Работа над научными проектами
Многолетние и сезонные особенности изменения климата и их экстремальных проявлений на территории России и Беларуси.
(Perennial and seasonal features of climate change and their extreme manifestations in Russia and Belarus)
C 2020г. авторским коллективом ведется работа на проектом проводимым совместно РФФИ и Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований «Многолетние и сезонные особенности изменения климата и их экстремальных проявлений на территории России и Беларуси»
Целью проекта является диагноз и прогноз современных многолетних и сезонных особенностей изменения климата и их экстремальных проявлений на территории России и Беларуси.
Для достижения этой цели решаются следующие конкретные задачи:
1. Сбор информации о происходящих климатических колебаниях и экстремальных явлениях.
2. Создание базы данных о состоянии метеорологических полей с использованием наземной метеорологической сети, реанализов, аэрологических и спутниковых измерений.
3. Получение количественных показателей о состоянии климатической системы в рассматриваемом регионе Земли с учетом его физико-географических особенностей.
4. Построение эмпирико-статистической модели распределения температуры воздуха и озона до уровня 80 км по данным аэрологических измерений и реанализов.
5. Разработка физико-статистической модели прогноза долгопериодных колебаний температуры на территории России и Беларуси до 2050 г.
6. Оценка динамики параметров вегетационного периода в различных регионах России и Беларуси, выявление зон засушливости и переувлажнения.
7. Оценка агрометеорологических ресурсов, характеристик отопительного периода, пожароопасности.
8. Вычисление биометеорологических показателей в интересах рекреации населения, выявления комфортных условий его проживания.
9. Оценка сезонных экстремальных показателей, риска и ущерба от негативных климатических проявлений.
10. Картирование информации, использование эффективных информационно-вычислительных технологий для анализа и представления полученной информации.
В течение первого года выполнения проекта получены следующие основные результаты:
Подготовлен и выверен набор исходных данных, включающий в себя временные ряды 1250 метеорологических станций за 1966-2019 гг. расположенных на территории России и 95 долгопериодных станций расположенных на территории Европейской части России (ЕЧР) и Беларуси за 1900-2019 гг., временные ряды месячных аномалий температуры поверхности океана (ТПО) относительно нормы 1971-2000 гг. в узлах географической сетки 2х2°; индексы атмосферной циркуляции AO, NAO, EAWR, SCAND, POL, EA, WP, PNA; данные реанализа ERA5 за 1979-2019 гг.; данные о числе солнечных пятен (числа Вольфа) за 1828-2019 гг.; результаты ансамблевых расчетов из проекта CMIP5/6.
Рассмотрена пространственно-временная изменчивость приземной температуры воздуха и атмосферных осадков на территории России для 2-х периодов: 1976-2019 и 2001-2019 гг., что позволило выявить следующие основные особенности изменения температурно-влажностного режима: в 1976-2019 гг. практически на всей территории России происходило потепление климата, которое отмечается и в 2001 – 2019 гг., за исключением полосы южных районов Западной и Средней Сибири; в период 1976 – 2019 гг. на большей части территории России, особенно в ее азиатской части, отмечается увеличение годовых сумм осадков. В период 2001 – 2019 гг. контрастность в распределении атмосферных осадков по территории России значительно усилилась. В ряде регионов сменился знак тренда сумм осадков. Так, если в период 1976 – 2019 гг. в Западной и Средней Сибири происходило увеличение сумм осадков, то в 2001 – 2019 гг., наоборот, уменьшение. В то же время их количество заметно возросло на окраинных восточных районах России. Следует также отметить отрицательную тенденцию уменьшения осадков и, следовательно, роста засушливости в южной половине ЕЧР.
Получены и проанализированы тренды продолжительности отопительного и вегетационного периодов для 2-х периодов 1966-2019 и 2001-2019 гг. для всей территории России. Разработана методика долгосрочного прогноза сроков начала и конца отопительного периода.
