Содержание к диссертации
Введение
Глава I Климатические события позднего плейстоцена и голоцена
1.1. Методы реконструкции климатов позднего плейстоцена и голоцена 8
1.2. Реконструкция климатов позднего плейстоцена и голоцена 21
1.3. Генезис колебаний климата в позднем плейстоцене и голоцене 39
Глава II Моделирование глобальных климатических событий позднего плейстоцена и голоцена
2.1. Основные принципы климатического моделирования 52
2.2. Международный проект по моделированию палеоклиматов (PMIP) 61
2.3. Глобальные климатические события позднего плейстоцена и голоцена по результатам PMIP 67
2.4. Моделирование климатических событий послеледниковья на примере молодого дриаса 81
Глава III Качество моделирования современного температурного режима и условий увлажнения Восточно-Европейской равнины
3.1. Методика валидации МОЦА и климатических данных 103
3.2. Оценка качества воспроизведения средних многолетних приземных климатических полей ансамблем МОЦА PMIP 116
3.3. Оценка качества воспроизведения климатических характеристик каждой МОЦА PMIP 131
Глава IV Моделирование температурного режима и условий увлажнения Восточно-Европейской равнины в условиях позднего плейстоцена и голоцена
4.1. Температурный режим и условия увлажнения Восточно-Европейской равнины в эпоху позднеплейстоценового криохрона 142
4.2. Температурный режим и условия увлажнения Восточно-Европейской равнины в голоцене 150
Глава V Моделирование вариаций речного стока с Восточно-Европейской равнины в позднем плейстоцене и голоцене и колебания уровней Черного и Каспийского морей .
5.1. Расчеты современного годового стока с Восточно-Европейской равнины на основе климатических данных и результатах численного моделирования 165
5.2. Годовой сток с Восточно-европейской равнины по результатам моделирования в эпоху позднеплейстоценового криохрона и в голоцене 180
5.3. Особенности гидрологического режима Восточно-Европейской равнины в эпоху молодого дриаса 186
5.4. Моделирование вариаций уровней Каспийского и Черного морей в позднем плейстоцене и голоцене 205
Заключение 217
Приложение 220
Список литературы
- Реконструкция климатов позднего плейстоцена и голоцена
- Международный проект по моделированию палеоклиматов (PMIP)
- Оценка качества воспроизведения средних многолетних приземных климатических полей ансамблем МОЦА PMIP
- Температурный режим и условия увлажнения Восточно-Европейской равнины в голоцене
Введение к работе
«Прошлое может стать ключом к настоящему и будущему»
В. Берггреп, Ван Куверинг.
Актуальность проблемы. Естественным этапом развития методологии климатического прогноза является исследование динамики современного климата, а также построение теории палеоклиматов. Климатическим событиям прошлых эпох принадлежит особая роль, поскольку они демонстрируют значительные отклонения состояния климата от современного. Кроме того, изучение климатов прошлого является одним из важнейших этапов решения задач эволюционной географии, поскольку позволяет понять механизмы изменений окружающей среды.
Исследования подобного рода должны основываться на синтезе данных палеоклиматических реконструкций и результатах численного моделирования. Задача моделирования климатов прошлого, с одной стороны имеет смысл оценки чувствительности моделей к изменчивости граничных условий и параметров, а с другой -физической интерпретации происходящих в прошлом климатических изменений. Учитывая разнородность и неоднозначность эмпирической информации о климатах прошлого, моделирование можно считать единственным инструментом согласования палеоклиматических индикаторов. Кроме того, проверка ряда палеогеографических гипотез, объясняющих различные природные феномены, такие, например, как крупномасштабные изменения растительного покрова суши или колебания уровня бессточных водоемов, возможна только с использованием моделирования климата. Современный уровень развития численного моделирования позволяет достаточно точно описывать основные черты глобального климата. Воспроизведение региональных
особенностей климата менее успешно, а именно это требуется для решения ряда прикладных задач, среди которых одной из наиболее важных является оценка реакции речного стока на климатические изменения. Для оценки качества результатов моделирования, а также в целях изучения генезиса крупномасштабных климатических колебаний, естественно использовать контрастные климатические события прошлого, причем те, которые достаточно полно обеспечены эмпирическими данными, позволяющими как задавать граничные условия, так и оценивать качество моделирования.
