1. Введение
На современном этапе развития общества проблема изменения климата стала одним из самых серьёзных и актуальных направлений научно-технической деятельности. Ее актуальность определяется масштабностью современных климатических изменений, которые наблюдаются в различных регионах мира, и последствиях, которые проявляются как на мировом, так и на региональном уровнях [1], [2]. Исследования изменений регионального климата являются важной составляющей исследований глобальных изменений. К числу климатозависимых регионов относится юг европейской территории России (ЕТР), являющийся одним из важнейших сельскохозяйственных районов (равнинная, предгорная зоны). Территория России существенно более чувствительна к воздействиям на климат, чем Северное полушарие и земной шар в целом.Согласно [3] рост среднегодовой температуры после середины 1970-х в два с половиной раза превосходит глобальный и составляет +0,5°С/10 лет, что может повлечь высокий риск засухи в основных зернопроизводящих регионах, деградацию мерзлоты, ускоренное таяние ледников с ростом опасности наводнений, лавин в горных районах [4].
Исследованию климатических изменений в различных регионах России и в различные сезоны года посвящено большое количество работ [5], [6], [7], [8], [9], в которых показано, что потепление наблюдается на всей территории России. Сильнее всего изменения температуры проявляется на территориях от западной границы к южной части Урала и Сибири, а также к Кавказу и побережьям Черного и Каспийского морей.
2. Методы и принципы исследования
В климатологии качество данных метеопараметров (однородность, репрезентативность) является весьма важным. Временные ряды метеопараметров являются однородными, если вариации, представленные этими рядами, являются результатом исключительно изменений погоды и климата. Для проведения анализа использовались данные гидрометеорологических наблюдений на метеорологических станциях государственной наблюдательной сети Росгидромета, предоставленные Северо-Кавказским управлением гидрометеорологической службы. Данные рядов температуры — однородные, репрезентативные и без пропусков. На протяжении всего исследуемого времени (1961–2024 гг.) местоположение станций оставалось постоянным, без изменений в окружающей среде станций (отсутствовало урбанизации местонахождения метеостанций, влияющей на репрезентативность температурных записей).
Объектом исследования является изменение температурного режима в равнинной зоне юга европейской территории России (ЕТР) за период с 1961 по 2024 гг. Равнинная зона (высота над уровнем моря (м н.у.м.) менее 200 м) занимает большую часть территории юга ЕТР и простирается от Черного моря на западе и до Каспийского моря на востоке. Исследования проводились по данным 7 метеостанций: Изобильный (194 м н.у.м.), Моздок (126 м н.у.м.), Прохладная (198 м н.у.м.), Дербент (30 м н.у.м.), Изберг (21 м н.у.м.), Кизляр (-17 м н.у.м.), Махачкала (173 м н.у.м.).
Исследования проводились для сезонных и годовых средних значений температуры приземного воздуха за долговременный период с 1961 по 2024 гг. и подпериоды (1961–2000 гг. и 2001–2024 гг.). Временные ряды были исследованы статистическими методами, а также с помощью программы SPSS 15.0 [10] и дополнены линейными трендами, характеризующими тенденцию рассматриваемой величины за периоды наблюдений
Оценка коэффициентов линейных трендов считалась согласно стандартной теории линейной регрессии (методом наименьших квадратов) [11] и выражена в градусах за десятилетие, °С/10 лет.
Силу тренда, его значимость описывает величина вклада в суммарную дисперсию (
D=(1-( s2ост / s2ряда)) ∙100%
где:
s2ост — дисперсия остатков;
s2ряда — дисперсия исходного ряда.
Для построения карты распределения температуры на исследуемой территории была использована программа визуализации метеорологических данных из файлов в формате GRD программы Surfer 6.0 [12]. При их построении использовались интерполяция Криге (Kriging) и метод ближайших соседей (nearestneighbors).
3. Основные результаты
В результате проведенных исследований получено, что за весь период наблюдения осредненные по данным, полученным на метеостанциях равнинной зоны, среднегодовые температуры воздуха колеблются от 9,8°С до 13,8°С, составляя в среднем 11,9°С (табл. 1). При рассмотрении подпериодов получено, что среднегодовая температура в период 1961–2024 гг. составляет 11,9°С, при этом в подпериод 1961–2000 гг. среднегодовая температура составила 11,4°С, а в начале XXI в. возросла до 12,7°С, при этом минимальное значение среднегодовой температуры повысилось с 9,8°С до 11,5°С.
