Реферат: В сборнике лекций «Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства». Санкт-Петербург, 2007, с. 144-171

Российская академия сельскохозяйственных наук

Агрофизический научно исследовательский институт (ГНУ АФИ Россельхозакадемии) Международная школа молодых ученых и специалистов

23-28 сентября 2007 года


Н.А. Лемешко

Современные изменения климата. Сценарии глобального потепления. Региональные изменения температуры воздуха и атмосферных осадков. Возможные изменения режима влагосодержания почвы.

^ В Сборнике лекций «Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства». Санкт-Петербург, 2007, с. 144-171.


Введение.

Современные изменения окружающей среды вызваны ростом промышленного и сельскохозяйственного производства и усилением антропогенного воздействия на природу и все более приобретают глобальный характер.

Изменения климата являются частью глобальных изменений природной среды и проявляются на различных уровнях от глобальных до региональных (ландшафтные зоны, бассейны рек, страны и регионы). Одной из наиболее уязвимых к изменениям климата отраслей является сельскохозяйственное производство, продуктивность которого зависит от многих факторов, в том числе обусловленных климатом – режимом увлажнения, температурой воздуха и почвы, особенностями снегозалегания, экстремальными погодными явлениями (заморозки, град, туманы и др.), распространением болезней и вредителей.

Режим увлажнения почв в последние десятилетия находится под сильным антропогенным воздействием. Реальностью стали процессы выщелачивания черноземов, заболачивания и опустынивания. За последние 45-50 лет отчетливо проявляется понижение плодородия почв в основных сельскохозяйственных регионах России, происходит их засоление и оглеение. Каждый третий гектар почв подвержен деградации и более чем на 50 млн. га наблюдаются процессы опустынивания (Обзор, 2002). Причины развития этих процессов необходимо исследовать незамедлительно. Режим атмосферных осадков и сток рек исследованы достаточно полно, их результаты основаны на обширном эмпирическом материале, который позволяет делать выводы о существующих тенденциях, как для отдельных регионов, административных единиц, так и для Земли в целом. Однако, такие важные компоненты водного режима, как влажность почвы, испарение, снежный покров, обеспечивающие жизнедеятельность растительных и животных сообществ, часто оцениваются как остаточные члены водного баланса. Исследование водного режима как важного элемента климатической системы. позволит выявить новые закономерности изменения этого режима в 20 веке и моделировать их на перспективу, расширит наше понимание закономерностей изменения природных условий различных экосистем в современных климатических условиях и с большей уверенностью говорить о таких изменениях в будущем.

^ Современные изменения климата.

Изменения в климатической системе происходили на протяжении миллионов лет, то есть климат Земли менялся в прошлом и будет меняться в будущем. Однако современные изменения климата связывают не только с естественными колебаниями климата различного временного масштаба, но и с антропогенными факторами.

Среди основных факторов, относящихся к факторам, ответственным за естественную составляющую изменений климата, следует назвать:

Астрономические факторы – изменения приходящей солнечной радиации в результате изменения излучения Солнца; изменения орбитальных параметров Земли;

геофизические факторы – мощные вулканические извержения, приводящие к изменению прозрачности атмосферы, тектонические процессы на суше и в океанах; изменения циркуляции атмосферы и океана (NAO, Эль- Ниньо);

Изменения альбедо поверхности Земли;

Изменение химического состава атмосферы: (углекислый газ, метан, окислы азота, озон).

Антропогенные факторы изменения природной среды и климата имеют разную продолжительность, распространение и степень воздействия. Некоторые носят локальный характер, хотя по степени воздействия бывают даже опасными, другие приводят к крупномасштабным глобальным изменениям. Такие изменения мы наблюдаем в последние десятилетия - это изменения газового состава атмосферы, которые, по мнению геофизиков и климатологов, привели к эффекту глобального потепления.

^ Антропогенное глобальное потепление.

Предположение о возможном глобальном потеплении было высказано более 40 лет назад российским ученым - академиком М.И. Будыко. Его гипотеза подтверждала идею Аррениуса (1896 г.) о том, что увеличение масштабов сжигания ископаемого топлива для удовлетворения потребностей человечества может привести к значительному росту концентрации углекислого газа в атмосфере, который усиливает так называемый парниковый эффект. К парниковым газам кроме углекислого газа относятся: водяной пар, метан, окислы азота, озон, фреоны.

