Прогноз погоды из Норвегии

Челябинск и область

 

Локальное и региональное потепление на южном Урале.

мониторинг окружающей среды

Е. Г. Кораблева

Исследования причин современного потепления — одна из главных проблем климатологии и геоэкологии. Среди антропогенных факторов потепления, глав- ными являются: увеличение индустриальной эмиссии парниковых газов и изменение в структуре землепользования с высвобождением углерода законсервированного в растениях и верхнем слое почвы. В то же время, палеоклиматические исследования, указывают, что за последние два тысячелетия диапазон естествен- ной глобальной температуры может быть ~ 3 о С. Например, при реконструкции приповерхностной температуры в Антарктиде, выполненной в ходе анализа ледовых кернов со станции Восток, обнаружилось, что заметные в течение примерно 100 лет увеличения температуры на 0,5–1,5 о С от современного уровня затем быстро исчезали [7]. В частности, такие потепления происходили 200 и 400 лет тому назад, когда антропогенный вклад в парниковый эффект был незначителен. Очевидно, что эти естественные колебания температуры (так называемые базовые линии), вызваны нелинейным взаимодействием между астрофизическими и не бесно-механическими факторами и климатической системы Земли. Однако какого-либо надежного прогноза будущего изменения пока получить невозможно. Не- известно какую часть изменения глобальной температуры 0,6 ± 0,2 о С, зафиксированную за последние 100–140 лет, следует считать антропогенной. Глобальные прогнозы осложняются ещё тем, что в пределах нескольких десятилетий с межвековыми изменениями конкурируют факторы климатической изменчивости ( в определения изменчивости климата принята терминология Г. В. Грузы и Э. Я. Раньковой )  от месяца до нескольких десятилетий: квазипериодическое явление Эль-Ниньо-Южное колебание, извержения вулканов и др.

Оценки трендов температур в региональном (до 1000 км) и локальном (до 100 км) масштабе ещё менее однозначны как из-за различных нелинейных эффектов межгодовой изменчивости, так и из-за локальных мезоклиматических изменений (урбанизация, строительство гидротехнических систем, мелиорация земель, вырубка леса и другие техногенные причины). В этом смысле, оценки изменения климата, как отклика на глобальное потепление для таких регионов, как Южный Урал, где высоки темпы урбанизации и промышленно-хозяйственного освоения, должны производиться с известной долей осторожности. Например, в работе [9] найдено, что изменение температуры в Челябинске составляет 1,5 о С за 100 лет, в то же время в другой работе [10] основанной на данных станциях Челябинск, Златоуст, Бреды и Нязепетровск осредненные тренды не превысили 1 о С.

В данной работе исследуется два аспекта региональной климатической изменчивости, не получивших ранее должного внимания: оценка того, каким образом урбанизация лесостепной зоны Южного Урала может влиять на рост локальных температур, определение того, насколько температурный режим миллионного Челябинска может отличаться от пригородной метеостанции Челябинск- Шершни, для которой обычно дается метеорологический прогноз.

ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

Наиболее оптимальным способом оценки изменения климата под действием урбанизации является сравнение данных, полученных синхронно на «городской» станции и за границей города (в пригороде) по возможности в пределах одного исходного природного ландшафта. Параметры «острова тепла», приведенные в классической монографии Г. Е. Ландсберга [6] получены именно таким способом. В данной работе в качестве «городской» станции используются данные поста № 23 сети мониторинга загрязнения атмосферного воздуха Челябинского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЧЦГМС), где в моменты взятия проб воздуха в 07, 13 и 19 часов местного времени производятся сопутствующие наблюдения температуры, ветра и влажности. Выбор поста № 23, среди прочих восьми пунктов, обусловлен:

– его типичным расположением в селитебной зоне в центре города, неподалеку от пересечения проспектов Победы и Свердловского

– близостью к местоположению станции Челябинск — ДОСААФ (~ 2 км на восток от пункта № 23), функционировавшей с 1949 по 1965 г.

