Moisture conditions, lake-level status in large parts of the Northern Hemisphere over the global warming and cooling in the past and present time I.I.Borzenkova, T.P.Gronskay, N.A.Lemeshko Nr of RFBR scientific cooperation Austria-Russia

The global average temperatures (land + ocean) in the instrumental records (°C)

We have a very short time series of the early instrumental data because there are very sparse prior about AD 1600, but nonetheless they evidence that the last 25 years is very likely the warmest time during the last 300 years. 11 of the past 12 years are the warmest since empirical records began around 1850

The analysis of dendroclimatological data (Larix sibirica) from northern Siberia (62.5 and 67.5 N) for the period of shows that in spite of relatively cool interval of , mean summer air temperature for the end of the 20th and the beginning of the 21th centuries( ) proved to be the highest over the last 1000 years, and is 0.13 C higher than temperature of Viking warming (the Medieval warm interval).

Effect of global climate changes on the hydrological cycle is still uncertain. Empirical data shows that the last years were not only the warmest, but also characterized by the highest precipitation and of zonal circulation shifted northward, which is typical of all warm epochs of the past. Empirical data shows that the last years were not only the warmest, but also characterized by the highest precipitation and of zonal circulation shifted northward, which is typical of all warm epochs of the past. Changes in precipitation are the most important cause of changes in lake behavior in different part of the temperate zones of the Western and Eastern Europe.

Global temperature changes over the last 1000 years and prognostic assessment by GMC for 2100

One of the important goal of the present climate science to assessment the further changing in the global and especially regional changes in air temperature and precipitation. For this goal may be used two independent approaches: the models of general circulation of the different time resolution and empirical data, including historical evidence. For this goal may be used two independent approaches: the models of general circulation of the different time resolution and empirical data, including historical evidence.

Simulated and observed anomalies in terrestrial mean precipitation. Observations data are based on dataset of terrestrial rain gauge measurement (black line)

Major Paleoclimatic Data Sources Data sourcesMethods of investigation Period open to study Climate-related inferences Ocean sediments 1. Isotope composition of microfaune. 2. Morphological analyse of sediments. 3. Mineralogical composition. The last million years. Global ice volume, surface and bottom water temperature, prevailing wind direction and strength. Ice cores from continental ice sheets, mountain glaciers, underground (poligonal ice wedges) 1. Isotope composition. 2. Geochemical analyses. 3. Trace chemistry and electrolitic conductivity. The Late Pleistocene (Last 400, ,000 years). Temperature, gas composition (CO 2, CH 4 and other gases), transparence of the atmosphere, volcanic eruptions.

Data sourcesMethods of investigation Period open to study Climate-related inferences Bog or lake sediments 1. Pollen analyse. 2. Fossil analyse. 3. Geochemical and sedimentological composition. The Late Pleistocene and the Holocene. Temperature, precipitation, soil moisture. Closed basin lakes (especially in arid and semi- arid regions). 1. Lake level.The last ,000 years. 1. Lake level status. 2. Moisture conditions and precipitation. Tree rings1. Dendrological analyse. 2. Isotope analyse. The last years. Temperature and precipitation.

Pollen analysis

Isotopic and microfaunistical analysis of marine microfaune

Tree rings analysis

Oxygen isotope composition to ice cores

Methods of reconstruction of the climatic parameters in the past and their accuracy Method Source information Reconstructed parameters Error (uncertainly) Lithological Laterite Summer air temperature and annual precipitation ±5°C ±200 mm Fossil soils and loess Summer and winter air temperature, annual precipitation ±2-5°C ± mm

Method Source information Reconstructed parameters Uncertainly Paleotological 1. Arealogra- phical Pollen, macrofossils Summer and winter air temperature, annual precipitation ±1°C ±50 mm Insect fossils Summer and winter air temperature, annual precipitation ±2-4°C ± mm Rodents Seasonal air temperature, annual precipitation ±2-4°C ± mm Mollusksunknown

Method Source information Reconstructed parameters Uncertainly Paleotological 2. Information- statistical (factor analysis Pollen Seasonal air temperature, annual precipitation ± °C Insect fossils Summer and winter air temperatures ± °C Marine fauna (foraminifera) Sea surface temperature ±1-2°C 3. Zonal Pollen, macrofossils, rodents, mollusks, fossil soils Seasonal air temperature, annual precipitation ±2-3°C ± mm

