Глава IV
Многолетние колебания климата Мурманска
Метеорологические элементы, особенно температура воздуха и количество осадков, значительно изменяются от года к году. Так, средняя температура воздуха за декабрь 1954 г. была —2,3°, т. е. на 0,1° ниже самой высокой температуры месяца за весь период наблюдений в Мурманске. В последующий 1955 г. средняя температура за тот же месяц понизилась до —16,2° и оказалась самой низкой за весь период наблюдений. Аналогичное явление наблюдалось и в октябре 1960 г., когда средняя температура достигала -—3,6°, а в 1961 г. 6,2°. В первом случае она оказалась самой низкой, во втором — самой высокой за весь период наблюдений
Такие же значительные колебания отмечались и по наблюдениям количества осадков. Например, в декабре 1966 г., по данным осадкомера, выпало 3 мм осадков, что составляет всего 14% нормы, а в январе 1967 г. — 55 мм, или 250% нормы. В меньшей степени могут изменяться во времени другие метеорологические элементы, например облачность, скорость ветра.
Значительные колебания температуры воздуха и количества осадков во времени еще не дают представления о многолетних колебаниях климата. Они только характеризуют его. О многолетнем колебании климата Мурманска можно было бы судить, если бы в длительном ряде последующих лет такие резкие колебания темпертуры и количества осадков от года к году заметно уменьшились или увеличились, а также если бы в длительном ряде последующих лет или десятков лет преобладали отклонения данного метеорологического элемента от многолетней нормы определенного знака выше или ниже указанной нормы и, следовательно, средняя величина этого элемента была выше или ниже средней многолетней величины за весь период наблюдений.
Ежегодно наблюдаемые характеристики или их отклонения от нормы, расположенные в хронологическом порядке, не удобны для анализа их многолетних колебаний, так как отдельные колебания, возможные от года к году, могут быть весьма значительны, что естественно затрудняет анализ. Более удобны для этой цели средние величины, полученные за последовательные одинаковые промежутки времени, например за последовательные десятилетия, расположенные в хронологическом порядке. В результате осреднения амплитуды отдельных колебаний с периодом менее промежутка осреднения сглаживаются и многолетняя тенденция изменения выступает более наглядно.
Для примера приводим средние величины температуры воздуха за последовательные десятилетия (табл. 46), которые дают представление о многолетнем понижении температуры февраля. Однако, если сдвинуть все десятилетия на два года вперед, то изменение температуры последовательных десятилетий уже не будет монотонным, но тенденция к понижению февральской температуры сохранится. Кроме того, по табл. 46 нельзя получить представление об изменении средней температуры февраля внутри последовательных десятилетий.
Для анализа многолетнего колебания того или другого метеорологического элемента, например средней температуры воздуха, применяются методы: 1) перекрывающихся «скользящих» средних и 2) интегральных кривых.
Осреднение по перекрывающимся одинаковым по числу лет промежуткам времени производят следующим образом. Сначала берут среднюю за данное число лет начиная с первого года, затем — ту же величину со второго, третьего года и т. д. В последнюю величину входит последний год из имеющегося ряда наблюдений. В результате число членов нового сглаженного ряда уменьшается на столько членов, сколько лет в периоде осреднения без одного, при этом отдельные случайные колебания, возможные внутри промежутка осреднения, в значительной мере сглаживаются.
Для построения интегральной кривой необходимо сначала вычислить среднюю величину метеорологического элемента за имеющийся ряд наблюдений, а затем для каждого года — отклонение фактической величины от средней. Полученные отклонения последовательно алгебраически суммируются начиная с первого года: за 1, 2, 3 года и т. д. В последний член полученного ряда входит сумма всех отклонений за исследуемый ряд наблюдений. Таким образом, каждая точка интегральной кривой представляет собой алгебраическую сумму всех отклонений от средней многолетней величины с начала ряда до данного года, а каждая точка на скользящей кривой по перекрывающимся последовательным одинаковым промежуткам времени соответствует средней величине за этот промежуток.
