Экологический мониторинг и моделирование экосистем т. XXXIV, № 3-4, 2023

Environmental Monitoring and Ecosystem Modelling v. XXXIV, № 3-4, 2023

DOI:10.21513/0207-2564-2023-3-4-17-44 УДК: 551.513:551.515.1

Изменения статистики экстремумов

температурного режима в зернопроизводящих регионах

юга Европейской России и Западной Сибири

М.Ю. Бардин1),2),3)*, Т.В. Платова1), И.О. Попов1)

1)Институт глобального климата и экологии имени академика Ю.А. Израэля,

Российская Федерация, 107258, Москва, ул. Глебовская, 20Б

2)Институт географии РАН,

Российская Федерация, 119017, Москва, Старомонетный переулок, д. 29, стр. 4

3)Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН,

Российская Федерация, 119017, Москва, Пыжевский пер., д. 3, стр. 1

*Адрес для переписки: mick-bardi@yandex.ru

Реферат. Исследуется статистика некоторых индексов экстремальности

средней температуры ряда регионов юга РФ, а именно, сезонной повторяемо-

сти региональных температур, превышающих 95-й процентиль и не достигаю-

щих 5-го процентиля, а также для волн тепла и холода, их сезонное количество

и суммарная продолжительность. Анализируются особенности изменчивости

индексов экстремальности для регионов юга европейской части России (ЕЧР) с

начала ХХ столетия, для юга Западной Сибири – с середины 1930-х гг., включая

колебания масштаба десятилетий и тенденции изменения в период глобального

потепления. Рассматривается структура волн: географическое распределение

аномалий температуры воздуха в период осуществления волн на территории

Российской Федерации, крупномасштабные циркуляционные условия, сопро-

вождавшие волны тепла и холода, с использованием композитного анализа. В

целом структура тропосферной циркуляции для волн тепла юга ЕЧР соответ-

ствует отрицательной фазе ведущей циркуляционной моды Восточная Атлан-

тика – Западная Россия (ВАЗР); показано, в частности, что в месяцы

осуществления длительных волн тепла над югом ЕЧР статистика индекса ВАЗР

значительно смещается в сторону отрицательных значений, которые ассоции-

руются с положительными аномалиями температуры поверхности океана

(ТПО) в Северной Атлантике; при этом резко возрастает блокирующая антици-

клоническая активность на территории ЕЧР. Наблюдающийся в последние

десятилетия нисходящий тренд индекса ВАЗР и ожидаемый при потеплении

рост ТПО усиливают риск засухи в основных зернопроизводящих районах ЕЧР.

С другой стороны, на юге Западной Сибири волны тепла реже, менее продол-

жительны, и максимальные температуры в них в среднем на 2-4ºС ниже, чем на

юге ЕЧР. Обсуждается возможное использование полученных результатов о

различии интенсивности и продолжительности волн тепла и холода и их изме-

нениях для целей выработки рекомендаций по адаптации сельского хозяйства

РФ к условиям современного потепления.

ИССЛЕДОВАНИЯ

Бардин М.Ю., Платова Т.В., Попов И.О.

Bardin M.Yu., Platova T.V., Popov I.O.

Ключевые слова. Глобальное потепление, волны тепла, блокинг, моды

атмосферной циркуляции.

Changes in statistics of temperature extremes

in crop-yielding regions

of southern European Russia and Western Siberia

M.Yu. Bardin 1),2),3)*, T.V. Platova1), I.O. Popov 1)

1)Yu.A. Izrael Institute of Global Climate and Ecology,

20B, Glebovskaya str., 107058, Moscow, Russian Federation

2) Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences,

29, Staromonetny lane, 109017, Moscow, Russian Federation

3) A.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics of Russian Academy of Sciences,

3, Pyzhyovskiy lаne, 119017, Moscow, Russian Federation

*Correspondence address: mick-bardi@yandex.ru

Abstract. The statistics of certain indices of extreme average temperature in

some regions of the south of the Russian Federation, namely, the seasonal

frequency of regional temperatures exceeding the 95th percentile, and those below

the 5th percentile, as well as seasonal number and total duration of heat and cold

waves are studied. Specific features in variability of indices, including variations

on the decadal scale and trends in the period of global warming are analyzed for the

regions of the south of the European Russia (ER) since the beginning of the 20th

century, and since the mid-1930s for the south of Western Siberia. The structure of

waves is considered: the geographical distribution of air temperature anomalies on

the territory of the Russian Federation during the periods of wave existence, large-

scale circulation patterns that accompanied heat and cold waves, using a composite

analysis. Generally, the structure of the tropospheric circulation associated with

heat waves in the south of the ER corresponds to the negative phase of the leading

circulation mode East Atlantic – Western Russia (EA/WR); it has been shown, in

particular, that the statistics of the EA/WR index is significantly shifted towards

negative values for the months with long heat waves over the south of the ER,

which, as shown earlier, is associated with positive sea surface temperature (SST)

anomalies in the North Atlantic and, in its turn, sharply increased blocking

anticyclonic activity in the ER. The downward trend of the EA/WR index observed

in recent decades and the increase in SST expected with warming enhance the risk

of drought in the main grain-producing regions of the ER. On the other hand, in the

south of Western Siberia, heat waves are less frequent, shorter, and the maximum

temperatures in them are on average 2-4 degrees lower than in the south of the ER.

The possible use of the obtained results on the difference in the intensity and

duration of heat and cold waves and their changes for the purpose of developing

recommendations for adapting the agriculture of the Russian Federation to the

conditions of current warming is discussed.

Keywords. Global wasrming, heat waves, blocking, atmospheric circulation

modes.