– близостью к местоположению (6 км на юг от пункта) «пригородной» метеостанции Челябинск-Шершни, где помимо стандартных, также производятся синхронные наблюдения с постами метеонаблюдения. Подробное обоснование исходных рядов приведено первым автором.

В работе использованы синхронные ряды температур в городе и пригороде за период с января 1987 по январь 2005 г., которые были выписаны из контрольных записей отдела мониторинга атмосферного воздуха ЧЦГМС и затем оцифрованы. Предварительное сопоставление данных в городе и пригороде произведено по специальному алгоритму, реализованному на языке Basic. Он позволил сигнализировать о возможных ошибках набивки данных, таких как разница более 10 о С, пропуски запятых и т. д. Всего для анализа было оставлено 16200 пар данных полученных за три срока (07:00, 13:00, 19:00), для которых рассчитывались средние отклонения.

Учитывалось, что температурный режим воздуха в годовом разрезе характеризуют следующие показатели: среднемесячные температуры; среднемесячные максимумы и минимумы суточной температуры воздуха; суточный ход температуры воздуха в вегетационный период (май-сентябрь); суточный ход температуры воздуха на протяжении отопительного сезона (октябрь–апрель); экстремальные значения температуры воздуха летом и зимой; средняя температура наиболее холодной пятидневки и наиболее холодных суток; продолжительность периода со среднесуточной температурой воздуха менее 8 °С (отопительный сезон) и средне- суточной температурой ниже 0 °С; средние температуры воздуха наиболее холодного периода. 

В данной работе предполагается, что в городе и пригороде распределения температур близки к нормальному, для которого понятие среднее и стандартное отклонение имеет адекватный смысл. Для проверки выборки на соответствие нормальной генеральной совокупности был исследованы ряды температур на метеостанции и в городе за первую декаду января с 1987 по 2004 г., т. е. середину холодного сезона, где возможное влияние потепления наиболее значимо. При оценке «нормальности» выборок использовался критерий Колмогорова, где «в качестве меры расхождения между статистическими и теоретическими распределениями рассматривается максимальное значение модуля разности между статистической функцией распределения и соответствующей теоретической функцией распределения» [1]. Целью расчетов являлось определение величины λ = d max , N по которой можно оценить значимость Р (λ) гипотезы, что ряды температур имеют нормальное распределение. В нашем случае значение λ для города равно 0,64, а для пригорода 0,8. Согласно таблице, приведенной в работе [5], с вероятностью более 85 % и 55 % распределения близки к нормальным. Следовательно, мы не без основания вправе далее сравнивать средние и отклонения рядов данных температур на посту и метеостанции между собой и делать на их основе оценку и прогноз. Следует заметить, что исследуемый период наблюдений относится ко времени роста глобальных температур, наблюдаемый с 80-x гг. ХХ в. (знак «+», на рисунке), поэтому в работе также обсуждается возможный вклад локального потепления в региональное увеличение температур, в том числе и ретроспективным климатическим данным с 1949 по 1965 г., когда глобальная температура была близка к своему историческому среднему за 120-летний период (знак «–», на рисунке).

РЕЗУЛЬТАТЫ

В целом, как и ожидалось, в городе теплее, чем в пригороде: средняя температура за 18-летний период в городе на 1,11 ˚С была выше, чем в пригороде. Локальное городское повышение температуры неравномерно по сезонам: зимой оно составляет 1,92 ˚С, весной 1,18 ˚С, осенью — 0,75 ˚С, а летом — 0,62 ˚С, т. е. более выражено зимой и весной. Такие общие сведения о сезонном ходе, однако, мало говорят о его причинах. Для удобства изложения, далее последовательно рассматриваются срочные данные за теплый и холодный период года (таблица 1), экстремальные значения температур (таблица 2) и отклонения температур от- дельно по месяцам.

