Министерство Энергетики

Природно-климатические аномалии в Северном полушарии и их влияние на экономику

Дмитрий СОЛОВЬЕВ
ОИВТ РАН, ИО РАН, г. Москва, Россия,
с. н. с., к. ф.-м. н.

Введение

Начало XXI века ознаменовалось рядом крупных природных, климатических, техногенных, социальных, финансовых, экономических и вирусологических катастроф. Достаточно вспомнить ускорившийся с наступлением миллениума рост глобальной температуры в Северном полушарии, взрыв вулкана в Исландии, ураган «Катрина», авария на АЭС «Фукусима», наводнения и лесные пожары на юге Европы и в Сибири, цветные революции в арабском мире, экономические кризисы 1998–1999 гг. и 2009 г. [1]. И наконец, глобальный мировой кризис 2020 г., триггером которого явилась коронавирусная пандемия [2], [3]. Для случайностей – слишком много совпадений, в том числе и по их концентрации во времени. Частота этих событий приходится на начало нулевых годов нового века, на рубеж первого и второго десятилетий и на начало сегодняшнего дня [4].
Анализируя статистические данные аномальных природных, политических и экономических явлений можно отметить, что все кризисные события имеют в своей временной динамике проявление определенной цикличности, во многом обусловленной периодическими природными процессами [5].

Анализ и прогноз цикличности природно-­климатических явлений и показателей развития экономики

Для детального анализа спектральных характеристик различных кривых природной и экономической динамики были применены методы спектрального анализа, позволяющие выявить основные статистические закономерности этих явлений и их сравнение с соответствующими параметрами экономики (ВВП). В частности, выполнено исследование кривых временной взаимосвязи между основными доминирующими глобальными природными факторами – аномалиями температуры Северного полушария (Тсп), Арктической зоны (Таркт), глобальным числом природных аномалий (ПА) и финансово-­экономическими процессами (на примере ВВП крупнейшей экономики мира – США). Кривые построены на интервале 1900–2020 гг. с дальнейшим расширением до 2030–2050 гг. за счет включения в фактические ряды данных прогноза, полученного с использованием нейронной модели Института энергетической стратегии [4], [6], [7]. Важно отметить, что в связи с большим количеством взаимосвязанных факторов на рынке, в используемой нейронной модели существует возможность «подмешивания» других параллельных входов, тем самым учитывая влияние коррелированных процессов.

Начиная с 80-х годов прошлого века, отклонение годовой температуры от средних значений для XX века было неизменно положительным

В качестве исходной информации для межгодового хода аномалии температуры воздуха в Арктическом регионе (для широтной зоны 60–90° с. ш.) и Северном полушарии Земли (для широтной зоны 0–90° с. ш.) использовались осредненные по соответствующей широтной зоне среднемесячные значения температуры воздуха у поверхности Земли (кривые Тсп и Таркт), полученные из отдела климатических исследований «Berkeley Earth» (BE) Университета Восточной Англии (указанные данные находятся в свободном доступе на сайте http://berkeleyearth.org/data/). В качестве базового периода осреднения для оценки аномалий температуры воздуха использовался период 1951–1980 гг., методология и алгоритмы обработки данных и контроля их качества на всех этапах описаны в работах [8]. Исходные данные для ВВП США и глобального числа природных аномалий (ПА) получены из открытого архива лаборатории глобальных изменений данных Оксфордского университета «Our World in Data» (OWID), доступного на сайте: https://ourworldindata.org [9].
На рис. 1 представлен график временных кривых Тсп, ПА и ВВП США за 1900–2030 гг. на фоне соответствующих линий тренда. Из этого графика можно сделать предварительный вывод, что природные факторы (Тсп и ПА) имеют схожие характеристики линий тренда, что говорит о наличии возможной более выраженной корреляционной связи между значениями временных рядов Тсп и ПА, чем Тсп и ВВП США.

