Изменения климата Восточной Европы за последние 250 лет по инструментальным данным

УДК 551.583.7:551.794

Е.А. Газина, В.В. Клименко

ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА ВОСТОЧНОЙ ЕВРОПЫ ЗА ПОСЛЕДНИЕ 250 ЛЕТ ПО ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

Введение. В последние десятилетия значительно возрос интерес к изучению климата прошлого. Это обусловлено целым рядом причин. Наиболее очевидная из них заключается в том, что без знания закономерностей изменчивости климата в прошлом невозможно предсказать климатические условия будущего. В условиях современного мира, когда климат на планете подвержен стремительным изменениям, вполне объяснимо желание узнать, что ждет нас в ближайшем будущем.

Данные систематических наблюдений за изменениями климата показывают, что среднегодовая глобальная температура последнего десятилетия (1997— 2006) более чем на 0,7°С превосходит температуру конца XIX в. [12]. Отметим, что изменения климата происходят по-разному в разных районах земного шара. Поэтому важно знать закономерности изменения регионального климата.

Во всем мире разрабатываются многочисленные модели климата, которые дают весьма противоречивые оценки будущих изменений, благодаря этому все больше возрастает интерес к данным непосредственных наблюдений за метеорологическими величинами. Наибольшую ценность имеют многолетние однородные ряды инструментальных данных о температуре приземного слоя воздуха, поскольку этот параметр тесно связан с температурой земной поверхности, а следовательно, и с длинноволновой частью общего радиационного баланса в приземном слое.

Европа — единственный континент с большим числом станций, ведущих наблюдения свыше 200 лет. Большинство этих станций расположено в Центральной и Западной Европе, и их данные являются предметом постоянного научного интереса [14]. В Восточной Европе, занимающей по площади более половины континента, имеются лишь четыре станции, ведущие почти непрерывные наблюдения с середины или конца XVIII в.: Санкт-Петербург (с 1743 г.), Вильнюс (с 1777 г.), Москва (с 1779 г.) и Рига (с 1795 г.). Тем более странно, что эти данные уже давно не подвергались систематическому изучению, в том числе с помощью современных методов гармонического и спектрального анализа. Настоящая работа призвана в известной мере восполнить этот пробел.

Данные инструментальных наблюдений. Чтобы в максимальной мере преодолеть дефицит количественной информации для вышеперечисленных станций, мы использовали несколько источников. В качестве основного источника инструментальных данных был выбран наиболее полный международный архив наблюдений за температурой приземного воздуха [3], содержащий средние месячные данные с 1697 г., в

том числе результаты метеорологических измерений на исследуемых станциях. Для заполнения имеющихся в этой базе данных многочисленных пропусков подробнейшим образом были изучены исторические очерки [1, 2, 7, 19], в которых собраны ежемесячные (а в некоторых даже и ежедневные!) данные о температуре приземного воздуха. Исследованные нами температурные ряды представлены на рис. 1.

Генеральные тенденции. В таблице приведены значения коэффициента наклона линейных трендов годовых и сезонных значений температуры, коэффициенты статистически значимых на 95%-м уровне трендов выделены жирным шрифтом. Как видно из данных таблицы, линейные тренды на территории Восточной Европы за прошедшие 200 лет в зимний, весенний, осенний сезоны и в среднем за год свидетельствуют о явно выраженной тенденции к повышению температуры. В максимальной степени этот эффект выражен для Москвы, что в значительной мере может быть связано с влиянием так называемого городского острова тепла, в минимальной — для Вильнюса, где формальный линейный тренд за все время наблюдений практически равен нулю. Интересно, что на всех станциях в течение XIX в. климат испытывал явную тенденцию к похолоданию, а в Москве и Санкт-Петербурге при этом были достигнуты абсолютные минимумы средневековой температуры. На это обращали внимание авторы ранних исследований климата России, выполненных в середине и конце

XIX в. [1, 2, 4, 7, 19], где указывается, что в этот период, который ныне квалифицируется как "малая ледниковая эпоха", на территории Центральной России возросло число холодных зим, а в летнее время года сократилось количество теплых событий по сравнению с предыдущими и последующими эпохами. До этого момента наиболее выдающимися холодными эпизодами следует считать 1780-е и 1800-е гг., когда на всех станциях отмечалось синхронное и существенное снижение температуры (рис. 1).