По мнению Е. С. Рубинштейн [12], [13], кривая многолетнего хода какого-либо метеорологического элемента, например температуры воздуха, сглаженная по перекрывающимся одинаковым промежуткам времени, более удобна для анализа ее изменений во времени внутри данного многолетнего периода, чем интегрально разносимая кривая, составленная для этого периода. В самом деле, если в начале исследуемого периода наметилась тенденция к понижению температуры, однако последняя еще остается выше нормы, интегральная кривая будет расти до тех пор, пока не станут преобладать годы с отрицательными отклонениями температуры от нормы. Аналогичное явление будет наблюдаться и при повышении температуры в том случае, если в начале ряда она еще оставалась ниже нормы. Кривая в этом случае будет убывать с повышением температуры, пока последняя не станет выше нормы. Таким образом, фазы многолетнего колебания температуры на интегрально разностной кривой будут несколько запаздывать во времени по отношению к фазам фактически наблюдаемого колебания температуры, осредненной по перекрывающимся скользящим промежуткам времени с одинаковым числом лет. Кривую многолетнего колебания температуры, осредненную по перекрывающимся одинаковым промежуткам времени, можно в случае имеющихся данных продолжить в ту или другую сторону, т. е. удлинить исследуемый период.
Интегрально разностная кривая строится для определенного времени, для которого предварительно вычисляется средняя величина (норма). В случае же удлинения периода возникает необходимость вновь вычислять многолетнюю норму для удлиненного ряда и пересчитывать погодичные отклонения от этой нормы.
Рассмотрим многолетние колебания температуры и других метеорологических элементов по сезонам. Конечно, в любом сезоне тенденция к изменению во времени того или другого метеорологического элемента в отдельные месяцы, входящие в сезон, может и не совпадать. Это в известной мере обусловит дополнительное сглаживание кривых многолетнего колебания. Однако большинство месяцев, входящих в сезон, сохраняет тенденцию изменения той или другой характеристики.
Анализ многолетнего колебания любого метеорологического элемента возможен лишь при условии однородности во времени всего ряда наблюдений или приведения к ней имеющихся данных существующими методами.
В Мурманске ряд наблюдений над температурой воздуха серьезных нарушений однородности не имел. Небольшое нарушение отмечалось в теплый период (с мая по октябрь) 1935 г. после переноса станции, оно было устранено по данным наблюдений ст. Кола. Некоторое увеличение скорости ветра в том же году наиболее существенное в холодный период (с октября по апрель) устранено внесением в ряд наблюдений до 1936 г. соответствующих поправок. Более значительно была нарушена однородность наблюдений над количеством осадков: в 1935 г. при переносе станции в более открытое место и в 1952 г. при замене дождемера на осадкомер. Ввиду большой трудоемкости внесения поправок в отдельные годы, а также недостаточной надежности поправок на выдувание измеряемых дождемером осадков ветром при больших его скоростях на ст. Мурманск, Халдеев мыс в холодном полугодии оказалось целесообразным проследить многолетний ход среднего сезонного количества осадков для зимы за период с 1952 по 1968 г., в который наблюдалось значительное увеличение количества осадков. При измерении количества нижней облачности однородность практически не нарушалась, хотя качество наблюдений этого элемента на ст. Мурманск, город было хуже, чем на ст. Мурманск, Халдеев мыс. Поэтому ряд наблюдений по облачности до 1924 г. отбракован. Как и в работе [20], все метеорологические элементы перед сглажииванием по перекрывающимся десятилетиям осреднялись по сезонам.
Многолетние колебания метеорологических элементов в известной мере взаимосвязаны между собой, поскольку они зависят от циркуляционных условий. Поэтому их целесообразно рассматривать не изолированно, а комплексно.
Соответствие значительной аномалии температуры в данном месяце аномалии и других метеорологических элементов показано в гл. III. Такое положение в известной мере сохраняется и для более длительных отрезков времени, например сезонов.
Рассмотрим многолетние колебания средней сезонной температуры воздуха и сопутствующих ей метеорологических элементов только для двух сезонов: зимы и лета. В эти сезоны формируются наиболее значительные температурные различия между Баренцевым морем и материком, в связи с чем наблюдается наиболее значительная изменчивость средней сезонной температуры воздуха во времени, обусловленная преобладанием адвекции с материка или с Баренцева и Норвежского морей.
Проведем анализ многолетнего колебания температуры и других метеорологических элементов зимы.
Как следует из рис. 31, в период с 1929 по 1939 г. в Мурманске в зимние сезоны наблюдалось значительное потепление, а с 1940 по 1943 г. — похолодание, которое совпало с уменьшением скорости ветра и облачности и с увеличением повторяемости направления северного ветра .
