книги из ГПНТБ / Будыко, М. И. Изменения климата
.pdf80 |
Глава 2. Генезис климата |
Земли. Как отмечено выше, этот вывод свидетельствует об очень высокой чувствительности современного климата к изменениям климатообразующих факторов.
Сопоставим результаты расчетов устойчивости термического ре жима атмосферы по полуэмпирическим моделям с результатами аналогичных расчетов, основанных на применении более общих теорий климата.
Большой интерес представляет выполненное Манабе исследова ние устойчивости современного климата, некоторые результаты ко торого изложены Смагоринским (Smagorinsky, 1974).
В отличие от перечисленных выше работ, в которых были ис пользованы полуэмпирические модели распределения средних ши-
дг°
Рис. 10. Влияние изменения солнечной постоянной на средние широтные температуры воздуха.
1— расчет по полуэмпирической модели, 2 —расчет Манабе.
ротных температур воздуха, Манабе применил трехмерную модель общей теории климата, включающую детальный учет динамических процессов в атмосфере. В этой модели было учтено влияние фазо вых преобразований воды на термический режим, включая обрат ную связь между снежным покровом, полярными льдами и темпе ратурой воздуха.
Манабе нашел, что при уменьшении солнечной постоянной на 4% снежный и ледяной покровы распространяются на всю Землю. При увеличении солнечной постоянной на 2% происходит от ступание ледяного покрова, средняя годовая температура воздуха у земной поверхности в низких широтах повышается примерно на 2°, а в высоких широтах на значительно большую величину, дости гающую 10° на 80° с. ш.
Для сравнения приведем результаты расчетов изменения тем пературы по изложенной выше полуэмпирической модели терми ческого режима атмосферы при повышении солнечной постоянной на 2% (рис. 10).
2.2. Полуэмпирическая теория климата |
81 |
Заслуживает внимания согласование результатов расчетов Манабе с основным заключением, полученным в результате приме нения полуэмпирических моделей термического режима атмосферы, о большой чувствительности современного климата к малым изме нениям притока тепла, поступающего на внешнюю границу атмо сферы. Следует отметить также совпадение выводов из этих рас четов о гораздо более сильном повышении температуры в высоких широтах по сравнению с низкими широтами при увеличении при тока тепла.
Некоторые различия характеристик изменений климата в ра боте Манабе и в расчетах по полуэмпирическим моделям, воз можно, частично объясняются особенностями учета в соответст вующих исследованиях влияния облачности и температуры воздуха на уходящее излучение. Как отмечено выше, Манабе и Везеролд (Manabe and Wetherald, 1967) считали, что связь уходящего излу чения с температурой нижнего слоя воздуха независима от режима облачности, тогда как в нашей работе мы установили такую зави симость по эмпирическим данным и приняли ее во внимание в рас четах термического режима атмосферы. В результате этого мы получили большую величину изменения средней температуры у земной поверхности, обусловленного колебаниями солнечной по стоянной. При постоянном альбедо и изменении солнечной посто янной на 1% в нашем расчете температура воздуха у земной по верхности изменялась на 1,5°, тогда как в расчете Манабе и Везеролда она изменялась на 1,2°. Это различие указывает на более высокую чувствительность полуэмпирической модели к изменениям притока тепла по сравнению с моделью Манабе—Везеролда.
Важной особенностью модели Манабе по сравнению с полуэмпирическими моделями является ее гораздо более широкое фи зическое содержание, позволяющее исследовать изменения ряда элементов климата в трехмерной атмосфере.
Результаты, полученные в перечисленных выше исследованиях, значительно изменяют ранее существовавшие представления об од нозначности и высокой устойчивости современного климата. Как будет видно из следующих глав, без учета этих результатов не возможно объяснить главные закономерности изменений климата.
6 Зак. № 397
Глава 3
СОВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА
3.1. ПОТЕПЛЕНИЕ ДВАДЦАТОГО ВЕКА
Вековой ход температуры. Общие черты изменения климата, произошедшего в первой половине XX в., рассмотрены в первой главе этой книги. Как показывают исследования Е. С. Рубин штейн (1946, 1973), Е. С. Рубинштейн и Л. Г. Полозовой (1966),
Митчела (Mitchell, 1963 и др.), Лема (Lamb, 1966 и др.) и других авторов, это изменение климата было неоднородным в различных районах и в различные сезоны.