Цель работы состояла в изучении реакции термического состояния и гидрологического режима Восточно-Европейской равнины (ВЕР) на глобальные климатические изменения, происходившие во время позднеплейстоценового похолодания (18-21 тысяч календарных лет назад - т.к.л.н.), в конце позднеледниковья (10-11 т.к.л.н.), и в середине голоцена (5-6 т.к.л.н.). Современный уровень численного моделирования не позволяет надежно воспроизводить приземные поля климатических величин в условиях с резко неоднородными физико-географическими условиями (в горах, вблизи океанских побережий, в районах архипелагов островов, и т. д.). Этим мотивирован выбор в качестве объекта исследования обширной равнинной территории. ВЕР - это единственная на земном шаре часть суши умеренных широт с площадью более 5 млн. км , сочетающая в себе значительную пространственную однородность физико-географических условий и хорошую обеспеченность как данными гидрометеорологических наблюдений, так и результатами палеореконструкуций. С этой точки зрения именно ВЕР должна использоваться как эталонная территория при изучении качества моделирования климата.
В задачи исследования входило:
оценка качества воспроизводимого моделями современного термического и гидрологического режимов ВЕР (верификация моделей);
оценка изменений термического состояния, условий увлажнения и колебаний речного стока на ВЕР в контрастных климатических условиях прошлого;
изучение климатически обусловленных колебаний уровней Черного и Каспийского
морей, проявляющихся на временных масштабах порядка тысяч лет.
Научная новизна работы состоит в следующем:
выявлены главные причины долгопериодных колебаний климата ВЕР в последние
25 тыс. лет;
определены границы использования как результатов моделирования, так и данных
наблюдений для решения ряда задач климатологии и гидрологии;
выявлены главные причины долгопериодных колебаний стока с ВЕР за последние
25 тыс. лет;
выявлены главные причины вариаций уровней Черного и Каспийского морей в
последние 25 тыс. лет;
Практическая значимость. Создан алгоритм оценки качества моделирования, основанный на использовании интегральных климатических показателей. Оценена степень применимости МОЦА для оценки изменений природной среды крупных равнинных территорий на примере ВЕР. Продемонстрирована климатическая обусловленность крупных вариаций речного стока и уровней Каспийского и Черного морей. Полученные результаты могут быть использованы в курсах лекций по таким дисциплинам, как климатология, теория климата, палеогеография.
Структура работы. Работа состоит из V глав, введения и заключения. В главе I выполняется краткий обзор современных методов эмпирической палеоклиматологии, рассматриваются результаты реконструкций климатов позднего плейстоцена и голоцена, выполненные на основе различных палеоклиматических индикаторов. Обсуждается генезис глобальных изменений климата в позднем плейстоцене и голоцене. В главе II
формулируется постановка задачи численного моделирования климатов позднего плейстоцена и голоцена, решаемая в рамках международного проекта PMIP, приводится краткое описание МОЦА и МОЦО, участвующих в проекте и используемых в данной работе. Дается описание результатов моделирования глобальных особенностей климата позднеплейстоценового криохрона и оптимума голоцена. Также предпринимается попытка изучения генезиса дриасовых похолоданий: с помощью МОЦО ИВМ РАН оценивается отклик термохалинной циркуляции Северной Атлантики на сток талых ледниковых вод с североамериканского континента. В главе III описывается созданный в рамках данной работы алгоритм оценок модельного качества, приводятся результаты тестирования МОЦА на воспроизведение современного термического режима и условий увлажнения ВЕР. В главе IV рассматриваются результаты моделирования климатических условий позднеплейстоценового криохрона, молодого дриаса и оптимума голоцена на территории ВЕР, выполняется их сравнение с эмпирическими данными. Глава V посвящена изучению отклика гидрологического режима ВЕР на климатические аномалии в позднем плейстоцене и голоцене. Выполняется тестирование МОЦА, а также климатических архивов на воспроизведение современного гидрологического режима ВЕР. На основе данных моделирования оценивается годовой речной сток с ВЕР в эпохи позднеплейстоценового криохрона, молодого дриаса и теплых событий голоцена, а также вариации площадей и уровней Каспийского и Черного морей.
Реконструкция климатов позднего плейстоцена и голоцена
Минимальные значения 5 О соответствуют межледниковьям, или термохронам, и обозначаются нечетными числами (1,3,5,7,9,11). Так, изотопная стадия 1 соответствует современной теплой эпохе (голоцену), а стадия 2 -последнему оледенению (позднеплейстоценовый криохрон) [Imbrie, Hays, Martinson, et al., 1984.]. В [Shackelton et al., 1990; Bassinot et al, 1994], показано, что кривая 5180 достаточно надежно описывает колебания климата для последних 500 тыс. лет.
