1. Введение

Современное глобальное потепление отчетливо выражено на территории Российской Федерации [1]. Для всей территории Cеверо-Западного федерального округа максимальная интенсивность потепления за период с 1976 г. по 2020 г. отмечается зимой и летом: 0,72 и 0,46 °C/10 лет соответственно [2]. Особое внимание следует обратить на Калининградскую область, т.к. здесь расположены административные, промышленные центры, а также незамерзающие морские порты Калининград и Балтийск, которые имеют важное экономическое и стратегическое значение, а также ряд речных портов. Происходящие здесь изменения климата, затрагивающие как морские акватории, так и их побережья могут иметь последствия для многих отраслей морского хозяйственного комплекса, включая транспортное судоходство и промышленное рыболовство, для прибрежных экосистем и особо-охраняемых природных территорий [3], а также влиять на безопасность жизнедеятельности населения и функционирование жилищно-коммунального хозяйства [4].

В настоящее время в Российской Федерации разрабатывается и реализуется комплекс мер направленных на адаптации к имениям климата для минимизации их неблагоприятных последствий, в соответствии с распоряжением Правительства РФ от 11 марта 2023 г. № 559-р «Об утверждении национального плана мероприятий второго этапа адаптации к изменениям климата на период до 2025 г.». Предусматриваются различные организационные и инженерно-технические мероприятия, в том числе и в Калининградкой области. Однако для более эффективной их реализации необходимо учитывать прогностические сценарии изменения климата на среднесрочную и долгосрочную перспективы.

Изменения климата за последние десятилетия уже существенно влияют на повторяемость экстремальных погодных явлений представляющих опасность для ряда отраслей экономики и жизнедеятельности человека почти во всех регионах Земли. Формируются так называемые «волны тепла» или «волны холода», выражающиеся в периодах выраженных потеплений и похолоданий в том числе в городах, растет количество случаев сильных засух или обильных осадков, увеличивается число паводков на реках и повторяемость сильных морских штормов разрушительно влияющих на береговую зону [5]. Изменения климата способны повлиять на устойчивость морских и прибрежных экосистем [6], на здоровье населения [7], и дискомфорт проживания в различных регионах России [8], в том числе и в Калининградской области [9].

Изменения климата и связанные с ними погодные, гидрологические и экологические последствия способны повлиять в итоге на особенности социально-географического пространства региона или страны в целом [10]. При этом тенденции изменения климата в Европейской части Российской Федерации демонстрируют свою достаточно выраженную региональную специфику [3], [11], которую необходимо учитывать при разработке и совершенствовании региональных планов по адаптации к изменениям климата. Программы адаптаций к изменениям климата для снижения их неблагоприятных последствий, в том числе в прибрежной морской зоне, обычно весьма дорогостоящие и рассчитаны на несколько лет вперёд, а значит, для эффективности своей реализации, должны опираться на обоснованные прогностические оценки и сценарии изменений климата на среднесрочную (2030 лет) и долгосрочную перспективы. Генеральные планы развития приморских городов также должны учитывать региональную спецовку изменений климата и соответствующие прогнозы и оценки.

2. Методы и принципы исследования

Целью данного исследования является оценка как современных, так и будущих изменений температуры воздуха на территории Калининградской области. В настоящем исследовании применен подход к оценке современных климатических изменений, который ранее демонстрировал свою эффективность в ряде исследований ранее [12], [13], [14]. Данный подход охватывает:

– анализ качества данных, который включает в себя проверку однородности экстремальных значений, а также однородность средних и дисперсий во времени [15];

– аппроксимацию многолетних временных рядов с помощью модели, которая учитывает ступенчатые изменения в среднем значении;

– позволяет оценить масштаб климатических изменений, выразив его в числовых показателях и сравнив с естественными колебаниями (СКО).

Изучение и анализ будущих климатических изменений основывался на результатах симуляций, проведенных 10–15 физико-математическими климатическими моделями в рамках проектов CMIP5 и CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project, международный проект по сравнению климатических моделей) [16], [17]. В качестве исходных данных были выбраны сценарии SSP (Shared Socioeconomic Pathways), которые описывают различные социально-экономические траектории развития и предполагают стабилизацию суммарного антропогенного воздействия к 2100 году на уровнях, соответствующих 2,6, 4,5 и 8,5 Вт/м2. Оптимальной моделью считается та, которая обеспечивает минимальное среднее отклонение от наблюдаемых значений для всех метеостанций в исследуемой зоне (Δср) [18].

