Changes in the moisture of the Caspian region of Russia due to global warming.pdf Введение С конца ХХ в. в климатической системе планеты наблюдаются значительные изменения температуры воздуха, обусловленные антропогенными выбросами в атмосферу парниковых газов, происходят изменения режима осадков. Наблюдаемые изменения ощутимо влияют на социально-экономическое развитие, продовольственную и энергетическую безопасность, урожайность сельскохозяйственных культур, качество жизни, миграцию населения и в целом на экосистемы данного региона. Сочетание неблагоприятных факторов природного и антропогенного характера способствует деградации природных аридных экосистем [Петров и др., 2016]. Согласно современным прогнозам, приведенным в оценочных докладах Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации, наблюдаемые тенденции в изменении климата с высокой степенью вероятности сохранятся и в ряде аспектов усугубятся [Первый оценочный доклад..., 2008; Второй оценочный доклад..., 2014]. Для оценки предстоящих изменений природных систем Прикаспийского региона России мы использовали режим увлажненности, построенный по прогнозируемым на период до конца XXI в. изменениям в климатической системе. Это позволит предположить состояние аридных экосистем региона в будущем. Известно [Kharin et al., 1999], что устойчивость к антропогенному воздействию аридных ландшафтов уменьшается по мере уменьшения количества атмосферных осадков, т.е. обусловливается режимом увлажненности. Прикаспийский регион России включает в себя Астраханскую область, Калмыкию, Дагестан и российский сектор Каспийского моря. Административно район относится к Южному федеральному округу (ФО) (Астраханская область, Калмыкия) и Северо- Кавказскому ФО (Дагестан) (рис. 1), является южным районом европейской части России. В климатическом отношении регион неоднороден. В целом он лежит в пределах умеренного климатического пояса. Вся территория Дагестана, континентальная часть Калмыкии и северная половина Астраханской области относятся к умеренно континентальной области пояса. Прибрежная часть Калмыкии и южная половина Астраханской области относятся к континентальной области умеренного пояса. Материалы и методы исследования Оценка изменения природных зон Прикаспийского региона осуществлялась по значениям радиационного индекса сухости Будыко (К), а изменения условий сельскохозяйственной деятельности - по гидротермическому индексу Селянинова (ГТК). Для расчета индексов использовались специализированные массивы для климатических исследований, обеспеченные Web-технологией АИСОРИ. Были взяты данные по температуре воздуха, осадкам и парциальному давлению водяного пара, начиная с 1981 г. Гидрометеорологические данные представлены как среднемесячные значения для пунктов Элиста, Яшкуль, Лагань (Калмыкия), Астрахань (Астраханская область), Махачкала, Буйнакск, Дербент и Ахты (Дагестан). Данные по облачности были получены из глобального архива CDAS (Climate Data Assimilation System), являющегося частью системы реанализа NOAA NCEP/NCAR Reanalysis [Kalnay et al., 1996], находящегося в свободном доступе. Прогноз предстоящих изменений строился на данных моделирования по ансамблю глобальных климатических моделей (CMIP5), представленных на сайте Климатического центра Росгидромета (https://cc.voeikovmgo.ru/ru/klimat/izmenenie-klimata-rossii-v-21-veke). © Татарников В.О., Гаврилова Е.В ., Азмухамбетова Д . Х., 2021 DOI: 10.17223/25421379/21/9 Рис. 1. Карта расположения станций наблюдений за приземной температурой воздуха в Прикаспийском регионе России Fig. 1. Map of the location of surface temperature observation stations in the Caspian region of Russia Данные моделирования предстоящих изменений климата представлены как значения аномалий температуры воздуха и осадков за сезоны и год. Очевидно, что такая временная дискретность не удовлетворяет требованиям к данным для расчета индексов. Поэтому для получения нужных параметров выявлялись их корреляционные связи с температурой за сезоны или год, по уравнению регрессии вычислялись предполагаемые значения необходимых для расчета индексов параметров. Положительные