Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В «Климатической доктрине Российской Федерации» говорится, что изменение климата является одной из важнейших международных проблем XXI века, выходящих за рамки научной проблемы [1]. Следствием изменения климата становятся экстремальные явления, которые можно обнаружить по изменениям в распределении рядов и частоте их появления [2]. Современные климатические изменения проявляются, помимо изменений средних величин (медленное изменение), в резком изменении частоты и интенсивности экстремальных климатических событий как температуры, так и осадков, приводящих к засухам или наводнениям [3–5]. За последние 7 лет на территории юга России произошло несколько катастрофических наводнений. В работе [6] авторы на основе данных метеонаблюдений Средиземноморья и Причерноморья за последние 30–40 лет и при помощи составленной ими климатической модели пришли к выводу о том, как глобальное потепление и стабильный рост температур воздуха и морской воды влияли на региональный климат. Дестабилизация системы ветров над Черным морем летом 2012 г. и особое стечение других климатических факторов привели в тот сезон к тому, что уровень осадков на юго-восточном Черноморье вырос на 300 %, то есть в три раза. Причиной этого было то, что теплая вода на поверхности моря заметно быстрее испаряется и увеличивает долю воды в атмосфере на очень большие значения – на 20 % и более. При определенных обстоятельствах они будут очень быстро подниматься в тропосферу, концентрироваться и выпадать в виде очень мощных локальных осадков.

Цель исследования – выявление экстремальных величин осадков на юге европейской части России и динамика распределения их количества.

Материалы и методы исследования

Для исследования изменения режима осадков были использованы данные 20 м/станций государственной наблюдательной сети Росгидромета, предоставленные Северо-Кавказским управлением гидрометеорологической службы (СК УГМС). Климатический экстремум – это достижение метеорологической или климатической переменной значения, которое выше (ниже) некоторого порога, близкого к верхнему (или нижнему) диапазону наблюдаемых значений переменной [2]. Как отмечено в [7], определение экстремальных осадков является очень сложной проблемой, так как это определение может быть различно для разных задач и для разных географических районов. В работе приводится анализ трех основных методологических подходов к их определению: 1) анализ абсолютных значений; 2) использование порогового квантиля, определяемого из функций плотности вероятности; и 3) анализ продолжительности периодов с непрерывными осадками. В работах [8; 9] встречаются и другие способы определения экстремальных осадков. Общие определения включают 99-й и 95-й процентили на все влажные дни (иногда встречается 90-й процентиль). При использовании менее экстремальных определений, таких как 90-й или 95-й процентиль, величина увеличения в ответ на потепление меньше, чем при более экстремальных определениях (Рendergrass, 2018), реагируя скорее как среднее количество осадков, чем как экстремальное [9].

Для исследования экстремальности рядов осадков в настоящей работе использовался квантильный метод, реализованный в статистической программе SPSS 21.0. Для получения экстремальных значений необходимо преобразовать исходный ряд x1, x2, x3,………..xi, xn в ранжированный ряд вида x1 > x2 >x3 > ………..xi> xn. Обозначим медиану (50 % квартиль) x50, значения 25 % и 75 % квартилей как x25 и x75, выбросы S1.5 и экстремумы S3.0.

Тогда аномальные элементы (выбросы ∆1.5, экстремумы ∆3.0) рассчитываются как

∆1.5 = 1,5х. от |x75 – x25| (1)

∆3.0 = 3,0х. от |x75 – x25| (2)

Для каждого значения выбросов и экстремумов рассчитывают пороговые значения

(3)

(4)

Результат примера расчета экстремумов осадков с помощью квантильного анализа представлен в табл. 1 и на рис. 1. Как видно, имеется один выброс, удовлетворяющий условию (3), для n = 12 (порядковый номер в ряде максимальных суточных). Экстремумы, удовлетворяющие условию (4), отсутствуют.

Значения осадков, превышающие верхний порог, назовем «верхними» экстремумами, их количество обозначим nUExtr (upper-extremes), а значения ниже нижнего порога – «нижними» экстремумами, соответственно nLExtr (lowest-extremes) – количество «нижних» сезонных и годовых экстремумов, то есть число дней со значениями осадков (выбросы, экстремумы) ниже рассчитанного порогового значения для данного ряда. В «Резюме МГЭИК» (2014) [1] рекомендовано определять пороговые значения экстремальных температур для каждого сезона как 5-й и 95-й процентили для полной выборки суток этого сезона. Вычисления экстремумов по квантилям и процентилям показали идентичность результатов.

Результаты исследования и их обсуждение

По результатам квантильного анализа были выявлены высшие экстремумы осадков и проведена их систематизация по сезонам, климатическим зонам и подпериодам исследования. Динамика количества экстремумов осадков в различных климатических зонах юга ЕЧР представлена на рис. 2 и в табл. 2. Из табл. 2 следует, что при сравнении зимнего и осеннего сезонов 1961–1990 гг. и 1991–2018 гг. имел место значительный рост количества высших экстремумов сумм осадков (25 % : 75 % зимой и 34 % : 66 % осенью). Вклад в полученное соотношение внесли экстремумы сумм осадков равнинной (40 % : 60 % зимой и 38 % : 62 % осенью), предгорной (29 % : 71 % зимой и 33 % : 67 % осенью) и горной (0 : 100 % зимой и 25 % : 75 % осенью) зон. В весенний сезон соотношение количества экстремумов сумм осадков в базовый и современный периоды оставалось постоянным (50 % : 50 %) во всех зонах. В летний сезон количество экстремальных сумм осадков в современный период незначительно снижалось (52 % : 47 %).