Так, в частности, из материалов работ Е. С. Рубинштейн и Л., Г. Полозовой видно, что средние аномалии месячной темпе ратуры воздуха в определенной точке существенно изменяются для последовательных месяцев, причем эти изменения часто имеют неупорядоченный характер. Связь между аномалиями температуры в различных пунктах довольно быстро убывает при увеличении расстояния между пунктами.
Можно думать, что сложная временная и пространственная структура аномалий температуры в известной мере определяется влиянием случайных по отношению к изменениям климата колеба ний атмосферной циркуляции. Значительное осреднение во вре мени аномалий температуры для определенных станций или огра ниченных районов не исключает полностью влияния этого фактора, который существенно затрудняет выяснение закономерностей изме нений климата.
Для изучения глобальных колебаний климатических условий большое значение имеет пространственное осреднение аномалий температуры воздуха. В основе такого подхода лежат следующие физические соображения.
Как видно из предыдущей главы, уходящее в мировое про странство длинноволновое излучение связано с температурой воз духа у земной поверхности линейной зависимостью. В связи с этим осреднение аномалий температуры равносильно осреднению ано малий уходящего излучения.
Аномалии уходящего излучения в ограниченных районах при их осреднении по площади обычно в значительной мере компен сируются и их влияние на глобальный климат оказывается огра ниченным. Большее влияние на климатические условия оказывают аномалии излучения для больших областей, в особенности ано
3.1. Потепление двадцатого века |
83 |
малии для земного шара в целом. Алгебраическая сумма этой ано малии с аномалией коротковолновой радиации, поглощенной в си стеме Земля—атмосфера, определяет знак изменения средней тем пературы воздуха для всей планеты.
Расчеты средних аномалий температуры воздуха для больших площадей были выполнены в работах Вилетта и Митчела (см. Mitchell, 1961, 1963 и др.) по данным наблюдений за температурой воздуха на многих метеорологических станциях, расположенных в различных географических областях.
Рис. 11. Вековой ход аномалий температуры воздуха (пятилетнее скользящее осреднение).
/ — аномалии средней за год температуры северного полушария, 2— ано
малии температуры широтной зоны 70—85° с. ш. для теплого полугодия, 3 — то же для холодного полугодия.
Для более точного определения средних аномалий нами были использованы не данные наблюдений отдельных станций, а карты
аномалий температуры воздуха. Такие |
карты, |
подготовленные |
в Главной геофизической обсерватории, |
освещают распределение |
|
средних месячных аномалий температуры для |
каждого месяца |
с 1881 по 1960 г. на северном полушарии, кроме экваториальной зоны, где данные наблюдений за первую часть этого периода недо статочны для построения карт аномалий.
На рис. 11 представлен вычисленный Л. П. Спириной по этим картам вековой ход аномалий температуры воздуха для внеэкваториальной зоны северного полушария и широтной зоны 70—85° с. ш. Все данные осреднены по пятилетним скользящим периодам.
6*
84 Глава 3. Современные изменения климата
Из этого рисунка следует, что во внеэкваториальных широтах северного полушария в конце XIX в. началось потепление, которое достигло первого слабо выраженного максимума в последние годы прошлого столетия. Затем последовало некоторое понижение тем пературы, которое сменилось ее быстрым повышением. Это повы шение особенно ускорилось для холодного периода года в конце 10-х и начале 20-х годов. Положительная аномалия температуры была максимальной в конце 30-х годов, в 40-х годах процесс по тепления сменился похолоданием, которое ускорилось в 60-х годах. К концу 60-х годов средняя температура для северного полушария достигла уровня температуры в конце 10-х годов. В соответствии с этим похолодание последних десятилетий компенсировало при близительно половину повышения температуры, произошедшего с конца XIX в.
