Структурные особенности формирования межгодовой изменчивости температуры воздуха в северо-западном районе России

ПРИРОДНАЯ СРЕДА

УДК 551.58 ББК 26.237

В.Н. Малинин, Д.А. Гурьянов

структурные особенности формирования мЕжгодовой изменчивости температуры воздуха в северо-западном районе россии

Показано, что начиная со второй половины XX в. в Северо-Западном районе России отмечается весьма интенсивное потепление, превышающее рост температуры северного полушария примерно в 2 раза. Установлено, что рост температуры происходит в основном за счет сокращения холодного периода, уменьшения среднесуточной отрицательной температуры воздуха и увеличения числа сильных оттепелей.

Ключевые слова:

температура воздуха, межгодовая изменчивость, тренд, экстремум.

В настоящее время достаточно уверенно можно утверждать о постепенном росте глобальной приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) в течение всего периода инструментальных наблюдений, т.е. с конца XIX в. При этом средний рост глобальной температуры в течение ХХ в. составлял 0,6-0,7°С. Однако рост ПТВ на земном шаре происходит неодинаково как во времени, так и в пространстве. Весь период инструментальных наблюдений может быть разделен на три промежутка, два из которых характеризуют глобальное потепление (1880-1940 и 1976-2005 гг.), а третий - относительное похолодание (1941-1975 гг.) [12].

Велика также пространственная дифференциация в изменениях температуры. Наряду с районами, где потепление развивается ускоренными темпами, существуют регионы, где оно отсутствует. В частности, для России в целом в течение XX в. потепление составило около 1,0 °С/100 лет, причем за последние 30 лет - 0,43 °С/10 лет [7], что почти в 2 раза превышает рост ПТВ в северном полушарии. Наиболее интенсивно потепление проявляется в Европейской части России, где за период 1976-2006 гг. повышение среднегодовых температур составило 0,48 °С/10 лет [4, 5]. Примерно такими же темпами идет потепление и в Северо-Западном экономическом районе (СзР) России, который состоит из Санкт-Петербурга, Ленинградской, Новгородской и Псковской областей.

О характере потепления (похолодания) климата обычно судят по величине тренда (линейного или нелинейного) и его вкладу в межгодовую изменчивость температуры воздуха на основе средних годовых или среднемесячных данных метеорологических станций [1; 2; 4; 5; 7; 10]. Однако календарные периоды осреднения не совпадают с естественными фазами развития климатических процессов, не позволяют прослеживать их начало, продолжительность, окончание, а также наличие экстремумов. Это можно сделать только на основе срочных метеорологических данных, применение которых до последнего времени было ограничено их отсутствием в свободном доступе (в т.ч. в Интернете).

В настоящее время таких ограничений нет. Архив ВНИИГМИ-МЦД [11] содержит данные срочных инструментальных наблюдений на метеорологических станциях России в основном с 1950 г., когда сеть станций резко выросла. Архив предоставляет доступ к данным о сумме осадков, атмосферном давлении, солнечном сиянии, упругости водяного пара, ежедневных температурах воздуха и количестве осадков, ежедневных данных о температуре почвы, характеристиках снежного покрова. В архив входит около 500 станций для России, в том числе 10 станций, находящихся в СЗР. Для довольно большой территории СзР плотность станций представляется недостаточной. Поэтому мы привлекли к

расчетам данные ряда станции, расположенных в соседних областях вблизи границ с СЗР. В результате общее число станции составило 20.

На первом этапе статистическому анализу подверглись средние годовые значения температуры воздуха за период 1950-2010 гг. для 20 станции СЗР. Общее представление о характере межгодовых изменении температуры воздуха на территории СзР можно получить из рис. 1, на котором представлен осредненныи по территории СзР временнои ряд годовых значении температуры воздуха.

Нетрудно видеть, что на фоне случайных колебании выделяется положитель-ныи линеиныи тренд, величина которого составляет Тг = 0,34 °С/10 лет, а вклад его в дисперсию исходного временного ряда, определяемьш по коэффициенту детерминации ^2), равен 3196. При этом до середины 70-х гг. во время относительного похолодания северного полушария потепление на территории СЗР было весьма слабым (Тг = 0,27 °С/10 лет), однако затем начался быстрыи рост температуры, причем величина среднего тренда в СЗР за период 1977-2010 гг. (Тг = 0,65 °С/10 лет) уже более чем в 2 раза превышает аналогичным тренд для северного полушария.