Парниковые газы оказывают непосредственное радиационное воздействие на климат, пропуская ультрафиолетовую солнечную радиацию и поглощая инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры нижнего слоя атмосферного воздуха.

В 90-е годы прошлого столетия главное внимание уделялось углекислому газу, как основному парниковому газу. Однако расчеты радиационно-конвективных моделей климата позволили прийти к заключению, что вклад других парниковых газов (метана, окиси углерода, закиси азота, фреонов) сравним с вкладом в парниковый эффект углекислого газа.

Помимо непосредственного радиационного воздействия на климат, парниковые газы оказывают косвенное воздействие, приводящее к изменению химических процессов в атмосфере. Так, в тропосфере, некоторые парниковые газы вступают в реакцию с ионом гидроксила (ОН). Увеличение концентрации в атмосфере метана и оксида углерода может привести к уменьшению концентрации ОН, что приводит к увеличению периода жизни метана и оксида углерода.

Регулярные наблюдения за концентрацией углекислого газа начаты в 1958 году в обсерватории Мауна-Лоа (Гавайские острова) и стали основой для подтверждения непрерывного роста концентрации СО2 в атмосфере.

Хотя вопрос о причинах современного глобального потепления является еще в определенной степени дискуссионным, в последние годы появилось большое количество работ, в которых делается вывод об антропогенном характере потепления конца 20 столетия ( Будыко, Борзенкова и др., 1992; Kerr,1995; Keeling et. al., 1997; Pearce, 1995; Kaufman, Stern, 1997). В работе [Kaufman, Stern, 1997] с помощью линейной модели (ЕВМ), основанной на уравнениях энергетического баланса, оценивается вклад колебаний прихода солнечной радиации, вулканической активности, аэрозоля, углекислого газа и малых газовых примесей (МГП) в изменение температуры северного полушария за последнюю 1000 лет. Автор считает потепление конца 20-го столетия беспрецедентным за весь исторический период и оценивает вклад естественных колебаний климата в это потепление не более чем 25%. Таким образом, значительная часть современного глобального потепления связана с ростом концентрации углекислого газа и других малых газовых примесей.

Данные измерений показывают, что в конце 90-х годов концентрация СО2 в атмосфере составляла 358 ppm по сравнению с 280 ppm в доиндустриальное время. Если в 21-м столетии она достигнет 380 ppm, то, с учетом влияния МГП, средняя глобальная температура может увеличиться еще на 0.5°С по сравнению с температурой 80-х годов и достичь значения, характерного для наиболее теплого периода голоцена (оптимума голоцена 6-5 тыс. лет т.н.), когда отмечались значительные изменения регионального климата и природной среды практически во всех широтных зонах Земли [Борзенкова И.И. 1992].

^ Глобальная температура воздуха.

Основной характеристикой современных изменений климата является средняя глобальная температура воздуха – это средняя годовая осредненная для всей планеты или для северного полушария температура приземного слоя воздуха. Средняя глобальная температура воздуха уже выросла на 0,6°С по сравнению с концом XIX века.

Согласно косвенным данным, включающим как письменные источники, так и данные дендрохронологии, археологии, палеоклиматические и палеогидрологические данные, XX столетие оказалось самым теплым за последние 1000 лет.

С середины 1990-х годов современное потепление климата стало наиболее заметным: самым теплым десятилетием были 90-е годы прошлого столетия и шесть лет текущего столетия. 1998 и 2005 гг. -два самых теплых года этого периода. 1998 г. превысил норму 1961-1990 гг. на 0.58°C , наиболее теплые годы за период инструментальных наблюдений: 1998, 2005, 2003, 2002 и 2004 (одинаковые аномалии), 2006, 2001, 1997, 1995, 1990 и 1999 (одинаковые аномалии), 1991 и 2000 (одинаковые аномалии) (Brohan, Kennedy at. al., 2006)..

^ Изменения осадков северного полушария.

Анализ осадков в северном полушарии (8300 станций и дождемерных постов) показал, что 80-90-е годы были не только самыми теплыми, но и самыми влажными за период инструментальных наблюдений [Hulme M. 1995. Estimating global changes in precipitation. Weather, v.50, N 2, p.34-52.]. Причем высокий уровень увлажнения обеспечивался за счет увеличения осадков в северных широтах (севернее 50°с.ш.), а также за счет роста количества ливневых осадков во внутриконтинентальных районах.