Экологический мониторинг и моделирование экосистем, т. XXXIV, № 3-4, 2023

Environmental Monitoring and Ecosystem Modelling, v. XXXIV, № 3-4, 2023

Введение

Изменения частоты и интенсивности погодно-климатических экстрему-

мов при глобальном потеплении, по-видимому, более существенны с точки

зрения рисков для природных и техногенных систем, чем изменения средне-

сезонных температур. В частности, как экстремальные температуры, так и, в

особенности, продолжительные волны тепла и холода, могут оказывать

неблагоприятные воздействия на сельскохозяйственное производство. Волны

тепла, с которыми ассоциируется возникновение засушливых условий, осо-

бенно в семиаридных регионах, отрицательно сказываются на урожаях сель-

скохозяйственных культур. Кроме того, продолжительные периоды жары

оказывают значительный негативный эффект на здоровье населения. При

этом, как указывается в отчётах Межправительственной группы экспертов по

изменению климата (МГЭИК) (IPCC, 2018; IPCC, 2021), в большинстве реги-

онов суши отмечается рост экстремально теплых температурных режимов,

включая волны тепла. Высока вероятность, что экстремальные температуры в

XXI веке в ряде регионов будут расти с темпами, значительно превышаю-

щими скорость глобального потепления.

Основной причиной наблюдаемых изменений повторяемости и интен-

сивности температурных экстремумов является глобальное потепление, кото-

рое на региональном уровне модулируется крупномасштабной атмосферной

циркуляцией. В настоящее время нет достаточного понимания того, как изме-

нения атмосферной динамики при потеплении воздействуют на локализацию

и масштаб погодно-климатических экстремумов, ни как потепление воздей-

ствует на изменчивость циркуляции (IPCC, 2021). Однако, несмотря на огром-

ную территорию России, а также ключевую роль крупных зернопроиз-

водящих регионов России и их подверженность экстремальным погодно-кли-

матическими явлениям, в 6-м отчете 1-й Рабочей группы МГЭИК (IPCC,

2021) почти нет ссылок на работы российских ученых, а немногие имеющи-

еся (их всего 4) посвящены экстремальным режимам осадков. В предыдущих

работах авторов и их сотрудников, а также в соавторстве с коллегами из дру-

гих институтов и университетов России, содержатся результаты об изменении

повторяемости сезонного числа дней с экстремально высокими и низкими

температурами воздуха на станциях европейской части России (ЕЧР) (Бардин,

Платова, 2019, 2020; Бардин и др., 2020), Причерноморского региона (Кова-

ленко и др., 2017). В (Бардин и др., 2019; Черенкова и др., 2020) рассмотрена

связь блокирующей антициклонической активности с ведущими климатиче-

скими модами атлантико-европейского сектора. Связи температуры поверх-

ности океана с атмосферной циркуляцией анализируются в (Семенов,

Черенкова, 2018), с экстремальными температурными режимами и засухой в

(Семенов и др., 2016; Черенкова и др., 2020; Бардин и др., 2023). В настоящей

работе рассмотрены вопросы, связанные с крупномасштабными волнами

тепла в важнейших зернопроизводящих регионах юга ЕЧР и Западной

Сибири.

Бардин М.Ю., Платова Т.В., Попов И.О.

Bardin M.Yu., Platova T.V., Popov I.O.

Данные и методы

Крупномасштабные региональные волны тепла определялись, как

достаточно длительные (от 5 дней) эпизоды со средней величиной аномалии

температуры крупного региона выше заданного процентильного порога

90%. Для анализа были выбраны следующие крупные регионы: в ЕЧР 42-

48ос.ш., 35-50ов.д., включающие Северокавказский, Южный федеральные

округа (ФО) и новые регионы России (далее сокращенно СК), 48-54ос.ш.,

35-60ов.д. – части Центрального и Приволжского ФО (ЦЧ); в азиатской

части России 52-58ос.ш., 62-90ов.д. – юг Западной Сибири (ЮЗС), включая

Тюменскую, Омскую, Новосибирскую, Томскую, Кемеровскую области и

Алтайский край.

Данные для анализа были выбраны из массива суточных станцион-

ных температур и сумм осадков, поддерживаемого во ВНИИГМИ-МЦД

(Булыгина и др., 2014; Razuvaev et al., 1993). Массив содержит данные

метеорологических наблюдений средней суточной, минимальной и макси-

мальной температур и суточных сумм осадков 518 станций РФ и неболь-

шого числа станций ближнего зарубежья. Самые длинные ряды

начинаются со второй половины XIX века, но таких станций совсем

немного; больше станций имеют ряды с начала ХХ века, в основном в ЕЧР,

в азиатской части достаточное для региональных осреднений число стан-

ций имеют ряды с 1936 г.

Для расчета индексов сезонного числа волн тепла (NНW) и холода

(NСW), сезонной продолжительности волн тепла (NDHW) и холода (NDСW),

числа дней с температурой выше 95-го процентиля (ND95) и ниже 5-го

(ND05) выбраны станции, имеющие наиболее длинные ряды наблюдений и

позволяющие для юга ЕЧР рассчитать эти индексы с 1901 г. (20 для СК, 21

для ЦЧ), а для юга Западной Сибири с 1936 г. – 31 станция. Под 95 (90) про-

центилями понимаются значения температуры, выше которых имеется 5%

(10%) всей выборки: эти процентили будем обозначать Р95 (Р90). Соответ-

ственно, Р05 (Р10) – значения температуры, ниже которых имеется 5% (10%)

всей выборки.

