Дендрохронологические реконструкции климатических и гидрологических параметров на Тянь-Шане (Киргизия) за последние столетия

Понимание процессов, определяющих изменчивость климата, является одной их самых актуальных задач современной науки. В последние десятилетия в связи с бурными дискуссиями о характере и причинах современных климатических колебаний, этот вопрос приобрел небывалую остроту и вышел за рамки чисто научной проблемы. Палеоклиматология вносит существенный вклад в решение этого круга проблем. В частности, именно она позволяет определить, чем современные колебания климата отличаются от прежних, заведомо не подверженных существенному антропогенному влиянию. Дендроклиматология — важнейший инструмент современной палеоклиматологии, который позволяет производить реконструкции гидрометеорологических рядов с высокой точностью и надежностью. Этот метод дает возможность реконструировать температуру, осадки, речной сток с годовым или сезонным разрешением, и, таким образом, удлинить ряд наблюдений, оценить частоту и суровость экстремальных явлений, тренды и ритмику изменений климатических параметров и связанных с ними природных процессов. Реконструированные данные можно использовать и для прогноза внутривековых колебаний климата.

Изучение климатической изменчивости на Тянь-Шане с помощью одного из косвенных методов индикации — дендрохронологии, является, таким образом, одной из актуальных задач палеоклиматологии. Эта работа посвящена изучению реакции ширины и плотности годичных колец ели Шренка на климатические колебания на Тянь-Шане, созданию длиннорядных количественных реконструкций межгодовой и внутривековой изменчивости летней температуры воздуха для данного района и реконструкции годового стока р. Нарын. Нарын — крупнейшая река Киргизии, на ней расположены основные гидроэлектростанции. Полученная реконструкция может представлять интерес для исследований и прогнозов притока воды к расположенным ниже по течению Токтогульскому водохранилищу и Камбаратинской ГЭС-2.

Новые дендрохронологические реконструкции по смежным районам (Esper, Schweingruber, Winiger, 2002, Chen et al., 2009 и др.) позволяют рассмотреть полученные нами данные о климате и гидрологической изменчивости в прошлом в региональном контексте для территории Центральной Азии в целом.

Цель работы.

Создание длиннорядных древесно-кольцевых хронологий и количественных реконструкций межгодовой и внутривековой изменчивости летней температуры воздуха и объема речного стока на Тянь-Шане на основе дендрохронологических данных.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Расширение сети древесно-кольцевых хронологий для территории Тянь-Шаня.

2. Анализ взаимосвязи прироста ели Шренка и климатических колебаний.

3. Анализ пространственных и временных особенностей радиального прироста ели Шренка на Тянь-Шане.

4. Реконструкция объема речного стока р. Нарын за период 1753—1995 гг.

5. Уточнение реконструкции летней температуры (июнь-август) воздуха на верхней границе леса по данным максимальной плотности годичных колец ели за период 16 501 995 гг.

Материалы, используемые в работе и личный вклад автора.

Работа основана на дендрохронологическом материале, полученном в ходе полевых работ в 2000;2009 гг. автором и другими сотрудниками ИГРАН, а также на материале из Международного банка древесно-кольцевых данных (ITRDB). Для анализа были использованы данные наблюдений на 10 метеорологических станциях, данные из сеточного архива CRU TS3, данные моделирования индекса сухости PDSI (Dai, Trenberth, Qian, 2004) и данные по объему речного стока, любезно предоставленные д.г.н. В. Н. Коновавловым. Собственные исследования автора включали полевые работы по сбору дендрохронологического материалалабораторную обработку, измерение ширины годичных колецперекрёстную датировку полученных древесно-кольцевых серий и построение хронологийстатистическую обработку климатической и дендрохронологической информациипостроение реконструкций летней температуры воздуха и объема речного стокасопоставление полученных данных с результатами других исследований по данной территории и соседним районам.

Научная новизна.

В ходе работы нами было построено 33 древесно-кольцевые хронологии ели Шренка на Тянь-Шане, в том числе — наиболее длиннорядная древесно-кольцевая хронология ели по ширине годичных колец для территории Центральной Азии, охватывающая период 1301—2005 гг. Выполнено обобщение обширного массива дендрохронологических и метеорологических данных, и на этой основе проведен анализ взаимосвязи прироста ели Шренка и климатических колебаний. Впервые создана реконструкция объема годового стока р. Нарын на основе дендрохронологических данных. Уточнена модель связи летней температуры воздуха июня-августа и максимальной плотности годичных колец ели у верхней границы леса.

Основные защищаемые положения.

