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!