1. История развития представлений о климате Земли в XVIII – XX вв.

Первым русским метеорологом и климатологом был Ломоносов, он установил, что ветры, дующие с моря, умеряют зимние холода, принося дождливую погоду, также впервые указал, что открытые моря, свободные зимой ото льда, сообщают воздуху больше теплоты, чем материки, покрытые мерзлым слоем почвы и глубоким снегом, который препятствует проникновению теплоты из почвы в воздух. Ломоносов правильно объяснил причину суровых зим в Сибири, указывая, что на территорию редко проникают потоки теплого воздуха, так как теплые моря, омывающие европейские и азиатские берега, расположены от Сибири далеко. С юга же Сибирь отделена от Индии высокими горами, которые препятствуют проникновению оттуда теплого воздуха, и только с севера Сибирь омывает Ледовитый океан, покрытый всегда льдом.Ломоносов также впервые указал на то, что в горах наблюдается такая же зональность климатов, которая существует между тропиком и полюсом.После М.В. Ломоносова вопросам климатологии много уделял внимания В.Н. Каразин. Большое значение в развитии климатологии в России имел труд К.С. Веселовского «О климате России», выпущенный в 1857 г. Это было первое климатологическое описание России. Огромную роль в развитии климатологии в России сыграла Главная физическая обсерватория, основанная в Петербурге в 1849 г. Главная физическая обсерватория создала в России значительную сеть метеорологических станций, руководила ее работой и производила обработку наблюдений. Основоположником климатологии в России был гениальный географ и климатолог А.И. Воейков (родился в 1842 г., умер в 1916 г.). Он написал огромное количество работ по самым разнообразным вопросам климатологии. Неутомимая деятельность А.И. Воейков прославила русскую климатологию.Большое значение для развития русской климатологии имели работы Л.С. Берга. Он разработал географическую классификацию климатов и дал карту климатов земного шара. Л.С. Берг осветил вопрос об изменении климата за различные геологические эпохи и историческое время. В частности, он указал, что нет оснований, говорить об усыхании климата Азии в историческое время. По мнению Л.С. Берга, в природе происходят колебания климата, при которых сухие периоды сменяются влажными, а теплые – холодными. Кроме того, Л.С. Берг дал климатическое описание отдельных районов – Иссык-Куля, Байкала, Аральского моря, Туркестана. Ценность работ Л.С. Берга в том, что он тесно увязывал климат с географической средой и типами ландшафта. Большое значение для климатологии имели работы Б.П. Алисова, который разработал генетическую классификацию климатов, в основу которой он положил происхождение и характер циркуляции воздушных масс.

2. Традиционные и современные методы и средства исследования регионального и глобального климата.

При этом увеличение разрешения глобальных моделей требует затрат больших вычислительных ресурсов, особенно если интегрирование проводится на несколько десятков лет. На рубеже 90-х гг. были созданы глобальные модели климата, которые включали в качестве отдельного блока модели общей циркуляции океана. Особенности численной реализации таких моделей накладывают еще более жесткие ограничения на пространственное разрешение модели атмосферы. Поэтому в ближайшем будущем широкое использование глобальных моделей климата (в первую очередь ансамблей совместных моделей атмосферы и океана) с разрешением менее 100 км представляется затруднительным. В настоящее время для исследования климата на масштабах 10 - 100 км ведущими исследовательскими центрами США; Германии, Японии и целого ряда других стран применяются физически полные гидродинамические модели высокого пространственного разрешения, построенные для отдельных регионов и включающие атмосферу, деятельный слой почвы и внутриматериковые водоемы. При расчете климата с помощью региональных моделей учитываются большая неоднородность свойств -. подстилающей поверхности, малые внутренние • водоемы, реалистичная орография и другие региональные особенности,. не представленные в глобальных моделях.

3. Проект «IPCC» и исследования современных изменений климата.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК, англ. Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) — организация, основанная в 1988 году Всемирной метеорологической организацией (ВМО) и Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП) для оценки риска глобального изменения климата, вызванного техногенными факторами (действия человека). IPCC опубликовала четыре полноценных доклада, оценивающих последние климатологические результаты, а также ряд докладов на отдельные тематики. Доклады составляются группой исследователей, отобранных организацией из списка, представленного государствами. Проект доклада проходит стадию открытого рецензирования. Планируется, что пятый оценочный доклад (Assessment Report 5 или AR5) будет завершен в 2014 году[3]. Как и предыдущие доклады, он будет состоять из трех докладов рабочих групп и обобщённого доклада. Доклад первой рабочей группы был опубликован 31 сентября 2013 года, вторая часть была опубликована 31 марта 2014[4].Доклад рассматривает четыре сценария, при которых концентрация парниковых газов к 2100 году достигнет 421 ppm (RCP2.6), 538 ppm (RCP4.5), 670 ppm (RCP6.0), и 936 ppm (RCP 8.5). Сценарий RCP2.6 подразумевает, что пик выбросов парниковых газов придется на 2010—2020 годы, после чего произойдет спад. В сценарии RCP4.5 считается, что пик выбросов произойдет около 2040 года, а RCP6.0 — 2080. Сценарий RCP8.0 предполагает, что выбросы продолжат расти в течение столетия[5].