Для анализа географического распределения аномалии температуры и

условий атмосферной циркуляции на поверхности Н500, на фоне которых

развиваются такие волны, использован композитный метод. Для расчета

композитов – условных средних при осуществлении волны тепла в регионе

–полей геопотенциала Н500 использованы суточные данные реанализа

NCEP/NCAR (Kalnay et al., 1996) с разрешением 2.5о. Для анализа распреде-

ления аномалий температуры на всей территории РФ – данные 367 станций

упомянутого архива ВНИИГМИ-МЦД с наименьшим числом пропусков с

1951 года.

Индексы ведущих мод атмосферной циркуляции определены в

(Barnston, Livezey, 1987); данные доступны на сайте: https://www.cpc.

ncep.noaa.gov/data/teledoc/telecontents.shtml. В настоящей работе при анализе

использованы 4 моды атлантико-европейского сектора. Североатлантическое

Экологический мониторинг и моделирование экосистем, т. XXXIV, № 3-4, 2023

Environmental Monitoring and Ecosystem Modelling, v. XXXIV, № 3-4, 2023

колебание (САК), представляет собой диполь в поле давления над Северной

Атлантикой с центрами (летом) в районе Исландского минимума – юга

Гренландии и у побережья Северной Америки на широте 45-50о. Его поло-

жительная (сильная) фаза характеризуется усилением циклонической цир-

куляции на севере и/или антициклонической циркуляции южнее, что

вызывает усиление западного переноса в секторе и вынос холодного атлан-

тического воздуха на континент. В отрицательной фазе наблюдается проти-

воположная картина. Летняя мода Восточная Атлантика – Запад России

(ВАЗР) в отрицательной фазе определяется положительными аномалиями

давления над ЕЧР и Северной Атлантикой; при этом над ЕЧР резко усилива-

ется антициклоническая блокирующая активность. Скандинавская мода

(СКАНД) в положительной фазе определяется повышенным давлением в

районе Скандинавии и характеризуется повышенной блокирующей актив-

ностью над Норвежским и Северным морями и на севере ЕЧР. Восточно-

Атлантическая мода (ВА), по сути, представляет собой такой же диполь, как

САК, но смещенный на юго-восток.

Графики временных рядов подготовлены с использованием ПО Golden

Software Grapher 8.2; карты-схемы композитов – с использованием Golden

Software Surfer 13.0. Метод интерполяции – кригинг; модель вариограммы –

линейная; множество влияющих станций ограничено: радиус влияния по

широте 5о, по долготе 10о.

Результаты

Юг Западной Сибири

Для Западной Сибири анализировались изменения статистик темпера-

турных экстремумов, начиная с 1936 г. (рис. 1), поскольку более ранних дан-

ных мало, и они распределены очень неравномерно по региону, так что

оценки региональных температур нерепрезентативны.

Всего за период 1936-2021 гг. было 36 летних сезонов с волнами тепла

(42%); до 1976 г. только в одном 1969 году было 2 волны: в начале июля – 14

дней, самая длинная наблюдавшаяся волна (волна 13 дней была в 1998 г.) и в

конце месяца короткая, 5 дней. Позже в 2012 г. было 3 волны, суммарно 17

дней, и 2 короткие в 2017 г. Экстремальные региональные температуры выше

95 процентиля ND95 отмечены для 86% лет.

Определенный рост сезонной продолжительности волн тепла NDHW

наблюдается в течение всего этого периода, на него накладываются значи-

тельные колебания масштаба около двух десятилетий. Оценка скорости

роста в период современного потепления с 1976 г. около 0.4 дня за десятиле-

тие, и он статистически незначим: объясняет всего 2% дисперсии. Наблюда-

ющийся после 2000 г. спад и затем выполаживание вероятнее всего

являются низкой фазой упомянутых колебаний: около 2010 г., по-видимому,

начинается фаза роста.

Бардин М.Ю., Платова Т.В., Попов И.О.

Bardin M.Yu., Platova T.V., Popov I.O.

Рисунок 1. Изменения индексов экстремальности температурного режима

летнего сезона на юге Западной Сибири

а) сезонная продолжительность региональных волн тепла NDHW (дни); число дней в сезоне

со средней температурой выше 95 процентиля (ND95); б) сезонная продолжительность

региональных волн холода NDСW (дни); число дней в сезоне со средней температурой ниже

5 процентиля (ND05).

Для сезонной продолжительности волн показаны также скользящие 5- и 11-летние средние и

линейный тренд за 1976-2021 гг.

Figure 1. Changes in indices of temperature extremes in the summer

season in the south of Western Siberia

a) seasonal duration of regional heat waves NDHW (days); number of days in a season with daily

average temperature above the 95th percentile (ND95); b) seasonal duration of regional cold waves

NDСW (days); number of days in a season with daily average temperature below the 5th percentile

(ND05).

For seasonal wave duration, 5- and 11-year moving averages and a linear trend for 1976-2021 are

also shown

б)

а)

Очень близкое поведение показывает сезонное число дней с температу-

рой выше 95 процентиля ND95. Надо заметить, что летом эти два индекса

довольно тесно связаны, особенно в области крайних градаций (табл. 1). Для

всех 12 лет, когда не наблюдалось ни одного дня с Т>P95, не наблюдалось

также и волн тепла (напомним, что принятый порог для волн тепла «умерен-

ный»: Р90). На противоположном конце распределения из 9 лет с ND95>10

дней только единственным летом 2014 г. не было волн. С другой стороны, для

7 сезонов с волнами большой продолжительности (>10 дней) ND95 в среднем

равно 11.3 (и в каждом из этих сезонов не менее 7). Представляется очень

вероятным, что такие длинные волны всегда достигают уровня Т>P95, но это

требует проверки.

