Изменения температуры воздуха в Баренцбурге (Шпицберген) в XX-XXI вв. Обоснование введения новой климатической нормы

В настоящее время в многочисленных публикациях, посвященных исследованию прошлого и современного климата Шпицбергена, выполнен анализ данных, накопленных за весь период регулярных инструментальных наблюдений на всех метеорологических станциях (МС) архипелага. На основе этих исследований создаются композитные ряды данных, в разной степени сочетающие расчеты, выполненные по данным прямых метеорологических измерений на МС, расчеты по данным измерений на ближайших МС, расчеты по измерениям, выполненным отдельными экспедициями, и данные реанализов. Более чем столетние композитные ряды позволяют исследовать изменения климатических параметров на различных временных масштабах. Основное внимание уделяется сезонным оценкам приземной температуры воздуха (ПТВ), при этом в качестве сезонов приняты именно календарные сезоны, что дает возможность сопоставления сезонных изменений климата на разных территориях архипелага.

Настоящее исследование опирается на 110-летние композитные ряды среднемесячных значений ПТВ, которые более чем на 75% рассчитаны по данным инструментальных измерений, выполненных в гидрометеорологической обсерватории (ГМО) «Баренцбург» [1].

Цель настоящего исследования – выявление внутренней структуры многолетних изменений ПТВ в Баренцбурге (оценка климатических режимов, характеризующих периоды устойчивого потепления/похолодания), а также определение временного интервала, наиболее объективно отражающего современное состояние климата Шпицбергена, который предлагается рассматривать в качестве современной климатической нормы для данного региона.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе использованы данные Всероссийского научноисследовательского института гидрометеорологической информации – Мирового центра данных (ВНИИГМИ–МЦД, г. Обнинск, , Норвежского Метеорологического института (Осло, и Арктического и антарктического научно-исследовательского института (г. Санкт-Петербург, .

Самая продолжительная серия регулярных инструментальных метеорологических наблюдений на Шпицбергене имеется для российского шахтерского поселка Баренцбург. Она получена в гидрометеорологической обсерватории (ГМО) «Баренцбург», начиная с сентября с 1932 г. с пропуском в период II Мировой войны (08.1941-11.1947 гг.). Переносы метеорологической площадки в 1978 и 1984 гг. происходили в пределах поселка и не сказались на однородности рядов [1].

Ряды ПТВ в Баренцбурге были экстраполированы до декабря 1911 г. на основе измерений, выполненных в 1911-1929 гг. на мысе Финнесет в заливе Грен-фьорд – примерно в 1,5 км южнее ГМО (в пределах прямой видимости). Обоснованность применения такого подхода подробно обсуждалось в предыдущих работах авторов [1, 2], в которых подтверждено высокое качество реконструкции среднемесячных значений ПТВ на ГМО «Баренцбург» по данным МС «Green Harbor».

Целесообразность этой процедуры вызвана тем, что данная норвежская метеорологическая станция (МС), имевшая название «Грин-Харбор» или «Шпицберген-Радио», является фактически единственной МС на Шпицбергене, зарегистрировавшей «первое» потепление Арктики в первой половине ХХ в. [3,4]. Объединение российских и норвежских рядов позволяет наиболее корректно сравнить особенности «современного» и «первого» потеплений.

Для создания непрерывного ряда отсутствующие в отдельные годы значения ПТВ в Баренцбурге были рассчитаны по данным ближайших норвежских МС («Isfjord Radio» и «Longyearbyen – Svalbard Airport»), расположенных, соответственно, в 14 и 37 км от Баренцбурга. При полном отсутствии данных инструментальных наблюдений на архипелаге (08.1941–08.1947) привлекались данные реанализа NOAA-CIRES Twentieth-Century Reanalysis (20CRv3) [2], которые доступны с 1836 г. Отмечается высокая (значимая) корреляция среднесезонных (календарных) ПТВ в Баренцбурге (использованы только прямые измерения с 1932 г.) с аналогичными температурами, полученными по данным реанализа [2]. Использованный реанализ правдоподобно воспроизводит и основные климатические тенденции в регионе, обнаруживаемые в период инструментальных измерений, по сравнению с некоторыми другими видами реанализа ERA20C и CERA20C [2]. Это очень важно, поскольку реанализ 20CRv3 начинается с 1836 г., а, значит, можно существенно удлинить ряды ПТВ в Баренцбурге.

