Климатические изменения гидрометеорологических условий

Климатические изменения
гидрометеорологических условий Черного
моря
Climatic changes of the Black Sea
hydrometeorological conditions
Ильин Ю.П.
Морское отделение Украинского научно-исследовательского
гидрометеорологического института, Севастополь, Украина
Ilyin Y.P.
Marine Branch of Ukrainian Hydrometeorological Institute,
Sevastopol, Ukraine
mb_uhmi@stel.sebastopol.ua
Введение
„
„
Традиционно МО УкрНИГМИ (до 1992 г. – СО
ГОИН) занимается исследованиями гидрометрежима
Азовского и Черного морей и его изменениями
(Ильин и Репетин, 2006; Ильин, 2008; Ilyin, 2010a; Ilyin,
2010b; Липченко и др., 2006, Ильин и др., 2009).
Долгопериодные изменения таких показателей
морского климата как температура воздуха и воды,
количество атмосферных осадков, скорость
приземного ветра, уровня моря, испарения с морской
поверхности, притока речных вод в море и солености
морской воды могут быть представлены в виде суммы
линейных трендов и квазипериодических колебаний.
Представление временного ряда
µ (t ) = µ 0 + at + ∑ µC (t ) + ∑ µ I (t ) + µ
T ≥30
T <30
Линейный
Климатич.
Межгодовые
тренд
колебания
колебания
Цель работы – оценить компоненты изменчивости
рядов г/м элементов по данным морских
гидрометстанций на масштабах климатических
изменений, т.е. не менее 30 лет (Полонский, 2008)
''
Морские гидрометеостанции Украины, России и Грузии, использованные
для оценки климатических изменений в прибрежной зоне Черного моря
Odessa
Ochakov
Khorly
Primorskoye
Opasnoye
Chernomorsk
Anapa
Yevpatoria
Feodosia
Sevastopol
Yalta
Cape Khersones
Novorossiysk
Tuapse
Batumi
К 80-летию МГИ НАН Украины
(Севастополь, 8-10 сентября 2009)
„
„
„
Величины вековых трендов, полученные по
среднемесячным, сезонным и годовым значениям
указанных показателей, приведены в работе (Ilyin,
2010a).
В частности, на черноморском побережье Украины
(Одесса, Севастополь, Феодосия) отмечены значимые
вековые тренды температуры воздуха 0.4 – 0.8 °С/100
лет, что соответствует оценкам глобального
потепления (IPCC, 2007).
Однако, в некоторых районах (Ялта, Очаков) вековые
линейные тренды оказались нулевыми, при этом здесь
преобладали квазипериодические изменения с
периодом около 70 лет, оцененным с помощью
полиномиальной аппроксимации для этих и
остальных станций (Ильин и Репетин, 2006).
„
„
Значимые отрицательные тренды получены для
среднегодовой скорости ветра (~ 0.1 – 0.3 м/с⋅10лет), а
также для ее среднесезонных значений (зимних и
летних). В течение 2-ой половины ХХ века
наблюдалось систематическое уменьшение годовой
повторяемости сильных (штормовых) ветров со
скоростью более 15 м/с.
Повышение термического фона и ослабление динамики
приводной атмосферы сопровождалось потеплением
морской воды у берегов Украины и в открытом море. За
период 1923-2005 гг. выявлены значимые тренды роста
среднегодовой температуры воды ~ 0.05 °С/10 лет,
главным образом за счет повышения средней зимней
температуры воды на 0.1 – 0.2 °С/10 лет (Ilyin, 2010a).
„
„
Значимый рост количества осадков и, особенно,
уменьшение испарения во 2-й половине ХХ века
(Липченко и др., 2006) определили рост притока
пресных вод в море (пресноводного баланса, ПВБ) даже
при отсутствии климатического тренда стока рек.
ПВБ – основной управляющий фактор водообмена
Черного моря на масштабах межгодовой изменчивости.
При стабильном, относительно слабом
результирующем притоке воды из Азовского моря
увеличение ПВБ Черного моря определило рост оттока
и ослабление притока воды через пролив Босфор. Это
обусловило положительный тренд объема (уровня) моря
2 км3/год (5 мм/год), а также значимые тренды
понижения солености морской воды у побережья и в
открытых районах Черного моря (Ilyin, 2010a, 2010b).
„
„
„
На фоне вековых трендов происходят низкочастотные
колебания климатических показателей.
