

Для глобального потепления характерна неоднородность данного явления. В XX и начале XI в. выделяются три интервала флуктуаций климата: потепление — 1910 — 1945 гг., слабое похолодание — 1946 — 1976 гг. и наиболее интенсивное потепление — после 1976 г. [2], в СЧУНК — в 1991 — 2000 гг. Темпы потепления в Туве в начале XXI в. (2001 — 2006 гг.) уменьшились на 20% [3], что согласуется с прогнозом возможного похолодания климата с 2012 г., изложенным в средствах массовой информации ведущим сотрудником Пулковской астрономической обсерватории Х. Абдусаматовым.

Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2012. Вып. 1. С. 22-29.

Методика исследований

Всемирной метеорологической организацией рекомендуется за основу принять т ри дца ти ле тний период — 1961 — 1990 гг., от средних значений которого принято отсчитывать степень изменения климата. Нами выделено два периода — 1961 — 1990 и 1977—2006 гг. В качестве критериев оценки изменения климатических параметров используются коэффициенты линейных трендов, определяемые по методу наименьших квадратов. Они характеризуют среднюю скорость изменений анализируемых характеристик. Мера существенности тренда — доля дисперсии (в процентах) от полной дисперсии климатической переменной за рассматриваемый интервал времени. Оценка статистической значимости тренда определяется по 5 %-ному уровню значимости (с вероятностью 0,95). Обнаруженные изменения параметров климата реальны (соответствуют действительности), если их величина превосходит ошибку оценки изменений.

Для определения 11-летней периодичности, связанной с изменением числа солнечных пятен, вычисляются скользящие средние по 11 годам, так как потепление может маскировать эту периодичность. Если в первоначальном ряду скрыта 11-летняя периодичность, то в остаточном ряду она выявится с большей очевидностью.

Результаты исследований

Усредненные значения климатических параметров за два периода временного ряда 1961—2006 гг. представлены в таблице 1.

Таблица 1

23

Динамика усредненных климатических параметров за 1961—1990 и 1977—2006 гг. по данным метеостанции Эрзин

Параметр Период

1961 — 1990 1977—2006

Среднегодовая температура воздуха, °С: -4,4 -3,3

холодный период (1 — 111, Х1—Х11 мес.) -24,5 -22,8

теплый период (У — 1Х) 14,0 14,7

переходный период (IV, V) -0,2 1,0

Дата перехода температуры воздуха через 0 °С весной 13. IV 18. IV

Число дней с морозами в первом полугодии 109 107

Число дней с морозами (в среднем за год) 185 181

Дата перехода температуры воздуха через 0 °С осенью 16. X 18. X

Число дней с морозами во втором полугодии 76 74

Сумма эффективных температур воздуха (1 > 5 °С) 1 888 2 278

Сумма активных температур воздуха (1 > 10 °С) 1 858 2 209

Индекс континентальности, ед. (°С) 90,2 89,5

Сумма атмосферных осадков, мм 209,6 202,6

Распределение осадков (мм) по сезонам года: холодный период 31,2 32,8

теплый период 164,9 144,9

переходный период 13,5 24,9

Окончание табл. 1

Параметр Период

1961 — 1990 1977—2006

Гидротермический коэффициент по Селянинову 0,87 0,73

Температура поверхности почвы, °С: -1,5 -1,1

холодный период -25 -23,9

теплый период 18,7 18,9

переходный период 1,7 1,8

24

Приведенная информация климатических показателей СЧУНК вписывается в общий процесс глобального изменения климата с некоторыми отклонениями. Однако среднеарифметические величины не являются основой для оценки потепления климата. Повышение температуры за 1971—2000 гг. соответствует глобальному потеплению за 100 лет (ХХ в.). В последнее 10-летие приращение температуры воздуха составило 1,8 °С. Продолжительность морозного периода в СЧУНК уменьшилась на 4 дня. Удлинение теплого периода на один день повышает суммы эффективных и активных температур воздуха на 3 %.

Динамика атмосферных осадков также не согласуется с общей закономерностью потепления климата на Земле: с повышением температуры воздуха количество осадков увеличивается. На метеостанции Эр-зин количество выпавших осадков уменьшилось на 3,4 %. Кстати, климатические изменения осадков в масштабах планеты изучены значительно хуже, чем приземная температура воздуха. Это объясняется не только большой изменчивостью данного фактора, но и отсутствием единой методики наблюдений. Так, в России она многократно корректировалась с 1936 по 2000 г. [4].

Изменение температуры поверхности почвы и воздуха

Поверхность почвы является преобразователем коротковолновой солнечной энергии в тепловую. Она определяет динамику температуры воздуха. За анализируемый период температура поверхности почвы (Ьпп) повысилась на 0,4 °С. В годовом ходе изменение Ьпп происходит неоднозначно. Наибольший прирост температуры происходит в январе — марте, ноябре и декабре. В последние два месяца температура поверхности снега ниже температуры воздуха, что указывает на интенсификацию циркуляции атмосферы и усиление циклонической деятельности в зимнее время. Вклад холодного периода в потепление климата значительно выше теплого — 65 %.