Доля среднемесячных значений ПТВ, рассчитанных по данным инструментальных измерений, в этом композитном ряду превышает 75%, что является максимально возможным числом для любой другой реконструкции подобных рядов на Шпицбергене. Для сравнения: на МС «Svalbard Airport», которая считается базовой для изучения изменений климата на Шпицбергене, оригинальные данные имеются только с августа 1975 г. Все остальные – расчетные, в т.ч. с использованием измерений в Баренцбурге [5]. Так как замена оригинальных значений расчетными всегда сопровождается определенными ошибками, ряды, полученные ГМО «Баренцбург», имеют очевидное преимущество.

По среднемесячным значениям ПТВ рассчитаны осред-ненные оценки для календарных сезонов и года в целом. Зимний сезон включает декабрь предыдущего года. Среднегодовые значения относятся к календарному году, т.е. к интервалу времени с января по декабрь рассматриваемого года.

Для выявления долговременных тенденций изменения ПТВ, временные ряды сезонных и среднегодовых значений сглажены с помощью фильтров Гаусса и скользящего среднего, характеристики которых подробно описаны в работе [6].

Выявление климатических режимов (временных интервалов устойчивого потепления/похолодания) осуществлялось по статистически значимому изменению средней температуры воздуха по отношению к предшествующему периоду по методике, предложенной в работе [7].

Количественный анализ многолетних изменений ПТВ осуществлен путём расчета линейных трендов. В качестве числовых характеристик линейного тренда принималась его величина (угол наклона «а» , град/год), коэффициент детерминации, выражающий в % долю дисперсии исходного ряда, описываемую полученным трендом, и уровень статистической значимости выявленного тренда [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Структура многолетних изменений ПТВ (периоды потепления/похолодания)

За исследуемый период в изменениях значений ПТВ (средних для календарных сезонов и среднегодовых) про- слеживается несколько периодов потепления и похолода-

Рисунок 1 – Аномалии сезонных значений ПТВ (относительно средних значений за 1912-2020 гг.), сглаженные фильтром Гаусса по 11-точкам.

1910-е годы были аномально холодными во всех сезонах (за исключением лета) и в среднем за год. В 1920-х годах наступает некоторое потепление, особенно заметное в летние сезоны и достигающее максимума в 1930-х годах («первое» потепление). После двух десятилетий относительной стабильности во всех сезонах и в среднем за год наступает похолодание 1960-х годов, а в конце XX века – «современное» потепление. Периоды потепления и похолодания наиболее ярко проявляются в зимние календарные сезоны.

Границы периодов потепления/похолодания (рис. 2) установлены по статистически значимому (для р = 0,10) смещению среднего значения ПТВ по отношению к предшествующему периоду [7]. Минимальная длина такого периода – 10 лет, на краях ряда – 5 лет.

Рисунок 2 – Среднесезонные и среднегодовые значения ПТВ в Баренцбурге (1); средние значения ПТВ для периодов похолодания/потепления (2).

За период 1912-2020 гг. в климате Баренцбурга по среднегодовым значениям ПТВ отмечается восемь различных режимов (рис. 2). Первый, и самый холодный режим завершается в конце 1910-х годов, затем следует теплый режим 1920-х годов, и еще более теплый – режим 1930-х годов. В начале 1940-х годов среднегодовые температуры несколько снижаются и этот, относительно теплый, режим сохраняется вплоть до конца 1990-х годов, за исключением «холодного десятилетия» (1960-е годы). С конца 1990-х годов наблюдается, так называемое, «современное» потепление, которое усиливается в начале 2010-х годов. Последний период – с начала 2010-х годов – самый теплый за весь исследуемый период.

