Восстановление ряда приземной температуры воздуха на Российской станции в поселке «Баренцбург» (Шпицберген)

Ключевые слова: Шпицберген, приземная температура воздуха, временные ряды, проверка на однородность, заполнение пропусков, восстановление рядов

Введение 

Первые сведения об инструментальных метеорологических наблюдениях на архипелаге Шпицберген относятся к последней четверти XIX века. Эти эпизодические наблюдения осуществлялись во время научных и промысловых экспедиций и зимовок. Некоторые метеорологические станции (МС), открытые на   архипелаге в первой половине ХХ века, до настоящего времени не сохранились, а время непрерывной работы существующих МС часто ограничено последними десятилетиями. В результате, несмотря на довольно продолжительную историю метеорологических наблюдений на архипелаге, отсутствуют ряды, которые можно было бы использовать для изучения долговременных климатических изменений. Например, в глобальной системе наблюдений за климатом (Global Climate Observing System) Шпицберген представлен МС «Svalbard Airport», которая приступила к работе только в августе 1975 г. Этого периода недостаточно для оценок долговременных климатических тенденций. Отсутствие длительных непрерывных серий инструментальных наблюдений вынуждает прибегать к созданию композитных рядов, опираясь на данные нескольких МС. Такая процедура всегда сопровождается появлением дополнительных ошибок и неопределенностей. Поэтому МС с наиболее длительными оригинальными (инструментальными) рядами наблюдений имеют очевидное преимущество.

На архипелаге Шпицберген самые продолжительные инструментальные метеорологические наблюдения получены в российском шахтерском поселке Баренцбург, где первая МС появилась еще в 1932 г. Однако использование этих данных в исходном виде осложнено перерывом в наблюдениях с августа 1941 по ноябрь 1947 гг. В тоже время в непосредственной   близости от Баренцбурга (на 1,5 км южнее на мысе Финнессет) с 1911 по 1930 гг. функционировала норвежская метеорологическая станция «Шпицберген Радио» («Green Harbor»).

Цель данной работы – восстановить отсутствующие данные о приземной температуре воздуха (ПТВ) в поселке Баренцбург и создать непрерывный ряд среднемесячных значений искомой величины, начиная   с 1911 г., который можно использовать для объективных оценок климатических изменений на архипелаге в ХХ веке.

Использованные данные.
В работе использованы данные Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации – Мирового центра данных (ВНИИГМИ-МЦД, г. Обнинск, www.meteo.ru) и Норвежского метеорологического института (Осло, www.met.no).

История метеорологических наблюдений в Баренцбурге
Регулярные метеорологические наблюдения в Баренцбурге начались в августе 1932 г., после их переноса из рудника Грумант-Сити (залив Ис-фьорд), и проводились там по сентябрь 1933 г. по программе II Международного Полярного года, а после его окончания станция начала функционировать как гидрометеорологическая обсерватория (ГМО) «Баренцбург» в системе Гидрометслужбы СССР. Метеорологическая площадка располагалась тогда на северо-восточной окраине посёлка у подножья горы на высоте около 70 м над уровнем моря (н.у.м.) в 400–450 м от восточного берега залива Грен-фьорд. Во время II Мировой войны, в августе 1941 г. МС была законсервирована, персонал эвакуирован. Наблюдения возобновились только в декабре 1947 г. С 1 июня 1978 г. площадка перенесена на узкую прибрежную террасу с отметкой 22 м н. у. м. в 70–80 м от залива. Третий (последний) перенос площадки произошёл в феврале 1984 г. С этого момента и по настоящее время метеорологические наблюдения проводятся на южной окраине посёлка на расстоянии ~330 м от залива и на высоте 74 м н. у. м. Положение метеорологических площадок в разные годы показано на рис. 1 и 2.
 