аномалии температуры воздуха, характерные для среднеглобальной температуры Земли и территории России, также фиксируются и на более локальных территориях [Второй оценочный доклад..., 2014]. Наблюдающиеся изменения температуры воздуха, связанные с глобальным потеплением, приводят к усилению испарения воды с поверхности Мирового океана, что, в конечном счете, способствует увеличению количества выпадающих осадков. Данные изменения влекут за собой отклик со стороны биологических сообществ. Для оценки этих изменений можно использовать разнообразные климатические индексы, отражающие условия произрастания растительных сообществ. К таковым относятся радиационный индекс сухости Будыко и гидротермический индекс Селянинова. На основе первого индекса исследователи определяли границы климатических поясов, на основе второго проводили оценку условий сельскохозяйственной деятельности. Lx-r’ Радиационный индекс сухости Будыко представляет собой отношение годового радиационного баланса подстилающей поверхности к сумме тепла, необходимого для испарения годового количества осадков на той же площади: где R - годовой радиационный баланс подстилающей поверхности, МДж/м2; L - удельная теплота испарения, является постоянной величиной, для воды равна 2 260 Дж/кг; r - годовая сумма осадков, мм. Годовой радиационный баланс подстилающей поверхности является разницей между поглощенной коротковолновой радиацией и эффективным излучением этой поверхности, рассчитывается по формуле: R = Q(1-d)-I, 2 (2) где Q - суммарная солнечная радиация, МДж/м2; а -альбедо, доли единицы; I - эффективное излучение, представляющее разность между длинноволновым излучением подстилающей поверхности и поглощенной частью встречного излучения атмосферы солнечной радиацией и эффективным излучением, МДж/м2. Для наших расчетов суммарная солнечная радиация была взята из данных научно-прикладных справочников по климату СССР для Астраханской области и Дагестана [Научно-прикладной справочник..., 1990а, 1990б]. Поступление на поверхность планеты суммарной солнечной радиации определяется расстоянием между Солнцем и Землей и в многолетнем аспекте зависит от астрономических факторов (эксцентриситета орбиты Земли, нутации оси наклона, прецессии оси). Астрономические процессы, способные вызвать значительные изменения радиационного баланса, имеют цикличность в 104-106 лет и больше [Hays et al., 1976; Kent et al., 2018]. В этих условиях значения радиационного баланса были приняты как неизменные на протяжении всего периода исследований. Значение альбедо было взято из трудов М.И. Будыко [2020]. Для определения эффективного излучения используется эмпирическая формула 1 = soQ4(11,4 - 0,23e) x (1- cn) + Д/, (3) где s - интегральная излучательная способность поверхности суши, равная 0,95; а - постоянная Стефана-Больцмана (кал/(см2хминхК4); 0 - среднемесячные значения температуры воздуха, градусы Кельвина; e - упругость водяного пара, мб; c - коэффициент, учитывающий влияние облачности на излучение, доли единицы; n - общая облачность в долях единицы; Л/ - поправка к эффективному излучению, пропорциональная разности температур между подстилающей поверхностью (Qw) и воздухом (Q), определяемая по методу теплового баланса, МДж/м2. Коэффициент, учитывающий влияние облачности на излучение (с), берется из таблицы, приведенной в трудах М.И. Будыко [2020]. Для его определения требуются значение полуденной высоты солнца (Лод) и среднее значение общей облачности. Полуденная высота солнца зависит от широты, для которой она рассчитывается, и солнечного склонения: hng = 90° - ф + 6, (4) где ф - широта места; 5 - солнечное склонение. Для Астрахани, Элисты и Яшкуль значение широты было взято в 46° с.ш., для Лагани - в 45° с.ш., для Махачкалы - в 43° с.