Особое внимание уделено исследованию климатических изменений, происходящих на Европейской территории России и Беларусь с использованием данных 95 метеостанций в период 1900-2019 гг. (120 лет).
Методом тренд-анализа выявлена неоднородная картина интенсивности потепления на ЕТР и РБ: наибольшая скорость потепления отмечается в марте и декабре, где значения коэффициента наклона линейного тренда (КНЛТ) соответственно равны 0,290 и 0,226°С/10 лет, менее интенсивно происходит потепление в августе КНЛТ=0,068°С/10 лет.
В зимний период потепление происходит со скоростью, вдвое превышающей летнюю (КНЛТ соответственно равны 0,190 и 0,081°С/10 лет). При этом во все сезоны и месяцы интенсивность потепления усилилась с 1970-х годов.
Макромасштабная аномальность температурных полей оценивалась с использованием известных индексов Багрова и Токарева, а экстремальность зим по методу Мещерской. С использованием 27 индексов экстремальности дана оценка экстремальных проявлений температурно-влажностного режима на Европейской территории России и Республики Беларусь.
С использованием индексов циркуляции показана роль циркуляционного фактора в колебаниях температуры. Происходит заметное изменение характера статистических связей в зависимости от индекса циркуляции. Если АО и NAO более эффективно влияют на термический режим западных районов зимой (связи положительные), то SCAND зимой в значительно большей степени влияет на восток региона (связь отрицательная). Колебание EAWR также более эффективно воздействует на восток региона, но уже в летний период и с отрицательным знаком. Роль циркуляционных факторов на рассматриваемой территории неоднородная как по знаку, так и интенсивности.
Полученные результаты по проекту:
С целью оценки тенденции современных климатических изменений были построены карты трендов температуры воздуха для центральных месяцев сезонов и годовых значений для всей территории России по данным 1250 станций для 2-х периодов: 1976-2019 и 2001-2019 гг. Пространственное распределение трендов температуры за весь 44-летний период исследования (1976-2019 гг.) имеет следующие особенности.
В январе наибольшая скорость потепления наблюдается в Средней Сибири, арктическом побережье с максимумом на полуострове Таймыр и арктических островах от Новой Земли до Новосибирских островов, где величина коэффициента наклона линейного тренда (КНЛТ) достигает 1,2°С/10 лет, значительный рост ТВ (КНЛТ=0,80-0,99°С/10 лет) наблюдается на территории Хабаровского края, в Европейской части России (ЕЧР) выделяется северо-запад, где КНЛТ в районе Архангельска достигает 0,80-0,99°С/10 лет. Остальная часть ЕЧР также испытывает потепление, но меньшей интенсивности (КНЛТ меняется в пределах 0,20-0,59°С/10 лет). Очаги похолодания сформировались на юге Западной Сибири, где КНЛТ<0 и меняется в пределах от -0,40 до -0,79°С/10 лет и в Восточной Сибири (Магаданская область).
В апреле картина более однородная. Вся ЕЧР, кроме территории Северного Кавказа, охвачена умеренным потеплением с максимумом на Арктическом побережье, где значение КНЛТ достигает 0,80-0,99°С/10 лет. Обширная территория Западной, Средней и Восточной Сибири, все Арктическое побережье от Ямала до Чукотки, арктические острова заняты интенсивным потеплением (КНЛТ в районе Таймыра достигает 1,2°С/10 лет). Практически вся территория России испытывает потепление климата.
В июле запад и юго-запад ЕЧР заняты достаточно интенсивной областью потепления (КНЛТ меняется от 0,60 до 0,99°С/10 лет), на остальной части России за исключением средней полосы Западной Сибири, где потепление практически отсутствует, преобладает слабый рост ТВ со скоростью от 0,20 до 0,59°С/10 лет.
В октябре происходит более активное потепление. Вся территория России от ее западных до восточных границ (за исключением Камчатки) подвержена потеплению климата. Наиболее интенсивный рост ТВ наблюдается в северных районах Сибири, на Арктическом побережье и Чукотке, где КНЛТ превышает 1,2°С/10 лет.