 

Рис. 1. Посёлок Баренцбург (фото Владимира Арнаутова); отмечены положения метеорологической площадки ГМО: 1 – 1932-1978 гг., 2 – 1978-1984 гг., 3 – с 1984 г., 4 – МС на мысе Финнесет

Рис. 2. Топографическая карта Баренцбурга и его окрестностей; отмечены положения метеорологической площадки в разные годы (номера соответствуют подписям к рис. 1)

Проверка климатической однородности
Переносы метеорологической площадки в Баренцбурге в 1978 и 1984 гг. могли привести к появлению в рядах метеорологических данных неоднородностей методического характера. Для выявления указанных неоднородностей к имеющимся рядам среднемесячных значений ПТВ были применены известные тесты: SNHT, Буишанда, Петтитта и Фон-Ноймана [1,2]. В соответствие с существующими правилами ряд считается однородным, если не выполняется только один из использованных тестов. В случае, когда два теста отрицают однородность на 1% уровне вероятности, ряд считается сомнительным. Если наличие неоднородности ряда подтверждается тремя или четырьмя тестами, ряд считается неоднородным. Результаты проверки по указанным тестам подробно рассмотрены в работе [3]. Так для периода декабрь 1947 - январь 1984 гг., внутри которого произошел перенос площадки в 1978 г., тесты не показали нарушений однородности в рядах ПТВ, причём как в комплексе, так и каждый в отдельности. В период 1978 - 2018 гг., включающего в себя перенос площадки в 1984 г., статистические тесты показывают на присутствие сдвигов в отдельные месяцы, но в годы далекие от переноса (после 1995 г.). Очевидно, эти сдвиги являются реакцией тестов на современное потепление климата, а ряды ПТВ в период 1978 - 2018 гг. также можно считать однородными. С учётом того, что измерения, выполненные в 1932–1941 гг., фактически являются дополнением ряда 1947–1978 гг., можно говорить об однородности рядов температуры и за весь период наблюдений с 1932 г.

Отсутствие признаков методической неоднородности является основанием для использования рядов ПТВ, полученных в ГМО «Баренцбург», для объективных исследований климатических изменений на   архипелаге Шпицберген.

Восстановление пропущенных значений для периода 1941-1947 гг. 
В августе 1941 г. метеорологические наблюдения в Баренцбурге были прекращены и возобновились только в конце 1947 г. Для создания непрерывной серии с 1932 г., необходимо заполнить эти пропуски.

В климатологии существуют различные методы, позволяющие рассчитать отсутствующие значения температуры воздуха по ее значениям на ближайших МС [4].   Один из возможных методов заключается в нахождении коэффициентов линейной регрессии, связывающие ПТВ на изучаемой МС с ПТВ на МС-аналоге в период их совместной (параллельной) работы. Далее по полученному уравнению регрессии выполняется расчёт отсутствующих значений ПТВ на искомой МС по известным значениям ПТВ на МС-аналоге.

Ближайшие к Баренцбургу МС, это МС «Isfjord Radio» (~14 км на запад) и «Longyearbyen» (~37 км на северо-северо-восток). Их положение показано на рис. 3. История наблюдений, оценка качества данных и подготовка гомогенизированных рядов для этих МС выполнена специалистами Норвежского Метеорологического института [5, 6, 7, 8]. Периоды параллельной работы ГМО «Баренцбург» с МС «Isfjord Radio» и «Longyearbyen» составляют десятки лет: 46-48 лет в зависимости от месяца для ГМО «Баренцбург» с МС «Isfjord Radio» и 24-28 лет для пары ГМО «Баренцбург» и МС «Longyearbyen». т.о., характеристики регрессий получены по большим выборкам.

Более сложная ситуация с заполнением пропущенных значений возникает для двух периодов: август 1941– ноябрь 1941 и июль 1942 – август 1945 гг. В это время регулярные инструментальные наблюдения на всем архипелаге полностью отсутствовали, а ближайшие МС оказались удаленными на 900-1000 км. Только в короткий период с декабря 1941 по июнь 1942 гг. в поселке Longyearbyen функционировала немецкая автоматическая станция (www.met.no).    Для заполнения пропусков в указанные периоды воспользуемся реанализом «NOAA-CIRES-DOE 20th Century Reanalysis V3» [9]. Корреляция среднемесячных значений ПТВ в ГМО «Баренцбург» с данными реанализа хуже, чем между данными ГМО «Баренцбург» и МС «Isfjord Radio» и «Longyearbyen» соответственно (табл. 1). Однако данная мера в нашем случае представляется неизбежной.