Рис. 1. Аномалии средней годовой глобальной температуры воздуха

( по [Brohan, P., J.J. Kennedy, I. Harris, S.F.B. Tett and P.D. Jones, 2006: Uncertainty estimates in regional and global observed temperature changes: a new dataset from 1850. J. Geophysical Research 111, D12106]).

^ Природные индикаторы современного потепления.

Хотя повышение глобальной температуры еще не достигло величины, соответствующей последней теплой эпохе прошлого - климатическому оптимуму голоцена, когда средняя годовая температура воздуха была выше современной примерно на 10 С, уже в настоящее время существуют неоспоримые доказательства современного потепления, зафиксированные различными природными ндикаторами (Борзенкова, 1999) :

Продолжительность теплого периода в Европе увеличилась на 10 дней (Мирвис и др., 1996);

Продолжительность вегетационного периода в Европе увеличилась на 7 дней (Killing et al., 1996);

Начало вегетационного периода сместилось на более ранние сроки (9 дней за 30 лет в Европе и 7 дней в Германии), на более ранние сроки сместились даты цветения плодовых деревьев. (BAMS. V. 83, N10, 2002);

Уменьшение максимальной толщины льда на внутренних водоемах после 1980 и сдвиг дат вскрытия водоемов ото льда на более ранние сроки от 15 до 20 дней .(Vuglinsky et al., 2002):

Удлинение продолжительности биологического лета на внутренних водоемах России (Gronskaya et al., 2000);

Распространение к северу 39 видов бабочек не менее чем на 200 км за последние 27 лет в Северной Америке и Европе (Parmesan et al., 1999; Parmesan, 2003);

Ареалы 12 видов птиц продвинулись на 200 км за 20 лет в северные районы Британии и Европы (Thomas and Lennon, 1999).

В настоящее время существует ряд неоспоримых свидетельств реакции растительности на современное глобальное потепление. Первые признаки такого влияния, проявившиеся в увеличении ширины годичного кольца древесины, были обнаружены еще в 1986 году при анализе древесины хвойных из высокогорных районов Калифорнии [Goreau, Hays 1994].

Родвелл связывает изменение в травяном покрове Англии с усилением процесса глобального потепления, последствием которого является уменьшение количества осадков в некоторых районах Англии [Rodwell J. 1991La Marche V.C. et al. 1984].

Исследования Вудворта указывают на изменения в анатомическом строении листа по сравнению с растительностью доиндустриального периода, что связано с ростом концентрации СО2 в атмосфере. Последствием таких изменений является более эффективное использование воды растениями, что позволяет им, по его мнению, существовать в условиях более засушливого климата [Woodward, 1987],

В работах Килинга и его коллег показано [Keeling, Chin et al., 1996]., что начиная с конца 1960-х годов продолжительность вегетационного периода в высоких широтах северного полушария увеличилась не менее, чем на 7 дней. Авторы отмечают также увеличение годовой амплитуды сезонных колебаний концентрации углекислого газа, на 20% в тропических районах и не менее чем на 40% в высоких широтах. Наиболее значительные изменения в годовой амплитуде сезонных колебаний концентрации СО2 произошли между 1981 и 1990 годами, причем наиболее значительные изменения отмечались между 45° и 70° с.ш. весной из-за более раннего стаивания снега

Приведенные выше материалы об обнаружении сигнала современного глобального потепления различными природными объектами свидетельствуют о реальности этого потепления, хотя пока оно, особенно если ориентироваться на глобальные изменения, выглядит незначительным. Но и такой масштаб потепления можно найти в недалекой истории климата.

Известно, что на протяжении 11 -13 веков (Средневековое потепление) климат был теплее современного, а в 14-19 веках холоднее современного (14-17 вв. называют малой ледниковой эпохой). Исторические данные свидетельствуют, что аномалии температуры воздуха в отдельных регионах Европы не превышали 0,2-1,00С, однако они привели к изменениям в жизни населения и важнейшей отрасли того времени- сельском хозяйстве. Так, при потеплении продвинулись к северу посевы пшеницы в Европе, а в холодный период, наоборот, сократились площади посевов и распространились эпидемии.