На рис. 1.2. представлены восстановленные в результате анализа изотопно-кислородный профиль [Imbrie, 1984] и профиль дейтерия [Котляков, Лориус, 1992.] за последние 150 тыс. лет. Кривые отражают разномасштабные колебания содержания изотопов. Можно выделить, по крайней мере, три масштаба колебаний. Первый соответствует колебаниям с периодом несколько десятков тысяч лет, второй - с периодом несколько тысячелетий, и, наконец, третий - с периодом несколько сотен лет. Высокочастотная изменчивость, которой соответствуют колебания глобального климата с периодом нескольких десятилетий, на этих кривых не отражается. геохимического анализа донных осадков свидетельствует о том, что дриасовым событиям соответствовал повышенный айсберговый и речной сток в Северную Атлантику [Broeker, 1989; Keegwen 1993; Esuer, 2001].
После событий позднеледниковья изотопные кривые свидетельствуют о довольно быстром и интенсивном потеплении, максимум которого прослеживается около 6 т. к. л.н. После этого пика началось постепенное понижение температуры. Современное глобальное потепление пока что не прослеживается на изотопных кривых, ибо его продолжительность пока слишком мала. Однако, рост глобальной температуры хорошо коррелирует с ростом содержания СОг в ледяных кернах.
Итак, изотопные данные, полученные в результате анализа морских отложений и данных, полученных из ледниковых кернов, позволяют: выявить глубокую отрицательную аномалию температуры и увлажнения в период 20-18 тыс. лет назад. выявить рост глобальной температуры и осадков в последние 15 тыс. лет с максимумами около 6 и 9 т.к.л.н. - диагносцировать существенные различия продолжительности криохронов и термохронов в четвертичном периоде: ледниковые эпохи длились, в среднем, около 100 тыс. лет, в то время, как теплые межстадиалы не более 20 тыс. лет. - выявить потепления с периодом несколько тысяч лет и даже сотен лет, происходившие на фоне ледниковых эпох, типа событий Дансгора-Эшкера, похолодания железного века .
Реконструкции динамики климата в позднем плейстоцене и голоцене Изотопные данные позволяют достаточно четко выявить глобальные изменений климата. Однако с их помощью невозможна количественная оценка климатических вариаций на региональном уровне, даже на масштабах целых материков. Результаты изучения ледяного керна со станции «Восток»: а) профиль дейтерия, Ь) - сглаженный профиль температуры - ее отклонение от современного значения на поверхности ледника, с) - изотопно-кислородный профиль по данным глубоководных отложений, d) - содержание СОг в пробах льда, е) - концентрация ЮВе.
Период 100-тысячелетнего низкого содержания дейтерия, и, напротив, высокого содержания изотопа 180, осложненный более высокочастотными колебаниями, соответствует плейстоценовому оледенению. Его максимум, известный в палеогеографии как вюрмское, валдайское, вислинское, висконсинское оледенение, отмечался около 20 т.к.л.н. Согласно одной из наиболее распространенных гипотез [Марков, 1967; Величко,1985; Величко,1989; Peltier,1995], эпоха поздиеплейстоценового криохрона характеризовалась возникновением и развитием мощного покровного и горного оледенения в Евразии и Северной Америке, а также значительным продвижением к югу морских льдов (в северном полушарии). Влага, аккумулировавшаяся в ледниковых покровах, поступала из Мирового океана, поэтому его уровень существенно понижался.
