HEAT WAVES AS REFLECTION OF VARIABILITY OF CURRENT CLIMATIC CONDITIONS OF VITAL ACTIVITY IN TOMSK REGION

Full Text

Проблема климатических изменений является одной из наиболее актуальных в современной науке и привлекает большое число исследователей из различных областей знаний. Общепризнанный факт, что изменения климата оказывают как прямое, так и косвенное воздействие на здоровье человека. Так, увеличение длительности периодов с высокими или низкими температурами влияет как непосредственно на состояние здоровья людей, так и косвенно - через качество воды, продуктов питания, состояние загрязнения воздуха. К косвенным (непрямым) последствиям относят увеличение численности комаров в результате затопления территорий, активизацию клещей и других переносчиков инфекций, увеличение периода их потенциальной инфекционной опасности. Кроме того, экстремальные значения температуры влияют на устойчивость и прочность строительных конструкций, рабочие характеристики техники, во многом определяют экологическую ситуацию территории (пожароопасность, уровень загрязнения), состояние инфраструктуры жилищно-коммунального хозяйства, других отраслей экономики. Более чем за 100-летнюю историю метеорологических наблюдений в последнее десятилетие в мире все чаще фиксируются экстремальные значения в рядах приповерхностной температуры воздуха. Согласно 5-му Докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата, опубликованному в 2013 году, средняя глобальная температура за период с 1951 по 2012 год повысилась на 0,72 °С [20]. По данным [1, 2, 4], самым теплым для всего Земного шара оказался 1998 год, второе- третье место соответственно у 2005 и 2010 годов. Все следующие девять максимумов наблюдались в XXI веке. В среднем для Северного полушария первый ранг среди самых теплых лет занимает 2007, а за ним с минимальными различиями следуют 2010 и 1998 годы. По последним совместным исследованиям Всемирной метеорологической организации (ВМО) и Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в 3 Окружающая среда Экология человека 2015.02 российских регионах на фоне происходящих глобальных климатических изменений самым теплым является 2007 год, второе-третье место у 1995 и 2008 годов. Для территории Западной Сибири в десятку самых теплых лет входят 2006 и 2012 годы. В целом оценка изменения глобального термического режима и его влияния на человека стала одним из приоритетных направлений для ВМО и ВОЗ [1, 7, 8]. Так, по оценкам ВОЗ, климатические изменения являются причиной примерно 1 50 тысяч преждевременных смертей в мире (0,3 % общего числа смертей) и 55 миллионов человеко-лет нетрудоспособности в год (0,4 % общей нетрудоспособности) [19]. Одним из современных направлений исследований изменения температурного режима среды обитания является изучение температурных волн (кратковременных периодов экстремально жарких или холодных погод) [8, 12]. Такие экстремальные значения приповерхностной температуры воздуха формируются за достаточно короткий временной интервал, изменения температуры в котором часто носят волновой характер. Увеличение количества аномально жарких и холодных дней, отражаемое в повторяемости температурных волн, оказывает влияние на уровень смертности населения, особенно в старшей возрастной группе. Так, авторы [13] отмечают, что в 1998-2002 годах в городах России волны тепла стали причиной от 4 до 29 тысяч случаев дополнительной смерти в год. При дальнейшем потеплении климата возможно увеличение числа дней с аномальной высокой и низкой температурой, следовательно, количество климатозависимых смертельных исходов также может увеличиться. Термин «волны холода / тепла» возник в связи с проводившимися