Вот почему, нельзя не учитывать современный масштаб потепления и нужно быть готовыми к новым климатическим реалиям, так как дальнейшее потепление возможно в ближайшем будущем. Для сельского хозяйства это наиболее актуально, поскольку климатические условия являются важным фактором устойчивого производства в этой отрасли, а в некоторых случаях -лимитирующим фактором. Так, например, огромное значение может иметь тот факт, что в целом для суши за период 1950- 1993 гг. ночные минимальные температуры воздуха увеличивались примерно на 0,2°С/10 лет, что примерно в два раза превышает темпы повышения дневных максимальных значений температуры воздуха (0,1 °С в десятилетие). Это привело к увеличению безморозного периода и снижению опасности возникновения заморозков во многих регионах средних и высоких широт.

^ Изменения температуры воздуха, атмосферных осадков, влажности почвы и испарения на Европейской территории России за период 1961-2001.

Важной особенностью климатической системы является многообразие климатических условий. Средняя глобальная температура воздуха дает самое общее представление об изменениях в ней. Картина региональных изменений температуры воздуха и атмосферных осадков в последние десятилетия, гораздо более сложная и разнообразная.

Общая тенденция изменения средней годовой температуры воздуха для территории России за 1951-2001 гг. характеризуется положительным линейным трендом 2,7ºС/100 лет, а за весь период наблюдений 0,7-0,9ºС/100 лет за 1891-1998. Глобальное потепление проявляется в изменении режима элементов природной среды и, в частности, увлажнения суши. На территории России отмечается тенденция к росту осадков в зимние месяцы, и уменьшение их количества в другие сезоны. Избыток зимних осадков на Европейской территории России зафиксирован в 1994-1995 гг., а в 2001 г. на юге ЕТР осадков было в 1,5-2 раза больше климатической нормы. Тренд годовых сумм атмосферных осадков за период 1951-2001 гг. незначителен [Обзор, 2000, 2002].

Для исследования современного режима увлажнения, кроме традиционно используемых данных о количестве атмосферных осадков, были привлечены данные о влажности почвы для двух слоев - 50 и 100 см, а также испарения с поверхности почвы и с поверхности воды (Лемешко, Сперанская, 2006). Исследование изменения температуры воздуха, осадков, влажности почвы и испарения основаны на анализе оценок линейного тренда, позволяющем оценить тенденцию возрастания или убывания наблюдаемых величин в заданном промежутке времени (Поляк, 1979). Статистическая значимость трендов определялась по критерию Стьюдента (Кендалл, Стьюарт, 1976).

Для исследования температуры воздуха были использованы данные 32 станций Европейской территории России и ближайших областей Украины за период 1960 - 2000 гг. В таблице 1 приведены оценки линейного тренда температуры воздуха, статистически значимые на 95% -м уровне, из которой следует, что температура воздуха растет во все сезоны и за год почти на всех исследуемых станциях.

Средняя годовая температура имеет устойчивую тенденцию к повышению. При этом максимальный рост температуры до 2,0 С/40 лет отмечается на станциях, расположенных в широтном поясе 50-60 с.ш., а к северу от 60 с.ш. и к югу от 50 с.ш этот рост не столь велик (0,5-0,8 С/40 лет). Зимой и весной температура воздуха растет практически на всех анализируемых метеорологических станциях, за исключением самых южных. Таким образом, наибольший рост температуры наблюдается в зоне 50-60 с.ш., однако зимой тренды примерно в два раза превышают оценки для весны и достигают 6,0-6,5 С/40 лет. Из анализа средних месячных значений следует, что основной вклад в положительные тренды зимнего сезона вносят два месяца - январь и февраль, а весеннего сезона – март и апрель. На ряде станций наблюдается уменьшение температуры воздуха весной, в основном за счет холодного мая. Летом тренды температуры воздуха положительные, но не превышают 1,0С. Осенью преобладают отрицательные тренды температуры воздуха, которые являются следствием похолодания в ноябре, в то время как в первые месяцы осени по-прежнему отмечается рост температуры. Особенностью этого сезона является довольно близкие величины оценок линейного тренда во всех широтных зонах. Только на юге они превышают 1,5С/40 лет.

Таблица 1

Оценки изменения температуры воздуха на ЕТР за 1960-2000 годы (параметр линейного тренда).

Станция

Широта (с.ш.)

Долгота (в.д.)

