Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Природно-географическая характеристика Удмуртской Республики 10
1.1. Физико-географическая характеристика 12
1.2. Краткое климатическое описание 14
1.3. Исходные данные и методика исследования 18
Глава 2. Атмосферное давление и ветровой режим Удмуртской Республики 23
2.1. Барический режим Удмуртии 23
2.2. Ветровой режим Удмуртии 26
Глава 3. Температурно-влажностный режим Удмуртской Республики 33
3.1. Долгопериодные изменения температуры воздуха в Удмуртской Республике на фоне изменений температуры в умеренной зоне Северного полушария 34
3.2. Температурный режим воздуха 40
3.3. Влажность воздуха 45
3.4. Режим облачности 51
3.5. Атмосферные осадки 57
3.6. Оценка условий увлажненности летнего и зимнего периодов 63
3.7. Влияние атмосферной циркуляции на погодно-климатические показатели Удмуртской Республики 68
Глава 4. Экстремальные явления на территории Удмуртской Республики 72
4.1. Экстремальные температуры воздуха в теплый и холодный периоды на территории Удмуртии 73
4.1.1. Экстремальные морозы в Ижевске в XX–XXI столетиях 73
4.1.2. Каталог аномальных зим в Удмуртской Республике 79
4.1.3. Сильная жара в Ижевске в XX–XXI столетиях 81
4.2. Оттепели и заморозки 87
4.2.1. Повторяемость и динамика оттепелей 87
4.2.2. Повторяемость и динамика заморозков в вегетационный сезон 94
4.3. Оценка экономических рисков, создаваемых опасными явлениями погоды 100
Глава 5. Климатические ресурсы Удмуртской Республики и их динамика 108
5.1. Термические ресурсы вегетационного периода и их динамика 109
5.2. Климатические характеристики отопительного сезона 111
5.3. Динамика биоклиматических показателей комфортности природной среды 116
Заключение 141
Список литературы 144
Приложения 160
Приложение 1 161
Приложение 2 162
Приложение 3 163
Приложение 4 164
Приложение 5 165
Приложение 6 166
Приложение 7 167
Приложение 8 168
Приложение 9 169
Приложение 10 170
Приложение 11 171
Приложение 12 172
Приложение 13 173
- Краткое климатическое описание
- Влажность воздуха
- Сильная жара в Ижевске в XX–XXI столетиях
- Климатические характеристики отопительного сезона
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В условиях изменения климата последних десятилетий значительно возросло количество стихийных явлений погоды. Согласно оценочного доклада Росгидромета (2014), изменения климата на территории России могут иметь многочисленные и потенциально серьезные последствия для природных комплексов, экономики и здоровья населения. Россия подписала Парижские соглашения, направленные на сохранение климата. Поэтому важно иметь объективное представление о пространственно-временных изменениях и динамике основных климатических показателей, происходящих на фоне глобального потепления и оказывающих влияние на жизнедеятельность человека в конкретном регионе. Достоверная оценка наблюдаемых изменений климата и динамики опасных явлений позволяет организовывать жизнедеятельность населения региона наиболее рационально и экономично, адаптироваться к климатическим изменениям.
Актуальность данной работы определяется недостаточной изученностью региональных изменений климата и опасных явлений погоды (ОЯ) в условиях современного глобального потепления, а также необходимостью получения объективной информации о меняющихся климатических условиях Удмуртской Республики для практических целей.
Цель работы:
Изучение современных климатических изменений и динамики опасных явлений погоды на территории Удмуртской Республики.
Для решения поставленной цели ставились задачи:
анализ пространственно-временного распределения и межгодовых изменений основных метеорологических характеристик на территории Удмуртской Республики;
оценка вклада крупномасштабных факторов в изменения температуры воздуха на территории Удмуртии;
исследование влияния атмосферной циркуляции на пого дно-климатические показатели;
изучение повторяемости и динамики опасных метеорологических явлений, наблюдающихся при волнах холода и тепла, выявление синоптических причин их возникновения;
оценка экономических ущербов и рисков, создаваемых опасными явлениями погоды;
изучение природных климатических ресурсов, оказывающих влияние на экономику региона.
Объектом исследования являются климат и опасные явления погоды на территории Удмуртской Республики. Предметом исследования являются:
пространственно-временное распределение климатических характеристик;
временные тенденции и долговременные колебания в рядах метеорологических величин на территории Удмуртской Республики;
связи погодно-климатических событий с циркуляцией атмосферы и физико-географическими факторами;
взаимосвязи между метеорологическими величинами;
- климатические ресурсы на территории региона.