еще в конце XIX века исследованиями областей холодного (теплого) воздуха, которые после своего зарождения в северо-западных районах континента (как Европы, так и Северной Америки) перемещаются в юго-восточном направлении подобно волне [8]. Общепризнанного критерия выделения волн тепла и холода нет. И это вполне объяснимо, так как в зависимости от задач научного исследования или практического обслуживания населения интерес могут представлять волны определенной интенсивности или продолжительности [8, 12]. С точки зрения биоклиматологии количественные показатели волн тепла и холода определяются индивидуально не только для каждой климатической зоны, но и для отдельных городов, и особенно мегаполисов. Города с разной возрастной структурой и социально-экономическим положением населения имеют и разные температурные пороги при выделении волн тепла, даже если находятся в одной климатической зоне. С позиций здоровья человека большое значение имеет тот температурный порог, выше (жара) или ниже (холод) которого увеличиваются показатели смертности или наблюдаются какие-либо другие изменения здоровья населения [14]. Территория исследования - Томская область - по климатогеографическим условиям относится к Азиатском Северу, и соответственно здесь к организму человека предъявляются повышенные требования, он вынужден использовать дополнительные биологические и медико-профилактические средства защиты от неблагоприятных воздействий погодных условий [5, 6, 17, 18]. Представленные факты определили задачу нашего исследования - изучение волн тепла в теплый период на территории Томской области как региона с дискомфортными климатическими условиями, оказывающими влияние на здоровье и самочувствие населения. Методы Информационной базой исследования послужили данные суточного разрешения по приземной температуре воздуха по десяти метеорологическим станциям Томской области за период с 1961 по 2012 год [15]. В рядах среднесуточной температуры воздуха были выделены волны тепла в соответствии с алгоритмом, в котором за один случай волнового потепления принимался отрезок временного ряда длиной не менее 5 дней, удовлетворяющий следующему условию: превышение (без перерыва) среднесуточной температуры воздуха относительно своего среднего многолетнего значения равно или более 1,25 х с (с - стандартное отклонение среднемесячной температуры воздуха для каждого месяца). Средние многолетние значения для каждого дня года и стандартные отклонения рассчитывались за нормативный период 1961 - 1990 годов. За теплый период принимался сезон с 1 мая по 30 сентября, кроме того, для сравнения использовались два временных интервала - 1961-2012 и 2000 - 2012 годы. Последний представляет интерес как наиболее теплое десятилетие за весь период инструментальных наблюдений. Обработка метеорологических данных осуществлялась с использованием программных продуктов Surfer 8.0 (Golden Software, USA) и Visual FoxPro 9.0 (Microsoft, USA). Для выявленных волн тепла были рассчитаны следующие характеристики: дата возникновения волны, продолжительность (длина волны, дни); интенсивность (превышение среднесуточной температуры воздуха относительно своего среднего многолетнего значения, выраженное в с, °С); амплитуда волны (Т max-Т min, °С); максимальная температура в волне, °С. Вероятностные характеристики различной обеспеченности были определены с применением алгоритма цепей Маркова, технология расчета изложена в [3]. Результаты Климатическая повторяемость волн тепла, рассчитанная за весь временной ряд и за период 2000- 2012 годов, отражена на рис. 1. Общее количество волн за теплый период колеблется в пределах от 12 случаев (ст. Усть-Озерное) до 29 (ст. Средний