К сожалению, даже достаточно продолжительные
вековые ряды инструментальных
гидрометеорологических наблюдений на побережье
Черного моря не позволяют получить значимые оценки
низкочастотных периодичностей с помощью
стандартных методов спектрального анализа.
Известно, что региональный климат в Черном море
находится под воздействием глобальных процессов,
которые могут адекватно описываться индексами
Атлантической Мультидекадной Осцилляции (АМО) и
Северо-Атлантического Колебания (САК).
Характеристика влияния океана и значения этих
индексов для исследований регионального климата
содержится в монографии (Полонский, 2008).
„
„
„
Дальнейший анализ представляет собой попытку оценки
основных климатических периодичностей по
имеющимся временным рядам индексов АМО и САК и
использования полученных результатов для описания
низкочастотных колебаний гидрометеорологических
показателей в Черноморском регионе.
Для оценки спектров и аппроксимации низкочастотных
вариаций временных рядов применялся один из МНКметодов спектрального анализа – периодограмма Ломба
(Lomb, 1976), реализованный в программном пакете
статистического анализа палеоданных PAST
(http://folk.uio.no/ohammer/past).
Ряды годовых значений индексов были подвергнуты
предварительной фильтрации высокочастотных
осцилляций с помощью 5-летнего скользящего
осреднения и удалению линейных трендов.
Индекс АМО (1856-2008)
Источник: http://www.cdc.noaa.gov/Timeseries/AMO/
Ряд: Среднегодовые, сглаженные 5-летним скользящим средним
Спектральный анализ: Периодограмма Ломба (значимый пик на
периоде 66 лет)
0,5
60
0,4
50
0,3
0,2
0,1
30
AMO
P ow er
40
0
-0,1
20
-0,2
10
-0,3
-0,4
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
Frequency
1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 19902000 2010
Year
Индекс САК (1824 – 2008)
Источник: http://www.cru.uea.ac.uk/~timo/datapages/naoi.htm
Ряд: Средние за зиму (декабрь-март), сглаженные 5-летним
скользящим средним, без тренда.
Спектральный анализ: Периодограмма Ломба (значимые пики на
периодах 76, 38 и 22 лет).
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
1
NAO win (G-I), 5-yr averaged
P ow er
2
0
-1
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
Frequency
1830 1840 1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Year
Палеореконструкция индекса САК (1500 – 2001)
Ряд: Средние за зиму (декабрь-февраль), сглаженные 5-летним
скользящим средним, тренд удален.
Спектральный анализ: Периодограмма Ломба (наиболее
значимые пики на периодах 173, 95, 67, 34, и 22 лет).
30
20
Power
Ссылка:
Luterbacher, J., Xoplaki, E.,
Dietrich, D., Jones, P.D.,
Davies, T.D., Portis, D.,
Gonzalez-Rouco, J.F., von
Storch, H., Gyalistras, D., Casty,
C., and Wanner, H., 2002.
Extending North Atlantic
Oscillation Reconstructions
Back to 1500. Atmos. Sci. Lett.,
2, 114-124.
10
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
ftp://ftp.cru.uea.ac.uk/data
Frequency
0,1
„
„
„
Таким образом, основным периодом междесятилетней
изменчивости последних столетий является период около
70 лет, который проявляется в рядах индексов АМО и
САК. Кроме того, значимые пики обнаружены в рядах
САК на масштабах вековых (95, 173 лет) и более
высокочастотных междесятилетних колебаний (34, 22 лет).
С учетом того, что климатическими изменениями
считаются низкочастотные колебания с периодами не
менее 30 лет, предпринята попытка МНК-аппроксимации
рядов гидрометеорологических показателей
суперпозицией климатических гармоник с периодами 95,
67 и 34 лет.
Предварительно из исходных рядов были удалены
линейные тренды (в случаях отсутствия вековых трендов,
например - для ряда стока рек или температуры воздуха в
Ялте, вычитались среднемноголетние значения этих
показателей).
