Циркуляционные и климатические эпохи в XX столетии [1978 - - На суше и на море. Повести. Рассказы. Очерки. Статьи]

Ученые всего мира признают неустойчивость современного климата. Горячо обсуждается, чем вызваны его изменения и какова их направленность: к похолоданию или потеплению, к учащению или ослаблению резких погодных изменений. Одно за другим появляются сообщения о "капризах" и "сюрпризах" погоды. История климата свидетельствует, что подобные события наблюдались несколько десятилетий или столетие назад. Подчас они вообще не встречались за период инструментальных наблюдений и находят себе аналоги в летописных записях.

В подробном освещении этих явлений большую роль играют современные средства информации о погоде самых разных широт. Но есть и более веская причина возросшего внимания к проблемам погоды и климата. Неожиданности погоды затрагивают жизненные интересы миллионов людей, наносят колоссальный ущерб народному хозяйству. Малозаметные изменения атмосферной циркуляции, десятые доли градуса температуры воздуха означают на деле миллионы тонн зерна, миллиарды денежных единиц. Один из крупных советских климатологов - М. И. Будыко, касаясь этих особенностей климата, заметил, что существование человечества зависит от малых разностей климатических изменений.

Возьмем события последних лет. За рядом теплых, неустойчивых зим 40-х и 50-х годов все чаще нас посещают суровые зимы. Такой была зима 1971/72 г. на Европейской территории СССР. Зима 1975/76 г. оказалась не менее удивительной. Страницы газет пестрели заголовками сенсационного характера, например "Во льдах... Черного моря", "Арктика... на юге", "Ледокол на Черном море" и др. Пожалуй, на памяти наших современников не было другого случая, чтобы температура воздуха вблизи Сочи и Батуми держалась на уровне 8-10° С ниже нуля несколько дней подряд. Воды Черного моря у берегов Одессы, в Керченском проливе напоминали Ледовитый океан. В эти дни льдом сковало почти два десятка миль прибрежных вод. Громоздились торосы двух-трехметровой толщины.

Жестокая засуха на территории Восточной и Западной Европы отмечалась в 1972, 1975 и 1976 гг. Лето 1972 г. в Подмосковье было самым жарким за все 93 года наблюдений. До этого рекорд сохранялся за летом 1938 г. Необычайно жарко было и на Севере. В Мурманской области впервые за 91 год наблюдений температура в июле превы сила норму на 12,4°С. То же наблюдается и в южных районах. В Ростове-на-Дону первый раз за 80 лет температура в июне была выше нормы на 4,5°С.

Все это вызвало понижение уровня рек, многочисленные пожары, охватившие большие площади в лесной зоне.

В Западной Европе на протяжении столетия не знали такого засушливого лета, как в 1976 г. Высокая температура воздуха долго сохранялась на территории Англии, Франции, Бельгии, Западной Германии и других стран. Сильно понизился уровень Темзы, Сены, Рейна и других рек, горели леса. И в то же время на территории Европейской части СССР стояла дождливая погода. Для лета 1976 г. в северном полушарии вообще было характерно сохранение устойчивой локализации определенных погодных условий в большей части умеренных широт. Можно считать, что необычайным было лето не только в Западной и Восточной Европе, но и в других крупных областях земного шара. Напомним об опустошительной засухе в Сахеле (зона полупустынь и саванн к югу от Сахары). Она продолжалась не один год, а целых шесть лет подряд. Оказывается, эти районы составляют лишь часть территории, охваченной засушливой погодой. Эта зона протянулась через Ближний Восток, Южную Азию до Северного Китая. Но и последний район не избежал такой участи: в 1977 г. засуха охватила и эту часть Азии. Американский континент тоже не остался в стороне: пострадал от засухи ряд районов, особенно Средний Запад США (см. карту на с. 397).

Не менее тревожная ситуация складывается в последние десятилетия на Крайнем Севере. Значительное похолодание наблюдается в районе Карского моря и в северо-западной Гренландии. С каждым годом ухудшаются ледовые условия, кромка льда смещается к югу, замедлился дрейф льда в Северном Ледовитом океане. Площадь льдов за последние 25-30 лет увеличилась на 700-800 тыс. км , а размеры полярной шапки приблизились к тем, что отмечались в начале века.