Васюган), причем количество волн, зафик 4 Экология человека 2015.02 Окружающая среда сированных в последние 13 лет, в долевом отношении составляет от 21 до 42 % всех случаев. Для большей детализации непосредственно внутри теплых периодов была определена повторяемость волн тепла для отдельных месяцев и в сумме за летние месяцы (табл. 1). Климатически для территории Томской области наиболее теплым месяцем является июль, но жаркая и сухая погода может устанавливаться с июня и даже середины мая. На всех станциях большее количество майских волн тепла отмечено именно в период с 2000 по 2012 год (от 27 % на ст. Напас до 50 % на ст. Александровское и Пудино), кроме Томска, где при заданных пороговых критериях майские волны тепла не проявились. Увеличение повторяемости волн тепла в мае способствует более ранней активизации комаров, клещей и других переносчиков инфекций. Волны тепла характерны и для окончания теплого периода года (сентябрь), и они оказывают непосредственное положительное влияние на самочувствие человека. Кроме того, увеличивается продолжительность активной фазы жизнедеятельности насекомых, что в условиях высокой степени заболоченности территории исследования повышает риск инфицирования населения области. Волны, отмеченные за календарное лето (июнь Повторяемость волн тепла Карта-схема распределения повторяемости волн тепла на территории Томской области за теплый период - август) составляют от 30 до 50 % от всех случаев теплого периода. При этом вклад их в последние 13 лет для большей части территории, за исключением южной, составляет 23-44 %. Следует отметить, что волны тепла в календарное лето оказывают наибольшее отрицательное воздействие на организм человека. К таким воздействиям можно отнести, в частности, волны тепла «экстремального типа», которые могут приводить к различным психоэмоциональным напряжениям и стрессам организма человека [16]. Психоэмоциональное напряжение связано не только с интенсивностью и продолжительностью рассматриваемого экстремального явления, но и с тем, как быстро (2-5 дней) организм человека может адаптироваться к сверхбыстрым (менее суток) локальным изменениям температурного режима [14]. Адаптация человека в этих условиях достигается путем большого напряжения и сложной перестройки систем всего организма [17]. Потенциально возможные последствия увеличения повторяемости волн тепла на территории области в последние 13 лет сглаживаются тем обстоятельством, что более 80 % населения сосредоточено на юге области. В процессе исследования для каждой волны определялись ее индивидуальные характеристики: проТаблица 1 по станциям Томской области Месяц Параметр е о к с в о f а с к е З к а н 2 ¥ DQ Напас н а юг О Л DQ и е о н р е СО о о в е а л п л Кол Пудино р а F « а Ю Первомайское Томск Май ^ (N00-12) 6 (3) 7 (3) 11 (3) 9 (4) 5 (2) 13 (4) 8 (4) 6 (2) 5 (2) 5 (0) Июнь ^ (N00-12) 4 (3) 2 (0) 3 (1) 3 (2) 1 (0) 2 (0) 4 (1) 4 (0) 3 (0) 3 (1) Июль ^ (N00-12) - 2 (1) 1 (1) 4 (1) 1 (0) 4 (1) 4 (1) 1 (0) 3 (1) 2 (2) Август ^ (N00-12) 5 (1) 4 (1) 4 (0) 4 (1) 2 (1) 7 (1) 6 (3) 2 (0) 8 (2) 8 (1) Сентябрь ^ (N00-12) 8 (2) 3 (0) 6 (1) 9 (3) 3 (2) 5 (1) 7 (2) 6 (2) 1 (1) 3 (1) Июнь - № 9 8 8 11 4 13 14 7 14 13 август (N00-12)/P 4/44 2/25 2/25 4/36 1/25 2/15 5/36 0/0 3/21 4/31 Примечание. № - общее количество волн за весь период исследования; N00-12 - количество волн за период 2000-2012 гг.; P - повторяемость волн за период 2000-2012 гг. относительно общего числа волн на станции, %. 