Климатические аномалии в умеренных широтах Азиатско-Тихоокеанского региона, их взаимосвязи и влияние на водные системы Сибири и Дальнего Востока

В.И. Пономарев1, Е.В. Дмитриева1, С.П. Шкорба1, С.Г. Шапхаев
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия, pvi711@yandex.ru
2Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, Улан-Удэ, Россия, shapsg@gmail.com

В разномасштабных региональных климатических изменениях в умеренных широтах Азиатско-Тихоокеанского региона выделены смена климатических режимов на рубеже 20 и 21 веков на полувековых временных масштабах, а также межгодовые и многолетние колебания, которые зависят от фазы полувековых колебаний и при определенных условиях могут приводить к увеличению частоты экстремальных климатических событий.

Познание закономерностей климатической изменчивости в системе ледяной покров - океан - материки – атмосфера - литосфера и антропогенных воздействий на эту систему является важным для хозяйственной деятельности человека, ее развития и регулирования. Изменчивость взаимосвязанных физических процессов в оболочках геосферы характеризуется большим количество источников и стоков энергии, разномасштабностью, квазирегулярностью, наличием отрицательных обратных связей, придающих устойчивость климатической системе по отношению к внешним воздействиям. Достижения, полученные в области наук о Земле, позволяют решать прикладные задачи управления крупными, частично зарегулированными водными объектами, сохранить биоразнообразие, минимизировать последствия изменения экосистем, вызванных наводнениями, засухами, лесными пожарами, антропогенной трансформацией ландшафтов. Диагноз разномасштабных климатических аномалий, к чему относится и наша работа, позволит совершенствовать методы прогнозирования экстремальных климатических аномалий, сопутствующих природных процессов и катастрофических событий, в том числе в Северной Евразии, Сибири и на Дальнем Востоке России.

Закономерности изменения ледово-термических процессов, гидрологических циклов и уровенного режима озера Байкал исследовались в работах [1, 9-11]. Выделены полноводные и маловодные многолетние периоды в бассейне озера Байкал и реки Селенга, в том числе современный маловодный период до 2012г. [1]. Определены региональные причины и физические механизмы экстремального наводнения на реке Амур [7, 8, 12] и реках Приморья [5]. Наряду с региональными аномалиями важно определить их дальние связи с предшествующими и сопутствующими крупномасштабными аномалиями в системе океан - атмосфера в различных широтных зонах АТР, чему посвящена данная работа.

При анализе данных инструментальных наблюдений за последние 100-160 лет, а также колец деревьев за 200-250 лет выделяется колебание климата квазиполувекового масштаба с периодом 50-70 лет [6, 14, 15]. Такие колебания обнаружены в северной части Тихого океана, на севере Американского континента [14, 15] и в Арктике [6], где фазы этого колебания, многолетие периоды потепления или похолодания примерно совпадают. В современной интерпретации квазиполувековых колебаний климата, чередующихся аномалий с масштабами от 25 до 35 лет часто используется понятие климатических режимов. В.И. Бышевым и др. [2] выделены климатические режимы аналогичного временного масштаба в Северной Атлантике при построении фазовых траекторий в декартовой системе координат, по одной оси которой откладывается разность приземного атмосферного давления в центрах действия атмосферы Исландском и Азорском, а по другой оси - температура поверхности океана в районе этих же центров действия. В северной части Тихого океана выделить климатические режимы в терминах аналогичных по смыслу фазовых траекторий не удается.

