Лаборатория климатологии

Раздел: Научная деятельность

вернуться в раздел

Проект РГО №17-05-41085 "Создание геоинформационной системы «Экстремальные погодно-климатические явления в России в условиях меняющегося климата» с применением картографических веб-сервисов"

Аннотация. С начала XXI века по данным Росгидромета на территории России отмечается заметный рост повторяемости экстремальных погодно-климатических явлений (ЭПКЯ) и связанного с ними ущерба. Такой рост происходит на фоне аномально высоких глобальных температур, что вызывает как у широкой аудитории, так и у специалистов вопросы о связи аномальной погоды с глобальным потеплением. Несмотря на повышенный научный и медийный интерес к этой проблеме, до сих пор отсутствует общее представление о географии экстремальных погодно-климатических явлений на территории России, а также системный обзор возможных механизмов их формирования и связи с глобальными климатическими процессами, доступный для понимания не только специалистов, но и широкой общественности. В мире существуют геоинформационные системы (ГИС), предлагающие обзор наиболее значимых ЭПКЯ, сопровождающийся аналитическими материалами. В центре внимания зарубежных систем находятся события в США и в Европе, а Россия, в лучшем случае, представлена лишь наиболее яркими явлениями, такими как жара 2010 г. Целью проекта является создание национальной ГИС, предлагающий системный обзор наиболее значимых ЭПКЯ на территории России, содержащей информацию не только о характеристиках таких явлений, но и проанализированные данные об изменениях климата, в том числе о повторяемости и интенсивности экстремальных событий, тенденции будущих изменений согласно модельным расчетам, данные об ущербе, спутниковые снимки, ссылки на публикации в масс-медиа и научной литературе. Для создания ГИС объединены усилия лабораторий климатологии и картографии Института географии РАН с использованием накопленного опыта анализа и обобщения ЭПКЯ и создания картографических продуктов. ГИС, доступная в виде интернет портала позволит получить представление о географии ЭПКЯ и их связи с климатическими изменениями на территории России. Создаваемая система будет полезна как для широкой публики, интересующейся тематикой изменений погоды и климата, так и для специалистов и учащихся различного уровня.
Участники проекта:
Семенов Владимир Анатольевич (руководитель)
Алешина Мария Александровна
Бокучава Дарья Дмитриевна
Нарыков Алексей Николаевич
Медведев Андрей Александрович
Попова Валерия Васильевна
Соколов Игорь Александрович
Титкова Татьяна Борисовна
Торопов Павел Алексеевич
Черенкова Елена Анатольевна

Цели 1 этапа 2017 г.
1. Формирование архива наиболее значимых экстремальных погодно-климатических явлений (ЭПКЯ) и их характеристик на территории России.
2. Анализ пространственно-временной динамики различных характеристик климата на территории России за последние 50 лет.

Результаты.
На текущем этапе выполнения проекта проанализированы различные количественные критерии выявления экстремальных явлений на основе оценки пороговых значений экстремальности с помощью методов математической статистики, а также с применением эмпирических градаций и с учетом социально-экономических последствий. Для анализа пространственно-временной динамики экстремальных явлений на территории России по данным метеостанций был выбран метод оценки «хвостов» эмпирической функции распределения характеристик климата с использованием пороговых значений 5% и 95% процентилей.
Осуществлена предварительная обработка исходной информации о характеристиках аномальных погодно-климатических явлений и изменениях климата. В результате анализа информации об аномальных гидрометеорологических явлениях на территории Российской Федерации в период 2010-2016 гг. по литературным источникам (ежемесячные обзоры в журнале «Метеорология и гидрология») была разработана структура электронного каталога характеристик аномальных явлений на территории России, являющегося основой базы данных экстремальных погодно-климатических явлений (ЭПКЯ) в рамках создаваемой геоинформационной системы. В электронный каталог вошли характеристики различных типов аномальных погодно-климатических явлений, связанных с ветром, атмосферными осадками, снежным покровом, аномально жаркой/холодной погодой, градом, смерчем, метелью, гололедом, туманом, пыльными бурями и др. (см. таблицу 1). Записи электронного каталога, каждая из которых относится к конкретному явлению, имеют следующую структуру: дата явления (год, месяц, дата начала и окончания), тип, код, описание интенсивности, локализация (регион, область, населенный пункт, метеостанция), описание причиненного ущерба и источник информации (пример см. в таблице 2).