Области положительных (1) и отрицательных (2) аномалий температуры воздуха, сохранявшихся в июне, июле и августе 1976 г.

Можно было бы продолжить перечень таких явлений, которые на первый взгляд носят случайный характер и, казалось бы, не связаны между собой. Но все они свидетельствуют как о крайней неустойчивости погоды последних десятилетий, так и о локальном

характере ее проявления в сложной глобальной метеорологической системе. Однако напомним, что резкие изменения погоды в отдельные годы еще не говорят об определенной тенденции к изменению климата. Климат - это совокупность погодных условий за длительный период в данной области земного шара. В отличие от погоды климат характеризуется устойчивостью. Обнаружить колебания климата можно, только сравнивая его характеристики за относительно большие отрезки времени.

Взаимосвязь погодных и климатических изменений обнаруживается далеко не сразу. Оценить такое событие XX в., как потепление Арктики, стало возможным, например, с позиций глобального климата лишь в 50-е годы. Каллендер, Виллет и Митчелл рассчитали средние годовые температуры воздуха и сравнили их значения за периоды 1890-1920 и 1920-1950 гг. Температура возросла в среднем для земного шара на 0,21°С. Различия оказались больше для зимнего сезона, чем для летнего. Мировой масштаб потепления не вызывал сомнений.

Схема 1. Многолетний ход средних годовых аномалий температуры воздуха в широтной зоне 87,5°- 72,5° с.ш

В связи с этим и потепление Арктики предстало не как локальное, а как наиболее яркое проявление глобального потепления. Позднее, вслед за весьма ощутимым потеплением в Арктическом бассейне, стали поступать сведения о направленных изменениях в развитии других процессов. Это касалось отступления ледников, удлинения вегетационного периода в среднем на две недели, увеличения сумм температур в высоких широтах и, как следствие, учащения лет с высокими урожаями в северных странах и пониженными в южных.

Ученые пришли к выводу, что человечество в первой половине XX столетия находилось в самых благоприятных климатических условиях за последнее тысячелетие. А данные последних десятилетий дают основание полагать, что мировой климат возвращается в свое более типичное, но менее благоприятное для людей состояние.

Обратимся к схеме 1. Здесь представлена многолетняя динамика средних годовых аномалий температуры воздуха 398 за период с 1880 по 1975 г., рассчитанных для широтной зоны 87,5-72,5° с.ш. Заметим, что подобные расчеты выполнены за все годы и месяцы 95-летнего периода наблюдений для 14 широтных зон, охватывающих площадь всего северного полушария. Их осуществили с помощью ЭВМ ученые крупнейших центров по изучению погоды и климата - Гидрометцентра СССР, Главной геофизической обсерватории и Государственного гидрологического института. Значение их чрезвычайно велико. Обобщенные таким путем данные позволяют констатировать, что в многолетнем изменении температуры воздуха - этой важной характеристики климата - четко выделяются два периода. Первый характеризуется достаточно равномерным, устойчивым повышением температуры, второй - ее понижением. Перелом в смене направления этих изменений наступил в 30-е годы текущего столетия. В 50-е и 60-е годы температура существенно понизилась по сравнению с периодом максимального потепления, но в то же время она еще не достигла своего исходного уровня, относящегося к концу XIX в. Характер изменений в природной среде все эти годы свидетельствовал о дальнейшем похолодании климата. Но такая тенденция была поколеблена неожиданно последовавшими начиная с 1970 г. годами с положительной аномалией температуры воздуха. Эти несколько точек на почти вековой кривой температуры воздуха оказались столь неожиданными, что вызвали горячий спор и широко дискутируются. И это понятно, если учесть, что изменения средних годовых температур воздуха на 1-2° вызывают ощутимые колебания баланса мировых запасов продовольствия.