В период с 1943 по 1954 г. средняя сезонная температура, оставаясь выше нормы, колебалась. С зимы 1954-55 г. началось постепенное похолодание, которое сопровождалось уменьшением скорости ветра и облачности и увеличением повторяемости северного ветра. Многолетний ход сезонного количества осадков, к сожалению, можно проследить только с десятилетия 1952—1961 гг., когда наблюдения велись по осадкомеру и, следовательно, были однородными. В этот короткий период наблюдалось значительное увеличение сезонного количества осадков. Ход температуры в общем обратен соответствующему ходу скорости ветра и количеству облачности, так как холодные зимы обусловливаются повышенной повторяемостью антициклонов и, следовательно, малооблачной и тихой погодой.
Несколько парадоксальным на первый взгляд кажется понижение сезонной температуры, совпадающее с увеличением повторяемости северного ветра, направленного с Баренцева моря и в среднем наиболее теплого для сезона. Но с северным ветром в Мурманск обычно поступает в тыл циклонов арктический воздух, а поэтому повторяемость северного ветра совпадает с повторяемостью затоков арктического воздуха. В массах же арктического воздуха в дальнейшем развиваются антициклоны, или гребни повышенного давления, устанавливается ясная погода с небольшими скоростями ветра и наступает значительное, а нередко и длительное похолодание.
Большая повторяемость значительных похолоданий зимой обусловливает в конечном счете понижение средней сезонной температуры. При ветрах с Баренцева моря в Мурманске выпадают наиболее значительные осадки «зарядами». Поэтому увеличение повторяемости направлений ветра северной четверти с Баренцева моря вызывает не только значительное увеличение количества осадков, но и сопутствующих им гроз. В период с 1948 по 1957 г зимой в Мурманске было всего два дня с грозой, а в период с 1958 по 1967 г.—9. Таким образом, ряд аномально холодных зим в период с 1955 г. был аномальным по целому ряду других метеорологических элементов.
Из рис. 32 следует, что летом скорость ветра и количество облачности значительных колебаний не имеет. Заметно изменялись средняя сезонная температура и повторяемость южного ветра с материка. При этом многолетний ход обеих характеристик хорошо согласуется. Увеличение повторяемости южного ветра соответствует повышению температуры. Таким образом, летом скорость ветра и облачность не оказывают существенного влияния на Температуру, которая зависит в этом сезоне от направления ветра С Баренцева моря или материка.
В чем же причины рассмотренных многолетних колебаний климата?
Основная из них — аналогичные колебания активности физических процессов на Солнце. Они же обусловливают соответствующие колебания интенсивности и спектрального состава солнечной радиации, которые вызывают довольно сложные изменения интенсивности и направленности атмосферной циркуляции — важнейшего условия формирования климата.
Установить многолетние колебания интенсивности и направленности процессов, развивающихся в атмосфере всего северного полушария, по ежедневным картам погоды также невозможно, как и многолетние колебания температуры воздуха по данным ежедневных наблюдений над этим явлением. В таком случае возникает необходимость какого-то обобщения всех наблюдаемых ежедневно элементов, по которым составляются ежедневные карты погоды. Первым шагом для такого обобщения может служить разделение имеющихся за немногие годы наблюдений карт погоды на так называемые элементарные циркуляционные процессы, т. е. такие промежутки времени, которые охватывают несколько дней подряд, в течение которых циклоны и антициклоны развиваются в определенных районах и перемещаются преимущественно в определенном направлении, или сохраняется одинаковая направленность атмосферных процессов и связанный с ней характер погоды. Разделив имеющийся период, в котором составлялись карты погоды на элементарные процессы, Г. Я. Вангенгейм [3] обобщил их по определенным признакам сначала в различные типы, а затем — в основные формы атмосферной циркуляции: западную W, восточную Е и меридиональную С.
Не входя в подробности, как развиваются атмосферные процессы при той или другой форме атмосферной циркуляции у земной поверхности на различных высотах в атмосфере, отметим лишь характерные их особенности:
1) при процессах формы Е в Мурманске преобладают более высокие, а при процессах формы W и С — более низкие температуры воздуха;
2) при процессах формы Е и С наблюдаются меридионально направленные потоки теплого воздуха из субтропических широт в заполярные и холодного воздуха из Арктики в умеренные и субтропические широты. Следовательно, при длительном преобладании процессов формы Е и С в различных районах, в том числе и в Мурманске, возможны значительные аномалии температуры воздуха.