Таблица 1. Типы аномальных погодно-климатических явлений (из ежемесячных обзоров в журнале «Меторология и гидрология» за 2010 -2016 гг.)
Создание электронного архива позволило систематизировать информацию об аномальных погодно-климатических явлениях и провести анализ регионального распределения и сезонных особенностей их повторяемости на территории России, а также проследить некоторые современные тенденции первой половины 2010-х гг.

Таблица 2. Пример характеристик аномальных погодно-климатических явлений на территории России в электронном каталоге.
Сезонные и межгодовые особенности повторяемости аномальных погодно-климатических явлений в регионах России в период 2010-2015 гг. Анализ общего числа погодно-климатических аномалий в разных регионах России показывает, что в среднем за год на европейской части России (ЕЧР) их регистрируется в два раза больше, чем на территории Сибири (азиатская часть, за исключением Дальнего Востока), и в шесть раз больше, чем на Дальнем Востоке (Чукотка, побережье и острова Тихого океана, Амурская обл. и Приморского край) – 328, 165 и 52 ед./год, соответственно. Очевидно, это соотношение, демонстрирует проблему зависимости потока информации от плотности населения, которая может вносить существенную неопределенность не только при учете регионального распределения, но и в оценках многолетних тенденций.
Рис. 1. Средняя за 2010-2015 гг. повторяемость, ед., аномальных погодно-климатический явлений по месяцам.

Тем не менее, анализ полученных данных позволяет проследить закономерности внутригодового хода (рис.1). На ЕЧР и в Сибири годовой ход повторяемости аномальных погодно-климатических явлений, почти не различается. Основная особенность связана с их преобладанием в летние месяцы, минимальными значениями повторяемости в переходные сезоны и некоторым относительным увеличением в зимние месяцы. Как на ЕЧР, так и в Сибири средний месячный максимум повторяемости аномалий наблюдается в июне, минимум – в октябре-ноябре. Для ЕЧР характерен более существенный, по сравнению с территорией Сибири, вклад июня, августа, а также мая и января. Годовой ход повторяемости погодно-климатических аномалий на Дальнем Востоке отличается существенным снижением в мае-июне и ростом в июле- августе, что отражает особенности характерного для этого региона муссонного климата. При этом некоторое снижение осенью в зимние месяцы сменяется ростом повторяемости, сравнимым со второй половиной лета.

Рис.2. Повторяемость, ед./год, аномальных погодно-климатических явлений в 2010-2015 гг. в регионах России.

Шестилетние тенденции годовой суммы повторяемости аномальных погодно-климатических явлений (рис.2), несмотря на большую разницу в величинах, имеют общие черты – снижение в 2011г., рост в течение последующих 2-3 лет и сокращение в 2015 г. Оценки трендов за 2010-2015 гг. указывают на общий для этого периода небольшой тренд на ЕТР и в Сибири и его отсутствие на Дальнем Востоке.
Рис. 3. Изменение повторяемости, ед./год, аномальных погодно-климатических явлений по сезонам в 2010-2015 гг.

Анализ изменений сезонных значений (рис. 3), показывает, что явные тренды с существенным ростом (почти вдвое) повторяемости в последние 2-3 года наблюдаются весной на ЕТР и в Сибири. В летние месяцы наибольшей повторяемостью аномальных погодно-климатических явлений на ЕТР отличались 2010 и 2012 гг. Дальний Восток выделяется наиболее равномерным распределением этого параметра, как в межгодовом, так и в сезонном ходе.

