Результаты работы и обсуждение

УДК 551.513, 551.583

ИЗМЕНЕНИЯ КРУПНОМАСШТАБНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ И СОВРЕМЕННОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ КЛИМАТА НА КОЛЬСКОМ П-ОВЕ

Демин В.И.¹, Священников П.Н.^2,3, Иванов Б.В.^3,2

1 – Полярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, demin@pgia.ru

2 – Санкт-Петербургский государственный университет, Россия

3 – Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, СПб, Россия

Рассмотрены изменения температуры воздуха на Кольском п-ове внутри однородных макроциркуляционных групп Е, W, C (по классификации Г.Я. Вангенгейма). Обнаружено, что потепление наблюдается во все сезоны при всех трех группах макропроцессов, что может рассматриваться как аргумент в пользу присутствия иных механизмов современного потепления в регионе, кроме изменений крупномасштабной циркуляции атмосферы.

Ключевые слова: циркуляция атмосферы, климат Арктики, изменение климата, Мурманская область

Введение

Последние 50 лет характеризуются заметным потеплением на Кольском п-ове. Согласно [Справочник по климату СССР. Вып 2, 1965] среднегодовая температура воздуха (t_сг) в г. Мурманске для периода 1881-1960 гг. составляла 0°С. Для базового периода 1961-1990 гг. t_сг она также была около 0°С. В то же время для периода 1991-2012 гг. t_сгповысилась до 0,9°С, а для последнего десятилетия (2002-2012 гг.) t_сг оказалась равной 1,2°С. За последние 21 год (с 1991 г.) норма по среднегодовой температуре воздуха в г. Мурманск оказалась превышенной в 19-ти случаях. Современные значения среднегодовой температуры воздуха в г. Мурманске близки к значениям среднегодовой температуры для ряда регионов северной и даже средней Карелии в период 1881-1960 гг. (например, 0,9 °С в Кеми и 1,1°С в Беломорске [Справочник по климату СССР. Вып 1, 1965]).

Повышение температуры в регионе наиболее заметно в зимние месяцы (особенно декабрь – январь), однако проявляется оно и в других сезонах (табл. 1). При этом потепление нельзя списать на современное положение большинства метеорологических станций внутри населенных пунктов (Мурманск, Кандалакша, Краснощелье). Например, метеорологическая станция на горе Ловчорр (Хибины, 1091 м над уровнем моря) большую часть года находится вне или вблизи верхней границы пограничного слоя, лишена влияния антропогенных источников тепла и в большей степени характеризует климат свободной атмосферы, а не климат приземного слоя.

В качестве возможной причины изменения климата в регионе можно предположить изменение крупномасштабной циркуляции атмосферы, которое могло привести к более высокой повторяемости выхода на регион более теплых воздушных масс (и/или уменьшения холодных вторжений) при их неизменных термодинамических параметрах.

Основание для учета данного фактора – существование в циркуляционном режиме атмосферы длительных периодов (от 10 лет и более), с аномальным развитием тех или иных динамических процессов [Гирс, 1974]. Для иллюстрации на рис. 1 представлены изменения форм циркуляции W,C и Е по классификации Гирса-Вангенгейма [Гирс А.А., 1971; Гирс А.А., 1974; Циркуляционные, 1987; Кононова Н.К., 2009 ], демонстрирующие смену так называемых циркуляционных эпох: период 1900-1928 гг. характеризовался аномальным увеличением процессов формы циркуляции W; период 1929-1939 гг. – формы Е, период 1939-1948 гг. – формы С; период 1949-1971 гг. характеризовался усилением процессов форм Е и С и ослаблением процессов формы W; период с 1972 по 1995 г. является эпохой Е-циркуляции с нарастанием процессов формы W, а последующие годы могут быть отнесены к эпохе формы W [Дмитриев А.А. , Белязо В.А, 2006].

Рисунок 1 - Многолетняя динамика аномалий числа дней году (Δn) с формами циркуляции W, C, E (по классификации Г.А. Вангенгейма). Прим.: аномалии рассчитаны от средних многолетних значений за столетний период 1900-2012 гг.

При западной форме циркуляции (W) циклоническая деятельность развивается в средних широтах. Вдоль этих широт с запада на восток перемешаются циклоны и гребни. На Кольском п-ове в этот момент наблюдается преимущественно неустойчивая погода, прохладная летом и осенью [Яковлев Б.А., 1961]. Зимой и весной преобладание западного типа циркуляции – если он проявляется в чистом виде – вызывает положительную аномалию температуры в регионе. Однако если при западной форме циркуляции эпизодически происходят вторжения воздушных масс из Арктики, то на Кольском п-ове формируется значительная отрицательная аномалия температуры [Яковлев Б.А., 1961].