Методы исследования
Использованы апробированные статистические методы. Оценки региональных изменений климата на территории Удмуртской Республики получены на фоне изменений глобального климата с использованием статистических методов, корреляционного и тренд-анализа. Визуализация пространственных полей метеовеличин выполнялись посредством ГИС- технологий. Достоверность результатов оценивалась с помощью критерия Стьюдента.
Методологической основой послужили труды известных российских и зарубежных ученых, разработавших научные основы метеорологии, фундаментальной и прикладной климатологии, основы исследования современных изменений климата под влиянием естественных и антропогенных факторов; оценочные доклады МГЭИК и Росгидромета.
Информационной базой исследования стали приземные и высотные синоптические карты (1933-2014 гг.), ежемесячные данные приземных метеорологических наблюдений по территории Удмуртской Республики на восьми метеостанциях (1961-2014 гг.); ежедневные данные температуры воздуха и атмосферных осадков на станции Ижевск из архива Удмуртского ЦГМС (1933-
-
гг.); данные срочных наблюдений на метеостанциях Ижевск и Глазов (2005-
-
гг.); индексы атмосферной циркуляции NAO, AO, SCAND, EA (1961-2014 гг.); данные отдела исследования климата Университета Восточной Англии (CRU) о средней месячной температуре воздуха в узлах регулярной географической сетки (1900-2014 гг.).
Научная новизна результатов:
Впервые для Удмуртской Республики на основе современных данных:
показана динамика метеорологических характеристик и опасных явлений погоды в период 1933-2014 гг.;
дана оценка вековой истории изменения температуры воздуха в Удмуртии, показана связь роста температуры воздуха в регионе с глобальным потеплением;
проведена классификация синоптических условий возникновения опасных явлений погоды на основе совместного анализа приземных и высотных карт;
составлен каталог аномально холодных и теплых зим в Удмуртии;
выполнена оценка экономических ущербов и рисков, связанных с опасными явлениями погоды.
- дана оценка состояния климатических ресурсов.
Практическая значимость работы
Полученные автором результаты нашли применение:
- в оперативной практике отдела краткосрочных прогнозов Удмуртского
центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УЦГМС) при
прогнозе ОЯ в целях увеличения заблаговременности и повышения
оправдываемости прогнозов;
в виде рекомендаций по учету метеорологических величин и их перепадов в области электроэнергетики и при медицинском обслуживании;
в учебном процессе на кафедре метеорологии, климатологии и экологии атмосферы КФУ при чтении лекций по курсу «Природные и социально-экономические последствия изменения климата»;
в учебном процессе института естественных наук УдГУ при чтении курса «Метеорология и климатология»;
могут быть использованы в виде климатических справок для организаций, задействованных в сферах сельского и лесного хозяйств, ЖКХ, органов власти и МЧС;
могут быть использованы в целях адаптации различных отраслей экономики и социальной сферы к изменениям регионального климата;
используются при подготовке научного отчета по гранту РФФИ № 15-05-06349 «Построение региональной модели по диагнозу и прогнозу современных изменений климата и их социально-экологических последствий (на примере Приволжского федерального округа)».
На защиту выносятся следующие положения:
-
Климатические изменения, происходящие на территории Удмуртской Республики, связаны с процессом современного глобального потепления;
-
Региональные изменения климата, наиболее выраженные в зимнее время и переходные периоды, по-разному влияют на временную динамику различных ОЯ;
-
Классификация синоптических ситуаций, благоприятных для возникновения ОЯ на территории Удмуртской Республики;
-
Выявленная в последние десятилетия тенденция к увеличению климатических рисков на территории Удмуртии;
-
Оценка климатических ресурсов и их динамики как показателей природного потенциала региона.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов подтверждается:
применением большого массива первичной метеорологической информации;
использованием статистических критериев для оценки достоверности полученных выводов;
использованием подходов, основанных на современных научных положениях и количественных методах;
соответствием полученных результатов основным положениям климатологии и синоптической метеорологии.
Личный вклад соискателя. Соискатель совместно с научным руководителем определил цель и задачи исследования. Анализ аэросиноптического материала, результатов статистической обработки метеорологических данных осуществлены автором лично. Все основные результаты, вынесенные на защиту, их интерпретация получены автором.