Поскольку данные о О характеризуют объемы континентального льда, то, используя их, нетрудно оценить величину понижения уровня моря. В [Кислов, 2001; Клиге, Данилов, Конищсв, 1998] отмечается, что на протяжении вюрмской эпохи уровень Мирового океана варьировался в пределах -70...-120 метров по сравнению с современным. К сожалению, количественные оценки у разных авторов отличаются более, чем на 50 метров, хотя, конечно, снижение уровня Мирового океана подтверждается всеми авторами. Изотопные кривые хорошо коррелируют с кривой изменчивости концентрации углекислого газа, которая на протяжении вюрмской эпохи была существенно понижена, колеблясь в пределах 200-240 ррт (рис. 1.1, 1.2.) [Котляков, Лориус 1992]. Хорошая согласованность колебаний температуры воздуха и вариаций СОг обеспечивается действием обратных связей между климатическим режимом и состоянием карбонатной системы. Помимо температурных изменений, данные ледниковых кернов свидетельствуют об общей аридизации климата на планете, что подтверждается существенным увеличением аэрозолей континентального происхождения в слоях льда, соответствующих позднему плейстоцену [Котляков, Лориус, 2000]. Отличительной чертой позднеплейстоценового похолодания является то, что оно было осложнено потеплениями с периодом несколько тысяч лет (рис. 1.1,1.2). Впервые эти вариации были обнаружены в результате анализа ледяных кернов «Кемп-Сенчури» и «Дай-Ш» в Гренландии, эти результаты надежно диагносцированы и известны под названием «события Дансгора-Эшгера» [Porter, Zhisheng, 1995]. Наличие схожих колебаний, полученных по данным керна «Восток» свидетельствуют о том, что эти события носили глобальный характер. Другой особенностью изотопных кривых отличается то, что переход от позднеплейстоценовой ледниковой эпохи произошел скачкообразно и очень быстро - в течение 10-15 тысяч лет. При этом продолжительность теплых межстадиалов была небольшой. Например, эпоха микулинского межледниковья, длилось всего 10-15 тысяч лет. Согласно изотопным данным, переход от позднеплейстоценового оледенения к теплому голоцену произошло около 15 т.к.л.н. [Котляков, Лориус, 1992]. Вопрос о границах голоцена до сих пор открыт. Так, согласно палеоклиматическим данным, собранным в Евразии, эта эпоха началась около 10 т.к.л.н. [Хотинский, 1984, Гричук, 1969; Величко, 1989]. На изотопных кривых, построенных по данным глубоководного бурения в Северной Атлантике, прослеживаются климатические колебания позднеледниковья (рис. 1.3-1.4) [Broecker, Andree, Wolli, 1988; Jansen, Venm, 1990; Keigwin, Jones, 1991; Waelbroeck, Labeyrie, 2002]. Эти похолодания, по всей видимости, зарождались в Северной Атлантике. В ряде работ [Broecker, Peteet, Rind, 1985] развиваются представления о том, что они являются следствием поступления талых вод Северную Атлантику, циркуляция которой в результате опреснения резко изменилась. Из рис. 1.3-1.4 можно видеть значительную несогласованность различных индикаторов, что делает интерпретацию климатических событий затруднительной.
Международный проект по моделированию палеоклиматов (PMIP)
Уже более 20 лет результаты численных климатических экспериментов сравниваются между собой в рамках крупнейших международных проектов, создаваемых обычно под эгидой ВМО (WMO) и Международной программы по исследованию климата (WCRP). Эти проекты направлены на решение различных задач. Но их объединяет одна общая идея - понять, насколько МОЦА адекватно и согласованно воспроизводят современные климатические условия и реагируют на возмущения внешних факторов. Под последними понимается изменение содержания углекислого газа в атмосфере, вариации инсоляции на ВГА, изменение площади оледенения, вулканические и техногенные выбросы аэрозолей, и т. д. В ходе такого рода проектов осуществляется два типа численных экспериментов. Первый - так называемый «тестовый», направлен на воспроизведение современного климата. Задается современная конфигурация материков и океанов, площадь оледенения и морских льдов, химический состав атмосферы, параметры земной орбиты и солнечная постоянная. Результатом такого эксперимента должны быть адекватно воспроизведенные поля метеорологических величин, характеризующих современный климат. Следующим шагом является «возмущенный эксперимент», который направлен на воспроизведение реакции климатической системы на изменения внешних факторов. Результаты «возмущенного эксперимента» обычно сравниваются с результатами тестового, причем обязательно оценивается статистическая значимость получающегося отклика, например с помощью t-критерия Стыодента.
Климатическое моделирование представляет собой задачи двух типов [Лоренц, 1970]. При решении задачи климатического прогноза первого рода нестационарные уравнения модели интегрируются по времени от конкретного начального состояния на большой промежуток времени, значительно превышающий предел предсказуемости погоды. Поэтому качество и детали начальных полей здесь не так важны, как при решении задачи прогноза погоды. При решении задачи первого рода внешние факторы, или их группа задаются в виде меняющейся во времени функции. В задаче прогноза климата второго рода уравнения интегрируются по времени до наступления стационарного режима. При этом изменение внешних параметров модели на какую-либо величину должно вызвать «отклик» - реакцию модельного климата на изменчивость внешних факторов.