Современный этап истории климата характеризуется значительным потеплением. Анализ изменения термического режима для исследуемых станций (таблица) ясно указывает на повсеместное потепление, первые признаки которого обнаружились еще в начале XX в., но которое имеет разную степень интенсивности, нарастающую с увеличением континентальное™ климата. Главной особенностью современных климатических изменений является ярко выраженный рост температуры в конце XX в. Начиная с 50-х г.

XX в. среднегодовая температура в Москве, Санкт-Петербурге и Риге выросла в среднем на 1,7°С (в Вильнюсе на 1,2°С), и, по сути, весь рост температу-

Рис. 1. Аномалии среднегодовой температуры (от средней за 1951 — 1980 гг.) на четырех станциях Восточной Европы за последние 250 лет: 1 — ежегодные значения; 2 — 10-летние средние; 3 — 30-летние средние

Значения коэффициента наклона линейных трендов годовых и сезонных температур для различных периодов наблюдений, °С/год

Станция Период наблюдений

1801-2006 1801-1900 1901-2006 1951-2006

Годовая температура

Москва 0,0081 -0,0083 0,0232 0,0300

Санкт-Петербург 0,0035 -0,0044 0,0157 0,0326

Рига 0,0018 -0,0043 0,0113 0,0312

Вильнюс -0,0011 -0,0005 0,0046 0,0213

Зимняя температура

Москва 0,0155 -0,0242 0,0330 0,0577

Санкт-Петербург 0,0093 0,0014 0,0197 0,0487

Рига 0,0082 0,0087 0,0152 0,0492

Вильнюс 0,0042 0,0081 0,0082 0,0363

Весенняя температура

Москва 0,0071 -0,0286 0,0269 0,0268

Санкт-Петербург 0,0062 -0,0062 0,0162 0,0318

Рига 0,0053 0,0010 0,0146 0,0498

Вильнюс 0,0002 -0,0024 0,0019 0,0292

Летняя температура

Москва -0,0010 -0,0134 0,0143 0,0049

Санкт-Петербург -0,0035 -0,0151 0,0115 0,0181

Рига -0,0025 -0,0039 0,0102 0,0292

Вильнюс -0,0078 -0,0043 0,0014 -0,0018

Осенняя температура

Москва 0,0061 -0,0062 0,0171 0,0257

Санкт-Петербург 0,0013 -0,0043 0,0140 0,0258

Рига 0,0010 -0,0060 0,0103 0,0131

Вильнюс 0,0012 -0,0004 0,0109 0,0100

ры за истекшие два с половиной столетия достигнут именно в последние 60 лет. При этом повышение годовой температуры происходит в основном за счет значительного потепления зимы и весны.

Весьма неожиданным оказался тот факт, что на всех четырех станциях зафиксирован отрицательный тренд летней температуры. За последние два века сильнее всего лето похолодало в Вильнюсе — на 1,6°С. В Санкт-Петербурге 200 лет назад температура летом была на 0,7°С, в Риге на 0,5°С, а в Москве всего на 0,2°С выше современной1. Таким образом, можно говорить о том, что летом на территории Восточной Европы эффект глобального потепления как будто не проявляется. Совсем по-другому обстоит дело в Западной Европе, где по данным наблюдений, 4 года из последних 15 лет входят в десятку самых теплых за прошедшие 500 лет [17]. Возможно, это существенное расхождение связано с несколькими причинами. Во-первых, Западная Европа, в отличие от Восточной, в гораздо меньшей степени подвержена арктическим вторжениям. Другой важной причиной, на наш взгляд, является то, что в последние 30—35 лет в Центральной и Западной Европе произошло существенное сокращение промышленных выбросов серы в атмосферу [8] и соответствующее снижение концентраций тропосферного сульфатного

аэрозоля, наиболее эффективно способствующего снижению температуры именно в летнее время года. Наконец, напомним, что приход летней солнечной радиации в высоких широтах неуклонно снижается в течение всего позднего голоцена [10].