Method Source information Reconstructed parameters Uncertainly Isotope methods Marine fauna, corals, stalagmites, algae, belemnites Sea surface temperature, bottom temperatures, air temperatures ±1.0°C ±0.5°C Geochemical methods Mollusks, belemnite, corals Sea surface temperature of the ancient seas ±1-2°C 1. Ca/Mg 2. Sr/CA

Temporal resolution paleoclimatic information from different sources Data sourcesTemporal resolution Period open to study (years) Historical (written records)1 years Tree-ring1years Bog and lake sediments10 years Ice cores1 years Pollen years Corals1 years Ocean sediments10 3 years Relict soils10 3 years Speleothemsfrom 10 years Lithologicalfrom 10years

Air temperature and annual precipitation changes over the last 17,000 for three regions of the Northern hemisphere

Temperature changes obtained by isotopic data from ice core (GISP2) δ 18 O

Climatic optimum of the Pliocene. Summer (3 - 4 Ma ago) DT year =3.6°C, CO 2 =0.055 %

Climatic optimum of the Pliocene. Winter (3 - 4 Ma ago) DT year =3.6°C, CO 2 =0.055%

Anomalies of the summer air temperature for the Last Interglacial time ( ka ago) by A.A,Velichko et al. T=1.8°C.

Anomalies of the winter air temperature (the Last Interglacial, ka ago) by A.A.Velichko et al.

Anomalies of the annual precipitation for the Last Interglacial ( ka ago). Reconstruction by A.A.Velichko et al.

Key-sections using for map-reconstructions for the Late Pleistocene and Holocene

The Würmian cooling. Anomalies of the summer air temperature (18 ka ago). Reconstruction by I.I.Borzenkova DT=-4.6°C, CO 2 =0.02%

Anomalies of the annual precipitation for the Last Glacial maximum (18 ka ago)

Climatic optimum of the Holocene (6-5 Ka BP). Anomalies of the summer temperature. Reconstruction by I.I.Borzenkova. T=1.2°C

Anomalies of the annual sum of precipitation for the Holocene optimum (6-5 Ka BP). Reconstruction by I.I.Borzenkova

Mean summer (July) air temperature (C) during the Medieval warming. Reconstruction by V.Klimenko

Anomalies of the mean annual precipitation for the Medieval warm epoch. Reconstruction by V.V.Klimenko

Аномалии годовых сумм осадков (в % от нормы) за десятилетие гг

Is there relationship between global temperature changes and precipitation pattern in different latitudinal zones?

The joint analysis map-reconstructions for the Holocene optimum. Tglob.=1.2°C Anomalies of temperature,°С Anomalies of precipitation mm/yr

The joint analysis air temperature changes and precipitation for the Late Glacial Maximum (18 ka ago). Tglob.= -4.6°C. The air temperature anomalies The anomalies of precipitation

The annual sum of precipitations for the global warming on 1°C and for the global cooling on 4 °С compare the present time Global temperature higher 1.2°C compare the present one

The air temperature and annual precipitation for the Medieval warm epoch. Reconstruction by V.V.Klimenko Anomalies of annual precipitation, mm/year Global temperature higher 0.5°C compare the present

Anomalies of precipitation during the present warm period ( yr) and in the Medieval warm time The present global warming,Tglob.= 0.6 ± 0.2°C The Medieval warm period, T glob.= 0.5°C

Some studies (Budyko, 1980; Borzenkova, 1980,1987,1992; Borzenkova and Lemeshko, 2006; Drozdov, 1981; Lamb, 1974 et al.) showed that certain relationships existed between global temperature changes and precipitation pattern in different latitudinal zones.

With global cooling, mid-latitudinal precipitation increased, and in the subtropical and tropical latitudes it decreased. With global warming (in the 30s and 90s of the last century), vice verse, moisture conditions improved in high latitudes as well as in the subtropical and tropical zones of high pressure, whereas on the mid-latitude continents the number of droughts increased.