Тренды среднегодовой температуры свидетельствуют об умеренном потеплении климата практически на всей территории России. Наиболее интенсивно оно происходит на арктическом побережье Азиатской части России и прилегающих островах. Так, в районе полуострова Таймыр КНЛТ достигает значения 1,2°С/10 лет. При этом в центральной и северных частях Сибири потепление более выражено, чем на ЕЧР, где выделяется Карелия и юго-запад Центрального федерального округа (КНЛТ=0,60-0,79°С/10 лет).
Тенденции климатических процессов на территории России в начале XXI века следующие. В январе (рис.1б) наибольшая скорость потепления наблюдается в Восточной Сибири (в Магаданской области КНЛТ превышает 2,5°С/10 лет), а также на арктическом побережье от Новой Земли до Северной Земли, где КНЛТ меняется в пределах от 2,0 до 2,49°С/10 лет, а на полуострове Таймыр и Северной Земле он достигает 2,50°С/10 лет. В целом Азиатская часть России, кроме южных районов Западной и Средней Сибири находится в зоне потепления с различной степенью интенсивности. В то же время практически вся территория ЕЧР, южного Урала, юга Западной и Средней Сибири находится в зоне похолодания, так в Нижнем Поволжье, на юге Урала и Западной Сибири КНЛТ имеет порядок от -2,00-2,49°С/10 лет. Распределение январских трендов ТВ по территории России в период 2001 – 2019 гг. существенно отличается от распределения трендов определенных за период 1976 – 2019 гг.
В апреле вся Азиатская часть России за исключением южной оконечности Приморья охвачена потеплением значительной интенсивности. При этом наибольшая скорость роста ТВ отмечается на обширной территории Западной и Восточной Сибири, включая Арктику, где КНЛТ превосходит 2,50°С/10 лет, на ЕЧР наблюдается более слабое потепление со скоростью 0,50-0,99°С/10 лет, за исключением зоны похолодания в ее западной и центральной части, где КНЛТ меняется в пределах от -1,00 до -1,49°С/10 лет.
В июле (рис.2б) в отличие от января и апреля процессы изменения ТВ менее интенсивны. Значительная часть ЕЧР (запад и центр), Восточная Сибирь находятся в зоне похолодания (КНЛТ меняется в пределах от -0,50 до -1,49°С/10 лет), на северо-западе Западной Сибири наблюдается небольшой по территории очаг потепления (1,00-1,49°С/10 лет). Большая часть территории Западной Сибири, Камчатки и Приморья заняты потеплением незначительной интенсивности (КНЛТ~0,20-0,49°С/10 лет).
В октябре на Северном Кавказе, юге Урала, Западной и Восточной Сибири, в Приморье происходит похолодание (КНЛТ порядка -0,20-0,49°С/10 лет), а в центре ЕЧР и на Севере Азиатской части России происходит потепление особенно интенсивное на Арктическом побережье и островах Арктики, где КНЛТ>2,50°С/10 лет.
Тренды ТВ, построенные по среднегодовым значениям 1251 станций за 2001-2019 гг., не выявляют значительных территориальных контрастов в изменениях температуры. Практически вся территория России за исключением достаточно узкой полосы юга Западной Сибири, где КНЛТ порядка -0,20-0,49°С/10 лет, занята потеплением, более интенсивным на севере ЕЧР, Западной Сибири, побережье Арктики, в Чукотке, где скорость потепления может достигать 1,49°С/10 лет.
Таким образом, распределение трендов среднегодовой температуры воздуха в период 2001-2019 гг. в отличие от всего периода 1976-2019 гг. выявляет заметное похолодание на юге Западной Сибири.
