Особенности текущих климатических изменений в регионе Южного Урала

Вестник Челябинского государственного университета. 2011. № 5 (220). Экология. Природопользование. Вып. 5. С. 44-49.

О. Ю. Ленская, М. Г. Ботова

ОСОБЕННОСТИ ТЕКУЩИХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ В РЕГИОНЕ ЮЖНОГО УРАЛА

По данным метеостанций Челябинской и Курганской областей проведены расчеты климатических норм температуры и осадков за базовый период (1961-1990) и выявлено их изменение относительно старых норм, содержащихся в климатических справочниках. Результаты расчета тенденций изменения сезонных и годовых температур и осадков, осредненных по природным зонам региона, показывают положительные тренды, среди которых, в частности, выделяется более быстрый рост температуры и осадков в горно-лесной зоне Южного Урала.

Ключевые слова: региональные изменения климата, природные зоны, тренды температуры и осадков.

Согласно результатам исследований изменения климата на территории России в XX в., проведенных в научных подразделениях Росгидромета [1] и базирующихся на данных 454 метеостанций, которые обладают наиболее продолжительными рядами наблюдений, на территории Южного Урала и юга Западной Сибири отмечено увеличение среднегодовой температуры. Оно охватывает и Северный Казахстан и составило в XX в. от 1 до 2 °С за столетие. Потепление неравномерно распределено по территории России, в некоторых регионах оно менее значительно. Регион Южного Урала, выбранный нами для климатического анализа, лежит в пространственных границах отмеченного потепления.

Изменение режима осадков, по данным того же источника [1], представляет собой более «пеструю» картину. В некоторых регионах России и сопредельных территорий произошло увеличение годовых сумм осадков, а где-то — их уменьшение. На территории Урала и юга Западной Сибири в XX в. зарегистрировано увеличение годовых сумм осадков, наиболее заметное на Среднем Урале и юге Западной Сибири. Более детальную картину для Южного Урала мы стремились получить в данной работе.

Исследуемый нами регион расположен в пределах трех природных зон: горно-лесной, лесостепной и степной. Особенности рельефа территории и характерные для Южного Урала крупномасштабные атмосферные циркуляции определяют различия климатических условий этих зон. В целом климат территории относится к умеренно континентальному с увеличением степени континентальности с северо-запада на юго-восток. Для климата горно-лесной зоны характерны более прохладное и влажное в сравнении с другими зонами лето и более продол-

жительная снежная зима. Для лесостепной зоны, которая занимает большую часть изучаемой территории, характерны более высокие среднегодовые температуры, менее обильные осадки, однако по сравнению с более удаленной от горных хребтов пониженной Зауральской равниной восточный склон Южного Урала находится в лучших условиях увлажнения. Климат степной зоны отличается теплым и засушливым летом с морозной малоснежной зимой. Причинами уменьшения количества осадков в степной зоне Южного Урала являются ослабление циклонических циркуляций, а также более высокая температура воздуха и пониженная относительная влажность летом.

Цель работы: на основе данных метеостанций Челябинской и Курганской областей исследовать особенности проявления глобального потепления на этих территориях.

Данные и методы исследования. Нами были использованы ряды среднемесячных температур и месячных сумм осадков по данным метеостанций Челябинской (19 станций) и Курганской (13 станций) областей, предоставленные Челябинским и Курганским гидрометеоцентрами. Длина рядов охватывает период с 1960 по 2005 г. Месячные климатические нормы температур и осадков рассчитаны в соответствии с требованиями Всемирной метеорологической организации за 30-летний базовый период — с 1961 по 1990 г. Для метеостанции Катав-Ивановск ввиду отсутствия данных с 1960 по 1974 г. были использованы нормы, опубликованные на официальном сайте Челябинского ЦГМС, соответствующие периоду до 1980 г. Для выявления изменений температурного режима были использованы официальные данные климатических справочников [2], в которых для

Уральского региона приведены климатические нормы, осредненные за период с 1881 по 1964 г. Следует отметить, что большая часть климатической информации, встречающейся в настоящее время в нормативной документации, применяемой в природопользовании, рассчитана за период, который заканчивается 1980 г. Сравнительно недавно выпущено справочное издание [3], где приводятся новые данные.