По средним сезонным значениям ПТВ для календарных лета, осени и зимы выделяются шесть режимов, для весны – четыре. Для всех сезонов самый холодный режим приходится на начало XX века, а самые теплый режим – на последние годы XX - начало XXI века. Во всех сезонах, за исключением весеннего сезона, для которого каждый последующий режим теплее предыдущего, в 1960-е годы отмечается похолодание.

Временные интервалы климатических режимов, выделенных по средним сезонным и среднегодовым значениям ПТВ, согласуются между собой. Для всех сезонов и года в целом самый холодный режим приходится на 1910-е годы. С 1920-х годов начинается потепление и этот относительно теплый режим сохраняется практически до конца XX века (для осени – до 2010-х годов), за исключением похолодания в 1960-е годы, когда средние сезонные (за исключением весны) и среднегодовые температуры существенно понизились.

Самый теплый период «первого» потепления (1930-е годы) не выделяется в отдельный режим ни в одном из сезонов года. Однако по совокупности оно (потепление) хорошо заметно в целом за год. Самым теплым режимом за весь исследуемый период является режим «современного» потепления (рис. 1, 2 и табл. 1).

Если рассматривать стандартные 30-летние «нормальные» периоды, исторически используемые в климатологии, то период 1931-1960 гг., частично включающий «первое»

Таблица 1

Среднесезонные и среднегодовые значения ПТВ (°C) для некоторых климатических режимов, установленных по тестам Родионова.

Климатические режимы (условное название) XII – II III – V VI – VIII IX –XI I – XII Холодные 1910-е -20,8 -14,8 2,9 -7,7 -9,9 «Первое» потепление 1930-е -10,6 -9,5 4,1 -3,2 -4,2 Холодные 1960-е -14,9 -9,5 3,3 -5,8 -7,1 Самый теплый режим 2010-е -7,9 -6,8 5,6 -1,3 -2,5 потепление Арктики, в Баренцбурге был относительно теплым (среднегодовая ПТВ равнялась -4,8°С).

Следующий период 1961-1990 гг. (официальная норма Всемирной Метеорологической организации –ВМО), включающий холодные 1960-е, был относительно холодным (среднегодовая ПТВ равна -6,1°С), последний период 1991-2020 гг., включающий «современное» потепление, оказался самым теплым (среднегодовая ПТВ равна -3,8°С).

О «современном» потеплении

Начало «современного» потепления, установленное по тестам Родионова (рис. 2), можно отнести для зимы и весны – к середине 2000-х годов, для лета несколько ранее – ко второй половине 1990-х, для осени позднее – к началу 2010-х годов, для года в целом – к концу 1990-х годов.

В ежегодных «Докладах об особенностях климата на территории РФ» в качестве условного начала «современного» потепления берется 1976 г. Это обусловлено тем обстоятельством, что во временных рядах среднегодовых аномалий ПТВ, осредненных для территории России, как и для глобальных временных рядов, период с 1976 года характеризуется наиболее интенсивным потеплением [8].

По сглаженным среднегодовым значениям ПТВ интенсивное и стабильное потепление в Баренцбурге начинается несколько позже 1976 г. (рис. 3). Фильтр Гаусса по сравнению со сглаживанием исходного ряда скользящим средним более чувствителен к заметным аномалиям ПТВ, но в целом по обеим сглаженным кривым можно заключить, что «современное» потепление в Баренцбурге началось в середине 1980-х годов.

Рисунок 3 – Аномалии среднегодовых значений ПТВ, рассчитанные относительно среднего значения за весь период 1912-2020 гг. (красные точки);

аномалии, рассчитанные с помощью фильтра 11-летнего скользящего среднего (черная кривая); аномалии сглаженные фильтром Гаусса по 11 точкам (синяя кривая).

В структуре многолетней изменчивости среднесезонных и среднегодовой ПТВ в Баренцбурге чередуются периоды потепления и похолодания, но при этом общая тенденция изменения среднесезонных и среднегодовой ПТВ за весь исследуемый период 1912-2020 гг. остается положительной (табл. 2).

