Тенденции изменения климата на Алтае на фоне глобальных климатических изменений (по инструментальным и дендрохронологическим данным)

М. В. Сыромятина, И. Г. Москаленко, К. В. Чистяков

ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА НА АЛТАЕ НА ФОНЕ ГЛОБАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ

Изменения глобального климата вызывают живейший научный и общественный интерес. Всемирный масштаб этой проблемы во многом объясняется экономическими и геополитическими причинами, но, несмотря на существенное влияние изменения климата на экономику отдельных стран, часто такая масштабность, а также катастрофические последствия преувеличены [1, 2]. Изменения климата имеют различные региональные проявления и последствия и не всегда носят негативный характер. В горных условиях с этими изменениями связаны колебания баланса массы ледников, изменения режима схода лавин, динамика ландшафтов, изменения хозяйственного и рекреационного потенциала, что влияет на выбор стратегии устойчивого развития регионов.

Фактическое изменение глобального климата и его региональные особенности подтверждаются множеством данных, но вопрос о причинах, в том числе о соотношении естественного и антропогенного факторов, по-прежнему требует уточнения. Основным проявлением изменения климата является повышение среднегодовой глобальной температуры воздуха, особенно заметное с конца 1970-х годов, увеличение темпов ее роста в 1980-е и 1990-е годы. Однако на фоне этого тренда существуют отличия в изменениях температуры воздуха и других метеорологических элементов в отдельных регионах в разные сезоны года. Их изучение может дать ключ к пониманию причин изменений климата. Алтай приближен к центру Евразии и расположен на стыке нескольких климатических областей и в этом отношении представляет несомненный интерес.

Алтай по сравнению с соседними территориями характеризуется относительно малой антропогенной нагрузкой и достаточно равномерным пространственным размещением метеостанций. В регионе наблюдаются существенные различия в термическом режиме и режиме увлажненности, роли радиационного и циркуляционного факторов от сезона к сезону. Изменения климатических показателей во времени на территории Алтая в той или иной степени ранее рассматривались в некоторых работах [3-6], в том числе и с использованием дендрохронологического анализа [7]. В данной статье изменения сезонных температур воздуха и количества осадков на Алтае в ХХ в. рассматриваются на фоне изменений климата в полярных и умеренных широтах и в Северном полушарии в целом. Метеорологические данные предоставлены Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ГУ ВНИИ Гидрометеорологической Информации — Мировой центр данных). Выполненная нами реконструкция средней летней температуры воздуха за последние 400 лет получена при помощи денд-рохронологического анализа.

Степень устойчивости климатических показателей в пространстве была оценена с помощью коэффициентов корреляции между временными рядами сезонных (календарные сезоны) температур воздуха и между временными рядами сезонных сумм осадков. Средние коэффициенты корреляции между рядами сезонных температур составляют

0,82-0,85. Осадки не так устойчивы в пространстве как температуры воздуха (табл. 1).

© М. В. Сыромятина, И. Г. Москаленко, К. В. Чистяков, 2010

Таблица 1. Парные коэффициенты корреляции между временными рядами по станциям, стандартные отклонения по полученным общим временным рядам и скорости повышения сезонных температур

Средний коэффициент корреляции Стандартное отклонение Скорость повышения температуры воздуха, С/10 лет

Сезон Темпе- Коли- Температуры Количества Алтай Северное

ратуры чества воздуха, осадков, полушарие

воздуха осадков -с % 1955-2004 1975-2004 1975-2004

Зима 0,82 0,48 2,37 35 0,77 0,85 0,35

Лето 0,85 0,43 0,68 18 0,21 0,38 0,28

Весна 0,83 0,44 1,38 21 0,41 0,64 0,30

Осень 0,84 0,47 1,24 22 0,22 0,17 0,33

В качестве исходных данных использовались временные ряды продолжительностью не менее 60 лет по 14 метеостанциям Алтая, расположенным в диапазоне высот от 326 м до 2596 м и охватывающих большую территорию Алтая (рис. 1). Для каждой станции получены отклонения сезонных температур от средних многолетних за период 1940-2004 гг. значений (Д^ °С). Учитывая относительную пространственную устойчивость сезонных температур воздуха, рассчитаны средние по 14 станциям отклонения за каждый год и получены обобщенные графики (рис. 2), которые отражают изменения температуры воздуха на значительной территории региона.

