Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 493, № 2, стр. 93-98

ВВЕДЕНИЕ

Частота экстремальных погодно-климатических явлений в регионах России значимо увеличивается в последние годы, в 2019 г., например, количество аномальных метеорологических явлений в России было почти в 4 раза больше, чем в 2000 г. Рекордно теплой в Северной Евразии, в том числе в российских регионах, была зима 2019–2020 гг. По данным Росгидромета (http://www.meteorf.ru/) зимняя аномалия приповерхностной температуры для России в целом достигла 5°С (относительно базового режима 1961–1990 гг.) с максимальными региональными аномалиями, превышающими 8°С. Глобальное потепление последних десятилетий характеризуется существенно большей скоростью потепления – около 0.5°С/10 лет и более – в российских регионах. При этом для более высоких широт характерна и более высокая межгодовая климатическая изменчивость.

Формирование сезонных аномалий связано с рядом ключевых процессов регионального и глобального масштаба. Формирование погодно-климатических аномалий в средних широтах Северного полушария зависит от зонального переноса в тропосфере с запада на восток, который определяется перепадом давления между субтропическими и субполярными широтами. Для регионов Северной Евразии ключевое значение имеет соответствующий индекс Северо-Атлантической осцилляции (САО), определяемый перепадом давления между двумя атмосферными центрами действия в Северной Атлантике – Азорского антициклона и Исландского циклона [1–3]. Рекордно теплая зима 2019/2020 гг. характеризовалась углублением Исландского циклона и усилением Азорского антициклона с большими значениями индексами САО и интенсивным атмосферным переносом со стороны более теплого Атлантического океана в более холодные внутриконтинентальные регионы. При этом согласно многолетним данным (https://www.nodc.noaa.gov/) с 1955 г. зимой 2019/2020 гг. в Атлантическом океане была достигнута рекордно высокая температура верхнего 100-метрового слоя океана. К общему вековому тренду потепления в последние годы добавилось повышение температуры поверхности океана (ТПО) в положительной фазе Атлантической мультидесятилетней осцилляции (АМО) с периодом около шести десятилетий (https://www.esrl.noaa.gov/), связанной с Атлантической термохалинной циркуляцией [4]. Наряду с этим формированию аномально теплой зимы 2019/2020 гг. способствовало, что зимой слабее обычного было влияние Сибирского антициклона – мощного центра действия атмосферы на пути зонального потока в тропосфере средних широт. Согласно модельным оценкам при продолжении глобального потепления ожидается общее ослабление зимнего Сибирского антициклона, что уже проявляется по долгопериодным данным [5].

Сильнейшие региональные погодно-климатические аномалии в средних широтах в пределах сезона связаны с извилистостью атмосферного струйного течения и формированием квазистационарных планетарных волн и атмосферных блокирований зонального потока [1, 3]. При этом, в отличие от зимы 2019–2020 гг., формируются режимы с чередованием в поясе средних широт областей с аномалиями температуры разного знака, с меридиональными потоками холодного воздуха из полярных широт и теплого воздуха из более низких широт. Согласно ансамблевым модельным оценкам [1] при продолжении глобального потепления следует ожидать увеличение повторяемости атмосферных блокирований и меридиональных прорывов с ростом риска экстремальных морозов зимой и аномальной жары летом. При этом степень экстремальности погодно-климатических аномалий и их повторяемость в средних широтах зависит также от климатических условий в Арктике, в том числе от режима Арктического антициклонического центра действия атмосферы [5, 6]. Анализ долгопериодных данных и результаты модельных расчетов свидетельствуют об общей тенденции ослабления арктического антициклона при глобальном потеплении [5].

Наиболее же значимо влияют на межгодовые вариации климатической системы в целом, в том числе на межгодовую изменчивость глобальной приповерхностной температуры, процессы Эль-Ниньо. Их влияние проявляется в разных регионах от экваториальных широт до полярных, включая регионы Северной Евразии [7–9]. Связь с явлениями Эль-Ниньо проявляется и для режимов атмосферных блокирований в средних широтах [3, 10], и даже для процессов в Арктике [5]. Кроме того, в [11] на основе анализа многолетних рядов данных отмечена связь с явлениями Эль-Ниньо САО, в том числе с использованием оценок причинности по Винеру–Грейнджеру сделан вывод о влиянии явлений Эль-Ниньо на САО.