Таблица 2

Характеристики линейных трендов ПТВ для календарных сезонов и года, рассчитанных по исходным данным: а – линейный коэффициент (°C/год); R² – коэфициент детерминации;

все тренды статистически значимы на уровне P < 0,01.

Сезоны и год	1912-2020		1976-2020		1986-2020
	a	R2	a	R2	a	R2
Зима XII-II	0,052	0,163	0,173	0,402	0,222	0,409
Весна III-V	0,052	0,341	0,092	0,301	0,089	0,237
Лето VI-VIII	0,013	0,267	0,040	0,514	0,041	0,401
Осень IX-XI	0,029	0,177	0,082	0,322	0,131	0,463
Год I-XII	0,036	0,309	0,096	0,581	0,121	0,630

Численные значения характеристик сезонных и годового трендов для периода «современного» потепления, с условным началом в 1976 г., в 2-3 раза превышают соответствующие оценки для всего исследуемого периода. Для периода 19862020 гг. коэффициенты линейных трендов для весны и лета близки к соответствующим характеристикам, рассчитанным для периода 1976-2020 гг.; но для осени, зимы и года в целом превышают соответствующие характеристики периода 1976-2020 гг. Коэффициенты линейных трендов для периода «современного» потепления с началом в 1986 г. более точно отражающим начало стабильного потепления в Баренцбурге, в 2-4 раза превышают соответствующие характеристики для всего исследуемого периода. Следует отметить высокую статистическую значимость ( P < 0,01 ) линейных трендов для всех трех рассматриваемых периодов.

ОБСУЖДЕНИЕ

Сопоставление внутренней структуры многолетних изменений ПТВ и времени начала «современного» потепления с результатами предшествующих исследований

Оценка внутренней структуры многолетних изменений температуры в Баренцбурге в основном совпадает с известной оценкой для Svalbard-airport, приведенной в работе [9]. Сдвиги режимов композитных рядов Баренцбурга и Svalbard-airport, обнаруженные с помощью теста Родионова, согласуются между собой. А именно, самый холодный режим отмечается в 1910-е годы, самый теплый – режим последних десятилетий. Так как композитный ряд для Svalbard-airport начинается (1898 г.) и заканчивается (2012 г.) ранее, чем аналогичный ряд для Баренцбурга, то в ряде для Svalbard-airport выделяется условно «теплый» режим (1900-е годы), а в ряде для Баренцбурга самые «теплые» 2010-е годы.

В нашем исследовании принят более низкий уровень значимости (р = 0,10) для определения существенности различий двух последующих режимов, чем в работе [9] (p = 0,05), поэтому картина климатических режимов для Баренцбурга более детализирована, чем для Svalbard-airport [9]. Период 1920-1960 гг. для Svalbard-airport характеризуется как один теплый режим, в то время как для Баренцбурга в этом периоде выделяются три климатических режима, и в том числе самый теплый период в режиме «первого» потепления – 1930-е годы. Холодные 1960-е годы в Баренцбурге отмечаются во все сезоны (кроме весны) и в среднем за год, в Svalbard-airport – только для среднегодовых значений ПТВ. В работе [9] при проверке данных о ПТВ по тесту Родионова отмечается подобная близость получаемых результатов при разных значениях уровня значимости р (0,10; 0,05; 0,01). В частности, для зимнего сезона при сопоставлении результатов тестирования с р = 0,10 и р = 0,05 отмечалось единственное отличие: при р = 0,10 холодные 1960-е годы выделились как отдельный режим, а при р = 0,05 мягкий режим 1930-1950-х годов сразу перешел в один холодный режим, продолжающийся 44 года. В работе [10]в исходных данных ПТВ (Svalbard-airport) с помощью специальных процедур уменьшены посторонние влияния, и при проверке по тесту Родионова с теми же установками (минимальная длина периода 10 лет, р = 0,05) количество режимов сократилось до четырех. За весь исследуемый период холодные и теплые режимы в Svalbard-airport чередовались: 1899–1929 гг. были холодными, 1930–1961 гг. теплыми, 1962–1998 гг. холодными и 1999–2018 гг. были теплыми. Для среднегодовых значений ПТВ последний холодный режим был на 1,0°C теплее первого холодного, а последний теплый режим был на 1,7°C теплее предыдущего теплого.

