Байкал, Дальний Восток и климатические изменения в Азиатско-Тихоокеанском регионе в 21 веке

Ученые российского Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН Владимир Иванович Пономарёв, Елена Витальевна Дмитриева и Светлана Павловна Шкорба демонстрируют изменение климатического режима на рубеже 20 и 21 веков в Азии, Тихом, Индийском и Южном океанах. Особенностями современного климатического режима (1996 - 2015) является увеличение приземного атмосферного давления в центральных внетропических областях Тихого и  Индийского океанов,  наиболее выраженное в зимний сезон, а также рост атмосферного давления в континентальных районах Азии с максимумом в летний сезон в Сибири, Монголии и на севере Китая. В этих районах, включая бассейн водосбора озера Байкал и Ангарского каскада ГЭС, отмечен дефицит летних осадков, достигший максимума летом 2015 года. Противоположная по знаку аномалия - падение атмосферного давления, усиление циклонической активности и осадков наблюдается в пограничных зонах океан – суша, в том числе в Восточной Арктике, на Дальнем востоке, в Юго-Восточной Азии и у берегов Антарктиды.

Предлагаем вам познакомиться с подробностями данной работы.

Введение

При анализе данных инструментальных наблюдений за последние 100-160 лет, а также колец деревьев за 200-250 лет выделяется  колебание климата примерно полувекового масштаба с периодом 50-70 лет [1, 2, 3]. Такие колебания обнаружены в северной части Тихого океана, на севере Американского континента [2, 3] и в Арктике [1], где фазы этого колебания, многолетние периоды потепления или похолодания примерно совпадают. В современной интерпретации примерно полувековых колебаний климата, чередующихся аномалий с масштабами от 25 до 35 лет часто используется понятие климатического режима. В работе [4] выделены климатические режимы аналогичного временного масштаба в Северной Атлантике. Эти режимы определяются при построении фазовых траекторий в декартовой системе координат, по одной оси которой откладывается разность приземного атмосферного давления в центрах действия атмосферы - Исландском минимуме давления и Азорском максимуме, а по другой оси - температура поверхности океана в районе этих же центров действия атмосферы. В северной части Тихого океана выделить климатические режимы в терминах аналогичных по смыслу фазовых траекторий не удается. Таким образом, 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 параметров 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 (между десятилетиями) 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 [5]. 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 [6]. На Дальнем Востоке России в период сильных и продолжительных Эль Ниньо усиливается зимний муссон Северо-Восточной Азии и ослабевает летний [7]. Ослабление летнего дальневосточного муссона (ветер юго-восточного румба), несущего влажный воздух и осадки, приводит в уменьшению уровня Артемовского водохранилища под Владивостоком [7].

Из множества параметров, характеризующих разномасштабные региональные климатические изменения в умеренных широтах Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР), в данной работе мы анализируем приземную температуру 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  рассматриваются 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 умеренных широтах Азии и Тихого океана. Контраст между материком и океаном 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.

Р и с. 2. Фазовые траектории разностей результирующего потока тепла (Q, Вт/м²), между Q в зоне Q в южной зоне Индийского океана(6) и умеренных широт Азии (1) и (ось Y), между Q в Сибири и  Q в субарктической зоне Тихого океана (ось X)  для зимнего  гидрологического сезона

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 70х – середины 90х лет и с конца 90х – начала 2000х по настоящее время. Показаны изменения климатического режима с начала 21 века в Азиатско-Тихоокеанском регионе в терминах разностей результирующих потолков тепла Q между районами Сибири, Индийского океана и в субарктической зоны Тихого океана в зимний  гидрологический сезон (январь-март) (рис.2). Наблюдаются уменьшение абсолютных величин разностей между Q в этих районах за счет уменьшения теплоотдачи океана в атмосферу в субарктике Тихого океана и Сибири, а также  уменьшения потока тепла от поверхности в нижележащие слои Индийского океана. На рис. 3 представлен результат разложение на ЭОФ 18 временных рядов (1948-2015 г.)  разностей между значениями результирующего потока тепла Q, а также приземного атмосферного давления (SLP) в выделенных на рис 1 крупномасштабных областях в зимний гидрологический сезон (январь-март). Кроме того выполнена классификация по трем признакам –первым трем главным  компонентам.

