Э. Ш. Элизбарашвили*, М. Э. Элизбарашвили**, Н. Б. Куталадзе***, И. Кеггенхофф****, Б. М. Киквадзе*****, Н. М. Гогия**
По данным наблюдений 50 метеорологических станций Грузии за 1936—2011гг. исследованы некоторые температурные индексы для оценки изменения климата— экстремальные значения температуры, число морозных,холодных и жарких дней, тропических ночей и индексы, основанные на процентилях распределения. Построены геоинформационные карты пространственной структуры и исследована динамика этих индексов за период глобального потепления. Определены средние значения индексов за разные периоды осреднения. Полученные результаты можно использовать при обобщении соответствующих индексов для Кавказского региона, бассейна Черно-го моря или для Передней Азии.
Ключевые слова:температурные индексы, изменение климата Грузии, геоинформационные карты.
Введение
По данным многочисленных исследований [1, 2, 6, 9, 10, 12], в условиях интенсификации глобального потепления повторяемость многих экстремальных явлений погоды и климата увеличивается. Это может привести к серьезным последствиям для экономики, сельского хозяйства и даже безопасности государства, а также для здоровья человека. Поэтому исследование и анализ экстремальных климатических явлений имеют важное значение.
В связи с этим ВМО и Международная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) ООН разработали 27 основных индексов, характеризующих экстремальные климатические явления, и рекомендовали отдельным странам провести исследования этих индексов с целью их обобщения и использования для оценки изменений климата крупных регионов или для земного шара в целом [11, 13]. К этим индексам относятся климатические экстремумы, число холодных, морозных и жарких дней, тропических ночей, а также индексы, основанные на процентилях распределения, число дождливых и засушливых периодов и т.д.
Грузия— горная страна со сложными физико-географическими и ландшафт-но-климатическими условиями [3]. Обычно при описании пространственной картины изменения климата на территории Грузии использовали многолетний ход средних годовых, сезонных или месячных значений температуры воздуха и количества осадков [5, 6]. В данной статье, являющейся продолжением публикаций, посвященных проблеме изменения климата Грузии [5—7], представлены результаты исследования географии и динамики важных температурных индексов, предложенных МГЭИК.
В исследовании использованы данные наблюдений 50 метеорологических станций Грузии за период 1936—2011 гг. Специфика расчета температурных индексов исключала возможность использования методов восстановления пропущенных данных. Поэтому расчет температурных индексов для каждого меся-ца производили в случае отсутствия данных не более чем за 3 дня, для каждого года— при отсутствии данных не более чем за 36 дней. Для расчета индексов, основанных на процентилях распределения, обязательным условием считалось использование более 70% данных. Во всех остальных случаях расчет индексов автоматически прерывался.
Для восстановления отдельных пропущенных данных в рядах значений температуры была использована следующая процедура. С учетом данных о температуре для всех станций составлялись корреляционные матрицы и по результатам их статистического анализа, а также с учетом физико-географических условий расположения станций формировались группы высококоррелируемых станций, коэффициенты корреляции между которыми для определенного индекса были значимы на уровне 95% и более. Далее внутри каждой группы про-пущенные данные определялись методом соответствующих разностей. Метод разностей был выбран в связи со спецификой исследуемого параметра (температуры), для которого разность между данными двух или нескольких станций, расположенных в сходных физико-географических условиях, от года к году из-меняется незначительно.