• На Центральном и Внутреннем Тянь-Шане общим для всех хронологий ширины колец ели Шренка вне зависимости от абсолютной высоты произрастания деревьев является положительный отклик на количество выпавших осадков июля-августа предыдущего года и отрицательный отклик на среднюю температуру воздуха июля-августа предыдущего года. Для верхней границы леса отмечается также отрицательный отклик ширины колец на среднюю температуру воздуха апреля текущего года.

• Ширина годичных колец ели положительно коррелирует с объемом годового стока р Нарын, что дает возможность выполнить реконструкцию этого параметра с 1753 по 1995 гг. Самые низкие значения реконструированного стока приходятся на 1917;1918 гг., когда на территории всего Центрального Тянь-Шаня сильная летняя засуха отмечалась и по метеорологическим наблюдениям. Явления подобного масштаба приходятся также на 1771 и 1844 гг.

• На основе хронологии максимальной плотности годичных колец ели Шренка уточнена реконструкция среднемесячной температуры воздуха за июнь-август с 1650 по 1995 гг., которая объясняет 76% изменчивости этого параметра.

Практическое значение работы.

Реконструкция климатических и гидрологических изменений необходима для оценки динамики климата и водных ресурсов Кыргызстана в прошлом и для создания прогнозов их изменчивости в будущем. Эти данные могут использоваться для планирования устойчивого развития экономики Кыргызстана. Особенно может быть важна реконструкция стока р. Нарын — крупнейшей реки страны, на которой расположены основные гидроэлектростанции. Потенциальными потребителями полученных результатов являются организации, осуществляющие стратегическое планирование устойчивого развития Кыргызстана, в целом сельское население этой горной страны, которое в большой степени зависит от изменений климата и водности рек. Кроме того, полученные хронологии и реконструкции могут использоваться для уточнения региональных и глобальных реконструкций изменений климата и моделирования его изменчивости в будущем, а также для датирования погребенной древесины разного происхождения.

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены на российских и международных конференциях: международный симпозиум «В память 80-й годовщины Российско-Германской Памиро-Алайской экспедиции 1928 года» Ташкент, Узбекистан (август 2008 г.), международный симпозиум «Reconceptualizing Cultural and Environmental Change in Central Asia: An Historical Perspective on the Future», Киото, Япония (февраль 2009 г.), школа молодых ученых «Изменения климата и экосистем горных территорий», Кисловодске (октябрь 2010 г.), вторая молодежная научная школа «Природные и природно-антропогенные геосистемы: организация, изменения во времени», Курск (июнь 2011 г.), конференция «Land-ocean-atmosphere interactions in the changing world», Вислинская коса (сентябрь 2011 г.), конференция «Русдендро-2011», Екатеринбург (октябрь 2011 г.).

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 2 в журналах ВАК:

1. Solomina O.N., Maximova О.Е., Gorlov M.G. Tree-ring reconstruction of summer temperature of the last five centuries in the Tien Shan mountains, Kyrgyzstan republic // Symposium in memory of the 80th anniversary of the German-Russian Alay/ Pamir Expedition in 1928. 2008. P. 10.

2. Максимова O.E. Древесно-кольцевая хронология ели Шренка за последние семь столетий для окрестностей ледника Иныльчек, Тянь-Шань, Киргизия // мат. Международной конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2009».

2009. http://www.lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov2009/htm/059.pdf.htm.

3. Maximova О.Е., Solomina O.N. Seven-centuries spurce ring width chronology in the area of Engilchek glacier, Tien Shan mountains, Kyrgyzstan republic // Proceedings of the International workshop «Reconceptualizing cultural and environmental change in Central Asia: an historical perspective on the future». Kyoto, Japan. 2010. P. 1−10.

4. Соломина O.H., Максимова O.E. Дендрохронологические исследования на Тянь-Шане как источник климатической информации // Известия РАН, серия географическая.

2010, № 6, С. 54−66.

5. Максимова О. Е. Древесно-кольцевая хронология ели Шренка за последние семь столетий для района ледника Эныльчек на Тянь-Шане // Лед и снег. 2011. № 1(113). С. 124 130.

6. Maximova O.E. Tree-ring based reconstruction of summer temperature in the Tien Shan Mts // International conference of young scientists «Land-ocean-atmosphere interactions in the changing world», Program and Abstracts, Vistula spit. 2011. P.55.

Благодарности.

Автор выражает благодарность О. Н. Соломиной за научное руководство, В. Г. Коновалову за помощь и консультации при создании гидрологической реконструкции, В. В. Грязновой и Ю. З. Мацковской за помощь в обработке и измерении дендрохронологических образцов, В. В. Мацковскому за техническую и методическую поддержку, а так же В. В. Клименко, В. В. Поповой, Е. А. Долговой, Е. П. Кузнецовой, А. А. Медведеву, С. С. Кутузову, И. А. Рыбакову, Г. Е. Красникову, В. Н. Михаленко, М. Г. Кунаховичу, Б. Б. Франкштейну, Р. Усубалиеву за помощь на разных этапах работы.