5 Окружающая среда Экология человека 2015.02 должительность и интенсивность (I). Интенсивность волны, опираясь на [8], представлялась градациями: умеренная I < 2,0 х с; сильная - 2,0 х с < I < 2,5 х с; очень сильная I > 2,5 х ст, полученные результаты представлены в табл. 2. Таблица 2 Повторяемость волн тепла (количество случаев) по градациям интенсивности и продолжительности Станция Интенсивность Продолжительность, дни 5 6 7 8 9 10 и более Александровское Умеренная 4 1 1 1 1 Сильная 7 6 2 Очень сильная В.-Кынак Умеренная 2 1 1 Сильная 6 2 2 1 Очень сильная 1 2 Напас Умеренная 9 1 2 1 Сильная 4 3 1 1 1 Очень сильная 1 1 С. Васюган Умеренная 7 4 2 2 Сильная 4 4 1 1 2 Очень сильная 1 1 У.-Озерное Умеренная 3 3 1 1 Сильная 1 1 Очень сильная 1 1 Колпашево Умеренная 4 3 5 1 2 Сильная 8 2 1 1 Очень сильная 2 1 1 Пудино Умеренная 8 3 3 1 2 Сильная 9 1 Очень сильная 1 1 Бакчар Умеренная 10 1 2 Сильная 4 1 1 Очень сильная Первомайское Умеренная 7 3 1 1 Сильная 2 1 2 Очень сильная 1 1 1 Томск Умеренная 6 4 2 1 Сильная 2 2 2 Очень сильная 1 1 Выявлено, что на территории области наибольшая повторяемость у волн тепла продолжительностью 5-7 дней. Их суммарная повторяемость составляет 76 % от общего числа волн. При этом на волны продолжительностью 5 дней приходится около 31 %, 6 дней - 14 % и 7 дней - 30 %. Интенсивность большей части волн фиксировалась в градации «умеренная». Усиление интенсивности происходит на севере и западе области (Александровское, С. Васю-ган, Напас и В.-Кынак). Очень сильные превышения среднесуточной температуры воздуха относительно своего среднего многолетнего значения (I > 2,5 х с) являются редким событием (от полного отсутствия на станции до 4 волн). Фактическая максимальная продолжительность волн тепла составляет от 9 до 23 дней (табл. 3), наиболее длительные волны характерны для северной части области. Расчетная обеспеченность подобной продолжительности на севере территории составляет менее 1 %, что соответствует вероятности повтора подобного явления с частотой один раз в 100-300 лет. Известно, что от избытка тепла возникает дискомфортное состояние организма человека, которое принято оценивать с помощью биометеорологических индексов, а также отдельных метеорологических элементов, например таких, как максимальная суточная температура воздуха. Реакция на тепловое воздействие окружающего воздуха может проявляться мгновенно или пролонгированно, а продолжаться в течение часов, суток, нескольких дней либо более длительного периода. Ниже приводятся данные о повторяемости волн тепла, в течение которых средняя максимальная суточная температура воздуха превышала пороговое значение (табл. 4). В качестве порового значения были использованы средние максимальные температуры воздуха на станциях по данным Научно-прикладного справочника [10]. Анализ этих данных показывает, что наибольшая повторяемость волн тепла с превышением среднего абсолютного максимума приходится на май и сентябрь. Отметим, что 77 % от общего числа волн с Таблица 3 Вероятностные характеристики продолжительности волн тепла Станция Возможная один раз в 100 лет (расчетная обеспеченность 1 %), дни Фактическая максимальная продолжительность, дни Обеспеченность фактической максимальной продолжительности, % Обеспеченность фактической максимальной продолжительности, раз в N лет, лет Александровское 18 23 0,3 300 В.-Кынак 18 22 0,3 300 Напас 17 22 0,3 300 С. Васюган 19 22 0,6 200 У.-Озерное 19 18 1,0 100 Колпашево 17 14 1,0 100 Пудино 17 10 2,0 50 Бакчар 16 10 2,0 50 Первомайское 17 15 1,0 100 Томск 17 9 2,0 50 6 Экология человека 2015.02 Окружающая среда Таблица 4 Повторяемость волн тепла (№, количество случаев) с превышением среднего абсолютного максимума температуры воздуха (Тмакс, ’С) Станция Параметр Месяц Май Июнь Июль Август Сентябрь Александровское Тмакс 25 29 30 26 22 № 5 2 - 4 4 Годы 1989, 1993, 2002, 2004, 2012 2003, 2009 1973, 1988, 1995, 2001 1966, 1982, 1984, 2011 В.