Существующие модели климата не могут предсказать реальных сезонных сдвигов

Прилет первых грачей для жителей центральной России означает приход весны. По некоторым данным, за последние десять лет эти вестники весны стали появляться у нас на в среднем на три дня раньше. (Картина Алексея Кондратьевича Саврасова «Грачи прилетели». 1871 год. Третьяковская галерея)

Американские ученые, собрав представительные метеорологические данные, составили подробные карты изменения сезонности в Северном полушарии. Они доказали, что в последние полвека смена сезонов над сушей наступает в среднем на 1,7 дня раньше, а над океанами на 1 день позже, чем в предыдущие полвека. Сезонная амплитуда температур в среднем снизилась на 2,5°C. Эти изменения находятся за пределами случайных колебаний климата. При этом ни одна из существующих моделей климата не в состоянии объяснить эффекта сезонного сдвига. Ученые уверены, что первопричину следует искать в деятельности человека.

Глобальное потепление — это не только повышение температуры и таяние полярных льдов, как упрощенно рисуется в обывательском представлении. Это целая система взаимосвязанных изменений в гидросферных, атмосферных и биосферных циркуляциях. Поэтому о сдвигах, связанных с глобальным потеплением, судят по множеству явлений.

Одно из таких явлений — изменение параметров сезонов. Видоизменение сезонов проявляется в целом ряде признаков: это более ранний прилет птиц и начало цветения весной, более поздний листопад и приход зимы, не говоря уже о непривычно теплых зимах. Однако без работы с большими массивами данных все эти наблюдения остаются не более чем ощущениями. Тем более что отдельные наблюдения противоречивы: в одних районах орнитологи рапортуют о раннем прилете птиц, в других, наоборот, о более позднем, в третьих вообще не регистрируется никаких изменений; или же зимы где-то стали суровее, а где-то, наоборот, вместо снега шли дожди. Ведь возможно, что этот хаос наблюдений отражает всего лишь естественные отклонения от привычного среднего.

Американские ученые Александр Стайн (Alexander Stine) и Инез Фун (Inez Fung) с факультета наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли, а также Питер Хайберс (Peter Huybers) с одноименного факультета Гарвардского университета (Кембридж, Массачусетс) собрали огромный массив данных по сезонным характеристикам бореальной зоны северного полушария. Это та климатическая зона, где сезонность выражена яснее всего и данные за последнее столетие наиболее полные.

В качестве базовых показателей сезонности они использовали среднемесячные температуры за вековой период на всех материках и над океанами для сетки 5° × 5°. На их основе с помощью преобразования Фурье были подсчитаны ежегодные фаза и амплитуда синусоидальной температурной кривой. Далее подсчитывалось соотношение фазы и амплитуды этой кривой и соответствующей синусоидальной кривой инсоляции. Соотношение этих двух кривых отражает важнейшую интегральную характеристику — скорость реакции климатообразующих систем Земли на изменение солнечного излучения. Таким образом, исследователи оперировали в своем анализе двумя интегральными показателями — сдвигом сезонных изменений по отношению к солнечному земному циклу и разницей между амплитудой инсоляции и амплитудой сезонных температур.

В результате были построены карты с распределением этих показателей по всему Северному полушарию (см. рис. 1). На этих картах хорошо видно, что в течение ста лет над океанами смена сезонов происходила медленнее и с меньшими амплитудами: солнце уже светит вовсю, а температуры еще зимние. Над материками наоборот: вслед за инсоляцией быстро сменялись хорошо выраженные сезоны. Этот контраст объясняется большей инертностью атмосферных масс над океанами.

Рис. 1. a — отставание фазы среднемесячных температур от инсоляции (в днях): синий цвет — меньшее отставание, оранжевые оттенки — большее. b — соотношение амплитуд температуры и инсоляции: синий цвет — маленькая амплитуда, оранжевые оттенки — увеличение амплитуды. Карта из обсуждаемой статьи в Nature

Собранные данные позволили оценить отклонения от средних значений за сто лет, и это дало возможность увидеть тренды в изменениях сезонных показателей.

За последние полвека смена сезонов над материками сдвинулась на более ранние сроки (см. рис. 2). Этот сдвиг составил в среднем 1,7 дня. Но в тропических странах, наоборот, наступление сезонов задерживалось. На карте это отражено доминированием голубого цвета над материками. Над океаном сезонный сдвиг стал более выражен, но имеет явную региональную специфику в Атлантическом и Тихом океанах.