С чем же связаны изменения погоды и климата и может ли сегодняшняя наука объяснить их? Климат Земли - это, образно говоря, результат работы гигантской тепловой машины. Основным источником тепла, обеспечивающим относительное постоянство климата нашей планеты, служит энергия Солнца. На каждый квадратный сантиметр верхней границы земной атмосферы от Солнца поступает 1,98 кал в мин. Эта величина называется солнечной постоянной. В день зимнего солнцестояния (22 декабря) в северном полушарии приток прямой солнечной радиации к поверхности Земли на экваторе составляет 0,164 кал/см2 в мин., а на Северном полюсе практически равен нулю (0,001 кал/см в мин.), в день летнего солнцестояния (21 июня) соответственно - 0,144 и 0,133 кал/см в мин. Экватор и два тропических пояса получают большую часть солнечной энергии и представляют собой источники тепла, а высокоширотные ледяные шапки в северном и южном полушариях, наоборот, стоки тепла. Эти контрасты и определяют междуширотный теплообмен. Как следует из приведенных выше цифр, температура в зоне источника тепла в течение года изменяется мало, а в зонах стока - очень резко от зимы к лету, и наоборот. Особенно интенсивная отдача энергии в областях стока происходит в период полярной ночи. Это приводит к сильному выхолаживанию полярной атмосферы, увеличению разности температур экватор - полюс и, как следствие, к наиболее заметной динамике процессов в этих широтах.

Если бы Земля была однородной и неподвижной, то разность температур экватор - полюс определяла бы самую простую модель циркуляции атмосферы: лишнее тепло от экватора переносилось бы воздушными потоками к полюсам наверху и от полюсов к экватору у поверхности земли. В атмосфере существовало бы одно кольцо циркуляции с меридиональным направлением переноса тепла. Но наша Земля, во-первых, вращается, а во-вторых, имеет океаны и материки, т.е. поверхности с разными свойствами аккумуляции и отдачи тепла. Именно это определяет возникновение разностей температур океан - континент. По мнению ученых, при существующей скорости вращения Земли роль разностей температур экватор - полюс и океан - континент оказывается равнозначной в механизме общей циркуляции атмосферы и формировании климатов.

Вращение Земли усложняет простую схему циркуляции, расчленяя ее у поверхности планеты на три циркуляционные зоны с преобладанием восточной циркуляции (пассатной) в тропиках, западной - в умеренных широтах и восточной - в высоких. Только по одной этой причине, как видно, продвижение воздуха к полюсам приобретает более сложные формы. Воздействие океанов и материков, выступающих попеременно в роли источников и стоков тепла в зависимости от сезона года, еще более усложняет процесс переноса тепла и влаги из теплых областей в холодные.

В умеренных широтах, где в нижней тропосфере преобладают западные ветры, теплообмен осуществляется гигантскими вихрями-циклонами (области пониженного давления) и антициклонами (области повышенного давления). Они возникают при сближении воздушных масс: теплых, двигающихся из южных широт, и холодных - из северных. Зо-ны столкновения контрастных потоков воздуха называются фронтами. Крупномасштабные атмосферные вихри-циклоны могут достигать в диаметре 2-3 тыс. км, а скорость перемещения - до 30-50 км/час. Умеренные широты с их гигантскими вихрями представляют как бы арену непрерывной борьбы двух сил - холодных масс, рожденных в полярных районах, и теплых - в тропических широтах. Это взаимодействие выражается в крайней неустойчивости географического положения фронтов.

При такой схематизации крупномасштабных атмосферных процессов выделяются два их типа: зональный и меридиональный. Первый характеризуется разобщением полярных (холодных) и тропических (теплых) областей зоной переноса воздуха с запада на восток и более широтным положением фронтальных разделов. В этом же направлении перемещаются циклоны и антициклоны. Равноправен и другой тип циркуляции - меридиональный. Он характеризуется сильной деформацией западного переноса в умеренных широтах, расположением фронтальных зон в более меридиональном направлении, перемещением барических образований по траекториям, близким к направлению меридиана. Такой характер переноса способствует более глубокому, чем при зональном типе, проникновению теплых масс воздуха в высокие .широты и холодных - в низкие.

Сам характер крупномасштабного переноса тепла показывает, что и необычные погодные условия, и резкая их смена, как и вся история климата, неразрывно связаны с развитием общей циркуляции атмосферы. Однако к такой оценке роли атмосферной циркуляции пришли много позднее, а вначале стояла задача найти методы характеристики и систематизации циркуляционных процессов в северном полушарии.