Наряду с трендами потепления в приземном слое атмосферы и верхнем слое океана за период инструментальных метеорологических и океанографических наблюдений (за последние 150, 100 и 50 – 60 лет) существенный вклад в региональные аномалии погоды и климата вносят многолетние и межгодовые колебания атмосферной и океанической циркуляции, потоков тепла между океаном и атмосферой и остальных характеристик этой взаимодействующей системы. Амплитуда региональных климатических колебаний, как правило, значительно превышает величину приращения линейного тренда конкретных параметров системы океан – ледяной покров – атмосфера. Наиболее важными физическими параметрами системы являются приземная температура воздуха, атмосферное давление, скорость ветра, облачность, осадки, речной сток, температура, соленость, тепловой и солевой балансы поверхности океана, скорость течения, характеристики ледяного покрова, переносы тепла в океане и атмосфере.
В большинстве из этих параметрах можно выделить межгодовые и многолетние колебания с масштабами около 2-3 лет, 4-7 лет, 8-16 лет, 18-26 лет, 27 – 35 лет, которые могут иметь различные амплитуды и противоположные фазы в различных районах Земного шара, как например, интердекадные колебания в районе водосбора озера Байкал и субарктических районах Дальнего Востока, а также в Охотском и Японском морях и северо-восточной части Тихого океана, прилегающей к заливу Аляска [17]. Аномалии температуры воздуха, поверхности воды в Охотском, Японском морях и северо-западной части Тихого океана, обусловленные сопутствующим сигналом Эль Ниньо (колебания с периодом 3-7 лет) отрицательны в зимний и летний сезоны и имеют противоположный знак в этих морях по отношению к аномалиям температуры в районе залива Аляска [16]. На Дальнем Востоке России в период сильных и продолжительных Эль Ниньо усиливается зимний муссон Северо-Восточной Азии и ослабевает летний [3]. Ослабление летнего дальневосточного муссона (ветер юго-восточного румба), несущего влажный воздух и осадки, приводит в уменьшению уровня Артемовского водохранилища под Владивостоком [3].
Из множества параметров, характеризующих разномасштабные региональные климатические изменения в умеренных широтах Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР), в данной работе мы анализируем приземную температура воздуха, атмосферное давление, осадки, речной сток, тепловой баланс поверхности АТР. Использовались сеточные поля атмосферных характеристик у поверхности Земли из метеорологического реанализа NCEP NCAR с 1948 г. пo 2015 г. Для выделения многолетних климатических режимов в АТР мы рассматриваем особенности многолетнего изменения контрастов не только температуры поверхности океана и приземного атмосферного давления, но также разности между значениями результирующего потока тепла (Q) на поверхности океана в районах умеренных, средних и тропических широт, между значениями Q на Азиатском континенте и в океане умеренных широтного пояса. Контраст между Азиатским материком и северной частью Тихого океана обусловливает интенсивность Азиатско-Тихоокеанской муссонной системы и меридиональный обмен теплом, соответствующий определенным типам циркуляции атмосферы в АТР. Контраст между осредненными вдоль круга широты значениями приземного давления, температуры воздуха в зональных поясах высоких и умеренных широт определяет интенсивность зональной циркуляции атмосферы и циркумполярного вихря.

В результате за период наблюдений с 1948 по 2014 г. в АТР по контрастам Q и приземного атмосферного давления выделены три климатических режима 50-х – 60 лет, начала 70-х – середины 90-х лет и с конца 90-х – начала 2000-х по настоящее время. Современный климатический режим начала 21 века на юге Сибири, во всем бассейне озера Байкал и реки Селенга, а также на территории Монголии и северного Китая (40⁰-50⁰с.ш., 100⁰ -110⁰в.д.), включающей значительную часть бассейна реки Селенга, характеризуется, ростом атмосферного давления, летним потеплением и уменьшением сумм летних осадков (рис.1б, рис.2б).

Рис. 1. Временные ряды (с 1948 г. пo 2015) сезонных осадков (мм/мес) гидрологической весной (а), календарным летом (б) во всем бассейне оз. Байкал (46⁰-57⁰с.ш., 97⁰ -114⁰в.д.), включая бассейн р. Селенга.

Рис.2. Временные ряды (с 1948 г. пo 2015) нормализованных аномалий сезонных сумм осадков гидрологической весной (а) и календарным летом (б) в Монголии (40⁰-50⁰с.ш., 100⁰ -110⁰в.д.), включающей значительную часть бассейна реки Селенга.

