«Наука в Сибири»
№ 12 (2597)
22 марта 2007 г.
СОВРЕМЕННЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ
ИЗМЕНЕНИЯ В СИБИРИ
Наблюдаемые в последние десятилетия климатические изменения продолжают оставаться непредсказуемыми по сопровождающим эти изменения катастрофическим явлениям. Эти явления (тайфуны, наводнения, аномальные осадки, температурные режимы и т.п.) все чаще происходят с пометкой «впервые за период наблюдения».
Тем не менее, их ограниченная во времени продолжительность говорит о том, что в большинстве случаев они связаны скорее с изменениями погоды, нежели климата. Более того, проведенный статистический анализ накопленных инструментальных данных показывает, что в Сибири, например, частота аномальных отклонений от «климатических норм» на протяжении последнего столетия остается неизменной или даже по отдельным параметрам снижается. Вместе с тем, по отдельным районам Сибири в последние десятилетия потепление происходит более высокими темпами, чем в других регионах планеты. Вот почему фундаментальные исследования современных климатических изменений в Сибири представляют особый интерес. Об их последних результатах рассказывает директор Института мониторинга климатических и экологических исследований СО РАН чл.-корр. РАН Михаил КАБАНОВ.
За рамками простой парадигмы
 |
| Обсуждаются планы предстоящих экспедиций в северные районы (слева направо): к.б.н. Е. Головацкая, д.ф.-м.н. И. Ипполитов, чл.-корр. РАН М. Кабанов, к.ф.-м.н. Е. Дюкарев. |
Еще полвека назад вопрос о климатических изменениях на Земле обсуждался с позиции, как скоро и каких последствий следует ожидать от наблюдаемого похолодания. И когда академик М. Будыко в 1972 г. на одной из международных конференций высказал мнение об ожидаемой тенденции к глобальному потеплению, многие специалисты отнеслись к этому мнению с недоверием. В настоящее время факт наблюдаемого потепления уже никто не отрицает. Сложнее обстоит дело с «предсказаниями» на будущее.
Сценарии возможных последствий глобального потепления включают многие катастрофические явления, в том числе и возможное таяние вечной мерзлоты и арктических льдов, а, следовательно, поднятие уровня океанов с затоплением больших территорий суши (в Сибири, например, затопление Ямала и др.). Чтобы предотвратить такие катастрофические последствия предлагается даже «забросить» на околоземную орбиту аэрозоли и тем самым остановить дальнейшее потепление. Обсуждаются и противоположные сценарии, по которым в ближайшие 7-10 лет ожидается смена потепления на похолодание в связи с прогнозируемым снижением солнечной активности.
Столь противоречивые суждения отражают несовершенство существующей теории климата, которая до сих пор не основывается на твердо установленных эмпирических закономерностях. Все известные в мире математические модели климата базируются на статистическом обобщении известных закономерностей погодных, а не климатических процессов. Описание же климатических процессов, для которых необходим учет взаимосвязанных изменений различных компонентов системы «Земля» и внеземных факторов воздействия, требует кардинально нового подхода «за рамками простой причинно-следственной парадигмы» (Амстердамская конференция, 2001).
Многие века климат рассматривался как устойчивая географическая характеристика того или иного региона планеты, а основной предмет климатологии сводился к изучению «географии климата». Лишь в последние десятилетия климатология выходит на новый уровень и становится наукой о сложной и динамичной системе с попыткой ее строгого физико-математического описания. Перспективность такого описания остается сомнительной для многих ученых, так же, как и более 30 лет назад, когда на Международной научной конференции «Физические основы теории климата и его моделирования» (Стокгольм, 1974) было отмечено: «По-видимому, нет других путей к пониманию чувствительности климата, кроме его моделирования. Это рискованное предприятие с неопределенными и, возможно, весьма скромными шансами на успех, но игра стоит свеч, поскольку и надежды на полезную отдачу также весьма велики».
