В.В.Зубаков (1990):
«История климатов кайнозоя, даже на начальном (современном) этапе ее изучения, приводит нас к общему заключению о том, что изменения климата прошлого невозможно объяснить действием какого-либо одного или нескольких факторов, например, ростом гор, изменением течений, активизацией вулканизма и повышением в связи с этим концентрации пепла и углекислого газа в атмосфере. Изменение климата – это интегральное отражение взаимодействия всех геосфер Земли друг с другом и с космосом».
Основные направления общей теории климата
(Дымников, Филатов, 1994):
1.Статистическая теория климата, целью которой является описание климата современными статистическими методами на основе данных наблюдений.
2.Физическая теория климата, предметом которой является изучение физических процессов, ответственных за формирование климата.
3.Гидродинамическая теория климата, центральным звеном которой является изучение линейных и нелинейных волновых процессов, протекающих в климатической системе и их устойчивости.
4.Математическая теория климата как совокупность математических методов анализа решения климатических моделей на произвольно больших масштабах времени.
5.Численное моделирование климатической системы, целью которого является создание моделей, способных не только описать современную климатическую систему, но и в определенном смысле предсказать изменения климата при изменении внешних воздействий.
Два определения климата:
1.Описание гидрометеорологического режима определенной территории в ряду других физико-географических характеристик (локальный климат).
2.Состояние гидрометеорологического режима Земли, характеризуемого процессами планетарного масштаба, которые проявляются в каждой точке земного шара и имеют единую природу (глобальный климат).
1974 г., Стокгольм, конференция ПИГАП
(проект исследования глобальных атмосферных процессов)
«Климат – статистический ансамбль состояний, которые проходит система океан – суша – атмосфера за периоды времени в несколько десятилетий»
Информация:
1.Современный климат: данные сети наблюдений и спутниковые данные.
2.Климат прошлого: реконструкции климата (климатическая интерпретация палеоиндикаторов и датирование информации).
Особенности информации:
1.Современные данные – носители информации о короткопериодной изменчивости.
2.Палеоданные данные – носители информации о крупных и долгопериодных изменениях климата.
Межгодовая и десятилетняя
Столетняя
Тысячи, десятки и сотни тысяч лет
Палеореконструкции |
Данные наблюдений |
Флуктуации климатического масштаба |
Месяц |
|
Плотность спектра колебаний температуры нижней атмосферы по периодам от 1 часа до возраста Земли (Митчелл, 1977).
Климатическая изменчивость: |
<100 лет. |
Короткопериодные изменения климата: |
100 – 20 тыс.лет. |
Долгопериодные изменения климата: |
> 20 тыс.лет. |
Климатические осреднения: за 30-40 лет.
Изменение климата – антропогенная причина, Климатическая изменчивость – естественные причины Framework Convention on Climate Change (UNFCCC),
Спектр колебаний температуры воздуха в Северо-Атлантическом секторе земного шара по Дж. Куцбаху и Р. Брисону (1974 г.): f - частоты; f-1 - периоды; S(f) - спектральная плотность.
Средний квадрат амплитуды колебаний
Периоды климатического осреднения
Классификации масштабов изменений климатических характеристик
I. А.С.Монин, 1982:
1.Мелкомасштабные колебания за счет турбулентности и гравитационных а акустических волн (доли секунды – минуты).
2.Мезомасштабные колебания малой интенсивности (минуты – часы.
3.Синоптические колебания (часы – сутки в атмосфере, недели – в океане), суточные, полусуточные колебания, гравитация Луны.
4.Глобальные изменения с периодами от недель до месяцев (2х недельные колебания индекса циркуляции, 1-2х месячные колебания в индийском и тихоокеанском секторах тропической атмосферы).
5.Сезонные колебания с годовым периодом, муссоны.
6.Междугодовые колебания (квазидвухлетние, включая Эль- Ниньо – Южное колебание, 3.5-летние автоколебания северной ветви Гольфстрима и другие).
7.Внутривековые колебания с периодами десятки лет (глобальная температура).
8.Междувековые с периодами века – тысячелетия («золотые века» начала голоцена 9-11 тыс. лет назад, похолодание в X век до н.э. - III век н.э., потепление X-XII веков, «малый ледниковый период» XVII-XIX века).
9.Долгопериодные колебания в десятки тысяч лет, связанные с изменением параметров земной орбиты и наклона земной оси (100 тыс.лет, 41 тыс. лет и 22 тыс. лет).
10.Изменения геологических эпох с периодами десятки и сотни млн. лет, создаваемые тектоническими процессами и дрейфом континентов
II.Г.В.Груза, Э.Я. Ранькова, 1990:
1.Микрометеорологическая изменчивость: доли секунды – минуты.
2.Мезометеорологическая изменчивость: минуты – часы.
3.Изменчивость, соответствующая синоптическим процессам: от нескольких часов до2-3 недель (интервал прогнозирования).
4.Климатическая изменчивость: от 3 недель до нескольких десятилетий (флуктуации климата, верхний предел – климатическая норма в 30 лет: 1961-90 гг.).
5.Межвековая изменчивость.
6.Изменчивость типа малого ледникового периода.
7.Изменчивость, соответствующая ледниковым периодам.
IIICLIVAR 1986:
1.Внутригодовая изменчивость (intra annual).
2.Межгодовая изменчивость в несколько лет (interannual).