По расчетам, выполненным нами на регрессионно-аналитической модели климата (РАМК) НИЛ ГПЭ [5], к 2050 г. температура воздуха в Московском регионе станет примерно на 0,7°С выше современной. Однако из-за влияния городского острова тепла темп роста температуры собственно в Москве будет заметно выше (0,3—0,4°С за десятилетие) по сравнению с "фоновыми" станциями региона (0,2°С за десятилетие), и, следовательно, можно ожидать, что к 2050 г. температура в Москве увеличится не менее чем на 1,2°С. В Санкт-Петербурге и прибалтийских городах в следующие 40 лет ожидаемый температурный рост составит около 0,8°С, т.е. на всех станциях будут значительно превышены максимальные отметки, зафиксированные в течение прошедших двух с половиной столетий. С другой стороны, это означает, что в Восточной Европе скорость потепления останется примерно на том же уровне или будет даже несколько ниже, чем в предыдущие 60 лет. Мы не видим причин для беспрецедентно быстрого потепления в ближайшие десятилетия.

Спектральный анализ температурных рядов. Известно, что успех применения спектрального анализа в значительной мере зависит от того, насколько корректно из начального временного ряда удален долгопериодный тренд. Вместо обычно используемых и достаточно произвольных линейного и полиномиального трендов мы выбрали региональный тренд, который рассчитывался с помощью регрессионно-аналитической модели климата, разработанной в научно-исследовательской лаборатории глобальных проблем энергетики (НИЛ ГПЭ) МЭИ [5]. Этот тренд представляет собой отклик модели на изменение основных глобальных климатических факторов — концентрации парниковых газов и тропосферных аэрозолей, а также вулканической и солнечной активности. Кроме того, из московского температурного ряда удалялся также так называемый тренд мегаполиса, который проявляется в существенном и неуклонном росте температуры в течение последнего столетия, что, очевидно, связано с увеличением численности населения города и соответственно с повышением выделения антропогенного тепла (рис. 1). Визуальное сравнение всех четырех хронологий температуры показывает, что эффект городского "острова тепла" едва выражен в Санкт-Петербурге и совершенно отсутствует в Риге и Вильнюсе, где численность населения меньше. Чтобы удалить тренд мегаполиса из московских данных, последние сравнивались с данными близко расположенных станций малых городов (Калуга, Владимир, Иваново и т.д.), которые можно считать фоновыми для данного региона. Оставшиеся после удаления

1 Под современной здесь понимается средняя температура последнего десятилетия (1997—2006).

трендов временные ряды описывают в основном ко-роткопериодные колебания аномалий среднегодовой температуры воздуха и характеризуются наличием разномасштабной цикличности. Для исследования скрытых периодичностей в температурных рядах существует множество различных методов, однако каждый из них имеет ограниченную область применения. Мы использовали два вида спектрального анализа — анализ, основанный на преобразовании Фурье, и метод максимальной энтропии (в последнем случае размерность метода в соответствии с рекомендациями и собственным опытом авторов выбиралась равной 1/4 длины исходного ряда).

При всех известных достоинствах вышеуказанных методов они обладают и определенными недостатками: метод максимальной энтропии иногда дает ложные пики в спектрограмме, что может повлечь за собой неверную интерпретацию событий, связанных с периодами потепления или похолодания в исследуемом регионе. Метод преобразования Фурье имеет плохую разрешающую способность в низкочастотной области спектра. Существенным минусом обоих методов является и то, что может быть получена информация о характерных частотах и интенсивности для исследуемого процесса, но не о временной локализации.

Отметим, что для каждой станции спектральный анализ проводился не только для целого ряда среднегодовых температурных данных, но и с вариациями начальной точки ряда в диапазоне 1800—1900 гг. Эта процедура была использована для определения природы тех или иных изменений климата, а также для изучения влияния внешних факторов на климатическую систему, их динамику в течение достаточно длительного промежутка времени.

Результаты применения различных методов спектрального анализа к каждому исходному ряду температурных остатков показали, что все изучаемые ряды содержат достаточно большой набор разнопери-одных гармоник, которые представлены отдельными максимумами и в той или иной степени присутствуют как в целом ряде, так и в его частях. Отметим, что спектрограммы, полученные методом максимальной энтропии, практически полностью совпадают со спектрами, которые были выявлены с помощью быстрого преобразования Фурье. Однако спектральная мощность одних и тех же гармоник на разных промежутках времени заметно различается.