   

Рис. 3. Положение ГМО «Баренцбург» (1), МС «Isfjord Radio» (2), МС «Longyearbyen» (3)

            
Таблица 1. Коэффициенты корреляции (r) между среднемесячными значениями ПТВ ГМО «Баренцбург» и данными МС «Isfjord Radio», «Longyearbyen» и реанализа 20CRv3, соответственно, а также значения стандартной ошибки полученных уравнений линейных регрессий (δ)

Месяц	«Isfjord Radio»		«Longyearbyen»		Реанализ 20CRv3
	r	δ	r	δ	r	δ
январь	0.997	0.347	0.992	0.682	0.883	2.217
февраль	0.994	0.437	0.986	0.576	0.829	2.130
март	0.994	0.450	0.985	0.784	0.892	1.790
апрель	0.989	0.400	0.970	0.646	0.845	1.591
май	0.989	0.263	0.973	0.363	0.870	0.746
июнь	0.947	0.307	0.942	0.308	0.766	0.609
июль	0.873	0.493	0.940	0.259	0.579	0.696
август	0.954	0.270	0.944	0.232	0.732	0.580
сентябрь	0.981	0.273	0.973	0.279	0.945	0.466
октябрь	0.996	0.245	0.995	0.334	0.968	0.602
ноябрь	0.997	0.293	0.985	0.601	0.941	1.186
декабрь	0.997	0.315	0.993	0.550	0.926	1.589

  Мы выполнили исследования ряда среднемесячных значений ПТВ в Баренцбурге для периода 1932 -2018 гг., в котором отсутствующие значения с августа 1941 г. по ноябрь 1947 г. заменены расчетными. Основная цель - обнаружение сдвигов средних значений по методу, представленному в работе [10]. Выберем временной шаг, равный 7 годам, что соответствует продолжительности периода с наибольшей неопределенностью (1941-1947 гг.). Вариации средних значений ПТВ с указанием границ, когда происходит изменение среднего значения (для p=0.05 и 0.01), приведены на рис. 4. Сдвигов на границах исследуемого периода (вблизи 1941 и 1947 гг.), где отсутствующие значения ПТВ заменены расчетными по реанализу, обнаружено не было. Есть сдвиги в другие годы, вызванные, очевидно, естественными изменениями климата. В частности, хорошо заметно смещение среднего в начале XXI веке, вызванного современным потеплением.



 

Рис. 4. Вариации сезонных значений температур воздуха в ГМО «Баренцбург» (1) и смещения среднего значения (шаг 7 лет) для р = 0.01 (2) и 0.05(3)
а – зима, б – весна, в – лето, г – осень

Характер изменения разностей между средними сезонными значениями ПТВ в ГМО «Баренцбург» и ближайшими МС с однородными рядами («Бухта Тихая», Земля Франца-Иосифа и «Вардо», Норвегия) расположенными, соответственно, в 760 и 990 км от Баренцбурга, не меняется в период 1941-1947 гг. по сравнению с предыдущими и последующими годами (рис. 5). Таким образом, значения ПТВ, рассчитанные с помощью реанализа, представляются нам вполне корректными, поскольку не содержат явных выбросов.


