1
Огурцов Л.А.,
1Чередько Н.Н.,
2Волкова М.А.,
2Журавлев Г.Г.
1Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Томск, Россия
2Томский государственный университет, Томск, Россия E-mail: 1991leon@mail.ru, natnik @imces.ru, mv2101@mail.ru
Увеличение повторяемости и интенсивности экстремальных климатических явлений в условиях изменяющегося климата является одной из основных проблем в последние десятилетия. Региональные оценки экстремальных климатических условий необходимы как для понимания неопределенностей в отношении наблюдаемых тенденций, так и для разработки сценариев изменения климата с более высо- ким разрешением и адаптационных мероприятий в связи с усиливающимся воздействием на человече- ские и природные системы.
С конца 1990-х годов проводятся различные региональные исследования, касающиеся экстре- мальных показателей температуры и осадков, которые дают убедительные доказательства, что глобаль- ное потепление связано с существенным изменением экстремумов. Экстремальные значения температу- ры воздуха влияют непосредственно на состояние здоровья людей, показатели загрязнения воздуха, вли- яют на устойчивость и прочность строительных конструкций, рабочие характеристики техники, во мно- гом определяют экологическую ситуацию территории (пожароопасность,уровень загрязнения), состоя- ние инфраструктуры жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) и других отраслей экономики. Интен- сивные осадки приводят к затоплениям городских и сельскохозяйственных территорий, размывам до- рожного полотна, оползням, а также трудно прогнозируемым дождевым паводкам на реках. Интенсив- ные или продолжительные осадки в виде снега ограничивают или блокируют движение различных видов транспорта, передвижение пешеходов, затрудняют деятельность большинства предприятий.
Анализ изменений экстремальных температур летнего и зимнего сезонов на территории РФ [1] с середины 1970-х гг. показывает, что на большей части территории страны изменения индексов экстре- мумов происходят в соответствии с общим потеплением: повторяемость экстремально теплых эпизодов растет, холодных – уменьшается; растут пороги как положительных, так и отрицательных экстремумов.
Тенденции в области экстремальных осадков показывают гораздо более низкую пространственную коге- рентность. Основной вывод в докладе относительно осадков состоит в том, что экстремально сильные осадки растут на большей части территории страны.
Целью настоящей работы является оценка пространственно-временной структуры экстремальных значений в полях температуры воздуха и атмосферных осадков на территории Западной Сибири. Мате- риалом для исследований послужил банк суточных метеорологических данных – ВНИИГМИ-МЦД. Ко- личественные оценки климатических показателей экстремальности были получены по данным суточной температуры воздуха (максимальной и минимальной) и суточныхсумм осадков за период 1951 - 2010 гг.
на 55 станциях рассматриваемого региона (55 – 74° с.ш., 60 – 90° в.д). В рамках исследования рассчита- ны климатические показатели экстремальности (индексы), в том числе, разработанные и рекомендован- ные ВМО [www.clivar.org]. Для оценки экстремальных температурных условий были выбраны следую- щие индексы: Повторяемость холодных ночей (TN10p), холодных дней (TX10p), теплых ночей (TN90p) и теплых дней (TX90p). Для характеристики поля экстремальных осадков были рассчитаны: максимальная сумма осадков за сутки (R1d), максимальная пентадная сумма осадков (R5d), суточный индекс интенсив- ности осадков (SDII), число суток с осадками ≥10 мм/сутки (R10mm), число суток с осадками ≥15 мм/сутки (R15mm), число суток с осадками ≥5 мм/сутки при температуре <0°C (R5mm), сумма сильных осадков (R95p) и годовая сумма осадков (PRCPTOT). Индексы R15mm и R5mm были сформулированы с учетом климатических особенностей исследуемого региона [2]. Проведена оценка тенденций изменения и сопряженности полученных рядов индексов с использованием компонентного анализа, позволяющий, также, выявлять ведущие факторы в изменчивости любого климатического параметра. Для выявления
районов в Западной Сибири, схожих между собой по вариабельности критериев был применен кластер- ный анализ, который позволяет естественно структурировать исходные данные на различающиеся по степени согласованности изменений группы станций. Для кластеризации использовали метод k-средних (k-mean) и метод восходящей иерархической классификации.
Для оценки изменения рассчитанных индексов, период 1951-2010 гг. был разбит на два 30-летних периода 1951-1980 гг. и 1981-2010 гг. соответственно. На каждой станции была вычислена разница меж- ду средними значениями за периоды 1951-1980 гг. и 1981-2010 гг. по каждому показателю. Выбор 30- летних периодов обусловлен наличием достоверных рядов за последние 60 лет по большей части стан- ций, а также возможностью принять период 1951-1980 гг. за базовый, когда в среднем по России не про- исходило значимых изменений климата. Выяснение статистической значимости полученных различий проводилось с на основе t-критерия Стьюдента. На основе полученных в ходе исследования данных бы- ли построены карты современного (1981-2010 гг.) распределения и карты изменения средних значений индексов температуры воздуха за период 1981-2010 гг. по сравнению с периодом 1951-1980 гг. На карты наносились только статистически значимые различия.
