Многолетние тенденции изменения температуры воздуха и величин атмосферных осадков в Санкт- Петербурге и их возможные экологические последствия

В.В. Дроздов, ФГОУ ВО «Российский государственный гидрометеорологический университет» (РГГМУ), Санкт-Петербург, vladidrozdov@yandex.ru

В последние десятилетия одним из приоритетов в научных исследованиях становится изучение колебаний климата на планете и их экосистемных и социально-экономических последствий. Осуществляется реализация Всемирной климатической программы под эгидой Всемирной метеорологической организации (WMO), Межправительственной океанографической комиссии (IOS), Международного научного совета и программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде (UNEP) [9].

Федеральная служба Российской Федерации по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды также регулярно составляет и публикует оценочные доклады об изменениях климата на территории России [1, 2]. Исходя из представленных в этих докладах результатов наблюдений, установлено, что за период с 1976-го по 2006 год среднее потепление по России достигло 1,33 °С. В целом анализ докладов Росгидромета позволяет прийти к выводу о том, что, начиная с конца 1970-х годов, во многих регионах Северного полушария стала наблюдаться тенденция к потеплению.

В Санкт-Петербурге и в Ленинградской области расположены важнейшие административные центры и высокотехнологичные промышленные предприятия, транспортные наземные и водные магистрали, а также ряд крупных сельскохозяйственных комплексов, функционирование которых находится в достаточно сильной зависимости от климата и его колебаний, в том числе от значений температуры воздуха в зимний период [3, 6].

Основной целью исследования являются оценка долговременных изменений среднегодовой и средней за зиму температуры воздуха, а также величин сумм атмосферных осадков за год в Санкт-Петербурге с 1900 года по настоящее время и обоснование возможных экологических последствий. Источником многолетних данных явились сведения, представленные на официальном сайте Института космических исследований им. Годдарда NASA [10].

Погода и климат Северной Атлантики и прилегающих к ней районов Северной Америки и Европы в значительной мере зависят от атмосферной циркуляции над Северной Атлантикой, которая представлена ситемами низкого и высокого давления. Центральная часть циклонической системы низкого давления расположена к юго-западу от о. Исландия, и по этой причине она получила название Исландской депрессии, или Исландского минимума давления (ИМД).

Южнее, в районе Азорских островов, находится центр антициклонической системы высокого давления, получивший название Азорского максимума давления (АзМД). Благодаря им в умеренных широтах над Северной Атлантикой постоянно осуществляется перенос воздушных масс с запада на восток [4, 5, 9]. Интенсивность переноса подвержена значительным колебаниям во времени вследствие того, что параметры центров действия, т. е. их положение в пространстве и выраженность, варьируют. За меру интенсивности западного переноса принимают разность атмосферного давления на станциях, расположенных около климатических центров действия. Эту разность давления, определяемую, как правило, в среднем за зимние месяцы, называют Северо-Атлантическим колебанием (North Atlantic Oscillation – NAO).

Существуют различные варианты индекса NAO. Наиболее часто используется разность давления между Азорскими островами (Понта-Делгада) и Исландией (Акурейри), осредненная за три зимних месяца (декабрь–февраль), – индекс NAO 1. Представляют его непосредственно в единицах давления (гПа) или в виде отклонения от среднего в долях дисперсии [10]. Несколько реже используют разности давления между пунктами Лиссабон (Португалия) и Стиккисхоульмюр (Исландия), осредненные за четыре зимних месяца (декабрь–март), – NAO 2 и другие подобные индексы.

Самой главной особенностью изменчивости интенсивности атмосферной циркуляции над Северной Атлантикой является ее исключительное ослабление в 1960-е годы, что находит свое подтверждение в характере колебаний значений всех индексов, и рост в конце 1980-х – начале 1990-х годов. В 1960-е годы резко снизился западный зональный перенос в умеренных широтах, был сильно ослаблен перенос теплых воздушных масс к северу над северо-востоком Северной Атлантики и холодных воздушных масс в южном направлении над северо-западом. Во второй половине 1980-х годов наблюдалось резкое возрастание интенсивности зональной циркуляции, которое никогда ранее за последнее столетие не проявлялось в столь значительных масштабах.

Существенно выше средней многолетней нормы значения индексов атмосферной циркуляции были также в 1995-м, в 1999–2000 годах, а также в 2003-м. Спектральный же анализ изменчивости индекса NAO показал, что наиболее значимыми периодами колебаний являются следующие (в порядке снижения значимости): 22, 10, 7,7, 36 и 4,5 года.

На рис. 1 представлена многолетняя динамика средней годовой и средней за зиму температуры воздуха в Санкт-Петербурге. Выполнены построение полиномиальных трендов и оценка их значимости. При рассмотрении всего периода наблюдений применительно к каждому из данных районов не удается обнаружить единую тенденцию. С начала XX века и до начала 1930-х годов значения температуры воздуха испытывали квазистационарные колебания. Затем (после непродолжительного роста в конце 1930-х) последовало резкое снижение средней годовой и средней за зиму температур воздуха в начале 1940-х годов. В 1956 году аномальное снижение температуры на 2–3 ºС ниже нормы повторилось. С конца 1970-х – начала 1980-х годов возникла тенденция к возрастанию средних годовых температур воздуха.