Выводы:

• Наши хронологии ширины годичных колец коррелируют с аналогичными хронологиями ели Шренка построенными НМ. Борщевой (1983) для Заилийского Алатау, а хронология максимальной плотности — с аналогичными хронологиями, построенными Ю. Юанем и др. (Yuan et al., 2008) для верхней границы леса на Восточном Тянь-Шане.

• Наша реконструкция летней температуры для высокогорий Центрального Тянь-Шаня показывает высокую положительную корреляцию (г=0,5−0,6) с данными сеточного архива CRU TS3.1 для центральной части Средней Азии.

• Построенная нами реконструкция летней температуры воздуха показывает наиболее тесную корреляционную связь с рядом инструментальных наблюдений летних температур из всех имеющихся на сегодняшний день реконструкций летней температуры воздуха для Тянь-Шаня и является одной из наиболее продолжительных.

• Внутривековые колебания летней температуры, по нашей реконструкции, почти синхронны с таковыми на кривой среднегодовой температуры Северного полушария за 1871−1997 гг. (Jones et al., 1999) и внутривековыми колебаниями летних температур Северного полушария (Briffa et al., 2001).

• Выявлен ряд аномалий в рядах ширины и плотности колец ели Шренка, соотносящихся с годами сильных эксплозивных вулканических извержений.

• Отмечено сходство кривых, описывающих исторические данные о частоте пыльных бурь в Китае (Giralt et al., 2003), и сток р. Нарын.

• Описанные нами периоды понижения объема годового стока в целом согласуются с реконструированными колебаниями стока р. Манаси на Восточном Тянь-Шане (Yuan et al., 2007), что говорит о региональном масштабе выявленных засух.

Наши данные позволяют получить реконструкцию индекса сухости (Р081) баланса массы ледников Тянь-Шаня. Эти задачи возможно будет решить будущем.

Заключение

.

• В настоящей работе проведено исследование 33 древесно-кольцевых хронологий по ширине и максимальной плотности годичных колец ели Шренка. Впервые создана древесно-кольцевая хронология ели Шренка на верхней границе ее распространения, охватывающая период с 1301 по 2008 гг. — это в настоящий момент самая продолжительная древесно-кольцевая хронология ели Шренка для территории Центральной Азии.

• Выполнен анализ взаимосвязи ширины и плотности годичных колец ели Шренка и климатических условий. Показано, что для ширины годичных колец более значимы условия увлажнения предыдущего года, а для плотности — температурные условия текущего года. Хронологии показывают наличие корреляции с метеоданными без явной зависимости от близости метеостанций к площадкам отбора образцов. Это говорит о том, что полученные нами хронологии в большой степени отражают региональные климатические условия. Впервые на основе дендрохронологических данных создана реконструкция межгодовой и внутривековой изменчивости объема годового стока р. Нарын с 1753 по 1995 гг. (г=0,76, р>0,01). Выделены периоды повышения и понижения объема годового стока. Описанные нами периоды понижения объема годового стока в целом согласуются с реконструированными колебаниями стока р. Манаси на Восточном Тянь-Шане (Yuan et al., 2007), что говорит о региональном масштабе выявленных засух.

• В диссертации сделано уточнение реконструкции летней температуры для верхней границы леса на Центральном Тянь-Шане за 1650−1995 гг. Полученная реконструкция имеет самую высокую корреляционную связь с измеренными температурами лета (г=0,87, р>0,01) и является одной из наиболее продолжительных реконструкций среди всех созданных для данного региона.

• Кроме того, наши данные позволяют получить реконструкцию индекса сухости (PDSI) и баланса массы ледников Тянь-Шаня. Эти задачи возможно будет решить в будущем.

Однако очевидно, что многие вопросы на современном этапе оказываются еще нерешенными Так, при расхождении разных реконструкций зачастую остается неясным вклад пространственной изменчивости климата и неклиматического сигнала, который вносит «шум» в эти реконструкции, а также вопрос о возможной нестационарности связей климатических и дендрохронологических параметров и реконструкции долгопериодных колебаний по дендрохронологическим данным. Перечисленные проблемы имеют фундаментальный характер и не могут быть решены в рамках данного исследования. Сравнение наших хронологий и реконструкций с другими косвенными палеоклиматическими данными показывает перспективность подобных исследований для территории Средней Азии.