Г. Я- Вангенгейм составил каталог [9] повторяемости различных форм атмосферной циркуляции за имеющийся ряд лет наблюдений и подсчитал среднюю многолетнюю их повторяемость в каждом месяце и в целом за весь год. Таким образом он получил многолетнюю норму, с которой можно сравнивать отдельные годы.
Анализируя повторяемость форм Е, С и W в отдельные годы и сравнивая их с многолетней нормой, А. А. Гире [7] установил, что в определенных периодах, охватывающих несколько лет подряд, или в так называемых циркуляционных эпохах, наблюдается устойчивая более высокая повторяемость одной или двух форм атмосферной циркуляции.
В период, по которому составлялись карты погоды, Гире выделил следующие эпохи: 1) W+C с 1891 по 1899 г.; 2) W с 1900 по 1928 г.; 3) Е с 1929 по 1939 г.; 4) С с 1940 по 1948 г. и 5) Е + С с 1949 по 1968 г. Каждая эпоха соответствует развитию формы атмосферной циркуляции повышенной повторяемости. Например, в эпохе W + C наблюдалась повышенная повторяемость форм W и С и т. д.
Интересно сравнить средние эпохальные температуры различных сезонов с их средней многолетней температурой за весь период с 1891 по 1968 г. Этот период, разделенный на эпохи, охватывает сейчас около 80 лет, т. е. значительно большее их число чем имеется на ст. Мурманск. На ст. Кола имеется более длительный период наблюдений — с 1878 г. Кроме того, наблюдения ее более однородны, чем на ст. Мурманск. Поэтому средние эпохальные величины температуры целесообразнее подсчитать для ст. Кола поскольку она находится вблизи ст. Мурманск, Халдеев мыс, на расстоянии около 8 км, и наблюденные ею многолетние колебания всех элементов должны полностью совпасть с данными для Мурманска в целом.
Для перечисленных циркуляционных эпох вычислена средняя сезонная температура воздуха зимы и лета и средняя годовая температура воздуха и уточнена для тех же сезонов средняя температура с 1891 по 1968 г. (в Справочнике [15] эти данные приведены с 1881 по 1960 г.). По этим данным подсчитаны отклонения средних эпохальных температур от средней многолетней за 1892— 1968 гг. (табл. 47).
Из табл. 47 видно, что средняя эпохальная температура наиболее значительно колебалась зимой и в меньшей степени летом и за весь год. Данные средних эпохальных температур показывают, что в Мурманске и Коле при процессах W и С преобладает более холодная погода, а при процессах Е — более теплая. Самая низкая эпохальная температура обоих сезонов и всего года была при процессах W + C, т. е. когда наблюдалась повышенная повторяемость форм W и С и пониженная форма Е. Самая высокая эпохальная температура была при процессах Е, когда наиболее высокая повторяемость формы Е и пониженная форм С и W. Понижение средней эпохальной температуры от формы Е к форме С определялось увеличением повторяемости формы С. Таким образом, изменение средней температуры от данной эпохи к последующей обусловливалось изменением повторяемости основных форм атмосферных процессов или в конечном счете изменением преобладающей направленности атмосферной циркуляции.
Следует отметить, еще одну особенность в многолетнем ходе температуры — тенденцию к увеличению ее изменчивости в последние годы. Наиболее значительные аномалии средней месячной температуры воздуха и циркуляционные условия их формирования были рассмотрены в гл. III. Все восемь самых холодных или теплых месяцев за имеющийся период наблюдений в Мурманске с 1919 или даже на ст. Кола с 1878 г. отмечались в последние годы.
с 1958 по 1968 г. Это совпадение не случайно. Чтобы показать, как распределялись самые холодные и теплые месяцы за период наблюдений в Мурманске (1919—1968 гг.), было выбрано 24 самых теплых и холодных месяца и подсчитано общее число их в перекрывающихся десятилетиях. Параллельно с этим для каждого года подсчитана средняя величина из абсолютных отклонений температуры каждого месяца от нормы, которая затем осреднена по перекрывающимся десятилетиям.
Из данных рис. 33 видно, что за последние 20 лет в эпохе Е + С наблюдалось заметное увеличение суммарной повторяемости форм атмосферной циркуляции Е и С. Поскольку при высокой повторяемости этих форм более значительны аномалии средней месячной температуры (рис. 33в), в этот период увеличилась и ее изменчивость во времени (рис. 33 6). Таким образом, в сравнительно коротком ряде наблюдений в Мурманске (52 года) отмечались многолетние колебания как самой температуры, так и ее изменчивости во времени.