Исследование пространственно-временной динамики различных характеристик климата и экстремальных явлений на территории России за последние десятилетия XX-го – начало XXI-го вв. по данным метеостанций было выполнено на основе данных наблюдений за метеорологическими параметрами на территории России из архива Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации - Мирового центра данных (ВНИИГМИ-МЦД) (www.meteo.ru). По данным суточных сумм атмосферных осадков, а также минимальных и максимальных суточных температур приземного воздуха, были определены их сезонные экстремумы за каждый год в период 1970-2015 гг. на каждой метеостанции сети Росгидромет, расположенных в пределах территории России. Измеренное на метеостанции количество осадков классифицировалось как экстремальное, если оно превысило пороговое значение 95% процентиля осадков для этой метеостанции, рассчитанное за базовый период 1970-1999 гг. Аналогично были выявлены экстремально минимальные и максимальные суточные температуры. Были исследованы изменения: (1) средних значений экстремально высоких суточных сумм осадков (мм/сутки); (2) повторяемость экстремальных суточных сумм осадков (дни), (3) абсолютные максимумы экстремальных суточных сумм осадков (мм/сутки), (4) повторяемость экстремальных минимальных суточных температур (дни) и (5) повторяемость экстремальных максимальных суточных температур (дни) в период 2000-2015 гг. по сравнению с 1970-1999 гг. Статистическая значимость изменений на уровне 0.05 определялась с помощью t-test Стьюдента для временных рядов разной длины.
Рис. 4. Изменение повторяемости экстремальных суточных осадков (%) в период 2000-2015 гг. по сравнению с 1970-1999 гг.: а) зимой, б) весной, в) летом и г) осенью. Кругами с черной окантовкой показаны статистически значимые изменения.

Анализ пространственного распределения повторяемости экстремальных суточных сумм осадков в период 2000-2015 гг. по сравнению с 1970-1999 гг. показал, что их повторяемость зимой статистически значимо увеличилась в среднем на 20% на большей части европейской территории России (на 1-3 дня), на востоке Новосибирской и на западе Кемеровской областей (на 2-3 дня), в Забайкалье (на 1-2 дня), на Дальнем Востоке (на 2 дня) (см. рис. 4а). Рост зимних экстремальных осадков преобладал на территории с наибольшей плотностью населения. Вместе с тем, достаточно обширные области значимого уменьшения частоты экстремальных осадков в среднем на 40% по сравнению с нормой наблюдались в Алтайском крае (на 2 дня), в центре Восточной Сибири (на 1 день) и на северо-востоке России (включая Чукотский полуостров) (на 1-2 дня). В тот же период весной на территории России существенно преобладало увеличение экстремальных суточных сумм осадков (рисунок 4б). Необходимо отметить, что в начале XXI-го века экстремальные весенние осадки стали наблюдаться значимо чаще (в среднем на 30-35%), чем в предыдущее тридцатилетие в крупных регионах: в Северо-Западном Прикаспии и Волгоградской области в среднем на 2 дня, в Предуралье и Зауралье на 2-3 дня, на юге Западной Сибири на 1-2 дня. В то же время, как продемонстрировано на рисунке 4в, летом обращает на себя внимание снижение повторяемости экстремальных осадков на юге Европейской части России с наибольшим уменьшением повторяемости в Оренбургской области на 1-2 дня, в Брянской и Орловской области на 1 день, в Северо-Западном Прикаспии и Волгоградской области на 1-2 дня. Экстремальные летние осадки в начале XXI-го века на юге Западной Сибири и Восточной Сибири, а также на юге Хабаровского края и на западе Камчатской области также стали наблюдаться реже в среднем на 1-2 дня по сравнению с нормой. Анализ рисунка 4г свидетельствует о преобладающем росте числа дней с экстремальными суточными осадками осенью на территории России в период 2000-2015 гг. по сравнению с 1970-1999 гг. При этом наибольший рост наблюдался в Восточной Сибири (в среднем на 30% от нормы), на западе ЕЧР (в среднем на 31% от нормы) и в Кемеровской области и на юге Красноярского края (в среднем на 43% от нормы).
Исследование интенсивности экстремальных суточных осадков и их абсолютных максимумов в период 2000-2015 гг. по сравнению с 1970-1999 гг. не выявило четких сезонных закономерностей пространственного распределения изменений рассмотренных параметров на территории России (рисунки не приводятся). Отметим, что сезонные изменения средних значений экстремально высоких суточных сумм осадков на территории России не превысили 30% в период 2000-2015 гг. по сравнению с нормой. Наибольшими изменениями интенсивности экстремальных осадков, разнонаправленными зимой и весной, в начале XXI-го века была затронута территория Забайкалья. Летом наибольшее снижение интенсивности экстремальных осадков наблюдалось в Поволжье, а рост интенсивности экстремумов отмечался в Амурской области - регионе повышенного риска летних муссонных наводнений, связанных с сильными продолжительными ливнями.
Установлено, что с начала XXI-го века практически на всей территории России отмечался заметный рост повторяемости дней с экстремальными суточными температурами как в среднем за год, так и во все сезоны года. Как показано на рисунках 5а – 5г, на Европейской части России в период 2000-2015 гг. по сравнению с 1970-1999 гг. рост повторяемости дней с экстремальными максимальными температурами наблюдался во все сезоны года. При этом статистически значимым на ЕЧР было увеличение повторяемости экстремально теплых дней на 1 день южнее 60⁰ с. ш. На рисунке 5а видно, что зимой на ЕЧР за последние 15 лет стали чаще (в среднем на 1 день) наблюдаться экстремально теплые дни. Обращает на себя внимание, что увеличение повторяемости экстремально теплых дней весной помимо ЕЧР (в среднем на один день) имело место на обширной территории Сибири (в среднем на один день) и Чукотского п-ва (на 1-2 дня) в начале XXI-го века (рис. 5б). Наибольший сезонный прирост жарких дней (на 2-3 дня) в период 2000-2015 гг. по сравнению с нормой отмечался летом на юге ЕЧР, на юге Западной и Восточной Сибири (рис. 5в). Осенью в тот же период рост экстремально теплых дней на 1-2 дня наблюдался на северо-западе ЕЧР, в Калмыкии и на Дальнем Востоке (рис. 5г).
Рис. 5. Изменение повторяемости экстремальных максимальных температур (дни) в период 2000-2015 гг. по сравнению с 1970-1999 гг.: а) зимой, б) весной, в) летом и г) осенью. Кругами с черной окантовкой показаны статистически значимые изменения.