ш., для Буйнакска и Дербента - в 42° с. ш., и для Ахты - в 41° с. ш. За среднемесячные значения склонения солнца были приняты следующие значения (табл. 1). Поправка к эффективному излучению (5) находится по следующей формуле: Д = 4soQ3(Qw-Qa), (5) где s - интегральная излучательная способность поверхности суши, равная 0,95; о - постоянная Стефана-Больцмана (кал/(см2х минх К4); 0 - среднемесячные значения температуры воздуха, градусы Кельвина; Qw - температура подстилающей поверхности, °С; Qa - температура воздуха, °С. Данные по суммарной солнечной радиации (Q) и разнице температур между подстилающей поверхностью и температурой воздуха (Qw-Qc) были взяты из научно-прикладных справочников по климату СССР для Астраханской области, Калмыкии и Дагестана [Научно-прикладной справочник..., 1990а, 1990б]. Температура почвы зависит от способности поглощать солнечную радиацию, а эта способность определяется значением альбедо почв. Альбедо же зависит от типа почвы, характера растительности, а так как эти параметры можно принять как величину постоянную, то разницу между температурой почвы и воздуха мы приняли как условно неизменную для всего периода исследований. Имеющиеся метеорологические данные позволяли определить значение индекса сухости (К) для Элисты, Яшкуля, Лагани, Астрахани, Махачкалы, Буйнакска, Дербента и Ахты. Для расчета использовались данные наблюдений за общей облачностью, температурой воздуха, упругостью водяного пара для вышеуказанных станций с 1980 по 2000 г. Прогноз режима увлажненности По имеющимся данным, были рассчитаны значения радиационного индекса сухости для отдельных населенных пунктов Прикаспийского региона (табл. 2). По натурным наблюдениям за 1980-2019 гг. для Астрахани и Дербента радиационный индекс сухости показал тенденцию к увеличению, для Махачкалы - к уменьшению своих значений. Интенсивность увеличения индекса для Астрахани и Дербента, рассчитанная по уравнению линейного тренда, составила 0,10 и 0,48 ед./10 лет соответственно, интенсивность уменьшения для Махачкалы - 0,13 ед./10 лет. Коэффициент аппроксимации полученных трендов во всех случаях меньше 0,10, что для строгой оценки является неудовлетворительным. Для прогнозирования предстоящих изменений в Прикаспийском регионе были использованы данные моделирования изменений климата в период 20112031, 2041-2060 и 2080-2099 гг., представленные на сайте Климатического центра Росгидромета. Расчеты проводились отдельно для сценариев RCP 4,5 и RCP 8,5. По данным сайта были вычислены аномалии эффективного излучения для различных периодов (см. табл. 2). Аномалии эффективного излучения находились как разница между аномалиями восходящего потока длинноволновой радиации и нисходящего потока длинноволновой радиации. Прогнозируемые изменения климата представлены как аномалии относительно средних значений за период 1981-2000 гг. В результате оказалось возможным получить значение радиационного баланса до 2099 г. (табл. 2). Таблица 1 Значения солнечного склонения и полуденной высоты солнца в районе Астрахани, Махачкалы и Дербента Table 1 Values of solar declination and midday sun height in the area of Astrakhan, Makhachkala and Derbent Месяцы I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Солнечное склонение, 5 -20 -12 -2 9 18 23 21 13 3 -8 -18 -23 Астрахань, Элиста, Яшкуль 24 32 42 53 62 67 65 57 47 36 26 21 Лагань 25 33 43 54 63 68 66 58 48 37 27 22 hng (полуденная высота) Махачкала 27 35 45 56 65 70 68 60 50 39 29 24 Буйнакск и Дербент 28 36 46 57 66 71 69 61 51 40 30 25 Ахты 29 37 47 58 67 72 70 62 52 41 31 26 Таблица 2 Прогнозируемые изменения составляющих радиационного баланса на территории субъектов Российской Федерации Прикаспийского региона (аномалии относительно значений 1981-2000 гг.) Полученные данные по предполагаемому радиационному балансу, в зависимости от жесткости климатического сценария, показывают схожую динамику. Для большинства территориальных образований значение радиационного баланса к концу XXI в. увеличится. Наиболее интенсивное увеличение будет наблюдаться при осуществлении сценария RCP 8,5. Из общей картины выпадает только Дагестан, здесь по сценарию RCP 4,5 к концу XXI в. будет наблюдаться снижение значения радиационного баланса. Известно, что границей тепловой энергетической базы географической зональности, отделяющей субтропические широты от средних, является значение радиационного баланса в 2 000 МДж/м2*год. Судя по значениям радиационного баланса Дагестана -эта территория является переходной между субтропиками