В нашем исследовании по сравнению с работами [9, 10], как уже отмечалось выше, принят более низкий уровень значимости, и в результате смена режимов в Баренцбурге более детализирована. Для среднегодовых значений ПТВ холодный режим 1960-х был на 2,8°C теплее холодного режима 1910-х годов, а теплый режим 2010-х годов был на 1,7°C теплее первого теплого режима 1930-х годов. Начало «современного» потепления в Баренцбурге и Svalbard-airport [9, 10] для зимнего и весеннего сезонов (середина 2000-х) и года в целом (конец 1990-х годов) совпадает. «Современное» потепление в Баренцбурге для летнего сезона (вторая половина 1990-х) начинается несколько раньше, чем в Svalbard-airport (2001 г.), а для осеннего сезона (начало 2010-х) – значительно позже, чем в Svalbard-airport (1996 г.).

Сопоставление оценок скоростей «современного» потепления с предшествующими данными

Скорости «современного» потепления (с условным началом в 1976 г.) в Баренцбурге хорошо согласуются со статистически значимыми трендами, полученными для других станций архипелага для периодов 1975-2011, 1979-2015 гг. [11,12].

Среднее многолетнее значение ПТВ в Баренцбурге составляет -5,4°С, и целесообразно сопоставить скорости потепления на Шпицбергене с соответствующими характеристиками для территории Российской Федерации (РФ), которая по климатическим условиям является самой холодной страной в мире. Средняя годовая ПТВ в РФ составляет -4,1°С [13]. Скорости роста сезонных значений ПТВ в Баренцбурге выше аналогичных значений для РФ в целом: для зимы более чем в 3 раза, для весны и осени в 1,5 раза (табл. 3). Летом сезонные скорости роста ПТВ в Баренцбурге близки к скоростям летнего потепления для РФ в целом.

Рост среднегодовой ПТВ в Баренцбурге за период 19762020 гг. в два раза больше скорости роста среднегодовой температуры на территории РФ и в пять раз больше скорости роста глобальной температуры, которая составляет 0,18 °С/10 лет [8].

Таблица 3

Скорости изменения среднесезонных и среднегодовых значений ПТВ (°C/10 лет) за период 1976-2020 гг.

Регион	Период
	XII-II	III-V	VI-VIII	IX-XI	год
Баренцбург	1,73	0,92	0,40	0,82	0,96
Россия	0,48	0,66	0,39	0,50	0,51

Примечание: все линейные тренды статистически значимы на уровне р < 0,01 (данные по России [8]).

30-летние «нормы» и структура многолетних изменений ПТВ

В качестве стандартного периода ( «нормы») для оценивания климатических переменных, характеризующих текущий или современный климат, по рекомендации Всемирной Метеорологической Организации (ВМО) используется период в 30 лет. В настоящее время период 1961 – 1990 гг. продолжают использовать в качестве базового периода. Термин «норма» означает среднее значение переменной величины именно за указанный период, а отклонение этой величины от «нормы» называется «аномалией» [14]. Однако, в последнее время, в связи с наблюдаемыми изменениями климата, активно высказывается мнение о целесообразности приближения базового периода к текущему моменту [15, 16]. В настоящее время, по мере накопления новых данных, появилась возможность проводить структурирование временных рядов

ПТВ по формальным 30-летним периодам вплоть до 2020 г.

В работе [9] отмечается, что для композитного ряда Svalbard-airport первый «нормальный» период (1901-1930 гг.) был самым холодным (среднегодовая ПТВ равнялась -7,4°С), следующий (1931–1960 гг.) исключительно теплым (среднегодовая ПТВ равнялась -5,4°С), а последний (1961–1990 гг.) снова был холодным (среднегодовая ПТВ равнялась -6,7°С). Для Баренцбурга средние значения ПТВ для «нормальных» периодов 1931-1960 и 1961-1990 гг. выше аналогичных значений для Svalbard-airport на 0,6°С каждое.

В применении к конкретным регионам с различными климатическими условиями сложно ожидать, что 30летние «нормальные» периоды отражают объективную картину смены климатических режимов. В настоящем исследовании установлено, что за период 1912-2020 гг. в климате Баренцбурга по среднегодовым значениям ПТВ выделяются восемь различных режимов (при уровне значимости p = 0,10), что не укладывается в формальную картину тридцатилетних норм. В работе [10] для района Западного Шпицбергена (1899-2018 гг.) выделено четыре последовательных климатических режима. При использовании уровня значимости равного 0,05, это холодный режим 1899–1929 гг., теплый 1930–1961 гг., холодный 1962–1998 гг. и теплый 1999–2018 гг. Первые два климатических режима практически совпадают с тридцатилетними «нормальными» периодами (1901-1930 и 1931-1960 гг.), но последние два климатических режима значительно расходятся с «нормальными» периодами.

Так совпало, что первый «нормальный» период включает в себя самые холодные за всю историю наблюдений 1910-е годы и заметное похолодание конца 1920-х годов, поэтому первый «нормальный» период (1901-1930 гг.) был самым холодным. Второй «нормальный» период включает в себя «первое» потепление и последовавшие за ним относительно теплые годы, поэтому второй «нормальный» период (19311960 гг.) был значительно теплее. Таким образом, первые два формально назначенные «нормальные» периоды были в значительной степени однородны по процессам похолода-ния/потепления, что обусловило практическое совпадение с первыми двумя климатическими режимами, выделенными для района Западного Шпицбергена [10].

«Нормальный» период 1961-1990 гг. включает сильное похолодание 1960-х годов и начало «современного» потепления, «нормальный» период 1991-2020 гг. отражает устойчивую тенденцию к потеплению. Таким образом, из четырех формально назначенных 30-летних «нормальных» периодов (1901-1930, 1931-1960, 1961-1990, 1991-2020 гг.) только один (1961-1990 гг.) не отличается однородностью процессов потепления/похоло-дания. Последний «нормальный» период 1991-2020 гг. характеризует современную устойчивую тенденцию к потеплению для исследуемого региона и может рассматриваться, как новая климатическая «норма» отражающая современное состояние климата архипелаг Шпицберген.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате анализа многолетних изменений приземной температуры воздуха за период 1911-2020 гг. в Баренцбурге установлено:

• 1.    Для календарных лета, осени и зимы выделяются шесть климатических режимов, для весны – четыре, для года в целом – восемь режимов. Для всех календарных сезонов и года в целом самый холодный режим приходится на 1910-е годы,с 1920-х годов начинается потепление и этот относительно теплый режим сохраняется практически до конца XX века (для осени – до 2010-х годов), за исключением похолодания в 1960-е годы. Самым теплым режимом за весь исследуемый период является режим «современного» потепления.

• 2.    В структуре многолетних изменений ПТВ чередуются периоды потепления и похолодания, но при этом тенденции изменений среднесезонных и среднегодовых значений ПТВ за весь исследуемый период положительны. Коэффициенты линейных трендов среднесезонных и среднегодовых значений ПТВ для современного периода потепления (начало в 1986 г.) в 2-4 раза превышают соответствующие характеристики для всего исследуемого периода.

• 3.    Три 30-летних «нормальных» периода (1901-1930, 19311960 и 1991-2020 гг.) в значительной степени однородны по процессам потепления/похолодания, один период 1961-1990 гг. не отличается однородностью, и включает сильное похолодание 1960-х годов и начало «современного» потепления. Последний «нормальный» период 1991-2020 гг. содержит устойчивую тенденцию к потеплению и объективно отражает современную специфику климата исследуемого региона и может рассматриваться в качестве современной климатической нормы для Шпицбергена.