В среднем многолетнем годовом ходе наименьшие сезонные суммы осадков в бассейне озера Байкал, в Сибири и на Дальнем Востоке наблюдаются зимой, а наибольшие летом в июле-августе. Экстремальные осадки на Байкале и в Сибири отмечаются в июле в период высокой повторяемости циклонов, а на Дальнем Востоке - в августе в период прохождения тайфунов. Значительный дефицит аномалий осадков в теплый период года, особенно в июле, августе в бассейне водосбора озера Байкал (рис.1), в Монголии (рис.1), как и в других районах умеренных широт Азии, обусловливает продолжительные маловодья и засухи. На рис.1б, 2б показано уменьшение летних осадков в среднем за последние 18 лет (с 1997г. по 2015г.) во всем бассейне водосбора оз. Байкал (46⁰-57⁰с.ш., 97⁰ -114⁰в.д.), включая бассейн р. Селенга, а также на территории Монголии и прилегающих приграничных районах Китая (40⁰-50⁰с.ш., 100⁰ -110⁰в.д.). Отрицательные аномалии осадков наряду с антропогенными факторами приводили к уменьшению стока реки Селенга в последние 18 лет. Сток р. Селенга составляет 50% от общего стока в Байкал и во многом определяет уровенный режим озера. Поэтому дефицит осадков в бассейнах озера Байкал, реки Селенга и уменьшение расхода р. Селенга во многом объясняет затянувшееся маловодье в бассейне озера Байкал [1].
На рис.1,2 видна также значительная межгодовая изменчивость осадков в этом районе, характерная для всего периода наблюдений. За последние 30 лет в бассейне озера Байкал (рис.1) экстремальное уменьшение осадков летом наблюдалось в 2015г., а гидрологической весной (апрель-июнь) - в 2003 и 2015гг., т.е. в годы продолжительных Эль Ниньо, начинавшихся гидрологической весной. В эти же годы наряду с 2005 и 2011 и 2014 гг. отмечаются отрицательные аномалии летних и весенних осадков на территории в Монголии и приграничных районов Китая (рис.2), где суммы осадков существенно меньше, чем севернее в бассейне оз. Байкал.
Наряду с экстремальным дефицитом осадков летом 2015г. и отрицательной аномалией осадков в весенний сезон в Байкальском регионе, в Бурятии наблюдались сильные пожары и положительная аномалия приземной температуры воздуха, что привело к значительному увеличению испарения в бассейне реки Селенга и озера Байкал. Не исключено и антропогенное влияние хозяйственной деятельности в бассейне этой реки на территории Монголии и Бурятии, вызванное добычей полезных ископаемых и вырубкой лесов, играющих водоохранную и водорегулирующую функции на водосборной территории при дефиците осадков.
На рис. 3 показаны области увеличения (красный и желтый цвет) и уменьшения (голубой и синий цвет) приземного атмосферного давления в зимний и летний сезоны в многолетний период с 1996 по 2014 г. по сравнению с периодом 1971-1991гг.

Рис.3. Разность между средними полями приземного атмосферного давления (гПА) в современный (1996-2014гг.) и предшествующий (1971-1991гг.) климатические режимы для гидрологического (январь - март) зимнего (а) и календарного летнего (б) сезонов.

Видно, что как в зимний (рис.2а), так и в летний (рис.2б) сезоны северного полушария рост атмосферного давления охватывает значительную часть Тихого океана с практически симметричными максимумами в центральных районах океана средних и умеренных широт северного и южного полушарий. Аналогичное увеличение давления в зимний и летний сезоны произошло в южной части Индийского океана, севернее Индии, в континентальной части Восточной Азии с максимумом на территории Монголии (40⁰-50⁰с.ш., 100⁰ -110⁰в.д.), включающей значительную часть бассейна реки Селенга, выделенном квадратной рамкой. Летом положительная аномалия приземного давления и уменьшение осадков охватывает также Северную Европу и континентальную часть Восточной Азии средних и умеренных широт, в том числе бассейн озера Байкал.