The joint analysis of precipitation maps- reconstructions for the cooling during the last glacial maximum (18 ka BP) and for the Holocene optimum (6-5 ka BP) showed that the nature of global temperature/precipitation relationship in various latitudinal zones obtained on the modern empirical data has been confirmed by the paleoclimatic data

Mean latitudinal anomalies of precipitation [%] for two level of the global warming (1930s and 6- 5 ka BP) and for two levels of global cooling (1970s and 18 ka BP). The present precipitation normal for

What mechanisms are relationship between the level of the global temperature changes and precipitation pattern for the large regions?

One of the mechanisms explaining the relationship between changes in global temperature and precipitation consists in a considerable modification on the average meridional temperature gradient determining the moisture transport into the interior regions. Realization of this scheme is assumed to be carried out by the corresponding displacements of basic baric centers of the atmospheric action.

Another mechanism of global temperature/precipitation relationship in different latitudinal zones is caused by the level of global warming. The idea of non-linear character of this relationship was raised comparatively long ago in studies by M.Budyko and O.Drozdov. However, its checking by observational data over the last 100 years was difficult because of comparatively small change of the value of the global temperature (not more than ±0.5 C) for this period. However, its checking by observational data over the last 100 years was difficult because of comparatively small change of the value of the global temperature (not more than ±0.5 C) for this period.

Another mechanism of global temperature/precipitation relationship in different latitudinal zones is caused by the level of global warming. The idea of non- linear character of this relationship was raised comparatively long ago in studies by M.Budyko and O.Drozdov.

However, its checking by observational data over the last 100 years was difficult because of comparatively small change of the value of the global temperature (not more than ±0.5 C) for this period. However, its checking by observational data over the last 100 years was difficult because of comparatively small change of the value of the global temperature (not more than ±0.5 C) for this period. Paleoclimatic data represents actually unlimited possibilities the studying of this relationship. With higher level of global warming (by about C) typical of the Last Interglacial time (about ka B.P.) and global warming about by 3-4C typical for the Pliocene optimum (4-3 Ma ago) the zone of insufficient moisture in the territory of Europe is actually absent.

Lake levels expressed as differences from present at 18 ka ago

Lake status, expressed as differences from present 6-5 ka ago

Lateglacial history of the Eastern European lakes 1 - Valday lake 2 - Novgorod lake 3 – Ilmen lake

Lake status, expressed as differences from present at 9500 yr BP by Harrison et al.,2003;Tarasov et al.,1994; Street-Perrott, Harrison,1985.

Lake status, expressed as differences from present at 7000 yr BP by Harrison et al.,2003;Tarasov et al.,1994; Street-Perrott, Harrison,1985

Lake status, expressed as differences from present at 3000 yr BP by Harrison et al.,2003;Tarasov et al.,1994; Street-Perrott, Harrison,1985

Conclusion Climate model simulations and empirical data confirm that warmer climates, owing to increased water vapour, lead to more intense precipitation events. The warmer climate increase risks of both drought and floods, but in the different parts of the Earth and at the different times.

Rapid changes in lake status (a qualitative index of changes in water depth, area or volume) reflecting climatically induced changes in regional water budget, preliminary annual sum of precipitation and run off. Changes in precipitation are the most important cause of changes in lake behavior in different part of the temperate zones of the Western and Eastern Europe. It has been known that the lake water balance in the temperate humid zones controlled by precipitation and run off changes from the catchments.

Вековой ход Азорского и Исландского центров действия атмосферы и индекса циркуляции NOA

Аномалии температуры воздуха (°С)за десятилетие гг Июнь - август

Аномалии температуры воздуха (°С) за десятилетие гг Декабрь - февраль

Особенности изменения осадков на континентах северного полушария за десятилетие с 1991 по 2000 гг. На всей Европейской территории России и Западной Европы годовые суммы осадков за десятилетие гг. превышали норму на мм в год; На всей Европейской территории России и Западной Европы годовые суммы осадков за десятилетие гг. превышали норму на мм в год; Наибольшее увеличение осадков (на мм/год или на 10-20% от нормы) отмечалось в Гренландии, на севере Канады ив западных районах США; Наибольшее увеличение осадков (на мм/год или на 10-20% от нормы) отмечалось в Гренландии, на севере Канады ив западных районах США;