Из таблицы 1 видно, что средняя годовая разница температур между городом и пригородом максимальна утром и явно уменьшается к вечеру. Действительно во все сезоны повторяемость превышения температур в городе днем и утром составляет 70–80 %, тогда как вечером ситуация менее однозначна.

Суточный ход температур, как известно сильно зависит от сезона года и со- стояния подстилающей поверхности (наличие снежного покрова, влажность почвы и др.). Для октября — апреля наибольшая разность температур город-пригород наблюдаются в темное время суток (07:00 и 19:00), когда сказываются эффекты ночного радиационного выхолаживания, более сглаженные в городе из-за наличия источников тепла. Больший эффект потепления в 07:00 может объясняться и тем, что ночной более плотный холодный воздух скатывается в относительно пониженную местность вблизи водоёма — и метеостанция оказывается, как бы внутри линзы холодного воздуха. 

В теплый период, когда практически все измерения, производились в светлое время суток, разница между городом и пригородом более сглажена. Наибольшая разность температур в 1–1,5 достигается днём (13:00), вероятно, из-за разницы в альбедо поверхностей: быстрого прогрева покрытых асфальтом и загрязненных поверхностей в городе, соответственно эффективно поднимающих температуру воздуха. К вечеру (19:00) городские поверхности, темные, имеющие малую теплоемкость, эффективно излучая тепло, быстро охлаждаются, тогда как тепло, накопленное поверхностными слоями воды Шершневского водохранилища, замедляет уменьшение температуры воздуха в пригороде. На метеостанции, где влажность, очевидно, выше, должно сказываться и выделение тепла при конденсации водяного пара в виде росы. Все это ведет к слабоположительным или отрицательным отклонениям температуры города вечером.

Распределение срочных температур по сезонам (таблица 1), предполагает что наибольшее отепляющий эффект Челябинска сказывается в холодный период, когда более высокий уровень теплового баланса в городе поддерживается за счет усиленной теплоотдачи подогреваемых зданий и коммуникаций, сжигания топлива локальными стационарными источниками и автотранспортом. Летом же эти эффекты менее выражены. В целом это подтверждается данными, представленными в таблице 2, откуда очевидно, что минимальные температуры в городе на 4– 5 градусов выше, чем в пригороде, а максимумы мало отличаются. Значительное городское потепление, проявляется также в средних температурах наиболее холодных суток рабочей недели и пятидневки, которые очень важны при оценке возможности работ на открытом воздухе с уменьшением их интенсивности на 1,5–4 градуса.

Как в городе, так и пригороде происходило уменьшение длительности морозного периода и периода с температурами ниже 8 о С, однако в городе эти периоды на 1–1,3 о C менее интенсивны и на одну неделю меньше, чем за городом. Следует заметить, что в отличие от работ на открытом воздухе, о возможном уменьшении длительности отопительного сезона в городе по сравнению с метеостанцией, речь пока не идет, т. к. неизвестен сам вклад отопления жилого сектора в суммарное городское потепление.

 Это, как будет обсуждаться ниже, свидетельствует о том, что городское потепление более выражено, при низких температурах, нежели при их повышении.

Можно также видеть различный отклик на сезонный ход температур в городе и пригороде, разность Δср, которые приведены в таблице 3. Заметно, что отепляющий эффект города максимален в декабре — марте (1,7 ÷ 2,1 ˚С), и минимален в мае — октябре (0,5 ÷ 0,8 ˚С)

Аналогичный вывод следует и из анализа хода средних минимальных Δmin и максимальных температур Δmах, где заметно, что разница в минимумах более значительна, нежели, чем в средних или максимумах. Наибольшие значения Δmin от 2,4 до 3 ˚С обнаруживаются в холодные месяцы, причем в два-три раза больше, чем Δср и Δmах. Характерно, что с мая по октябрь разность максимальных темпера- тур ΔТ mах менее 0,5 ˚С, причем в сентябре максимальные температуры в пригороде даже выше, чем в городе, по всей вероятности, из-за отепляющего влияния водохранилища. Сближение максимальных температур в городе и пригороде летом, можно объяснить тем, что при прогреве приповерхностного воздуха после достижения вертикального градиента значений равных сухоадиабатическому, начинается конвекция, уносящая тепло быстро вверх. С другой стороны, замутненность атмосферы города, очевидно должна уменьшать прогрев, особенно в период застойной погоды, характерной для города с июля по сентябрь.