Отметим, что величина тренда меняется по территории СЗР в небольшом диапазоне случаиным образом. Максимальная оценка тренда (Тг = 0,50 °С/10 лет) отмечается на ст. Белогорка (59°21 с.ш., 30°08ч в.д.), а минимальная - на ст. Тихвин (Тг = 0,24 °С/10 лет). Осредненныи времен-нои ряд температуры воздуха имеет очень высокую корреляцию с временными рядами температуры на отдельных станциях (г = 0,85-0,99), причем только на двух из них корреляция! ниже г < 0,90. Этч свидетельствует об очень высокои сопряженности колебании годовои температуры воздуха на территории СЗР.

Тренд в температуре воздуха в Санкт-Петербурге за рассматривае-мыи период очень близок к среднеи оценке тренда по региону и составляет Тг = 0,36 °С/10 лет, в результате чего температура повысилась на 2,2 °С. Данные по температуре воздуха получены с метеостанции на Аптекарском острове Петроград-

скои стороны [3]. С учетом интенсивного развития города в XX в. можно ожидать, что эффект урбанизации скажется на росте величины тренда. На первыи взгляд, учитывая почти равные оценки тренда в СПб и на близлежащих станциях этот эффект должен быть малым. Тем не менее, была выполнена дополнительная проверка [6], суть которои состояла в том, что рассчитывались разности годовых значении температуры в СПб. и трех близлежащих станции (Выборг, Белогорка, о. Гогланд) с последующим аппроксимациеи полученных разностеи линеиным трендом. Если урбанизация не влияет на тренд в температуре воздуха, то он должен отсутствовать в рядах разностеи температур. Однако во всех чрех рядах присутствовал положительным тренд, причем наиболее ярко он был выражен только до начала 80-х гг. XX в. Далее до конца столетия тренд был незначимым, что очевидно связано с резким упадком промышленного сектора города. В текущем стчлетии тренд опять становится значимым. Средняя величина тренда усредненного временного ряда разностеи годовых значении! температуры в СПб. и трех близлежащих станции за 1950-2012 гз. составила Тг = 0,19 ТСТЮ лет, что привело к потеплению почти на 1,2 °С. Отсюда следует, что эффект урбанизации на величину тренда составил чуть более 50%. Кроме того, влияние города как очага тепла на окружающую ср еду состоит в общем повышении температуры в предылах городскои черты примерно на 1,0-1,2 оС.

Поскольку форми рова ние годовых температур складывается из сумм их положительных и отрицательных значении в течение аода, эо были выполнены соответствующие расчеты для всех станции СЗР. Вначале обратимся к рис. 2, на

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Рис. 1. Межгодовой ход среднегодовых значений температуры воздуха, полученных путем осреднения данных по 20 станциям СЗР.

155

150

145

140

135

г 130 -

125

<и 120

о 115 -

и 110

£ Т 105

100

95

90

85

80

^ V = -0,4402х + 136,09

__

--

1111111 1111

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Рис. 2. Межгодовой ход осредненного по территории СЗР числа дней с температурой воздуха ниже 0 °С.

котором представлен межгодовои ход осредненного по территории СЗР числа днеИ с температурой воздуха ниже 0. Естественно, что временной ряд числа дней с температурой выше 0 имеет полностью противоположный характер. Нетрудно видеть ярко выраженный отрицательный тренд (Тг = -0,44 дня/год), вклад котороьо в дисперсию исходного временного ряда составляет 23%. В табл. 1 приводятся также другие статистические характеристики данного временного ряда. В соответствии с трендом число дней с температурой ниже 0 °С в 1950 г. в среднем на территории СЗР

составляло 136, а к 2010 г. оно уменьшилось до 109, т.е. почти на месяц (27 дней). На столько же возросло число дней с температурой выше 0 °С. По существу начальное и конечное значение тренда отражает некоторые сред-немноголетние условия.

Кроме того, в табл. 1 дается значение критерия Пирсона показывающего степень отличия данного временного ряда от нормального распределения. При Х2>Х2кр(а,у) нулевая гипотеза о соответствии эмпирического распределения нормальному закону отвергается. Если Х2<Х2 (а/у), то у нас уже нет оснований отвергать нулевую гипотезу о соответствии эмпирического распределения нормальному зако ну. Критическое значение Х2 при уровне значимости а = 0.05 равно Х2Кр(а,у) = 12,6.

Отметим, что величина тренда числа даней с температурой воздуха ниже (выше) 0 °С довольно существенно варьирует по террттории. Больше всего уменьшилось число дней с температурой ниже 0 °С на ст. Великие Луки (40 дней), меньше всего - на

Таблица 1

Статистические характеристики различных временных рядов, осредненных для территории СЗР, за период 1950-2010 гг.