Рис. 1. График кривых Тсп, ПА и ВВП США
за 1900–2030 гг. на фоне соответствующих линий тренда
Источники: расчеты автора, BE, OWID

Для подтверждения этого предположения был проведен углубленный корреляционный анализ этих кривых с использованием трехмерных (3М) и двумерных диаграмм рассеяния.
На графике 3М поверхности для среднегодовых значений Тсп, ПА и ВВП США за 1900–2030 гг. (рис. 2.) видно, что 3М – поверхность для аномальных температур Северного полушария, построенная относительно оси Z (Тсп), имеет более выраженную неравномерность вдоль оси X (ПА) и менее выраженно искривлена относительно оси Y (ВВП США) в области средних значений исследуемых переменных. При этом рост аномалий температуры «красная область» поверхности характерен для областей с высоким количеством природных аномалий и высоких темпов роста ВВП. Такая визуальная оценка подтверждает наше предварительное заключение о более выраженной зависимости аномалий температуры Северного полушария от роста числа природных аномалий. При этом важно отметить, что между «глобальным потеплением» и ростом ВВП США также имеется визуальная статистически значимая связь.
Для выявления количественных корреляционных связей были построены соответствующие диаграммы рассеяния (рис. 3. и рис. 4.). Полученные диаграммы подтверждают наше предположение о существовании значимой прямой корреляции между Тсп и ПА (с коэффициентом корреляции R = 0,54) и менее выраженной зависимости аномалий Тсп от ВВП США (R = 0,27), см. диаграммы рассеяния на рис. 3–5.

Рис. 2. ЗМ поверхность среднегодовых
значений Тсп, ПА и ВВП США
Источник: расчеты автора
Рис. 3. Диаграмма рассеяния Тсп и ПА
Источник: расчеты автора
Рис. 4. Диаграмма рассеяния Тсп и ВВП США
Источник: расчеты автора

Сравнительная прогнозная динамика хода аномалий температуры Северного полушария и Арктики

Одним из важнейших природных факторов динамического развития является глобальный климатический режим, определяемый кривыми температурных колебаний. Для оценки многолетних колебаний температуры на глобальных масштабах рассчитываются температурные аномалии, которые представляют собой отклонение от средней или базовой температуры. Аномалия температуры – это отклонение температуры данного места (широта и долгота), средней суточной, месячной и т. д. от соответствующей многолетней (средней или базовой температуры). Положительные аномалии показывают, что наблюдаемая температура была выше базовой линии, тогда как отрицательная аномалия указывает на то, что наблюдаемая температура была ниже базовой. Начиная с 80‑х годов прошлого века, отклонение годовой температуры от средних значений для XX века было неизменно положительным. Температурные аномалии обычно более важны при изучении изменения климата, чем абсолютная температура. Это связано с тем, что при вычислении средних абсолютных температур такие факторы, как местоположение станции и высота над уровнем моря, могут иметь решающее влияние на абсолютные температуры, но менее значимы при расчетах аномалий.
В рамках подготовки ретроспективных данных с калибровкой параметров для построения многокоординатного образа и последующего использования в пакетной нейронной модели был проведен калибровочный прогноз аномалий Тсп и Таркт до 2050 г., в том числе с подмешиванием комбинации различных факторов, отвечающих за природные, социальные и экономические процессы.
На рис. 5. представлена сравнительная временная динамика двух кривых аномалий Тсп и Таркт с 1901 по 2050 г.

Рис. 5. Сравнение сглаженных кривых аномалий
Тсп и Таркт (град. С) с 1901 по 2050 г.
Источник: расчеты автора