Анализ изменений сезонной повторяемости экстремально холодных дней, результаты которого представлены на рисунке 6а – 6г, выявил их менее частую повторяемость во все сезоны в начале XXI-го века практически на всей территории России. Зимой уменьшение (на 1 день) числа дней с морозами произошло на севере Европейской части и на островах Арктического бассейна, а также в Дальневосточном регионе России (рис. 6а). Напротив, на юге Западной и Восточной Сибири, наблюдалась тенденция увеличения (на 1 день) дней с экстремальными морозами. Весной сокращение экстремально холодных дней в период 2000-2015 гг. по сравнению с 1970-1999 гг., не превысившее 1 день, произошло на всей территории России (рис. 6б), исключая отдельные метеостанции. При этом наибольшее уменьшение таких дней наблюдалось в Западной Сибири и на юге центральной Сибири. Летом экстремальные минимальные температуры реже встречались на Арктическом побережье, на юге Европейской части, в Прибайкалье, на Камчатке (рис. 6в). Как показано на рисунке 6г, осень характеризуется наиболее обширным региональным сезонным уменьшением повторяемости экстремально холодных дней (в среднем на 1 день) на ЕЧР и в восточной части России от р. Лены до Чукотки.
Рис. 6. Изменение повторяемости экстремальных минимальных температур в период 2000-2015 гг. по сравнению с 1970-1999 гг.: а) зимой, б) весной, в) летом и г) осенью. Кругами с черной окантовкой показаны статистически значимые изменения.

На текущем этапе выполнения проекта была разработана структура базы пространственных данных проекта, являющейся частью создаваемой ГИС. Реляционная база пространственных данных проекта представлена совокупностью связанных между собой таблиц, разбитых на строки и столбцы, на пересечении которых находятся различные данные. База данных (БД) состоит из четырех главных блоков, каждый из которых посвящен конкретному виду информации: базовым пространственным данным, тематическим данным, списку явлений и событий, а также данным численных экспериментов с глобальными климатическими моделями. Как показано на рисунке 7, к базовым пространственным данным относятся данные об административных границах, населенных пунктах, дорожной сети и гидрографии местности. Тематические данные формируются на основе метеорологических данных метеостанций, гидрологических данных и гляциально-нивальных данных. Таблица явлений и событий содержит характеристики наиболее значимых ЭПКЯ. Данные климатических моделей представлены значениями в узлах регулярной сетки из проекций ожидаемого климата XXI-го века, полученных согласно различным прогнозным сценариям семейства RCP (Representative Concentration Pathways) антропогенного воздействия на климатическую систему Земли. Пространственные объекты БД сгруппированы в определенные блоки в связи с тематическим содержанием входящих в них данных. Выполнено проектирование БД и интерактивных элементов, разработаны алгоритмы установления пространственных связей между отдельными элементами и блоками для географической привязки объектов БД и последующего построения информационных запросов к базе данных. Создан интерфейс, позволяющий импортировать данные в БД. Проведена верификация работы модуля импорта данных в БД на тестовой выборке. Спроектированная база данных полностью готова к наполнению данными, как подготовленными на этапе 2017 г., так и данными, которые планируется подготовить на следующем этапе выполнения проекта.
Применение современных методов и подходов, а также современных геоинформационных технологий позволило получить в рамках проекта новые оригинальные результаты.
Рис. 7. Структура базы пространственных данных проекта.