Исследование показало, что за последние 30 лет произошло уменьшение повторяемости холодных ночей и дней (рис.1), так на юге Западной Сибири повторяемость холодных ночей снизилась на 3 % (11 дней). Повторяемость теплых дней повысилась на 1 - 2 %. Повторяемость теплых ночей увеличилась до 2
% (7 дней) на севере и юго-западе территории.
Изменения экстремальных показателей атмосферных осадков за последние 30 лет на территории Западной отличаются повышенной вариабельностью и, как правило, имеют очаговый характер. Так, на севере территории (севернее 60° с.ш.) за последние 30 лет наблюдаются отрицательные тенденции в экс- тремальных показателях атмосферных осадков. В ходе исследования здесь обнаружено уменьшение чис- ла суток с осадками разной интенсивности: для индексов R10mm и R15mm – на 1-2 дня. Отмечается снижение максимальных сумм осадков: R1d, R5d – на величину до 6 мм, R95p – до 40 мм. Уменьшение экстремальных показателей оказало влияние на годовое количество осадков, которое также снизилось, на некоторых станциях разница между периодами составила до 30 мм. Под влиянием годовой суммы осад- ков (PRCPTOT входит в расчет индекса SDII) отрицательную тенденцию показал индекс суточной ин- тенсивности SDII (до -0,4 мм/сутки).
Южные районы территории в большей части характеризуется ростом индексов атмосферных осадков. Так, индексы числа дней с осадками различной интенсивности (R10mm, R15mm, R5mm) увели- чились на 1-2 дня. Вероятно, рост данных индексов способствовал росту суммы сильных осадков (R95p) на величины до 40 мм и увеличению годового количества осадков (PRCPTOT) – до 60 мм. Отмечается рост максимальных суточной и пентадной сумм осадков: R1d – с максимальным значением на 2 мм/30 лет, R5d – на 6 мм/30 лет, что ведет к росту суммы сильных осадков R95p на величины до 20 мм. В сред- нем, на 1 день повысилось число дней с осадками ≥10 мм.
(а) (б)
Рисунок 1 – Распределение изменения повторяемости холодных ночей (TN10p) (а)и холодных дней в году (TX10p) (б) в году (%) в 1981-2010 гг. по сравнению с 1951-1980 гг.
Применение компонентного анализа для оценки синхронности изменения температурных крите- риев по территории показало высокую пространственную согласованность. Так ряды индексов холодных дней (TX10p) и ночей (TN10p) можно достаточно полно описать тремя компонентами(82,1 % и 79,8 % дисперсии исходного ряда, соответственно). Что же касается теплых дней (TX90p) и ночей (TN90p), то уровень суммарного вклада в дисперсию ряда трех первых компонент существенно ниже и составляет 63,6 % и 57,3%, что свидетельствует о более высоком вкладе местных факторов в формировании экстре- мально высоких дневных и ночных значений температуры воздуха. Таким образом, можно сделать вывод о том, что наблюдаемые изменения температурных экстремумов формируются процессами глобального масштаба.
Компонентный анализ критериев экстремальности режима осадков исследуемой территории пока- зал его высокую неоднородность, что можно связать со значительным определяющим влиянием местных условий станции на режим осадков, большой протяженностью территории с севера на юг и преобладани- ем различных форм атмосферной циркуляции над разными ее частями, прежде всего особенностями циклонической активности. Наибольшую согласованность показал индекс годового количества осадков (PRCPTOT), где три компоненты описывают 54,2 % дисперсии. Доля объясненной тремя первыми ком- понентами остальных критериев изменчивости осадков находится в пределах 26–41%.
а б
Рисунок 2 – Распределение классов на основе метода k-средних: слева – для критерия PRCPTOT, справа – для критерия R95p
В результате применения кластерного анализа получено разделение на 3 класса для каждого кри- терия (пример для двух индексов – на рис.2). Распределение классов достаточно хорошо согласуется с распределением средних многолетних значений рассматриваемых критериев.
Подход к оценке пространственно-временной структуры полей экстремальных характеристик климата с использованием кластерного и компонентного анализа позволяет выявлять схожие между со- бой совокупности по нескольким признакам и факторам, характеризующиеся согласованностью динами- ки рассмотренных параметров, соответствующие мезомасштабным географическим районам. Также, снижение размерности признакового пространства позволяет формировать ряды данных для дальнейше- го анализа пространственно-временной структуры полей параметров климата без потери информации о взаимосвязи между переменными, что существенно снижает вычислительные затраты.
Литература:
1. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации // Росгидромет. 2014. 1004 с.
2. Волкова М.А., Чередько Н.Н., Соколов К.И., Огурцов Л.А. Современная пространственно- временная структура поля экстремальных осадков на территории Западной Сибири // Вестн. Том. гос. ун-та. 2015. № 390. C. 202-210.