Анализ эмпирических данных об изменении осадков за последние десятилетия в целом для Земного шара позволил получить статистически значимый тренд их увеличения со скоростью 2,2 мм за 10 лет за период с 1901 по 2004 годы. Между гг в целом по Земному шару аномалия осадков была положительной каждые 4 года из 5 лет; Анализ эмпирических данных об изменении осадков за последние десятилетия в целом для Земного шара позволил получить статистически значимый тренд их увеличения со скоростью 2,2 мм за 10 лет за период с 1901 по 2004 годы. Между гг в целом по Земному шару аномалия осадков была положительной каждые 4 года из 5 лет; Модельные расчеты показали, что повышение глобальной температуры на порядка 1°С может привести к увеличению годового количества осадков в целом для Земного шара на %, или в абсолютных единицах на мм/год. Модельные расчеты показали, что повышение глобальной температуры на порядка 1°С может привести к увеличению годового количества осадков в целом для Земного шара на %, или в абсолютных единицах на мм/год.

Существуют ли какие-либо закономерности между изменением масштаба глобального потепления или похолодания и соответствующему этому изменению режима осадков в крупных регионах Земного шара? Существуют ли какие-либо закономерности между изменением масштаба глобального потепления или похолодания и соответствующему этому изменению режима осадков в крупных регионах Земного шара?

Анализ широтного распределения осадков для современного потепления 30-х годов («потепление Арктики») и для современного похолодания 70-х годов прошлого столетия показал наличие определенной зависимости между изменением атмосферных осадков для обширных регионов в зависимости от масштаба глобального потепления или похолодания;

Во время потепления 30-х годов отмечалось увеличение осадков в высоких и субтропических широтах обоих полушарий; Во время потепления 30-х годов отмечалось увеличение осадков в высоких и субтропических широтах обоих полушарий; При похолодании 70-х годов картина изменения осадков в этих широтах, в целом, изменилась на обратную: в высоких и субтропических широтах отмечался дефицит осадков, в то время как в умеренных их количество возросло. При похолодании 70-х годов картина изменения осадков в этих широтах, в целом, изменилась на обратную: в высоких и субтропических широтах отмечался дефицит осадков, в то время как в умеренных их количество возросло.

Сохраняется ли такая зависимость между изменением глобальной температуры и изменением осадков в крупных регионах при более значительных масштабах глобального потепления или похолодания?

Выводы Последняя декада 20-го столетия была самой теплой за последние 1000 лет; Последняя декада 20-го столетия была самой теплой за последние 1000 лет; Основной вклад в потепление последних 40 лет вносили зимние и весенние месяцы, на отдельных станциях тренд зимних температур достигал 5-6°С за 40 лет; Основной вклад в потепление последних 40 лет вносили зимние и весенние месяцы, на отдельных станциях тренд зимних температур достигал 5-6°С за 40 лет; Особенностью потепления последних 20 лет на территории России является значительное повышение температуры в континентальных районах евроазиатского материка при сравнительно небольшом повышении температуры в высоких широтах; Особенностью потепления последних 20 лет на территории России является значительное повышение температуры в континентальных районах евроазиатского материка при сравнительно небольшом повышении температуры в высоких широтах;

Если отмеченные тенденции в изменении температуры воздуха сохранятся в ближайшем будущем, то можно полагать, что повышение зимних температур к гг достигнет или даже несколько превзойдет увеличение температур, прогнозируемое по палеоаналоговому методу. Если отмеченные тенденции в изменении температуры воздуха сохранятся в ближайшем будущем, то можно полагать, что повышение зимних температур к гг достигнет или даже несколько превзойдет увеличение температур, прогнозируемое по палеоаналоговому методу. При дальнейшем развитии процесса глобального потепления следует ожидать повышения температуры в высоких широтах, из за изменения альбедо и вступления в силу механизма обратной связи. При дальнейшем развитии процесса глобального потепления следует ожидать повышения температуры в высоких широтах, из за изменения альбедо и вступления в силу механизма обратной связи.

Какой сценарий изменения осадков для крупных регионов северного полушария можно предложить на ближайшие лет при быстром повышении глобальной температуры до 1°С по сравнению с концом XIXстолетия?

При повышении температуры воздуха в Арктике в изменении осадков будет осуществляться сценарий, характерный для потепления Арктики в 30-е годы и в теплые периоды в прошлом: увеличения осадков следует ожидать в высоких и субтропических широтах и уменьшения в умеренных широтах.