Выраженный сезонный ход отклонений температур обозначается и в линейные тренды каждого из месяцев в городе аг и в пригороде ап, вычисленных по методу наименьших квадратов. Тенденции изменения температур в целом сонаправлены, и во все месяцы, кроме июня, имеют положительный знак. Наиболее значимо увеличение температуры января и её уменьшение в июне на 0,2–0,3 ˚С, при этом коэффициент корреляции достигает 0,5–0,6. По данным Н. В. Ячменевой [9], за последние 100 лет на станции Челябинск-город все месячные тренды темпера- тур положительные, как и в нашем случае, поэтому отрицательный тренд июня в последнее время является не только продуктом разницы в периодах осреднения и отличии исходных температурных данных, но и отражает новые факторы климатической изменчивости.

В городе, как следует из таблицы 3, потепление (похолодание) идет с уско- рением (замедлением) по отношению к пригороду (кроме показателей марта), что говорит о возможном эффекте изменения структуры локальных источников тепла, например роста тепловых выбросов от автотранспорта.

Пример роста тепловых выбросов от автотранспорта. Ввиду общности тенденций, можно построить линейное уравнение связи между месячными температурами в городе (Тг) и пригороде (Тп):

 Тг = 0,96 × Тс + 1,3˚      (1)

Такая связь позволяет оценивать температуру в городе относительно сред- ней температуры на станции, так при –10˚ на станции, в городе будет –8˚, а при +20˚ всего — 20,8 ˚С. Отметим, что уравнение (1) несмотря на высокий коэффициентом корреляции 0,96 ± 0,07, имеет ограниченный диапазон применения от – 23 до +20˚ среднемесячных температур.

Для оценки прогнозных поправок на потепление в городе, сначала синхронные пары измерений в городе и пригороде были разбиты независимо на 5- градусные интервалы (таблица 4) и подсчитано количество случаев в каждом из интервалов. Очевиден факт значительного уменьшения числа случаев низких температур в городе, и общие различия в числе случаев в каждом из интервалов температур. Затем оба ряда были проранжированы совместно, относительно ряда температур на станции, найдены средние значения температур в данном интервале на станции и средние соответствующих синхронных измерений в городе.

 Поправка в таблице 4 представляет разность между этими средними. Становится ясно, что среднее значение потепления в 1 о С объясняется большим количеством умеренных температур в интервале от –20 до +20 о С. Как и ожидалось наибольшие поправки от +4 до +6 о С наблюдаются при низких утренних температурах зимой, а отрицательные до –1о при высоких летних температурах вечером. 

Исходя из таблицы 5 и предыдущих результатов, можно сделать предположение, что при наиболее суровых зимах отепляющее влияние города будет наиболее выражено. Но даже при умеренной зиме от –15 до –20 ˚С, урбанизация значительно уменьшает суровость зим, обычно оцениваемую по температурно- ветровому индексу комфортности климата Бодмана S [3]:

 

S = (1 – 0,04 × Т) (1 + 0,272 × V),    (2)

где T и V температура и скорость ветра.

Так при поправке на урбанизацию в +2 ˚С и средней скорости ветра 2–3 м/с суровость зим уменьшается на 0,12–0,15 баллов. Вероятно, городское потепление может сказываться и на «ускоренном» потеплении зим в ст. Шершни (Челябинск), в сравнении со степной (Карталы) и горно-лесной зоной (Златоуст). В таблице 5 показан индекс суровости зимы S, усреднённый по каждому месяцу за последний 20 летний период. Хотя во всех регионах S находится в градациях: малосуровые зимы и умеренно суровые зимы (2–3 балла), наименьшие значения S и наиболее значительное его уменьшение (0,4 балла за 10 лет) наблюдается в пригороде Челябинска, где обнаруживается переход комфортности зимнего периода в категорию малосуровых зим.

