«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 19, ¹ 9 (2006)
УДК 551.58 + 551.51
Ì.Â. Êàáàíîâ1, Â.Í. Ëûêîñîâ2
Мониторинг и моделирование
природно-климатических изменений в Сибири
1 Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск
2 Институт вычислительной математики РАН, г. Москва
Поступила в редакцию 25.04.2006 ã.
Дается обзор выявленных за последние годы эмпирических закономерностей по результатам статистической
обработки накопленных инструментальных данных. Среди этих закономерностей: тренды и траектории
наблюдаемого потепления в Сибири, межсезонные колебания приземной температуры, временные
периодичности потепления в разных городах Сибири. С другой стороны, обсуждаются возможности использования
современных математических моделей климата для описания региональных природноклиматических
изменений. К обнадеживающим результатам математического моделирования относятся:
воспроизведение региональной приземной температуры с помощью совместной модели общей циркуляции
атмосферы и океана, оценка региональных последствий глобального потепления, учет региональных гидрологических
процессов. Отмечается перспективность объединения двух методологических подходов (эмпирического
и математического моделирования), а также необходимость преодоления ряда нерешенных проблем
при таком объединении.
Введение
На Международной конференции в 1972 г.
академик М.И. Будыко впервые высказал основанное
на его расчетах и смутившее специалистов мнение,
что вместо ожидаемого тренда похолодания
в ближайшие годы должна проявиться тенденция
к глобальному потеплению [1]. А в 1992 ã. на Конференции
ООН по окружающей среде и развитию
в Рио-де-Жанейро наблюдаемые природно-климатические
изменения под воздействием природных
и антропогенных факторов уже были признаны угрожающими
для развития цивилизации [2]. Решения
этой Конференции ООН, подписанные тогда многими
присутствующими главами государств и правительств,
в значительной мере стимулировали научные
исследования по окружающей среде и климату
на планете в рамках разработанных международных,
национальных и региональных программ.
Результаты дальнейших научных исследований
по глобальным и региональным природно-климатическим
изменениям привели к выводам о том, что
необходим более детальный учет региональных
особенностей [3], а взаимосвязанные изменения
различных компонентов системы Земля не поддаются
объяснению в рамках простой парадигмы
«причина–следствие» (Амстердамская декларация –
2001 [4]). Наиболее краткая и емкая формулировка,
учитывающая новые методологические принципы
исследований: «интегрированные региональные
исследования», которые в рамках Международной
геосферно-биосферной программы были объявлены
в 2002 г. стратегическим направлением для дальнейших
мультидисциплинарных исследований [5].
Новые методологические принципы легли на подготовленную
почву для дальнейших исследований
в Сибирском ðåãèîíå. Дело в òîì, что еще в 1993 ã.
по инициативе академика В.А. Коптюга (тогда
Председателя Сибирского отделения РАН), принимавшего
участие в подготовительном процессе
и работе Конференции ООН в Рио-де-Жанейро,
были организованы мультидисциплинарные исследования
в рамках регионального проекта «Климатоэкологический
мониторинг Сибири» (координатор
чл.-кор. РАН М.В. Кабанов). Сформулированная
тогда концепция комплексного регионального мониторинга,
сгруппированная инструментальная база
для натурных наблюдений и некоторые результаты
исследований были описаны в серии монографий
под общим названием «Региональный мониторинг
атмосферы» [6].
Дальнейшая разработка научных и технологических
основ мониторинга, моделирования и прогнозирования
региональных климатических и экосистемных
изменений под воздействием природных
и антропогенных факторов стала целевой задачей
Института мониторинга климатических и экологических
систем Сибирского отделения РАН. По существу
формулировка этой задачи уже учитывает
основные методологические принципы «интегрированных
региональных исследований», а первые же
результаты исследований показали необходимость
их сопоставления с имеющимися математическими
моделями климата, которые с достаточной точностью
учитывают и описывают глобальные климатообразующие
процессы.