4. Климатическая система Земли и ее структура. Внутренние и внешние факторы климатообразования.

Процессы, влияющие на формирование климата

1) внешние:

‐ приток солнечной радиации и его возможные изменения;

‐ изменение состава атмосферы,вызванные вулканическими и орогенными  процессами в литосфере и притоком аэрозолей и газов из космоса;

‐ изменения очертаний океанических  бассейнов, солёности, характеристик  суши и др.

2) внутренние:

взаимодействие атмосферы с океаном, с поверхностью суши и льдом (теплообмен, испарение, осадки,напряжение ветра);

‐ взаимодействие лёд ‐ океан;

‐ изменение газового и аэрозольного состава атмосферы;

‐ облачность;

‐ снежный и растительный покров;

‐ рельеф и очертания материков

Разделение на внешние и внутренние процессы зависит от периода времени,за который рассматривается состояние  климатической системы. Изменение очертания материков за 1000 лет – внешний процесс, 100 млн – внутренний.Климатическая система Земли охватывает атмосферу, океан, сушу, криосферу (лед и снег) и биосферу. Эта комплексная система описывается рядом параметров, часть из них очевидна: температура, атмосферные осадки, влажность воздуха и почв, состояние снежного и ледового покрова, уровень моря. Также климатическая система описывается и более сложными характеристиками: динамикой крупномасштабной циркуляции атмосферы и океана, частотой и силой экстремальных метеорологических явлений, границами среды обитания растений и животных. Часто при малой изменчивости “простых” параметров происходят значительные изменения “сложных”, что в основном и означает изменение климата.

Связи между компонентами климатической системы. Глобальные климатические, биологические, геологические и химические процессы и природные экосистемы тесно связаны между собой. Изменения в одном из процессов могут сказаться на других, причем вторичные эффекты могут по силе превосходить первичные. Позитивные для жизни человека изменения в одной из сфер могут перекрываться вызванными ими вторичными изменениями, пагубными для жизни людей, животных и растений. Газы и аэрозольные частицы, которые человечество выбрасывает в атмосферу с начала промышленной революции, изменяют не только состав атмосферы, но и энергетический баланс. Это, в свою очередь, влияет на взаимодействие между атмосферой и океаном – главный генератор экстремальных погодных явлений. Океан занимает большую часть планеты, и именно течения и циркуляция вод определяют климат многих густонаселенных регионов мира. Потенциально очень опасно изменение циркуляции океанских вод, например, Гольфстрима, под действием глобального изменения климата.

5. Климатообразующая роль Атмосферы. Парниковый эффект.

Атмосфера является необходимым ус­ловием зарождения и существования жиз­ни на Земле. Воздух, из которого состоит атмосфера, необходим для дыхания всему живому. Человек не может не дышать воздухом даже в течение 1 минуты, и только длительные тренировки могут про­длить это время до нескольких минут. После этого, если дыхание не будет возоб­новлено, человек умрет от удушья. Не случайно есть такое выражение: «нужен как воздух». Воздух для живых существ куда важнее воды и еды, хотя и без них долго прожить невозможно. Атмосфера предохраняет обитателей Земли от вред­ного влияния космоса: от излучения, охлаждения, механического воздействия различных по размеру космических тел, которые падают на Землю, попадая в зону тяготения нашей планеты. Только на­иболее крупные тела — метеориты — не сгорают в атмосфере и долетают до Земли. С состоянием нижнего слоя атмосферы связаны такие климатические явления, как выпадение осадков, изменение силы и скорости ветра, нагревание или охлажде­ние поверхности Земли. В различных районах Земли, в зависимости от их поло­жения относительно экватора, особеннос­тей рельефа, состояния поверхности и нижнего слоя атмосферы, формируются различные типы климатов. В районе эква­тора и тропиков формируется жаркий экваториальный и тропический типы климата, в районе Северного и Южного полюсов — холодный арктический и ан­тарктический типы климата.

Парнико́вый эффе́кт — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.

По степени влияния на климат парникового эффекта Земля занимает промежуточное положение между Венерой и Марсом: у Венеры повышение температуры приповерхностной атмосферы в ~13 раз выше, чем у Земли, в случае Марса — в ~5 раз ниже; эти различия являются следствием различных плотностей и составов атмосфер этих планет.