При меридиональных процессах формы С исландский минимум ослабевает или совсем исчезает и давление в Арктике растет. Над Кольским п-овом устанавливается северный, северо-восточный, а иногда и восточный перенос холодных арктических масс, что и обуславливает возникновение отрицательной аномалии [Яковлев Б.А., 1961].

При восточной форме циркуляции Е за счет углубления исландского минимума и антициклогенеза над ЕТР и западной Сибирью усиливается поток теплого воздуха с юго-запада на северо-восток, что вызывает значительное потепление на Кольском п-ове во всех сезонах. Похолодание возможно только в холодное полугодие, когда сибирский антициклон значительно распространяется на запад и северо-запад зимой или когда восточная циркуляция перебивается меридиональной С [Яковлев Б.А., 1961].

Учитывая вышесказанное, становится очевидным, что установление в циркуляционном режиме долговременного периода с аномальным (по сравнению с многолетней нормой) развитием той или иной формы циркуляции может привести к изменению траекторий движения барических образований и воздушных масс и соответствующим аномалиям в поле температуры [Куражов В.К. и др., 2007], что, например, может либо усилить региональный эффект глобального потепления, либо его ослабить.

Для иллюстрации на рис. 1 представлены среднемесячные значения температуры воздуха в г. Мурманске при различных формах циркуляции, полученные по ряду 1949-2012 гг.

Рис. 2 Среднемесячные температуры воздуха в г. Мурманске при макропроцессах форм W (1), C(2), E(3) и по общей выборке (4) за период.1949-2012 гг.

Ряд был получен из среднесуточных значений при той или иной форме циркуляции по данным за 1949-2012 гг. и впоследствии сглажен тригонометрической функцией вида: .

Необходимость сглаживания обусловлена присутствием сильных межсуточных вариаций на достаточно коротких рядах и принятого в климатологии предположения о «гладком» годовом ходе температуры [Кобышева Н.В., Наровлянский Г.Я., 1978; Руководство, 2008] .

Пример такой аппроксимации, позволяющий судить о ее качестве, приведен на рисунке 3.

Рис. 3 Годовой ход температуры воздуха в Мурманске в период 1949-2012 гг., полученный по среднесуточным данным (1) и после сглаживания (2)

Из рис. 2 видно, например, что средняя летняя температура при макропроцессах формы Е в выше, чем при макропроцессах форм W и C (см. также [Яковлев Б.А., 1961] ). В этой связи при увеличении повторяемости формы Е можно ожидать повышения температуры воздуха, а при уменьшении – ее снижения. Данный пример наглядно показывает, что при изучении долговременных изменений климата в отдельном регионе необходимо привлечение не только вариаций измеренных и осредненных значений температуры, но и отдельное рассмотрение динамики температуры внутри однородных макроциркуляционных групп. Данная процедура может быть использована также для регионального уточнения климатических сценариев.

Данные и методы

Существует несколько схем типизации атмосферных макропроцессов (см, например, [Гирс А.А., 1974; Кононова Н.К., 2009 ]). В данной работе мы остановились на типизации Г.Я. Вангенгейма, предусматривающей выделение в Атлантико-Европейском секторе трех форм циркуляции: западная W, восточная E и меридиональная С. Следует отметить, что выделение только формы циркуляции не обеспечивает достаточной однородности: погодный режим в заданном районе может иметь существенные различия при одной и той же форме циркуляции в зависимости от процессов, предшествующих ее возникновению и стадии преобразования в другие формы [Болотинская М.Ш., Иванов В.В., 1999; Гирс А.А., 1974]. По этой причине температура воздуха в конкретный день зависит не только от типа циркуляции, но и от довольно длительной предыстории наблюдаемого процесса (цепочки преобразований W, C, E). Более того – даже в течение каждой эпохи наблюдается развитие процессов нескольких разновидностей основной формы и отдельных разновидностей других форм, отражающих черты прошедшей эпохи или «ростки» следующей эпохи [Гирс А.А., 1971]. Вместе с тем, увеличение числа рассматриваемых макропроцессов, например, за счет привлечения тихоокеанского сектора (З, М₁, М₂) приведет к возрастанию числа групп с 3-х до 9-ти с одновременным сокращением числа случаев в каждой группе, что скажется на надежности статистических оценок на интервале в 20-30 лет. Таким образом, только создавая максимально возможные по числу событий группы, можно в какой-то степени надеяться на «обнуление» предыстории процесса и выделение характеристик, присущих именно данной форме.