Распределение среднегодовой температуры в равнинной зоне юга ЕТР
| Период, годы | Средняя температура, °С/ стандартное отклонение, °С | Максимальная из средних температур, °С | Минимальная из средних температур, °С | Угловой коэффициент тренда, b°C/10 лет / D (%) | ||||||||||||||||
| зима | весна | лето | осень | год | зима | весна | лето | осень | год | зима | весна | лето | осень | год | зима | весна | лето | осень | год | |
| 1961–2024 гг. | 0,8/1,7 | 10,7/1,0 | 23,4/1,1 | 12,8/1,2 | 11,9/1,0 | 3,8 (2022 г.) | 12,7 (2024 г.) | 25,9 (2010 г.) | 15,5 (2012 г.) | 13,8 (2024 г.) | -3,9 (1972 г.) | 8,5 (1969 г.) | 21,3 (1978 г.) | 8,6 (1993 г.) | 9,8 (1993 г.) | 0,3/14,0 | 0,3/25,0 | 0,4/47,0 | 0,25/15,1 | 0,32/38,5 |
| 1961–2000 гг. | 0,3/1,6 | 10,3/0,9 | 22,9/0,8 | 12,3/1,1 | 11,4/0,8 | 3,7 (1981 г.) | 11,7 (1962 г.) | 24,9 (1998 г.) | 14 (1968 г.) | 13,1 (1966 г.) | -3,9 (1972 г.) | 8,5 (1969 г.) | 21,3 (1978 г.) | 8,6 (1993 г.) | 9,8 (1993 г.) | 0,19/1,0 | 0,05/0,32 | 0,17/5,2 | -0,0833 | 0,04/0,26 |
| 2001–2024 гг. | 1,5/1,5 | 11,4/0,9 | 24,4/0,9 | 13,6/1,1 | 12,7/0,6 | 3,8 (2022 г.) | 12,7 (2024 г.) | 25,9 (2010 г.) | 15,5 (2012 г.) | 13,8 (2024 г.) | -2 (2003 г.) | 9,5 (2003 г.) | 22,5 (2003 г.) | 10,8 (2011 г.) | 11,5 (2011 г.) | 0,7/11,0 | 0,5/21,3 | 0,8/45,9 | 0,24/2,6 | 0,59/49,6 |
Самый большой рост произошел в изменении среднелетней температуры, которая выросла на 1,5°С, с 22,9°С в период 1961–2000 гг., до 24,4°С в период 2001–2024 гг. Максимальное значение среднелетней температуры увеличилось на 1,0°С, а минимальная среднезимняя температура возросла на 1,9°С с -3,9°С до -2,0°С, что подтверждает потепление климата в регионе.
Оценка изменений климата проводилась также с применением корреляционного анализа. С помощью углового коэффициента линейного тренда b характеризовалась скорость изменения среднегодовой и среднесезонных температур, их повышение или уменьшение. Величиной коэффициента детерминации D оценивался вклад линейного тренда в объясненную дисперсию. Было получено, что во все рассматриваемые периоды и сезоны скорость роста температур имела положительную тенденцию, за исключением среднеосенней температуры в период 1961–2000 гг. В период 1961–2000 гг. скорость роста среднегодовой температуры составила b1=0,04°С/10 лет с незначимым коэффициентом детерминации (D=0,26%). В начале XXI в. скорость значительно возросла и составила b2=0,59°С/10 лет, с вкладом тренда в объясненную дисперсию D=49,6% (табл.1, рис.1). Таким образом, усиление потепления с начала XXI в. по сравнению со второй половиной ХХ в. наглядно демонстрирует значительный рост коэффициента линейного тренда за период 2000-2024 гг.
Из таблицы 1 видно, что наибольшая скорость роста, со статистически значимыми трендами наблюдается у среднезимних и среднелетних температур, что наглядно показано на рисунке 1.
Ход средних годовых и сезонных температур с трендом:а) зима; б) лето; в) год
Еще одним из распространенных подходов к анализу современных тенденций изменения климата является расчет показателей аномальности среднегодовой температуры по отношению к нормированным значениям. Аномалии среднегодовой температуры воздуха в равнинной зоне юга ЕТР рассчитывались как отклонения от средних значений за 1991–2020 гг.
На рисунке 2 показаны среднегодовые аномалии температуры приземного воздуха за период 1961–2024 гг. с 11-летним скользящим средним, где видны вариации с преимущественно отрицательными отклонениями температуры воздуха за 1961–2000 гг. и с преимущественно положительными за период 2001–2024 гг. С конца 1990-х годов наблюдался стабильный рост температуры воздуха, что видно на рисунке 2 (11-летнее скользящее среднее температур). Начиная с 2012 г.имелись исключительно положительные аномалии среднегодовых температур, максимальная положительная аномалия наблюдалась в 2024 г. и составила +1,6°С. Самая большая отрицательная аномалия имела место в 1993 г. и составила -2,4°С относительно климатической нормы 1991-2020 гг.
Изменение аномалий (отклонение от средних за 1991–2020 гг.) среднегодовой температуры приземного воздуха в равнинной зоне юга ЕТР
Климатические особенности равнинной зоны юга ЕТР обусловлены рядом факторов, в том числе орографической неоднородностью территории [13]. Используя данные [14] построена карта распределения средних годовых температур во всех климатических зонах юга ЕТР (рис. 3) с помощью программы визуализации метеорологических данных из файлов в формате GRD программы Surfer 6.0 [12].