Долгопериодные колебания в ЧМ:
Климатические изменения среднегодовой ТВ (линейный
тренд удален), аппроксимированные по МНК
гармоническими функциями с периодами 95, 67 и 34 лет,
определенными по спектру ряда палео-САК (зимних)
2
2
Ялта
1
Температура, °С
Температура, °C
1
Одесса
0
0
-1
-1
1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Год
1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Год
Долгопериодные колебания в ЧМ:
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
-0,1
-0,2
-0,3
-0,4
-0,5
-0,6
-0,7
-0,8
-0,9
Севастополь
Скорость ветра, м/с
Скорость ветра, м/с
Климатические изменения среднегодовой скорости ветра
(линейный тренд удален), аппроксимированные по МНК
гармоническими функциями с периодами 95, 67 и 34 лет,
определенными по спектру ряда палео-САК (зимних)
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Год
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
-0,1
-0,2
-0,3
-0,4
-0,5
-0,6
-0,7
Одесса
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Год
Долгопериодные колебания в ЧМ:
Климатические изменения годовых объемов стока рек и
осадков (линейные тренды удалены), аппроксимированные
по МНК гармоническими функциями с периодами 95, 67 и
34 лет, определенными по спектру ряда палео-САК (зимних)
200
Сток рек
200
100
Объем, км3
Объем, км3
100
Осадки
0
-100
0
-100
1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Год
1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Год
Долгопериодные колебания в ЧМ:
Климатические изменения годовых объемов испарения
(линейный тренд удален), аппроксимированные по МНК
гармоническими функциями с периодами 95, 67 и 34 лет,
определенными по спектру ряда палео-САК (зимних)
200
Испарение
Объем, км3
100
0
-100
1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Год
„
„
„
„
Полученные аппроксимации удовлетворительно описывают
долгопериодные (междесятилетние и вековые) изменения
рассматриваемых рядов, что служит доказательством влияния
естественных глобальных колебаний климата на региональные
климатические изменения.
Характер исходных рядов и низкочастотных вариаций для
разных районов побережья неодинаков, что отражает влияние
на местные гидрометеоусловия различных региональных
факторов.
Температура воздуха в Ялте на вековом масштабе стабильна
(отсутствует линейный тренд), однако здесь лучше, чем в
Одессе, выражены междесятилетние колебания. В Одессе более
наглядно проявилось похолодание 80-х годов ХХ века,
объясняемое фазой падения значений АМО.
Низкочастотные колебания отклонений от отрицательного
тренда скорости ветра в Одессе имеют почти
монохроматический характер по сравнению с Севастополем, и
демонстрируют отсутствие роста в начале ХХ1 века. Таким
образом, в изменениях климата отражаются существенные
различия физико-географических условий северо-западной
части Черного моря и южного побережья полуострова Крым.
Циклы солнечной активности (СА)
„
„
„
„
„
11 (8-14) лет – цикл Швабе – изменение числа
Вольфа
22 года – цикл Хейла – изменение полярности
ЭМ поля Солнца
~ 100 (80-120) лет – цикл Глайсберга - вековой
цикл 11- летних максимумов
~ 180 лет – период вращения Солнца относит.
центра масс Солнечной системы
34-36 лет – также связан с динамикой СС, ~ 1/5
от предыдущего (Landscheidt, 1998)
1,0
150
2
R = 0,3418
0,0
90
70
2
R = 0,4595
-1,0
30
10
1700
1750
1800
1850
Mean_Wolf
Mean_NAO-pal
-1,5
1900
1950
Polynom-4
2000
Polynom-4
Средние по циклам
Швабе числа Вольфа и
индекс палео–САК
демонстрируют
совпадение в
противофазе на
масштабе ~ 200 лет
100
Вариации средних по
циклам Швабе чисел
Вольфа и индекса АМО не
совпадают, что
свидетельствует в пользу
независимости изменений
меридиональных потоков
тепла в Атлантике от СА
0,4
90
0,2
80
70
0,0
60
-0,2
50
40
-0,4
30
20
-0,6
10
0
1850
1870
1890
1910
Mean_Wolf
1930
1950
Mean_AMO
1970
1990
-0,8
2010
AMO
50
-0,5
Paleo-NAO
0,5
110
Wolf Number
Wolf Number
130
160
14,0
14,0
0,90
13,5
0,70
0,50
13,0
0,30
0,10
12,5
140
13,0
100
80
-0,10
60
-0,30
40
12,0
13,5
120
12,5
2
11,5
1850
1870
1890
1910
1930
1950
1970
Mean_Ta-Yalta
Mean_AMO
1990
-0,50
2010
Колебания средних по циклам Швабе
индексов АМО проявляются в
долгопериодных колебаниях средних
ТВ, (Ялта).