Таблица 1. Статистика числа летних сезонов периода 1936-2021 гг. со значениями ND95

в заданных градациях и числа сезонов с волнами тепла (NHW>0) по тем же градациям ND95

Table 1. Statistics of the number of summer seasons for the period 1936-2021with ND95 values

in given categories and the number of seasons with heat waves (NHW>0) according to the same

ND95 categories

Сезонов с волнами холода было значительно меньше, чем с волнами

тепла: всего 25 (29%), а лет, когда отмечены экстремально низкие темпера-

туры ниже Р05 – 80%. В отличие от волн тепла, более одной волны холода за

одно лето случалось более часто: в 5-летних сезонах было по две волны.

Наблюдалась единственная волна продолжительностью 10 дней – в 1970 г.,

остальные волны были не длиннее 7 дней.

Сезонная продолжительность волн холода NDСW и сезонное число

дней с экстремально низкими температурами ND05 ожидаемо убывают с

середины 1970-х годов, как и само число сезонов с волнами (их в период

1936-1975 гг. было 16, или 40% сезонов этого периода, а после 1975 г. – всего

9, т. е., вдвое реже – 20%,). Среднее 11-летнее NDСW убывает с 5 дней в 1976

г. (середина интервала осреднения) до 0 в 2016 г. (с 2010 г. волн холода не

наблюдалось). Хотя убывание очевидно не линейное (в основном произошло

до 1990 г.), приведем оценку линейного тренда: -0.45 дня за десятилетие,

коэффициент детерминации 0.09, тренд значим на уровне 5% (двусторонний

Т-критерий). Для ND05 тренд -0.6, но тренд незначим.

На рис. 2 представлена структура температурных аномалий в волнах

тепла и холода и сопровождающие их условия циркуляции в средней тропос-

фере (Н500): композиты, т.е. средние величины за дни с волнами тепла с 1951

по 2020 год (средние аномалии температуры рассчитаны с 1951, а не с 1936 г.,

чтобы использовать единый с Н500 период).

Градация

Г(ND95)

Число случаев (1936-2021 гг.)

ND95 Г(ND95) NHW>0

ND95 =0 12 0

0<ND95<5 41 10

5<ND95<10 24 17

ND95>10 9 8

Экологический мониторинг и моделирование экосистем, т. XXXIV, № 3-4, 2023

Environmental Monitoring and Ecosystem Modelling, v. XXXIV, № 3-4, 2023

Бардин М.Ю., Платова Т.В., Попов И.О.

Bardin M.Yu., Platova T.V., Popov I.O.

Максимальные аномалии в волнах тепла, достигающие 5.7оС, наблюда-

ются в районе 57ос.ш., 78ов.д., на северной границе выбранного региона (в

Васюганских болотах – район Нижневартовска). В зернопроизводящих райо-

нах, южнее, восточнее и западнее – от 3 до 5

оС. Тёплый воздух выносится

вдоль западной границы гребня из ложбины в регионе Северного Причерно-

морья – Нижнего Поволжья. На карте среднего геопотенциала Н500 по всем

волнам основные центры действия Северного полушария: Исландская

депрессия, Азорский антициклон и Алеутский минимум – ослаблены, что

приводит к почти зональным тропосферным изогипсам в океанских секторах.

Можно было бы на этом основании заключить, что тропосферные воздушные

потоки почти на всём полушарии в период волн тепла на юге Западной

Сибири зональны, за исключением меридионального возмущения в виде

гребня над Западной Сибирью; однако рис. 3 показывает, что это не так.

Рисунок 2. Композиты аномалии среднесуточной температуры приземного воздуха (оС)

на станциях РФ за летние дни с волнами тепла (а) и холода (в) на юге Западной Сибири

в период 1951-2021 гг. Композиты высоты изобарической поверхности 500 гПа (изолинии, м)

и ее аномалии (цветная заливка, м) по данным реанализа NCEP/NCAR за летние дни с волнами

тепла (б) и холода (г)

Figure 2. Composites of anomalies of average daily surface air temperature (oC) at stations

of the Russian Federation for summer days with heat waves (a) and cold waves (в) in the south

of Western Siberia in the period 1951-2021. Composites of the 500 hPa isobaric surface height

(contours, m) and its anomalies (color shading, m) according to NCEP/NCAR reanalysis data

for summer days with heat waves (б) and cold waves (г)

Волны холода в среднем более интенсивны, чем волны тепла: средняя

по всем волнам за период 1951-2021 гг. аномалия достигает -7.1оС. Однако

они наблюдаются значительно реже, и они менее продолжительны: всего с

1936 г. их было 29 (волн тепла – 40), суммарная продолжительность за весь

период 180 дней (волн тепла – 264); средняя продолжительность волны

холода – 6.2 дня, волны тепла – 6.6 дня, в среднем за сезон 2.1 и 3.1 соответ-

ственно.

Циркуляционные условия развития волн холода весьма интересны: на

карте геопотенциала (рис. 2г) видно, что область отрицательных аномалий

расположена в глубокой ложбине, а несколько севернее центра этой области

наблюдается замкнутая изогипса 540 дам: таким образом, волна холода

сопровождается высоким и малоподвижным (поскольку он сохраняется при

осреднении) циклоном. Такого рода квазистационарные циркуляции (цикло-

нические) по сравнению с антициклоническими изучены недостаточно: дан-

ный пример показывает, что им следует уделить значительное внимание. К

западу от ложбины расположен гребень с максимальной положительной ано-

малией геопотенциала над Скандинавией на севере и на юге над Средиземно-

морьем. Такая структура аномалий определяет так называемую

Скандинавскую моду (СКАНД) в её положительной фазе (Barnston, Livezey,

1987; см. также https://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/teledoc/scand_map.shtml).

