Много лет мы считали, что Гималаи — это климатический оазис, нетронутый, первозданный и устойчивый к турбулентности модернизации. Но что происходит, когда горные города начинают напоминать мегаполисы на равнинах?
Этот вопрос стал основой нашей недавней работы. Мы стремились понять, как урбанизация в предгорьях Гималаев незаметно, но глубоко меняет местную погоду и режим осадков.
Уттаракханд, который раньше определялся лесными долинами и небольшими аграрными поселениями, за последние три десятилетия претерпел значительные изменения. Расширение городских центров, промышленные коридоры и неумолимый рост туризма изменили его экологический ритм.
В новом исследовании под руководством доктора Суманты Даса из Школы управления окружающей средой и стихийными бедствиями Института образования и исследований Миссии Рамакришны Вивекананды (RKMVERI) в сотрудничестве с учёными из Университета Квинсленда, Австралия, Центра Хэдли по климату, Метеорологического бюро, Соединённое Королевство, и Университета нефти и энергетических исследований, Индия, мы попытались выяснить, как эти антропогенные изменения влияют на характер осадков и гидроклиматическую стабильность.
Работа опубликована в журнале Earth Systems and Environment. Исследование объединяет машинное обучение с геопространственным анализом для изучения четырёх десятилетий (1984–2023) данных об осадках в Уттаракханде, одном из наиболее экологически уязвимых, но быстро урбанизируемых гималайских штатов Индии.
Методы исследования
Наша мотивация основана на простом, но актуальном вопросе: как антропогенные преобразования ландшафта влияют на экстремальные осадки в регионе, столь важном для гидрологического баланса Южной Азии?
Урбанизация приводит к появлению непроницаемых поверхностей, тепловых островов и атмосферных аэрозолей, которые взаимодействуют с региональной циркуляцией и режимами влажности. Однако точные связи между этими изменениями и характером осадков в горных районах оставались неопределёнными.
«Наше исследование устраняет этот пробел, сочетая статистическую климатологию, анализ экстремальных явлений и искусственный интеллект», — сказал доктор Дас. «Мы хотели зафиксировать, как климатические сдвиги, вызванные урбанизацией, проявляются в средах с ограниченными данными и сложной топографией, таких как Гималаи».
Для этого мы разработали гибридную аналитическую модель, которая объединяет классическую непараметрическую статистику с современными методами искусственного интеллекта. Мы использовали тесты Манна – Кендалла и Сэнда для выявления долгосрочных тенденций осадков и объединили их с классификаторами машинного обучения, такими как случайный лес (RF) и машина опорных векторов (SVM), для выявления и прогнозирования экстремальных осадков.
Три методологических достижения определяют наш подход:
1. Мы создали гибридную статистическую модель машинного обучения, которая фиксирует как исторические, так и прогнозируемые модели осадков — это первое в своём роде применение в гималайских климатических исследованиях.
2. Мы реализовали мелкомасштабное пространственное картографирование всех 13 округов Уттаракханда, отличая городские центры, такие как Дехрадун и Харидвар, от сельских зон, таких как Техри Гархвал и Чампават. Это позволило нам точно определить локализованные климатические режимы, сформированные под влиянием землепользования и высоты над уровнем моря.
3. Мы включили глобальные индексы экстремальных климатических условий — последовательные сухие дни (CDD) и последовательные влажные дни (CWD), чтобы количественно оценить продолжительные сухие и влажные периоды и соотнести их с метеорологическими параметрами, такими как влажность, точка росы и поверхностное давление.
Результаты исследования
Наши выводы выявляют поразительный парадокс. В городских районах сейчас наблюдаются как более сильные осадки, так и более длительные засушливые периоды, чем в их сельских аналогах.
Харидвар и Дехрадун зафиксировали средние показатели осадков 377,64 мм и 158,4 мм соответственно, что значительно превышает показатели в неурожайных районах, таких как Техри Гархвал (116,18 мм). В одном только Дехрадуне наблюдается резкий рост осадков с наклоном Сэнда 9,06 × 10⁻⁵, что отражает ускоренные гидроклиматические сдвиги.
Однако эта интенсификация сосуществует с продолжительными засушливыми периодами. В 2022 году в Дехрадуне было зафиксировано до 81 последовательного сухого дня, после чего последовали влажные периоды, длившиеся почти два месяца в следующем году.
Эта осцилляция — между засухой и потопом — сигнализирует о появлении того, что мы называем «климатической двойственностью». Такая нестабильность создаёт серьёзные проблемы для обеспечения водой, борьбы с наводнениями и готовности к стихийным бедствиям в быстро урбанизирующихся горных системах.
Наши модели машинного обучения подтвердили эти выводы. Классификатор случайного леса предсказал экстремальные осадки с точностью почти 80%, немного превзойдя модель машины опорных векторов, особенно в промышленном районе Удхам Сингх Нагар.
Корреляционный анализ показал, что относительная влажность, температура точки росы и поверхностное давление являются доминирующими климатическими факторами, влияющими на изменчивость осадков.
«Эти переменные действуют как предвестники экстремальных явлений», — сказал доктор Дас. «Их сильная корреляция с осадками подтверждает, как даже незначительные сдвиги в местной метеорологии могут вызвать значительные гидрологические последствия».
Хотя исследование проводилось в Гималаях, его результаты находят отклик во всём мире. Они перекликаются с предупреждениями Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, AR6) об усилении гидроклиматических экстремумов в условиях глобального потепления. Однако наше исследование расширяет эту концепцию, показывая, что урбанизация сама по себе может локально усиливать эти глобальные тенденции, превращая даже среднегорные горные регионы в очаги гидроклиматической нестабильности.
«Гималайские предгорья вступают в новое гидроклиматическое состояние», — сказал доктор Дас. «Расширение городов и изменение земного покрова теперь так же влиятельны, как и глобальное потепление, в регулировании осадков. Будущие стратегии адаптации должны учитывать как глобальные, так и местные движущие силы изменения климата».
Наши данные имеют прямое отношение к политике. Они дополняют Национальный план действий Индии по борьбе с изменением климата (NAPCC) и поддерживают Цели устойчивого развития 6 (Чистая вода и санитария) и 13 (Климатические действия).
Результаты могут быть использованы для региональных систем раннего предупреждения, климатически устойчивого городского проектирования и стратегий управления наводнениями и засухами в горных городах, где пересекаются развитие и хрупкость.
В сущности, наше исследование расшифровывает развивающийся «гидроклиматический отпечаток» урбанизируемых Гималаев. Мы обнаруживаем, что сам процесс, способствующий экономическому прогрессу — рост городов, — одновременно усиливает экстремальные осадки, гидрологический стресс и уязвимость к стихийным бедствиям.
Объединяя науку о данных с экологической климатологией, эта работа представляет собой важный шаг на пути к построению прогностического и устойчивого понимания горных климатических систем. Синтез статистической строгости, точности искусственного интеллекта и политической значимости не только углубляет наше понимание того, как города в облаках формируют свою погоду, но и служит своевременным напоминанием. Если урбанизация будет продолжаться бесконтрольно, Гималаи могут вскоре стать одновременно колыбелью возможностей и горнилом климатического риска.