Таким образом, наблюдаемое за последние 30 лет потепление при анализе средних за год температур воздуха, очевидно, связано с некоторым ростом температур в летний сезон, в то время как зимние температуры практически не демонстрируют своего роста, как видно из рис. 1 б). Коэффициент корреляции между динамикой значений NAO 1 и средней за зиму температурой воздуха в Санкт-Петербурге r = 0,62 при уровне обеспеченности P = 99%, что говорит о том, что температурный режим и его изменчивость находятся в достаточно сильной зависимости от климатообразующих процессов в Северной Атлантике.

На рис. 2 представлена многолетняя динамика величин сумм атмосферных осадков в Санкт-Петербурге. Как видно из представленных данных, годовые величины осадков демонстрируют существенную межгодовую и многолетнюю изменчивость. Выделяются периоды относительного их снижения до значений 440–550 мм в год с 1900-х годов до 1913-го, с 1938 года по 1946-й, в середине 1960-х годов. Периоды относительного возрастания до значений 600–750 мм в год пришлись на середину 1930-х годов, и в особенности на первое десятилетие XXI века. Так, в 2003 году был зафиксирован абсолютный максимум за весь имеющийся ряд наблюдений – 912 мм в год. Высокие значения регистрировались также в 2009–2010 годах – 803 и 812 мм, в 2012-м – 863 мм, в 2016–2017 годах (866 и 821 мм в год соответственно).

Установлена тесная корреляционная связь между индексом атмосферной циркуляции NAO 1 и многолетней динамикой годовых сумм атмосферных осадков в Санкт-Петербурге. Соответствующий коэффициент корреляции r = 0,58 при P = 99%. В целом наблюдается достаточно выраженная тенденция к росту величин атмосферных осадков в Санкт-Петербурге за последние 20 лет. Наблюдавшиеся повышенные значения от 702 до 912 мм осадков суммарно за год свойственны, например, для Новороссийска, располагающегося в районе сухого субтропического климата.

Эти изменения на фоне роста температуры воздуха в среднем за год могут иметь ряд последствий, влияющих на экологическую безопасность в городской среде [6, 7].

Заключение

1. Выполненный анализ многолетних данных свидетельствует о том, что за последние 20–30 лет климатические особенности Санкт-Петербурга начали приобретать новые черты, свойственные некоторым приморским городам юга Европы. Это выразилось, в частности, в росте температур воздуха и объемах величин суммарных за год атмосферных осадков. Показано, что величины температур воздуха и суммы атмосферных осадков находятся в тесной зависимости от интенсивности циркуляции атмосферы над Северной Атлантикой, выражаемой в виде индексов NAO.
2. Основными экологическими последствиями наблюдаемых климатических изменений в Санкт-Петербурге могут являться:
• увеличение на 15–20% объема загрязненных вод ливневого поверхностного стока с улиц и площадей города, с промышленных площадок, поступающих в коллекторы и на очистные сооружения ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»;
• увеличение уровня воды в некоторых водотоках и водоемах Санкт-Петербурга, подтопление подвалов и цокольных этажей жилых зданий и промышленных объектов;
• подъем уровня грунтовых вод, осложняющий строительные работы и снижающий устойчивость различных зданий и сооружений;
• при продолжении тенденции к росту средних за год и в среднем за лето температур воздуха возможна перестройка структуры водных и наземных биоценозов – акклиматизация чужеродных нежелательных видов из других регионов;
• при перегрузке очистных сооружений дополнительными объемами вод ливневого стока возможно снижение качества очистки и обезвреживания сточных вод, развитие инфекционных заболеваний.
3. Необходимы дальнейшие комплексные исследования динамики климата в Санкт-Петербургском регионе и разработка соответствующих прогностических сценариев на среднесрочную и долгосрочные перспективы с учетом вероятных негативных экологических последствий. Эти последствия необходимо учитывать в планировании развития объектов жилищно-коммунального хозяйства и промышленности.

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект №FSZU 2020-0009.

Источники
1. Второй оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Техническое резюме. Под общей редакцией А.В. Фролова. М.: Росгидромет, 2014. – 94 с.
2. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2019 год. – Москва, Росгидромет, 2020. – 97 стр. ISBN 978-5-906099-58-7.
3. Глобальные и региональные изменения климата и их природные и социально-экономические последствия // Под. ред. В.М. Котлякова. М.: Геос, 2000. – 262 с.
4. Дроздов В.В. Влияние колебаний климата на динамику экосистем Балтийского и Белого морей. СПб.: Изд. РГГМУ, 2015. – 235 с.
5. Дроздов В.В., Косенко А.В. Многолетние тенденции изменения температуры воздуха в промышленно-хозяйственных центрах Северо-Западного и Центрального федерального округов России и их причины //Экология и промышленность России, 2017. – Т. 21. – №3. – С. 56 – 63.
6. Исаев А.А. Экологическая климатология. М.: Научный мир, 2002. – 456 с.
7. Маркус Т.А., Моррис Э.Н. Здания, климат и энергия: Пер. с англ.; под ред. Н.В. Кобышевой, Е.Г. Малявиной. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 543 с.
8. Смирнов Н.П., Воробьев В.Н., Кочанов С.Ю. Северо-Атлантическое колебание и климат. СПб.: Изд-во РГГМУ, 1998. – 122 c.
9. Official site. Program CLIVAR (Climate and Ocean: Variability, Predictability and Change). [Electronic resource]. URL: http://www.clivar.org (address date: 18.09.2020).
10. National Aeronautics and Space Administration. Goddard Institute for Space Studies (GISS). [Electronic resource]. URL: http://www.giss.nasa.gov. (address date: 05.10.2020).