Расположение областей тепла и холода в положительной фазе СКАНД (см.

там же) в целом соответствует полученному для волн холода на юге Западной

Сибири, но в последнем случае положительная аномалия над Скандинавией

значительно слабее, а в Сибири – сильнее и расположена немного западнее –

примерно на 10 градусов.

Рисунок 3. Летние композиты поля геопотенциала Н500 (изолинии) и аномалии (цветная

заливка, м) для трех наиболее продолжительных волн тепла: 15-24.07.1953 (а),

31.06-13.07.1969 (б) и 03-15.08.1998 гг. (в).

Figure 3. Summer composites of the H500 geopotential height (contours) and anomalies (color

shading, m) for the three longest heat waves: 15-24.07.1953 (a), 31.06-13.07.1969(б)

and 03-15.08.1998 (в)

Экологический мониторинг и моделирование экосистем, т. XXXIV, № 3-4, 2023

Environmental Monitoring and Ecosystem Modelling, v. XXXIV, № 3-4, 2023

Бардин М.Ю., Платова Т.В., Попов И.О.

Bardin M.Yu., Platova T.V., Popov I.O.

В действительности, в атлантическом и европейском секторе в период

развития этих волн наблюдаются значительные положительные аномалии

геопотенциала на юге и отрицательные на севере, однако локализации этих

аномалий различны, и могут быть интерпретированы как летние положитель-

ные фазы Североатлантического колебания (САК) (положительные аномалии

на западе Атлантики, отрицательные в Арктике) или/и Восточно-Атлантиче-

ской моды (ВА): положительные аномалии на востоке, отрицательные – в

умеренных широтах. Значения соответствующих индексов САК и ВА для

месяцев, когда наблюдались эти волны (0.43 и 0.74 для июля 1953 г.; 0.60 и -0.10

для июля 1969 г.; -0.15 и 1.31 для августа 1998 г.) подтверждают это наблюде-

ние. Заметим, что при положительном САК в выбранном нами секторе 60-

90ов.д. в 1969 г. развивается блокирование омега-типа (Обухов и др., 1984), а

при положительном ВА в 1998 г. – пологий гребень; в 1953 г., когда положи-

тельны оба индекса, наблюдалась промежуточная конфигурация.

Таким образом, волны тепла на юге Западной Сибири сопровождаются

крупными гребнями и ложбинами, т. е. развитой меридиональной циркуляцией

в атлантико-европейском секторе; однако локализации их смещены относи-

тельно друг друга для разных волн, что и дает при осреднении картину слабой

меридиональной циркуляции. По-видимому, сказанное можно отнести и к тихо-

океанскому сектору, хотя там меридиональные циркуляции для отдельных волн

выражены слабее (но довольно мощный гребень и блокирование типа Рекса в

дальневосточном регионе (Pelly, Hoskins, 2003; Обухов и др., 1984) в 1998 г.,

вероятно, связаны между собой, и указанное блокирование поддерживает суще-

ствование самого по себе довольно пологого гребня в секторе 60-90ов.д.).

Рассмотрим подробнее статистику основных мод циркуляции атлан-

тико-европейского сектора в связи с волнами тепла и холода, а именно, повто-

ряемость фаз в месяцы, когда осуществлялась волна. Конечно, было бы

правильно брать суточные значения индексов в период развития волн, но пока

нам доступны лишь месячные значения. Поэтому было бы желательно рас-

сматривать только достаточно продолжительные волны, чтобы они захваты-

вали более значительную часть месяца: скажем, 10 дней. К сожалению, таких

волн немного на юге Сибири для более или менее надежной статистики, и мы

ограничиваемся волнами от 7 дней и выше для волн тепла и рассматриваем

все волны холода. Период выборки начинается с 1950 г.: только такие данные

индексов доступны, поскольку для их расчета использованы данные реана-

лиза Н500.

Для волн тепла (выборка 12 случаев) получены следующие результаты

(табл. 2). Прослеживается связь только с индексом СКАНД: 75% отобранных

волн проходили при отрицательной фазе СКАНД. Вероятность случайно

получить 3 или меньше СКАНД+ из 12 испытаний с равновероятным исходом

(т. е., при отсутствии связи) <0.053 – больше 5%, т. е., на этом уровне значи-

мости гипотезу об отсутствии связи отвергнуть нельзя, но её следует серьёзно

иметь в виду, учитывая, кроме того, что структура отрицательной фазы

СКАНД достаточно отчётливо прослеживается в композите Н500 для волн

тепла на рис. 2.

Для волн холода (18 случаев: напомним, что это не отобранные более

длинные волны, а все с 1950 г.) имеются две моды, одна из фаз которых зна-

чимо повышает вероятность развития волны холода на юге Западной Сибири.

Это положительная фаза СКАНД (р<0.01) и отрицательная ВА (р<0.001).

Таким образом, волны холода в этом регионе значительно сильнее связаны с

циркуляционными режимами евроатлантического сектора, чем волны тепла.

