Проблема изменений климата, несмотря на современные углубленные и всесторонние исследования, все еще носит дискуссионный характер [1]. В качестве главной причины потепления называют как антропогенные, так и природные факторы. Доминирует газовая концепция потепления, в основе которой лежит теория эмиссии парниковых газов антропогенного генезиса. Но климат – глобальный процесс, связанный прежде всего с положением Земли в Солнечной системе и влиянием периодической (циклической) ритмики Солнца. Об этом свидетельствуют фундаментальные исследования А.В. Дьякова [2], М.С. Эйгенсона [3] и Б.А. Слепцова-Шевлевича [4] и др. Климатические прогнозы А.В. Дьякова (на 3–6 месяцев вперёд) для любой точки Северного полушария отличались поразительной точностью. Они строились на энерго-климатологической основе и оправдывались на 80–90 % [2]. Все это вызывает интерес к проблеме солнечно-тропосферных связей, а моделирование долговременных рядов метеорологических наблюдений занимает в этом случае ключевое место.
Постановка задачи
В качестве исходных приняты ряды метеорологических наблюдений за среднегодовой температурой приземного воздуха и атмосферными осадками на ГМС Якутск (Центральная Якутия). Они берут начало с мая 1829 г. (рис. 1) [5]. Однако наличие значительных перерывов в 1850–1870-х гг. ограничило начало непрерывного ряда 1882 г. (138 лет).
Рис. 1. График средней температуры в Якутске с 1830 по 2016 г. [5]
Выбор метеостанции Якутск не случаен. Он обусловлен не только максимальной для Восточной Сибири продолжительностью ряда наблюдений, но и географическим положением. Станция расположена на Центрально-Якутской равнине, обрамленной с востока и юга цепями горных хребтов, блокирующими вторжения воздушных масс с акватории Тихого океана. Она также значительно удалена от теплых воздушных масс Атлантики и имеет хороший отклик на изменение солнечной активности (CА) [5, 3]. Наши исследования Сибирского антициклона и современного потепления показали, что ряды наблюдений ГМС Якутск являются высокорепрезентативными не только для большей части Среднесибирского плоскогорья, но и для всего Северного полушария [5].
В качестве показателя СА использовался Цюрихский ряд чисел Вольфа продолжительностью более 300 лет.
Цель работы – методами численного моделирования нестационариных процессов в рядах метеорологии ГМС Якутск (среднегодовые температуры и атмосферные осадки) и чисел Вольфа исследовать солнечно-тропосферные связи на уровне внутривековых и вековых осцилляций в приложении к обоснованию долгосрочного географического прогноза.
Задачи:
– уточнить тенденции изменений климата и солнечной активности за последнее столетие путем вычисления линейных трендов в рядах метеонаблюдений и чисел Вольфа;
– методом скользящих средних выполнить моделирование кривых тепло- и влагообеспеченности климата по ходу векового цикла солнечной активности;
– исследовать закономерности флуктуаций климата под влиянием фактора глобальной цируляции атмосферы и гармонических осцилляций СА;
– определить наиболее вероятные изменения и грядущие аномалии климата в приложение к долгосрочному географическому прогнозу и прежде всего климатическому и мерзлотному.
Результаты исследования и их обсуждение
Вычисление линейных трендов в рядах температуры и атмосферных осадков станции Якутск в графическом сопоставлении с линейным трендом чисел Вольфа за ХХ в. показало, что прирост температуры лишь ненамного отставал от положительных трендов атмосферных осадков и чисел Вольфа, имеющих близкие показатели за рассматриваемый период (рис. 2 и 3).
Рис. 2. Линейные тренды значений чисел Вольфа (1) и среднегодовой температуры по станции Якутск (2)
Рис. 3. Линейные тренды значений чисел Вольфа (1) и среднегодовых атмосферных осадков по станции Якутск (2)
Это свидетельствует о единых тенденциях в активности Солнца и динамике тропосферно-климатических процессов. Солнечная активность, как было показано М.С. Эйгенсоном [3], способна модулировать не только колебания климата на уровне гармоник 11-летнего цикла СА, но и более продолжительные – на долговременной основе. Совпадения линейных трендов температуры, атмосферных осадков и чисел Вольфа в наших моделях подтверждают выводы М.С. Эйгенсона и могут свидетельствовать в пользу влияния СА на глобальный климат, в том числе и на процесс развития современного потепления. Этот вывод подтверждается и результатами других исследований [6–8]. Моделирование рядов метеорологических элементов методами Фурье и вейвлет-анализа показало присутствие в их структуре осцилляций, близких к известным периодичностям солнечной ритмики: 11-летней (Швабе – Вольфа), 22-летней (Хэла), 35–40-летней (Брикнера) и др. [9, 10]. Однако прямое графическое сопоставление кривых Фурье исследуемых рядов и кривой чисел Вольфа показало, что отклик гармоник анализа Фурье в рядах метеорологических элементов на 11-летние осцилляции СА был неоднозначен. В одних случаях положительные аномалии температуры и атмосферного увлажнения совпадали с максимумами 11-летних циклов СА, в других – с минимумами, либо занимали промежуточное положение, тяготея то к ветви подъема, то к ветви спада 11-летнего цикла (рис. 4 и 5).
