ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В ОБЛАСТИ ПОВЫШЕННЫХ МЕРИДИОНАЛЬНЫХ ГРАДИЕНТОВ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КЛИМАТА И РАСТИТЕЛЬНОСТИ НА ЮГО-ВОСТОКЕ РУССКОЙ РАВНИНЫ
Рассматривается динамика зональных областей с повышенными контрастами показателей климата и растительности с целью понимания механизмов формирования переходной природной зоны и ее границ, с одной стороны, и предвидения последствий текущего глобального потепления, с другой. Область с повышенными контрастами показателей климата и тепловлагообмена покрывает не только полупустынную переходную зону на юго-востоке Русской равнины, но и частично распространяется на соседние зоны. Растительность способна чутко реагировать на динамику этой области, что быстро проявляется в изменении ее показателей. От местоположения области зависит степень открытости переходной зоны к воздействиям климатического фактора, и, следовательно, ответная реакция динамичных компонентов ландшафтов.
Работа направлена: на выявление степени сопряженности областей с повышенными контрастами климата и растительности, на исследование изменений климата и растительности в них; на изучение связи между геофизическими показателями и показателями растительности. Территория исследования представлена сухостепными, полупустынными и северными пустынными ландшафтами юго-востока Русской равнины за время со второй трети ХХ в. до конца ХХI в.
Материалы и методы исследования.
Материалы включают месячные характеристики климата, включая поток скрытого тепла, которые получены по данным метеосети и реанализа, а также определяемые из спутниковых наблюдений показатели подстилающей поверхности и радиационный баланс. Все характеристики были пересчитаны на сетку 1х1?.
В работе анализируются ряды среднесуточной температуры воздуха и суточных сумм осадков по данным метеорологических станций, из климатического архива Международного центра данных Росгидромета в Обнинске, за период с 1936 по 1995 гг.
Для более детального анализа использовались данные о характеристиках поверхности суши: нормированный разностный вегетационный индекс (NDVI), альбедо, температура, радиационный баланс подстилающей поверхности за совпадающие интервалы времени в последние две декады ХХ в. Большая часть данных получена из измерений отражения земной поверхности в разных диапазонах солнечного спектра с помощью усовершенствованного радиометра высокого разрешения (AVHRR), установленного на серии полярно-орбитальных спутников Национального управления по атмосфере и океану США (NOAA) с 1982 г. по 2001 г. В качестве индикатора такого показателя растительного покрова, как зеленая фитомасса, применен NDVI.
Сценарии изменения климата на Русской равнине в заданные декады ХХI в. выбраны на основе численных экспериментов на региональной климатической модели ГГО с суточным шагом и разрешением 50?50 км для Европейской части России [1]. Сценарии климата разработаны для декад 1991–2000, 2041–2050 и 2091–2100 гг.
Области с повышенными контрастами показателей климата, подстилающей поверхности и растительности. Контрасты разных показателей охарактеризованы меридиональной составляющей градиентов. Показано, что на исследуемой территории область повышенных меридиональных градиентов среднегодовой температуры воздуха ориентировано преимущественно зонально. Максимальные градиенты отмечаются в полупустынных и северо-пустынных ландшафтах. Повышенные градиенты сохраняются в ландшафтах сухой степи. Область повышенных градиентов годовых осадков неоднородна. Границы неоднородностей приближены к зональным ландшафтным границам. Максимальные градиенты годовых осадков характерны для полупустынных ландшафтов, расположенных западнее 50?в.д. Восточнее этой долготы, примерно до 55?в.д., прослеживается второй максимум, покрывающий полупустынные и сухостепные ландшафты.
По спутниковым данным и данным реанализа определены меридиональные градиенты показателей подстилающей поверхности, потоков тепла и влаги, соотношения тепла и влаги. Максимальные меридиональные градиенты NDVI, альбедо и температуры поверхности локализуются в полупустынных ландшафтах в зональной полосе 49–50? с.ш. Область повышенных градиентов радиационного индекса сухости и отношения потока скрытого тепла к радиационному балансу покрывает полупустынные и сухостепные ландшафты. В ней характерно резкое изменение характера теплообмена ландшафтов с атмосферой от преимущественно радиационного до преимущественно эвапотранспирационного с ростом широты.
Изменения климата. Доминирующая тенденция климата на юго-востоке Русской равнины во второй половине ХХ в. – это ослабление его континентальности вследствие роста влияния Атлантики. Тенденция сильнее выражена в области климатических контрастов. Потепление имеет место, в основном, зимой и весной и, в меньшей степени, в другие сезоны. На некоторых станциях отмечается похолодание летом и осенью. Годовые суммы осадков возросли преимущественно в сухой степи и полупустыне за счет увеличения осадков холодного периода. Систематическое повышение среднегодовой температуры характерно для всей территории, а годовой суммы осадков – только для северной половины. Нет основания утверждать, что климат стал более изменчивым.
Рост осадков в последней трети ХХ в. проявился в сдвиге изогиет к востоку в западной части территории и к югу на остальной (восточнее 50?в.д.). Наибольший сдвиг изогиет отмечается севернее 48?с.ш. Южнее этой широты смещение изогиет значительно меньше. Например, во вторую треть ХХ в. изогиета 300 мм/год занимает почти меридиональное положение западнее 48?в.д., а восточнее проходит почти широтно между 51 и 52?с.ш. В последней трети ХХ в. она сдвигается к востоку на 200 км.