Таблица 2. Число летних месяцев за период 1950-2021 гг., когда наблюдается волна тепла

(холода) на юге Западной Сибири при положительной фазе циркуляционной моды

N – объём выборки. Для значимых связей указан уровень значимости

Table 2. The number of summer months for the period 1950–2021 when a heat (cold) wave

is observed in the south of Western Siberia during a positive phase of the circulation mode

N – sample size. For significant connections, the significance level is indicated

Примечание: САК+, ВА+ и т. д. обозначают положительную фазу соответствующей

моды

Северо-Кавказский и Центрально-Чернозёмный регионы

Изменения экстремальности жарких температурных режимов в целом

для юга ЕЧР подробно рассмотрены в недавней работе авторов (Бардин и др.,

2023). Поэтому основная задача этого раздела – выявить различия в стати-

стике и изменениях показателей экстремальности и в структуре волн тепла

между двумя главными зернопроизводящими районами ЕЧР и между ними и

югом Западной Сибири.

В первую очередь следует отметить намного большее количество волн

тепла, наблюдавшихся на юге ЕЧР, и их суммарной продолжительности, по

сравнению с ЮЗС (табл. 3, период с 1936 г. выбран для сравнения с ЮЗС). В

ЦЧ регионе в первом периоде волн тепла и дней в волнах было вдвое больше,

чем в ЮЗС, а во втором волн на 80% больше, а дней вдвое. В СК в первом

периоде оба показателя на 70% больше, а во втором волн больше вдвое, а

дней почти втрое.

Таблица 3. Характеристики волн тепла и холода в регионах юга ЕЧР и ЮЗС суммарно

для периодов 1936-1975 и 1976-2021

1– NHW, 2 – NDHW,

= N(1976-2021)/N(1936-1975)

Table 3. Characteristics of heat and cold waves in the regions of the south of the ER and SWN in total

for the periods 1936-1975 and 1976-2021

1–NHW, 2 – NDHW,

= N(1976-2021)/N(1936-1975)

САК + ВА+ВАЗР+СКАНД+N

Волны тепла 77 5 3 12

Волны холода 8 3 11 (p<0.01) 16 (p<0.001) 18

Регион Волны тепла Волны холода

1936-1975 1976-2021 1936-1975 1976-2021 

121212121212

СК 25 172 50 452 2.0 2.6 15 93 14 91 0.9 1.0

ЦЧ 31 227 45 346 1.5 1.5 18 106 13 84 0.7 0.8

ЮЗС 15 102 25 162 1.7 1.6 18 118 12 62 0.7 0.5

Экологический мониторинг и моделирование экосистем, т. XXXIV, № 3-4, 2023

Environmental Monitoring and Ecosystem Modelling, v. XXXIV, № 3-4, 2023

Бардин М.Ю., Платова Т.В., Попов И.О.

Bardin M.Yu., Platova T.V., Popov I.O.

Помимо повторяемости важна интенсивность рассматриваемых волн. В

этом контексте для нас наиболее интересны волны тепла, в особенности, в

экстремальные сезоны, когда их продолжительность была наибольшей. Опре-

деленное представление об этом даёт табл. 4, где для каждого региона для

трёх сезонов с максимальным NDHW приведена статистика по 7 избранным

станциям (по возможности равномерно отобранным по территории) средне-

суточных температур (Тсут) и максимальных суточных температур (Тмакс):

медиана Мед(.), Макс(.) и Мин(.). В общем, для всех регионов и лет цифры

похожи: для всех регионов и отобранных сезонов медианные значения сред-

них суточных температур изменяются от 27 (ЮЗС) до 32оС (СК и ЦЧ); ожида-

емо различия оказались выше для максимальных суточных температур,

которые сильно зависят от характеристик подстилающей поверхности: от 34

(ЮЗС и ЦЧ) до 41оС (СК и ЦЧ). Максимальная температура наблюдалась на

станции 34866 Яшкуль в 2010 г. Тем не менее, имеются систематические раз-

личия: практически все показатели ниже в ЮЗС. Например, в 1998 г. макси-

мальные температуры в волнах в ЮЗС ниже на 2-4 градуса, чем в ЦЧ, и

только максимальные значения Тмакс одинаковы: 40оС. Сравнение показате-

лей в СК и ЦЧ даёт вполне естественный результат: температуры в СК реги-

оне выше, за исключением максимальных суточных температур и медиан

среднесуточных в 2010 году.

Таблица 4. Характеристики максимальных температур в волнах тепла и холода на станциях

в регионах юга ЕЧР и Западной Сибири за три сезона с максимальной суммарной

продолжительностью волн

Пояснения см. в тексте

Table 4. Characteristics of maximum temperatures in heat and cold waves at stations in the regions

of the south of the ER and WS for three seasons with the maximum total duration of the waves

See text for details

Таким образом, число, продолжительность и интенсивность волн тепла

на юге Западной Сибири значительно меньше, чем на юге ЕЧР. Это обстоя-

тельство объясняется большей удалённостью (и естественным препятствием

в виде Уральских гор) Западной Сибири от Атлантики, с которой связаны

основные циркуляционные режимы, влияющие на экстремальность темпера-

Регион Год Тсут Тмакс

Мед Мин Макс Мед Мин Макс

СК

1972 30 29 30 37 36 39

2006 31 30 33 41 38 41

2010 32 32 35 40 39 44

ЦЧ

1972 28 23 30 34 33 38

1998 30 27 33 38 35 40

2010 32 29 34 41 37 43

ЮЗС

1953 28 25 31 35 34 39

1969 27 25 29 35 28 37

1998 27 25 30 34 32 40

турного режима в Северной Евразии (Бардин, Платова, 2019; Бардин и др.,

2023; Коваленко и др., 2017; Черенкова и др., 2020).