-Кынак Тмакс 25 29 30 26 22 № 3 2 1 2 2 Годы 1993, 2004, 2012 1966, 1984 2012 1982, 2001 1966, 1984 Напас Тмакс 25 30 31 27 22 № 4 - 1 2 4 Годы 1987, 1993, 2004, 2012 2012 1988, 1995 1966, 1976, 1984, 2006 С. Васюган Тмакс 26 30 31 28 23 № 5 1 3 3 5 Годы 1989, 1991, 1992, 2004, 2012 2009 1966, 1969, 2012 1988, 1998, 2001 1966, 1982, 2006, 2011 У.-Озерное Тмакс 26 31 32 28 22 № 2 - - 2 1 Годы 1992, 2012 1982, 2001 2012 Колпашево Тмакс 26 30 30 27 23 № 6 1 1 1 3 Годы 1965, 1977, 1990, 1998, 2004, 2011 1976 2007 1988 1984, 1988, 2012 Пудино Тмакс 27 31 31 28 24 № 4 2 2 3 3 Годы 1965, 1993, 2004, 2012 1976, 1983 1968, 1989 1987, 1995, 1998 1984, 1988, 2006 Бакчар Тмакс 27 31 31 28 24 № 2 3 1 1 4 Годы 1990, 1992 1969, 1976, 1994 1989 1998 1984, 1988, 2006, 2012 Первомайское Тмакс 27 31 31 29 24 № 4 1 2 1 1 Годы 1989, 1992, 2004, 2011 1976 1989, 1995 1982 2012 Томск Тмакс 27 31 31 28 24 № 3 1 1 3 1 Годы 1977, 1990, 1998 1976 2012 1982, 1992, 1998 2006 превышением рассматриваемого критерия на всей территории Томской области приходится на период с 1980 года до настоящего времени. Количество волн в наиболее теплое десятилетие (с 2000 г.) для всей территории области составило 35 %, при этом на севере области (от ст. Александровское до ст. Кол-пашево, см. табл. 3) количество этих волн составляет 41 %, в южной части области - 23 %. Наибольший вклад в это долевое соотношение внесли погодные условия теплого периода 2012 года, подробное описание которых представлено в [11]. Сложившиеся в этот период погодные условия обусловили формирование сильной атмосферной засухи в сочетании с почвенной, обеспечившей перегрев подстилающей поверхности и способствовавшей возникновению лесных пожаров (518 очагов на общей площади более 100 тыс. га). Негативные последствия пожаров для здоровья очевидны - загрязнение атмосферного воздуха продуктами горения приводит к обострению хронических заболеваний органов дыхания. Обсуждение результатов Таким образом, наиболее часто за летний период превышения рассматриваемых критериев были зафиксированы в июне и августе. Выявленные показатели и тенденции проявления волн тепла указывают на возможность в предстоящие годы учащения случаев ухудшения самочувствия людей, повсеместный рост потребления электроэнергии при использовании энергоемких приборов, контролирующих микроклимат рабочих помещений, которые нередко приводят к нарушению жизнедеятельности населения. 7 Окружающая среда Экология человека 2015.02 При установлении экстремального температурного режима следует ожидать увеличения числа лесных пожаров и ухудшения в целом экологической обстановки в прилегающих к месту возгораний территорий. Все эти факторы могут привести к большим экономическим потерям для региона. Температурное биоклиматическое описание статистически выявленных температурных волн хорошо согласуется с применяемыми в среднесрочных прогнозах погоды (до 10 суток) показателями, в частности с термином «экстремальная аномалия» - превышение среднесуточной температуры воздуха относительно своего среднего многолетнего значения более чем в 1,25 * с. В терминологии погодных процессов некоторым аналогом может служить понятие «аномально теплая погода» - превышение среднесуточной температуры воздуха относительно своего среднего многолетнего значения более чем на 7 ’С [9].

About the authors

I V Kuzhevskaya

Tomsk State University

Email: ivk@ggf.tsu.ru
Tomsk, Russia

D V Polyakov

Tomsk State University

Tomsk, Russia

M A Volkova

Tomsk State University

Tomsk, Russia

N K Barashkova

Tomsk State University

Tomsk, Russia

References

Supplementary files