Графики показывают, что глобальное потепление происходит неравномерно, с паузами. К тому же изменение температуры в самой Арктике более волатильно, чем во всем Северном полушарии, по-видимому, в силу масштаба территорий. Глобальное изменение климата можно рассматривать как синтез природных и антропогенных факторов. Естественные межгодовые колебания происходят хаотично, однако обнаруживается ритм с периодом около 60 лет. Антропогенные факторы определяют вековой тренд. За это время средняя температура на Земле выросла на 0,8 °C. Эти изменения кажутся незначительными, но окружающая среда уже реагирует – например, уровень Мирового океана вырос на 20 см.
Кривая аномалий температуры Арктики представляет собой один из самых сильных индикаторов изменений климата в этом регионе за последние 50 лет [10]. За последние пять десятилетий (2015–2020 гг.) наблюдается сильная положительная тенденция к потеплению климата Арктики (рис. 5). Это потепление заметно повлияло на арктическую криосферу, в первую очередь за счет уменьшения площади морского льда в течение годового цикла, снижения баланса массы ледовых щитов и ледников и повышение температуры вечной мерзлоты. Экосистемы в регионе также очень чувствительны к тенденциям повышения температуры и экстремальным природным явлениям. Изменения арктической природной среды, вызванные потеплением, особенно ярко проявились в течение последних 15 лет.
В тоже время результаты нейронного прогнозирования долгосрочной динамики кривых аномалий Тсп и Таркт показывают, что к 2050 году рост аномалий температуры стабилизируется на среднем уровне, характерном для сегодняшнего времени и может замедлиться, демонстрируя понижающую динамику. Этот результат получен на основе использования алгоритмов «подмешивания» и включения в калибровочный прогноз данных астрономических факторов (уровня активности Солнца), экономической динамики (ВВП) и динамики потребления первичных энергоресурсов.
Изменение климата влияет на весь мир, в том числе на общество. С глобальным потеплением связаны проблемы обеспечения населения водой, энергией, продовольствием, здравоохранения и геополитические проблемы.
При этом, необходимо учитывать, что приведенные выше кривые аномалий температуры Тсп и Таркт не совпадают с целевыми показателями Парижского соглашения по климату – удержать рост глобальной средней температуры намного ниже 2 °C и приложить усилия для ограничения роста температуры величиной 1,5 °C. Это связано с различной методикой оценки степени глобального потепления. В Парижском соглашении под глобальной средней температурой поверхности Земли понимается изменение среднемесячной температуры относительно периода 1850–1900 годов (°C). [11]

Графики показывают, что глобальное потепление происходит неравномерно, с паузами. Температура в самой Арктике более волатильна, чем во всем Северном полушарии в силу масштаба территорий

Согласно оценкам Института географии РАН, зимой для Северного полушария тренды приземной температуры воздуха с учетом роста содержания парниковых газов и аэрозолей выше в среднем на 0,3 °C (летом примерно на 0,2 °C), чем в случае отсутствия такого роста [12]. При этом величина тренда составляет около 1 °C, то есть только примерно 30 % современного роста температуры можно объяснить повышением содержания в атмосфере углекислого газа, метана, аэрозолей. Такие выводы подтверждают приведенные выше результаты, показывающие что рост экономики (ВВП) вносит определенный вклад в изменения климата, причем значительный, но не определяющий. В частности, на рис. 5 видно, что после 2020 г. и до 2023 г. в зоне прогноза наблюдается более быстрый рост аномалий Таркт по сравнению с кривой аномалий Тсп. Это говорит о происходящем сейчас растеплении Арктической зоны, которое наиболее выражено в ее восточной части. Однако в перспективе температурные тренды обеих кривых имеют характер флуктуаций и общую понижающую динамику. На этом фоне Север европейской части России (как и север Европы в целом) будет втягиваться в холодную зону, что может быть связано с прогнозируемым некоторым уменьшением аномалий температуры Тсп, более холодными зимами, а также смещением на запад границы льдов в Северном ледовитом океане. Это будет способствовать тому, что ледовая обстановка будет с каждым годом облегчаться в восточной части Арктики и ухудшаться в западной. Одновременно, ослабление энергии Гольфстрима приведет к уменьшению интенсивности атлантических циклонов и к более сухому климату в северных и нечерноземных районах России. Преобладающими станут южные циклоны, приносящие влагу и обильные дожди в южные районы Европы. Тайфуны все больше будут смещаться на Запад, заливая дождями и нанося материальный ущерб ураганами районам Китая, Бангладеш и Индии – в восточном и южных штатах в Америке – в Западном полушарии. Глобальное потепление и смещение холодной зоны к середине XXI века приведет к значительному отступлению на Север, в зоны вечной мерзлоты в Сибири, что приведет к заболачиванию обширных районов и потребует перестройки промышленных и гражданских сооружений. Уже сегодня наблюдается повышение уровня грунтовых вод, подтопление и высокий летний уровень паводковых вод на реках Сибири. Оползни и подтопления в ранее засушливых районах планеты связаны с таянием ледников и льдов Антарктиды и Арктики и повышением уровня грунтовых вод. Повышение уровня грунтовых вод вызвано глобальным потеплением и касается большинства районов планеты.
Для экономики России это региональное растепление не несет существенных рисков, однако его следует учитывать в качестве действующего фактора при долгосрочном прогнозировании.