При неизменности солнечной постоянной и, соответственно, потока солнечной радиации, среднегодовые приповерхностные температуры и климат, определяются тепловым балансом Земли. Для теплового баланса выполняются условия равенства величин поглощения коротковолновой радиации и излучения длинноволновой радиации в системе Земля—атмосфера. В свою очередь, доля поглощенной коротковолновой солнечной радиации определяется общим (поверхность и атмосфера) альбедо Земли. На величину потока длинноволновой радиации, уходящей в космос, существенное влияние оказывает парниковый эффект, в свою очередь, зависящий от состава и температуры земной атмосферы.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон[6]

6. Климатообразующая роль Океана. Роль теплых и холодных течений.

Все климатообразующие процессы тесно связаны между собой. Климатообразующими факторами являются: солнечная радиация (географическая широта), подстилающая по- верхность (распределение суши и моря) и циркуляция атмосферы. Но это не единственные факторы, влияющие на формирование климата и климатических областей. Важную роль также играют и морские течения [8].

Океанические течения создают особенно резкие различия в температурном режиме поверхности моря и тем самым влияют на распределение температуры воздуха и на атмосферную циркуляцию. По температурному режиму течения делятся на теплые, холодные и нейтральные (рис. 1). Теплым называется такое течение, температура которого выше, чем температура окружающей воды, например, течение Гольфстрим, Бразильское, Северо-Атлантическое и другие (рис. 1). С теплыми течениями связано повышение температуры воздуха в прибрежных районах (особенно ярко это проявляется в зимнее время в умеренном и субарктическом климатических поясах) и увеличение количества осадков [2; 7]. Над теплыми течениями, как более нагретыми поверхностями, возрастает испарение, в воздух поступает больше водяного пара, что способствует формированию тропических циклонов.Тропический циклон — это мощный атмосферный вихрь, образующийся над очень теплой поверхностью океана в тропических широтах (рис. 2).

Холодным называется течение, температура которого ниже, чем температура окружающих вод. Холодные течения препятствуют выпадению осадков в прибрежных зонах материков. Например, при прохождении Канарского течения вдоль северо-западного побережья Африки осадков в западной части материка выпадает от 100 до 500 мм в год. Холодное Канарское течение способствует развитию на западном побережье материка пустынь. Холодные течения также снижают температуру воздуха. Яркими примерами холодных течений являются: Лабрадорское, течение Западных Ветров, Канарское, Сомалийкое и др.Теплое течение Гольфстрим — одно из удивительных течений мира. Оно играет роль системы отопления, его называют «печкой Европы» (рис. 4). Тепловая мощность составляет примерно 1,4×1015 В (что соответствует мощности одного миллиона атомных электростанций).

Сейчас картина океанических течений выглядит так — холодное и более плотное Лабрадорское течение «подныривает» под теплое и более легкое течение Гольфстрим, не мешая ему «обогревать» Европу (рис. 5). Затем Лабрадорское течение «выныривает» у берегов Испании под названием холодного Канарского течения, пересекает Атлантику, достигает акваторию Карибского моря, нагревается и уже под названием Гольфстрим беспрепятственно устремляется обратно к северу [6]

7. Климатообразующая роль Суши. Континентальность климата, эффекты высотной поясности.

Континентальность климата-совокупность свойств климата, определяемых влиянием больших площадей суши на атмосферу и климатообразующие процессы. Основные различия в климате материков и океанов обусловлены особенностями накопления ими тепла. Поверхности материков быстро и сильно нагреваются днём и летом и охлаждаются ночью и зимой. Над океанами этот процесс замедлен, поскольку водные массы в тёплое время суток и года накапливают в глубоких слоях большое количество тепла, которое постепенно возвращают в атмосферу в холодное время. Поэтому температура воздуха и др. характеристики климата меняются (от дня к ночи и от лета к зиме) над материками сильнее, чем над океанами (см. Континентальный климат, Морской климат). Перемещение воздушных масс приводит к распространению влияния океанов на климат прилегающих частей материков и к обратному воздействию материков на климат океанов. Т. о., климат может обладать большей или меньшей континентальностью (или океаничностью), поддающейся количественному выражению; чаще всего К. к. рассматривается как функция годовой амплитуды температуры воздуха.

Высотная поясность объясняется изменением климата с высотой: на 1 км подъёма температура воздуха снижается в среднем на 6 °C, уменьшается давление воздуха, его запылённость, возрастает интенсивность солнечной радиации, до высоты 2—3 км увеличивается облачность и количество осадков.

По мере нарастания высоты происходит смена ландшафтных поясов, в некоторой степени аналогичная широтной зональности. Величина солнечной радиации увеличивается вместе с радиационным балансом поверхности. В результате температура воздуха снижается по мере роста высоты. Кроме того, происходит уменьшение количества осадков из-за барьерного эффекта.