Апробация работы:
Основные и промежуточные результаты докладывались автором на Международной научно-практической конференции «География и регион» (Пермь, 2015); Всероссийской научно-практической конференции
«Географическое пространство: сбалансированное развитие природы и общества» (Челябинск, 2015); III Всероссийской научной конференции «Экология и космос» (Санкт-Петербург, 2017); III международной научной конференции «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: экологические вызовы XXI века» (Казань, 2017); II-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы региональной экологии и географии» (Ижевск, 2017), итоговых научных конференциях и семинарах кафедры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы КФУ (2013-2017 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 5 работ опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для кандидатских и докторских диссертаций; ряд результатов исследования используется в «Атласе Удмуртской Республики», опубликованном в 2016 г.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 173 страницы, включая 43 рисунка, 46 таблиц и 13 приложений. Список цитируемой литературы насчитывает 154 источника.
Краткое климатическое описание
При написании этого раздела широко использовались работы [9,37,41,44,45,56,75,77,79], что позволило сделать обобщения для региона. Территория Удмуртской Республики находится в умеренном климатическом поясе. Ее климат характеризуется как умеренно-континентальный с продолжительной и холодной зимой, коротким и теплым летом и выраженными переходными сезонами. Благодаря рельефу местности и циркуляционным условиям, территория Удмуртской Республики подвержена значительным погодным колебаниям [41].
Средняя годовая величина приходящей на горизонтальную поверхность прямой солнечной радиации (при ясном небе) составляет 4500-5060 МДж/м2. Облачность ослабляет приход прямой радиации на 55-67 %, уменьшая ее величину до 1611,2-2426,9 МДж/м2. Наибольшее количество прямой радиации (316-412 МДж/м2) поступает в июне, в декабре ее количество оказывается наименьшем в году и составляет 2-22 МДж/м2. Весной возрастание радиации от месяца к месяцу, начиная с марта и до конца июня, составляет 219-323 МДж/м2. Осенью величина уменьшается более резко: от августа к сентябрю на 124 МДж/м2, от сентября к октябрю на 99 МДж/м2. В ноябре и декабре скорость понижения снижается, а начиная с января начинается рост – от января к февралю количество радиации в среднем увеличивается на 35 МДж/м2. Суммарная радиация, включающая прямую и рассеянную, максимальна в июне, равняясь 584-695 МДж/м2 и минимальна в декабре – 23-74 МДж/м2 [9,75].
Годовая продолжительность солнечного сияния, измеряемая в часах, изменяется на территории Удмуртии от 1600 часов на северо-западе до 2000 часов на юго-востоке. Годовой ход аналогичен ходу поступающей радиации – наибольшее число с солнечным сиянием наблюдается в июне и июле, наименьшее в декабре. Непрерывная продолжительность солнечного сияния в среднем равна 2-6 часов, летом она может составлять 16-18 часов. Число дней без солнца обратно пропорционально продолжительности солнечного сияния. Летом за месяц встречается 1-3 дня без солнца, в декабре эта цифра достигает 15-20 дней.
Разность между потоками приходящей и уходящей радиации для земной поверхности представляет собой радиационный баланс. Радиационный баланс по величине составляет 40-45 % от суммарной радиации. Средняя годовая величина радиационного баланса Удмуртии равна 1359-1983 МДж/м2. Баланс положителен в период с февраля по октябрь (на севере республики с марта по сентябрь).
Наибольшее его значение отмечается в период с мая по июль и максимально в июне (325-404 МДж/м2). Начиная с августа величины радиационного баланса снижаются, в октябре с увеличением альбедо поверхности и снижением прихода солнечной радиации происходит резкое изменение соотношения поступающей и уходящей радиации – он составляет 14-30 % от суммарного прихода коротковолновой радиации. Самые низкие отрицательные значения (-21,-54 МДж/м2) баланс принимает в декабре.
Не менее важным климатообразующим процессом является атмосферная циркуляция. На климатических картах в средних и высоких широтах северного полушария наблюдается западно-восточный перенос. Из-за перегрева отдельных участков суши и мирового океана возникают крупномасштабные волны, способствующие межширотному тепло- и влагообмену. Преобладание западного переноса определяет значительное влияние атлантических воздушных масс на климат республики, смягчающих и увлажняющих климат. Благодаря крупномасштабным волнам, к Удмуртии поступают воздушные массы с различных районов. Согласно [56], очагами формирования воздушных масс, определяющих погоду в Поволжье, Предуралье и в частности в Удмуртии, являются территории: Земля Франца-Иосифа и Новая Земля в случае северных вторжений; остров Шпицберген и восток Гренландии при северо-западных вторжениях; Северная Атлантика при западных; север Африки, Средиземное море и притропическая Атлантика (30-50с.ш., 10-40з.д.) – при юго-западных; Иранское нагорье и север Аравийского полуострова – для южных; районы верхнего и среднего течения Енисея – для восточных; полуостров Таймыр и Карское море – для северо-восточных.