Р и с. 3. Диаграмма первых двух главных компонент разложения на ЭОФ восемнадцати временных рядов (1948 - 2015 гг.)  разностей приземного атмосферного давления (SLP), результирующего потока тепла Q между их значениями в выделенных районах (рис.1) для зимнего гидрологического сезона 

Современный климатический режим начала 21 века на юге Сибири, во всем бассейне водосбора озера Байкал  и реки Селенга, а также на территории Монголии и северного Китая (40⁰-50⁰с.ш., 100⁰ -110⁰в.д.), включающей  значительную часть бассейна водосбора реки Селенга, характеризуется, ростом атмосферного давления, летним потеплением и уменьшением сумм летних осадков (рис.4 б, рис.5 б).

Р и с. 4. Временные ряды (с 1948 г. пo 2015) сезонных осадков (мм/мес.) гидрологической весной (а), календарным летом (б) во всем бассейне водосбора оз. Байкал, Иркутского и Братского водохранилищ области (46⁰-57⁰с.ш., 97⁰ -114⁰в.д.), включая бассейн р. Селенга

Р и с.5. Временные ряды (с 1948 г. пo 2015 г.) нормализованных аномалий сезонных сумм осадков гидрологической весной (а) и календарным летом (б) в Монголии (40⁰-50⁰с.ш., 100⁰ -110⁰в.д.), включающей значительную часть бассейна водосбора реки Селенга

Закономерности изменения ледово-термических процессов, гидрологических циклов и изменения уровня озера Байкал исследовались в работах [8, 9, 10, 11]. Выделены полноводные и маловодные многолетние  периоды в бассейне водосбора озера Байкал и реки Селенга [8], в том числе современный маловодный период до 2012г. Определены региональные причины и физические механизмы экстремального наводнения на реке Амур [12, 13] и реках Приморья [14]. 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.

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.4), в Монголии (рис.5), как и в других районах умеренных широт Азии,  обусловливает продолжительные маловодья и засухи. На рис.4б, 5б 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 режим  уровня озера.  Поэтому дефицит осадков в бассейнах водосбора озера Байкал, реки Селенга и уменьшение расхода р. Селенга во многом объясняет затянувшееся маловодье в бассейне озера Байкал [8].

На рис.4, 5 видна также значительная  межгодовая изменчивость осадков в этом районе, характерная для всего периода наблюдений. За последние 30 лет в бассейне водосбора озера Байкал (рис.4) 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.5), где суммы осадков существенно меньше, чем в бассейне водосбора оз. Байкал.

Наряду с экстремальный 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 водосбора реки Селенга и озера Байкал. Не исключено и антропогенное влияние хозяйственной деятельности в бассейне водосбора этой реки на территории Монголии и Бурятии, вызванное добычей полезных ископаемых и вырубкой  лесов, играющих защитную для бассейна водосбора роль при дефиците осадков.

На рис. 6 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. 

Р и с. 6 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. 

Пономарев В.И., Дмитриева Е.В., Шкорба С.П.

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Балтийская 43, Владивосток, Россия

Источники: Особенности климатических режимов в северной части Азиатско-Тихоокеанского региона
// Журнал ”Системы контроля окружающей среды”, вып. 21, 2015 г. Севастополь
Пономарев В.И., Дмитриева Е.В., Шкорба С.П. Особенности климатических режимов в северной части Азиатско-Тихоокеанского региона
// Международный научно-технический  семинар «Системы контроля окружающей среды  - 2015», 14–18 декабря 2015 г., Севастополь, ИПТС (в печати)
Ponomarev V., Dmitrieva E., Shkorba S. Multiple scale climate variability in the North Pacific and features of recent climatic regime
// PICES 2015 Annual Meeting. Change and Sustainability of the North Pacific. Oct. 14-25, 2015. Qingdao, China. Р.69.