Большому научному открытию в этом отношении положили начало исследования первой дрейфующей станции "Северный полюс" в 1937 г. С тех пор прошел не один десяток лет. За первой станцией "СП" последовало немало аналогичных дрейфующих станций. Несмотря на совершенствование методов исследований, они до сих пор остаются незаменимыми лабораториями изучения условий суровой Арк-Дрейф "СП-1" обеспечивался регулярно прогнозами погоды, которые приходилось составлять по данным довольно редкой сети метеорологических станций. Наблюдения этой первой дрейфующей станции совпали с временем максимального потепления Арктики, и науке были предоставлены сведения о погоде из самых глубин Полярного бассейна. Новые материалы позволили коренным образом изменить существовавшие до того времени представления о циркуляции атмосферы в этом бассейне как постоянной области повышенного давления - Полярного антициклона. Был развеян миф о недосягаемости циклонами Северного полюса. 400 Проф. Б.Л.Дзердзеевский сформулировал новую концепцию о циркуляции атмосферы в Арктическом бассейне, уловив в колебаниях погоды в этой области Земли "пульс" глобальной циркуляции. Появились и принципы нового подхода к типизации макромасштабных процессов, которая позднее получила мировое признание как один из методов создания истории общей циркуляции атмосферы северного полушария и изучения изменений климата.

Продолжительность действия зональных (1) и меридиональных (2) типов циркуляции; области с положительными (3) и отрицательными (4) аномалиями температуры воздуха в северном полушарии (в 1932 и 1969 г.)

Просматривая мировые карты погоды день ото дня, нельзя не поразиться многообразию циркуляционных ситуаций. Но в действительности они ограничены конечным числом типовых процессов. Это объясняется, во-первых, постоянством притока тепла от Солнца, определяющего энергетику процессов в земной атмосфере, во-вторых, устойчивым положением материков и океанов, как источников и стоков тепла, заметно отличающихся по сезонам. Оба этих условия и дают возможность обобщать циркуляционные ситуации. Каждый из типовых процессов можно рассматривать как "элементарный" циркуляционный механизм, обеспечивающий определенное направление воздушных переносов над северным полушарием в течение нескольких дней. В конечном счете эти процессы определяют характер атмосферной циркуляции в течение более длительных периодов: сезонов, десятилетий и даже столетий.

В качестве основного признака элементарных циркуляционных механизмов брали количество и направление вторжений масс арктического воздуха из Полярного бассейна в умеренные широты. Практически это означает определение меры нарушения зонального западного переноса в этой широтной зоне. Почти каждый такой механизм (ЭЦМ) при сохранении принципиальной схемы основных переносов имеет разновидности. Они выражаются в незначительном сдвиге направления вторжений из-за изменения интенсивности материковых и океанических областей высокого давления. Общее число всех ра зновидностей - 41.

Массы арктического воздуха могут вторгаться по одному из следующих направлений: на Атлантику, Европу, Сибирь, Тихий океан, Америку. При одновременном вторжении полярного воздуха по двум направлениям возникают следующие варианты: на Америку и Европу, на Америку и Восточную Сибирь, на два океана - Атлантический и Тихий. В случае трех и четырех вторжении основными остаются направления на континенты в комбинации с прорывами арктического воздуха на один из океанов. Наряду с этими ситуациями встречаются и такие, когда Полярный бассейн вследствие развития интенсивной циклонической деятельности в умеренных широтах окружен кольцом низкого давления. В этом случае распространение холодных масс воздуха из Арктики ограниченно. И наоборот, когда этот район открыт для сквозного проникновения циклонов со стороны Атлантического и Тихого океанов, область повышенного давления здесь ослабляется, и траектории циклонов почти меридионального направления пересекают район полюса.

Сборнокинем этическая карта ЭЦМ 2а

Элементарные типы процессов были установлены вначале по наземным данным за 8-летний период (1933-1940 гг.). В последующие годы объем получаемых материалов существенно расширился, особенно обогатился он данными радиозондирования и искусственных спутников Земли. Это позволило доказать соответствие наземным схемам ЭЦМ определенного характера высотных барических полей, распределения облачного покрова и тем самым обосновать надежность описанной выше типизации. Более того, оказалось, что зональный западный перенос в равной степени нарушается прорывами южных циклонов, которые часто наблюдаются одновременно с полярными вторжениями. Поэтому теперь наряду с числом и направлением арктических вторжений при выделении ЭЦМ учитывается и количество вхождений южных циклонов. Итак, два равноправных признака, каждый из которых в большой мере связан с циркуляцией полярных или тропических широт, логически объединились, завершая характеристику целостного механизма циркуляции, действующего в атмосфере северного полушария.