География наблюдаемого потепления
Современные климатические изменения обусловлены многими факторами гелиосферного, геосферного, биосферного и антропогенного происхождения. Их одновременный учет при математическом моделировании климата сопряжен с преодолением больших трудностей не только по вычислительным процедурам, но и по необходимой верификации результатов моделирования. Несмотря на то, что многие из этих трудностей в настоящее время преодолены, дальнейшее развитие теории чувствительности климатических систем к малым внешним воздействиям, имеющим региональные особенности, повышают актуальность анализа эмпирических данных. Тем более, что накопленные ряды инструментальных данных во многих регионах планеты уже многократно превышают необходимый временной интервал (30 лет), в пределах которого осредненные метеорологические величины характеризуют климатическую систему.
Исследования эмпирических закономерностей современных климатических изменений находятся пока на стадии методологических поисков как по ключевым механизмам и влиянию различных факторов на формирование климата в том или ином регионе, так и по формату параметрического описания климатических процессов. На этой стадии исследований особый интерес представляет такая обширная континентальная территория как Сибирь (около 10 млн кв. км), которая сравнима по площади со всей Европой и является весомым компонентом (подсистемой) глобальной климатической системы. Поэтому выявление особенностей наблюдаемых климатических изменений имеет важное значение не только для социально-экономического развития региона, но и для фундаментальных знаний о наблюдаемых природно-климатических изменениях на планете в целом.
Пространственные масштабы темпов потепления в Сибири, как показывает обработка инструментальных данных, характеризуется неоднородной субрегиональной структурой. Из карты линейных трендов за последний климатический 30-летний период следует (рис. 1), что «очаги» ускоренного потепления (более темные зоны) в конце XX века фактически выравнивают те отклонения от широтной зональности, которые наблюдались в начале XX века для зимних месяцев. Карты для трендов атмосферного давления имеют менее контрастную субрегиональную структуру. Практически над всей территорией Сибири среднегодовое давление за тот же период уменьшалось со скоростью 0,2-0,4 г Па/10 лет. Более того, анализ для каждого конкретного месяца показал, что отрицательные тренды среднегодового давления формируются исключительно за счет месяцев холодного периода года. Такая сопряженность трендов для полей температуры и давления указывает на то, что в наблюдаемом потеплении важную роль играет атмосферная циркуляция, регулирующая приток теплых или холодных воздушных масс в северных широтах. Но механизм потепления, связанный с изменениями в режиме атмосферной циркуляции, является не единственным. Более детальное понимание роли этого и других механизмов, регулирующих климатические изменения, следует из результатов исследования временных масштабов наблюдаемой изменчивости.
 |
| Рис.1. Карта наблюдаемых темпов потепления в Сибири в конце XX века. Цифрами 0,1—0,5 отмечены субрегиональные зоны одинаковых темпов в °С/10лет. Штриховые линии соответствуют среднемесячной температуре января в начале XX века (верхняя |
Наблюдаемая временная изменчивость
Масштабы временной изменчивости климата в Сибири за последнее столетие характеризуются рядом периодичностей. Для их выявления был использован вейвлет-анализ как наиболее эффективный метод статистического анализа накопленных временных рядов. В отличие от Фурье-анализа, обеспечивающего выявление характерных временных частот в анализируемом временном ряде, вейвлет-анализ выявляет полосы временных частот (периодичности), что в большей мере отражает характер временной изменчивости природно-климатических процессов. С помощью корреляционного вейвлет-анализа периодичностей во временных рядах параметров удалось получить как ожидаемые результаты, так и ряд неожиданных.
К числу ожидаемых относится устойчивая корреляционная связь между периодичностями среднегодовой температуры в Западной Сибири и числами Вольфа, характеризующими солнечную активность. Корреляция этих параметров для периодичностей с масштабами 10-12 лет оставалась неизменно устойчивой на протяжении всего XX столетия, хотя величина коэффициентов корреляции (<0,7) указывает на опосредованное влияние солнечной активности на температурный режим. Промежуточным механизмом такого «опосредования», по-видимому, является атмосферная циркуляция.