Рассмотрим кратко основные международные программы, направленные на численное моделирование климата и его изменений. В первую очередь следует отметить проекты AMIPI и AMIPII [Gates, 1992]. Главной задачей этих программ является воспроизведение современного климата, а также оценка его будущих изменений. «Базовый эксперимент» осуществляется путем интегрирования моделей на 17 лет, возмущенные эксперименты строятся по типу задачи климатического прогноза 1-го рода. Интегрирование МОЦА осуществляется на ряд лет, при этом ТПО и распределение морского льда задаются меняющимися во времени (согласно данным наблюдений). Программа CMIP преследует те же цели, что и AMIP, но в ее рамках действуют совместные модели океана и атмосферы. Существует также проект SMIP (Seasonal Modeling Intercomparison Project), созданный специально для того, чтобы усовершенствовать моделирование сезонной изменчивости метеорологических характеристик.
Результаты исследований состояний климатов будущего, выполняемых с помощью численного моделирования, собираются под эгидой крупнейшей межправительственной программы по изменениям климата [IPCC, 2000] В соответствие с разрабатываемыми сценариями развития мировой экономики задается меняющееся во времени содержание СОг в атмосфере, выполняются соответствующие численные эксперименты на 50 и 100 лет (на 2050 и 2100 гг). Участвующие в проектах МОЦА различаются между собой по чувствительности, которая определяется различным пространственным разрешением, использованием разных методов численного решения, полнотой параметризация и богатством реализуемых обратных связей. В результате разброс оценок будущих изменений даже средней планетарной температуры очень велик - на 2100 год аномалии отличаются от +0.5 до +2 С [IPCC, 2000; Кислов,2001].
Особое место среди перечисленных международных проектов занимает PMIP [Joussaume, Taylor 2000], ориентированный на моделирование климатических событий прошлого. Диссертационная работа ориентирована на моделирование климатических событий прошлого, поэтому в ней широко используются результаты численных экспериментов, проведенных в рамках PMIP.
Проект PMIP (Paleoclimate Modeling Intercomparison Project) стартовал в 1991 году. В рамках проекта решались следующие задачи: во-первых, с помощью физически обоснованных МОЦА подтвердить или опровергнуть те или иные гипотезы генезиса глобальных и региональных изменений климата в прошлом, во-вторых, с одной стороны, согласовать разрозненные и нередко противоречащие друг другу данные палеогеографических реконструкций, а с другой - оценить качество модельных расчетов; и, наконец, в-третьих - оценить чувствительность МОЦА к сильной изменчивости внешних параметров. Ведь если МОЦА адекватно воспроизводит климатический режим относительно недалекого прошлого, то высока вероятность того, что она, в общих чертах, верно воспроизведет климат будущего.
Оценка качества воспроизведения средних многолетних приземных климатических полей ансамблем МОЦА PMIP
Основные закономерности глобального распределения температуры (широтная зональность, влияние материков и океанов, а также мегаформ рельефа) воспроизведены моделями верно. Успешно моделируются и черты сезонного хода температуры. Ансамблем МОЦА воспроизведен январский «полюс холода» в Восточной Сибири и Якутии, и менее выраженный, аналогичный очаг в Канаде, в то время, как в Южном полушарии самым жарким оказывается австралийский материк. В июле обширный очаг тепла занимает Сахару, Аравийский полуостров, а также Среднюю Азию. Можно уверенно говорить, что на качественном уровне модели успешно воспроизводят особенности среднего многолетнего поля температуры.
Однако, когда речь идет о количественных оценках, то оказывается, что в отдельных регионах даже ансамбль МОЦА генерирует значительные ошибки (рис. 3.3). Постоянство ошибок над океанами связано с тем, что приземная температура, рассчитываемая МОЦА приспосабливается к постоянной ТПО, задаваемой в качестве граничного условия. В умеренной зоне, над континентами, как правило, МОЦА генерируют более «континентальный» климат с зимой, которая оказывается холоднее реальной на 2-3 С, и летом, более теплым на такую же величину. В горных районах (Тибет-Гималаи, Анды, Кавказ), а также в регионах с большой ландшафтной мозаичностью и сложной береговой линией (например, Средиземноморье) величина ошибки для средне сезонных значений приземной температуры достигает по модулю 6-8 С. Как правило, МОЦА «перегревают» горные районы, а также зону средиземноморского субтропического климата, Среднюю Азию. Скорее всего, это связано с недоучетом свойств подстилающей поверхности (в частности, сглаженная орография, задаваемая в силу грубого разрешения МОЦА и отсутствие горного оледенения).