Уменьшение давления и усиление циклонической активности характерно для Восточной Арктики, Южного океана (севернее 50° ю.ш.), окраинных районов Тихого и Индийского океанов, включая Охотское, Берингово моря и в меньшей степени Японское море. В результате смены климатического режима в конце 20го – начале 21 веков в западной субарктике и субтропиках Тихого океана в последние 16 лет увеличилась повторяемость сильных штормов и экстремальных осадков, обуславливающих катастрофические наводнения на Дальнем Востоке и севере Китая.

Климатический тренд предшествующих десятилетий прошлого века в умеренных широтах АТР, сопутствующий глобальному потеплению, указывал на увеличение зимней температуры воздуха и увеличение годовых сумм атмосферных осадков в умеренных широтах Азии. Увеличение летней приземной температуры воздуха и уменьшение осадков в последние два десятилетия также указывает на смену климатического режима в конце 20го - начале 21 века. При смене климатического режима изменяются амплитуды межгодовых колебаний региональная климата в умеренных широтах АТР и Северной Евразии. Изменяются дальние связи между дипольными структурами центров действия атмосферы в Северной Атлантике, Тихом и Индийском океанах, а также на континентах, например, в зоне действия Сибирского (Монгольского) антициклона. Дальнейший поиск предикторов и типизаций макросиноптических процессов для улучшения прогнозирования экстремальных климатических аномалий должен строиться на углубленном понимании физических механизмов показанных закономерностей с применением математических моделей. На основе аналогичных предикторов возможно совершенствование прогнозов пожарной опасности в Сибири [4].

Для дальнейших исследований необходимо развитие глобальной и региональной системы наблюдений на суше и в океане, в частности метеорологических, гидрологических и океанографических наблюдений, наблюдений поверхности суши с использованием методов дистанционного зондирования Земли из космоса. Имеющийся уровень научных знаний об изменениях климата позволяет ставить вопросы об учете этих изменений при проектировании крупных ГЭС на Амуре и на Селенге на территории Монголии. Это обязывает заказчиков подобных мегапроектов оценивать их экологические последствия [13].

Выводы
1. Региональные особенности климатической изменчивости в Северной Евразии зависят от фазы квазиполувековых колебаний, обусловленных глобальными климатическими процессами и внешними воздействиями.
2. Статистический анализ временных рядов данных гидрометеорологических наблюдений позволил выявить смену климатических режимов на рубеже 20 и 21 веков в умеренных широтах Азиатско-Тихоокеанского региона.
3. Характерными особенностями современного климатического режима являются:

• положительные аномалии приземного атмосферного давления с максимумом зимой в центральных внетропических районах Тихого океана и на юге Индийского океана.
• аналогичный рост атмосферного давления на юге Сибири, в частности на территории Монголии и в бассейне водосбора озера Байкал, но с максимумом летом, сопровождающийся уменьшением, преимущественно летних осадков в этих районах.

4. Для улучшения прогнозирования экстремальных климатических аномалий в бассейне водосбора озера Байкал и крупных рек, в частности реки Амур, необходим поиск предикторов, характерных предшествующих макросиноптических ситуаций и крупномасштабных аномалий в системе океан – атмосфера, а также антропогенных изменений ландшафта с использованием данных дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса и современных математических моделей.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 15-05-03805 и проекта Дальний Восток 15-I-1-047o.