Сезоны

зима

весна

лето

осень

год

Мурманск

68 58

33 03

1.3

1.5

-0.3

-0.2

0.4

Нарьян-Мар

67 65

53 02

0.4

2.4

0.2

-0.2

0.8

Кемь, порт

64 98

34 80

0.6

1.0

-0.4

0.1

0.3

Архангельск

64 60

40 60

5.4

3.3

1.2

-0.9

2.1

Троицко-Печерское

62 70

56 20

1.6

1.8

0.1

-0.9

0.7

Шенкурск

62 10

42 90

2.0

1.0

0.3

-0.8

0.7

Петрозаводск*

61 49

34 16

1.5

2.3

0.1

0.1

0.5

Ст.Петербург

59 97

30 30

3.1

2.3

0.1

0.0

1.3

Киров (Вятка)

58 65

49 62

3.2

2.3

0.2

0.4

1.3

Новгород

58 52

31 28

3.4

2.4

1.1

-1.1

1.5

Бисер

58 52

58 85

1.8

1.4

0.8

0.3

0.9

Бежецк*

57 80

36 70

5.5

2.3

0.4

-0.1

2.0

Валдай*

57 58

33 14

4.9

2.4

0.0

-1.4

1.2

Псков*

57 48

28 25

2.6

2.8

0.3

0.2

1.2

Казань

55 78

49 18

6.0

1.2

0.3

-0.2

1.7

Елабуга

55 77

52 07

6.5

1.2

0.4

-0.4

1.8

Златоуст

55 17

59 67

5.1

0.7

1.4

0.3

1.7

Елатьма

54 95

41 77

5.2

1.1

-0.3

-0.6

1.2

Рославль*

53 97

32 85

4.7

2.4

0.0

-0.2

1.7

Пенза

53 13

45 02

4.6

-0.1

0.1

0.2

1.1

Василевичи*

52 25

29 83

4.1

0.7

-0.2

-0.6

1.0

Октябрьский городок

51 63

45 45

1.5

0.2

-0.4

-0.1

0.4

Богородицкое-Фенино*

51 17

37 35

1.2

1.5

-1.7

-0.3

0.0

Каменная Степь*

51 05

40 70

1.7

1.1

-0.7

0.3

0.5

Полтава*

49 60

34 55

2.1

0.2

-1.3

-1.1

0.0

Умань

48 77

30 23

2.2

0.9

0.3

-0.9

0.6

Гурьев

47 02

51 85

1.1

0.3

1.0

0.4

0.8

Ростов-на-Дону

47 25

39 82

0.9

-0.2

-1.0

-0.4

-0.2

Ялта

44 30

34 10

-1.0

-0.2

0.0

-1.4

-0.6

Примечание: звездочкой отмечены станции, данные наблюдений которых заканчиваются в 1993-1995 годах. Они используются только для подтверждения основных выводов по широтным зонам.

Таким образом, положительные тренды годовой температуры воздуха формируются в основном за счет повышения температуры зимой и весной. Увеличение температуры в первые месяцы осени (сентябрь-октябрь) не оказывает влияния на сезонные изменения, поскольку оно перекрывается значительным уменьшением температуры в ноябре. Увеличение температуры воздуха в южных регионах ЕТР отмечается в течение всего года, кроме летних месяцев.

Режим атмосферных осадков (годовых, сезонных и средних месячных) исследован для 149 метеорологических станций ЕТР и сопредельных стран из архива (Groisman, Rankova, 2001). Примерно треть из этих станций имеет пропуски за длительный период, и их ряды использовались только в качестве дополнительной информации. Так же как и для температуры воздуха, для осадков были получены оценки линейного тренда, статистически значимые на 95%-м уровне (табл. 2). Для годовых сумм осадков преимущественно положительные тренды зафиксированы в зоне 50-60° с.ш., а к северу и к югу отмечаются и положительные и отрицательные тренды. Зимой отрицательные тренды преобладают на севере и к югу от 55º с.ш. территории России, на Украине и в Молдавии, положительные – в центральной России и Предуралье, а также в западных областях, в Белоруссии и в Прибалтике. Весной характер изменения осадков по территории Европейской России примерно соответствует зимнему. Положительные тренды сохраняются в западных и южных областях России, а также на Украине. На фоне небольших отрицательных трендов в центре ЕТР выделяется только бассейн Северной Двины (тренды от -10 до -16 мм за 40 лет). Летом и осенью на Европейской равнине преобладают рост осадков. Однако летом увеличение осадков более значительно (тренды до 45 мм/40 лет) и охватывает большую территорию, чем осенью. Но к северу от 60 с.ш. и на западе региона достаточно хорошо выделяются области уменьшения осадков, причем на западе уменьшение осадков более интенсивно летом, а севере - осенью. Исследование режима влажности почвы выполнено по данным наблюдений на воднобалансовых и теплобалансовых станциях для специальных участков с ненарушенным естественным растительным покровом. Наблюдения на воднобалансовых станциях были организованы в 1930-1950-х годах. На некоторых из них продолжительность наблюдений составляет 50 и более лет. До 1980-х годов наблюдения проводились на 24 воднобалансовых станциях, а в настоящее время на ЕТР продолжают работать всего 4 станции. В настоящем исследлвании использованы данные 7 станций, в том числе дополнительно 2 станции на Украине и одна – на территории Латвии. Сеть теплобалансовых станций была организована в 1950-х годах. До 1980-х годов эта сеть состояла из 45 станций. К концу 1990-х годов на ЕТР продолжало работать только 7 станций.