На рис. 3.4 показаны воспроизведенные МОЦА суммы глобальных месячных осадков для января и июля. Также, как и в случае с температурой воздуха, можно отметить неплохое качественное соответствие модельного поля глобальных осадков реально наблюдаемому. В зимние месяцы (рис. 3.4 а) хорошо прослеживается австралийский и мадагаскарский муссоны; зоны значительных осадков с Северной Атлантики и Средиземноморья распространяются на Западную и Юго-Восточную Европу (бывшую Югославию, Болгарию, Румынию); максимумы месячных сумм осадков, как и положено, располагаются над Индонезией, и Амазонией. Однако на количественном уровне вновь проявляются существенные ошибки (рис. 3.5). Так, большинство МОЦА воспроизводят слишком большие суммы осадков в областях субтропических антициклонов в Южном полушарии, здесь ошибки, осредненные за зимний сезон, достигают 100 %. Слишком глубоко на юг проникает австралийский муссон, в результате чего зимой осадков, по данным ансамбля МОЦА, на большей части территории австралийских полупустынь и пустынь выпадает на 75-125% больше, чем в реальности. На такую же величину больше осадков выпадает в июле в зоне индийского муссона.
Ансамбль МОЦА существенно переувлажняет тропические пустыни - Сахару, Намиб, Руб-Эль-Хали летом (при том, что в зимние месяцы МОЦА генерируют здесь небольшой дефицит осадков). Здесь ошибки для летних месяцев достигают 300-400 %. Правда, необходимо помнить, что реально наблюдаемые летние суммы здесь, в основном, не превышают 15 мм, поэтому ошибка в 300-400 мм означает, что «модельная» летняя сумма осадков здесь составляет 45-55 мм, что все равно соответствует засушливому климату. Воспроизводимая МОЦА положительная аномалия осадков в этом регионе, скорее всего, связана со слишком глубоким проникновением вглубь африканского континента гвинейского муссона, которое происходит из-за того, что большинство МОЦА «перегревают» континентальную Африку. При том, что ТПО в экспериментах фиксирована, увеличивается термический градиент между разогретым материком и не меняющимся океаном, в результате чего активизируется муссонная циркуляция. Как летом, так и зимой большинство МОЦА неадекватно воспроизводят осадки в районах со сложным рельефом - Гималаях, Андах, на Большом Кавказе, а также в Антарктиде и над Канадским Арктическим Архипелагом. Перейдем к оценке качества воспроизведения ансамблем МОЦА приземных климатических характеристик на территории ВЕР. На рис. 3.6. представлена среднегодовая ошибка температуры, воспроизведенная ансамблем МОЦА. Ансамблевое значение «модельной» температуры сравнивается с реальным температурным полем, полученным путем осреднения 3 видов климатической информации: реанализов NCEP/NCAR, ECMWF, а также архива LEEMENS. Видно значительное завышение среднегодовой приземной температуры воздуха в степной зоне ВЕР (южнее 50 с.ш.) и на Северном Кавказе, которое составляет 2-3С (рис. 3.6., а). В то же время, в таежной и тундровой зонах ВЕР (севернее 60с.ш.) среднегодовая температура по ансамблю МОЦА получилась на 1-2 С ниже фактической. Межмодельный разброс среднегодовой температуры воздуха по ВЕР весьма велик - для среднегодовой температуры его величина меняется от 2 до 3 С (рис. 3.66). Это означает, что МОЦА воспроизводят климат региона несогласованно. На (рис. 3.7а) изображена среднегодовая относительная ошибка осадков, осредненная по территории ВЕР. Положительная «аномалия» (на 20-30 % больше нормы) охватила северные районы, отрицательная (на 10-15 % меньше нормы) занимает южные районы. Выявлен значительный межмодельный разброс (рис. 3.7 б) осадков, который даже на равнинной части ВЕР достигает 35-40 % от годовой нормы осадков, а вблизи побережий и в горных районах превышает 50%. Примерно такие же значительные погрешности получены и для поля испарения
Температурный режим и условия увлажнения Восточно-Европейской равнины в голоцене
Периодизация голоцена традиционно осуществляется с помощью схемы Блитта-Сернандера, основанной на анализе палинологических разрезов Южной Швеции (Глава 1).Эта схема в адаптированном виде используется также при описании изменений климата ВЕР [Хотинский, 1984] С этих позиций, голоцен, по крайней мере, на территории Евразии делится на 5 подпериодов.