К числу неожиданных результатов относятся корреляционные связи между периодичностями среднегодовой температуры в Западной Сибири и индекса Северо-Атлантического колебания (NAO). Геофический индекс NAO представляет собой разность давления в разнесенных пунктах наблюдений в северной части Атлантического океана и, следовательно, характеризует условия западного переноса воздушных масс.
 |
| Рис.2. Корреляционные связи между среднегодовой температурой в Западной Сибири и индексом NAO: а — коэффициенты корреляции для периодичностей в вейвлет-спектрах. Более темные зоны соответствуют более высоким величинам (максимальная — 0,5); б — временные сдвиги для периодичностей в вейвлет-спектрах. Более темные зоны соответствуют большему запаздыванию (максимальное — 7 лет). |
На рис. 2 (верхний) показаны результаты корреляционного анализа. По вертикальной оси отложены масштабы периодичностей коррелируемых параметров, а по горизонтальной оси — текущие годы. Более темные места на рисунке соответствуют более высоким значениям коэффициента корреляции. Неожиданным здесь является выявленный факт ограниченной по годам (только в 1940-1990 гг.) корреляции для периодичности с масштабом в 30-50 лет. Этот климатический феномен в середине прошлого столетия был подвергнут анализу на возможный временной сдвиг коррелируемых периодичностей. На рис. 2 (нижний) показаны результаты такого анализа. Здесь более темные места (цифры на них — годы) соответствуют большему запаздыванию периодичностей для температуры по отношению к периодичностям индекса NAO. Как видно из рис. 2, для крупномасштабной периодичности (30-50 лет) запаздывание в отдельные годы достигало 7 лет. Для периодичностей с меньшими масштабами такое запаздывание не превышало 3 лет. Во всех случаях отклик в Сибири на изменения индекса NAO через несколько лет не может быть объяснен только механизмом атмосферной циркуляции. Возможное объяснение выявленных временных сдвигов следует искать в более инерционных механизмах. К числу таких относится механизм передачи теплозапаса из экваториальной области океана в северные области через меридиональные океанические течения.
Эффекты сибирских болот
Возрастающее содержание парниковых газов в атмосфере рассматривается в последние годы как главная причина наблюдаемого потепления на планете. Однако роль природного (в том числе биосферного) и техногенного факторов в этом возрастании остается дискуссионной из-за отсутствия надежных количественных оценок по каждому из факторов. Показательными в этом отношении являются дискуссии по Киотскому протоколу, который предписывает ограничения по накоплению парниковых газов только за счет техногенных выбросов.
Для получения количественных оценок по балансу парниковых газов за счет природных факторов Сибирь представляет особый интерес как за счет больших территорий лесных и болотных экосистем, которые вносят существенный вклад в этот природный фактор, так и в связи с возможностью исследований природных образований, которые в обозримом прошлом не подвергались техногенным воздействиям. К числу подобных природных образований относится крупнейшее в мире Большое Васюганское болото (53 тыс. кв. км), междисциплинарные исследования которого проводятся многими отечественными и зарубежными учеными. Исследования на этом болоте в последние годы позволили выявить ряд новых и климатически значимых эффектов.
Один из обнаруженных эффектов связан с особым температурным полем над территорией болота по сравнению с прилегающими территориями. Суть этого эффекта состоит в том, что температура воздуха над торфоболотной системой, как показали наземные инструментальные наблюдения, оказывается систематически более высокой в зимне-весенний период и более низкой в летне-осенний период (на 2-4 градуса). На уровне общих физических соображений этот результат наблюдений объясняется особыми теплофизическими свойствами торфоболотых систем. Сложнее обстоит дело с объяснением другого факта, который был выявлен на основании анализа данных, полученных с помощью спектрорадиометра «MODIS» при зондировании со спутника «Terra». Оказалось, что различие температурных полей над разными территориями сохраняется вплоть до высоты тропопаузы (до 8-10 км). Для оценки климатической значимости этого факта необходимо дальнейшее накопление материала.
