Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 500, № 2, стр. 183-188

Последние десятилетия характеризуются значимыми региональными и глобальными изменениями климата, наиболее заметные изменения проявляются в повторяемости и интенсивности экстремальных региональных явлений и процессов [1, 2]. Количество опасных метеорологических явлений в России по данным Росгидромета (http://www.meteorf.ru/) за последние два десятилетия с конца XX века увеличилось примерно втрое на фоне быстрого потепления для России в целом – со скоростью примерно 0.5°С за десятилетие (в два с половиной раза быстрее глобального). При этом в ряде российских регионов, в частности в арктических и субарктических широтах, скорость потепления достигала и даже превышала 1°С за десятилетие. Существенно, что наибольшее количество гидрометеорологических аномалий отмечается в России в теплые месяцы – чаще летом. По данным метеорологических наблюдений количество опасных явлений в России c 1998 по 2019 г. увеличивалось в среднем на 21 событие в год, при этом число экстремальных явлений летом (составляющих 40% общего количества за год) увеличивалось в среднем почти на 10 событий в год.

Отмеченные тенденции связаны с тем, что при потеплении растет влагоемкость атмосферы (согласно уравнению Клапейрона–Клаузиуса), что способствует увеличению вероятности более мощных осадков. В случае ослабления тропосферной циркуляции при потеплении (и уменьшении меридионального градиента температуры) это способствует большей пространственной неоднородности осадков в летние месяцы и увеличению вероятности как избыточных осадков (наводнений), так и дефицита осадков (засух) в сопредельных регионах. В числе рекордных аномалий последних лет на территории России экстремально жаркое лето 2010 г. в европейских регионах, сильнейшее наводнение в бассейне Амура в 2013 г. В 2020 г. у полуострова Камчатка была выявлена массовая гибель морских животных при неестественном цвете океана. Это было связано с сильными положительными аномалиями температуры поверхности океана (ТПО) в этом регионе в летне-осенние месяцы, что способствовало формированию так называемого “красного прилива” с вредоносным цветением водорослей, ответственных за гибель гидробионтов в прибрежных зонах у полуострова Камчатка [3].

Повышенному риску формирования региональных экстремальных режимов способствует ряд факторов, включая особенности квазициклических процессов в климатической системе, на фоне общего потепления, в том числе Тихоокеанской десятилетней осцилляции (ТДО). ТДО – ключевая мода климатической изменчивости в Северном полушарии, в частности в тихоокеанском бассейне и сопредельных областях. Значимо проявляется ТДО в изменениях Алеутского центра действия в атмосфере [4]. С режимами ТДО наряду с климатическими вариациями колебательного характера связываются и более резкие вариации типа “климатического сдвига” во второй половине 1970-х годов [5–7]. В [8, 9] среди причин формирования рекордного наводнения в бассейне реки Амур в 2013 г. в результате атмосферного блокирования над Тихим океаном в муссонный сезон (август-сентябрь) отмечался режим отрицательной фазы ТДО, характеризующейся положительными аномалиями температуры поверхности в западной части Тихого океана у азиатских побережий, на фоне многолетней значимой тенденции глобального и регионального потепления. Отмечена также роль явлений Эль-Ниньо и процессов, характеризуемых Западно-Тихоокеанским индексом.

Значимость региональных температурных аномалий в различных фазах ТДО иллюстрирует рис. 1, на котором представлена разница значений температуры у поверхности между годами в отрицательной фазе ТДО (2013 и 2020 г.) и в положительной фазе ТДО (2015 г.). В положительной фазе ТДО, в частности в 2015 г., аномалии температуры у поверхности в западной части Тихого океана отрицательные. На фоне общего потепления значительные положительные аномалии ТПО в западной части Тихого океана, связанные с отрицательной фазой ТДО, как и в 2020 г. (см. рис. 1), увеличивают риск образования “красных приливов” в прибрежных зонах Дальнего Востока. Как отмечено в [10], антропогенные воздействия и изменения климата привели к тому, что проявление “красных приливов”, связанных с вредоносным цветением водорослей, приобрело глобальный характер. Связь с ТДО “красных приливов” проявляется и в других регионах, в частности в прибрежных зонах Северной Америки [11–13].

Рис. 1.

Разница летних значений температуры поверхности [К] между 2020 и 2015 г. (a) и между 2015 и 2013 г. по данным GISS.

Результаты, полученные в [8, 9], свидетельствуют о влиянии ТДО на формирование экстремального стока реки Амур в период муссонной активности. На рис. 2 представлены результаты вейвлет-анализа межгодовой изменчивости стока Амура в августе и сентябре, когда сток Амура максимален в годовом ходе, по данным Государственного гидрологического института для периода 1900–2013 гг. Наиболее значимые вариации стока Амура в августе-сентябре отмечены с периодичностью около 2–3 десятилетий. Подобная периодичность характерна для ТДО (http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/). Проявляются также вариации с периодичностью в несколько лет, характерной для явлений Эль-Ниньо/Ла-Нинья. Отмечаются и вариации с периодом около 10 лет.

Рис. 2.

Интегральные (слева) и локальные (справа) вейвлет-спектры для стока Амура [м³/с] в августе (а) и сентябре (б) по данным для периода 1900–2013 гг. Ось ординат – периоды в годах, ось абсцисс – время в годах. На локальных спектрах штрихпунктирные линии отделяют области краевых эффектов, а жирные линии ограничивают области, где мощность сигнала больше, чем ожидается для модели стационарного красного шума на уровне значимости p = 0.05. На интегральных спектрах штриховые линии характеризуют 95%-й квантиль значений мощности для модели стационарного красного шума, а штрихпунктирные – ее среднее значение.