Параметр Средн. знач. Тренд (Тг) Коэф-т детерминации, Я2 Начальное значение Тг конечное значение Тг АТг Критерий Пирсона, X2

Среднегодовая температура 4,2 0,034 °С/год 0,31 3,2 °С 5,2 °С 2,0°С 16,3

Максимальная температура 29,9 0,038 °С/год 0,15 28,7 °С 31,0 °С 2,3°С 5,31

Минимальная температура -29,9 0,004 °С/год 0,00 -30,1 °С -29,9 °С 0,2°С 6,0

Полож. ср-сут. темп-ра 10,0 0,004 °С/год 0,01 9,9 °С 10.1 °С 0,2°С 6.0

Отриц. ср-сут. темп-ра -7,6 0,017 °С/год 0,04 -8,1 °С -7.0 °С 1,1°С 10,4

Число дней с темп-рой возд. ниже 0°С 122,2 -0,44 дней/год 0,23 136 дней 109.2 дней 26.8 дней 10,5

Последний переход темп-ры ч/з 0° весной 90,2 -0,192 дней/год 0,06 97,6 дней 86 дней 11,6 дней 11,2

Последний переход темп-ры ч/з 0°осенью 332,1 0,091 дней/год 0,07 316,6 дней 322,2 дней 5,6 дней 5,6

Последний переход темп-ры ч/з 5° весной 114,4 -0,113 дней/год 0,01 117,9 дней 111,0 дней 6,9 дней 7,3

Последний переход темп-ры ч/з 5° осенью 303,6 -0,066 дней/год 0,01 296,4 дней 291,9 дней 4,5 дней 15,6

ст. Тихвин (8 днеи). Также заметно варьирует и корреляция осредненного временного ряда с рядами на отдельных станциях (г = 0,56-0,97).

На рис. 3 приводится межгодовои ход осредненных для территории СЗР сумм отрицательных и положительных значении среднесуточнои температуры в течение календарного года, деленных на число днеи с соответствующеи температурои, т.е. (£Т < 0) / N и (£Т > 0) / N2, причем N1 + N = 365. Из рис. 3 видно, что тренд своиствен только для временного ряда с отрицательнои среднесуточнои температу-рои воздуха: значения (£Т < 0) / N уменьшаются со скоростью Тг = 0,17 °С/10 лет.

12 11,5 11 10,5 . 10 9,5  9 : 8,5

7,5 7

5,5 с

, Т>0 = 0,0041х+ 9,8965 I Л [1 / \ 1 1

_1_

А_А А л Л

п п ' /\ \ Гч 1 V \

Ч ш Кч1 М А/ ^ / 1 А/ л

УД/ < м и 1,' V т

11 _____£ ТГ^ / 1—1—1_1 т 1 1 'ь 'Т

1-1 _. ГШ_ 1 -1-1 -

1X1 м/и С Т<0 = 0,0173* 8дг !

«с'5 у 1

--1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

- сум.>0/И

- сум.«О/И

Рис. 3. Межгодовой ход осредненных для территории СЗР сумм положительных и отрицательных (взятых по абсолютной величине) значений среднесуточной температуры в течение календарного года, (деленных -на число дней с соответствующей температурой.

38 36 34

и

0

-г 32 Ё

Ьзо

Г0 О.

£ 28

о.

<и

1 26 г

24

22 20

1 i Тт|п = 0,0049х - 30,036 I м

1 « д \ А Л Г\ \ / 1 1

\| 1 * \ I 1х\ т" 1 \11 V \ У Л гк\ 1 ч\] А л; ичд /К 1'

_ Г. 14 Л»/ / \П К/ \/ I / 1 \У \ ч /

/ \1 1 1 V , ,, ,

_ Тл,а<= 0,0374х +23,716

I

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Рис. 4.

ных и

Межгодовой ход осредненных для территории СЗР положитель-отрицательных экстремумов значений температуры воздуха за календарный го д.

Так, если в 1950 г. средняя отрицательная температура составляла -8,1 °С, то в 2010 г. она стала -7,0 оС, т.е. уменьшилась на 1,1 °С (табл. 1).

Что касается положительнои среднесу-точнои температуры воздуха, то она изменилась лишь от 9,9 °С, до 10,1 °С. Это означает, что потепление в СЗР почти полностью обусловлено уменьшением отрицательнои среднесуточнои температуры воздуха, нежели увеличением ее положительных значении. Хотя пространственная дифференциация трендов значении (£Т < 0) / N по территории СЗР мала, однако размах колебании среднесуточнои отрицательнои температуры от 1950 г. к 2010 г. меняется в довольно широких пределах.