Можно думать, что вековой ход температуры для внеэкваториальной зоны северного полушария качественно соответствует вековому ходу температуры воздуха у земной поверхности для земного шара в целом. Имеющиеся данные (более ограниченные по сравнению с материалами для внетропических широт северного полушария) показывают, что в экваториальной зоне и во внетро пических широтах южного полушария изменения средней темпе ратуры воздуха были слабее, чем во внетропической зоне север ного полушария. Однако характер этих изменений в большинстве районов, для которых имеются соответствующие данные, по-види мому, совпадал с изменениями в зоне, освещенной многочислен ными материалами наблюдений (Mitchell, 1963).
Из рис. 11 видно, что с повышением широты вековой ход тем пературы воздуха усиливался, причем температура воздуха для холодного периода года, в особенности в более высоких широтах, изменялась сильнее, чем температура для теплого периода. Отме тим, что общая картина изменений термического режима, пред ставленная на рис. 11, сходна с результатом, полученным в упомя нутых выше исследованиях Митчела.
Заслуживает внимания, что наряду с закономерными измене ниями температуры, относящимися к более длительным периодам времени, на рис. 11 видны многочисленные кратковременные ко лебания температуры, которые в значительной мере отражают не исключенное полностью пространственным и временным осредне нием влияние изменчивости циркуляционных процессов.
Поскольку аномалии температуры различных сезонов в низких широтах различались сравнительно мало, средний меридиональный градиент температуры меньше изменялся в теплом сезоне и больше в холодное время года.
Вековой ход аномалий среднего меридионального градиента температуры представлен на рис. 12, где величины градиента вы ражены в градусах температуры на десять градусов широты (Будыко и Винников, 1973). Значения аномалий определены методом
3.1. Потепление двадцатого века |
85 |
наименьших квадратов по данным о средних широтных темпера турах для каждой пятиградусной зоны в интервале от 25 до 70° с. ш. и подвергнуты пятилетнему скользящему осреднению.
Из рисунка следует, что меридиональный градиент температуры уменьшался от 80-х годов XIX в. до 30-х годов XX в. В течение этого времени было два сравнительно коротких периода повыше ния меридионального градиента — в начальные годы XX в. и во второй половине 10-х годов XX в.
Рис. 12. Вековой ход аномалий меридионального градиента температуры воздуха в широтной зоне 25—70° с. ш.
а — средние годовые аномалии, б — средние аномалии за теплое полугодие, в — средние аномалии за холодное полугодие.
Начиная со второй половины 30-х годов меридиональный гра диент начал увеличиваться, причем его аномалии к концу 60-х го дов достигли значений, соответствующих аномалиям в конце прош лого и в начале настоящего века.
Вековой ход осадков. В эпоху потепления наряду с изменением температуры в ряде районов произошли заметные изменения коли чества выпадающих осадков.
На рис. 13 представлен вычисленный по данным А. С. Гри горьевой вековой ход сумм осадков, выпадающих за холодный пе риод года (с ноября по март) в степной и лесостепной зонах
СССР. Суммы осадков вычислены для скользящих пятилетних периодов по материалам наблюдений на 21 станции. Из сравнения рис. 11, 12 и 13 видно, что при повышении средней температуры
86 Глава 3. Современные изменения климата
воздуха и уменьшении меридиональных градиентов температуры имеется тенденция к уменьшению количества осадков, выпадаю щих в районах неустойчивого увлажнения.
В работах О. А. Дроздова и А. С. Григорьевой (1963 и др.) отмечается, что в эпоху наибольшего потепления (в 30-е годы) количество засух, охватывающих обширные области, в районах не достаточного увлажнения на территории нашей страны и в Север ной Америке было значительно увеличено по сравнению с преды дущим и последующим десятилетиями. Как известно, в эти годы из-за уменьшения количества осадков в бассейне Волги произошло резкое падение уровня Каспийского моря на величину около
170см.
Вработе А. В. Шнитникова (1969) и других исследованиях от мечено, что колебания уровня Каспийского моря во многом анало-
R m m
Рис. 13. Вековой ход сумм осадков за холодный период в степ ной и лесостепной зонах СССР.
гичны изменениям уровня ряда европейских озер и, следовательно, отражают крупномасштабные аномалии в режиме атмосферных осадков.