В 2013 г. отмечались значительные положительные аномалии (относительно 1971–2000 гг.) температуры поверхности Тихого океана (ТПО) в его северной части. В частности, летом 2013 г. аномалии ТПО в области Японского и Охотского моря были рекордными за период инструментальных наблюдений с 1870 г. [9]. При этом существенный вклад в изменчивость ТПО северной части Тихого океана связан с ТДО. В [9] отмечено, что 8 из 10 лет с максимальным расходом реки Амур в августе с 1900 г. соответствовали отрицательной фазе ТДО. На рис. 3 приведены оценки вероятности превышения стока реки Амур в августе различных уровней по данным наблюдений с 1900 г. для всего периода и отдельно для положительной и отрицательной фаз ТДО. Согласно полученным оценкам при относительно малых значениях стока Амура (меньше 15 тыс. м³/с) различия вероятности для разных фаз ТДО незначительны. При этом в отрицательной фазе ТДО оценки вероятности значений стока около 20 тыс. м³/с примерно вдвое, а экстремальных значений стока более 25 тыс. м³/с втрое и более превышают соответствующие оценки вероятности в положительной фазе ТДО.

Рис. 3.

Вероятность превышения стока реки Амур [м³/с] в августе различных уровней по наблюдениям для периода 1900–2013 гг. (1, зеленая кривая) и отдельно для положительной (2, красная кривая) и отрицательной (3), синяя кривая) фазы ТДО.

Значительная роль в формировании экстремальных климатических явлений, таких как экстремальная жара с пожарами летом 2010 г. на европейской территории России, амурское наводнение 2013 г., наводнение и пожары в сопредельных регионах в Сибири в 2019 г., связана с атмосферными блокированиями [14, 15]. Рисунок 4 характеризует долготную зависимость частоты атмосферных блокирований (на основе данных для 1969–2013 гг.), которая над западной частью Тихого океана и восточной частью Азии в Северном полушарии летом наиболее высока в отрицательной фазе ТДО [9]. Еще больший эффект проявляется над европейской территорией России, с максимумом частоты летних блокирований в атмосфере. Рекордный по продолжительности период атмосферного блокирования над европейской территорией России летом 2010 г. [9, 16], результатом которого была рекордная жара с пожарами, был отмечен именно в отрицательной фазе ТДО.

Рис. 4.

Частота летних атмосферных блокирований в зависимости от долготы в Северном полушарии для периода 1969–2013 гг. (черная кривая) и отдельно для отрицательной (синяя кривая) и положительной (красная кривая) фаз ТДО.

Согласно [17], атмосферные блокирования, особенно в июле-августе-сентябре, в Северном полушарии в целом по данным за последние десятилетия более часты и интенсивны в отрицательной фазе ТДО.

Следует отметить, что на фоне значимых междесятилетних квазициклических вариаций климата в регионах тихоокеанского бассейна с проявлением и влиянием ТДО, в частности для стока Амура с периодичностью около 2–3 десятилетий, существенны более короткопериодные вариации со средней периодичностью около 4–5 лет, характерной для явлений Эль-Ниньо (см. рис. 2). С явлениями Эль-Ниньо с положительными аномалиями ТПО в восточной и центральной экваториальных областях Тихого океана (E-фаза) связаны сильнейшие межгодовые вариации глобальной приповерхностной температуры. Согласно [18] самый большой сток Амура в августе по данным наблюдений с начала XX века был отмечен в отрицательной фазе ТДО в нейтральной фазе Эль-Ниньо (N). При этом максимальный сток отмечался при фазовом переходе N → N, когда год начинается и заканчивается в нейтральной фазе Эль-Ниньо, как в 2013 г. (более 32 тыс. м³/с). На втором и третьем месте по экстремальности стока Амура в отрицательной фазе ТДО – годы, начинающиеся в фазе Ла-Нинья (L), как 2021 г., – для переходов L → E (более 30 тыс. м³/с) и L → L (около 29 тыс. м³/с). При переходе L → N максимальный сток Амура в августе заметно меньше (хотя и больше 24 тыс. м³/с). Согласно прогностическим оценкам CPC/IRI (https://iri.columbia.edu/our-expertise/climate/fore-casts/enso/current/), полученным к началу лета, вероятность продолжения L-фазы до конца 2021 г. (переход L → L) около 50%, соответствующая вероятность перехода L → N к N-фазе более 40% и менее 10% при переходе L → E к E-фазе. Следует отметить, что средние значения стока Амура в августе по данным с начала XX века наибольшие (из всех фазовых переходов Эль-Ниньо и обеих фаз ТДО) именно для наиболее вероятного перехода L → L для 2021 г. при отрицательной фазе ТДО (22 тыс. м³/с). Немного меньшее среднее значение стока Амура в августе (более 21 тыс. м³/с) отмечено для перехода L → E, а для перехода L → N значительно меньшее (менее 15 тыс. м³/с). Согласно оценкам для 2021 г. достаточно высока вероятность значительного стока Амура.

Полученные оценки свидетельствуют о потенциале предсказуемости межгодовых и междесятилетних особенностей региональных климатических режимов при учете квазициклических климатических процессов с полушарным и глобальным влиянием типа явлений Эль-Ниньо и ТДО. При этом следует отметить, что при глобальных изменениях климата следует ожидать изменений режимов ключевых климатических мод [18, 19]. Как следствие, следует ожидать изменений потенциала предсказуемости климатических аномалий в связи с этими модами. В частности, согласно оценкам [20], предсказуемость аномалий, связанных с ТДО, существенно уменьшается при потеплении.