Поскольку существующие климатические модели не в полной мере учитывают региональные и локальные особенности климатической системы, в их результатах проявляются систематические погрешности. Эти погрешности оказывают влияние на достоверность прогнозных расчётов и, следовательно, должны быть учтены при формировании сценарных оценок будущих климатических изменений. В целях повышения точности таких оценок была разработана методика корректировки и совместного применения выявленных закономерностей современных и прогнозируемых климатических тенденций. Предложенный подход основан на сопоставлении эмпирических данных наблюдений за базовыми периодами 1951–1980 и 1981–2010 годов с результатами сценарного моделирования для трёх будущих временных интервалов: 2011–2040, 2041–2070 и 2071–2100 годы [18].

Калининградская область является эксклавом и расположена на юго-восточном побережье Балтийского моря и является самым западным регионом Российской Федерации. Административный центр — Калининград. Площадь Калининградской области — 15,1 тыс. км2.

Была сформирована региональная база данных многолетних рядов наблюдений за среднемесячной температурой

воздуха средних месяцев каждого сезона (января, апреля, июля и октября), состоящая из 12 пунктов наблюдений. Продолжительность рядов, в среднем, около 90 лет, при

Источниками исходных данных в настоящем исследовании являлись архивы Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации — Мирового центра данных (ВНИИГМИ-МЦД), а также справочно-информационный портал «Погода и климат».

Архив ВНИИГМИ-МЦД представляет собой авторитетный и официально признанный источник метеорологических данных, обеспечивающий высокую степень достоверности и сопоставимости информации. Вместе с тем данный источник имеет определённые ограничения: в архиве отсутствуют сведения за последние годы наблюдений, встречаются пропуски во временных рядах данных, и информация представлена на основных метеорологических станциях.

Для компенсации указанных недостатков и обеспечения более полной пространственно-временной репрезентативности выборки дополнительно использовался архив портала «Погода и климат». Этот ресурс позволил получить обновлённые данные за последние периоды наблюдений, а также включить в анализ информацию с дополнительных метеорологических станций, расположенных на территории Калининградской области

[13]

3. Основные результаты

Для оценки надежности информации в архивах сайта «Погода и климат» был проведен сравнительный анализ за совместный период наблюдений для 5 станций путем расчета коэффициентов корреляции (R). Было получено, для температур исследуемых месяцев данные практически идентичны на всех станциях и R = 0,99 – 1,0. Следовательно, для выбранного региона надежно использовать данные дополнительного архива.

На рисунке 1 представлены выбранные метеостанции, которые расположены равномерно по территории, что позволяет надежно осуществлять пространственные обобщения результатов. Также для более точной пространственной интерполяции были взяты несколько станций метеорологической сети Польши и Литвы: Клайпеда, Эльблонг-Милеево, Лаукува.

Проведенная оценка качества исходных данных по статистическим критериям Диксона и Смирнова-Граббса [18] показала, что в рядах январской температуры воздуха на всех станциях обнаружены статистически значимые неоднородные минимальные экстремумы в 1987 г., что вызвано или экстремальными погодными событиями или имеет более редкую повторяемость. Ряды температуры воздуха остальных месяцев однородны практически во всех случаях. Процедура восстановления пропусков и удлинения рядов методом аналогов позволила увеличить ряды на 30%. На рисунке 2 представлены нестационарные ряды январских среднемесячных температур воздуха для двух метеостанций со статистически значимым различием средних значений по критерию Стьюдента при уровне значимости α = 5%.

Для периода 1961–2025 гг. было установлено, что для температур января модель ступенчатых изменений эффективна и статистически значима в 50% случаев, и год перехода от одного стационарного состояния средних значений к другому — 1988 г, что связано с усилением зонального переноса зимой (зимний индекс Северо-Атлантического колебания (САК)). Имеет место тесная корреляционная связь индекса САК и температуры январской воздуха, осредненной по территории Калининградского региона за совместный период 1950–2025 гг., r = 0,75, при уровне обеспеченности P = 99%.

Год начала современного апрельского потепления получен 1989 г., модель ступенчатых изменений эффективна для всех станций. Начало июльского потепления относится к началу 2000-х годов, модель ступенчатых изменений статистически значима и эффективна для всех станций. Годы начала современного октябрьского относятся к началу 2010-х г., модель ступенчатых изменений эффективна в 30% случаев.

4. Обсуждение

Проведённая количественная оценка тенденций изменения температурного режима позволила установить наличие устойчивого повышения температуры воздуха в различные сезоны года. В январе зафиксировано потепление в пределах 2,5–3,1 °С, что не превышает естественную климатическую изменчивость и соответствует приблизительно 0,8 значения средней квадратической ошибки (СКО). Минимальные значения температуры отмечаются на побережье Балтийского моря, преимущественно на станциях Балтийск и Пионерский.

В апреле на всех исследованных метеорологических станциях наблюдается повышение среднемесячной температуры на 1,7–2,0 °С, что соответствует примерно 1,3 СКО. Таким образом, выявленные изменения превышают уровень естественной климатической изменчивости и могут рассматриваться как статистически значимая тенденция потепления в весенний период.