С практическои точки зрения представляет интерес оценка межгодовых колебании экстремумов температуры воздуха [8], т.е. ее максимальных и минимальных абсолютных значении за календар-ныи год, которые были рассчитаны для 20 станции и на рис. 4 дается их временнои ход. Нетрудно видеть, что отмечается четкая тенденция к повышению экстремумов положительной температуры. Если в 1950 г. наиболее высокая температура была равной 28,7 °С, то в 2010 г. она стала 31,0 °С, т.е. возросла на 2,3 °С. При этом межгодовой разброс положительных экстремумов составляет 9,8 °С. что касается дат их наступления, то их межгодовая изменчивость меняется в довольно широком диапазоне: от конца 1 декады июня до конца 1 декады августа, т.е. в тече-

-5

-5,5 -6 -6,5 -7

-7,5 -8 -8,5

-9 -9,5 -1С -10,5 11

-34

-36

-38

ние двух месяцев. При этом в 2010 г. экстремальная температура стала отмечаться позже на 5,6 дней. Для отрицательных экстремумов температуры (рис. 4) тренд практически отсутствует. Ее среднее значение равно -30 °С. Диапазон изменчивости отрицательных экстремумов более, чем в полтора раза выше и составляет 15,6 °С.

Отметим, что пространственная изменчивость экстремумов температуры в пределах СЗР довольно значительна. Например, в Санкт-Петербурге отмечается четкая тенденция к повышению температуры отрицательных экстремумов. Если в 1950 г. наиболее низкая температура была равной -27,4 °С, то в 2012 г. она стала -22,5 °С, т.е. выросла на 4,9 °С [6]. Рост положительных экстремумов температуры в городе близок к средней оценке по СЗР.

Весьма важной является оценка перехода среднесуточной температуры через ноль, который разграничивает холодный и теплый периоды года. Очевидно, для СЗР

140

120

_ 110 о 100

80

60

I N(5°) = -0Д133Х+ 117,92

11 А Л \ Л к Л л л А

г V А л А у Г\ Г / V ¡у. =г 1

А 1 \ 1

N(0°) =-0,2096х +96,779 \

а)

1950 1955 1960 1965 1970 1975 -переходы через 0 весна

360

350

340

330

— 320

га

сС

0 310

1 300 =1

290 280 270 260

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

б)

-переходы через 0 осень ---переходы через 5 осень

Рис. 5. Межгодовой ход осредненных для территории СЗР последних переходов температуры воздуха, через 0 и 5 °С весной (а) и осенью (б).

весенний переход температуры через ноль следует считать началом гидрологической весны. Существуют различные способы оценки даты устойчивого перехода температуры через ноль [3; 6; 9]. В данной работе выбиралась дата последнего отрицательного значения температуры воздуха весной и первого - осенью [6]. На рис. 5 приводится их межгодовой ход. Нетрудно видеть, что отмечается заметный сдвиг перехода через ноль весной в сторону зимнего периода: с 8 апреля на 27 марта, т.е. на 12 дней. Осенью сдвиг перехода через нолт тоже в сторону зимы роставляер Э суток. (Следовательно, холодный период сократился, а теплый соответственно увеличился на 17 дней. Нетрудно видеть существенное различие в продолжительности холодного периода и числа дней с температурой воздуха ниже 0 °С. Очевидно, это связано с числом сильных оттепелей в зимний период, когда среднесуточная температура поднимается выше нуля. Как следует из табл. 1, число дней с

сильной оттепелью увеличилось с 10 дней в 1950 г. до 20 дней в 2010 году, т.е. в 2 раза.

Одновременно на рис. 5 представлено распределение дат последнего перехода температуры 5 °С весной и осенью, которое свидетельствует о начале и конце вегетационного периода. Весной вегетационный период в последние годы наступает раньше на 7 дней, однако осенью он сокращается на 4,5 суток, т.е. увеличивается всего на 2,5 суток. Таким образом, заметно повышается продолжительность «осеннего» периода, т.е. промежутка времени с температурой между нулем и 5 °С, с 20 дней в 1950 году до 30 дней в 2010 году.