Согласно результатам климатического анализа, проведенного в подразделениях Росгидромета [1], наиболее интенсивное потепление на территории России происходило с 1976 по 2006 г. и составило в среднем 1,33 °С за 31 год.

Для описания изменений климата за определенный интервал времени используется коэффициент линейного тренда, оцененный методом наименьших квадратов. Он характеризует среднюю скорость изменения изучаемого климатического параметра. Были рассчитаны отклонения от норм средней температуры для каждого месяца, для зимы (декабрь-февраль), лета (июнь-август), а также среднегодовой температуры по каждой метеостанции. Далее полученные величины осреднялись по метеостанциям, расположенным в пределах одной и той же природной зоны. Ввиду ограниченности массива данных, к которому имели доступ авторы статьи, количество станций, представляющих три природные зоны, существенно различается: пять — в горно-лесной, двадцать одна — в лесостепной и шесть — в степной зоне. Коэффициенты ли-

нейного тренда зимних, летних и среднегодовых температур определялись как пространственно осредненные по природным зонам.

В исследованиях изменения режима осадков по каждой метеостанции определялись их месячные нормы, которые соответствуют значениям 50 %-й повторяемости суммы осадков за базовый период 1961-1990 гг. Далее вычислялись нормы осадков холодного (ноябрь-март) и теплого (апрель-октябрь) периодов, а также годовые нормы, которые соответствуют значениям 50 %-й повторяемости сумм осадков за эти сезоны. Полученные нормы осреднялись по метеостанциям, расположенным в каждой из природных зон.

Чтобы оценить наличие тенденций в режиме осадков каждой природной зоны, были рассчитаны линейные тренды их пространственно осредненных отклонений от норм за два периода: общий, с 1960 по 2005 г., и за период наиболее интенсивного потепления, с 1976 по 2005 г.

Результаты и анализ.

Изменение климатических норм. В условиях меняющегося климата стандартный 30-летний интервал для вычисления климатических норм не всегда отвечает современным требованиям. Тем не менее, международно принятый период с 1961 по 1990 г., который включает слабое похолодание 1946-1975 гг. и наиболее сильное потепление после 1976 г., используется в качестве исходного для сравнения предыдущих и последующих изменений климатических характеристик.

Таблица 1

Сравнение температурных норм по природным зонам Челябинской и Курганской областей

Нормы Горно-лесная зона

Норма Т 1881-1964 г. -16,1

Норма Т 1961-1990 г. январь -15,2

ДТ = Т 1961-1990 -Т до1964 0,9

Норма Т 1881-1964 г. 16,1

Норма Т 1961-1990 г. июль 17,2

ДТ = Т 1961-1990 -Т до1964 1,1

Норма Т 1881-1964 г. 0,8

Норма Т 1961-1990 г. год 1,4

ДТ = Т 1961-1990 -Т до1964 0,6

* В скобках указано среднее квадратическое отклонение, °С.

Рис. 1. Карта-схема региона исследования. Точки — метеостанции Челябинской и Курганской областей, цифры — среднегодовые температуры за базовый период 1961-1990 гг.

Штриховкой выделены природные зоны

На рис. 1 показано распределение среднегодовых температур, рассчитанных за этот базовый период. Изменение температурных норм по географическим зонам Челябинской и Курганской областей представлено в табл. 1 и на рис. 2.

Как видим, во всех трех зонах отмечается увеличение средних температур, наибольшее изменение годовых норм относится к лесостепной и степной зонам. Существенный разброс значений в январе в степной зоне и в июле в горнолесной может быть связан с небольшим количеством станций, по которым проводился анализ.

Тренды температуры. Как указывалось выше, наибольший рост среднегодовой температуры на территории России отмечался в последние десятилетия — с 1976 по 2006 г. [1]. В табл. 2 приведены оценки линейного тренда температуры для исследуемого периода с 1960 по 2005 г., а также отдельно для интервала 1976-2005 гг. Полученные результаты показывают, что рост температуры выражен как в зимний, так и в летний период, как за больший интервал времени, так и (особенно) — за последнее 30-летие. Тренды положительны в оба эти периода.