Для сравнения изменения температуры воздуха на Алтае с изменением в глобальном масштабе использовались полученные аномалии сезонных температур воздуха на

Рис. 1. Схема расположения метеостанций Алтая и местоположения сбора использованных в работе дендрообразцов — Усть-Кокса (вершина) [8]:

1 — Змеиногорск; 2 — Турочак; 3 — Бийск; 4 — Кызыл-Озек; 4 — Яйлю; 6 — Чемал; 7 — Шебалино; 8 — Усть-Кан; 9 — Онгудай; 10 — Усть-Кокса; 11 — Катанда; 12 — Кара-Тюрек; 13 — Ак-Кем; 14 — Кош-Агач.

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Рис. 2. Отклонения средних сезонных (1)—зимняя, 2)—весенняя, 3)—летняя, 4)—осенняя) температур воздуха по инструментальным данным в Северном полушарии (а), в умеренных широтах (б), в полярных широтах (в), на Алтае (г).

Временные ряды сглажены по 5 — летним скользящим средним.

Алтае и аномалии температуры воздуха относительно периода 1951-1975 гг. за четыре сезона, осредненные по различным широтным зонам [9] (см. рис. 2). В Северном полушарии с начала 1970-х годов отмечается повышение температуры воздуха во все сезоны. В умеренных и высоких широтах и на региональном уровне тенденция к повышению, как правило, обнаруживается раньше: например, в полярных широтах в основном с середины 1960-х годов, а в регионе Алтая в зимний и переходные сезоны уже с середины 1950-х годов. В летний сезон положительный тренд температуры воздуха на Алтае по сравнению с его проявлением в глобальном масштабе выражен хуже, так как на него накладываются колебания температуры с большой амплитудой и с изменяющейся периодичностью [10].

Рассчитаны коэффициенты корреляции между сезонными температурами воздуха на Алтае и их широтными значениями за 70 лет и отдельно за выделенные периоды (табл. 2). Середина 1950-х и 1970-х выбраны как границы периодов по причине того,

Таблица 2. Коэффициенты корреляции между региональной

Интервал широт, ° N Сезон Коэффициенты корреляции

1940-2004 За выделенные интервалы, гг.

30-60 Зима 0,76 1940-1954 0,84

1955-1974 0,57

1975-2004 0,75

Лето 0,40 1940-1954 0,12

1955-1974 -0,19

1975-2004 0,62

Весна 0,68 1940-1954 0,75

1955-1974 0,62

1975-2004 0,69

Осень 0,58 1940-1954 0,60

1955-1974 0,24

1975-2004 0,66

60-90 Зима 0,00 1940-1954 -0,34

1955-1974 0,10

1975-2004 -0,02

Лето 0,29 1940-1954 0,50

1955-1974 -0,24

1975-2004 0,47

Весна 0,45 1940-1954 0,26

1955-1974 0,39

1975-2004 0,48

Осень 0,03 1940-1954 0,07

1955-1974 -0,07

1975-2004 0,12

0-90 N Зима 0,60 1940-1954 0,52

1955-1974 0,43

1975-2004 0,56

Лето 0,43 1940-1954 0,31

1955-1974 -0,29

1975-2004 0,66

Весна 0,54 1940-1954 0,67

1955-1974 0,37

1975-2004 0,57

Осень 0,40 1940-1954 0,46

1955-1974 0,06

1975-2004 0,42

что они являются переломными в изменении температуры воздуха на Алтае. Наибольшие коэффициенты корреляции за весь рассматриваемый отрезок времени отмечаются между температурами на Алтае и температурами в умеренных широтах и для Северного полушария в целом в зимний и весенний сезоны (см. табл. 2). В изменении средней осенней и средней летней температуры схожие тенденции отмечаются в период 19752004 гг., когда потепление охватило все полушарие и коэффициенты корреляции стали достаточно высокими.