Рассмотрены региональные особенности изменения режима атмосферных осадков в период 1976-2019 гг. на территории России. Пространственная картина распределения трендов осадков по территории России весьма неоднородная. Так, в январе (рис. 3а) на ЕЧР наблюдается рост осадков со скоростью 1,0-1,9 мм/10 лет с максимумом на северо-западе, где КНЛТ=2,0-2,9 мм/10 лет. В центре и на юге Западной Сибири, в Алтае и на северо-востоке Восточной Сибири, включая Чукотку, отмечается снижение осадков (КНЛТ достигает -2,0-2,9 мм/10 лет). В то же время выделяется северный регион Западной и Средней Сибири от п-ва Таймыр до Новосибирских островов, где осадки увеличиваются со скоростью достигающей 2,0-2,9 мм/10 лет.
В апреле основной очаг прироста осадков смещается с ЕЧР в восточном направлении на Предуралье, Западную и Среднюю Сибирь, где КНЛТ достигает 3,0-3,9 мм/10 лет. Основные очаги понижения осадков формируются на Северном Кавказе, в Магаданской области, в Приамурье и Приморье, где КНЛТ в отдельных местах ~-4,0 мм/10 лет.
В июле практически вся ЕЧР за исключением северо-запада, западная часть Западной Сибири, арктическое побережье от Таймыра до Чукотки, Магаданская область и Камчатка, Предбайкалье и Забайкалье находятся в зоне уменьшения осадков, так КНЛТ<-4 мм/10 лет на ЕЧР и Камчатке, в то же время юг Восточной Сибири, Приамурье и Приморье располагаются в зоне роста осадков (КНЛТ>4 мм/10 лет). В октябре большая часть территории России испытывает рост атмосферных осадков (максимум на Чукотке, где КНЛТ>4 мм/10 лет). Очаги с уменьшением сумм осадков носят пятнистый характер, разбросаны по территории России и менее интенсивны: выделяются Карелия, юг Западной Сибири, Дальневосточные районы, где КНЛТ на о. Сахалин порядка -3,0-3,9 мм/10 лет.
Тренды, построенные по годовым значениям сумм осадков, свидетельствуют об увеличении осадков на большей части территории России. Так, на побережье Охотского моря КНЛТ>25 мм/10 лет. Понижение сумм осадков наблюдается в центре и на юге ЕЧР, Северном Кавказе, где КНЛТ~-10-14 мм/год. Небольшие очаги с уменьшением осадков отмечаются на о. Новая Земля, юге Средней Сибири, северо-востоке Чукотки.
Более контрастная картина распределения трендов осадков на территории России отмечается в период 2001-2019 гг. Так, в январе (рис. 3б) на большей части ЕЧР особенно в Причерноморье, на северо-востоке Восточной Сибири за исключением Чукотки выделяются очаги с интенсивным ростом осадков (КНЛТ>8,0 мм/10 лет), в то же время северо-восточная часть ЕЧР, территория южного Урала, Западной и Средней Сибири, крайний юг Восточной Сибири, Приамурье и Приморье испытывают недобор осадков (в отдельных очагах КНЛТ<-8,0 мм/10 лет).
В апреле на обширной территории ЕЧР, Урала, Западной Сибири отмечается рост осадков со скоростью 8 мм/10 лет, недобор осадков отмечается в южных районах Средней Сибири, Чукотке, Приморье, где КНЛТ=-4,0-5,9 мм/10 лет.
В июле (рис. 4б) сильное увеличение сумм осадков происходит в ЕЧР и на юге Западной Сибири, в бассейне р. Амур (КНЛТ=25 мм/10 лет), а недобор осадков отмечается на севере ЕЧР, в Западной и Средней Сибири, где КНЛТ порядка -10-14 мм/10 лет.
В октябре наблюдается чередование зон изменения сумм осадков с запада России на восток. Снижение сумм осадков наблюдается в западных и южных районах ЕЧР, в Средней Сибири, в Приморье (так, на юго-западе ЕЧР КНЛТ<-16 мм/10 лет), зона с положительным трендом осадков охватывает Восточную Сибирь, Приамурье, п-ов Камчатку. Кроме того, в широтном поясе 50-60° с.ш. (ЕЧР, Урал, Западная Сибирь), в горах Алтая отмечается усиление осадков (КНЛТ=12-15 мм/10 лет).