По северным и северо-восточным траекториям преимущественно в тылу циклонов за холодным фронтами и при развитии антициклонов за этими фронтами поступает континентальный арктический воздух. Арктический воздух может поступать к Удмуртии и с юго-востока, пройдя Западную Сибирь и обогнув Уральские горы. С северо-запада через Норвежское море и незамерзающую часть Баренцева моря происходит вторжение морского арктического воздуха [37].
С юга, юго-запада, летом и с юго-востока приходит в основном тропический воздух. Морской тропический воздух приходит зимой со Средиземного моря и часто приносит оттепели, обильные снегопады зимой. Летом в условиях тропической воздушной массы наблюдается жаркая «суховейная» погода. Континентальный тропический воздух зимой приходит с северной Африки, летом он может формироваться над материками в зоне от 15 до 50с.ш.
Морской умеренный воздух поступает из районов Атлантики в теплых секторах либо в тыловой части циклонов и несет неустойчивую погоду с похолоданием весной и летом и потеплением осенью и зимой. Континентальный воздух умеренных широт формируется над материками зимой в зоне 30-50с.ш., летом – в зоне 50-70с.ш. Зимой из районов Сибири вторгается континентальный воздух умеренных широт, в условиях антициклональной погоды приносящий малоооблачную и морозную погоду. Теплый континентальный умеренный воздух формируется лишь в теплую часть года в Европе и Азии. Например, весной и осенью он нередко образуется над Казахстаном или Балканским полуостровом [75]. В случае ослабления интенсивности атмосферной циркуляции данная воздушная масса является преобладающей для Удмуртии.
Чаще всего в Удмуртию поступает воздух с запада, реже всего – с северо-востока. Свойства поступающих воздушных масс в процессе движения непрерывно изменяются [56]. Пришедшая воздушная масса приобретает свойства, характерные для данной местности и превращается в местную воздушную массу – е температура в летнее время года выше климатических норм, а в зимнее ниже – таким образом, в местном воздухе усиливаются континентальные черты.
Согласно [56,79], антициклоны определяют погоду в Среднем Поволжье, включая территорию Удмуртии, несколько чаще циклонов – годовая повторяемость соответственно равна 192 и 173 дня. Местные циклонические процессы отмечаются 26 дней в году, антициклонические – 17. Циклоны наиболее часто вторгаются с запада и северо-запада (44 и 34 дня в году соответственно), реже – с юга, юго-запада и севера [44,45]. Антициклоны в свою очередь наиболее часто распространяются с востока (56 дней) и запада (47 дней), реже всего с юга (9 дней). Южные и юго-западные циклоны вызывают значительные изменения погоды: резкое потепление вплоть до оттепелей в холодное время года, обильные снегопады. При подходе к Уральским горам движение циклонов замедляется. Чередование прохождения циклонов и антициклонов приводит к частому изменению направлений ветра. Увлажнение территории Удмуртии происходит в основном за счт циклонов, несущих влажный воздух с Атлантики.
Как отмечено в [77], особенностями последних лет являются более часто повторяющаяся широкомасштабность циркуляционных атмосферных процессов, захватывающих огромные территории Европейской части России; увеличение продолжительности одной формы циркуляции до 4-6 синоптических периодов; увеличение повторяемости западной формы циркуляции и блокирующих антициклонов; увеличение повторяемости ОЯ.
Влажность воздуха
Влажность воздуха наряду с температурой и атмосферным давлением является одной из важнейших метеорологических характеристик.
Концентрация водяного пара (ВП) в атмосферном воздухе находится в сложной зависимости от температуры воздуха, состояния подстилающей поверхности, физико-географических условий местности, времени суток и года, условий атмосферной циркуляции, интенсивности турбулентного перемешивания и других факторов [75].
Влажность воздуха на территории Удмуртии испытывает большую временную и пространственную изменчивость. Это связано с большим разнообразием свойств испаряющих поверхностей, форм и высот рельефа, а также со значительными колебаниями температуры приземного слоя воздуха и подстилающей поверхности.
В данной работе для характеристики режима влажности исследованы парциальное давление е и относительная влажность f.
Упругость водяного пара. Упругость водяного пара е представляет собой парциальное давление водяного пара, измеряемое в гектопаскалях или миллибарах. Изменения парциального давления водяного пара (далее – давление ВП) в основном следуют за изменениями температуры воздуха [50]. На изменение количества давления ВП оказывает влияние и циркуляция атмосферы: горизонтальный перенос воздушных масс с разными влажностными свойствами.