При сравнении сезонных температур воздуха на Алтае с температурами полярных широт следует обратить внимание на зимний и осенний сезоны, когда коэффициенты корреляции близки к нулю. Изменение циркуляции в полярных широтах имеет большое значение для формирования температурного режима умеренных широт. Зимой в отдельные годы возможны вторжения арктических воздушных масс, что приводит к резкому понижению температур в рассматриваемом регионе. В работе А. А. Дмитриева [11] представлен каталог со значениями аномалий индекса высокоширотной зональности (60-80 °с. ш.) с 1949 по 1988 г. Индекс является количественной оценкой характера циркуляционных процессов в высоких широтах и рассчитывается на основе градиентов давления на участках меридианов. Отрицательные значения аномалий индекса свидетельствуют об ослабленной зональной циркуляции и усилении межширотного воздухообмена в полушарии. В зимние месяцы значения индекса интенсивности межширотного обмена, рассчитанного для 60° с. ш. [11], выше среднегодового значения, а в переходные сезоны интенсивность близка к среднегодовой. Наименьшими значениями аномалий индексов зональности в зимний сезон отличаются 1950-1952, 1970, 1977 и 1985-1986, 1994, 2001 гг. Почти все эти годы соответствуют резким похолоданиям на Алтае, когда отклонения температуры от среднемноголетнего значения составили -3,3°С (1950-1951 гг.), -3,33°С (1977 г.), -2,99°С (1985 г.), -0,67°С (1994 г.) (см. рис. 2.1 г). Но есть и нарушения в связи с этим, например, резкое похолодание на Алтае в 1969 г. не соответствует столь же низкому значению аномалии индекса.

Анализируя скорость повышения сезонных температур воздуха (см. табл. 1), можно отметить, что на Алтае наиболее интенсивно происходит повышение температуры в зимний сезон (0,77 °С/10 лет). Скорости повышения средней летней и осенней температур воздуха наиболее низкие, кроме того, в осенний сезон не происходит увеличения скорости потепления начиная с 1975 г. Учитывая данные по нескольким станциям за период с 2004 по 2008 г. [12], можно отметить снижение скорости повышения температуры воздуха на Алтае в весенний и летний сезоны с конца 1990-х годов. В зимний сезон на Алтае и в умеренных широтах в 1990-е годов и начале XXI в. скорости повышения температуры воздуха также снижаются. Тенденция к повышению средней осенней температуры повсеместно сохраняется и в последние годы.

Рассчитанные стандартные отклонения сезонных температур и количества осадков за весь период наблюдений показывают, что наиболее устойчивы во времени климатические показатели в летний сезон, наименее устойчивы — в зимний сезон (см. табл. 1).

В начальный период современного потепления климата появились прогнозы региональных изменений сезонных температур воздуха и количества атмосферных осадков, основанные на линейных связях между глобальными температурами и этими характеристиками. Согласно таким моделям [13], при повышении средней годовой температуры воздуха внеэкваториальной части Северного полушария на Алтае должно происходить значительное увеличение количества весенних осадков и некоторое увеличение осенних. Несмотря на то, что устойчивость в пространстве сезонных сумм осадков на Алтае существенно ниже, чем температуры воздуха, и велика их межгодовая изменчивость (см.

табл. 1), анализ графиков изменения сумм осадков по 14 станциям позволяет выявить общие закономерности в динамике увлажнения, характерные для региона в целом. Следует отметить, что зимой и в переходные сезоны максимум осадков фиксируется в конце 1960-х годов (зима, осень) —первой половине 1970-х годов (весна), т. е. в конце периода похолодания второй половины ХХ века, которое наиболее четко прослеживается в высоких широтах. При глобальном потеплении климата количество осадков на Алтае в указанные сезоны снижается, и, прежде всего, существенно уменьшилось количество твердых осадков в высокогорных районах Алтая. Следствием этого, по нашим наблюдениям, являются сокращение количества схода лавин и значительный подъем фирновой границы на ледниках. Причем во многих случаях ледники или полностью освободились от фирновых зон, или снежные поля проявляются на ледниках локальными пятнами в зонах наибольшей концентрации снега. Эти выводы основываются на наших наблюдениях на ледниках массива Монгун-Тайга, северных склонах Табын-Богдо-Ола и на ледниках бассейна Актру.