Цель данной работы – оценки вероятности и степени предсказуемости аномальных зим в регионах Северной Евразии в разных фазах явлений Эль-Ниньо по многолетним данным.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

При анализе использовались характеристики теплых и холодных зим на основе среднемесячных данных для аномалий приповерхностной температуры δT в январе и феврале для разных российских регионов по данным метеорологических станций для периода 1936–2014 гг. [12]. Для разных регионов анализировалось отношение температурных аномалий δT в январе и феврале к стандартному отклонению σT для периода 1961–1990 гг. – индекс I = δT/σT. В соответствии с [12] региональные зимы определялись как экстремально холодные зимы (ЭХЗ), значительно холодные зимы (ЗХЗ) и умеренно холодные зимы (УХЗ) – близкие к средним многолетним. При этом южнее 60° с.ш. ЭХЗ характеризовались значениями индекса I меньше –0.9 для ЕТР, а также Приамурья и Приморья и меньше –1 для Прибайкалья и Забайкалья. При значениях индекса I между –0.5 и –0.9 зимы характеризовались как ЗХЗ, а при значениях I между –0.5 и 0 – как УХЗ.

Анализ региональных эффектов событий Эль-Ниньо проводился с учетом разных проявлений процессов Эль-Ниньо. Наряду с каноническими проявлениями Эль-Ниньо с положительными аномалиями температуры поверхности океана (ТПО) в восточной части Тихого океана в экваториальных широтах все чаще проявляются события Эль-Ниньо с наибольшими аномалиями ТПО экваториальных областей в центральной части Тихого океана (см., например, [13]). При оценке эффектов Эль-Ниньо/Ла-Нинья использовались их различные индексы, характеризуемые ТПО, в том числе в области Nino-3 (150°–90° з.д.) и Nino-4 (160° в.д.–150° з.д.) в приэкваториальных широтах Тихого океана (ftp://www.coaps.fsu.edu/pub/). Индексом в области Nino-4 можно характеризовать развитие Эль-Ниньо CP-типа со значительными положительными аномалиями ТПО в центральной экваториальной части Тихого океана (CentralPacific, CP) в отличие от проявлений Эль-Ниньо в восточной экваториальной части Тихого океана (EasternPacific, EP) – Эль-Ниньо EP-типа, более адекватно характеризуемых индексом в области Nino-3. Следует отметить, что Эль-Ниньо CP-типа все чаще отмечаются в последние годы. Фазы Эль-Ниньо (E) и Ла-Нинья (L) выделялись с использованием 5-месячного скользящего осреднения значений аномалии ТПО. Фаза Эль-Ниньо (теплая фаза) и фаза Ла-Нинья (холодная фаза) определялись, соответственно, значениями аномалий ТПО не менее 0.5°С или не более –0.5°С в течение 6 месяцев подряд. Остальные случаи характеризовались как нейтральная фаза (N).

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

Анализ проводился по данным для 79 зим (n_∑), из которых 44 (n_N) зимы соответствовали отсутствию существенных аномалий ТПО в восточной части Тихого океана в экваториальных широтах – в нейтральной (N) фазе процесса Эль-Ниньо, характеризуемого индексом Nino-3. При этом 16 зим (n_E) были в фазе Эль-Ниньо (Е), а 19 зим (n_L) – в фазе Ла-Нинья (L). В случае использования индекса Nino-4, характеризующего аномалии ТПО в центральной части Тихого океана в экваториальных широтах, N-фазе соответствовали 40 зим, Е-фазе – 21 зима, а L-фазе – 18 зим.

В табл. 1 представлены количество зим (n_N, n_E, n_L) и оценки вероятностей (n_N/n_∑, n_E/n_∑, n_L/n_∑) лет, начинающихся в N-фазе, E-фазе и L-фазе с использованием индексов Nino-3 и Nino-4 для периода 1936–2014 гг. (n_∑ = 79).

Согласно табл. 1 общее число лет в N-фазе больше общего числа лет в E-фазе и L-фазе. При разных индексах Эль-Ниньо соотношение повторяемости фаз Эль-Ниньо и Ла-Нинья различаются. Для квазициклических явлений, характеризуемых индексом Nino-3 (каноническое Эль-Ниньо с сильнейшими температурными аномалиями в экваториальных широтах в восточной части Тихого океана) повторяемость фаз Эль-Ниньо для периода 1936–2014 гг. меньше повторяемости фаз Ла-Нинья. При использовании индекса Nino-4 (с сильнейшими температурными аномалиями в экваториальных широтах в центральной части Тихого океана) повторяемость фаз Эль-Ниньо для периода 1936–2014 гг. больше повторяемости фаз Ла-Нинья.