Можно думать, что вековой ход осадков в значительной мере объясняется изменениями меридионального градиента темпера туры, который оказывает влияние на характер атмосферной цир куляции.
При изменении меридионального градиента температуры ме няется интенсивность переноса водяного пара с океанов во внутриконтинентальные области. Уменьшение меридионального гради ента приводит к уменьшению потоков водяного пара, поступающих с океанов в глубь умеренных широт континентов, и уменьшению количества осадков в значительной части внутриконтинентальных районов. Обратное положение возникает при увеличении меридио нального градиента температуры.
Этот вывод хорошо подтверждается материалами наблюдений. Так, в частности, на рис. 14 представлена зависимость сумм осад ков за холодный период года на территории степной и лесостепной зон СССР от меридионального градиента температуры для сколь зящих пятилетних периодов с 1891 по 1960 г. Из этого рисунка
3.1. Потепление двадцатого века |
87 |
следует, что между указанными величинами имеется связь, харак теризуемая коэффициентом корреляции, равным 0,78. Как видно, сумма осадков на рассматриваемой территории в отдельные пяти летия изменялась почти на 50% ее среднего значения. Очевидно, что такие изменения осадков на обширной территории оказывают большое влияние на режим рек и на урожай сельскохозяйствен ных культур, который в областях недостаточного увлажнения суще ственно зависит от количества выпадающих осадков.
Влияние колебаний осадков на речной сток отчетливо прояв ляется в изменениях уровня Каспийского моря, тесно связанного
Рис. 14. Зависимость осадков за холодный период года в степной и лесостепной зонах СССР от ано малий меридионального градиента температуры
вширотной зоне 25—70° с. ш.
срежимом осадков в бассейне Волги. Резкое понижение уровня Каспийского моря в 30-х годах было следствием уменьшения коли чества осадков на большей части Европейской территории СССР.
Вэту эпоху ухудшились также агрометеорологические условия сельскохозяйственного производства на значительной части тер ритории Евразии и Северной Америки.
Представляет интерес сравнение изменений условий увлажне ния в умеренных широтах континентов северной части восточного и западного полушарий. Для изучения взаимной связи этих изме нений были использованы величины отклонений урожая пшеницы
вСША за отдельные пятилетние периоды (1910—1971 гг.) от сред них сглаженных в вековом ходе значений. Из этих данных можно сделать заключение, что за отдельные пятилетия урожай в це лом по США изменялся на величину до 16% по сравнению с нор мой. Эти изменения урожая в значительной мере объясняются ко лебаниями условий увлажнения, что следует, в частности, из
«8 Глава 3. Современные изменения климата
совпадения периода заметно пониженных урожаев с возросшей ча стотой засух в период потепления.
Так как аналогичными данными для больших территорий Евра зии мы не располагали, то для характеристики условий увлажне ния в этом случае были использованы материалы о колебаниях уровня Каспийского моря.
На рис. 15 представлено сопоставление аномалий урожая пше
ницы в США с относящимися |
к тем же периодам изменениям |
|||||||||||
У |
|
|
- |
|
|
уровня Каспийского моря ДЯ. Ме- |
||||||
|
|
|
|
|
жду указанными величинами об- |
|||||||
|
|
|
.• |
|
|
наружена довольно тесная связь, |
||||||
|
|
|
|
|
|
которая характеризуется коэффи |
||||||
■о\- |
|
|
' |
. |
• |
циентом |
корреляции, |
равным |
||||
|
|
0,74. Наличие этой связи подтвер |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
ждает, что рассмотренный выше |
||||||
|
|
|
|
|
|
механизм |
|
изменений |
осадков |
|||
|
|
|
|
|
|
оказывает |
одинаковое |
влияние |
||||
|
|
|
|
|
|
на режим увлажнения в зоне уме |
||||||
|
|
|
|
|
|
ренных широт различных конти |
||||||
-10 |
|
|
|
|
|
нентов. |
вывод |
подтверждается |
||||
|
|
|
|
|
|
Этот |
||||||
-15 |
|
|
|
|
|
также данными прямых наблюде |
||||||
' I I |
' ' I I |
' I I I |
I |
|
ний за режимом осадков в Се |
|||||||
■I |
|
верной Америке. В исследовании |
||||||||||
|
-100 |
-50 |
|
О |
50 Л Нем |
Ландсберга |
(Landsberg, |
1960) |
||||
Рис. 15. Связь изменений условий ув |
были сопоставлены |
температура |
||||||||||
лажнения в Восточной Европе (коле |
воздуха |
и |
суммы |
атмосферных |
||||||||
бания уровня Каспийского моря) с из |
осадков в США за два 25-летних |
|||||||||||
менениями условий увлажнения в Се |
периода: |
с |
1906 по |
1930 |
г. и с |
|||||||
верной Америке (относительные вели |
||||||||||||
чины |
аномалий |
урожая |
пшеницы |
1931 по |
1955 г. Средняя |
годовая |
||||||
|
|
в США). |
|
температура |
воздуха у |
|
земной |
|||||
|
|
|
|
|
|
поверхности |
на |
рассматриваемой |
территории во втором из рассматриваемых периодов была выше, чем в первом на 0,5°.