В различных формах рельефа данные факторы проявляют себя по-разному: в вогнутых формах интенсивность воздухообмена невелика, а, значит, горизонтальный перенос воздушных масс влияет на влажность в меньшей степени, и на первый план выходит роль испарения. На приподнятых и выпуклых формах рельефа в изменениях давления ВП возрастает адвективный фактор.
Давление ВП е изменяется в течение года в регионе от средних значений 2,2 гПа в январе и феврале до 15,0 гПа в июле. Пространственное распределение парциального давления за год, в январе и июле представлено в приложении 9 и таблице 3.6. Летом на распределение е в первую очередь оказывают влияние местные географические факторы. Парциальное давление минимально на самой высоко расположенной станции Игра (14,5 гПа), находящейся на южном склоне Верхнекамской возвышенности, и максимально на станциях Сарапул и Воткинск (15,2 гПа), находящихся в долине рек Вотка и Кама. Данная пространственная закономерность распределения давления ВП сохраняется в период с марта по октябрь.
В холодный период с ноября по февраль распределение е приобретает широтную ориентацию с максимумом на юго-западе и минимумом на северо-востоке региона. Это объясняется уменьшением роли испаряемости и господствующим направлением переноса водяного пара в системах воздушных масс – в зимнее время преобладают юго-западные воздушные потоки [48,50], и количество переносимой влаги по мере следования вглубь континента постепенно уменьшается. В среднем за год ориентация изолиний е направлена с северо-востока на юго-запад.
Средняя по республике амплитуда годовых колебаний упругости водяного пара составляет 12,8 гПа. Меньше всего в течение года е меняется на самой высокой в Удмуртии станции Игра – 12,4 гПа, наиболее резко выражен годовой ход на низко расположенных, находящихся в бассейнах рек станциях Воткинск и Сарапул – 13,0 гПа.
Для оценки межгодовой изменчивости параметра е рассчитывались значения его среднего квадратического отклонения . Величина имеет годовой ход с минимумом, равным 0,7 гПа в декабре-феврале и максимумом в июне-августе – 1,3-1,5 гПа.
Межгодовые изменения давления водяного пара. Для оценки межгодовой динамики давления водяного пара проанализированы линейные тренды этой величины на всех метеостанциях в центральные месяцы сезонов. В январе е слабо растет со средней по республике скоростью 0,11 гПа/10 лет. Наиболее выраженный рост отмечается на самой высоко расположенной станции Игра: 0,12 гПа/10 лет (R2 = 0,08). Величина КНЛТ убывает с севера на юг, минимум отмечен на станции Ижевск: 0,9 гПа/10 лет (рис. 3.7). В апреле коэффициент детерминации линейного тренда менее 0,01. В июле в северных и восточных районах республики наблюдается рост величины е со временем, на южных станциях скорость роста гораздо меньше. Самая высокая скорость отмечается на северо-восточной станции Дебесы – 0,26 гПа/10 лет (R2 = 0,08). В октябре на всей территории Удмуртии наблюдается статистически значимый рост влажности со временем: средняя скорость колеблется от 0,15 гПа/10 лет на ст. Глазов до 0,22 гПа/10 лет на ст. Дебесы (R2 = 0,08-0,16).
Годовые значения e растут со временем, наиболее выражен рост по северо-востоку республики (ст. Дебесы) – 0,2 гПа/10 лет (R2 = 0,35), самый слабый рост отмечен на юго-западе (ст. Можга) – 0,1 гПа/10 лет (R2 = 0,19).
Относительная влажность воздуха. Относительная влажность воздуха f представляет собой отношение фактической упругости водяного пара е к максимальной упругости над плоской поверхностью дистиллированной воды Е при данной температуре воздуха, выраженное в процентах: f = Ее 100 %. (3.1)
Из формулы 3.1 следует, что относительная влажность и давление пара связаны прямой положительной связью, поэтому на величину f оказывают влияние те же факторы, что и на парциальное давление ВП. Однако f также зависит от температуры воздуха, поэтому пространственно-временное распределение данной характеристики отличается от распределения давления водяного пара.
Годовой ход осредненных за месяц значений относительной влажности f противоположен годовому ходу температуры воздуха. Максимум в нем обнаруживается в ноябре (86 %), минимум в мае (61 %). Большую часть года в северных районах республики значения относительной влажности выше, чем в южных. Особенно хорошо это прослеживается в теплую половину года: в сентябре средние значения f отличаются по республике на 5 % (от 81,5 % на севере до 76,5 % на юге) (табл. 3.7). Причиной этого главным образом выступает перепад температур воздуха, наибольшие значения которых наблюдаются на юге, наименьшие – на севере.