В летний сезон на фоне глобального потепления климата с середины 1970-х годов на Алтае отмечается незначительный положительный тренд в изменении количества осадков, который закончился в конце 1990-х годов, когда потепление на Алтае достигло максимума. В последнее десятилетие при высоком уровне летних температур и уменьшении количества осадков происходит аридизация засушливых районов Алтая, в высокогорьях идет интенсивное сокращение площадей, занятых ледниками, скорости отступания нижних краев ледников достигли максимальных значений за период мониторинговых наблюдений за их положением.

Для нахождения связи между температурой воздуха и количеством осадков за летний период были рассчитаны коэффициенты корреляции показателями для всех станций. Сравнение между собой коэффициентов корреляции показывает, что наиболее значимая обратная зависимость между этими показателями наблюдается в предгорьях

и низкогорьях Алтая, а также в долине р. Коксы (-0,40-----0,63). Для центральных

районов Алтая коэффициент корреляции снижается до уровня -0,36------0,39. Мы мо-

жем объяснить это, с одной стороны, косвенным влиянием радиационного фактора на температуру через облачность и, с другой стороны, — вторжением холодных воздушных масс из Западной Сибири, приносящих осадки летом. В районе Юго-Восточного Алтая зависимость между температурой и осадками в летний сезон не отмечается, так как здесь существенную роль в формировании летних осадков оказывает местный циклогенез, интенсивность которого во многом обусловлена уровнем температуры.

Для реконструкции климатических условий на Алтае до периода инструментальных наблюдений был проведен дендрохронологический анализ. Измерения прироста и максимальной/минимальной плотности древесных колец по дендрообразцам с нескольких местоположений около верхней границы леса в Центральном Алтае взяты из денд-рохронологической базы данных Швейцарского Федерального Института [8]. Одно из преимуществ базы данных состоит в том, что с каждого местоположения взята серия образцов (24-30), что позволяет обнаружить общий климатический сигнал, сводя к минимуму индивидуальные особенности каждого дерева.

Для исключения влияния возраста дерева на изменение ширины и плотности годичных колец проводилась стандартизация хронологий с помощью аппроксимации экспоненциальной функцией. Индексы прироста за каждый год получены путем деления реальных значений ширины колец и максимальной плотности на значения, рассчитанные по экспоненциальной зависимости [14].

Все местоположения дендрообразцов находятся несколько ниже верхней границы леса, поэтому, чтобы выделить климатический «сигнал», необходимо учитывать и фи-тоценотический фактор. Для этого обычно используется «функция среднего значения» [14]. В данной работе из индексированных индивидуальных серий получена единая хронология для каждого местоположения с помощью «двухвесовой робастной средней» (robust biweight mean) в программе ARSTAN [14-16].

Для определения степени влияния климата на радиальный прирост и плотность колец был проведен корреляционный анализ между характеристиками годичных колец и температурами воздуха и суммами осадков за инструментальный период метеонаблюдений по 14 метеостанциям в этом регионе. Корреляционный анализ показал, что максимальная плотность колец в большинстве случаев более чутко реагирует на изменение средней летней температуры воздуха по сравнению с шириной колец. Наибольший коэффициент корреляции (0,70) отмечается между дендрохронологией максимальной плотности Усть-Кокса (вершина) и средней летней температурой на близлежащей метеостанции Усть-Кокса за инструментальный период (см. рис. 1).

В результате регрессионного анализа было получено линейное уравнение статистической связи индексов максимальной плотности древесины и средней летней температуры воздуха (коэффициент регрессии статистически значим). Используя полученное уравнение, была реконструирована средняя летняя температура воздуха на Алтае с 1581 по 1994 гг. Временной ряд представлен в виде отклонений от средних многолетних значений, рассчитанных за период инструментальных наблюдений (1940-1994 г.) (рис. 3).