Рис. 2. e — тенденции в наступлении сезонов за период с 1954-го по 2007 год: оранжевые оттенки — сдвиг на задержку, голубые — сдвиг на преждевременное наступление сезонов (в днях); хорошо видно, что над Атлантическим и Тихим океаном расположение цветовых пятен не совпадает по широтам. f — разница в температурах между сезонами за период с 1954-го по 2007 год: синий цвет — уменьшение сезонного размаха температур, от желтого до темно-красного — увеличение. Карта из обсуждаемой статьи в Nature

Разница в температурах между сезонами за последние полвека уменьшилась на 2,5°С (см. рис. 2, f). Это уменьшение связано и с ростом зимних температур, и c некоторым похолоданием в летние месяцы. На карте уменьшение сезонного размаха температур отражено доминированием синего цвета, этот эффект особенно хорошо заметен в  районе Центральной Евразии и Западной Канады. Однако имеются крупные территории, где, напротив, регистрируется увеличение сезонной амплитуды температур. Это средиземноморские территории, европейские прибрежья Атлантики, юг США, Квебек (Канада). Увеличение этого параметра связано в основном с наступлением более суровых зим на этих территориях. Над океанами размах температурных колебаний менялся мало (увеличился примерно на 0,4°С).

Для объяснения трендов проще всего предположить, что это простые стохастические колебания, то есть что эти отклонения находятся в пределах естественных климатических колебаний. В этом случае отклонения от среднего значения (за период наблюдений до середины прошлого века и за последние полвека) должны распределяться более или менее симметрично вокруг нуля, какой бы период наблюдений мы не взяли. Отклонения от нуля будут указывать на существование тренда в сезонных сдвигах.

Данные показали, что на суше отклонения от среднего существенно отличаются от нуля и составляет –1,7–1,9 дней. А океанический сезонный сдвиг обнаруживается только на большом массиве данных (вот для чего данные-то собирать нужно!). Но он всё же значимый и отличается от материкового — сезоны сменяются в среднем на 1 день позже, чем в предыдущие полвека.

Отклонения от средних температур также оказались значимы для массива данных суши — на 2,6°С. Таким образом, феномен сдвига сезонов нельзя объяснить только стохастическими (случайными) эффектами. Попросту говоря, нам не кажется, что зима стала теплее, а весна приходит раньше — это и вправду наступившая реальность.

Почему происходят эти сдвиги? Сейчас разработан ряд климатических моделей, которые учитывают множество разнородных и сложно взаимодействующих факторов, которые формируют современный климат. Авторы работы не поленились и посмотрели, какая из 25 существующих моделей глобального климата имитирует сезонный сдвиг (а этот сдвиг, как выяснилось, не иллюзия магниточувствительных пациентов). И оказалось, что никакая (!). Ни одна из эксплуатируемых климатических моделей не в состоянии предсказать реальное явление сдвига сезонных параметров. Это означает, что современная климатология упускает из рассмотрения какой-то очень важный фактор.

Что же это может быть за фактор? Например, это может быть какое-то космическое явление с относительно длинным периодом колебаний. Вслед за Дэвидом Томсоном (David J. Thomson), специалистом-климатологом с факультета математики и статистики Королевского университета (Queen's University) в Кингстоне (Онтарио, Канада), авторы полагают, что такой космической причиной может быть прецессия земной оси. Безусловно, прецессия — наклон земной оси — влияет на параметры сезонности, следовательно цикличность прецессии должна вызвать и периодический сдвиг сезонов. Сам Томсон в сопровождающей статье в Nature выражает раздраженное недоумение по поводу игнорирования такого очевидного фактора.

Однако Стайн с коллегами уверены, что первопричиной настоящих климатических сдвигов нужно считать человеческую деятельность. Их убеждает тот факт, что сезонные сдвиги стали наиболее заметны только в последние 25 лет, когда антропогенная нагрузка на планету сильно увеличилась в связи с демографическим и научно-техническим ростом. А по сравнению с относительно малолюдным и малопроизводительным XIX столетием изменение сезонности в конце XX века выражено еще яснее.

Источники:
1) A. R. Stine, P. Huybers, I. Y. Fung. Changes in the phase of the annual cycle of surface temperature (полный текст — PDF, 1,1 Мб) // Nature. V. 457. P. 435–441 (22 January 2009); doi:10.1038/nature07675.
2) David J. Thomson. Climate change: Shifts in season // Nature. 2009. V. 457. P. 391–392.

Елена Наймарк