Пространственная структура температурных индексов
Дни, когда максимальное значение температуры воздуха отрицательно, принято считать морозными (IDO), когда минимальное значение температуры воз-духа отрицательно,— холодными (FDO). Последние включают дни с заморозками в переходные сезоны. С увеличением числа холодных дней температура ночью имеет тенденцию к уменьшению и, наоборот, с уменьшением их числа температура ночью увеличивается. Жаркими считаются дни, когда максимальная температура воздуха превышала 25°С (SU25). Этот индекс является одним из индикаторов потепления. Увеличение числа жарких дней связано с увеличением суммы значений активной температуры, что положительно сказывается на росте и развитии большинства сельскохозяйственных культур. В переходные сезоны увеличение числа жарких дней указывает на увеличение длительности вегетационного периода (изменение даты начала или конца вегетационного периода). Это весьма актуально при планировании и осуществлении подбора таких сельскохозяйственных культур, вегетационный период которых наилучшим образом соответствует новым климатическим условиям
Кроме того, рассматривали максимальные (Txx) и минимальные значения температуры в течение суток (Tnn), продолжительность вегетационного периода с активной температурой выше 5°С (GSL) и число тропических ночей, когда минимальное значение температуры превышает 20°С (TR20). Для оценки экстремально теплых эпизодов зимой и экстремально холодных летом рассмотрены минимумы абсолютных максимумов температуры (Txn) и максимумы абсолютных минимумов (TNx).
В качестве индексов, основанных на процентилях распределения темпера-туры, рассматривали следующие: Tx90p— число дней, когда максимальная температура воздуха превышает пороговое значение (90%-ную процентиль максимума температуры), и Tn10p— число дней, когда минимальная темпера-тура воздуха ниже порогового значения (10%-ного процентиля минимума температуры)
Число морозных, холодных, жарких дней и тропических ночей, а также продолжительность вегетационного периода рассчитаны по данным, полученным за год. Остальные индексы, характеризующие суточные экстремумы, в том чис-ле процентили температуры, получены по данным за месяц, в частности, учитывали максимальные значения температуры в самые теплые месяцы (июль— август), а минимальные— в самые холодные (декабрь— январь).
При экстремально низких значениях температуры в морозные дни людям на открытом воздухе угрожает обморожение, нарушается система эксплуатации зданий и усложняются условия работы техники. При экстремально высоких значениях температуры в длительные жаркие периоды на организм человека воздействуют стрессовые тепловые нагрузки, причем такие периоды обычно сопровождаются отсутствием осадков и угрозой засух.
На рис. 1 представлены геоинформационные карты распределения двух индексов (числа холодных и жарких дней) за 1961—1990 гг.— период, рекомендованный ВМО в качестве базового.
Видно, что наименьшее число холодных дней (<10) на территории Грузии отмечено на Аджарском побережье Черного моря, где абсолютный минимум температуры был не ниже –6...–8°С. На остальной территории Черноморского побережья Грузии и на Колхидской низменности число холодных дней увеличивается до 30, а абсолютный минимум температуры достигает –10...–12°С. В равнинной части Восточной Грузии число холодных дней увеличивается до 50—100, на Южно-Грузинском нагорье— до 200, а в центральной части Большого Кавказа достигает 300. В этих районах абсолютный минимум температуры составляет –16...–26 и –32...–36°С соответственно.
Распределение числа жарких (когда максимальная температура воздуха выше 25°С) и морозных дней имеет противоположный характер. Наибольшее число жарких дней (более 140) отмечается на юге Грузии в районе Нижнее Картли. В Алазанской долине и в центральной части Колхидской низменности, где абсолютный максимум температуры превышает 40—41°С, жарких дней более 100, на Черно-морском побережье их менее 100, на Южно-Грузинском нагорье колеблется в пре-делах 0—50, а в центральной части Большого Кавказа, где абсолютный максимум температуры опускается ниже 20°С, составляет 0—30.
На Колхидской низменности и в равнинной части Восточной Грузии жарких дней больше, чем холодных, обратная картина отмечается в Пасанаури, на южном склоне Большого Кавказа на высоте около 1100м над уровнем моря. Равенство числа холодных и жарких дней возможно в низкогорных районах на высоте примерно 700—800м над уровнем моря.
О характере пространственного распределения других индексов можно судить по данным табл. 1. Согласно им, морозные дни на Черноморском побережье Грузии и на Колхидской низменности отсутствуют, в равнинных районах Восточной Грузии их число достигает 7, на Южно-Грузинском нагорье увеличивается до 60, в низкогорье Большого Кавказа составляет около 20, а в его высогорной зоне увеличивается до 200.