Наибольшее увеличение осадков имеет место на северо-западе территории, где во вторую треть ХХ в. проходит изогиета 320 мм/год, а в последнюю треть - 360 мм/год. Выявленные пространственные особенности изменения годовых осадков сохраняются в общих чертах для осадков холодного и теплого сезонов года. Наибольший вклад в годовые изменения привносят сдвиги изогиет холодного периода. В холодный период величина сдвига изогиет превосходит изменения в теплый период почти в два раза на Прикаспийской низменности.
Поле разности осадков между двумя рассматриваемыми климатическими периодами показывает, что наибольший рост осадков в последнюю треть ХХ в. характерен для полупустынных ландшафтов, а также для возвышенной сухой степи вблизи Уральских гор.
В конце ХХ в. число дней с осадками сократилось в течение года по сравнению с предыдущим тридцатилетием. В то же время число дней с малыми осадками значимо сократилось на западе и в северной половине территории. Одновременно между 56° и 60° в.д. количество дней с малыми осадками увеличилось. Также наметилась тенденция роста числа дней с умеренными и сильными осадками. Изменения числа дней с малыми, умеренными и сильными осадками определяются в основном осадками холодного сезона. В теплый период эти тенденции сохраняются, но проявляются в меньшей степени. Сокращение числа дней с осадками, вызывающее увеличение повторяемости бездождных периодов и некоторый рост числа дней с сильными осадками, даже на фоне повышенного увлажнения, может привести к усилению процессов опустынивания.
Картина роста числа дней с сильными осадками в конце ХХ в. следующая: наибольший рост характерен для Прикаспийской низменности, в особенности в ее западной части; но изменение числа дней минимально для ее восточной части. Таким образом, отмеченное сокращение числа дней с осадками, на фоне повышения увлажнения, обуславливает рост средней продолжительности бездождевых периодов.
По данным численного эксперимента на РКМ ГГО показано, что климат (условия июля) в середине XXI в станет теплее и влажнее, а в его конце еще теплее и суше, чем в декаду 1991-2000 гг. Увлажненность территории несколько увеличится в середине XXI в. и понизится в его конце.
Локализация области с повышенными климатическими контрастами в ХХ и XXI в. Местоположение области в целом мало изменилось в последнюю треть ХХ в. Исключением является сдвиг зональной полосы максимальных градиентов годовых осадков на один градус к югу в полупустынных ландшафтах. По данным численных экспериментов на РКМ ГГО ожидаемые изменения климата не вызовут заметного сдвига области климатических контрастов.
Связь между аномалиями NDVI и аномалиями показателей климата, радиационным балансом и потоком скрытого тепла. Корреляционный анализ аномалий NDVI и геофизических показателей показывает, что NDVI значимо связан с радиационным балансом и потоком скрытого тепла на юго-востоке Русской равнине. Связь более тесная, чем для температуры и осадков. Теснота связи на территории регулируется распределением зональных ландшафтов. Она возрастает в полупустынных и сухостепных ландшафтах. Влияние радиационного баланса на NDVI несколько сильнее, чем влияние потока скрытого тепла. Реакция NDVI на оба показателя запаздывает в среднем на 10–15 дней.
Корреляционный анализ аномалий NDVI и соотношения потоков тепла и влаги (радиационный индекс сухости и его модификация) свидетельствует о значимой связи между ними в зональных ландшафтах юго-востока России. NDVI более чувствителен к модифицированному индексу, чем к радиационному индексу сухости Будыко. Теснота связи меняется в соответствии со сменой зональных ландшафтов. Влияние соотношения тепла и влаги на NDVI проявляется сильнее всего в южнотаежных ландшафтах с повышенной продуктивностью. Севернее и южнее от этой подзоны теснота связи падает.
Тенденция изменения NDVI в конце ХХ в. Как отклик на повышение увлажненности территории, выявлен рост NDVI на юго-востоке Русской равнины в декаду 1992-2001 гг. по сравнению с декадой 1982-1991 гг. Он проявляется в значимом сдвиге изолиний NDVI в последнюю декаду ХХ в. к востоку в юго-западной части Каспийской низменности и к югу на остальной территории. Величина сдвига превышает 100-150 км.
Получена оценка изменения средней продолжительности неблагоприятных климатообусловленных условий в течение сезона активной вегетации с помощью спутникового индекса вегетационных условий в последние две декады ХХ в. Установлено сокращение продолжительности неблагоприятных вегетационных условий в последнюю декаду ХХ в. на большей части территории. На фоне улучшения вегетационных условий имеет место тенденция слабого роста продолжительности с неблагоприятными вегетационными условиями на в степи и лесостепи Среднего Заволжья и Предуралья.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 04-05-64746.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Школьник И.М., Мелешко В.П., Павлова Т.В. Региональная гидродинамическая модель атмосферы для исследования климата на территории России // Метеорология и гидрология. – 2000. – № 4. – С. 32–49.
А.Н. Золотокрылин, Т.Б. Титкова