Литература

1.Бережных Т.В., Марченко О.Ю., Абасов Н.В., Мордвинов В.И. Изменение летней циркуляции атмосферы над восточной Азией и формирование длительных маловодных периодов в бассейне реки Селенга // География и природные ресурсы. 2012. №3. С. 61-68.
2.Бышев В.И., Нейман В.Г., Романов Ю.А., Серых И.В. О фазовой изменчивости некоторых характеристик современного климата в регионе Северной Атлантики // ДАН. 2011. Т.438, № 6, C.817–822.
3.Бышев В.И., Нейман В.Г., Пономарев В.И., Романов Ю.А., Серых И.В., Цурикова Т.В. Роль глобальной атмосферной осцилляции в формировании климатических аномалий Дальневосточного региона России // ДАН. 2014. Т. 458. № 1. С. 92-96.
4. Волокитина А.В., Софронов М.А., Корец М.А., Софронова Т.М.,Михайлова И.А., Цветков П.А.Прогноз поведения лесных пожаров.Отв. ред. П. А. Цветков. ¬ Красноярск : Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2010. ¬ 211 с.
5. Гарцман Б.И., Мезенцева Л.И., Меновщикова Т.С., Попова Н.Ю., Соколов О.В. Условия формирования экстремально высокой водности рек Приморья в осеннее-зимний период 2012 года. // Метеорология и гидрология, НИЦ «Планета». 2014. №4. С. 77-92.
6. Гудкович З.М., Карклин В.П., Смоляницкий В.М., Фролов И.Е. О характере и причинах изменений климата Земли // Проблемы Арктики и Антарктики. 2009. Vol. 81. N1. С.15-23.
7.Мезенцева Л.И., Соколов О.В., Друзь Н.И. Сбой циркуляции атмосферы над восточной Азией в период катастрофического наводнения на Амуре летом 2013г. // Юбилейный вып. ДВНИГМИ-65 лет.- Владивосток: Дальнаука, 2015. С.238-250.
8. Мезенцева Л.И., Соколов О.В., Друзь Н.И. Атмосферная циркуляция над Дальним Востоком в 2013 г. при экстремальном наводнении в бассейне Амура. // Известия ТИНРО. 2015. Т. 180. С.261-272.

9.Савельев В.А. Современные проблемы и будущее гидроэнергетики Сибири.- Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН.- 2000.- 200 с.

10. Сизова Л.Н., Куимова Л.Н., Шимараев М.Н. Циркуляция атмосферы, климат и ледово-термические процессы на Байкале в последние 60 лет. География и природные ресурсы, № 2, 2013. - С. 74-82.
11. Синюкович В.Н. Реконструкция естественного уровенного режима озера Байкал после строительства Иркутской ГЭС // Метеорология и гидрология, НИЦ «Планета». 2005. №7. С. 70-76.
12. Соколова Г.В. Анализ водного режима Амура за период до катастрофического наводнения в 2013 г. // Метеорология и гидрология, НИЦ «Планета». 2015. №7. С. 66-69.
13. Шапхаев С.Г. Эколого-правовые аспекты климатической адаптации плотинных ГЭС. Saabrucken, Lambert Academic Publishing, 2015. 86 c.
14. Minobe S. A 50–70 year climatic oscillation over the North Pacific and North America // Geophys. Res. Lett. 1997.
v. 24. P. 683–686.
15. Minobe S. Resonance in bidecadal and pentaldecadal climate correlations over the North Pacific: role in climatic regimes shifts // Geophys. Res. Letters. 1999. V. 26. P. 855–858.
16. Ponomarev V.I, Trusenkova O.O., Trousenkov S.T., Ustinova E.I., Kaplunenko D.D., Polyakova A.M. The ENSO signal in the Northwest Pacific // Proc. Science Board 98 Symp. 1997/98 El Nino event, Fairbanks, 14-25 Oct., 1998. PICES Scientific Report N 10. Sidney, Canada, 1999. P. 9–31.
17. Shkorba S.P., Ponomarev V.I., Dmitrieva E.V., Kuimova L.N. Long wave of interdecadal oscillation in moderate latitudes of the Asian Pacific // Presentations of the 2nd PICES/ICES/IOC International Symposium "Effects of Climate Change on the World's Oceans". May 14-18, 2012. Yeosu, Korea. 2012.
http://pices.int/publications/presentations/2012-Climate-Change/S1/Day2-...

Опубликовано: Cборник материалов IX Международной конференции «Реки Сибири и Дальнего Востока». Иркутск, 2015 ( в печати)