Выводы. Анализ повторяемости аномальных погодно-климатических явлений на территории России, выполненный на основе электронного архива, сформированного по литературным данным, позволяет выявить сезонные и межгодовые особенности этого параметра в регионах России в период 2010-2015 гг. На ЕЧР и в Сибири максимальная повторяемость аномальных погодно-климатических явлений характерна для летних месяцев (на ЕЧР по этому показателю особенно выделяется июнь), минимальные его значения наблюдаются в переходные сезоны. На Дальнем Востоке годовой ход повторяемости погодно-климатических аномалий менее выражен и отличается существенным снижением этого параметра в мае-июне с последующим ростом в июле-августе, что отражает особенности типичного для этого региона муссонного климата. Заметные рост повторяемости аномальных погодно-климатических явлений обнаруживаются весной на ЕЧР и в Сибири.
Исследование пространственно-временной динамики различных характеристик климата и экстремальных явлений на территории России в период 1970-2015 гг. на основе наблюдений за метеорологическими параметрами на метеостанциях сети Росгидромет показало, что в густонаселенных регионах на европейской части России (ЕЧР), на юге Сибири и Дальнем Востоке произошли сезонные изменения повторяемости экстремумов температуры воздуха и осадков. Наиболее чувствительной к изменениям является ЕЧР, где во все сезоны в начале XXI-го века по сравнению с предыдущим тридцатилетием отмечались значимые изменения повторяемости экстремумов. Наибольший прирост дней с экстремумами температуры в период 2000-2015 гг. по сравнению с нормой отмечался летом на юге ЕЧР и осенью практически на всей ЕЧР. В тот же период во все сезоны года, кроме лета, на ЕЧР преобладал рост числа дней с экстремально высокими суточными суммами осадков. На фоне уменьшения повторяемости экстремально холодных дней и увеличения повторяемости экстремально теплых дней во все сезоны года на большей части территории России, обращает на себя внимание одновременное сочетание увеличившейся повторяемости морозных дней, экстремально теплых дней и дней с экстремальными осадками зимой в начале XXI в. на юге Западной и Восточной Сибири. В тоже время, на Дальнем Востоке наблюдалось значимое уменьшение повторяемости экстремально холодных дней во все сезоны, повторяемость экстремально теплых дней наиболее существенно возросла летом и осенью, а дни с экстремальным количеством осадков чаще стали повторяться зимой и весной.
Разработана структура электронного каталога характеристик аномальных погодно-климатических явлений на территории России, являющегося основой базы данных наиболее значимых экстремальных погодно-климатических явлений (ЭПКЯ) в рамках создаваемой геоинформационной системы. В электронный каталог, составленный на основе обработки литературных источников информации, вошли характеристики различных типов ЭПКЯ. Разработана структура базы пространственных данных проекта, состоящей из четырех главных блоков, каждый из которых посвящен конкретному виду информации: базовым пространственным данным; тематическим данным (метеорологическим, гидрологическим и гляциально-нивальным данным); характеристикам экстремальных погодно-климатических явлений и событий (из литературных источников); а также данным численных экспериментов с глобальными климатическими моделями с использованием различных проекций ожидаемого климата России.
Выполнено проектирование базы данных (БД) и интерактивных элементов, разработаны алгоритмы установления пространственных связей между отдельными элементами и блоками для географической привязки объектов БД и последующего построения информационных запросов к базе данных. Проведена верификация работы интерфейса, позволяющая приступить к наполнению базы данными, запланированное на этапе следующего года.