На рис. 2 представлена сводная картина спектрального анализа всех исследуемых температурных рядов. Наиболее устойчивые ритмы имеют периоды в 4,6; 5,8; 7,8 и 12,6 года и проявляются на протяжении всего ряда инструментальных данных на всех станциях. Определенное "сгущение" спектральной плотности наблюдается также в диапазоне 18—24 года, что позволяет говорить о существовании квазидвадцатилетнего климатического ритма. Никаких устойчивых мультидекадных ритмов в рядах остатков мы не обнаружили. Все указанные циклы, за исключением 12,6

года, имеют весьма точные аналоги в длинных температурных рядах для Англии [9], Нидерландов [18], Германии [16], Финляндии [17] и, таким образом, являются, вероятно, универсальным атрибутом европейского климата на протяжении многих столетий.

Изменения климата являются проявлением двух принципиальных эффектов: первый — это внутренняя изменчивость, когда флуктуации спонтанно возникают внутри самой климатической системы; второй — изменения климата как отклик на вариации внешних факторов, причем в реальных условиях реакция системы на внешние изменения может регулироваться внутренними механизмами.

На погодные и климатические особенности Восточной Европы значительно влияют квазипериодические процессы в Атлантическом океане, в частности Северо-Атлантическое колебание (NAO). Его положительная фаза (NAO+) характеризуется существованием глубокой ложбины над Северной Атлантикой в сочетании с хорошо выраженным субтропическим Азорским антициклоном, что усиливает западный перенос. Уменьшение индекса (NAO-) означает слабость обоих центров действия и ослабление циркуляции над Восточной Атлантикой.

На рис. 3 приведен спектр инструментального ряда индекса NAO по данным [13], который обнаруживает поразительное сходство со спектром среднегодовой температуры. В самом деле, за исключением области периодов в 12—13 лет, все остальные значительные спектральные пики обоих рядов в диапазоне 4—30 лет совпадают, что является веским аргументом в пользу доминирующей роли Северо-Атлантического колебания в формировании декадных и субдекадных климатических колебаний в Восточной Европе. За колебания климата в масштабах времени от десятков до сотен лет ответствен уже другой набор внешних факторов.

Первый и самый главный — солнечная активность. За солнечной активностью следует вторая группа внешних факторов (как естественных, так и антропогенных), которые отвечают за оптические свойства атмосферы. Изменения прозрачности связаны с изменением содержания в атмосфере оптически активных веществ, таких, как водяной пар, озон и аэрозоли, С02, СН4, N20 и фреоны, т.е. субстанций, определяющих ее оптическую толщину. В современную эпоху все вышеперечисленные вещества попадают в воздушную оболочку Земли в основном в результате деятельности человека. Однако не стоит забывать и о естественных процессах, в результате которых частицы различных веществ оказываются в атмосфере.

Хорошо известным примером механизма такого рода являются мощные вулканические извержения взрывного типа, при которых происходит выброс продуктов извержения в стратосферу. Образующиеся при этом облака серосодержащих аэрозолей, покрывающие весь земной шар, способны эффективно влиять на баланс солнечной радиации за счет увеличения

х, лет

90

80

70 ' 6050

40

30.

20-. Á

♦

4 х

♦ ш А

22

12,6

7,8

5,7 4,6

10 9 ' 8 7 6

♦

Ч—

Al АХ

♦ ИАЖ

»1 X

♦ АХ

« 'Ах

-А*

♦  А х

t IX

+ и А X 4

5 4

3 +

* х

á'á

♦ Москва  Санкт-Петербург А Рига X Вильнюс

1800

1820

1840 Годы

1860

1880

1900

Рис. 2. Главные периоды, обнаруженные в температурных рядах методом максимальной энтропии,

в зависимости от выбора

планетарного альбедо. Климатические эффекты обусловлены именно изменением радиационных свойств стратосферы, потому что попавшие в нее вещества могут находиться там длительное время, ПОСКОЛЬКу их выведение осуществляется довольно медленными процессами оседания или вертикальной диффузии. Анализируя кислотность минеральных веществ, включенных в ледниковые керны разного возраста, можно не только восстановить хронологию КруПных вулканических извержений, но и определить их мощность, а затем и изменение оптической толщины атмосферы.

