Целью палеоклиматических исследований, длительно ведущихся в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ), являются: выявление колебаний климата на отрезках времени последних сотен тысяч, десятков тысяч и тысяч лет; выяснение являются ли эти колебания циклическими и попытка прогноза климата на длительную перспективу (сотни, тысячи лет).

Предшествующие исследования [Адаменко и др., 1982; Макеев и Большиянов, 1991] показали, что пространственные и временные колебания климата Арктики на протяжении длительных отрезков времени представляют собой сложную картину. Были выделены 3 арктические климатические провинции, в которых наступления потеплений и похолоданий происходят более или менее синхронно, - это Приатлантическая северо-европейская, Азиатская и Канадская провинции. Корреляция долгопериодных колебаний климата между провинциями не была проведена.

Тогда для палеоклиматических построений использовались разнородные данные: поиск климатического сигнала при интерпретации спорово-пыльцевых данных из разрезов четвертичных отложений и палеоклиматические построения, основанные на изучении ледяных кернов из скважин, пробуренных в полярных ледниках. Данных было недостаточно, и они слабо привязаны к хронологической шкале. Анализ выявленных закономерностей показывает, что для понимания климатических колебаний прошлого недостаточно оперировать полушариями или широтными поясами, как это делалось предшествующими исследователями, даже в северной полярной области Земли климатические флуктуации существенно отличаются при переходе из одного сектора в другой.

Настоящее исследование опирается на более значительный объем фактического материала, собранного международным научным сообществом за последнее десятилетие. Эти данные однородны, так как в их основе лежит палеоклиматическая интерпретация только спорово-пыльцевых спектров рыхлых отложений, изученных в различных регионах Арктики.

В настоящее время существуют методы восстановления палеотемператур воздуха по соотношению пыльцы растений различных групп в образцах [Andreev & Klimanov, 2000]. Сознавая сложность интерпретации спорово-пыльцевых спектров отложений Арктики, главным образом вследствие значительного заноса пыльцы растений из умеренных и южных широт в безлесные ландшафты тундр и полярных пустынь, авторы данной работы скептически относятся к выведению абсолютных палеотемператур воздуха на основе спорово-пыльцевого анализа. С нашей точки зрения, пока можно определить только относительные колебания температур воздуха.

В Арктике главным фактором ограничения развития растительности выступает малое количество тепла в течение вегетационного периода. В голоцене (последние 10 000 лет) изменения влажности не были значительными. В это время сформировались арктические ландшафты, основными факторами развития которых являются малое количество тепла и избыток влаги (превышение осадков над испарением). И если избыток влаги остается более или менее постоянной характеристикой северной полярной области за последние 10 000 лет, то приход тепла испытывал более значимые для растительности флуктуации. Именно на последнее и реагировала растительность, продвигаясь отдельными группами на север при потеплениях и отступая на юг при похолоданиях. Особенно показательной в этом смысле является миграция границы леса.

Поэтому, фактически представляя в данной работе исследования палеорастительности, мы вкладываем в свои построения палеоклиматический смысл, а именно: говорим об относительных колебаниях летней температуры приземного воздуха.

С другой стороны, понятно, что состав растительности отражает гораздо более обширный комплекс природных факторов, чем только летняя температура воздуха. Поэтому, оперируя в дальнейшем понятием летней палеотемпературы воздуха, мы имеем в виду и более широкое понятие - климатические условия прошлого в целом.

Метод интерпретации спорово-пыльцевых данных субъективен и базируется на соотношениях пыльцы и спор различных групп растений (деревья, кустарники, травы) в каждом из исследованных образцов отложений. На основании заключения палинолога выделяются более или менее благоприятные условия для развития растительности в те отрезки голоцена, возраст которых определен с помощью радиоуглеродного датирования органической части отложений. По нескольким разрезам четвертичных отложений со спорово-пыльцевыми данными, относящимися к каждому из выделенных по географическим признакам сектору Арктики (рис. 1), составлены кривые колебаний условий развития растительности. По нашим представлениям, они отражают температуры воздуха в период развития растительности. Эти кривые относительных колебаний летней температуры воздуха построены по данным палинологов и палеогеографов, исследовавших каждый из выделенных секторов Арктики, в том числе специалистов отдела географии полярных стран ААНИИ [Большиянов, 2000; Макеев и Большиянов, 1991].