Именно эти станции использованы в наших расчетах; в него включены также данные для 2 украинских, 2 молдавских и одной станции в Казахстане. Привлечены также данные


Таблица 2.

Параметры линейного тренда сезонных и годовых сумм атмосферных осадков за последние 40 лет.

Станции

Координаты (с.ш., в.д.)

Параметр линейного тренда (мм/40 лет)

широта

долгота

зима

весна

лето

осень

год

Нарьян-Мар

67,65

53,02

2,8

8,3

6,1

-2,6

3,6

Кандалакша

67,13

32,43

2,7

8,7

1,0

-5,7

1,5

Усть-Цильма

65,45

52,17

-2,4

-2,7

5,8

-5,4

-1,1

Ухта (Калевала)

65,20

31,17

-11,1

-0,6

5,1

-9,4

-4,1

Архангельск

64,58

40,50

-0,1

1,2

6,6

-5,3

0,4

Онега

63,90

38,12

2,7

-0,4

6,4

-17,4

-2,1

Реболы

63,82

30,82

8,4

0,7

6,5

7,0

5,9

Паданы

63,27

33,42

-0,2

-3,1

-3,8

-1,2

-2,4

Троицко-Печерское

62,70

56,20

3,7

4,0

-0,6

0,5

1,9

Няксимволь

62,43

60,87

-6,0

-4,6

11,3

-6,6

-1,6

Шенкурск

62,10

42,90

-11,0

-10,6

14,6

-14,2

-5,4

Петрозаводск

61,82

34,27

3,6

3,5

-3,7

-8,3

-1,0

Котлас

61,23

46,63

11,0

-2,3

20,3

-3,6

6,2

Вытегра

61,02

36,45

4,5

-5,5

-8,8

-14,1

-6,3

Ивдель, АС

60,41

60,26

0,6

1,9

10,9

9,6

5,8

Чердынь

60,40

56,52

15,4

4,1

26,2

6,8

13,2

С. Петербург (Ленинград)

59,97

30,30

4,1

-0,4

0,8

2,4

1,2

Тотьма

59,97

42,75

-2,3

-16,3

1,1

-10,6

-7,2

Таллин

59,42

24,80

18,1

6,1

7,5

14,3

11,6

Вологда

59,28

39,87

-3,6

-8,2

13,1

1,6

0,6

Новгород

58,52

31,28

7,0

1,6

-6,9

3,4

1,1

Бисер

58,52

58,85

3,7

-0,8

16,2

12,4

8,4

Тарту

58,30

26,73

17,0

3,8

4,6

15,3

9,8

Псков

57,83

28,35

17,8

2,1

27,1

15,5

14,6

Кострома

57,73

40,95

10,2

3,8

9,2

6,9

7,1

Вышний Волочек

57,58

34,57

9,4

-5,8

12,4

11,0

6,4

Иваново

56,95

40,93

5,6

0,8

-2,5

12,1

3,8

Красноуфимск

56,62

57,75

7,1

5,6

-4,5

4,8

3,4

Казань

55,78

49,18

7,7

2,1

-9,6

16,0

4,1

Москва, с/х академия

55,75

37,57

3,0

-9,1

8,5

15,3

4,2

Порецкое

55,18

46,33

-12,0

1,5

-3,3

7,5

-1,4

Витебск

55,17

30,13

19,7

-3,5

3,9

12,5

8,4

Златоуст

55,17

59,67

-4,5

-12,7

-10,6

-5,5

-7,8

Елатьма

54,95

41,77

-7,6



наблюдений за основными элементами водного баланса почвы на 10 агрометеорологических станциях для периода 1960-1990-х годов.