Годовое распределение средних температур в различных климатических зонах юга ЕТР
Для детализации климатических изменений, происходящих на исследуемой территории, было выделено две подзоны, это прикаспийская зона и степная. Степная зона включает в себя м/станции Изобильный, Моздок и Прохладная. М/станции Дербент, Изберг, Кизляр и Махачкала относятся к прикаспийской зоне.
На рисунке 4 представлены средние значения годовых и сезонных температур в выделенных зонах за период 1961–2024 гг. Из рисунка видно, что в прикаспийской зоне средние температуры во все сезоны выше, чем в степной зоне. Разница среднегодовых температур составляет 1,8°С, в летний сезон — 1,1°С,особенно выделяется зимний и осенний сезоны, когда разница между температурами составляет более 3,0°С. Такая ситуация является следствием того, что в засушливом районе прикаспийской низменности, к которым и относится данная область, при нагревании приземных слоев воздуха на испарение тратится очень мало энергии, то есть вся длинноволновая радиация от нагретой поверхности приходится на прогрев приземного слоя воздуха.
Средние годовые и сезонные температуры в степной и прикаспийской зонах юга ЕТР за период 1961–2024 гг.
Дополнительно были проведены расчеты линейных трендов изменения средних годовых и сезонных температур по рассматриваемым зонам для всего периода 1961-2024 гг., а также с выделением двух подпериодов 1961–2000 гг. и 2001–2024 гг. Результаты расчета приведены в таблице 2.
Характеристики линейного тренда в степной и прикаспийской зонах
| Период | Сезон | Степная зона | Прикаспийская зона | ||
| b | D | b | D | ||
| 1961–2024 гг. | зима | 0,4 | 18,4 | 0,3 | 9,3 |
| весна | 0,3 | 19,7 | 0,3 | 27,4 | |
| лето | 0,5 | 45,4 | 0,4 | 43,5 | |
| осень | 0,3 | 15,0 | 0,2 | 14,7 | |
| год | 0,4 | 42,5 | 0,3 | 33,1 | |
| 1961–2000 гг. | зима | 0,3 | 2,8 | -0,03 | 0,04 |
| весна | 0,1 | 0,5 | 0,03 | 0,2 | |
| лето | 0,2 | 4,6 | 0,15 | 4,5 | |
| осень | -0,1 | 1,5 | -0,1 | 1,9 | |
| год | 0,01 | 1,8 | -0,01 | 0,03 | |
| 2001–2024 гг. | зима | 0,7 | 10,0 | 0,7 | 12,2 |
| весна | 0,5 | 16,1 | 0,6 | 24,5 | |
| лето | 0,8 | 40,1 | 0,8 | 46,3 | |
| осень | 0,3 | 4,2 | 0,2 | 1,44 | |
| год | 0,6 | 45,2 | 0,6 | 51,9 |
В начале XXI в. прослеживается более интенсивное повышение температуры приземного воздуха, чем за период 1961–2000 гг., как в степной, так и прикаспийской зонах региона. Это повышение вносит основной вклад в усиление скорости роста температуры за весь рассматриваемый период. Для средних сезонных температур за период 2001–2024 гг. в обеих зонах наблюдалась общая закономерность: наибольшая скорость роста наблюдается в летний сезон в обеих зонах и составляет в период 2001–2024 гг. 0,8°С/10лет при D = 40,1% в степной и 46,3% в прикаспийской зоне, далее следует зимний сезон со скоростью роста 0,7°С/10 лет при D =10,0% до D =12,2%.
4. Заключение
Проведенное исследование по анализу изменения температурного режима в равнинной зоне юга ЕТР показало, что в период 2001–2024 гг. осредненная годовая температура выросла на 1,3°С по сравнению с периодом 1961–2000 гг. Самый большой рост происходил в изменении среднелетней температуры. Во все рассматриваемые периоды среднегодовые и сезонные скорости роста температур имели положительную тенденцию, за исключением среднеосенней температуры в период 1961–2000 гг. В начале XXI в. скорость роста среднегодовой температуры статистически значимо выросла и составила 0,59°С/10 лет, при D=49,6%. Анализ аномалий среднегодовых температур показал, что начиная с 2012 г. наблюдались исключительно положительные аномалии среднегодовых температур, максимальная положительная аномалия наблюдалась в 2024 г.
При анализе изменения температуры в прикаспийской и степной зонах получено, что в прикаспийской зоне средние температуры во все сезоны выше, чем в степной зоне. При сравнении трендов двух временных периодов можно заметить, что если в периоде 1961–2000 гг. встречались отрицательные тренды изменения температуры и все тренды были статистически незначимы, то в период 2001–2024 гг. все тренды положительные и статистически значимые, как в степной, так и в прикаспийской зонах.
Такие изменения среднегодовой и среднесезонной температуры воздуха свидетельствуют об усилении потепления на территории равнинной зоны юга ЕТР.