УДК [551.524.3+551.577.3]:551.583(470.34+470.40)
Пространственно-временные изменения основных показателей температурно-влажностного режима в Приволжском федеральном округе
Ю. П. Переведенцев*, К. М. Шанталинский*, Н. А. Важнова*
Дано описание основных характеристик климата и их пространственно-временных изменений за последние десятилетия в Приволжском федеральном округе на фоне современного глобального потепления по данным регулярной сети метеорологических станций, реанализа и Интернет-ресурсов. Выявлены долгопериодные тенденции изменения температуры воздуха, атмосферных осадков, облачности. Установлена зависимость некоторых климатических показателей от ряда геофизических факторов.
1. Введение
В последние годы усилился интерес к региональным изменениям климата и природной среды в целом и их социально-экономическим последствиям, происходящим на фоне современного глобального потепления. В работах [3, 5, 6, 9] дается анализ антропогенных и естественных факторов, определяющих изменения климата в XIX—XXI вв. Обнаружена общая тенденция увеличения числа и интенсивности региональных гидрометеорологических аномалий на фоне глобальных климатических изменений. Вопросам изучения глобальных и региональных климатических процессов посвящен также цикл работ, опубликованных авторами статьи. В час тнос ти, результаты статис ти чес ко го анали за со вре мен ных изме не ний климата в тропосфере и стратосфере Земли и в отдельных регионах Северного полушария до 2009 г. представлены в работах [4, 11, 12, 14].
В настоящей статье рассматриваются пространственно-временные изменения температурно-влажностного режима за последние десятилетия (1955—2009 гг.) на обширной территории Приволжского федерального округа (ПФО), для которого характерно многообразие природных условий, сложившихся на пространстве Волжского бассейна и Предуралья. При этом особое внимание уделено долгопериодным изменениям температуры воздуха, количества осадков и общей облачности, а также количественной оценке влияния ряда естественных факторов (солнечная активность, неравномерное вращение Земли, циркуляция атмосферы) на температуру возду ха и осад ки ре ги о на.
* Казанский (Приволжский) федеральный университет; e-mail: Yuri.Perevedentsev@gmail.com.
2. Материалы и методы
В качестве исходных материалов для данного исследования использовали данные ВНИИГМИ-МЦД (1955—2009 гг.), представляющие собой средние месячные значения температуры приземного воздуха, сумм осадков и общей облачности более чем на 200 метеостанциях, относительно равномерно расположенных на территории округа и сопредельных территориях. Кроме того, использовали данные реанализа 1 NCEP/NCAR (1948—2009 гг.) о температуре воздуха Северного полушария, распространяемые NOAA/OAR/ESRL PSD, США.
Методом объективной интерполяции указанные данные были разнесены в узлы квадратной сетки с шагом 20 км и проведено пространственное и временное осреднение исследуемых величин по территории всего округа, отдельных его регионов и по сезонам года. По исходным и пространствен-но-осредненным временным рядам были рассчитаны характеристики описательной статистики, выполнен трендовый и корреляционный анализ.
Для вы явле ния дол го пе ри од ных изме не ний вре мен ные ряды были подвергнуты цифровой фильтрации с помощью низкочастотного фильтра Пот-тера [21] с полосой пропускания 10 лет и более. Использование фильтра Поттера с указанной полосой пропускания колебаний обусловлено тем, что этот цифровой фильтр существенно не искажает фазы колебаний [10, 20], а также ординаты сглаженного ряда в этом случае близки к ординатам, полученным широко используемым в климатологии методом скользящих средних с интервалом осреднения 11 лет. При этом качество сглаживания фильтром Поттера по сравнению с простым скользящим осреднением существенно лучше (рис. 1).
По средним месячным значениям за исследуемый период была выполнена цифровая фильтрация низкочастотного компонента (НЧК) временных рядов указанным выше способом. Суммарное изменение исследуемых характеристик определялось путем суммирования меж-годо вых раз нос тей НЧК на учас тках монотонного изменения сглаженных кривых. Отношение полученных величин к периодам монотонного изменения характеризует среднюю скорость изменения ис следуе мых ве ли чин на дан ном вре мен-ном от рез ке.
Далее были построены зависимости меж годо вых изме не ний НЧК от года и месяца. Результаты представлялись в виде „-мерных векторов X(x1, х2, ..., Xi,..., x„) и Y(y1, y2, ..., yt, ..., y„), а в качестве показателя сходства векторов разных пунктов X и Y в Ж-мерном пространстве применялся показатель ^ [7, 17], определяемый выражением
Al'r, мм
• • — 1 — 2 — 3
I'L, 4fh 1 i«i | ш1
ЬгйпТ TrF
■If 1 j "l f '
-¿ии I I I I | I I I-1 I I I I | I I I I | I I I I | I I I I
1950 1970 1990 2010
Рис. 1. Многолетний ход аномалий (относительно нормы за период 1961—1990 гг.) годовых сумм осадков, осредненных по территории Приволжского федерального округа.