В табл. 2–4 представлены количество и оценки вероятности экстремально теплых (ЭТЗ), значительно теплых (ЗТЗ) и умеренно теплых (УТЗ), а также экстремально теплых (ЭТЗ), значительно теплых (ЗТЗ) и умеренно теплых (УТЗ) для ЕТР (а), Прибайкалья и Забайкалья (б) и Приамурья и Приморья (в) к югу от 60° с.ш. при разных фазах явлений Эль-Ниньо, характеризующихся индексами Nino-3 и Nino-4. Согласно табл. 2–4 наибольшее общее количество холодных зим, как и теплых, для всех регионов характерно для нейтральных фаз Эль-Ниньо – N-фаз. Это связано с тем, что общее число лет в N-фазе больше общего числа лет в E-фазе и L-фазе. При этом оценки вероятности аномальной зимы для ожидаемой E-фазы или L-фазы могут быть существенно выше, чем соответствующие оценки для N-фазы. Так, например, вероятность теплых зим для ЕТР оценена наибольшей в годы, начинающиеся в E-фазе (более 2/3), а вероятность холодных оценена наибольшей в L-фазе.

Согласно табл. 2 отмеченная наибольшая вероятность теплых зим для ЕТР в годы, начинающиеся в E-фазе, связана в основном с УТЗ. Оценки вероятности УТЗ для ЕТР в E-фазе до двух и более раз больше (различаются для разных типов Эль-Ниньо), чем в других фазах. При этом количество и оценки вероятности холодных зим для ЕТР минимальны в Е-фазе, а количество и оценки вероятности теплых зим – в L-фазе. Выявленные для ЕТР в E-фазе наименьшие оценки вероятности холодных зим и наибольшие оценки вероятности теплых зим, различающиеся более, чем вдвое, связаны в основном с УТЗ.

Вероятность теплых зим для Прибайкалья и Забайкалья согласно табл. 3 в целом больше в годы, начинающиеся в L-фазе, а вероятность холодных зим оценена наибольшей в Е-фазе (до 3/4). При этом количество и оценки вероятности холодных зим в Прибайкалье и Забайкалье минимальны в L-фазе, а количество теплых зим минимально в E-фазе. В E-фазе в Прибайкалье и Забайкалье повторяемость холодных зим существенно выше, чем теплых, особенно при каноническом Эль-Ниньо. Следует отметить, что ни разу за 24 года с ЭХЗ и ЗХЗ такие зимы не отмечались в данном регионе в L-фазе. Эта особенность проявилась при разных типах Эль-Ниньо, тогда как особенности проявления ЭТЗ и ЗТЗ в Прибайкалье и Забайкалье заметно различаются для разных типов Эль-Ниньо.

Согласно табл. 4 особенности холодных и теплых зим в разных фазах Эль-Ниньо в прибрежных регионах Приамурья и Приморья проявляются в целом менее контрастно, чем для внутриконтинентальных регионов, включая ЕТР и Прибайкалье с Забайкальем. Можно отметить различия повторяемости теплых и холодных зим на Дальнем Востоке для разных типов Эль-Ниньо. Вероятность теплой зимы в Приамурье и Приморье при Эль-Ниньо с положительными аномалиями экваториальной ТПО в центральной части Тихого океана оценена на 30% больше, чем при положительных аномалиях в восточной части Тихого океана, а соответствующая вероятность холодной зимы – наоборот – на 30% меньше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные оценки и соответствующий подход имеют прогностическое значение и могут использоваться для оценки региональных сезонных рисков в связи развитием и межсезонной и межгодовой динамикой ключевых процессов типа Эль-Ниньо со значимым климатическим влиянием глобального масштаба. Для ЕТР, в частности, в E-фазе вероятность теплой зимы оценена существенно (более, чем вдвое) большей, чем холодной. Для Прибайкалья и Забайкалья маловероятно проявление экстремально холодных зим (ЭХЗ и ЗХЗ) в L-фазе – это не отмечено ни разу за 8 десятилетий. При этом в E-фазе в Прибайкалье и Забайкалье повторяемость холодных зим существенно выше, чем теплых.

Для получения более надежных соответствующих оценок региональной погодно-климатической предсказуемости необходим, конечно, более детальный и разносторонний анализ данных и ансамблевых модельных расчетов. Тем не менее, даже при сравнительно небольшой статистической базе доступных данных и разных типах явлений Эль-Ниньо проявляются эффекты, значимые для получения прогностических оценок региональных погодно-климатических аномалий.

Существенно, что режимы ключевых мод климатической изменчивости, в том числе процессов Эль-Ниньо, и их влияние на другие регионы изменяются при глобальных изменениях климата. В частности, с отмеченной в [14, 15] тенденцией усиления и учащения явлений Эль-Ниньо при глобальном потеплении связано увеличение риска усиления их влияния на другие регионы, включая регионы Северной Евразии. Следует также отметить необходимость оценки комбинированных эффектов ключевых мод климатической изменчивости c учетом, наряду с Эль-Ниньо, САО, АМО, Тихоокеанской десятилетней осцилляции и др. [3].