январь

июль

год

1 2 3

географические зоны

Рис. 2. Изменение температурных норм АТ = Т 1961-1990 - Т до1964 января, июля и среднегодовой для различных природных зон Челябинской и Курганской областей. 1 — горно-лесная зона;

2 — лесостепная; 3 — степная зона

Таблица 2

Тенденции изменения температуры воздуха по природным зонам Челябинской и Курганской областей; стандартное отклонение, °С; тренд температуры, °С/10 лет

Сезон Период Характеристика Горно-лесная Лесостепная Степная

Зима

Лето

Год 1960-2005 1976-2005 ст. откл. тренд тренд 0,99 0,34

* В скобках указана доля объясненной трендом дисперсии, %.

Оценки значимости наблюдаемого тренда температуры показывают, что для зимы он значим на уровне а = 5-6 % во всех зонах, особенно в степной, и составил почти 1 °С/10 лет в течение последнего периода. Однако за счет значительных межгодовых колебаний (станд. откл. ~ 2,3 °С) вклад тренда в полную дисперсию не превышает 20 %. Летом тренды температуры почти во всех зонах имеют небольшую значимость а = 4060 %, отметим только постепенный рост температуры за период 1960-2005 гг., особенно в степной зоне, где тренд составил 0,31 °С за 10 лет (а = 2 %). Во временном ходе среднегодовой температуры во всех зонах, особенно в горно-лесной, выявлены значимые тренды (а = 0,4-2 %).

В среднем по природным зонам повышение среднегодовой температуры с 1976 по 2005 г. составило 1,5 °С в горно-лесной зоне, 1,25 °С в лесостепной и столько же в степной зоне.

Таким образом, если рассматривать отличительные черты потепления в разных природных зонах, особенно за последние 30 лет, можно отметить, что среднегодовая температура более интенсивно возрастает в горно-лесной зоне, и это касается как зимних, так и летних температур. Доля дисперсии среднегодовой температуры, объясненной трендом, в горно-лесной зоне достигает почти 27 %. В степной зоне потепление происходит в основном в зимний период. Если указанная тенденция останется, мы будем отмечать отклик в наиболее чувствительном компоненте соответствующих ландшафтов — растительном покрове. Однако температурные изменения важны не сами по себе, а в контексте режима увлажнения территории.

Многолетние изменения количества осадков. Увлажнение любой территории определяется радиационным балансом, регулирующим испарение, и процессами атмосферной циркуляции. На распределение осадков в границах конкретной территории влияют характер подстилающей поверхности и локальные циркуляции, наложенные на условия крупномасштабного переноса воздушных масс. Увеличение приземной температуры воздуха влияет на изменение атмосферных циркуляций, траекторий циклонов и антициклонов, что в свою очередь ведет к росту или уменьшению количества осадков в том или ином регионе. Наиболее общей характеристикой режима увлажнения является оценка среднемесячных или годовых сумм осадков по всем станциям региона. Континентальный характер климата Южного Урала обуславливает неравномерное распределение осадков в течение года. Наибольшее их количество приходится на теплый период (апрель-октябрь). Количество осадков возрастает с юго-востока на северо-запад.

В табл. 3 представлены рассчитанные за базовый период 1961-1990 гг. годовые и сезонные суммы осадков, осредненные по станциям, расположенным в разных природных зонах. Как видим, основная доля осадков выпадает в течение теплого периода года, причем как в теплый, так и в холодный период года в горно-лесной зоне выпадает большее количество осадков.

Для исследования многолетних трендов в режиме увлажнения проведены оценки межгодо-вой изменчивости годовых и сезонных сумм осадков на рассматриваемой территории. С этой

Таблица 3

Нормы осадков (1961-1990) по природным зонам, мм

Показатель Горно-лесная зона Лесостепная зона Степная зона

Кол-во станций 5 20 5

Теплый период: апрель-октябрь 437

Холодный период: ноябрь-март 136

Год 575

* В скобках указана величина стандартного отклонения, мм.