Проведенный кросскорреляционный анализ длинных температурных рядов с восстановленными рядами NAO [13], чисел Вольфа, индекса кислотности гренландских льдов и суммарным радиационным форсингом (GHG) показал следующее.

В ранний период наблюдений наиболее сильное влияние на температуру в приземном слое воздуха оказывал единственный фактор — индекс Северо-Атлантического колебания. Коэффициент корреляции между двумя этими величинами составляет не менее 0,25—0,30 для всех исследуемых станций и соответстВует 95%-му уровню значимости.

Во второй половине периода инструментальных наблюдений, как и следовало ожидать, резко увеличивается роль парниковых газов. Самое большое вли-

яние они оказывают на температуру в Москве и Вильнюсе (коэффициент корреляции равен 0,59), а самое незначительное — в Риге (коэффициент корреляции не превышает 0,38). На станциях, расположенных ближе к морскому побережью (Рига, Санкт-Петербург, Вильнюс), заметно увеличивается роль индекса NAO в изменении температуры (самый значительный коэффициент корреляции отмечен для Риги, где он составляет 0,57). В целом в период наиболее надежных наблюдений (после 1880 г.) только эти два фактора объясняют 57% климатической изменчивости для Москвы и Вильнюса и 77% (в среднем) для Риги и Санкт-Петербурга.

Влияние солнечной активности на климат Восточной Европы относительно невелико; по нашим оценкам, максимальный температурный сигнал, вызванный влиянием этого фактора за последние 200 лет и рассчитанный как разность между максимальным и минимальным значениями соответствующего отклика РАМК, не превышал 0,20—0,25°С для Москвы и Прибалтики соответственно. В результате крупных вулканических извержений среднегодовая температура в Московском регионе увеличивалась на фоне заметного глобального похолодания. Этот парадокс объясняется сильным увеличением зимней температуры из-за резкого усиления западной циркуляции [11]. Максимальный температурный сигнал до-

Мощность спектра 4,5

3,5 3 2,5 2 1,5

0,5 0

1 NAO Санкт-Петербург

---Вильню

i

ц i

 i   i И. *Д

Я Iii 11  Я 1 1

я Iii Iii f 1 1 i А

V /' VV '* -X^jf VI/ % \ /' \[\>v „  1 * \ . * m ш % •* t X * m m

4,5

3,5 3 2,5

1,5

0,5 О

7

Годы

10

12 14 16 20

30

Рис.

3. Опенка спектра температурного ряда по станциям в Вильнюсе и Санкт-Петербурге и ряда индекса

Северо-Атлантического колебания

стигает 0,4°С. В Прибалтике, где радиационные эффекты, по-видимому, преобладают над циркуляционными, температура в результате вулканических извержений снижается, но не слишком заметно (до 0,5— 0,6°С после исключительно сильных извержений, таких вулканов, как Тамбора (1815), Кракатау (1883) или Пинатубо (1991)). Таким образом, вулканическая активность продолжает играть существенную роль в формировании субдекадной изменчивости.

Выводы. 1. Выявлено увеличение среднегодовой температуры воздуха для всех исследуемых станций на протяжении 200 лет. При этом максимальный рост температуры (до 3°С) отмечается в зимнее время года. В отличие от западной части континента за истекшие два столетия летняя температура на территории Восточной Европы не только не возросла, но даже заметно снизились.

2. На всех станциях Восточной Европы с продолжительными рядами наблюдений регистрируются устойчивые температурные ритмы с периодами 4,6; 5,8; 7,8; 12,6 и приблизительно 22 года, что полностью соответствует спектру индекса Северо-Атлантического колебания за этот же промежуток времени.

3. Физико-химический состав атмосферы (концентрация парниковых газов и тропосферного аэрозоля) является единственным фактором, заметно влияющим на климат Восточной Европы в декадном и вековом масштабах времени. Наблюдаются видимые связи изменения температуры с вулканической активностью в субдекадном и с солнечной в декадном диапазонах, однако влияние солнечной активности в современную эпоху носит второстепенный характер.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Веселовский КС. О климате России. СПб., 1857.