Среднее квадратическое отклонение величины f максимально в период с мая по июль (5,8 %), почти в два раза меньше изменчивость относительной влажности в ноябре – 3 %.
Повторяемость сухих и влажных дней. Важными показателями режима влажности выступают число дней с относительной влажностью не более 30 % (сухие дни) и не менее 80 % (влажные дни). Сухим днем считается день, в котором хотя бы за один срок относительная влажность не превышает 30 %, во влажный день в период с 12 до 15 часов относительная влажность не ниже 80 %.
Максимальное количество сухих дней наблюдается в мае, влажные дни наиболее часто встречаются в ноябре и декабре (табл. 3.8).
С ноября по январь сухих дней в Удмуртской Республике в основном не наблюдается. Средняя повторяемость сухих дней принимает значения выше нуля лишь в период с марта по сентябрь. В мае их повторяемость резко возрастает до 7-11 дней в месяц. Уже в июне количество сухих дней по отношению к предыдущему месяцу сокращается в 2-3 раза и составляет в среднем 2-4 дня. В период с июля по сентябрь в среднем наблюдается не более 1-2 сухих дней.
Влажные дни могут наблюдаться в течение всего года. С октября по февраль они встречаются в 100 % случаев (каждый год) с максимальной средней повторяемостью в декабре: 20-24 дня. В мае и июне количество влажных дней достигает минимума – в среднем 3-4 дня в месяц. В октябре количество влажных дней значительно вырастает: до 12-15 дней в месяц.
Сильная жара в Ижевске в XX–XXI столетиях
Наряду с экстремальными морозами к опасным метеорологическим явлениям относится сильная жара. Согласно перечню опасных и неблагоприятных метеорологических явлений на территории Удмуртии, при повышении температуры воздуха до 30-34 С наблюдается неблагоприятное явление жара; при температуре более 34 С наблюдается сильная жара, относящаяся к ОЯ.
Изменение регионального климата проявляется в изменении повторяемости волн тепла, аномальной жары. В работах [131,147] отмечается увеличение количества дней с экстремально высокой температурой. Согласно расчетам климатических моделей, в результате потепления климата будет расти и вероятность наблюдения как отдельных дней с аномально высокими температурами, так и волн жары – нескольких последовательных аномально жарких дней. В ХХI столетии на территориях суши с большой степенью вероятности прогнозируется увеличение числа дней с высоким «индексом жары» (сочетание воздействия на организм человека температуры и влажности в жаркие дни) [83]. В Удмуртской Республике потепление климата происходит в основном благодаря росту температур воздуха в холодную половину года и в переходные месяцы. В данном разделе рассмотрена повторяемость наиболее опасных и приводящих к смертности тепловых волн.
Максимальные температуры воздуха выше 30 градусов встречаются в Ижевске практически ежегодно со средней повторяемостью 8 дней за сезон в период с 9 мая по 9 сентября – 124 дня (табл. 4.6), что на 10 дней больше, чем период с минимальными температурами ниже -30 С. Сильная жара 35 С фиксировалась в период с 4 июня по 27 августа. Среднесуточные и минимальные температуры воздуха выше 30 С для Ижевска не характерны. Жара встречается с повторяемостью 2-4 дня за месяц в период с июня по август. В мае жаркая погода случается каждый пятый год, в сентябре она – редкое явление, встречавшееся лишь в 4 случаях за 80 лет. Сильная жара 35 С фиксируется редко, е рекордная продолжительность в количестве 11 дней за сезон наблюдалась в 2010 году.
Синоптические условия сильной жары с температурами воздуха 33 С и выше. Опасным явлением в Удмуртии является температура воздуха 35 С и выше, но из-за относительно редкой повторяемости данной градации в изучении синоптических условий рассмотрены случаи с температурой воздуха 33 С и выше, которых в городе Ижевск c 1933 года выявлено 122.
В отличие от экстремальных морозов, зависящих не только от тепловых и влажностных свойств воздушной массы, но и от типа циркуляции, и как следствие, от вертикального профиля температуры воздуха, экстремальная жара зависит, прежде всего, от температурных свойств и наблюдается при значениях температуры на АТ-850 гПа от 18 до 24 С. Если коэффициент корреляции r между температурой воздуха на АТ-850 гПа и температурой воздуха при морозах в приземном слое равен 0,33, то в случае с жарой в теплое время года он достигает 0,57.
Определяющим фактором для сильной жары кроме температуры воздуха на АТ-850 гПа является наличие гребня тепла на изобарической высоте АТ-500 гПа – в 93 % случаев при Т 33 С. Сильная жара может отмечаться и в условиях циклонической кривизны поля геопотенциала (в 5 % случаев), но при этом направление воздушного потока всегда наблюдается южное. Среднее значение геопотенциала на АТ-500 гПа при сильной жаре равно 582 гп.дам. (при норме 560 гп.дам), его значение изменяется от 568 до 598 гп.дам.