Сборнокинематическая карта ЭЦМ 12бз

Начиная с 1970 г. синоптические бюллетени публикуются на новой картографической основе, что позволяет отразить атмосферные процессы тропических и внетропических широт, т.е. систему воздушных переносов при действии ЭЦМ над всем северным полушарием.

В качестве примера на с. 402 и 403 приведены сборнокинематические карты ЭЦМ 2а и 12бз, отражающие конкретные ситуации за два периода: 18-22 июня 1971 г. и 2-6 января 1970 г. Это наиболее контрастные циркуляционные ситуации. В первом случае полярная область повышенного давления изолирована от субтропической широкой полосой западного переноса. Во втором - вторжение холодного воздуха из Полярного бассейна осуществляется по трем направлениям: на континенты Азии и Америки с одновременным прорывом в Атлантический океан. В этих географических районах происходит соединение субтропической и полярной областей высокого давления, блокирующих западный перенос. Хорошо видно также, что одновременно с арктическими вторжениями происходят выходы южных циклонов. При действии ЭЦМ 2а и 12бз соотношение площадей в высоких и умеренных широтах, над которыми господствуют воздушные переносы в зональном и меридиональном направлении, резко различны. Очевидно, по этому признаку ЭЦМ 2а может расцениваться как механизм зонального, а 12бз - меридионального характера.

Схема 2. Многолетний ход зональной (сплошная линия) и меридиональной (пунктирная линия) форм циркуляции в северном полушарии (ежегодные и десятилетние скользящие величины отклонений от годовых средних)

Таким образом, действующий в каждый момент ЭЦМ, отражая меру нарушения зонального переноса в умеренных широтах, может быть представлен в системе более крупных классификационных единиц, характеризующих главные черты циркуляции в северном полушарии, - зональный и меридиональный тип. По этому признаку вся совокупность ЭЦМ сводится к двум большим группам циркуляции. Первая включает ЭЦМ с отсутствием вторжений или их осуществлением по одному направлению и характеризуется преобладанием зонального переноса в умеренных и высоких широтах. Вторая группа объединяет ЭЦМ, при действии которых над большей частью указанных широт господствует меридиональный перенос.

В архиве синоптических карт сейчас насчитывается до 29 тыс. Они отражают непрерывное развитие атмосферной циркуляции с 1899 г. В многолетнем чередовании зональной и меридиональ - 404 ной групп циркуляции профессором Б.Л. Дзердзеевским были обнаружены периоды в несколько десятков лет, характеризующиеся преобладанием в северном полушарии одного из этих типов. Такие периоды были названы циркуляционными и климатическими эпохами и четко видны при сопоставлении суммарной за год продолжительности действия указанных групп циркуляции с 1899 по 1974 г. (схема 2).

Продолжительность их действия существенно изменяется из года в год. Однако в результате операции сглаживания по скользящим десятилетиям каждая из форм проявляет большую устойчивость на определенных отрезках времени. Хорошо видно, что смена знака отклонений величин этих показателей от их средней многолетней произошла в 1916-1917 и 1952-1953 гг. Первый период назван в соответствии с преобладающим характером переноса меридиональной эпохой, второй - зональной, а текущий период - меридиональной.

Циркуляционные и климатические эпохи имеют ряд различий. Так, оси полярных вторжений у поверхности Земли в эпоху зональной циркуляции расположены восточнее, чем в меридиональную эпоху. В годы меридиональной эпохи в Полярном бассейне и на материках формируются более обширные и устойчивые области повышенного давления. Смена ЭЦМ, а следовательно, и погоды в зональную эпоху происходит реже и менее резко. В целом зональная эпоха ровнее и теплее меридиональной.