2

_2 I  I I I  I  I  I  I I I  I  I  I  I I I  I  I  I  I I I  I  I  I  I I

1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000

Рис. 3. Отклонения средней летней температуры воздуха на метеостанции Усть-Кокса (а — реконструкция по дендрохронологическим данным, б — по инструментальным данным).

На графике представлены 7-летнее скользящее среднее и отклонения от периода 1940-1994 гг.

Учитывая значительную пространственную устойчивость средней летней температуры воздуха на Алтае [10], по результатам данной реконструкции можно судить о тенденциях изменения средней летней температуры в регионе. На графике реконструированной средней летней температуры интервал времени до инструментального периода характеризуется в основном отрицательными аномалиями, за исключением середины XVII в., когда средний уровень температуры был близок к норме, рассчитанной за период 1940-1994 гг. Интервал с 1581 г. по начало 1870-х годов является частью «малой ледниковой эпохи» [3], характеризующейся отрицательным трендом температуры, минимальные значения которой по нашей реконструкции были достигнуты около начала

70-х годов XIX в. В этот момент средняя летняя температура была ниже современной приблизительно на 2,5 °С. И с этого же момента начинается повышение средней летней температуры на Алтае. Полученная реконструкция сравнивалась с реконструкцией температуры воздуха июня-июля для Горного Алтая за последнюю тысячу лет по хронологии ширины годичных колец Д. В. Овчинникова [7], где автор учитывает также результаты дендрохронологических исследований, осуществленных ранее на данной территории. С начала XVII в. в обеих реконструкциях наблюдается понижение температуры воздуха, которое, по данным Д. В. Овчинникова, заканчивается минимальным экстремумом в первой половине XIX в., а по нашим оценкам, как указывалось выше, около начала 70-х годов XIX в. Кроме того, в сравниваемых реконструкциях отличается время наступления максимальных значений. В работе [7] указывается, что наибольшие температуры в июне-июле имели место в первой половине ХХ в., а по нашим данным — в конце ХХ в. Подчеркнем, что наши исследования показывают, что современное повышение температуры не является уникальным. Примерно такой же скачок температуры воздуха фиксируется во второй половине XIX в., причем это происходило при другом уровне содержания в атмосфере углекислого газа антропогенного происхождения.

Наряду с выявленными трендами в изменении средней летней температуры за инструментальный и реконструированный периоды на графике изменения температуры (см. рис. 3) прослеживаются колебания разной продолжительности и амплитуды. Для оценки их вклада в общую изменчивость температуры воздуха применялись методы спектрального анализа. В результате их применения выявлены высокочастотные колебания средней летней температуры с периодом 2-4 года. При оценке спектральной плотности выделяется цикл Брикнера с периодом 35-41 год на фоне более продолжительного цикла около 100 лет, который, вероятно, является отражением векового цикла солнечной активности. Появление более продолжительного цикла в 130-140 лет может объясняться сочетанием векового и брикнеровского циклов, но с полной уверенностью утверждать этого нельзя в связи с непродолжительностью рассматриваемого временного ряда.

Достоверность полученных реконструкций подтверждается нашими наблюдениями за динамикой верхней границы леса в различных районах Горного Алтая. Наиболее высоко расположенные лиственницы возрастом до 400 лет и более встречаются на высоте 2380-2400 м. Верхняя граница относительно сомкнутого, хотя и «пьяного» из-за мерзлотных проявлений лиственничника возрастом около 250 лет, фиксируется на 50-70 м ниже. Молодая поросль лиственницы, появившаяся в начале 1950-х годов, поднимается до 2450 м, а отдельные низкорослые (0,6 м) экземпляры под защитой скальных выступов могут достигать 2550 м.

Выводы

1. Начиная с середины 50-х годов ХХ в. на Алтае отмечается тенденция к повышению температуры воздуха зимой и в переходные сезоны. Наибольшие скорости роста температуры характерны для зимнего и весеннего сезонов. Этот рост температуры более чем в 2 раза превышает аналогичный рост для Северного полушария в целом. Минимальные скорости роста на Алтае наблюдаются осенью, а также это единственный сезон в году, когда рост температуры меньше, чем по полушарию в целом.

2. В отдельные циркуляционные эпохи между средними зимними температурами на Алтае и в полярных широтах прослеживаются отрицательные корреляционные связи.