Выполненный анализ изменения влажности почвы показал, что влажность верхнего (активного) слоя в целом увеличилась во все месяцы года практически на всей Европейской территории России и для некоторых станций в настоящее время она превышает величину наименьшей полевой влагоемкости.

На рис.2 в качестве примера приведены оценки изменения влажности почвы для трех станций, расположенных в разных природных зонах. Влажность почвы в таежной зоне (Валдайская воднобалансовая станция) уменьшается в зимние и весенние месяцы, причем в слое 0-50 см это уменьшение достаточно велико, а в слое 0-100 см оно незначительно. Начиная с июня отмечается рост влажности в обоих слоях почвы, особенно интенсивный летом и в начале осени. В последние осенние месяцы и в начале зимы (декабрь) увеличение влажности незначительно, но оно фиксируется достаточно надежно (значимость линейного тренда 95 %). В лесной зоне (Подмосковная воднобалансовая станция) влажность почвы растет в обоих слоях в течение всего года, при этом максимальные величины отмечаются в слое 0-100 см. Наиболее интенсивное увеличение влажности фиксируется в летне-осенний период. В зоне лесостепей (воднобалансовая станция Каменная степь) в конце весны рост влажности почвы незначителен, а основное увеличение отмечается осенью. В зоне степей отмечается рост влажности в обоих слоях почвы, даже больший, чем в лесостепной и таежной природных зонах. В весенние и осенние месяцы положительный тренд составляет 85 -110 мм/35 лет.

Для исследования изменения режима испарения использованы данные наблюдений за испарением с поверхности воды на сети водноиспарительных станций и за испарением с поверхности почвы на специализированных станциях (всего 70 пунктов) в течение теплого периода года май(апрель) - сентябрь(октябрь). На рис. 3 приведены временные ряды испарения с поверхности почвы и поверхности воды для некоторых из этих станций с 1960 по 1990 г. [Голубев и др., 2003; Golubev et. al., 2001]. В зоне тайги тренды обоих видов испарения имеют один знак - испарение уменьшается. Южнее, в зоне лесов, тренды испарения с поверхности воды и поверхности почвы противоположны по знаку: испарение с воды уменьшается, а испарение с поверхности почвы растет. В лесостепной и степной зонах эти разнонаправленные тенденции сохраняются: испарение с поверхности воды уменьшается, а испарение с поверхности почвы растет. При этом систематические и статистически значимые тренды испарения с поверхности воды были выявлены для всех пунктов наблюдения. Для испарения с поверхности почвы значимые тренды получены только на некоторых станциях.

Увеличение влажности почвы в последние десятилетия связано, вероятно, с наметившейся тенденцией к уменьшению температуры воздуха в летне-осенние месяцы и увеличением осадков в зоне 50-60° с.ш., где в основном расположены станции наблюдения за влажностью почвы. Однако для объяснения роста влажности почвы также необходимо проанализировать изменения продолжительности теплого периода года, дат схода и установления снежного покрова и другие характеристики. В свою очередь, рост влажности почвы и атмосферных осадков летом и осенью приводит к увеличению испарения с поверхности почвы, как в зоне достаточного (лес), так и недостаточного увлажнения (степь, лесостепь). Но для подтверждения этого положения необходимы данные параллельных наблюдений на одних и тех же станциях за одинаковые периоды, что трудно осуществимо. Уменьшение испарения с поверхности воды, вероятно обусловлено в основном, изменениями в последние годы циркуляционных и термических условий. Получение обоснованных выводов о причине этого возможно на основе дальнейших исследований с привлечением дополнительных данных, например о скорости ветра. Основываясь на выявленных закономерностях изменения температуры воздуха, осадков, испарения и влажности метрового слоя почвы для ЕТР за последние десятилетия, выделены регионы, где изменения режима увлажнения могут носить неблагоприятный характер для современных природных и агро- экосистем. К анализу привлекались также выявленные корреляционные зависимости элементов режима увлажнения и оценки масштаба сопряженности полей климатических и макросиноптических параметров. Анализ проведен для всех сезонов года, хотя выделение регионов однонаправленных тенденций в режиме влажности для зимы целесообразно только в смысле целостности картины и для дальнейшего анализа весенне-летнего периода.