 
 

Рис. 5. Разности среднесезонных значений ПТВ 
в ГМО «Баренцбург» и МС «Бухта Тихая» (1) и «Вардо» (2)
а – зима, б – весна, в – лето, г – осень;
заштрихован период с расчетными значениями для ГМО «Баренцбург»

Восстановление ряда для ГМО «Баренцбург» с 1911 г.
С декабря 1911 по август 1930 гг. на мысе Финнесет в заливе Грен-фьорд на базе норвежской радиометеорологической станции «Шпицберген Радио» проводились регулярные инструментальные метеорологические наблюдения. Расстояние между современным положением метеорологической площадки ГМО «Баренцбург» и местом, где ранее находилась метеоплощадка на мысе Финнесет всего около 1,5 км – в пределах прямой видимости (рис. 1-2). Данные норвежской метеостанции можно использовать для продления созданного нами ряда для Баренцбурга (1932-2018 гг.) на более ранний период, а именно, на 1911-1931 гг. Такое продление представляет очевидный интерес в связи с имеющимися попытками сравнения масштабов «первого» потепления (1920-40 гг.) и «современного» и по данным   МС «Longyearbyen» [11]. МС «Шпицберген Радио» является фактически единственной МС на Шпицбергене, зарегистрировавшей «первое» потепление. МС «Longyearbyen» даже с учетом первых инструментальных наблюдений, выполненных немецко-австрийской научной экспедицией в 1911 г., содержит много пробелов и неопределенностей в рядах данных именно в этот период.

Метеорологические наблюдения на МС «Шпицберген Радио» закончились, примерно, за 2 года до открытия ГМО «Баренцбург». В 2013 - 14 гг. на мысе Финнесет в месте, где ранее располагалась метеорологическая площадка МС «Шпицберген Радио», была установлена автоматическая МС (АМС). АМС на м. Финнессет была   установлена на историческом месте норвежской метеостанции (1911-1930 гг.), на высоте 8 м н.у.м. и, примерно, в 35 м от уреза воды. Вторая такая же АМС была размещена на метеорологической площадке ГМО «Баренцбург». Эти параллельные измерения позволили установить характер статистической связи между значениями ПТВ в этих двух пунктах. Коэффициент корреляции между значениями ПТВ, наблюденными в основные синоптические сроки (0, 3, 6, 9,12, 15, 18 и 21 час UTC), оказался равным 0.996. ПТВ на мысе Финнесет оказалась, примерно, на 0,4 градуса выше, чем на площадке ГМО «Баренцбург», что, по всей видимости, вызвано отепляющим влиянием залива в зимний период года. Поскольку температуры воздуха и воды в летнее время различаются незначительно, охлаждающее влияние залива зафиксировано не было.

Так как продолжительность параллельных измерений на ГМО «Баренцбург» и на мысе Финнесет лишь немного превышала один год, было получено общее уравнение регрессии (см. рис.6). Такой прием позволяет учесть разную повторяемость по месяцам погодных условий, благоприятных для проявления микроклиматических различий сравниваемых участков. Коэффициент корреляции между среднемесячными значениями ПТВна площадке ГМО и на мысе Финнесет составил 0.994, а стандартная ошибка расчета среднемесячных значений ПТВ на ГМО по данным наблюдений на мысе Финнесет равна 0.146°С. Это предполагает высокое качество реконструкции среднемесячных значений ПТВ на ГМО «Баренцбург» по данным МС «Шпицберген Радио».
   

 

  Рис. 6. Связь значений ПТВ в основные синоптические сроки на площадке ГМО «Баренцбург» и на мысе Финнесет, 2013-2014 гг.

Наконец для полного заполнения отсутствующих значений среднемесячной ПТВ в Баренцбурге для периода сентябрь 1930 – декабрь 1931 гг. (промежуток времени между закрытием МС «Шпицберген Радио» и открытием МС «Баренцбург») были заменены расчетными оценками, полученными по данным наблюдений на МС «Longyearbyen». В табл. 2 представлены периоды, для которых было проведено восстановление среднемесячных значений ПТВ для МС «Баренцбург» с указанием использованных для этого рядов.

Таблица 2. Периоды с отсутствием данных инструментальных наблюдений на МС «Баренцбург» и использованные для их восстановления источники данных.

