книги из ГПНТБ / Будыко, М. И. Изменения климата

80	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