Продолжительность вегетационного периода на Черноморском побережье Грузии и на Колхидской низменности превышает 350 сут, в Восточной Грузии она несколько уменьшается, на Южно-Грузинском нагорье и в низкогорье Большого Кавказа составляет около 200—220 дней; в высокогорной зоне Большого Кавказа такой период отсутствует. В районе Большого Кавказа и на Южно-Грузинском нагорье отсутствуют также тропические ночи. В Восточной Грузии они отмечаются в среднем от 10 до 23 раз за год, а на Черноморском побережье и на Колхидской низменности их число превышает 30.
Из данных табл. 1 также следует, что индекс процентилей максимумов и минимумов температуры, т.е. число дней с температурой, превышающей соответствующие пороговые значения, колеблется в пределах 2,7—3,7 и несколько преобладают индексы 90%-ных процентилей максимальных значений температуры. Существенные различия в пространственном распределении индексов процентилей не отмечаются.
Тенденции многолетнего изменения температурных индексов
В табл. 2 представлены значения скорости изменения некоторых температурных индексов и соответствующие коэффициенты детерминации, позволяющие судить о вкладе тренда в их суммарную изменчивость, а также их статистическая значимость для метеорологических станций, характеризующих разные физико-географические районы Грузии: Черноморское побережье (Поти), Колхидскую низменность (Кутаиси), равнинную часть Восточной Грузии (Тбилиси) и горные районы Кавказа (Пасанаури). Как следует из данных табл. 2, на скорость изменения температурных индексов за период глобального потепления существенно влияют физико-географические условия расположения станций. Кроме того, разные температурные индексы по-разному реагируют на глобальное потепление. К процессу потепления менее чувствительны экстремальные значения температуры, особенно абсолютный максимум. Скорость изменения экстремальных значений температуры незначительна и не превышает 0,5°С/10 лет. Эти изменения статистически незначимы, исключением являются абсолютные минимумы температуры в Тбилиси и Кутаиси, для которых изменения статистически значимы на уровне 95% и более, а вклад тренда в увеличение абсолютных минимумов температуры в Тбилиси достигает 20%. Некоторые изменения отмечены в динамике максимумов значений минимальной температуры TNx, увеличение этого индекса статистически значимо. Менее значимо изменение минимумов максимальных значений температуры Txn.
От глобального потепления наиболее зависимо число холодных и жарких дней, а также число тропических ночей. Число холодных дней в условиях глобального потепления повсеместно уменьшается. Скорость уменьшения их числа на значительной территории Грузии составляет примерно один день за 10 лет, а на равнинах Восточной Грузии увеличивается до 2—3 дней за 10 лет. При этом вклад тренда в суммарное изменение числа холодных дней составляет 12—33%. Уменьшение числа холодных дней сказывается на уменьшении числа дней с заморозками в переходные сезоны, что является положительным фактором для сельско-хозяйственных районов Грузии. Подробное исследование причин заморозков на территории Грузии представлено в нашей статье [4], а также в монографии [8]. В условиях глобального потепления число жарких дней существенно увеличилось на Черноморском побережье, а также в Восточной Грузии, предгорных и низкогорных районах Большого Кавказа. Изменения этих индексов статистически значимы на Черноморском побережье и в низкогорной зоне Грузии. Вклад глобального процесса в увеличение числа жарких дней на Черноморском побережье Грузии составляет более 40%; в низкогорных районах, несмотря на высокую статистическую значимость, только 7% межгодовых колебаний числа жарких дней можно объяснить глобальными процессами потепления.
Наиболее чувствительным к глобальному потеплению оказалось число тропических ночей. Их число за 10 лет на Черноморском побережье увеличилось на 6, на Колхидской низменности— на 3, а на равнинах Восточной Грузии— на 2. Эти изменения статистически значимы. Судя по значениям коэффициентов детерминации, вклад тренда в суммарную изменчивость числа тропических но-чей значителен и на Черноморском побережье превышает 40%, а в остальных равнинных районах Грузии колеблется в пределах 15—25%.