Годовая картина трендов сумм осадков, построенная по данным 1250 станций в 2001-2019 гг. носит пестрый, контрастный характер. Северо-запад ЕЧР, Среднее Поволжье, п-ов Таймыр, восточные регионы России находятся в зоне роста осадков со скоростью 40 мм/10 лет. Наибольшее увеличение сумм осадков происходит в Приамурье и Приморье. Недобор осадков отмечается на юге ЕЧР, Северном Кавказе, на северо-востоке ЕЧР, в Средней Сибири и на арктическом побережье в районе Новосибирских островов. Так, в Причерноморье КНЛТ достигает -50 мм/10 лет. Результаты исследований представлены в виде статьи "Климатические изменения на территории России в конце XX - начале XXI века" в журнал "Метеорология и гидрология".
В связи с потеплением климата происходят заметные изменения в фенологии растительного и животного мира. В частности, отмечено изменение сроков прилета и отлета птиц по территории России и в странах Восточной Европы в период весенних и осенних миграций, смещение границы ареала обитания на север, увеличение количества зимующих птиц в крупных городах и т.п. Результаты исследования представлены в виде научной статьи «Влияние современных климатических изменений на фенологию и поведение птиц» в журнал «Гидрометеорология и образование».
По данным 95 станций долгопериодных метеорологических станций в период 1900-2019 гг. (120 лет) для Европейской территории России (ЕТР) и Республики Беларусь (РБ) рассмотрена изменчивость температурного режима. Были построены климатические карты распределения температуры воздуха (ТВ) для различных месяцев года, сезонов и в целом за год. Дополнительно строились карты пространственного распределения коэффициентов корреляций, рассчитанных между средней температурой всего рассматриваемого региона и температурой отдельных станций для января, июля, зимнего и летнего сезонов.
С целью выявления долговременных тенденций изменения термического режима построены линейные тренды температуры воздуха для каждого из месяцев зимнего и летнего сезонов, годовых значений. Для выделения температурных долговременных колебаний в период 1900-2019 гг. рассчитывались низкочастотные компоненты (НЧК) с периодом более 20 лет.
На рассматриваемой территории хорошо проявляется годовой ход ТВ с минимумами в январе (-11,30°С) и максимумами в июле (18,38°С). Годовая амплитуда составляет 29,68°С. Средние квадратические отклонения ТВ меняются в пределах от 3,19°С (февраля) до 1,24°С (август). Наибольшее значение коэффициента наклонного линейного тренда (КНЛТ) приходится на март (0,290°С/10 лет), а наименьшее на август (0,068°С/10 лет). Выделяется также декабрь, где КНЛТ=0,226°С/10 лет. Таким образом, по осредненным данным по территории во все месяцы года наблюдается потепление, но с различной интенсивностью. Осредненное за год значение КНЛТ равно 0,147°С/10 лет, при этом в зимний период скорость потепления (А=0,190°С/10 лет) вдвое превышает летнюю скорость потепления (А=0,081°С/10 лет). В целом средняя годовая ТВ всей рассматриваемой территории составляет 3,45°С, СКО=0,96°С, а скорость потепления составляет 0,147°С/10 лет.
В зимний период в регионе с начала 1970-х годов, согласно кривой низкочастотных колебаний (НЧК), наблюдается повышение ТВ примерно на 2,8°С, в летний период рис. 5б активное повышение ТВ началось с середины 1970-х годов и составило по НЧК лишь 1,5°С. В годовом плане потепление составило ~2°С. Таким образом, начиная с начала 1970-х годов в регионе происходит заметное потепление климата, отличающееся по своей интенсивности и характеру в различные месяцы года, что хорошо видно из поведения НЧК температуры воздуха. Например, в ноябре четко прослеживается периодичность изменения температуры – кривая НЧК имеет вид волны с продолжительностью ~40 лет.