Предбореал. Предбореал (10.2-9.5 т.к.л.н.) - период господства березовых и сосновых лесов, развивавшихся во многих районах северо-западной и центральной части Европы в условиях сравнительно прохладного и сухого климата, характерного для позднеледниковья. Хронологическое положение этой границы, которая является границей всего голоцена, определяется примерно датой в 10 200 лет. Предбореал наступил сразу после верхнего дриаса, унаследовав многие черты природной обстановке этой эпохи. Так, на северо-западе и севере ВЕР в эту эпоху еще сохранялась вечная мерзлота и сопутствующая ей стлапиковая и травянистая растительность. На Кольском полуострове еще сохранялось горно-покровное оледенение. В целом, предбореал характеризовался постепенным нарастанием тепла на ВЕР. Вместе с тем, в [Хотинский, 1984] отмечается, что в эпоху предбореала на северо-западе Русской равнины сохранялась значительная отрицательная аномалия годовой температуры, составляющая 3-4 С и особенно проявляющаяся зимой. Количество осадков в предбореальное время на ВЕР существенно не увеличилось.
В эпоху бореала (9.5-8.0 т.к.л.н.) вечная мерзлота и остатки ледникового покрова на Кольском полуострове и в Скандинавии окончательно исчезли. На севере ВЕР начали развиваться тундровые сообщества, в то время как на остальной территории ВЕР началось бурное развитие таежных, смешанных и широколиственных лесов. Эта кардинальная смена природной обстановки была связана с нарастанием тепла и количества осадков на территории ВЕР.
Оптимум голоцена. После предбореала наступил самый теплый период голоцена -атлантический оптимум (8.0 - 5.0 тыс. лет). Он состоял из двух теплых эпох, разделенных относительно холодным межстадиалом (Глава I, табл. 1.3) - бореалыюго оптимума (на территории ВЕР 8.0-7.0 т.к.л.н.) и атлантического оптимума (6-5 т.к.л.н.) - самой теплой эпохи голоцена, когда средняя планетарная температура была на 1.2-1.5 С. Поскольку этот срез палеовремени является каноническим для численного моделирования, и ,в частности, в данной работе ему уделяется много внимания, рассмотрим подробнее результаты эмпирических реконструкций климата для эпохи 6 т.к.л.н.
Относительные отклонения средней многолетней годовой суммы осадков от современной (в %) в эпоху оптимума голоцена для а) января, б) июля, полученные по эмпирическим данным [Борзенкова, и др., 1992; Величко и др., 1987].
Так называемый «атлантический оптимум» является периодом расцвета лесов во всей Европе, в том числе и на ВЕР. Средняя годовая температура воздуха в этот период была выше современной, согласно палеоботаническим реконструкциям, в субарктике на 2-2.5 градуса, в средней полосе на 1.5-2 градуса, а в субтропической Европе - на 1.5-2 градуса [Величко, Климанов, Беляев, 1991; Борзенкова, 2002]. То есть, в целом, региональные изменения климата соответствовали глобальным. Максимальные положительные аномалии температуры наблюдались в зимние месяцы в высоких широтах, а минимальные - летом в Средиземноморье и в Средней Азии (рис. 4.5). По характеру пространственно и сезонного распределения температурных аномалий, эпоха оптимума голоцена напоминает современное потепление [Борзенкова, 2002]. Осадков по результатам реконструкций выпадало несколько больше, чем в условиях современного климата. Согласно реконструкциям, выполненным в [Величко, Климанов, Беляев, 1991;
Борзенкова, 2002], в высоких широтах положительная аномалия годовой суммы осадков достигала 100 мм (20-25 % от современной нормы), однако, в средней полосе суммы осадков существенно не отличались от современных, и были даже немного ниже (на 50-60 мм, или на 10-15 % от месячной нормы) (рис. 4.6.). Однако, как уже отмечалось в главе I, точность реконструкций осадков в умеренной зоне составляет 25-50 мм, то есть реконструируемые аномалии оказываются вблизи предела точности метода. Поэтому трудно судить о том, был ли климат 6 т.к.л.н. суше, чем современный. Однако, опираясь на эмпирические данные, можно с уверенностью говорить о том, что он был, по крайней мере, не влажнее современного.