Продолжительность вегетационного периода чувствительна к глобальному потеплению на равнинах, а также в предгорных и низкогорных районах Восточной Грузии. Так, согласно данным табл. 2, скорость увеличения вегетационного периода на равнинах Восточной Грузии превышает 3 сут за 10 лет, а на границе низкогорного и среднегорного поясов составляет в среднем 1 сут за 10 лет, хотя изменение вегетационного периода статистически значимо лишь для Тбилиси.
Некоторое уменьшение числа морозных дней в условиях глобального потеп-ления при статистической значимости 90% и более отмечается в горных рай-онах Грузии и составляет в среднем 1сут/10 лет, однако вклад глобального процесса в изменение числа морозных дней очень мал и составляет всего 4%.
В отличие от экстремальных значений температуры изменение индексов процентилей температуры более существенно. Их изменения статистически значимы на значительной территории Грузии. Увеличение индекса 90%-ных процентилей на Черноморском побережье превышает 2сут/10 лет. Индекс 10%-ных процентилей минимумов температуры уменьшается со скоростью около 1сут./10 лет. Аналогично изменяются индексы процентилей сезонных значений температуры. При этом независимо от сезона процентили максимальных значений температуры имеют тренд увеличения, а процентили минимальных значений температуры— тренд уменьшения. Существенное увеличение числа жарких дней и тропических ночей, очевидно, можно объяснить именно увеличением процентилей максимумов и уменьшением процентилей минимумов температуры
Температурные индексы за разные периоды осреднения
В табл. 3 сопоставлены средние значения некоторых наиболее чувствительных к глобальному потеплению температурных индексов за разные периоды осреднения для четырех метеорологических станций, характеризующие разные физико-географические условия. Сопоставлены данные за период до 1960г., за 1961—1990гг. (базовый период, рекомендованный ВМО) и за период после 1990г.
Как следует из данных табл. 3, на Черноморском побережье Грузии статистически значимые различия между средними значениями температурных индексов за разные периоды осреднения отмечаются для всех представленных индексов. Так, число холодных дней за 1991—2011гг. по сравнению с 1936—1960гг. уменьшилось на 7. За тот же период число жарких дней увеличилось на 20, а число тропических ночей— на 15. По сравнению с базовым периодом 1961—1990гг. эти изменения составили соответственно 3, 17 и 11. На 10 уменьшилось число холодных дней в Тбилиси и на 6 увеличилось число тропических ночей по сравнению с периодом до 1960г. В Пасанаури и на южном склоне Большого Кавказа число морозных дней уменьшилось от 140 (1936—1960гг.) до 128 (1990—2011гг.), т.е. на 12, а число жарких дней за последний период по сравнению с периодом 1960—1990гг. увеличилось на 17. Все эти различия значимы на уровне не менее 95%. Из данных табл. 3 также следует, что статистически значимы изменения индексов процентилей экстремальных значений температуры в Поти, значений минимальной температуры в Тбилиси и Кутаиси и значений максимальной температуры в Пасанаури.
Такие различия в средних значениях индексов за разные периоды осреднения обусловлены изменением их статистической структуры. В частности, для числа жарких дней за период интенсивного глобального потепления (1976—2011гг.) по сравнению с периодом до 1975г. уменьшилась повторяемость их небольших значений и увеличилась повторяемость больших значений. Это подтверждается данными рис.2, где представлена гистограмма числа жарких дней за периоды до и после 1975г. для Тбилиси, когда скорость изменения числа жарких дней после 1975г. увеличилась всего на 2 сут/10 лет. На рис.2 видно, что за период интенсивного глобального потепления повторяемость числа жарких дней в интервале 121—130 в Тбилиси существенно увеличилась по сравнению с периодом до 1975г. (от 33 до 42%). Здесь также увеличилась повторяемость числа жарких дней в интервале 131—140.
Заключение
По данным, полученным в результате проведенного исследования, составлен каталог некоторых температурных индексов— экстремальных значений темпера-туры, числа морозных, холодных и жарких дней, числа тропических ночей, индексов, основанных на процентилях распределения, за 1936—2011гг. Созданы гео-информационные карты пространственной структуры температурных индексов и оценены тенденции их изменения за период глобального потепления.