В причерноморской зоне (Сочи) наблюдалась тенденция уменьшения экстремумов сумм осадков и сохранение количества суточных максимумов. В летний сезон наиболее катастрофичными были ливневые осадки с суточным максимумом 245 мм в августе 1971 года, 136 мм в июне 1988 г., 162 мм в июне 1997 г. и 114 мм в июне 2015 г. (среднее за 1961–2018 гг. 72 мм). В осенний сезон все осадки с суточным максимумом > 140 мм имели место в сентябре разных лет: 1975 г., 1989 г., 2009 г. (среднее за 1961–2018 гг. 73 мм).

В работе [10] отмечено, что в 2003 году в Ставрополе (предгорье) был выявлен нижний экстремум суммы осадков, чье значение меньше нижнего порога ≤ 23 мм (весенний сезон). В 2003 г. весенняя сумма осадков составила 23 мм (март – 2 мм, апрель – 17 мм, май – 4 мм), что значительно меньше среднего значения суммы осадков 147 мм, а также климатической нормы 141 мм, что характеризует эту весну как экстремально засушливую.

В горной зоне основной вклад в увеличение количества экстремумов сумм осадков внесли зимние (0 % : 100 %) и осенние (25 % : 75 %) сезоны, количество экстремумов суточных максимумов не изменилось в современный период по сравнению с базовым.

Все высшие экстремальные значения сумм осадков высокогорной станции Терскол (с превышением порогового значения) распределены равномерно по всем сезонам: по 2 зимой (>445 мм в 1963 г., 1987 г.), весной (>426 мм в 2004 г., 2005 г.), летом (>437 мм в 1967 г., 1996 г.), и 3 – осенью (>470 мм в 1972 г., 1989 г., 1992 г.). Имеется 1 низший экстремум сумм осадков со значением ниже порогового <141 мм летом 1998 г. (июнь – 56 мм, июль – 61 мм, август – 24 мм) при климатической норме N = 302 мм.

Годовое количество экстремумов сумм осадков выросло: в степной зоне с 22 % до 78 %, в прикаспийской зоне с 43 % до 57 %. Количество экстремумов суточных максимумов также возросло: с 39 % до 61 % (степная зона), с 33 % до 67 % (прикаспийская зона). По результатам нашего исследования, наиболее значительный рост экстремальных суточных максимумов имел место в степной и прикаспийской зонах, отличающихся засушливым климатом с наименьшим количеством годовых и сезонных сумм осадков (особенно в прикаспийской зоне). Возможно, это объясняется изменением направления движения циклонических воздушных масс, приносящих осадки в прикаспийскую зону, с горизонтального переноса воздушных масс на вертикальный перенос, преобладающий в регионах.

Из результатов исследования динамики экстремумов осадков по сезонам (рис. 3) следует, что на юге ЕЧР в осенний сезон в современный период 1991–2018 гг. по сравнению с базовым 1961–1990 гг. выросло как количество экстремальных сумм осадков (34 % : 66 %), так и суточных максимумов (31 % : 69 %). В зимний сезон увеличилось количество экстремальных сумм осадков (без экстремумов суточных максимумов), а в летний сезон – количество экстремальных суточных максимумов. В весенний сезон на территории юга ЕЧР соотношение количества сумм осадков в базовый и современный периоды оставалось постоянным.

Заключение

Таким образом, все полученные экстремальные осадки превышали верхнюю границу нормы (высшие экстремумы), за исключением двух случаев, когда экстремумы были ниже порогового значения (низшие экстремумы): весенние суммы осадков в 2003 г. на предгорной м/станции «Ставрополь» и летние суммы осадков в 1998 г. в Терсколе (высокогорье).

При сравнении зимнего и осеннего сезонов 1961–1990 гг. и 1991–2018 гг. на юге ЕЧР имел место значительный рост количества высших экстремумов сумм осадков (25 % : 75 % зимой и 34 % : 66 % осенью). В весенний сезон соотношение количества экстремумов сумм осадков в базовый и современный периоды оставалось постоянным (50 % : 50 %) во всех зонах. В летний сезон произошло незначимое уменьшение количества экстремальных сумм осадков с 53 % до 47 %, что на фоне статистически значимого роста средних летних температур (0,47 °/10 лет) может создать условия для засухи на юге ЕЧР.

В целом за год наблюдался рост количества экстремальных сумм осадков с 37 % в базовый период до 63 % в современный период и рост количества экстремальных суточных максимумов с 42 % до 58 %. Таким образом, количество высших экстремумов сумм осадков и суточных максимумов на юге ЕЧР увеличилось примерно в 1,5 раза в современный период по сравнению с базовым.