Закономерности теплообмена между приземным воздухом и поверхностью почвы хорошо прослеживаются на рисунке 1.

Динамика температуры поверхности почвы и приращения температуры воздуха аппроксимируется полиномом 6-й степени:

и: у = 0,001х6 - 0,04х5 + 0,72х4 - 7х3 + 33,9х2 - 61х + 1,7И2 = 0,998;

Д*: у = -0,001х6 + 0,02х5 - 0,2х4 + 1,5х3 - 4,6х2 + 5,8х - 1,5И2 = 0,921.

Аналогичными кривыми описываются температура воздуха и приращение температуры поверхности почвы.

------ 1в

1пп

Дв

—к— Д1пп

Месяцы

25

Рис. 1. Динамика годового хода температуры воздуха (У, поверхности почвы (1пп) и их приращений — Д1в и Д1пп по многолетним данным 1977 — 2006 гг. Метеостанция Эрзин

Криволинейные тренды термических характеристик двух геосфер и их производных (приращений) имеют зеркальное отображение, что говорит об обратной связи между изучаемыми признаками. На рисунке четко прослеживается следующая закономерность. Все градиенты температуры воздуха в годовом ходе за исключением марта месяца имеют положительные знаки (см. правую ось у), значения приращений температуры поверхности почвы в апреле — сентябре обладают отрицательными величинами. Это говорит о том, что эффект потепления климата в первую очередь проявляется в приземном слое атмосферы. Вывод: температура поверхности почвы в климатической системе обладает свойством инерционности по отношению к среднегодовой температуре воздуха.

Введение нового климатического параметра — показателя изменения климата

Введение в климатическую систему показателя изменения климата (ПИК) при оценке потепления климата объясняется несинхронностью динамики трендов аномалий среднегодовой температуры воздуха и индекса континентальности, сглаженных 11-летним циклом. Индекс континентальности отражает значение доли годовой амплитуды температуры воздуха за счет суши, или величину континентального вклада в годовую амплитуду температуры, и характеризует степень конти-нентальности климата главным образом по температурному режиму: с увеличением значения К континентальность климата возрастает. Индекс континентальности является надежным показателем при климатическом районировании Земли, но не совсем приемлем при оценке изменения климата.

ПИК определяется по той же методике, что и другие климатические характеристики и вычисляется отношением сумм аномалий, сглаженных по 11-летним циклам, холодного к теплому периоду:

У гг'

где У гх, У гг — суммы аномалий температуры воздуха холодного и

теплого периодов относительно среднегодовой температуры воздуха 1961 — 1990 гг.

На рисунке 2 хорошо прослеживается согласованность линейных трендов аномалий среднегодовой температуры воздуха и ПИК, подтверждающих процесс потепления. Достоинством данного параметра является его стабильная направленность. Если в климатической системе наблюда-

---- ются существенные колебания изучаемых величин, то положение линей-

26 ного вектора ПИК всегда устойчиво. Это дает право ставить точку в дискуссии современного изменения климата в пользу его потепления.

Рис. 2. Динамика аномалий среднегодовой температуры воздуха ^ср. год), индекса континентальности (аном. К) и показателя изменения климата (ПИК), сглаженных по 11-летним циклам. Метеостанция Эрзин 1977 — 2006 гг.

Символ Е означает число 10. Выражение 4Е-07х6 читается 4-10-7-х6

Анализ рисунка требует абстрактного мышления при снятии информации К. Дело в том, что К — дублирующий показатель изменения климата: его увеличение говорит о проявлении признаков «похолодания» климата, а уменьшение — о смягчении континентальности, потеплении. На рисунке потепление климата характеризуют отрицательные градиенты К: чем больше их значения (по абсолютной величине), тем интенсивнее потепление, и наоборот. Изложенное абстрагирование позволяет перейти к следующему пункту выводов.

Наименьшая континентальность климата была в 1984 г. Первый экстремум лежит в 21-м, второй — в 22-м цикле солнечной активности с максимальным числом Вольфа (Ш).

Для выявления солнечно-земных связей с индексом континенталь-ности целесообразно провести анализ его декомпозиционных составляющих годовой амплитуды — температуры июля и января. Динамика их аномалий представлена на рисунке 3.

у = 8Е-06х4 - 0,0007х3 + 0,0073х2 + 0,155х + 0,1567, Р = 0,871

О 2 +

ГО & 2 5

£ 2 А не Мс ал ИИ 1 і н за эя

^ 2 1ГО Л Г-

С 2 ф 1 ‘а не Мс ал ИЯ і 1Ю ля

1- 1 ск ІГ П ^ Е х 3 Е- 05 х5 - ,0 00 )9> 4 + 0,0 12 9 3 - 0 ,0 65

ГО 2 § 0 < П Д N 0, 08 - 0 ,1 23 1, 0 ,9 79

Г"

сососососо^сосососососоооо

27

Рис. 3. Полиномиальные тренды аномалий температуры (і) воздуха января и июля, сглаженные по 11-летним циклам. Метеостанция Эрзин, 1977 — 2006 гг.