а) Валдайская ВБС









б) Подмосковная ВБС









в) ВБС Каменная Степь










Рис. 2. Оценки линейного тренда изменения влажности почвы в таежной (а), лесной (б) и степной (в) зонах за последние 35-40 лет.


1 - среднее многолетнее значение, 2 - оценка линейного тренда.


Зимой неблагоприятные условия увлажнения складываются на северо-западе ЕТР. Здесь отмечается увеличение влажности почвы при росте температуры воздуха и уменьшении осадков, что может вызвать переувлажнение почвы весной. При этом небольшое уменьшение влажности почвы на северо-востоке ЕТР, отмечаемое на фоне уменьшения осадков и испарения с поверхности почвы может послужить благоприятным фактором для природных экосистем. В центральных областях ЕТР наблюдается рост температуры, осадков и влажности почвы, что может по-разному влиять на экосистемы в разных климатических условиях: отрицательно в зоне избыточного увлажнения и положительно в зонах оптимального и недостаточного увлажнения. Южнее 50ºс.ш. тренд температуры и влажности почвы положителен, а осадков отрицателен. Неблагоприятные условия увлажнения проявляются на юго-западе ЕТР, где могут вызвать недостаток влаги весной, поскольку здесь наблюдается уменьшение осадков и влажности почвы.

Летом влажность почвы растет практически на всей территории ЕТР и, в целом, условия увлажнения благоприятны для зоны недостаточного увлажнения (лесостепь, степь, полупустыня). При этом в зоне южной тайги и лесной зоне отмечается наибольший положительный тренд осадков (более 10 мм/40 лет). Учитывая, что здесь наблюдается уменьшение испарения, в этом регионе могут складываться неблагоприятные условия для экосистем. В южных регионах, в том числе на территории республик Северного Кавказа, Краснодарского и Ставропольского края температуры воздуха и осадки уменьшаются, влажность почвы и испарение увеличиваются. Это может неблагоприятно сказываться на природных условиях в этих регионах. На юго-западе ЕТР, где совпадают отрицательные тренды температуры и осадков, отмечается рост испарения и небольшое уменьшение влажности почвы, что может неблагоприятно сказываться на развитии растений.

Осень характеризуется нисходящими трендами и отрицательными аномалиями температуры воздуха и уменьшением осадков к северу от 60º с.ш. и к югу от 50º с.ш. При этом влажность почвы увеличивается на всей территории, за исключением территории республики Коми. В центральных областях проявляются однонаправленные тенденции роста осадков и роста влажности почвы. Несмотря на отмечаемое уменьшение испарения в северных регионах (зоны тайги и леса) и его увеличение в более южных районах можно сказать, что в целом на территории ЕТР складываются благоприятные условия увлажнения для природных экосистем, исключая зону сухих степей и полупустынь.

^ Сценарии глобального потепления. Предстоящие изменения климата.

Согласно оценкам специалистов-климатологов возможно дальнейшее потепление. Глобальная температура воздуха превысит доиндустриальное значение на 1°С к 2010 году и на 2°С к 2025 г. (IPCC, 2001). В табл. 3 приведены оценки возможного роста глобальной температуры воздуха при удвоении концентрации СО2 в атмосфере, из которой можно составить представление о величине диапазона прогнозов от1,3 до 5,2 0С.

Изучение современного состояния вопроса о предстоящих региональных изменениях режима увлажнения и температуры воздуха при дальнейшем развитии процесса глобального потепления, показало, что в научном сообществе не существует единого мнения о достоверности прогностических оценок. Существует два независимых подхода для решения этой проблемы:

Теоретический, предполагающий использование моделей общей циркуляции атмосферы

Эмпирический подход. В рамках эмпирического подхода используются как данные о современных трендах для обширных территорий, так и палеоклиматические реконструкции для теплых и холодных эпох прошлого.

Для оценки возможных изменений гидрометеорологических параметров крупных регионов России при изменении климата необходимо выбрать сценарий изменения режима увлажнения, наиболее физически оправданный и реалистичный. С этой целью были проанализированы три транзитивные модели общей циркуляции атмосферы (МОЦА): GFDL89, ECHAM1-A и UKTR и три равновесные модели: GFDL, GISS и UKMO и данные палеореконструкций для трех теплых эпох прошлого: климатического оптимума голоцена, микулинского межледниковья и оптимума плиоцена. Данные моделей общей циркуляции атмосферы имеют месячное разрешение по времени, п