1 — исходный ряд; 2 — простое 11-летнее скользящее осреднение; 3 — сглаживание низкочастотным фильтром Поттера (полоса пропускания 10 лет и более).
Z Z)2
5 = , ' =1 = +-—-,
\n n » »
, Z (X' )2 Z (У' )2 Z (*, )2 + ! (*, - * )2
\Г~1 Г~1 ' =1 ' =1
где первое слагаемое представляет косинус угла ф между сравниваемыми векторами и является мерой параллельности векторов, а второе — мерой близости между ними.
Параметр ^ может принимать значения в интервале от-1 до 2. При ^ = 2 имеет место полная аналогия рассматриваемых векторов, при ^ = -1 — полная контраналогия. Для определения границы между аналогичными и неаналогичными векторами все пространство делилось на два класса: ф < 45° — аналогичные; ф > 45° — неаналогичные векторы.
Указанным методом на территории округа были выделены три района (рис. 2а), в которых долгопериодная динамика температуры за период с 1955 по 2009 г. имеет сходный характер. Из-за большей пространственной изменчивости сумм осадков выделено 7 районов (рис. 2в), в которых имеет место их сходная долгопериодная динамика. По округу в целом и каждому району было произведено пространственное осреднение месячных, сезонных и годовых значений температуры и сумм осадков. Полученные временные ряды также были подвергнуты цифровой фильтрации для выделения НЧК.
3. Пространственное изменение климатических показателей
Рассмотрим особенности пространственного изменения основных климатических показателей на территории Приволжского федерального округа за базовый период 1961—1990 гг. Значения средней многолетней годовой приземной температуры изменяются от 6,0°С (юго-запад) до 0°С (северо-восток) (рис. 2а). В центре округа они имеют порядок 3,0—4,0°С, с запада на восток происходит понижение температуры. В возвышенных районах Башкортостана и на северо-востоке Пермского края формируются наиболее суровые условия. Годовые изотермы направлены с северо-запада на юго-восток.
В январе средняя многолетняя температура повышается от -18,0°С (северо-восток) до -9,0°С (юго-запад). Самая низкая температура наблюдается в восточной половине региона. Зимой формирование температурного режима происходит в условиях отрицательного радиационного баланса поверхности и под влиянием адвекции тепла с Северной Атлантики, что создает перепады температуры между западом и востоком округа в 4— 6°С.
В июле изотермы из-за доминирующего влияния радиационного фактора принимают зональный характер. Средняя многолетняя температура увеличивается от 16,5°С (северо-восток) до 24,0°С (крайний юг) и температурные контрасты вдоль меридиана не столь велики.
Если запад округа характеризуется достаточно мягким континентальным климатом, то восток — весьма суровым. Годовая амплитуда темпера-
Рис. 2. Средние многолетние (1961—1990 гг.) значения температуры воздуха (а; °С); годовых амплитуд температуры воздуха (б; °С); сумм осадков (в; мм) и количества общей облачности (г; %).
Цифрами 1 — 3 на рисунке а и 1—7 на рисунке в обозначены районы с однородными изменениями соответствующей величины (см. ниже раздел 4).
туры минимальна на западе (29,1°С, Нижний Новгород) и максимальна на юго-востоке (37,2°С, Зерносовхоз Озерный), что отражает увеличение континентальности климата с северо-запада на юго-восток (рис. 2б).
В апреле температура быстро повышается и становится положительной повсеместно (разность температуры между севером и югом составляет 7,6°С) и, напротив, осенью наблюдается обратная картина: в октябре отмечается положительная температура, а в ноябре она повсеместно отрицательная. Самая низкая температура наблюдается на северо-востоке округа, где изотермы приобретают черты, близкие к зимним. Более детально термический режим рассмотрен в работе [13].
Рас преде ле ние по тер ри то рии коли чес тва осад ков име ет более слож ный характер, чем распределение температуры (рис. 2в). Годовые суммы осадков увеличиваются с юга и юга-востока на север от 300 до 800 мм. Наи-
большее количество осадков выпадает в предгорных районах Пермского края и Башкортостана. В холодный период распределение количества осадков наиболее неоднородное: на крайнем юго-востоке их выпадает меньше всего — 80 мм, а на севере территории и наветренных склонах Уральских гор — до 280 мм. В теплый период на большей части территории ПФО распределение осадков имеет примерно зональный характер и их сумма уменьшается от 440 мм на севере до 200 мм на юго-востоке. Исключением являются крайние восточные районы округа, где под влиянием Уральских гор изогиеты располагаются меридионально вдоль склонов. На востоке Пермского края наблюдается максимум осадков теплого периода (>560 мм). В то же время в течение всего года отмечаются орографически обусловленные локальные максимумы, например, в районе Бу-гульмы — 380 мм, здесь сказывается влияние Бугульминско-Белебеевской возвышенности.
В происходящих климатических процессах значительна роль облачности, которая определяет приход солнечной радиации и регулирует тепловое излучение, тем самым оказывая определяющее влияние на энергетический баланс Земли, из облаков выпадают атмосферные осадки.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.