Отметим, что в первом периоде в Центрально-Черноземном регионе

было больше волн тепла, чем в Северо-Кавказском (на 29%) и дней в волнах

(на 32%), а во втором – наоборот, в СК регионе волн было больше на 11%, а

дней в волнах – на 31%. Это выражается в значительно более быстром росте

показателей экстремальности в Северо-Кавказском регионе.

В связи с этим перейдём к рассмотрению изменений показателей экстре-

мально тёплых режимов в течение ХХ – первых десятилетий XXI вв. Общий

характер изменений представлен на рис. 4 и 5. До 1920 г. в СК регионе наблю-

дались лишь две короткие волны тепла (рис. 4а), и в среднем сезонная про-

должительность волн близка к 0. Далее до начала 1980-х годов наблюдалось в

среднем около 6 волн за десятилетие, причём в каждое десятилетие наблю-

дался один сезон с NDHW более 15 дней и еще один с NDHW около 10 дней: в

среднем за десятилетие сезонная продолжительность волн тепла составляет

около 5 дней с провалом в 1940-е годы (см. 11-летнюю сглаженную кривую).

Такая 10-летняя квазирегулярность хорошо видна на кривой с 5-летним сгла-

живанием. С 1980 г. до середины 1990-х годов наблюдается провал, а затем

начинается очень быстрый рост: за период современного потепления с 1976 г.

средняя скорость роста (линейный тренд) – 5.5 дней за десятилетие (табл. 5);

при росте с этой скоростью к 2021 г. сезонная продолжительность волн тепла

достигает 20 дней. Ещё больше эта скорость получается, если оценивать её с

1990 г.: 7.1 дня за десятилетие, и 25 дней за сезон к 2021 году. Для ряда лет

этого периода NDHW превосходит указанную цифру 25 дней: 1998 г. – 30 дней

в волнах тепла, 2010 г. – 42 дня, 2016 г. – 27 дней, 2019 г. – 32 дня, 2021 г. – 32

дня. При этом сохраняется отмеченная 10-летняя квазипериодичность на

фоне общего роста. Для числа дней с температурой выше 95-го процентиля

наблюдается очень близкая картина изменений. Отметим также, что после

2005 г. не было ни одного года с NDHW или ND95=0.

Таблица 5. Оценки скорости изменения характеристик волн тепла и холода в регионах юга

ЕЧР и Западной Сибири для периода 1976-2021 гг.

(b – линейный тренд, дней за десятилетие; R2 – коэффициент детерминации, или вклад

тренда в общую дисперсию)

Table 5. Estimates of the rate of change in the indices of heat and cold waves in the southern regions

of the ER and WS for the period 1976-2021

(b – linear trend, days per decade; R2 – coefficient of determination, or the contribution of the trend

to the total variance)

Примечание: Жирный шрифт – оценки, значимые на 1%-м уровне, курсив – незначимые

на уровне 5%

Регион

Волны тепла Волны холода

NDHW ND95 NDCW ND05

bR2bR2 b R2bR2

СК 5.5 0.45 4.9 0.50 -1.3 0.15 -1.3 0.26

ЦЧ 3.0 0.17 2.8 0.20 -0.9 0.13 -0.8 0.17

ЮЗС 0.4 0.02 0.3 0.01 -0.6 0.09 -0.6 0.07

Экологический мониторинг и моделирование экосистем, т. XXXIV, № 3-4, 2023

Environmental Monitoring and Ecosystem Modelling, v. XXXIV, № 3-4, 2023

Бардин М.Ю., Платова Т.В., Попов И.О.

Bardin M.Yu., Platova T.V., Popov I.O.

Рисунок 4. То же, что и рис.1, для Северо-Кавказского региона

Figure 4. Same as Fig. 1, for the North Caucasus region

а)

б)

а)

Рисунок 5. То же, что и рис.1, для Центрально-Черноземного региона

Figure 5. Same as Fig. 1, for the Central Black Earth region

В Центрально-Черноземном регионе всю первую половину ХХ века

среднее сезонное число дней в волнах тепла (11-летняя сглаженная кривая на

рис. 5а) сохранялось в пределах 5-7 дней, затем последовал провал в 1960 г., а

в 1972 г. случился один из самых известных экстремальных летних сезонов

(Кац, 1973) с 35 днями в волнах тепла. С начала 1980-х годов отмечается

начало быстрого роста, однако, значительно меньшего, чем в СК регионе: 3

дня за десятилетие. При этом к 2021 г. достигнут уровень около 15 дней за

сезон. Отметим, что сезоны с NDHW, превышающим 15 дней, неоднократно

наблюдались и до начала потепления (10 сезонов за 70 лет), но средний уро-

вень периода 1901-1975 гг. (5.7 дня) был превзойден уже в начале 1990-х

годов. Самые экстремальные сезоны периода потепления: 1998 г. – 27 дней в

волнах тепла; 2010 г. – 46 дней; 2012 г. – 19 дней; 2016 г. – 26 дней; 2021 г. – 33

дня. Рост связан, с одной стороны, с этими сверхэкстремальными сезонами в

конце периода, а с другой – значительным уменьшением числа сезонов без

волн тепла: если в период 1901-1975 гг. таких случаев было 5.2 за десятиле-

тие, то после 2000 г. – всего 2.5. Заметим, что и здесь в изменениях наличе-

ствует квази-10-летняя периодичность.

Изменения индексов волн холода носят значительно более сложный

характер. В Центрально-Чернозёмном регионе (рис. 5б) наблюдалось четыре

крупные волны (период около 30 лет); первые три имели амплитуды 3-4 дня,

последняя происходила на фоне потепления и имеет значительно меньшую

амплитуду. Максимумы наблюдались в 1910-х, 1940-х, 1970-х и 2000-х годах,

минимумы в 1920-х, 1950-х и 1980-х. Такое поведение соответствует регио-

нальной средней летней температуре (рис. 6), однако с определенными сме-

щениями: наиболее заметные – минимуму NDHW около 1925 г. соответствует

максимум среднесезонной температуры около 1935 г., а максимуму NDHW

около 1970 г. – минимум температуры около 1980 г.