Установлено, что разные температурные индексы по-разному отражают глобальное потепление: менее чувствительны к нему экстремальные значения температуры, более чувствительно число холодных и жарких дней. В условиях глобального потепления число холодных дней повсеместно уменьшается; число жарких дней существенно увеличилось на Черноморском побережье, в Восточной Грузии, а также в предгорных и низкогорных районах Большого Кавказа.
Наиболее чувствительно к глобальному потеплению число тропических но-чей. Скорость увеличения их числа на Черноморском побережье Грузии составляет 6, на Колхидской низменности— 3, а на равнинах Восточной Грузии— 2 ночи за 10 лет. Изменения индексов процентилей экстремальных значений температуры статистически значимы на значительной территории Грузии. Увели-чение индекса 90%-ных процентилей на Черноморском побережье превышает 2сут/10 лет. Индекс 10%-ных процентилей минимумов температуры уменьшается со скоростью примерно 1сут/10 лет.
Полученные результаты можно использовать при обобщении значений со-ответствующих индексов для Кавказского региона, бассейна Черного моря или для Передней Азии [11, 13]
Работа выполнена при финансовой поддержке Национального научного фонда им.Руставели (грант D-13/19, 2012—2014гг.).
Литература
1. Груза Г. В., Ранькова Э. Я. Оценка возможного вклада глобального потепления в генезис экстремально жарких летних сезонов на Европейской территории РФ.— Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2011, т.47, No6, с.717—721.
2. Кренке А. Н., Чернавская М. М. Райо-нирование территории России по сочетанию климатических экстремумов— условий возникновения чрезвычайных ситуаций.— Известия РАН. Серия географическая, 2003, No2, с.17—25
3. Элизбарашвили Э. Ш. Климатические ресурсы Грузии.— Тбилиси, Зеон, 2007, 328с. (на груз.яз.)
4. Элизбарашвили Э. Ш., Варазанашвили О. Ш., Элизбарашвили М. Э., Церетели Н. С. Заморозки безморозного периода на территории Грузии.— Метеорология и гидро-логия, 2011, No6, с.65—69.
5. Элизбарашвили Э. Ш., Татишвили М. Р., Элизбарашвили М. Э. и др. Изменение климата Грузии в условиях глобального по-тепления.— Тбилиси, Зеон, 2013, 128с. (на груз.яз.).
6. Элизбарашвили Э. Ш., Татишвили М. Р., Элизбарашвили М. Э. и др. Тенденции изменения температуры воздуха в Грузии в условиях глобального потепления.— Метео-рология и гидрология, 2013, No4, с.29—36.
7. Элизбарашвили Э. Ш., Элизбарашвили М. Э. Реакция различных типов ландшафтов Закавказья на глобальное потепление.— Из-вестия РАН. Серия географическая, 2002, No5, с.52—56.
8. Элизбарашвили Э. Ш., Элизбарашвили М. Э. Стихийные метеорологические явле-ния на территории Грузии.— Тбилиси, Зеон, 2012, 104с
9. Easterling D. R., Meehl G. A., Parmesan C. S., et al. Climate extremes: Observations, modeling, and impacts.— Science, 2000, vol.289, pp.2068—2074; doi: 10.1126/science.289.5487.2068
10. Groisman P. and Rankova E. Precipitation trends over the Russian permafrost-free zone: Removing the artifacts of preprocessing.— Int. J. Climatology, 2001, vol.21, No.6, pp.657—678.
11. http://etccdi.pacificclimate.org/indices.shtm
12. Meehl G. A., Arblaster J. M., Lawrence D. M., et al. Monsoon regimes in the CCSM3.— J. Climate, 2006, vol.19, pp.2482—2495, No. 2,doi: 10.1175/JCLI3745.1
13. Peterson T. C. Climate change indices.— WMO Bulletin, 2005, vol.54, No. 2, pp.83—86