3. На рубеже XX-XXI вв. тенденции в изменении летней, весенней и зимней температур изменились. Средняя осенняя температуры воздуха продолжает повышаться.

4. При современном потеплении климата (начиная с середины 1970-х годов) на Алтае наблюдаются тенденции к уменьшению количества осадков в зимние и переходные сезоны. Для летних осадков в этот период отмечается незначительный положительный тренд.

5. Корреляционный и регрессионный анализы между региональными характеристиками климата (сезонными температурами воздуха и осадками) и глобальными температурами показали, что со временем меняется не только степень связи, но и знак связи (см. табл. 2). Поэтому следует учитывать, что на разных участках глобальных климатических циклов региональные отклики изменений сезонных температур воздуха и осадков неоднозначны. Линейные модели адекватно оценивают механизм взаимодействия климатических характеристик только в пределах небольших интервалов времени и при определенных диапазонах изменения глобальной температуры воздуха.

6. Дендрохронологические данные позволили реконструировать изменение средней летней температуры воздуха на Алтае. Современный уровень средней летней температуры воздуха на Алтае выше на 2,5 °С по сравнению с минимумом в последнюю стадию малой ледниковой эпохи. Периоды с современными темпами роста температуры наблюдались и в прошлом, например во второй половине XIX в.

7. Рост температуры воздуха с середины XIX в. и особенно во второй половине XX в. на Алтае находит отражение в повышении верхней границы леса и деградации ледников.

Литература

1. Бомер-Кристиансен C. Что движет процессом Киото: наука или интересы? // Известия РГО. 2004. Т. 136. Вып. 2.

2. Кондратьев К. Я. Приоритеты глобальной климатологии // Известия РГО. 2004. Т. 136. Вып. 2.

3. Галахов В. П., Мухаметов Р. М. Ледники Алтая. Новосибирск, 1999.

4. Маринин А. М. и др. Геоэкологическая оценка зимнего ледохода, подтопления, наледи в долине Чемала, правого притока р. Катунь, на Алтае // Геоэкология Алтае-Саянской горной страны. 2006. Вып. 3.

5. Ревякин В. С., Харламова Н. Ф. Региональные изменения климата и природной среды Центральной Азии. Мировой океан, водоемы суши и климат // Труды XII съезда РГО. 2005. Т. 5.

6. Шантыкова Л. Н., Паромов В. В. Динамика гидрометеорологических характеристик высокогорья Алтая во второй половине XX в. // Мат. гляц. иссл. 2001. Вып. 90.

7. Овчинников Д.В. Реконструкция изменений климата гор Алтая дендрохронологически-ми методами: Автореф. канд. дис. Иркутск, 2002.

8. WSL Dendro Database, Switzerland. www.wsl.ch/dendro

9. Lugina К. М., Groisman P. Ya., Vinnikov K. Ya., Koknaeva V. V., Speranskaya N. A. 2006. Monthly surface air temperature time series area-averaged over the 30-degree latitudinal belts of the globe, 1881-2005. http://cdiac.ornl.gov/trends/temp/lugina/lugina.html

10. Сыромятина М.В., Москаленко И. Г., Чистяков К. В. Пространственные закономерности изменения климата на Алтае // Известия РГО. 2008. Т. 140. Вып. 6.

11. Дмитриев А. А., Белязо В. А. Космос, планетарная климатическая изменчивость и атмосфера полярных регионов. СПб., 2006.

12. Архив погоды. http://meteo.infospace.ru

13. Винников К. Я. Чувствительность климата. Л., 1986.

14. Cook E. R. A time series analysis approach to tree-ring standardization. Ph.D. thesis. The University of Arizona, 1985.

15. BUntgen U., Frank D. C., Nievergelt D., Esper J. Summer Temperature Variations in the European Alps, A.D. 755-2004 // Journal of Climate. 1 November 2006. Vol. 19.

16. Riitters K. H. Evenness indices measure the signal strength of biweight site chronologies // Tree-Ring Bulletin. 1990. Vol. 50.

Статья поступила в редакцию 23 марта 2010 г.