б)

Экологический мониторинг и моделирование экосистем, т. XXXIV, № 3-4, 2023

Environmental Monitoring and Ecosystem Modelling, v. XXXIV, № 3-4, 2023

Бардин М.Ю., Платова Т.В., Попов И.О.

Bardin M.Yu., Platova T.V., Popov I.O.

Рисунок 6. Изменения средней региональной температуры летнего сезона (оС)

для Центрально-Черноземного (а) Северо-Кавказского (б) регионов

(в границах, указанных в разделе Данные и методы)

Выделенная кривая – 11-летняя скользящая средняя

Figure 6. Changes in the average regional temperature of the summer season (oC) for the Central

Black Earth (a) and North Caucasus (б) regions

(within the boundaries specified in the Data and Methods section)

Highlighted curve – the 11-year moving average

В случае Северо-Кавказского региона имеются значительные расхожде-

ния в первой половине ХХ века: средняя региональная температура (рис. 6(б))

постоянно растет в период 1910-1950 гг., при этом NDHW в 1910-30-е гг. и в

1940-50-е также растет, хотя, следуя ходу средней температуры, должно было

убывать. Во второй половине ХХ и в первые два десятилетия текущего века

поведение средней температуры и индекса сезонной продолжительности волн

находится в полном согласии: с минимумом температуры и максимумом

NDHW в 1980-е и дальнейшим быстрым ростом температуры и убыванием

NDHW. Отмеченные расхождения в поведении средней температуры и сезон-

ной продолжительности волн могут быть объяснены наличием общего внеш-

него фактора, влияющего на обе характеристики, которые притом обладают

разным временем реакции на его изменения. На эту роль, учитывая времен-

ные масштабы колебаний, лучше всего подходит региональная циркуляция и

её изменения в связи с изменениями в системе океан-атмосфера Северной

Атлантики; однако, пока мы не готовы предъявить соответствующий анализ

(доступные ряды индексов основных циркуляционных мод доступны лишь со

второй половины ХХ века).

Структуры поля аномалии температуры для каждого из регионов, по

существу, зеркально симметричны с противоположным знаком (рис. 7). Центр

средней области аномалии смещен, естественно, по широте в тот регион, для

которого получена статистика; аномалии в волнах тепла, так и холода,

несколько интенсивнее для ЦЧ региона.

Наконец, рассмотрим сопутствующие волнам тепла и холода условия в

средней тропосфере (рис. 8). Для региона юга России (немного более широ-

кого, чем СК в этой статье: до 50ос.ш.) этот вопрос подробно рассмотрен в

(Бардин и др., 2023). Тропосферный гребень, ограниченный на карте абсо-

а) б)

лютной топографии Н500 изогипсой 5760 гпм, препятствует переносу холод-

ного воздуха Атлантики на юг ЕЧР. Для ЦЧ региона гребень проникает

значительно севернее и блокирует западный перенос в средних широтах. В

упомянутой работе для сравнения приведен композит Н500 для волн в широт-

ной зоне 50-60ос.ш. (напомним, что здесь ЦЧ на севере – 54ос.ш., т. е., захва-

тывает только южную половину этой зоны). Этот композит показывает

наличие замкнутого антициклона с центром около 55ос.ш., по южной перифе-

рии которого возможно проникновение атлантического воздуха в южный (СК)

регион. Отметим, что в цитированной статье композиты строились только для

достаточно длительных волн: от 8 дней. Поэтому вполне возможно аналогич-

ное развитие тропосферного антициклона для достаточно длинных волн в ЦЧ

регионе: определенные указания на это имеются на рис. 8, где видно, что лож-

бины на западе и востоке от узкого гребня в центре, ограниченного 5800 гПа,

глубоко проникают на юг и способствуют затоку холодного воздуха.

Рисунок 7. То же, что на рис. 2а, в, для Центрально-Черноземного региона (а, в)

и Северо-Кавказского региона (б, г)

Figure 7. Same as in fig. 2a, в, for the Central Black Earth region (a, в)

and the North Caucasus region (б, г)

Для волн холода, как для СК, так и для ЦЧ региона характерна область

пониженного давления над ЕЧР, соответствующая моде ВАЗР+. Для волн ЦЧ

региона, кроме того, следует отметить блокинг на востоке Атлантики, а также

упоминавшуюся для юга Западной Сибири структуру отсеченного циклона на

севере ЕЧР.

Рассмотрим вклад основных циркуляционных мод Северного полуша-

рия в статистику волн тепла и холода в регионах юга ЕЧР. Для волн тепла кон-

фигурация с положительными аномалиями давления над ЕЧР и Северной

Атлантикой указывают на моду Восточная Атлантика – Запад России (ВАЗР) в

отрицательной фазе. Был выполнен прямой подсчёт числа летних месяцев за

период 1950-2021 гг., когда волна, для которой по крайней мере 8 дней прохо-

дили в этом месяце, находилась в положительной (отрицательной) фазе одной

из 4 мод: САК, Восточно-Атлантическая (ВА), ВАЗР и Скандинавская

Экологический мониторинг и моделирование экосистем, т. XXXIV, № 3-4, 2023

Environmental Monitoring and Ecosystem Modelling, v. XXXIV, № 3-4, 2023