Связь изменений соотношения продолжительности действия зональной и меридиональной циркуляции и температуры воздуха в северном полушарии наглядно проявляется при сравнении карт на с. 400, 401. Здесь показано распределение отклонений температуры воздуха для января 1932 г. (зональная эпоха) и 1969 г. (меридиональная эпоха). Продолжительность зональной и меридиональной циркуляции соответственно были 27 и 4 дня (или 87% и 13%), 7 и 24 дня (или 23% и 77%). Таким образом, это соотношение прямо противоположно для сравниваемых январей. Температурные условия в эти месяцы также отличаются крайней контрастностью. В конечном счете циркуляционный и климатический характер каждой эпохи определяется учащением подобных примеров.

Существование циркуляционных и климатических эпох подтверждается и историей климата. Прежде всего это совпадение периода зональной эпохи со временем глобального потепления, что следует из удивительного сходства кривых многолетнего хода средних годовых аномалий температуры воздуха и продолжительности действия зональной циркуляции, построенных по скользящим десятилетиям (схема 3). Данные по температуре относятся к высоким широтам (87,5-72,5° с.ш.). Так как они согласуются с изменениями температурного фона всего полушария, то и установленная связь также справедлива для территории этого масштаба. Результаты сопоставления важны не только для подтверждения связи между циркуляционными и климатическими изменениями, но особенно как свидетельство объективности типизации ЭЦМ и хорошего индикатора климатических колебаний.

Сейчас циркуляционные и климатические эпохи проявляются со всей очевидностью. Основанием для их выявления послужила наметившаяся в 50-е годы тенденция сближения кривых многолетнего хода продолжительности действия зональной и меридиональной групп циркуляции. Весь ход развития циркуляционных процессов и погоды последующих лет подтвердил меридиональный характер наступившей эпохи. А это означает учащение повторяемости суровых и продолжительных зим с резкими и частыми сменами погоды и более прохладных летних периодов. И зимние, и летние сезоны должны характеризоваться увеличением действия меридиональных процессов (ЭЦМ).

И действительно, меридиональный эффект в изменении погоды зим последних десятилетий весьма ощутим. Об этом свидетельствуют и приведенные в начале нашей статьи факты и некоторые расчеты. Так, продолжительность меридиональных процессов зим 1962/63. 1963/64, 1964/65, 1969/70, 1971/72 гг. составляет соответственно 60, 62, 53, 65 и 63 дня, что почти в 2 раза больше, чем в теплые зимы 1931/32, 1950/51. 1955/56 и 1961/62 гг. (35, 27, 26 и 35 дней.) В суровые зимы процессы чаще развивались в соответствии с циркуляционной схемой, представленной на с. 403 для ЭЦМ 12бз. Вторжения осуществлялись часто по нескольким направлениям, блокируя зональный западный перенос и способствуя распространению холодных масс воздуха далеко на юг.

В летние сезоны текущей эпохи также резко возросла продолжительность меридиональных процессов и соответственно уменьшилась - зональных. Так, в летние сезоны 1931, 1932, 1938, 1939 гг. продолжительность зональных ЭЦМ за июнь-август составляла 57, 71, 72 и 57 дней, а в годы меридиональной эпохи (1965, 1966, 1968, 1970, 1971 гг.) уменьшилась до 46, 23, 37, 30 и 25 дней. Из этого ряда не выпадает и сезон 1972 г. Хотя продолжительность зональных и меридиональных ЭЦМ была почти равной (43 и 47 дней), большая часть дней с меридиональным переносом пришлась на территорию Восточной Европы. Более того, этот эффект усиливался из-за формирования устойчивых антициклональных условий погоды над названной территорией, также обусловленных меридиональными процессами над северным полушарием. В определенной мере такой же характер циркуляции повторился и летом 1976 г., но со смещением локализации на территорию Западной Европы.

Схема 3. Многолетний ход продолжительности зональной циркуляции (отклонения от средней многолетней) (1) и средних годовых аномалий температуры воздуха широтной зоны 87,5°-72,5° с.ш. (2) (десятилетние скользящие)

Таким образом, ход зональной и меридиональной циркуляции позволяет предположить, что продолжительность каждой из форм достигла или приближается к своему минимуму (максимуму). А это значит, что должна измениться тенденция в развитии этих типов макропроцессов и, как следствие, погодные и климатические режимы по типу зональной эпохи. Однако каким будет этот переход - резким или постепенным, в течение скольких лет, сказать пока трудно.