Внешне обе кривые имеют схожую форму и выражают однозначную закономерность. На самом деле каждая из них имеет принципиальные различия, раскрывающие общие закономерности изменения климата в холодный и теплый периоды года. Во-первых, в кривых отсутствует синхронность динамики. Во-вторых, тренд июля обладает четко выраженными экстремумами. В-третьих, максимум аномалий июля смещен относительно максимума января вправо на девять лет. В-четвертых, темпы понижения температуры воздуха июля после максимума выше января в 1,6 раза.

Минимум кривой сглаженных аномалий температуры воздуха июля лежит в 21-м, а максимум — в 23-м цикле солнечной активности. Период между минимумом и максимумом кривой составляет 21 год.

Из рисунка 3 видно, что все значения аномалий температуры января — положительные числа. Это говорит о том, что холодный период года является индикатором изменения климата.

Аналогичный анализ по выявлению связей между среднемесячными температурами и К был выполнен для всех месяцев календарного года. Графический материал позволяет проследить следующую закономерность. Кривая индекса континентальности представляет собой устойчивую синусоиду (объект), а графики среднемесячных температур — динамическую систему, постепенно сдвигающуюся вправо, приобретая различные трансформированные формы параболоидальных кривых.

Уровень безопасности изменения климата

Критичным для планеты считается изменение общемировой температуры на 2 °С. Однако для Тувинской горной области критичной ситуацией следует считать повышение температуры на 4 °С, которая может значительно ухудшить условия традиционного земледелия и скотоводства. КБИК определяется по формуле

КБИК _ 2

1 -1

тек. уст.

1, - 1

*Лред . уст . у

где 1тек — настоящая (текущая) среднегодовая температура воздуха республики; 1уст, 1пред — среднеустойчивая (зафиксированная) и предельная температура воздуха республики [6].

Уровни безопасности по изменению климата представлены в таблице 2.

Таблица 2

28

Уровни безопасности по изменению климата

Индекс Уровень безопасности

I > 0,8 Высокий

II 0, 1 ,8 0 Приемлемый

II 0,6—0,4 Средний

IV 0,4 —0,2 Критический

V < 0,2 Катастрофический

Полученные расчеты показывают, что уровень безопасности по изменению климата соответствует среднему, однако наметилась тенденция к критической ситуации (КБИК = 0,44).

Выводы

Среднее повышение температуры воздуха составило 0,077 °С/год — 2,23 °С за 30 лет. Вклад холодного периода года в потепление климата составляет 65 %.

Уменьшение атмосферных осадков на 3,4 % еще больше усугубило влагообеспеченность котловины — гидротермический коэффициент уменьшился на 16 %. По классификации она перешла из категории «недостаточной» в «слабозасушливую» [5].

Выявлены солнечно-земные связи индекса континентальности: минимумы сглаженных аномалий лежат в 21-м (1976 — 1985 гг.), а максимумы — в 23-м (1999 — 2001 гг.) циклах солнечной активности в областях максимальных чисел Вольфа.

Список литературы

1. Богданова Э. Г., Ильин Б. М., Гаврилова С. Ю. Современные методы корректировки измеренных осадков и результаты их применения в полярных регионах России и Северной Америке // Метеорология и гидрология. 2007. № 4. С. 21—44.

2. Груза Г. В., Ранькова Э. Я. Мониторинг и вероятностный прогноз короткопериодных колебаний климата // 60 лет Центру гидрометеорологических прогнозов. Л., 1989. С. 148—170.

3. Андрейчик М. Ф., Монгуш Л.Д.-Н., Мусанова М. Н. и др. Изменение температуры воздуха — показатель потепления климата в Тувинской горной области // Проблемы охраны и природопользования : матер. IX Убсу-Нурского Меж-дунар. симп. Кызыл, 2008. С. 321—323.

4. Винников К. Я., Гройсман П. Я., Лугина К М., Голубев А. А. Изменение средней температуры воздуха Северного полушария за 1841 — 1985 гг. // Метеорология и гидрология. 1987. № 1. С. 45—55.

5. Хомякова Г. В., Зоидзе Е. К. Агроклиматическая оценка почвенных засух на европейской территории Российской Федерации (по наземным данным) // Метеорология и гидрология. 2002. № 9. С. 75—86.

6. Bertoks P. World resources 1994—1995. N.Y. ; Oxford, 1987.

Об авторе

Михаил Федорович Андрейчик — канд. биол. наук, доц., Тувинский государственный университет, Республика Тыва, Кызыл.

E-mail: А^геусЫскт@уа^ех.га

About author

29

Dr Mikhail Andreichik, Associate Professor, Tuva State University, Kyzyl. E-mail: Andreychickm@yandex.ru