В свою очередь современные математические
модели климата (ñì., íàïðèìåð, [7]), в отличие от
Мониторинг и моделирование природно-климатических изменений в Сибири
753
Стр.1
ряда предшествовавших (в частности, [8]), рассматривают
согласно определению Всемирной метеорологической
организации климатическую систему
планеты Земля как глобальную систему, образованную
такими взаимодействующими между собой
компонентами, как атмосфера, океан, суша,
криосфера и биота [9]. Математически климат при
этом определяется как статистический ансамбль
состояний, принимаемых климатической системой
за достаточно большой интервал времени (∼ 30 лет)
и характеризующихся большим, но конечным множеством
параметров. На первый взгляд представляется,
что сопоставление таких глобальных математических
моделей климата с результатами инструментального
мониторинга на ограниченных отрезках
времени является проблематичным. Однако
за последние годы и здесь появились обнадеживающие
перспективы.
В Институте вычислительной математики РАН
создана математическая модель климата [7], основанная
на глобальных моделях общей циркуляции
атмосферы и океана и на точном описании всех
физических процессов, участвующих в формировании
климата. Апробация разработанной модели
с целью воспроизведения современного климата подтвердила
ее конкурентоспособность с другими моделями
(около 30), разработанными в разных странах
мира и участвующими в международных программах
сравнения климатических моделей. По мере
совершенствования вычислительных средств и самих
моделей климата существенно расширяются их
возможности для исследования актуальных региональных
проблем климатической изменчивости, в том
числе с использованием эмпирических данных, накопленных
в отдельных регионах, включая Сибирь.
Таким образом, экспериментальные исследования
реальной климатической системы (мониторинг)
и теоретические исследования глобальной климатической
системы (математическое моделирование)
вышли на новый переломный этап совместных исследований.
Для развития таких исследований необходимы
построение обоснованной иерархии взаимодействующих
между собой подсистем в составе
глобальной климатической системы и уточнение
описания происходящих в них физических процессов.
Среди подобных подсистем с разными масштабами
пространственно-временных вариаций особое
место занимают техногенные системы, роль которых
на количественном уровне пока достоверно не
выявлена. Задача данной публикации состоит в том,
чтобы на примере некоторых конкретных результатов
проиллюстрировать стартовые позиции двух
научных подходов к решению общей проблемы,
связанной с наблюдаемыми глобальными и региональными
климатическими изменениями под воздействием
природных и антропогенных факторов.
Эмпирические закономерности
потепления
Природные и климатические изменения в Сибири
представляют особый интерес в свете гло754
бальных
изменений системы планеты Земля. Этот
особый интерес связан с рядом фактических обстоятельств.
тория
Сибири (около 10 млн км2) является неоспоримо
весомым природно-территориальным регионом
Евразийского континента и отличается разнообразным
сочетанием климатообразующих факторов.
Во-вторых, на значительной части территории
Во-первых, обширная континентальная терриСибири
расположены лесные и водно-болотные
угодья, которые играют планетарно значимую климаторегулирующую
роль за счет процессов эмиссии
и аккумуляции основных парниковых газов (СО2,
ÑÍ4 и äð.).
В-третьих, разнообразие климатических зон
Сибири и наличие мезомасштабных районов с предельно
высокой или совсем отсутствующей техногенной
нагрузкой создают беспрецедентные на планете
условия для научных исследований современных
природных и климатических изменений, а также
для выявления весовой роли природных и антропогенных
факторов в наблюдаемых изменениях.
Отмеченные и некоторые другие региональные
особенности Сибири являются безусловно важным
основанием для интегрированных региональных
исследований в этом регионе планеты. Но еще более
важным основанием для таких исследований
являются факты, свидетельствующие о повышенных
темпах наблюдаемого потепления в этом регионе
и последствиях этого потепления для природной
среды. Ниже обсуждаются результаты анализа масштабов
и выявленных закономерностей этих изменений
в Сибири. При этом в предлагаемом обзоре
результатов, полученных за последние годы, предпринята
попытка обсудить не только выявленные
эмпирические закономерности, но и те методологические
проблемы исследований, которые следуют
из уже полученных результатов.