О значимости вклада локального потепления в региональное, о приемлемости используемой нами методики его оценки, можно судить и по ретроспективным климатическим данным. На графике глобальных температурных изменений с 1880 по 2000 г. (см. рисунок) можно видеть два периода с характерным ростом температур относительно среднего, это с 1915 по 1945 г. и с 1980 г. по настоящее время. С 1945 по 1975 г. характерны колебания относительно вблизи среднего за 120-летний период. Именно в этот период вблизи нынешнего 23 пункта, принято- го в работе за «город», с 1949 по 1965 функционировала станция ДОСААФ, в бывшем пригороде г. Челябинска, её данные опубликованы в Справочнике по климату СССР 1965 г. В таблице 5 для сравнения приведены данные по официальным метеорологическим станциям Челябинск-Шершни за 1980—2004 гг. и ДОСААФ (осреднение велось по 8 стандартным срокам).

По данным, приведенным в таблице, мы можем, во-первых, судить о том, что в районе Челябинска произошло «естественное» потепление климата в сред- нем на 1,5 о С, во-вторых, — что локальные различия в высотах расположения, наличие водоёма у пригородной станции не могли вызвать превышение температур в «городе» в сравнении с пригородом. Более того, значительные разницы в холод- ном периоде в таблице 6 могут быть интерпретированы как увеличивающее отепление города, расширяющего свои границы на северо-западе. Таким образом, если бы не было урбанизации, то температуры пригорода ДОСААФ (или на 23 посту) возросли бы примерно c средних точек интервалов с 1957 по 1992 г. на 1,4 о C, а с учетом роста города до 1,4 + 1,1 0 C = 2,5 0 C. Таким образом, предположить, что при оценке степени регионального потепления на Урале по данным станций, в начале находящихся на границе городской черты, дальнейшая урбанизация территории может увеличить эффект общего регионального потепления не менее чем на 40 %.

Итак, сравнительный анализ 16200 пар синхронных измерений температур (07,13 и 19 часов) на пригородной метеостанции, в п. Шершни (55о 10’ с. ш., 61o 19’ в. д.), в 0.5 км от одноименного водохранилища и на посту мониторинга воз- духа (~ 55o 12’с. ш., 61o 23’ в. д.) в центральной части г.Челябинска (5 км на север от метеостанции) показал, что:

1) Город в среднем теплее: «средняя» годовая температура за последние 18 лет в городе равна 4,6 ˚С, что на 1,1 ˚С больше, чем в пригороде (3,5 ˚С).

2) Общее локальное потепление сводится к зимнему периоду: превышение средних зимних температур в городе над пригородом наблюдается в 70–80 % случаев составляет около +1,7 ÷ 2 ˚С, достигая для значений минимальных температур значений +4 ÷ 5 ˚С. В летний период температуры города и пригорода сближаются.

3) Изменения среднемесячных температур в городе Челябинске и в пригороде за 18 лет имеют одинаковую тенденцию. На коэффициенты достоверности тенденций за отдельные месяцы не превышают 0,6. Во все месяцы, исключая июнь, тренды положительные. Наиболее значимые положительные тренды в городе (пригороде) наблюдается в январе +0,3 (0,26) ˚Сгод-1. В июне наблюдается отрицательный тренд в городе (–0,21˚Сгод-1) и пригороде (–0,26˚Сгод-1). Обнаружено ускорение потепления в городе: во всех случаях, кроме марта скорость потепления (скорость похолодания) в городе несколько выше (ниже).

4) Между температурой в городе Тг и пригороде Тс установлено уравнение связи Тг = 0,96 × Тс + 1,3 С˚ с коэффициентом корреляции более 0,9. При прогнозе температур в городе по данным метеостанции следует учитывать, что наибольшее эффект потепления в городе до +5 ˚С наблюдается при самых низких температурах ниже –25 ˚С.