На рисунке 4.6 (а) показана повторяемость направлений воздушных потоков на изобарической поверхности АТ-500 гПа, соответствующая ведущему потоку. Чаще остальных встречаются южные и юго-западные направления, в целом направления потоков южной четверти наблюдаются более чем в половине случаев (57 %). Сильная жара при восточных направлениях ведущего потока не наблюдалась, а северные потоки встречались в случае развития мощных гребней тепла, распространявшихся в высокие широты. В трети случаев сильная жара случается в центре высотного антициклона или на оси высотного гребня.
Барическое поле в летнее время в целом малоградиентное, давление воздуха на уровне моря изменяется в два раза меньше, нежели зимой, от 1002 до 1025 гПа. Наиболее часто жара наблюдается в антициклоническом поле (рис. 4.6 б), преимущественно в западных перифериях гребня, либо в центрах антициклона. В два раза реже жара фиксируется под влиянием циклонического типа циркуляции – в основном при выходе южных циклонов, либо в теплых секторах западных циклонов. Жара ни разу не встречалась при ныряющих циклонах, приходящих со Скандинавского полуострова.
Самые высокие значения температуры воздуха фиксируются в центрах высотных антициклонов со значением геопотенциала выше 580 гп.дам. и температурами воздуха на АТ-850 гПа 17-22 С.
Наиболее продолжительная волна жаркой погоды наблюдалась в 2010 году в условиях блокирующего высотного антициклона с геопотенциалом над Ижевском на АТ-500 гПа до 592 гп.дам, когда был отмечен абсолютный рекорд для Ижевска, равный 37 С; в течение 18 дней (с 27 июля по 13 августа) максимальная температура воздуха поднималась выше 30 С (рис. 4.7). В приземном поле над Удмуртией наблюдалась западная периферия гребня или центр антициклона, давление на уровне моря изменялось от 1013 до 1022 гПа, температура воздуха на АТ-850 гПа: от 18 до 22 С, а на изобарической поверхности АТ-500 гПа преимущественно наблюдался центр высотного антициклона.
Межгодовые изменения повторяемости температур воздуха выше 30 С. В отличие от межгодовых изменений морозов, динамика жаркой погоды, отраженная на рисунке 4.8, описывается линейной и полиномиальной аппроксимацией хуже, тренды за период 1933-2014 гг. статистически не значимы. Для анализа динамики также рассмотрен период с 1961 по 2014 гг. (рис. 4.8 б), полиномиальный тренд которого оказался статистически значим. Можно выделить 2 пика повторяемости жаркой погоды – в 80-х гг. XX в. и в конце первой декады XXI в., а также период увеличения повторяемости жары с начала 1990-х годов.
В таблице 4.7 представлена средняя повторяемость жары за двадцатилетние периоды, согласно которой можно отметить более редкую повторяемость экстремально высоких температур с 1952 по 1992 гг., и существенное их увеличение за последние 20 лет. Повторяемость сильной жары за последние 20 лет увеличилась по сравнению с предыдущими периодами в 2-3 раза.
На здоровье человека влияют не просто волны жары или холода, а сочетание температурных условий с другими метеорологическими характеристиками – влажностью, ветровым режимом. Такое сочетание выражается в биометеорологических индексах, рассмотренных в 5 главе.
Климатические характеристики отопительного сезона
Для Удмуртии характерно уменьшение континентальности климата последних десятилетий в основном благодаря увеличению температур в зимнее время (за исключением ряда зим последних лет). Представляет интерес рассмотрение характеристик отопительного периода (ОП) и их динамики в практических целях.
Климатические характеристики ОП находят применение в производственной деятельности и жилищно-коммунальном хозяйстве для разработки нормативов запасов и расходов топлива; установления режима деятельности энергетических служб; обоснования стратегии функционирования и развития всего топливно-энергетического комплекса региона [52].