Период с отсутствующими данными на ГМО «Баренцбург»	Источник данных для восстановления
Декабрь 1911– август 1930 гг.	МС «Шпицберген Радио»
Сентябрь 1930 – декабрь 1931 гг.	МС «Longyearbyen»
Январь 1934 г.	МС «Longyearbyen»
Август 1941– ноябрь 1941 гг.	Реанализ 20CRv3
Декабрь 1941– июнь 1942 гг.	МС Longyearbyen
Июль 1942 – август 1945 гг.	Реанализ 20CRv3
Сентябрь 1945 – август 1946 гг.	МС «Longyearbyen»
Сентябрь 1946 – ноябрь 1947 гг.	МС «Isfjord Radio»

Сравнение рядов температуры воздуха на ГМО «Баренцбург» и МС «Svalbard Airport»
В настоящее время базовым рядом для оценок климатических изменений на Шпицбергене является композитный ряд среднемесячных значений температуры воздуха для МС «Svalbard Airport». МС «Svalbard Airport» это пункт наблюдений, расположенный в непосредственной близости от взлетно-посадочной   полосы аэропорта в норвежском поселке Лонгйир. Измерения температуры воздуха собственно на МС «Svalbard Airport» проводятся только с 1975 г. Все остальные данные, которые продлены («восстановлены») до 1898 г. в работе [8], являются расчетными. Они получены по данным других МС (в т.ч. и по данным ГМО «Баренцбург») по соответствующим уравнениям регрессии. Представляет интерес сравнить ряды среднемесячной температуры воздуха на МС «Баренцбург» и МС «Svalbard Airport» в период 1911-2018 гг. Обе МС демонстрируют одинаковые тенденции, а коэффициент корреляции среднемесячных значений температуры воздуха для 1911-2018 гг. составляет величину 0.93 - 0.98. Однако есть факты, которые требует более внимательного рассмотрения.

Западная часть архипелага Шпицбергена омывается теплым Западным Шпицбергенским течением. Зимние температуры воздуха, как правило, понижаются при продвижении от западных районов архипелага в его центральную часть [12]. Теоретически, должно выполняться следующее соотношение между средними зимними значениями ПТВ:

Т_{Isfjord Radio} > T_{Грин-Харбор} > T_{Баренцбург} > T_{Svalbard Airport}

Первые два неравенства выполняются, а последнее – только на части ряда (см. рис. 7).
 


 

Рис. 7. Разности средних зимних значений ПТВ между МС «Svalbard Airport» и «Баренцбург»(1), «Шпицберген Радио» (2) и «Isfjord Radio» (3), соотвественно

Выявить физические причины, по которым на МС «Svalbard Airport» зимы 1911-1930 гг. оказались примерно такими же и даже теплее, чем на МС «Шпицберген-Радио», довольно трудно. Можно предположить, что восстановленные для этого периода значения ПТВ на МС «Svalbard Airport» несколько завышены из-за более частой реконструкции этого ряда. На МС «Svalbard Airport»   доля оригинальных (измеренных) значений ПТВ для периода 1911-2018 гг., не превышает 40 %, причем все значения до августа 1975 г. являются восстановленными. Для сравнения, в аналогичном (с 1911 г.) композитном ряду для МС «Баренцбург» доля оригинальных значений превышает 75%. Так как всякое восстановление сопровождается определенными ошибками, ряд, полученный для МС «Баренцбург», должен иметь очевидное преимущество в климатологических задачах.

Выводы
Ряды среднемесячных значений ПТВ, полученные для МС «Баренцбург», являются методически однородными и самими продолжительными среди всех постоянных МС, расположенных на архипелаге Шпицбергене, в т.ч., с учетом самой   продолжительной непрерывной серии (с 1947 г.). С помощью данных ближайших МС и реанализа восстановлены отсутствующие значения среднемесячной ПТВ для периода 1941-1947 гг. Ряды продлены до декабря 1911 г. на основе измерений, выполненных на МС «Шпицберген Радио», которая находилась в 1,5 км от современной метеорологической площадки в поселке Баренцбург.