В последующем эти субъективные данные стали предметом статистического анализа для выявления временной структуры наблюденных колебаний. Для введения этих данных в компьютер использовалась балльная система. Относительные величины со знаком «+» или «-» были введены в табличной форме и соответствуют периодам потепления или похолодания по сравнению с современными летними температурами воздуха. Величина балла также субъективна и зависит от мнения палинолога, насколько растительность (растительная зона) была продвинута к северу или югу по сравнению с современным ее положением в Арктике. Полученные относительные величины осреднялись за каждые 100 лет во всех 14 выделенных секторах Арктики, т.е. таким образом, для анализа использовались временные ряды с дискретностью в 100 лет во временном интервале в 10 000 лет.

Анализ рядов, как и в предшествовавших исследованиях [Макеев и Большиянов, 1991], показал, что время наступления похолоданий или потеплений в различных секторах Арктики существенным образом различается. Наиболее ярко выраженное время климатического оптимума голоцена наступило в Арктике неодновременно, от 10 000 до 4 000 л.н., что хорошо видно на построенных графиках колебаний летней температуры воздуха (рис. 2).

Для оценки тенденций изменения температурного режима на протяжении всего рассматриваемого периода для всех выделенных секторов методом наименьших квадратов были рассчитаны линейные тренды. Коэффициенты линейных трендов представлены в табл. 1.

Из рассчитанных данных следует, что почти для всех рассматриваемых секторов Арктики характерны отрицательные линейные тренды, т.е. существует тенденция к понижению летних температур воздуха за последние 10 000 лет. Для сектора Восточной Фенноскандии коэффициент линейного тренда положителен, а для востока канадской Арктики линейный тренд отсутствует. Характер изменений за рассматриваемый период свидетельствует о влиянии двух групп факторов - внешних по отношению к выделенной климатической системе, обеспечивающих общее понижение температуры воздуха в Арктике, и внутренних - таких, например, как изменение атмосферной циркуляции, следствием чего может быть различное наступление оптимума голоцена в различных секторах.

Анализ пространственной взаимосвязи климатических изменений, происходивших в выделенных 14 секторах Арктики (табл. 2), позволил выделить палеоклиматические провинции в Арктике, где изменения летней температуры воздуха происходили согласованно (рис. 1).

К первой провинции относятся секторы: Гренландия (1), Исландия (2), Шпицберген (3) и вся Фенноскандия (3, 4). Эта провинция названа Северо-Атлантической арктической провинцией. Во вторую - Сибирскую арктическую провинцию - объединяются секторы: п-ов Таймыр (7), архипелаг Северная Земля (8) и север Восточной Сибири (9). Третья - Канадская арктическая провинция - представляет собой объединение Аляски (11), запада и центра канадской Арктики (12, 13). Как видно из табл. 2, между секторами внутри каждой из выделенных провинций наблюдаются значимые коэффициенты корреляции (значимыми считаются коэффициенты, превышающие значение 0.20 при 95%-ном уровне значимости).

По результатам взаимного корреляционного анализа между первой и второй выделенными провинциями выявлена обратная взаимосвязь летних палеотемператур воздуха (рис. 1). Для второй и третьей провинции характерна положительная корреляция и значимые коэффициенты корреляции между секторами этих провинций. Между первой и третьей провинциями корреляционные связи слабы.

Интересно рассмотреть пространственную взаимосвязь между секторами, не вошедшими ни в одну из выделенных областей. Сектор севера европейской части России (5) хорошо сопоставляется с третьей выделенной областью, коэффициент корреляции положителен и значим. Взаимосвязь с соседним - Западно-Сибирским, сектором (6), а так же с Чукотским сектором (10) положительна, но коэффициенты корреляции не значимы. Значимый положительный коэффициент корреляции наблюдается только с сектором востока канадской Арктики (14). Западно-Сибирский сектор (6) связан с Чукотским сектором (10), коэффициент корреляции значим, положителен и составляет 0.63.

Таблица 1. Коэффициенты линейного тренда, у.е. / 100 лет

Расположенные друг напротив друга секторы Восточной Фенноскандии (4) и запада канадской Арктики (12) имеют высокий отрицательный коэффициент корреляции, что означает противоположные колебания летних температур воздуха в течение голоцена. Хорошая взаимосвязь летних палеотемператур воздуха существует у Западно-Сибирского сектора Арктики (6) с каждым из районов, входящих в первую выделенную провинцию. Все коэффициенты корреляции значимы и превышают значение 0.5. Так же присутствует взаимосвязь первой выделенной провинции с Чукотским сектором Арктики (10), коэффициенты корреляции значимы и превышают значение 0.5. Симметрия расположения областей позволяет предположить, что Чукотский сектор Арктики может выступать на уровне провинции и тесно связан в климатических колебаниях с Северо-Атлантической арктической провинцией.