и средними широтами. При реализации сценария RCP 4,5 область будет сохранять свой переходный статус. Если климатическая система будет развиваться по сценарию RCP 8,5, климат Дагестана подвергается аридизации. Для Астраханской области и Калмыкии на протяжении века изменений в положении климатических поясов наблюдаться не будет. Несмотря на отрицательную тенденцию радиационного индекса, в предстоящие периоды Астраханская область по-прежнему будет относиться к району субтропических пустынь (табл. 3). К той же географической зональности будет относиться территория Калмыкии (К>3). Однако к концу XXI в., в зависимости от климатического сценария, территория Калмыкии может изменить характер своей зональности на субтропическую полупустыню (RCP 4,5). Территория Дагестана в настоящее время относится к зоне субтропической полупустыни. При развитии климатического сценария RCP 4,5 эта территория будет тяготеть к климатическим условиям зоны субтропических степей (К = 2-3). Осуществление сценария RCP 8,5 будет способствовать дальнейшему определению территории Дагестана зоной субтропических полупустынь, с тяготением к переходу в зону субтропических степей, т. е. условия развития природных экосистем будут улучшаться. Table 2 Projected changes in the components of the radiation balance on the territory of the Caspian regions of the Russian Federation (anomalies in relation to the values of 1981-2000) Район 1981-2000 гг. 2011-2031 гг. 2041-2060 гг. 2080-2099 гг. RCP 4,5 RCP 8,5 RCP 4,5 RCP 8,5 RCP 4,5 RCP 8,5 Аномалии эффективного излучения, Вт/м2 Астраханская область - 0,2 0,3 -0,1 0,6 0,0 -0,7 Калмыкия - 0,0 0,0 -0,3 0,0 -0,2 1,6 Дагестан - 0,0 -0,1 -0,1 -0,2 0,1 -1,6 Аномалии эффективного излучения, МДж/м2 хгод Астраханская область - 6,3 9,5 -3,2 18,9 0,0 -22,1 Калмыкия - 0,0 0,0 -9,5 0,0 -6,3 -50,5 Дагестан - 0,0 -3,2 -3,2 -6,3 3,2 -50,5 Эффективное излучение, МДж/м2*год Астраханская область 939 945,3 948,5 935,8 957,9 939,0 916,9 Калмыкия 933 933,0 933,0 923,5 933,0 926,7 882,5 Дагестан 967 967,0 963,8 963,8 960,7 970,2 916,5 Радиационный баланс, МДж/м2*год Астраханская область 2 106 2099,2 2096,1 2108,7 2086,6 2105,6 2127,6 Калмыкия 2 111 2111,6 2111,6 2121,0 2111,6 2117,9 2162,0 Дагестан 1 997 1997,0 2000,2 2000,2 2003,3 1993,8 2047,5 Таблица 3 Прогнозируемые значения осадков и радиационного индекса сухости Будыко (К) Table 3 Projected values of precipitation and Budyko radiation index of dryness (К) Показатель Субъект Россиской Федерации Период, годы 1981-2000 2011-2030 2041-2060 2080-2099 Астраханская область RCP 4 5 237,6 237 6 274 1 274 1 Осадки, мм RCP 8,5 274,1 237,6 237,6 Калмыкия RCP 4,5 285,0 285,0 321,5 321,5 RCP 8,5 321,5 285,0 285,0 Дагестан RCP 4,5 395,7 432,2 432,2 432,2 RCP 8,5 432,2 432,2 395,7 Радиационный индекс сухости Астраханская область RCP 4,5 RCP 8,5 4,3 3,9 3,4 3,4 3,9 3,4 4,0 Калмыкия RCP 4,5 RCP 8,5 3,7 3,3 2,9 2,9 3,3 2,9 3,4 Дагестан RCP 4,5 RCP 8,5 2,4 2,0 2,0 2,0 2,1 2,0 2,3 Таблица 4 Количество градусодней с температурой более 10 °C и значение ГТК* в Прикаспийском регионе России Table 4 Number of degree days with a temperature of more than 10 °C and the value of SCC* in the Caspian region of Russia Период, год Астраханская область Калмыкия Дагестан RCP 2,6 RCP 4,5 RCP 8,5 RCP 2,6 RCP 4,5 RCP 8,5 RCP 2,6 RCP 4,5 RCP 8,5 Xt, ° C 1981-2000 3 488 3 648 3 413 1997-2019 3 777 3 884 3 689 2011-2031 3 854 4 017 4 007 3 552 3 544 3 577 3 584 3 660 3 666 2040-2061 3 815 4 132 4 334 3 796 3 761 3 916 3 714 3 832 4 021 2080-2099 3 854 4 334 5 046 3 695 3 971 4 608 3 655 4 072 4 811 ГКТ 1981-2000 0,68 0,47 0,97 1997-2019 0,61 0,45 0,93 2011-2031 0,39 0,32 0,38 0,54 0,47 0,54 1,70 0,68 0,68 2040-2061 0,40 0,37 0,29 0,51 0,51 0,42 0,67 0,65 0,62 2080-2099 0,39 0,450,35 0,25 0,52 0,49 0,36 0,68 0,61 0,48 Примечание: *Зоны режима увлажненности - избыточного увлажнения, или зона дренажа (ГТК>1,3); обеспеченного увлажнения (1,0-1,3); засушливая (0,7-1,0); сухого земледелия (0,5-0,7); ирригации (ГТК1.3); provided moisture (1.0-1.3); arid (0.7-1.0); dry farming (0.5-0.7); irrigation (SCC

Скачать электронную версию публикации