Созданные композитные ряды среднемесячных значений ПТВ для МС «Баренцбург» могут быть использованы для корректных оценок долговременных изменений климата в регионе в различные сезоны года. При этом для периода с 1911 по 2018 гг. доля оригинальных (измеренных) значений ПТВ превышает 75%, что является максимально возможным числом для любой другой реконструкции подобных рядов на Шпицбергене.

Статья подготовлена в рамках Программы научного сотрудничества между Росгидрометом и НМИ, 2019-2021 гг., плана НИТР/ОПР Росгидромета (проект 24, раздел 5.1.4 «Мониторинг состояния и загрязнения природной среды, включая криосферу, в Арктическом бассейне и районах научно-исследовательского стационара «Ледовая база Мыс Баранова», Гидрометеорологической обсерватории Тикси и Российского научного центра на архипелаге Шпицберген») и при финансовой поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 18-05-60291 «Адаптация Арктических лимносистем к быстрым изменениям климат» и Министерства науки и высшего образования, грант №05.616.21.0109 (075-15-2019-1487) (RFMEFI61619X0109).


Список литературы:
1. Руководство по специализированному обслуживанию экономики климатической информацией, продукцией и услугами 2008. / Под редакцией д-ра геогр. наук, профессора Н.В. Кобышевой. – CПб.,– 336 с..
2. European Climate Assessment & Dataset (ECA&D). 2013. Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD)// ECA&D: Project number: EPJ029135. Royal Netherlands Meteorological Institute KNMI. Version: 10.7. URL: https://www.ecad.eu/documents/atbd.pdf
3. Демин В.И., Иванов. Б.В. 2019. Проверка климатической однородности рядов температуры воздуха в Баренцбурге (Шпицберген) // Труды XVI Всероссийской научной школы. «Математические методы в естественных науках» - Апатиты, Геологический институт КНЦ РАН, 2019 г. с. 134-150.
4. Рубинштейн Е.С. Однородность метеорологических рядов во времени и пространстве в связи с исследованием изменения климата. Л., Гидрометеоиздат, 1979, 80 с.
5. Nordli Ø., Hanssen-Bauer I. & Førland E.J. 1996. Homogeneity analyses of temperature and precipitation series from Svalbard and Jan Mayen. Klima 16/96. Oslo: Norwegian Meteorological Institute.
6. Nordli Ø. The Svalbard Airport temperature series. //Bulletin of Geography, Physical Geography Series. 2010. 3. pp. 5 -25
7. Nordli O. and Isaksen K. Long–term climate variations on Svalbard using early instrumental observations // Geophysical Research Abstract (EGU2010 – 9122, 2010). Vol. 12, 2012.
8. Nordli Ø., Przybylak R., Ogilvie A. E.J. & Isaksen K. Long-term temperature trends and variability on Spitsbergen: the extended Svalbard Airport temperature series, 1898–2012 // Polar Research. 2014, vol. 33. 21349. http://dx.doi.org/10.3402/polar.v33.21349
9. NOAA-CIRES-DOE 20th Century Reanalysis V3
URL: https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.20thC_ReanV3.html
10. Rodionov, S.N., 2004: A sequential algorithm for testing climate regime shifts. Geophys. Res. Lett., 31, L09204, doi:10.1029/2004GL019448.
11. Ivanov B.V. Comparing the «earlier» and the «modern» warming in West Arctic on example of Svalbard. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Turbulence, Atmosphere and Climate Dynamics. 231 (2019) 012023 doi:10.1088/1755-1315/231/1/012023 URL: https://iopscience.iop.org/issue/1755-1315/231/1
12. Przybylak, R. et al. Spatial distribution of air temperature on Svalbard during1 year with campaign measurements // Int. J. Climatol.34: 3702–3719 (2014)

Статья представлена в открытом доступе в полнотекстовом формате по лицензии Creative Commons 4.0