Отметим, что сравнение количества осадков за эти периоды не является оптимальным для выяснения влияния меридиональных градиентов температуры на режим осадков, так как резкое изме нение меридионального градиента произошло не на границе ука занных периодов, а около 1920 г. Тем не менее из рис. 12 ясно, что средний меридиональный градиент температуры для второго из периодов, рассмотренных в работе Ландсберга, был меньше, чем для первого.
Как отмечает Ландсберг, годовые суммы осадков на большей части территории США во втором периоде были меньше, чем в пер вом, что согласуется со сделанным выше заключением.
Подробные исследования влияния изменений меридионального градиента температуры на режим осадков выполнили О. А. Дроз
3.1. |
Потепление двадцатого века |
89- |
дов и А. С. Григорьева (1963, |
1971). В их работах установлено,, |
что, хотя общая картина изменений количества выпадающих осад ков при потеплении или похолодании в высоких широтах довольно сложна, в районах недостаточного увлажнения умеренных широт преобладает тенденция к увеличению количества осадков при по нижении температуры в Арктике. Этот эффект О. А. Дроздов и А. С. Григорьева объяснили усилением переноса водяного пара в глубь материков при увеличении контраста температуры между низкими и высокими широтами.
Вопрос о механизме изменений атмосферной циркуляции, ко торый приводит к колебанию сумм осадков во внутриконтинентальных областях, требует специального исследования. Можно ду мать, что в соответствии с мнением ряда авторов при увеличении меридионального градиента температуры субтропический пояс вы сокого давления смещается в более низкие широты. Это увеличи вает количество водяного пара, переносимого с океанов в глубь континентальных областей умеренных широт.
Исследования, в которых изучались изменения интенсивности атмосферной циркуляции на основе метода типизации исследуемых процессов, дали разнородные и часто несогласующиеся результаты. Это, по-видимому, объясняется различиями в индексах интенсив ности циркуляции, использованных в разных работах, а также не совпадением районов, для которых были выполнены соответствую щие исследования.
Из общих соображений можно ожидать усиления интенсивности западного переноса и других форм циркуляции при увеличении контраста температуры между высокими и низкими широтами, по скольку этот контраст является одним из главных источников энер гии для крупномасштабных движений атмосферного воздуха.
Для выяснения изменений интенсивности циркуляции в эпоху потепления XX в., по-видимому, необходимо либо применение мето дов общей теории климата, либо использование однородного ме тода эмпирического анализа, который должен быть применен к изу чению режима циркуляции на планете в целом или же хотя бы на одном из полушарий.
Полярные льды. Как показывают данные наблюдений, положе ние морских полярных льдов оказывает большое влияние на тер мический режим атмосферы. Над свободной от льда поверхностьюокеана в высоких широтах температура воздуха в холодное время года обычно опускается только на несколько градусов ниже нуля, так как в таких условиях океан отдает воздуху много тепла. В тех же условиях при наличии ледяного покрова, который значительно уменьшает поток тепла от океана в атмосферу, температура ниж него слоя воздуха может опускаться на десятки градусов ниже нуля.
В связи с этим изменение средней границы морских полярных льдов значительно изменяет температуру воздуха в соответствую