Следует отметить, что, как и между результатами различных МОЦА, так и между данными палеореконструкций климата даже такой недалекой эпохи, как теплые события голоцена, существуют значительные расхождения. Далеко не все результаты реконструкций выявляют картину распределения аномалий температурного режима, изображенной на рис. 4.1. Например, в работе [Васильчук, 2000] показано, что 6 т.к.л.н. максимальные аномалии температуры были приурочены к внутриконтинентальным районам Европы, а не к приполярным и полярным широтам. Существуют разногласия и касаемо условий увлажнения ВЕР. Так, в работе [Тарасов, 1997} представлена обобщенная картина поведения уровней семи небольших озер, расположенных на ВЕР. С начала голоцена здесь наблюдалось постоянное понижение уровня, причем минимальные отметки зафиксированы 4 т.к.л.н. После этого произошел небольшой рост уровней, с локальным максимумом около 2 т.к.л.н., а затем, вновь его понижение до современных значений. По другим данным реконструкций [Sidorchuk, Panin, Borisova, 2000], на протяжении практически всего голоцена осадков в центральных районах ВЕР выпадало на 15-20 % больше, чем в настоящее время.
Несмотря на существенные расхождения между различными эмпирическими данными, все исследователи сходятся в том, что климат 6 т.к.л.н. на территории ВЕР был теплее современного, а осадков на большей части ВЕР выпадало больше, чем в предшествующие холодные эпохи позднеледниковья и позднеплейстоценового криохрона. Улучшение климатических условий способствовало широкому распространению лесной растительности от арктического побережья, где господствовала тайга, до Азовского моря, на побережье которого были широколиственные леса. Лесостепная зона оказалась «прижатой» к кавказским горам, занимая только лишь площади современного Краснодарского и Ставропольского края.
Суббореальный период. Атлантический оптимум сменил суббореальный период, продолжавшийся около 3 тыс. лет (5.0 - 2.0 т.к.л.н.). Этот период характеризовался постепенным понижением температуры воздуха на ВЕР до современных значений. В эту эпоху на ВЕР сформировалась современная картина природной зональности, то есть юг России, Поволжье и Черноземье заняли степи, субарктику - тундры, северные области Украины, Польшу, Белоруссию, и среднюю полосу России - широколиственные и смешанные леса, а остальную территорию - таежные сообщества. Некоторое сокращение площади лесов является признаком того, что предбореал был несколько суше эпохи атлантического оптимума.
Субатлантический период. Последние 2 тыс. лет продолжается субатлантический период голоцена. Следует отметить, что в субатлантическое время наблюдалось несколько колебаний с периодом несколько сотен лет. Так, 2.5 -1.5 т.к.л.н. отмечалось понижение средней планетарной температуры, так называемое «похолодание железного века». Пик этого похолодания, наблюдавшийся в IV веке, оказался ниже современной глобальной температуры примерно на 0.5 градусов. Этот период сменился небольшим потеплением, которое проявилось в IX-XIV веках, известное под названием «средневекового потепления». Средняя планетарная температура воздуха вернулась в современное русло и даже на 0.3-0.4 градуса превысило его. Надо сказать, что оно уже имеет многочисленные подтверждения в летописях. В XVI-XIX веках случилось довольно резкое понижение средней планетарной температуры, пик которого пришелся на вторую половину XVIII - начало XIX века. Его называют «малой ледниковой эпохой». Средняя планетарная температура в это время понизилась почти на 1 градус, оказавшись ниже современной на 0.8-1.0 С. За 300 лет существенного изменения в структуре географической зональности не произошло в силу значительной инертности биосферы и сравнительно небольшом масштабе похолодания. Тем не менее, есть гляциологические свидетельства того, что объем горного оледенения Кавказа и Альп в те времена на 25-30 % превышал современный. Отразилась малая ледниковая эпоха и в некотором уменьшении уровня озер и расходов рек на ВЕР.
Современное потепление. С начала XX века средняя планетарная температура воздуха начала расти, в последние 30 лет этот рост принял экспоненциальный характер. Подобных изменений термического режима планеты в последние 20 000 лет не наблюдалось. Современное потепление хорошо коррелирует с антропогенным ростом парниковых газов в атмосфере [Будыко], однако пока что это изменение глобального климата не вышло за рамки квазидекадной изменчивости климата