Средние по циклам Швабе числа
Вольфа варьируют синхронно в
противофазе с САК на масштабе
цикла Глайсберга, а колебания САК
на масштабах 2-3 циклов Швабе
совпадают в противофазе с
изменениями ТВ.
20
1850
1870
Mean_Wolf
R = 0,6881
1890
1910
1930
1950
Mean_Ta-Yalta
1970
1990
Polynom-4
12,0
11,5
2010
2,00
14,0
1,50
13,5
1,00
13,0
0,50
12,5
0,00
12,0
2
R = 0,1803
-0,50
1850
1870
1890
Mean_NAO-GI
1910
1930
1950
Mean_Ta-Yalta
1970
1990
Polynom-4
11,5
2010
700
450
400
0,5
Precipitations, mm
1
AMO index
550
150
500
130
450
110
400
90
350
350
0
50
250
250
200
30
1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Mean_P-Feod
Mean_P-Yalta
Mean_P-Odessa
Mean_Wolf
Полиномиальный (Mean_Wolf)
Полиномиальный (Mean_P-Yalta)
200
-0,5
1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Mean_P-Yalta
Mean_P-Odessa
Mean_AMO
Колебания средних по циклам
Швабе индексов АМО слабо
проявляются в долгопериодных
колебаниях средних сумм осадков на
побережье Черного моря.
Колебания средне-цикловых САК на
масштабах 2-3 циклов Швабе
совпадают в противофазе с
изменениями сумм осадков.
2,5
700
650
2
600
550
1,5
500
1
450
400
0,5
350
300
0
250
200
-0,5
1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Mean_P-Feod
Mean_P-Odessa
Полиномиальный (Mean_P-Yalta)
Mean_P-Yalta
Mean_NAO-GI
Полиномиальный (Mean_NAO-GI)
NAO index
300
70
300
Precipityations, mm
Precipitations, mm
550
500
170
600
1,5
600
Mean_P-Feod
190
650
650
Wolf Number
2
700
Выводы (1)
„
„
„
„
Климатические изменения в регионе Черного моря обусловлены не
только антропогенным глобальным потеплением, но и естественными
вариациями параметров климатической системы, которые описываются
флуктуациями индексов АМО и САК на междесятилетнем и вековом
масштабах.
Основным периодом междесятилетней изменчивости последнего
столетия является период около 70 лет, который проявляется в рядах
индексов АМО и САК. Кроме того, значимые пики обнаружены в рядах
САК на масштабах вековых (95, 173 лет) и более высокочастотных
междесятилетних колебаний (34, 22 лет). Близкие периоды существуют и
в рядах показателей СА (чисел Вольфа).
Суперпозиция гармонических функций с периодами 95, 67 и 34 лет
удовлетворительно описывает многолетние флуктуации основных
показателей гидрометеорологического режима Черного моря.
В последние десятилетия в Черноморском регионе наблюдались
особенно резкие тренды увеличения термического фона и ослабления
ветровой активности. Увеличился приток пресных вод вследствие роста
осадков и уменьшения испарения. Это обусловлено совпадением фазы
роста квази-70-летней периодичности АМО-САК и вековых линейных
трендов.
Выводы (2)
„
„
„
300-летние ряды средних по циклам Швабе чисел Вольфа и индекса
палео–САК демонстрируют совпадение в противофазе на масштабе ~
200 лет. При этом вариации средних чисел Вольфа и индекса АМО за
последние 160 лет не совпадают, что свидетельствует в пользу
независимости изменений меридиональных потоков тепла в
Атлантике от СА.
Колебания средних по циклам Швабе индексов АМО проявляются в
долгопериодных колебаниях средних ТВ, но их проявление в
изменчивости осадков маскируется более высокочастотными
вариациями. В то же время, колебания индекса САК на масштабах 2-3
циклов Швабе совпадают в противофазе с изменениями ТВ и сумм
осадков.
Наиболее вероятно влияние глобальных климатических изменений на
региональные (в Черноморском регионе) осуществляется посредством
долгопериодных изменений атмосферной циркуляции, описываемых
вариациями АМО и САК на масштабах междесятилетней и вековой
изменчивости. Индекс САК отражает вековые колебания солнечной
активности и определяет междесятилетние вариации показателей
климата в регионе Черного моря.
Благодарю за внимание !
Thanks for your attention!