5) Обнаружены важные отличия в суточном ходе температур: наиболее значимое «потепление» в городе обнаруживается в утренние часы зимой. Летом температуры города значимо превышают данные метеостанции только в полу- денные часы. К вечеру различие температур уменьшается. Обнаружены признаки особого микроклиматического влияния водохранилища и городских инфраструктур требующие дальнейшего исследования.

6) Челябинск лидирует в снижении суровости зим в сравнении с рядом других метеостанций. Зимы в Челябинске относятся к категории малосуровых. Городская поправка в индексе суровости по Бодману составляет не менее 0,15 баллов.

7) Ретроспективное сравнения температур на станции ДОСААФ и станции Шершни, также подтверждает вывод о вкладе локального городского потепления, причем оценочно его вклад может составлять до 40 % регионального

Обобщая изложенные результаты, можно предположить, что в повышении температур зимнего сезонов Южного Урала важную роль играет не только глобальная составляющая, но и высокая степень его урбанизации. Возможно, что опережающее потепление города распространяется и на близлежащие территории. Параметры комфортности климата, как правило, комплексны, в них входят многие переменные (температуры, скорость ветра, осадки и т. д.). Закономерен вопрос о ревизии всех климатических параметров, используемых в инженерно- экологических и инженерно-строительных и экономических расчетах, где глобальное изменение климата и отепляющее влияние города явно не учитывается.

Благодарю государственное учреждение “Челябинского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды” за предоставление первичных данных.

Также выражаю благодарность научному руководителю доценту кафедры природопользования, канд. физ.-мат. наук С. М. Абдуллаеву за неоценимый вклад в подготовку данной работы.

Работа выполнена при поддержке Российской Академии Наук Уральского отделения (Конкурс исследовательских проектов, Грант № 005.05-06.АХ) и Челябинского Государственного университета.

 

Список литературы

1. Венцель Е. С. Теория вероятностей / Е. С. Венцель. М. : Высш. шк., 1999. 576 с

2. Груза Г. В. Структура изменчивости наблюдаемого климата. Температу- ра воздуха Северного полушария / Г. В. Груза, Э. Я. Ранькова. Л. : Гидрометеоиз- дат, 1980. 71 с

3. Исаев А. А. Экологическая климатология / А. А. Исаев. М. : Научный мир, 2003. 472 с.

4. Кораблёва Е. Г. Температурный режим г. Челябинска к вопросу об ин- женерно-экологических расчётах / Е. Г. Кораблева, С. М. Абдуллаев // Экологиче- ская политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области: мате- риалы науч.-практ. конф. / Челябинск, 7–8 декабря, 2005. С. 122–124.

5. Кораблева Е. Г. Температурный режим города Челябинска в условиях современного потепления. / Е. Г. Кораблева. Челябинск: ЧелГУ, 2006. 49 с

6. Ландсберг Г. Е. Климат города / Г. Е. Ландсберг. Л. : Гидрометеоиздат, 1983. 248 с

7. Семенов С. М. Парниковые газы и современный климат Земли / М. С. Семенов. М. : Издательский центр "Метеорология и гидрология", 2004. 175 с.

8. Справочник по климату СССР. Выпуск 9. Часть 2 / Л. : Гидрометеоиздат, 1965. 160 с

9. Ячменева Н. В. Об изменении климата г. Челябинска / Н. В. Ячменева // Проблемы географии Урала и сопредельных территорий: материалы науч.-практ. конф. Челябинск, 2004, С. 58–60

10. Ячменева Н. В., Тридчикова Я. А. Воздействие изменений климата на сельское хозяйство Челябинской области / Н. В. Ячменева, Я. А. Тридчикова // Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области: материалы науч.-практ. конф. Челябинск, 7–8 декабря, 2005. С. 120–121