2. Вильд Г.И. О температуре воздуха в Российской империи. СПб., 1883.

3. Воейков А.И. К вопросу о колебании климата // Воейков А.И. Избр. соч. М.; JL, 1948.

4. Клименко В. В., Микушина О.В. История и прогноз изменений климата в бассейне Баренцева и Карского морей // Воейков А.И. Геоэкология. Инж. геология. Гидрогеология. Геокриология. 2005. № 1. С. 43—49.

5. Кобак K.M., Кондрашова И. К)., Пугина K.M. и др. Анализ многолетних метеорологических наблюдений в Се-

веро-Западном регионе России // Метеорология и гидрология. 1999. № 1. С. 30-38.

6. Купфер А.Я. Выводы из метеорологических наблюдений, деланных в Российском государстве и хранящихся в Метеорологическом архиве Академии наук. СПб., 1846.

7. Терешин А.Г., Клименко В.В. Промышленные выбросы окислов серы в атмосферу в 1950—1995 гг. Глобальная оценка//Хим. и нефтегазовое машиностроение. 1999. № 3. С. 34-37.

8. Веппег Т.С. Central England temperatures: long-term variability and teleconnections // Intern. J. of Climatology. 1999. Vol. 19, N 4. P. 391-403.

9. Berger A., Loutre M.F. Insolation values for the climate of the last 10 million of years // Quat. Sci. Rev. 1991. Vol. 10. P. 297-317.

10. Global Historical Climatology Network (vers. 2). Asheville NC, USA: NOAA/NCDC, 2007 (http:// www.ncdc. noaa.gov/oa/climate/ghcn-monthly/index. php).

11. Groisman P. Ya. Possible regional climate consequences of the Pinatubo eruption: an empirical approach // Geoph. Res. Lett. 1992. Vol. 19, N 15. P. 1603-1606.

12. Jones P. Global Temperature Record // Climatic Research Unit Information sheet N 1. Norwich, UK: CRU, 2008 (http://www.cru.uea.ac.uk/cru/info/warming/).

13. Hurrell J.W. Decadal trends in the North Atlantic Oscillation: regional temperatures and precipitation // Science. 1995. Vol. 269, N 5224. P. 676-679.

14. Jones P.D., Bradley R.S. Climatic variations in the longest instrumental records // Climate since A. D. 1500 / Ed. by R.S. Bradley, P.D. Jones. Routledge, 1995. P. 246-268.

МЭИ, лаборатория глобальных проблем энергетики

15. Jones P.D., Lister D.H. The daily temperatures record for St. Petersburg (1743-1996) // Climatic Change. 2002. Vol. 53. P. 253-267.

16. Ogurtsov M., He lame S., Eronen M., Lindholm M. Centennial-to-millennial fluctuations in July temperatures in North Finland as recorded by timberline tree rings of Scots pine // Quat. Res. 2005. Vol. 63. P. 182-188.

17. Schönwiese C.-D., Staeger T., Trömel S. The hot summer 2003 in Germany. Some preliminary results of a statistical time series analysis // Meteorologische Zeitschrift. 2004. Bd. 13, N 4. S. 323-327.

18. Shabalova M.V., Engelen A.F.K van. Evaluation of a reconstruction of winter and summer temperatures in the Low Countries, AD 764-1998 11 Climatic Change. 2003. Vol. 58. P. 219-242.

19. Wahlen E. Wahre Tagesmittel und Tagliche Variation der Temperatur an 18 Stationen des Russischen Reiches // Dritter Supplementband zum Repetitorium für Meteorologie. St. Petersburg, 1886.

Поступила в редакцию 03.05.2007

E.A. Gazina, V.V. Himenko

CLIMATE CHANGES IN EAST EUROPE DURING THE LAST 250 YEARS

ACCORDING TO THE INSTRUMENTALLY OBTAINED DATA

Long series of mean annual temperature data for the meteorological stations of Moscow, St.-Petersburg, Riga and Vilnius were analyzed using the method of maximum entropy and Fourier transformations. The response of local temperatures to the changes of anthropogenic impact and variations of natural climatic factors, such as solar activity, volcanism, North-Atlantic oscillation, etc., has been studied. The forecast of regional climatic change towards 2050 is given.