Таблица 2. Корреляция палеотемператур воздуха и различных частях Арктики (|R₀| = 0.20 при 95%-ном уровне значимости)

 Примечание. *1 - Гренландия, 2 - Исландия, 3 - Шпицберген и Западная Фенноскандия, 4 - Восточная Фенноскандия, 5 - север европейской части России, 6 - Западная Сибирь, 7 - п-ов Таймыр, 8 - архипелаг Северная Земля, 9 - север Восточной Сибири, 10 - Чукотка, 11 - Аляска, 12 - запад канадской Арктики, 13 - центр канадской Арктики, 14 - восток канадской Арктики.

** Жирным шрифтом выделены коэффициенты корреляции между секторами, объединенными в провинции.

Сибирская провинция в свою очередь также взаимосвязана с Чукотским сектором Арктики (10), но в отличие от первой области здесь процессы проистекают противоположно (коэффициенты корреляции отрицательны), все коэффициенты корреляции значимы. Также отрицательная корреляция летних палеотемператур воздуха всех секторов, входящих в Сибирскую провинцию, наблюдается с сектором Восточной Фенноскандии (4), вошедшим в Северо-Атлантическую провинцию - все коэффициенты корреляции являются значимыми. Появление подобных дальних взаимосвязей предположительно может считаться следствием проявления трансарктического колебания [Thompson & Wallace, 1999]. Значимая положительная взаимосвязь летних палеотемператур воздуха второй области наблюдается лишь с сектором севера европейской части России (5).

Третья (Канадская арктическая) провинция также имеет значимую положительную взаимосвязь рассматриваемых величии с сектором севера европейской части России (5).

Наличие между выделенными провинциями секторов, имеющих слабую связь между соседними более крупными выделенными областями, позволяет определить эти секторы как переходные. Между собой они тоже связаны. Так, сектор Востока канадской Арктики имеет значимую отрицательную связь с 5-м - напротив расположенным сектором севера европейской части России. Чукотка, как уже упоминалось выше, хорошо связана с противоположной ей географически Северо-Атлантической провинцией.

Симметричность связей (рис. 1) заставляет провести аналогии с современным климатическим делением Арктики. Имеющееся современное климатическое районирование Арктики [Прик и Долгин, 1985] достаточно близко совпадает с полученными палеоклиматическими построениями.

Из табл. 2 коэффициентов корреляции между летними палеотемпературами различных секторов Арктики видно, что большинство коэффициентов корреляции мало. Но это не обязательно означает, что взаимосвязи между рассматриваемыми величинами нет. Вероятно предположить, что определенная взаимная связь между ними проявляется на разных частотах и при рассмотрении простой корреляции без выделения разночастотных колебаний, они могут перекрывать друг друга, приводя в итоге к низким показателям связи между интересующими величинами.

В данной работе использовался взаимный спектральный анализ для определения частотной структуры взаимосвязи летних палеотемператур воздуха в различных секторах Арктики. Для всех выделенных секторов Арктики наибольшая доля дисперсии приходится на низкие частоты (период более 720 лет), тогда как на средние и высокие частоты приходится незначительная часть дисперсии.

Наряду с климатическими флюктуациями, связанными с изменениями внешних по отношению к климатической системе параметров, также важно решение вопроса об ее внутренней устойчивости при неизмененных внешних условиях.

Для всех выделенных 14 секторов Арктики рассчитаны функции плотности вероятности.

Ядерная оценка функции плотности вероятности, согласно [Катковник, 1985], может быть представлена следующим образом:

где X_S - случайные величины, распределенные с оцениваемой плотностью вероятности f (x); h - весовая функция или ядро оценки; δ(n) - параметр локальности.

В работе для вычисления параметра локальности использовался метод перекрестного выбора [Катковник, 1985]. Подобный метод дает хорошие результаты при малой длине выборки, что существенно для анализа климатических данных. В качестве весовой функции h было выбрано ядро Гаусса первого порядка, позволяющее получить оценку плотности вероятности с дисперсией в 2-3 раза меньшей, чем, например, в методе гистограмм:

По результатам исследования бимодальность распределения была обнаружена в Гренландском секторе (1), секторе востока канадской Арктики (14), секторе Шпицбергена и Западной Фенноскандии (3), Восточной Фенноскандии (4), секторе севера европейской части России (5) и Таймырском секторе (7). Во всех остальных выделенных секторах Арктики в распределении летних палеотемператур воздуха бимодальности не обнаружено. Бимодальное распределение в данном случае может быть интерпретировано как наличие в рассматриваемом районе двух климатических режимов, что приводит к необходимости при описании климата этой области наряду с оценками среднего и дисперсии использовать и оценку распределения.