Линейные тренды и траектории
потепления
Обсуждение результатов анализа по темпам
потепления в Сибири начнем с итогов расчета линейных
трендов для среднегодовых температур за
период с 1965 по 2000 ã. Среднегодовые температуры
рассчитывались по данным сайта NCDC (Эшвиль,
ÑØÀ, http://www.ncdc.noaa.gov) для приземной
температуры (ряды среднемесячных температур
на высоте 2 м по 223 метеостанциям Ñèáèðè).
Подробное изложение методики и некоторых
результатов вычислений изложено в [10].
На рис. 1 из [10] приведена карта пространственного
распределения величины линейного тренда
для среднегодовой приземной температуры на территории
Сибири. Изолинии на этой карте потепления
выделяют районы с разной величиной тренда
(разная степень зачернения) через 0,1 °С потепления
за десять лет. Изолинии нанесены с погрешностью
интерполяционных процедур.
Как видно из рис. 1, на всей территории Сибири
темпы потепления во второй половине XX в.
были достаточно высокими (áîëåå 0,2 ãðàä/10 ëåò),
Кабанов Ì.Â., Лыкосов Â.Í.
Стр.2
Рис. 1. Карта линейных трендов среднегодовой приземной температуры за период 1965–2000 гг. Штриховые кривые – изолинии
среднемесячной температуры в январе за период 1881–1935 (âåðõíÿÿ для – 28 °Ñ, нижняя для – 20 °Ñ)
а в отдельных районах достигли величины линейного
тренда 0,5 град/10 лет. Эти мезомасштабные
по размерам районы, которые можно назвать очагами
ускоренного потепления, сосредоточены прежде
всего в Восточной Сибири. Если сравнить карту
потепления на рис. 1 с климатическими картами
предыдущих десятилетий [11], то прослеживается
тенденция к восстановлению отсутствующей в те
десятилетия широтной зональности климата на территории
Сибири. Об этом свидетельствуют приведенные
на рис. 1 изолинии (штриховые линии)
среднемесячных температур для января за период
1881–1935 ãã., которые разделяют районы Сибири
на более холодные (к северу от изолиний) и более
теплые (к югу от изолиний) и которые существенно
отклоняются от широтной зональности в этот период.
Приведенная выше карта потепления в Сибири
дает приближенное представление о межгодовых
изменениях приземной температуры, так как при
расчетах линейных трендов не учитываются различные
темпы потепления в разные годы. Наиболее
наглядный и не искаженный сглаживающим осреднением
способ выявления различных темпов потепления
в отдельные годы состоит в простом суммировании
среднемесячных температур. Тогда получаются
температурные траектории, которые представлены
на ðèñ. 2 из [12] для двух городов Ñèáèðè.
По оси ординат здесь отложены суммы среднемесячных
температур ∑TM, где TM в градусах Öåëüñèÿ,
а по оси абсцисс – годы (è ìåñÿöû). В такой
системе координат наклон траектории показывает
темпы потепления, а колебательная структура
внутри каждого года характеризует масштабы межсезонных
колебаний приземной температуры.
Из рассмотрения представленных на рис. 2
и многих других (для различных метеостанций Сибири)
температурных траекторий следуют два принципиальных
факта. Один из них состоит в том, что
для всех рассмотренных метеостанций температурные
траектории близки к параболическому виду,
соответствующему линейному тренду межгодовых
изменений, но не являются гладкими (монотонными).
Немонотонный характер траекторий на рис. 2
указывает на временную неоднородность темпов
потепления в прошедшее столетие.
Рис. 2. Эволюционные траектории приземной температуры
Другой факт следует из сравнения траекторий
для двух городов, представленных на рис. 2. Эти
траектории совпадают до 70-õ ãã. XX â., когда они
почти скачкообразно разошлись, а затем снова стали
параллельными. Учитывая, что именно в 1970 г.
завершилось заполнение большого Красноярского
водохранилища (ïëîùàäü 2000 êì2, объем 73 êì3
[13]), можно сделать вывод о достаточной чувствительности
температурных траекторий к столь крупным
географическим событиям антропогенного
происхождения. Вместе с тем из подобия приведенных
двух траекторий до и после отмеченного
Мониторинг и моделирование природно-климатических изменений в Сибири
755
Стр.3