целью по каждой станции просуммированы осадки теплого (апрель-октябрь) и холодного (ноябрь-март) периода, а также определены годовые суммы осадков на каждой станции. Далее полученные суммы пространственно осреднены по станциям каждой природной зоны и для каждой из зон рассчитаны аномалии сумм осадков как отклонения от нормы за период 1961-1990 гг., выраженные в процентах от нормы. Временные

ряды этих пространственно осредненных осадков показаны на рис. 3.

В табл. 4 представлены данные о трендах годовых и сезонных сумм осадков в пределах исследуемой территории. Тренды рассмотрены с начала этапа наиболее резкого потепления в северном полушарии — с 1976 г.

Во всех географических зонах наблюдается тенденция к росту осадков, однако только для

горно-лесная

лесостепная

степная

о

СП

СП

(О

СП

си

со

ф

X

ч

ф

а

о

к

X

ф

X

о

с

1970 1990

1990

2000

Рис. 3. Пространственно осредненные по природным зонам за теплый (а), холодный (б) период и за год (в) аномалии сумм осадков (%) с 1960 по 2005 г. Линейный тренд показан с 1976 по 2005 г.

Таблица 4

Оценки линейного тренда годовых и сезонных сумм осадков, осредненные по географическим зонам Челябинской и Курганской областей, за период 1976-2005 гг., мм/10 лет

Показатель Горно-лесная зона Лесостепная зона Степная зона

Кол-во станций 5 20 5

Теплый период: апрель-октябрь 4

Холодный период: ноябрь-март 12

Год 17

* В скобках указана доля, % объясненной трендом дисперсии.

осадков холодного периода в горно-лесной и лесостепной зонах отмечается наибольший вклад тренда в дисперсию с рассчитанным 7 и 5 %-м уровнем значимости соответственно.

Для остальных периодов, а также в степной зоне тренд объясняет лишь малую долю изменчивости, что не позволяет говорить с уверенностью о наличии значимых тенденций изменения осадков за период 1976-2005 гг.

Заключение. Изменчивость климатических характеристик последних десятилетий в региональном масштабе происходит на фоне отмечающегося в настоящее время глобального потепления. Вместе с тем географические особенности конкретной территории — рельеф, специфический режим атмосферных циркуляций и др. — накладывают отпечаток на характер изменения локального климата. В данной работе рассмотрены изменения климатических характеристик в разных природных зонах Челябинской и Курганской областей, т. е. в основу выделения территорий положены факторы рельефа и характерных атмосферных циркуляций. Как показали исследования, существенно изменились региональные температурные нормы, как месячные, так и годовые: за базовый период 1960-1990 гг. в сравнении с периодом 1881-1964 гг. средние температуры января и июля увеличились почти на 1 °С, среднегодовые по природным зонам также возросли почти на 1 °С, причем наибольшее отличие отмечено в лесостепной зоне.

Изменения в режиме увлажнения за аналогичный период выражены не так явно, и только для осадков холодного периода в горно-лесной и лесостепной зонах отмечается тенденция их слабого роста примерно на 9-12 мм за сезон каждые 10 лет. Таким образом, региональные климатические изменения по-разному проявляются на территории Южного Урала, в его различных природных зонах, что позволяет учитывать эти отличия при дальнейшем изучении последствий глобального потепления.

Список литературы

1. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации : техн. резюме [Электронный ресурс] / под ред. В. П. Мелешко, С. М. Семенова. М. : Росгидромет, 2008. 89 с. иЯЬ: www.meteoinfo.ru/me-dia/climate/tehnicheskoe_rezume_rus.pdf

2. Справочник по климату СССР / глав. упр. гидрометеоролог. службы при Совете Министров СССР ; Урал. упр. гидрометеоролог, службы ; Свердл. гидрометеоролог. обсерватория. Свердловск, 1971. 279 с. Вып. 9: Пермская, Свердловская, Челябинская, Курганская области и Башкирская АССР: метеоролог. данные за отдел. годы. Ч. 1: Температура воздуха.

3. Климат России : монография / под ред. Н. В. Кобышевой. СПб. : Гидрометеоиздат, 2001. 655 с.