Другой эффект, исследованный на одном из участков Большого Васюганского болота, связан с балансом парниковых газов в торфоболотной экосистеме. Известно, что усвоение углекислого газа растительностью превышает по количеству те потоки углекислого газа и метана, которые выделяются в атмосферу торфоболотными системами, т.е. баланс парниковых газов является положительным. Но количественная оценка этого баланса, а также его чувствительность к климатическим изменениям пока оставались приближенными. Только в последние годы инструментальные наблюдения эмиссионных потоков парниковых газов в разных фитоценозах при одновременном контроле метеорологических условий позволили получить не только уточненные оценки, но и эмпирические закономерности для наблюдаемого эффекта.
Результаты наблюдений в разных болотных фитоценозах (высокий древостой, низкий древостой, открытая топь) на торфозалежах с возрастом 3-5 тыс. лет показали, что эмиссионные потоки углекислого газа могут отличаться в два и более раз. Следовательно, для достоверной количественной оценки баланса парниковых газов на территории торфоболотных систем необходимо подробное ландшафтное картографирование. Такое картографирование по многозональным снимкам из космоса с применением новых геоинформационных технологий в настоящее время проводится. В то же время, статистическая обработка результатов наблюдений на одном из участков показала, что детерминированными параметрами эмиссионных потоков углекислого газа для торфоболотной системы являются температура воздуха и его содержание в приземном слое атмосферы. С приемлемой точностью зависимость эмиссионного потока от этих параметров оказывается линейной. Полученная с использованием этой эмпирической зависимости и сценариев Межправительственной группы экспертов по климатическим изменениям прогнозная оценка показывает, что положительный баланс парниковых газов на Большом Васюганском болоте сохранится, по крайней мере, до 2080 года. Знак баланса может измениться в дальнейшем в связи с относительно бедной растительностью на болоте. Другой вывод состоит в том, что при наблюдаемом потеплении в Сибири повышается актуальность исследований более северных болот, так как на их территории дополнительную и пока недостаточно исследованную роль играют криогенные процессы и более активная эмиссия метана. Именно в этом (северном) направлении в настоящее время обсуждаются планы дальнейших исследований климатических изменений, в том числе и связанных с болотными эффектами.
Интеграция в изучении
земных и внеземных факторов
Прозвучавшая недавно в телевизионной передаче «Времена» жаркая дискуссия ведущих климатологов России о причинах и последствиях наблюдаемых климатических изменений в полной мере отразила неоднозначное состояние современной климатологии. Приведенные выше результаты исследований в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН лишь подтверждают необходимость формирования новой парадигмы для описания природно-климатических изменений на планете через их описание для отдельных регионов. Этот методологический подход, избранный еще в начале 1990-х годов в проекте «Климато-экологический мониторинг Сибири» в рамках программы «Сибирь», в настоящее время становится общепризнанным. Так, в рамках Международной геосферно-биосферной программы «Интегрированные региональные исследования» признаны с 2002 г. приоритетным направлением.
Другая методологическая сторона проблемы связана с описанием и прогнозом современных климатических изменений. Из-за пока отсутствующего разделения климатических (формирующих климат) и погодных (формирующих погоду) процессов, многие природные явления оказываются «неопознанными», а следовательно, непредсказуемыми. Сложность проблемы связана с тем, что под воздействием земных и внеземных факторов изменяется не только состояние климатической системы, но и сами климатические процессы, приводящие к изменению состояния. Один из путей решения такой сложной и беспрецедентной в естествознании проблемы состоит в организации междисциплинарных исследований с широким использованием новых методов и технологий наземного и аэрокосмического регионального мониторинга. Именно в этом направлении планируются исследования в рамках «базового» проекта СО РАН «Интегрированные исследования природно-климатических изменений и связанных с ними рисков природопользования в Сибири».
стр. 8-9