В июле температурные изменения характеризуются повышением на 1,5 °С в юго-западной части региона (станции Балтийск, Мамоново) и до 1,9 °С на востоке (станция Черняховск). Относительно естественного диапазона изменчивости величина потепления составляет 0,85–0,9 СКО, что указывает на пока умеренный характер наблюдаемой тенденции.

В октябре имеет место потепление 0,8–1,2°С, с минимумами на западе региона, которое меньше естественной изменчивости (0,6–0,7СКО).

Для оценки будущего климата сначала был проведен исторический эксперимент, т.е. сравнение данных моделирования с данными наблюдений за период 1950–2005гг. для 8 моделей проекта CMIP5 и 1950–2014гг. для 12 моделей проекта CMIP6 для каждой из метеостанций.

В результате получено, что наиболее подходящей получилась американская модель института Аризоны MCM-UA проекта 6 поколения, где систематическая погрешность для района Калининградской области равна Δср = 1,1 °С в январе, апреле и Δср = 0,7 °С в июле и октябре.

Для каждой метеостанции были получены откорректированные значения будущей среднемесячной температуры воздуха, что обеспечило возможность выполнения надежной пространственной интерполяции. На рисунке 3 представлены карты пространственного распределения сценарных средних январских температур за 30-летние периоды, рассчитанные на основе климатической модели Института Аризоны по трём сценариям радиационного форсирования – SSP 2,6, SSP 4,5 и SSP 8,5 (Вт/м²).

В настоящее время наименьшие температуры воздуха имеют место на юго-востоке и северо-востоке рассматриваемого региона и равны -3,7 °С и -4,5 °С, а наибольшие -1,1 °С на юго-западе.

По благоприятному сценарию SSP2,6 к концу 21 столетия рост температуры января составит 0,9–2,3 °С, с максимумом на станции Клайпеда.

По среднему сценарию SSP4,5 и неблагоприятному SSP 8,5 рост по территории по сравнению с современными значениями составит 5–6 °С. И к концу этого столетия на всей территории рассматриваемого региона средняя январская температура превысит наибольшие современные значения (0,5°С) более, чем в 6 раз (более 3°С).

Согласно проекции SSP4,5, к 2100 году ожидается повышение среднемесячной температуры воздуха примерно на 2,5 °С в июле и на 3–4 °С в апреле и октябре относительно современных климатических показателей. В условиях более неблагоприятной климатической траектории потепление может оказаться ещё более существенным: температура воздуха в июле может возрасти до 4 °С, а в апреле и октябре – до 5–6 °С по сравнению с текущими значениями.

5. Заключение

В результате проведённого исследования была сформирована объединенная база данных, включающая 12 метеорологических станций с рядами наблюдений за среднемесячной температуры воздуха за январь, апрель, июль и октябрь — месяцы, репрезентативно отражающие сезонную изменчивость климата региона. База создана путём объединения данных из двух независимых архивов, что обеспечило её полноту и репрезентативность. Проведённая оценка качества исходных данных показала их практическую однородность для всех месяцев, за исключением января, где выявлены незначительные расхождения. Реализованная процедура восстановления позволила увеличить длину временных рядов примерно на 30%, что повысило их информативность, статистическую устойчивость для последующего анализа климатических тенденций.

Выполненная количественная оценка климатического увеличения температур воздуха за период 1960–2025 гг. позволила установить, что в январе произошло потепление 2,5–3,1 °С, в июле оно составило 1,5–1,9, в октябре — 0,8–1,2°С. В апреле на всех станциях имело место потепление 1,7–2 °С. Эти изменения превышают естественную климатическую изменчивость только в апреле, в другие месяцы изменения пока меньше СКО.

Наиболее подходящей моделью для Калининградской области по наименьшей систематической ошибке является американская модель института Аризоны MCM-UA проекта СMIP6, где систематическая погрешность равна Δср = 1,1 °С в январе, апреле и Δср = 0,7 °С в июле и октябре.

Согласно результатам климатического моделирования по сценарию SSP4,5, к концу XXI века ожидается повышение среднемесячной температуры воздуха в январе до 4 °C, в июле — в среднем до 2,5 °C, а в апреле и октябре — на 3–4 °C по сравнению с современным климатическим периодом. При реализации более неблагоприятной сценарной траектории ожидается дальнейшее увеличение температуры воздуха: в июле до 4 °C, а в январе, апреле и октябре — до 5–6 °C относительно текущих климатических условий. Полученные результаты свидетельствуют о тенденции к устойчивому росту температурного фона, что отражает усиление проявлений глобального потепления в Калининградской области. В связи с этим может быть целесообразным учитывание предполагаемых природных изменений в реализуемых организационных и инженерно-технических мероприятиях по адаптации к изменениям климата для обеспечения экологической, промышленной безопасности и безопасности жизнедеятельности населения.

The additional file for this article can be found as follows: