Periodicity of atmospheric droughts in Southern Siberia in the late XX - early XXI centuries

The period of modern warming began in the 70s of the XX century is characterized by an increase in the frequency of extreme natural phenomenas. The characteristics of droughts (repeatability, intensity, etc.) for individual years were calculated on the basis of the aridity index for the territory of Southern Siberia in the period from 1979 to 2017. Specialized computational algorithms were developed to calculate these characteristics. All developed algorithms are integrated into the previously created web-GIS "CLIMATE". It has been found that in recent years the duration of dry periods during the growing season has been increased. At the same time, the trends of the droughts index in the summer months are different, and on the average, there has been no significant change in the hydrothermal conditions over the past 40 years. However, in recent years, there is an increase in the frequency of extreme events, both droughts and periods of excessive moistening.

Период современного потепления, начавшегося в 70-е годы XX века [1, 2], характеризуется увеличением повторяемости экстремальных природных явлений. Большое количество работ посвящено оценке повторяемости, интенсивности, площади распространения засух [3-6]. Различают атмосферные, почвенные и атмосферно-почвенные засухи. Для их количественной оценки используют различные гидро-термические коэффициенты, которые в большинстве случаев представляют собой сочетание характеристик температуры воздуха и атмосферных осадков. Данная работа является продолжением цикла работ [7-9] по исследованию условий увлажнения на территории Южной Сибири (50-65°с.ш., 60-120°в.д.) за период наиболее интенсивного глобального потепления. Для оценки гидротермических условий в разных ландшафтных условиях используется индекс Д.А.Педя (S_i) [10], являющийся нормированным показателем соотношения температуры воздуха и суммы атмосферных осадков.

В течение года на рассматриваемой территории наблюдается широтное распределение средней месячной температуры. При этом в Восточной Сибири орографический фактор вносит свой вклад в некоторое нарушение этой закономерности. Распределения трендов средней месячной температуры меняется в течение теплого периода. В мае на большей части Сибири происходит повышение температуры со скоростью 0,3-0,7°С/10 лет. В июне и июле в Западной Сибири наблюдается понижение температуры, в Восточной Сибири – ее повышение. Максимальный контраст в распределении трендов в июле на юге территории. Коэффициенты изменяются от -0,65 °С/10 лет на юго-западе до 1,2 на юго-востоке. При этом тренды температуры на севере минимальны по модулю. В августе и сентябре на западе и юго-востоке наблюдается повышение средних месячных температур (0,4-0,8°С/10 лет), для остальной территории характерны статистически не значимые тенденции. В течение всех летних месяцев наблюдаются одни и те же закономерности в распределении по территории многолетних средних сумм осадков. Максимум (до 125 мм) фиксируется в горах (Алтай, Западный и Восточный Саян, Хамар-Дабан, Становое нагорье), минимум (менее 10 мм) – на юго-западе территории. При этом на всей территории наибольшее увлажнение наблюдается в июле, наименьшее в мае. Тенденции изменения сумм атмосферных осадков в течение теплого периода разнонаправлены. В большинстве случаев они отрицательны. Изменения гидротермических условий в пределах территории, согласно результатам анализа индекса S_i, характеризуются следующим образом. В мае на большей части территории увеличивается засушливость, лишь в горных районах Забайкалья наблюдается небольшое уменьшение S_i. В июне в центральных районах Западной Сибири растет увлажнение, в то время как юг Восточной Сибири становится более засушливым. В июле контрасты увеличиваются – тренды S_i на территории изменяются от -1,0 до +1,4 ед./10 лет. В августе и сентябре отмечается широтное распределение трендов – от положительных на юге к отрицательным на севере Сибири [9].

Для более детального анализа засух на территории Сибири в период с 1979 по 2017 гг. на основе индекса засушливости S_i были рассчитаны следующие характеристики:

• максимальные значения индекса,
• минимальные значения индекса,
• изменчивость индекса (разность между максимальными и минимальными значениями),
• повторяемость засух различной интенсивности за исследуемый период,
• продолжительность и начало сухого периода (когда S_i > 1)

Для расчета этих характеристик были разработаны вычислительные алгоритмы, которые позволяют рассчитывать максимальные и минимальные значения индекса, а также его изменчивость, для каждого месяца вегетационного сезона (май-сентябрь) за каждый год исследуемого периода. Также были разработаны дополнительные программные алгоритмы для расчета повторяемости засух различной интенсивности, продолжительности и начала засушливого периода. Повторяемость засух рассчитывается, исходя из классификации, представленной в таблице 1. В результате работы алгоритма вычисляется процент засушливых лет от общего исследуемого периода (39 лет) для каждого месяца с мая по сентябрь. Алгоритм для расчета продолжительности засухи определяет её как количество последовательных месяцев в вегетационном периоде, когда S_i > 1, также этот алгоритм позволяет вычислить начало засушливого периода. В результате работы алгоритма получаем номер месяца, когда началась засуха, и её длительность для каждого года исследуемого периода.

Таблица 1

Классификация засух на основе индекса засушливости Педя

Интенсивность засухи

Индекс Педя (S_i)

Слабая

1 ≤ S_i < 2

Умеренная

2 ≤ S_i < 3

Сильная

3 ≤ S_i < 4

Экстремальная

S_i ≥ 4

Все разработанные вычислительные алгоритмы интегрируются в ранее созданную веб-ГИС «КЛИМАТ» [11, 12] в качестве дополнительных модулей к основному вычислительному модулю по расчету индекса засушливости Педя, созданному ранее для системы [9]. Система «Климат», построенная на основе веб- и ГИС-технологий, является частью аппаратно-программного комплекса для «облачного» анализа климатических данных, включающего в себя различные наборы климатических и метеорологических данных, а также специальные интерактивные инструменты для их поиска, выборки, обработки и визуализации. Использование этой системы значительно облегчает и ускоряет работу с большими объёмами геопространственных климатических данных, позволяя пользователю, не являющемуся специалистом в информационных технологиях, удалённо выполнять их статистический анализ, используя любой современный настольный ПК, подключенный к сети Интернет.

В качестве основных результатов работы модулей и системы получены архивы рассчитанных характеристик, а также наборы картографических слоёв по данным реанализа ERA Interim Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts – ECMWF) [13] в узлах сетки с шагом 0,75×0,75° за период 1979-2017 гг., на основе которых проводился дальнейший анализ гидротермических условий на территории Сибири. Предварительно данные осадков реанализа были скорректированы по данным наблюдений согласно ранее предложенному подходу [8].

Согласно результатам анализа, максимальные значения индекса S_i (до 4,6), а значит и наиболее интенсивные засухи, наблюдаются в августе. Они локализуются на северо-востоке территории и на юге Западно-Сибирской равнины. Северо-запад территории характеризуется засухами с S_i < 3 во все месяцы. Минимальные значения S_i, достигающие ‑5, описывают состояние переувлажнения территории. При этом в большинстве случаев они составляют -4 … -3. Межгодовая изменчивость S_i в среднем не превышает 6-7.

Повторяемость засух слабой интенсивности в отдельные месяцы за период исследования достигает 38 %, умеренных – 23 %, сильных – 7 %, экстремальных – 2 %. При этом больше половины случаев наблюдения экстремальных событий приходится на период после 2000 г. Экстремальные засухи (S_i ≥ 4) наблюдались лишь в августе на небольшой территории (на северо-востоке Среднесибирского плато и в районе Алтая). Повторяемость сильных засух (3 ≤ S_i < 4) составляет не более 5-7 % и носит очаговый характер: в мае – территория, прилегающая к Братскому и Усть-Илимскому водохранилищам, Становое нагорье; в июне – Саяны, в июле – юг Западно-Сибирской равнины; в августе – предгорья Саян и северные районы Среднесибирского плато; в сентябре на большей части территории повторяемость сильных засух не более 1-2 %. Умеренные засухи (2 ≤ S_i < 3) наблюдаются во все месяцы вегетационного преиода, при этом их повторяемость на большей части территории составляет не более 10 %, минимум (4 %) – в мае. Повторяемость слабых засух (1 ≤ S_i < 2) максимальна в сентябре в Западной Сибири (20-35 %). В Восточной Сибири в этом месяце их наблюдалось в два раза меньше. С мая по август повторяемость слабых засух не превышает 10-20 % на всей территории исследования.

В отдельные годы непрерывная продолжительность засухи (при S_i > 1) на значительной части территории может достигать 3-5 месяцев. В Восточной Сибири такая ситуация наблюдалась в 1986, 2001, 2002,2007 гг. В Западной Сибири – в 1988, 1998, 2012 гг. После 2000 г. во всем регионе увеличилась повторяемость засух продолжительностью более 2 месяцев. В годы, когда продолжительность засухи не превышает 2-3 месяца, период с недостаточным увлажнением в большинстве случаев начинается в мае-июне.

Таким образом, в последние годы увеличивается продолжительность засушливых периодов в течение вегетационного сезона, наблюдается увеличение повторяемости экстремальных явлений, как засух, так и периодов переувлажнения. В то же время, тренды индекса S_i в летние месяцы разнонаправлены, и в среднем, значимого изменения гидротермических условий за последние 40 лет не произошло.

Литература

1. IPCC, 2013. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental. Panel on Climate Change.Stocker, T. F., D. Qin, G.-K.Plattner, M. Tignor, S. K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P. M. Midgley (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 1535 pp.
2. Второй оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. – М., 2014.
3. Золотокрылин А.Н., Виноградова В.В., Черенкова Е.А. 2007. Динамика засух в Европейской России в ситуации глобального потепления. // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем.  СПб., Гидрометеоиздат, т. 21, с. 160 – 181.
4. Черенкова Е.А., Золотокрылин А.Н. О сравнимости некоторых количественных показателей засухи // Фундаментальная и прикладная климатология, 2016, №2, С. 79-94.
5. Мещерская А.В., Блажевич В.Г., Голод М.П., Белянкина И.Г. Многолетние колебания индексов засушливости в теплый период года в основной сельскохозяйственной зоне СССР // Труды ГГО, вып. 505. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – С. 120-129.
6. Задорнова О. И. (2013). Сравнительная характеристика интенсивности засух на Европейской территории России // Труды ФГБУ «ВНИИСХМ». № 38. С. 346―357.
7. Voropay N N, Maksyutova E V and Riazanova A A. Hydrothermal conditions at the south of East Siberia during the ongoing warming / The open access volume of IOP Conference Series: Earth and Environmental Science – 2016. – Volume 48, Number 1.
8. Ryazanova A A, Voropay N N, Okladnikov I G and Gordov E P. Development of computational module of regional aridity for web-GIS “Climate” / The open access volume of IOP Conference Series: Earth and Environmental Science – 2016. – Volume 48, Number 1.
9. Ryazanova A A, Voropay N N Droughts and Excessive Moisture Events in Southern Siberia in the Late XXth - Early XXIst Centuries / The open access volume of IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (EES) – 2017. – Volume 96, Number 1.
10. Педь Д.А. О показателе засухи и избыточном увлажнении // Труды Гидрометцентра СССР, вып. 156. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975. – С.19-38.
11. Гордов Е.П., Окладников И.Г., Титов А.Г., Богомолов В.Ю., Шульгина Т.М., Генина Е.Ю. Геоинформационная веб-система для исследования региональных природно-климатических изменений и первые результаты ее использования // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, № 02. С. 137-143
12. Gordov E P, Shiklomanov A, Okladnikov I G, Prusevich A and Titov A G 2016 Development of Distributed Research Center for analysis of regional climatic and environmental changes IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 48
13. Dee D P et al. 2011 The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society Volume 137, Issue 656 Part A Pages 553–597