Построенные климатические карты распределения температуры воздуха для января и июля (1900-2019 гг.) показывают, что ТВ понижается с юго-запада на северо-восток. Так, среднеянварская температура на территории РБ составляет порядка -6°С, на Северном Кавказе она положительная (~+4°С), а на северо-востоке ЕТР опускается до -22°С, в июле изотермы имеют квазизональный характер и ТВ возрастает с севера ЕТР на юг от 10°С до 24°С на Северном Кавказе. На территории РБ среднеиюльская температура ~18°С.
Зимой средняя ТВ для РБ порядка -4°С, на северо-востоке ЕТР она порядка -20°С, тепло в районе побережья Черного моря, где ТВ ~+4°С, летом средняя ТВ на Северном Кавказе 22°С, на арктическом побережье ЕЧР она опускается до 8°С, на территории РБ ~18°С. Изотермы зимней и летней температуры практически совпадают со среднеянварскими и среднеиюльскими.
Радиационный фактор способствует потеплению климата. Расчет приходящей суммарной солнечной радиации на территории ЕЧР и РБ в период 1979-2020 гг. по данным реанализа показывает, что годовое значение этого показателя возрастает с севера на юг от 2500 до 5000 МВт/м2 (на территории РБ она порядка 4000 МВт/м2). Коэффициент наклона линейного тренда суммарной годовой суммы радиации имеет положительный знак по всей территории и возрастает с севера на юг от 20 до 100 (МВт/м2)/10 лет в период 1979-2020 гг.
Были рассчитаны коэффициенты корреляции (r) между температурой воздуха осредненной по всему региону и температурами 95-и станций. Поскольку средняя температура по региону относится к его центру, то построенные карты изокоррелят позволяют оценивать как форму, так и скорость затухания связей в поле температуры с расстоянием. Так, если для января, а также зимы в целом изокорреляты образуют эллипс с большой осью, направленной с юго-запада на северо-восток (направление определяющего потока), то в июле (и летом) овал вытянут в меридиональном направлении. При этом статистические связи зимой более тесные с удаленными районами, чем летом. Так, в январе коэффициент корреляции между РБ и центром ЕТР порядка 0,8, то в июле r=0,4. То же наблюдается для зимы и лета.
Для оценки влияния циркуляции атмосферы на термический режим региона рассчитывались коэффициенты корреляции r за 120 летний период между временными рядами индексов атмосферной циркуляции (AO, NAO, ВАЗР, SCAND) и температурой воздуха на отдельных станциях. Были построены карты корреляции для января и июля. Выявились следующие особенности. В январе с арктической осцилляцией (АО) связи более тесные на западе региона (в районе Пскова r=0,6), в направлении с запада на восток происходит их ослабление в Предуралье (r=0,4). В июле связи незначимы. С индексом североатлантического колебания (NAO) в январе также связи более тесные в западной части региона (r=0,6), в восточном направлении происходит заметное ослабление влияния NAO, а на юго-востоке ЕТР r уменьшается до 0,2 и меньших значений (Оренбург). В июле значения коэффициентов корреляции незначительны ~0,2. Таким образом, арктическая осцилляция и североатлантическое колебание оказывают заметное воздействие на термический режим региона в зимний период и прежде всего на его западную часть. Это воздействие положительное, т.е. атмосферная циркуляция способствует потеплению региона в зимний период. Циркуляционная мода Восточная Атлантика-Западная Россия (EAWR) наибольшее влияние оказывает в летний период и в основном на центр и особенно восток региона, где величина r=-0,6, что свидетельствует об охлаждающем влиянии Северной Атлантики в этот период. Связь температуры воздуха с индексом SCAND в январе лучше выражена в центре и особенно на востоке территории (Урал, Оренбуржье, Северной Кавказ), где r принимает отрицательное значение (r=-0,6). Таким образом, формирование блокирующего скандинавского антициклона заметно влияет на зимний термический режим востока ЕТР и способствует понижению ТВ. В июле связь между компонентами лучше на северо-западе ЕТР (r=+0,4) и ослабевает в направлении юго-востока.