В работе использован каталог атмосферных процессов [Гирс А.А., 1974; Дмитриев А.А. , Белязо В.А., 2006], а также ежеквартальные «Обзоры гидрометеорологических процессов в Северном ледовитом океане», подготовленные ААНИИ.

Результаты работы и обсуждение

В ходе работы по ежедневным данным были рассчитаны среднесуточные значения температуры характерные для той или иной форме циркуляции для периодов 1961-1990 и 1991-2012 гг. Их изменения представлены на рис. 4.

Рисунок 4 - Изменение среднесуточных значений температуры воздуха в Мурманске, рассчитанных для периодов 1961-1990 и 1991-2012 гг., при разных формах циркуляции

На рис. 5 представлены изменения при различных формах циркуляции по сглаженным значениям температуры.

Рисунок 5 - Изменение среднесуточных значений температуры воздуха в Мурманске, рассчитанных для периодов 1961-1990 и 1991-2012 гг., при разных формах циркуляции по сглаженным значениям

Среднесезонные температуры воздуха в г. Мурманске при разных формах циркуляции и их изменения за период 1961-2012 гг. представлены в таблице 2. В таблице 2 для контроля показаны также изменения, полученные по несглаженным среднесуточным значениям.

Как видно из рисунков 4 и 5 и таблицы 2, в период 1961-2012 гг. в регионе одновременно «потеплели» все макропроцессы, независимо от формы циркуляции W, E или C.

Аналогичная ситуация (повышение средней температуры при всех формах циркуляции в период 1991-2012 гг по сравнению с периодом 1961-1990 гг.) наблюдается, например, и в горных районах Хибин [Demin et al., 2013].

Этот факт указывает на то, что объяснить современное потепление только изменением циркуляции с более частым (по сравнению с периодом 1961-1990 гг.) поступлением в район Кольского полуострова теплых воздушных масс и/или меньшим поступлением холодных представляется довольно сложной задачей. Скорее всего, это может быть признаком влияния еще какого-либо механизма или механизмов наблюдаемого потепления. На это же указывает и сопоставление наблюдаемых изменений температуры с изменениями частот появления форм циркуляции E, W, C.

Например, на Кольском полуострове в теплое полугодие при макропроцессах формы Е, как правило, наблюдается положительная аномалия температуры воздуха. Средняя летняя температура при макропроцессах формы Е в период 1961-1990 гг. составляла 12,5°С, в то время как при макропроцесса форм W и С 9,3°С и 8,4°С соответственно. В этом случае переход от циркуляционной эпохи формы Е к эпохе с формой W, который произошел с начала 1990-ых гг. (см. рис.1), очевидно, должен был привести к некоторому снижению летней температуры. Однако в действительности летние температуры в период 1991-2012 гг. повысились. Уменьшение числа макропроцессов формы Е было полностью скомпенсировано повышением температуры воздушных масс, поступающих в регион. В этой связи, можно даже предположить, что наблюдаемое летнее потепление в регионе даже занижено за счет увеличения числа более холодных макропроцессов.

Заключение

В работе рассмотрены изменения температуры воздуха в г. Мурманске за период 1961-2012 гг. при макропроцессах форм W, E, C (по классификации Г.Я. Вангенгейма [4]). Показано, что потепление наблюдается внутри всех групп макропроцессов, что может рассматриваться как аргумент в пользу присутствия дополнительного механизма(ов) современного потепления, кроме изменений крупномасштабной циркуляции атмосферы, в ходе которых в регионе могло увеличиться число «теплых» макропроцессов и уменьшиться число холодных.

Список литературы

Болотинская М.Ш., Иванов В.В. Синоптико-статистические характеристики изменчивости естественных стадий развития макропроцессов различного временного масштаба //Тр. ААНИИ. 1999. Т. 441. С. 6-18.

Гирс А.А. Макроциркуляционный метод долгосрочных метеорологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 488 с.

Гирс А.А. Многолетние колебания атмосферной циркуляции и долгосрочные гидрометеорологические прогнозы. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 280с

Дмитриев А.А. , Белязо В.А. Космос, планетарная изменчивость и атмосфера полярных регионов. СПб.: Гидрометеороиздат, 2006. 360 с.

Кобышева Н.В., Наровлянский Г.Я. Климатологическая обработка метеорологической информации. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 296 с.

Кононова Н.К.Классификация циркуляционных механизмов Северного полушария по Б.Л. Дзердзеевскому / отв. ред. А.Б. Шмакин; Российская акад. наук, Ин-т географии. М.: Воентехиниздат, 2009. 372 с.