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 ---переходы через 5 весна

о О

Выводы. Итак, начиная со второй по- т.е. на 17 дней, а холодный соответствен-

ловины 20-го столетия, в северо-запад- но уменьшился со 146 до 129 дней. Тогда

ном районе России наблюдается весьма с учетом числа дней с температурой воз-

интенсивное потепление, превышающее духа ниже 0 °С получаем, что число дней с

рост температуры северного полуша- сильной оттепелью увеличилось с 10 дней

рия примерно в 2 раза, которое связано в 1950 г. до 20 дней в 2010 г., т.е. в 2 раза.

преимущественно с атмосферными ус- Продолжительность вегетационного се-

ловиями холодного периода года. В час- зона изменилась незначительно. Если

тности, среднесуточная отрицательная весной последний переход температуры

температура уменьшилась на 1,1°С, в то через 5 °С сместился на 7 дней в сторо-

время как среднесуточная положитель- ну холодного периода, то осенью, наобо-

ная температура возросла лишь на 0,2 °С. рот, на 4,5 дня в сторону лета. В резуль-

Последний переход температуры через тате он увеличился лишь на 2,5 дня. В

ноль весной, означающий приход весны, результате продолжительность осенне-

отмечается в настоящее время на 11,6 го периода с 20 дней в 1950 г. до 30 дней

дня позже 1950 г. В результате теплый в 2010 г. Что касается экстремальных зна-

период, понимаемый как разность меж- чений температуры воздуха, то положи-

ду последним переходом температуры тельные экстремумы выросли на 2,3 °С, в

через ноль весной и осенью, увеличился то время как отрицательные экстремумы

с 219 дней в 1950 г. до 236 дней в 2010 г., остались неизменными (-30 °С).

Список литературы:

[1] Бардин М. Ю. Изменчивость температуры воздуха над западными территориями России и сопредельными странами в ХХ веке // Метеорология и гидрология. - 2002, № 8. - С. 5-23.

[2] Гинзбург А.С., Рубинштейн К.Г., Котилевская А.М. Климатические тренды температуры и осадков в Московском регионе в ХХ веке // Глобальные изменения климата и их последствия для России / Под ред. Г.С. Голицына, Ю.А. Израэля. - М.: Региональная общественная организация ученых по проблемам прикладной геофизики, 2002. - С. 174-194.

[3] Карлин Л.Н., Ефимова Ю.В., Никифоров А.В. Некоторые климатические характеристики Санкт-Петербурга в эпоху глобального потепления // Ученые записки РГГМУ. - 2005, № 1. - С. 22-29.

[4] Климат Санкт-Петербурга и его изменения / Под ред. В.П.Мелешко и др. - СПб.: ГУ Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, 2010. - 255 с.

[5] Крышнякова О.С., Малинин В.Н. Тренды в колебаниях температуры воздуха и осадках на Европейской территории России // Известия Рос. геогр. об-ва. Т. 141. - 2009, вып. 2. - С. 23-30.

[6] Крышнякова О.С., Малинин В.Н. Особенности потепления климата Европейской территории России в современных условиях // Общество. Среда. Развитие. - 2008, № 2. - С. 115-124.

[7] Малинин В.Н., Гордеева С.М., Гурьянов Д.А. Особенности температурного режима Санкт-Петербурга в современный период // Нерешенные проблемы климатологии и экологии мегаполисов. Материалы конференции (20 марта 2013 г., Санкт-Петербург) / Отв. ред. К.В. Чистяков, Г.В. Менжулин. - СПб., 2013. - С. 43-46.

[8] Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т.1. Изменения климата / С.М. Семёнов [и др.].- М.: Росгидромет, 2008. - 227 с.

[9] Платова Т.В. Годовые экстремумы температуры воздуха на территории РФ и их климатические изменения // Метеорология и гидрология. - 2008, № 11. - С. 80-84.

[10] Садоков В.П., Козельцева В.Ф., Кузнецова Н.Н. Определение весенних дат устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через 0, +5 оС, их прогноз оценка // Труды гидрометеорологического НИЦ РФ / Под. ред. д-ра физ.-мат. наук М.А. Толстых. Вып. 348. - М., 2012. - С. 144-152.

[11] Угрюмов А.И., Харькова Н.В. Современные изменения климата Санкт-Петербурга и колебания циркуляции атмосферы // Метеорология и гидрология. - 2008, № 1. - С. 24-30.

[12] Российский гидрометеорологический портал: ВНИИГМИ-МЦД. - Интернет-ресурс. Режим доступа: http://www.meteo.ru/, для зарегистрированных пользователей. - На русском языке.

[13] IPCC. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report Climate Change 2007 / Eds. L.Bernstein. et al. - Cambridge. New York: Cambridge University, 2007. - 940 р.