Рис. 4. Диаграммы значений среднегодовой температуры воздуха натурального ряда ( °С) и анализа Фурье по данным ГМС Якутск и солнечной активности (W)
Рис. 5. Диаграмма значений среднегодовых атмосферных осадков натурального ряда (мм) и Фурье анализа по данным ГМС Якутск и солнечной активности (W)
Очевиден нелинейный характер солнечно-тропосферных связей. Он проявляется в устойчивом запаздывании по фазе гармонических осцилляций в рядах метеорологических элементов относительно аномалий 11-летнего цикла (максимумов и минимумов): на 1/4 периода температуры и на 1/2 – атмосферных осадков. Этой закономерности подчинен весь спектр ритмики, вскрытой нами в метеорологических рядах ГМС Якутск. На это указывают результаты как наших, так и других исследований [11–13].
В целом полученные результаты раскрывают большое влияние солнечных ритмов на динамику среднегодовой температуры и режим атмосферных осадков. Запаздывание по фазе отклика аномалий метеорологических элементов на аномалии СА могут свидетельствовать в пользу инерционности в отклике атмосферы на внешние энергетические воздействия, связанные с периодической деятельностью Солнца.
Как известно, при оценке климата любого региона Земли важную роль играет сочетание тепла и влаги. Поэтому исследования по поиску закономерностей в многолетней изменчивости тепло- и влагообеспеченности климата представляются актуальными. Путем математического моделирования метеорологических рядов ГМС Якутск (среднегодовые температуры и атмосферные осадки) была построена модель тепловлагообеспеченности климата (рис. 6). Модель показала чередование в ХХ в. четырех климатических интервалов: холодного и сухого (ХС); теплого и сухого (ТС); холодного и влажного (ХВ); теплого и влажного (ТВ). При этом была выявлена очень важная закономерность – ходы кривой температуры опережали ходы кривой атмосферных осадков на 1/4 каждой внутривековой ритмической волны. Ранее подобное запаздывание кривой увлажненности относительно теплообеспеченности было открыто Е.В. Максимовым при палеогеографических реконструкциях долгопериодичных – тысячелетних и многотысячелетних климатических циклов. Это явление было названо им правилом Иверсена – Гричук [14].
Рис. 6. Диаграмма среднегодовой температуры приземного воздуха и атмосферных осадков (11-летние скользящие) по данным метеостанции Якутск и атмосферная циркуляция (сплошная линия – зональная, пунктирная – меридиональная) (а)
Представляется, что в основе этого явления, в рамках глобальных долгопериодичных ритмов, лежат колебания в соотношении площади поверхности морей Мирового океана и суши. При трансгрессиях уровня мирового океана, сопровождавшихся значительным обводнением континентов, доминировали влажные климатические интервалы, при регрессиях, сопровождавшихся похолоданиями и приростом суши за счет формирования значительного по площади ледового покрова арктических (и отчасти внутренних) морей, напротив – сухие. Эти процессы достаточно отчетливо фиксируются в чередовании ландшафтных смен позднего неоплейстоцена и голоцена в Якутии и других территориях. Увлажненность климата и сегодня оказывает значительное влияние на природные процессы в Якутии. В качестве примера можно привести реакцию горных ледников Якутии на современное потепление. Так, ледники хр. Сунтар Хаята (Южное Верхоятье), входящие в область влияния влагонесущих воздушных масс с Тихого океана при близких параметрах абсолютных высотных отметок с ледниками хребтов системы Черского, занимающими внутриконтинентальное положение (в зоне высокой континентальности климата), имеют вдвое большие площади. Значительное иссушение климата Якутии, по сравнению с настоящим временем, было установлено для XIX в. – времени завершающей фазы похолодания Малого ледникового периода, когда ледовитость арктических морей была максимальной. Сухой климат этого периода не мог, как и в случае с внутриконтинентальными хребтами системы Черского, сдерживать активное таяние льдов при переходе от похолодания к потеплению. В современных условиях, при значительном сокращении площадей морского и наземного ледового покрова и росте общей увлажненности климата, процесс таяния льда, как и в случае с ледниками Сунтар-Хаята, должен снизить свою динамику, а в отдельных случаях, вероятно, возможен даже прирост баланса массы отдельных ледников. Судя по динамике климата в ХХ в. основные волны (аномалии) потеплений и похолоданий в Якутии хорошо согласуются с динамикой глобальной атмосферы. Первая волна потепления, получившая название «Потепление Арктики 1930-х гг.», развивалась при усилении динамики западного переноса, вторая – от 1970-х гг. и по настоящее время развивается под влиянием циркуляции меридионального типа. При этом известное похолодание 1950–1960-х гг. проявилось в период общего ослабления циркуляции атмосферы при переходе одного ее типа в другой. Как и по ходу в 11-летних циклах, СА аномалии климата в рамках векового цикла тяготели к экстремумам этого цикла – максимуму и минимумам. Ранее подобное явление применительно к 11-летнему циклу было описано А.Л. Чижевским [15].