Куражов В.К., Иванов В.В., Коржиков А.Я.Роль атмосферной циркуляции в формировании долгопериодных колебаний климата Арктики // Тр. ААНИИ. 2007. Т. 447. С. 33–43.

Руководство по специализированному обслуживанию экономики климатической информацией, продукцией и услугами / Под ред. Н.В. Кобышевой. CПб.: ГГО, 2008. 336 с.

Справочник по климату СССР. Вып 1. Архангельская и Вологодская области, Карельская и Коми АССР. Часть II: Температура воздуха и почвы. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 359 с.

Справочник по климату СССР. Вып 2 .Мурманская область. Часть II: Температура воздуха и почвы. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 144 с.

Циркуляционные механизмы современных колебаний климата / Под ред. К.В. Кувшинова М: Наука, 1987. 192 с.

Яковлев Б.А. Климат Мурманской области. Мурманск: Мурманское кн. изд-во, 1961. 180 с.

Demin V.I., Chernous P.A., Moroz N.V. Long-term variation of large-scale circulation and its relation to climate changes at the Kola Peninsula. Book of abstracts of 32th International Conference on Alpine Meteorology, Kranjska Gora, June, 2013. Ljubljana: Ministrstvo za kmetijstvo in okolje, Agencija RS za okolje, 2013. P. 34.

Таблица 1

Изменение средних сезонных и годовых температур на ряде станций Кольского п-ова Примечание: сезоны для Кольского полуострова выделены в соответствии с классификацией, предложенной Б.А. Яковлевым [Яковлев Б.А., 1961]: зима (ноябрь-март), весна (апрель-май), лето (июнь-август), осень (сентябрь-октябрь). Ряды климатически однородные.

Станция	Население. (тыс. ч)	Зима	Весна	Лето	Осень	Год
Мурманск		1,4	0,8	0,2	0,6	0,9
Кандалакша		1,5	0,7	0,4	0,5	0,9
Краснощелье	0,4	1,4	1,0	0,3	0,8	0,9
Ловчорр		0,9	0,5	0,6	0,9	0,8

Таблица 2

Средние сезонные температуры в г. Мурманске при различных формах циркуляции и их изменение (по фактическим данным и после сглаживания)

форма циркуляции	сезон	Средняя сезонная температура воздуха, t°C	Изменение t°C
1961-1990	1991-2012	по сглаженным	по фактическим
W	зима	-9,3	-7,0	2,3	2,5
весна	-0,7	0,8	1,5	1,5
лето	9,3	10,7	1,4	1,2
осень	2,9	3,8	0,9	1,0
C	зима	-9,1	-8,6	0,5	0,6
весна	-0,7	0,6	1,4	1,4
лето	8,4	9,1	0,0	0,0
осень	2,5	2,6	0,7	0,7
E	зима	-7,4	-6,9	0,5	0,6
весна	2,2	3,6	1,3	1,0
лето	12,5	12,5	0,7	0,9
осень	5,0	5,7	0,1	0,4

Рис. 1. Многолетняя динамика аномалий числа дней году (Δn) с формами циркуляции W, C, E (по классификации Г.А. Вангенгейма). Прим.: аномалии рассчитаны от средних многолетних значений за столетний период 1900-2012 гг.

Рис. 2. Среднемесячные температуры воздуха в г. Мурманске при макропроцессах форм W (1), C(2), E(3) и по общей выборке (4) за период.1949-2012 гг.

Рис. 3. Годовой ход температуры воздуха в Мурманске в период 1949-2012 гг., полученный по среднесуточным данным (1) и после сглаживания (2)

Рис. 4. Изменение среднесуточных значений температуры воздуха в Мурманске, рассчитанных для периодов 1961-1990 и 1991-2012 гг., при разных формах циркуляции

Рис. 5. Изменение среднесуточных значений температуры воздуха в Мурманске, рассчитанных для периодов 1961-1990 и 1991-2012 гг., при разных формах циркуляции по сглаженным значениям

V.I. Demin, Священников П.Н., B.V. Ivanov

LONG-TERM VARIATION OF LARGE-SCALE CIRCULATION AND THE MODERN CLIMATE WARMING AT THE KOLA PENINSULA

In this research long-term changes of air temperatures at the Kola Peninsula were analyzed separately in different homogeneous groups of the circulation processes (W, E and C). It is shown that the increase of air temperatures is observed for all circulation forms. Thus the modern warming in the region is very difficult to interpret as a result of changes atmosphere circulation.

Keywords: atmosphere circulation, Arctic climate, climate changes, Murmansk region