Между широтными поясами и высотными зонами есть частичное сходство в климатических особенностях, размещении растительности и почв. Но многим поясам невозможно найти полные широтные аналоги.

Для характеристики климата очень важно знать, как в данном месте распределяется суша и море. Удаленность от берегов океана в глубь материков отражается на режиме температуры, влажности, определяет степень континентальности данного климата. Теплые течения в морях и океанах способствуют повышению температуры в прибрежных районах суши и увеличению осадков. Холодные течения, наоборот, понижают температуру на окраинах материков и препятствуют выпадению осадков. Климат восточных и западных побережий Южной Америки, Австралии и Африки, находящихся в пределах одного тропического климата, различен. Это объясняется именно наличием там океанических течений.

Велико воздействие на климат к рельефа. Так, в горах на разной высоте местности над уровнем моря климатические условия различаются; на климат влияет направление горных хребтов, служащих препятствием для ветра и вторжения воздушных масс. Равнины, наоборот, позволяют континентальным или океаническим воздушным массам беспрепятственно проникать в соседние районы.

Климат в большой степени зависит от характера подстилающей поверхности, под которой понимают компоненты земной поверхности, взаимодействующие с атмосферой. Лес, например, уменьшает суточную амплитуду температур почвы и, значит, окружающего воздуха. Снег уменьшает потери тепла почвой, но он отражает значительное количество солнечных лучей, и Земля поэтому нагревается слабо.

11. Индексы атмосферной циркуляции (nao, Вангенгейма-Гирса) и их использование в климатических исследованиях

12. Климатообразующая роль Солнца. Показатели солнечной активности.

Солнечная активность — комплекс явлений и процессов, связанных с образованием и распадом в солнечной атмосфере сильных магнитных полей.

Солнечные пятна — это области на поверхности Солнца, которые темнее окружающей их фотосферы, так как в них сильное магнитное поле подавляет конвекцию плазмы и снижает её температуру примерно на 2000 градусов. Связь общей светимости Солнца с количеством пятен является предметом споров, начиная с первых наблюдений за числом и площадью солнечных пятен в XVII веке[6][7]. Сейчас известно, что взаимосвязь существует — пятна, как правило, менее чем на 0,3 % уменьшают светимость Солнца и вместе с тем увеличивают светимость менее чем на 0,05 % путем образования факул и яркой сетки, связанной с магнитным полем[8]. Влияние на солнечную светимость магнитно-активных областей не было подтверждено вплоть до первых наблюдений с ИСЗ в 1980-х годах[9]. Орбитальные обсерватории «Нимбус 7», запущенная 25 октября 1978 года, и «Солнечный максимум», запущенная 14 февраля 1980 года, определили, что благодаря ярким областям вокруг пятен, общий эффект заключается в увеличении яркости Солнца вместе с увеличением числа пятен. Согласно данным, полученным с солнечной обсерватории «SOHO», изменение СА соответствует также незначительному, ~0.001 %, изменению диаметра Солнца[10].

Количество солнечных пятен характеризуется с помощью числа Вольфа, которое известно также как цюрихское число. Этот индекс использует комбинированное число пятен и число групп пятен, а также учитывает различия в наблюдательных приборах. Используя статистику числа солнечных пятен, наблюдения за которыми осуществлялось в течение сотен лет, и наблюдаемые взаимосвязи в последние десятилетия, производятся оценки светимости Солнца за весь исторический период. Также, наземные инструменты калибруются на основании сравнения с наблюдениями на высотных и космических обсерваториях, что позволяет уточнить старые данные. Другие достоверные данные, такие как наличие и количество радиоизотопов, происхождение которых обусловлено космическим излучением (космогенных), используются для определения магнитной активности и — с большой вероятностью — для определения солнечной активности.

Используя данные методики в 2003 году было установлено, что в течение последних пяти 11-летних циклов количество пятен на Солнце должно было быть максимальным за последние 1150 лет[11]. Числа Вольфа за последние 11 400 лет определяются путем использования дендрохронологического датирования концентраций радиоуглерода. Согласно этим исследованиям, уровень СА в течение последних 70-ти лет является исключительным — последний период со схожим уровнем имел место 8 000 лет назад. Солнце имело схожий уровень активности магнитного поля всего ~10 % времени из последних 11 400 лет, причем практически все предыдущие периоды были более короткими по сравнению с современным[12]. Солнечными циклами называются периодические изменения в солнечной активности. Предполагается наличие большого количества циклов с периодами 11, 22, 87, 210, 2300 и 6000 лет. Основные циклы продолжительностью 11, 22 и 2300 лет носят также название, соответственно, циклов Швабе, Хейла и Холлстатта.