Особенности типов распределений временных рядов исследуемых палеоданных проявились в соответствии с выделенными по пространственной корреляции тремя областями. Большинство секторов, входящих в Северо-Атлантическую арктическую провинцию, характеризуется бимодальным распределением (рис. 3, а).

Все секторы, вошедшие в Сибирскую арктическую провинцию, имеют распределение, близкое к нормальному, но имеющее положительную асимметрию (рис. 3, б).

Распределения временных рядов летних палеотемператур воздуха секторов третьей выделенной провинции (Канадской арктической) отличаются от нормального большим значением эксцесса и присутствием асимметрии (рис. 3, в).

Во второй и третьей провинциях преобладают отрицательные аномалии. Появление большого эксцесса может означать, что наблюдается очень устойчивый климат с малой вероятностью появления больших аномалий благодаря действию внешних факторов, стабилизирующих климатическую систему данной провинции, и ослабленному влиянию факторов, способствующих случайным флюктуациям, во многом обусловленным изменениями атмосферной циркуляции. Характер полученных типов функции плотности вероятности во многих чертах совпадает с современными условиями [Алексеев и Священников, 1991; Теребенько, 1999].

Таким образом, в результате проведенных исследований можно обозначить несколько важных, как представляется авторам, выводов.

1. За весь рассматриваемый период (10 000 лет) почти во всех рассмотренных секторах Арктики преобладала тенденция к похолоданию климата.

2. Изменчивость летних палеотемператур за весь рассматриваемый период обусловлена естественными факторами. Судя по всему, амплитуда этих изменений в период последних 10 000 лет превышает увеличение летней температуры воздуха в последнем столетии, которому приписывают значительные антропогенно обусловленные колебания температуры воздуха. Подобное обстоятельство позволяет высказать предположение о естественном характере наблюдаемого современного потепления.

3. Несмотря на значительные изменения летних температур воздуха в течение голоцена и разновременность наступления теплых или холодных фаз (а точнее, благоприятных и менее благоприятных условий для жизни растений), пространственная структура климатической системы Арктики, сформировавшаяся после катастрофических событий при переходе от неоплейстоцена к голоцену, в течение последних 10 000 лет устойчива.

Список литературы

1. Адаменко В.Н., Масанова М.Д., Четвериков А.Ф. Индикаторы изменений климата. Методы анализа и интерпретации. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 110 с.

2. Алексеев Г.В., Священников П.Н. Естественная изменчивость характеристик климата Северной полярной области и северного полушария. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 159 с.

3. Большиянов Д.Ю. Основные проблемы палеогеографии позднего неоплейстоцена и голоцена Российской Арктики, поставленные исследованиями последнего десятилетия и варианты их разрешения // Проблемы Арктики и Антарктики. 2000. Вып. 72. С. 72-97.

4. Катковник В.Я. Непараметрическая идентификация и сглаживание данных. М.: Наука, 1985. 356 с.

5. Макеев В.М., Большиянов Д.Ю. Температура воздуха в голоцене. Климатический режим Арктики па рубеже XX и XXI вв. СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 160-169.

6. Прик З.М., Долгин И.М. Климатическое районирование // Атлас Арктики. М.: Главное управление геодезии и картографии при Совете Министров СССР, 1985. С. 80.

7. Теребенько А.В. Области локальной неединственности климата Северной полярной области // Человек. Природа. Общество. Актуальные проблемы. Материалы 10-й Международной конференции молодых ученых. 22-28 декабря 1999 г. СПб.: Из-во СПбГУ, 1999. С. 332.

8. Andreev A.A., Klimanov V.A. Quantitative Holocene climatic reconstructions from Arctic Russia // J. of Paleobiology 24. 2000. P. 81-91.

9. Circum Arctic Paleoenvironments (CAPE). Holocene Spatial and Temporal patterns of environmental change in the Arctic. (1997). http://www//hgdc/noaa/gov/paleo/cape/TOC.hlm.

10. Thompson D.W.J., Wallace J.M. Annular Modes in the Extropical Circulation. Part II: Trends. J. Climate. 1999. P. 1-19.