При оценке отклика криолитозоны на потепление климата и разработки геокриологических и общегеографических прогнозов необходимо учитывать большую инерционность географической оболочки и прежде всего морских и наземных льдов к процессу потепления. Так, таяние ледового покрова Северного Ледовитого океана, несмотря на активное потепление климата, начавшееся в середине 1970-х гг., до начала текущего столетия было незначительно. Однако в 2007 г., спустя более 30 лет от начала потепления, океан одномоментно потерял 25 % своего ледового покрова. Последнее необходимо учитывать при разработках геокриологических прогнозов для Арктики и Субарктики, дабы снизить риски и избежать угрозы неожиданных и опасных природных катастроф.
Чего же следует ожидать в будущем?
Теплая и сухая фаза климата, развернувшаяся на равнинах Якутии в начале текущего столетия, продолжится в будущем еще как минимум на два-три десятилетия. Сильные засухи, подобные засухам 1920-х гг., вызвавшим голодомор и совпавшим с пандемией «испанки» и других инфекционных заболеваний (брюшной тиф, оспа, холера и др.), могут сохранить усиленную динамику в самое ближайшее время (2021–2025 гг.), а также в 2040-е и 2070-е гг. Об этом свидетельствуют как развивающаяся современная глубокая теплая климатическая аномалия, так и вся климатическая структура предыдущего векового цикла. В настоящее время мы находимся в начале второй волны 11-летнего цикла по ходу нового векового зародившегося 12 лет назад (2009 г.). Сотню лет назад в мире развернулась пандемия «испанки», возможно, вернувшейся к нам сегодня в обличии «COVID-19». В ту пору в Якутии горели леса, усиливали динамику опасные криогенные процессы, трансформировался режим наледей, половодий и паводковых волн, сейсмических проявлений и др. Развитие текущей теплой фазы климата также будет модулировать в самое ближайшие время активизацию широкомасштабных лесных пожаров и опасных криогенных явлений и процессов, связанных с вытаиванием пластовых и жильных льдов, площадным распространением термокарста, усиления динамики надмерзлотных подземных вод, солифлюкции, суффозии, процессов подтопления и заболачивания и др. Кроме того, можно ожидать всплеска опасных гидрологических, гидрогеологических и сейсмо-тектонических проявлений, особенно в периоды, близкие к переломам по ходу 11-летних солнечных циклов.
Заключение
Результаты анализа солнечно-тропосферных связей на уровне моделей линейных трендов и цикличности нестационарных процессов в многолетних рядах метеонаблюдений станции Якутск (среднегодовая температура приземного воздуха и атмосферные осадки) в графическом сопоставлении с ходами чисел Вольфа показали единство тенденций в активности Солнца и динамике рядов метеорологических элементов. В качестве важной закономерности следует отметить нелинейность гармонических колебаний на Солнце и в атмосфере. Выявлено устойчивое запаздывание по фазе на 1/4 периода – температуры и 1/2–осадков, относительно аномалий 11-летнего цикла СА (максимумов и минимумов). Причина этого явления представляется в инерционности отклика присущей всем геосферам географической оболочки на воздействие внешних энергетических импульсов. Не менее интересна выявленная внутривековая изменчивость тепло- и влагообеспеченности климата. Она проявляется в том, что пики температуры, опережая пики увлажненности на 1⁄4 ритмической волны, создают условия для чередования периодов холодного и сухого, теплого и сухого, холодного и влажного, теплого и влажного климата. Согласно выявленным гелиогеофизическим предпосылкам, сильные засухи следует ожидать в первой половине – середине 2020-х гг. (2021–2025), а также в 2040-е и начале 2070-х гг. Они будут чередоваться либо совпадать (на отдельных участках) с сезонами, отличающимися ливневым характером атмосферных осадков. Эти явления будет модулировать периодичность широкомасштабных лесных пожаров и усиление динамики всего спектра опасных экзогенных геологических процессов. Во временных диапазонах, близких к минимумам и максимумам 11-летнего цикла, следует ожидать усиление рисков гидрологических, гидрогеологических и сейсмо-тектонических проявлений. Если обсуждать тенденции глобальных климатических изменений, то на сегодня нет оснований ожидать перехода к глобальному похолоданию. Это следует из многовекового режима солнечной активности, определяющей режим атмосферной циркуляции планеты. При этом периодические возвраты холодов возможны в периоды ослабления циркуляции атмосферы при переходах от одного типа циркуляции к другому, а также на волнах стоковых течений холодного воздуха из приполярных широт.