Глобальное потепление и экономическая динамика

Проведенный корреляционный анализ (рис. 4) показал, что изменение температуры Северного полушария коррелирует с графиком экономической динамики ВВП США с коэффициентом корреляции R = 0,27. Поэтому в работе был сделан нейронный прогноз экономической динамики ВВП США с подмешиванием Тсп, результаты которого показаны на рис. 6.

Рис. 6. Результаты нейронного прогнозирования ВВП США
с «подмешиванием» температурных данных аномалий Тсп
Источник: расчеты автора

Из этого графика видно, что кривая ВВП США имеет достаточно высокую волатильность с четко выраженными кризисами в 2009, 2020 гг. и прогнозируемыми экономическими спадами в 2030‑х и 2041 гг. Межкризисный период, составляющий 10–12 лет, совпадает с характерными периодами активности Солнца, правда, кризисы на этом временном этапе приходятся на минимум уровня активности Солнца [6]. Тогда как на более ранних этапах (до 2006 г.) они совпадали с пиками Солнечной активности. Этот факт, к сожалению, пока не получил должного объяснения. Возможно, на текущую и будущую динамику экономического развития влияют и другие важные факторы. Кривая экономической динамики ВВП США приведена по среднеквартальным данным, поэтому провалы экономики в середине 2020 года имеют более выраженный характер. Включение в алгоритм прогнозирования показателя аномалий Тсп несколько снижает эту волатильность, делая менее выраженными провальные пики экономических кризисов. Результаты нейронного прогнозирования ВВП США с «подмешиванием» температурных данных аномалий Тсп позволяют визуально увидеть, что зеленая кривая ВВП хорошо коррелирована со сглаженной трендовой красной кривой аномалий температуры. Очевидно, что крупнейшая в мире экономика США оказывает определенное влияние на исследуемые климатические параметры – поэтому, говоря о глобальном потеплении, следует признать, что США наряду с Китаем в большей степени (в силу более высокого уровня экономик и техногенного влияния) ответственны за рост температуры в Северном полушарии планеты.

Вашингтон аномально холодной зимой 2021 г.
Источник: ibtimes.com

Выводы

Полученные результаты спектрального анализа и нейронного прогнозирования позволяют сделать вывод о том, что имеется определенная цикличность природных и климатический явлений. Их можно рассматривать в качестве одного из макроэкономических показателей при долгосрочном прогнозировании динамики ВВП. Установлено, что уровень корреляции аномалий температуры и роста числа природных аномалий заметно выше, чем связь аномалий температуры и роста экономики. Однако, между глобальным потеплением и экономической динамикой (ВВП США) также имеется визуальная и количественная статистически значимая связь. В частности, учет природно-­климатических факторов «подмешивания» при составлении нейронных прогнозов экономических показателей позволяет точнее предсказывать наступление кризисных явлений в экономике. Существуют исследования, которые показывают, что увеличение аномалий температуры может приводить к долгосрочному негативному воздействию на экономический рост [13], что в свою очередь определяет важность учета, как прямой, так и обратной связи «экономика – климат». При всей значимости деятельности самого человечества, его ноосферная природа предполагает, что не только человеческая деятельность преобразует природу, но и сама природа Земли и космос определяют жизнь экономики и общества. Это проявляется в том числе и в формировании циклов экономической и социальной жизни. Новые мировые вызовы связаны не только с геополитическим противостоянием, «пузырями» виртуальной экономики, трансформацией структуры мировой энергетики, но и с ростом природной энергетической активности.

Работа выполнена при финансовой поддержке Института исследований и экспертизы ВЭБ.РФ и за счет средств РФФИ (проект № 18-05-60252).