В работе рассмотрены следующие климатические характеристики ОП: дата начала ОП осенью (Дн), дата окончания весной (Дк), продолжительность ОП с момента начала до конца декабря (L1), продолжительность с начала января до даты окончания (L2), общая продолжительность ОП (L = L1 + L2), средняя температура Т за период L, сумма среднесуточных температур воздуха за ОП. За начало отопительного периода принимается момент, когда среднесуточная температура воздуха переходит через рубеж в 8 С и в течение 4 дней не поднимается выше этого значения. Период оканчивается при устойчивом переходе среднесуточной температуры через 8 С весной – температура не должна опускаться ниже этой отметки в течение 4 дней. Четырехдневный период выбран исходя из средней продолжительности естественных синоптических периодов [80]. Также в качестве параметра, характеризующего затрат энергии на обогрев помещений зимой, рассматривается индекс потребления (ИП) топлива. Индекс потребления топлива ИП рассчитывается как сумма абсолютных величин отклонений среднесуточных значений температуры от порога комфортности, принятого в 20 С, в отопительный период [14]: ИП = Т – 20, (5.1) где Т – среднесуточная температура воздуха, С.
Средняя продолжительность ОП в Ижевске составила 218 дней, разброс продолжительности в течение изучаемого периода – 79 суток. В среднем отопительный период начинается в третьей декаде сентября и оканчивается в третьей декаде апреля (табл. 5.2).
Продолжительность ОП с момента начала до конца декабря L1 в среднем меньше продолжительности L2 с начала января до его окончания. То же касается и средних температур этих двух периодов (табл. 5.3).
С целью изучения климатических характеристик ОП в условиях изменяющегося климата рассматриваемый промежуток времени поделен на 10-летние периоды. Результаты представлены в таблице 5.4. Характеристики продолжительности отопительного периода за отрезки осреднения меняются незначительно, но средняя температура и сумма среднесуточных температур во временном разрезе увеличиваются. Как следствие, повышение температуры отопительного периода в Ижевске происходит главным образом не из-за сокращения продолжительности ОП, а из-за потепления.
Продолжительность ОП в период 2003-2014 гг. минимальна по сравнению с предыдущими периодами из-за более позднего его наступления осенью. Средние значения суммы среднесуточных температур и индекс потребления топлива также самые низкие.
Линейный тренд динамики продолжительности ОП, периодов L1 и L2, статистически незначим в отличие от тех же характеристик в г. Казань, где выявляется статистически значимая тенденция сокращения ОП за счет уменьшения его продолжительности в осенне-зимний сезон [80].
Разбив рассматриваемый период на четыре части и изучив временной ход продолжительности ОП каждой части, обнаруживается, что лишь в последние 20 лет происходит сокращение ОП, главным образом, за счет осенне-зимнего периода (табл. 5.5). Средняя температура ОП в Ижевске повысилась за весь период на 1,3 С со средней скоростью 0,19 С/10 лет (рис. 5.2 а).
Межгодовая динамика сумм отрицательных температур, отраженная на рисунке 5.2 б, повторяет динамику средней температуры и также показывает тенденцию к увеличению характеристики со средней скоростью 48 С/10 лет, в период 1960-2014 гг. эта скорость увеличилась до 61 С/10 лет (R2 = 0,11). Изменение данной характеристики в Ижевске существенное, учитывая, что средняя е величина составляет -1257 С, за 80 лет она увеличилась в среднем на 385 С, а в межгодовом разрезе характеристика изменяется от -2067 С (1941-1942 гг.) до -681 С (1989-1990 гг.).
Несмотря на то, что в последние десятилетия продолжительность волн холода в Ижевске уменьшается, и их абсолютные минимумы не достигают ранее зафиксированных рекордных значений, начиная с 2010 года средние температуры отопительного периода понизились за счет увеличения повторяемости морозов с температурой -20 С и ниже в условиях блокирующих антициклонов в январе-феврале.
Изменения климатических характеристик отопительного периода влияют на изменения расходуемого топлива. Анализ изменения данной характеристики за рассматриваемый период позволил выявить тенденцию к его уменьшению со скоростью -69 С/10 лет (рис. 5.3). В период 1960-2014 гг. скорость уменьшения равна -91 С/10 лет (R2 = 0,12).
Все вышеперечисленные временные изменения характеристик отопительного периода имеют важное значение для экономики региона – расходы на отопление в России составляют не менее 30-40 % общих расходов вырабатываемой тепловой энергии. Согласно оценкам, к концу XXI столетия ожидается существенное сокращение продолжительности ОП в центральной части Европейской территории России до 20-25 дней [52].
Также в работе рассмотрены корреляционные связи между характеристиками ОП и индексами циркуляции атмосферы, характеризующие вклад атмосферной циркуляции в термический режим холодного периода. Выявилось, что статистически значимые связи наблюдаются между температурой отопительного периода и Восточно-атлантическим колебанием EA (r = 0,36) в основном благодаря вкладу периода L2 (r = 0,39). Также выявлена связь температуры второго периода с индексом арктического колебания (r = 0,40), с которым связаны аномалии температуры на больших территориях.