3.Десятилетняя изменчивость в 1.5.-2 десятилетия (decadal)
4.Вековая изменчивость с периодом 1-2 сотни лет (centural).
Разделение изменчивости на синоптическую и климатическую
Климат - это статистический ансамбль состояний, которые проходит система океан- суша-атмосфера за периоды времени в несколько десятилетий.
Погода - мгновенное состояние системы океан-суша-атмосфера, которое характеризу- ется некоторым набором глобальных полей характеристик воды, воздуха, почвы.
Граница:
1.Климат – предел детерминированной предсказуемости крупномасштабных метеорологических полей (2-3 недели).
2.Устойчивость внешних (отсутствие обратного влияния системы) и внутренних факторов по отношению к климатической системе (характерное время протекания процессов): быстрые процессы – параметризуются, медленные – формируют
граничные условия.
Масштабы времени
Десятилетия |
Сотни лет |
Тысячи и десятки тысяч лет |
|
|
|||
КС: атмосфера, |
|
||
КС: Мировой океан, |
КС: Ледниковые щиты, |
||
деятельный слой океана, |
|||
часть криосферы |
|||
сезонный снежный покров, |
Мировой океан, |
||
карбонатная система |
|||
морской лед. |
газовый состав |
||
(потоки углерода) |
|||
Внешние факторы: |
|
||
Внешние факторы: |
Внешние факторы: |
||
солнечная энергия, |
|||
распределение океанов и суши, |
солнечная энергия, |
астрономические, |
|
«глубокий» океан, |
газовый состав, |
геологические |
|
газовый состав, |
распределение океанов и суши, |
|
|
ледниковые щиты и вечная мерзлота |
ледниковые щиты |
|
Влияние обратных связей системы:
комплекс процессов, основанных на законе Клаузиуса-Клайперона (рост температуры сопровождается повышением влагосодержания атмосферы)
Следствия:
-уменьшается критический градиент температуры с которого начинается конвекция (процесс облегчает перемешивание слоев атмосферы);
-усиливается парниковый эффект (процесс приводит к накоплению тепла в нижних слоях и к охлаждению верхних слоев).
Совместный результат:
- оба эффекта действуют в противоположных направлениях, но т.к. «парниковая» преобладает,
то имеет место положительная обратная связь, которая реализуется практически мгновенно.
Вывод: рост СО2 вызывает рост Т.
На другом масштабе времени (многие тысячи лет) работает другой механизм: геобиохимический планетарный, синхронизирующий флуктуации температуры и СО2 в
атмосфере. |
Ход температурной кривой опережает изменения |
Эмпирическое подтверждение: антарктические |
СО2 приблизительно на 5-8 тыс. лет |
керны, где аномалии температуры даже |
(перемешивание океана) |
опережали ход аномалий СО2. |
|
Причина: колебания СО2 связаны с |
|
биологической активностью, химическим |
|
выветриванием и другими процессами. |
|
Вывод: изменения Т и СО2 – обусловлены космическими причинами.
В океане растворено СО2 в 60 раз больше, чем в
атмосфере.
(Котляков, Лориус, 1992)
Дополнение
Изменение атмосферной концентрации основных парниковых газов - углекислого газа (CO2), метана
(CH4) и закиси азота (N2O) – в воздухе, попавшем внутрь ледниковых кернов, за 650.000 лет
Нижняя кривая отражает колебания содержания дейтерия (δD) в антарктическом льде, которое является косвенным показателем локальной температуры. Затененные полосы соответствуют нынешнему и предыдущим межледниковым теплым периодам.
Источник: Четвертый оценочный доклад МГЭИК, 2007.
Горизонтальными пунктирными линиями показано значение среднего уровня температуры или содержания CO2 для
определенного периода. Шкала времени — в сотнях тысяч лет назад (kyr BP, kiloyears before present). Разный цвет использован для обозначения данных, опубликованных в других статьях, полученных в разных местах или в одном месте, но разными методами. Рис. из статьи Lüthi et al., 2008.
Другие примеры обратных связей
1. Региональная альбедная обратная связь
Уменьшение |
|
Изменение температуры воздуха |
|
|
|
||
температуры |
Уменьшение |
||
воздуха |
|||
|
|
радиационного |
|
|
|
баланса |
|
|
|
|
|
|
|
поверхности |
|
|
|
|
|
Снег, лед (высокое отражение) |
Снижение температуры поверхности, |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
развитие снежного покрова |
|
|
|
|||
2. Обратное влияние растительности на климат |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Изменение |
|
|
|
Изменение |
|
|
Изменение |
|
|
Изменение |
|||
|
глобального |
|
|
|
растительного |
|
|
тепловлагообмена |
|
|
регионального |
|||
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
климата |
|
|
|
покрова региона |
|
|
поверхности с |
|
|
климата |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
атмосферой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обратная связь обеспечивает гумидизацию засушливых зон тропиков и субтропиоков и продвижение к северу границы леса в высоких широтах (Texier et al., 1997))
Действие внешних факторов может усиливаться и ослабляться обратными связями
Триггерный механизм:
слабые внешние эффекты могут усиливаться внутри климатической системы.
Пример 1. Влияние космических лучей
|
Интенсивность |
|
|
|
|
Концентрация |
|
|
|
Изменение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
космических |
|
|
|
|
ионов в |
|
|
|
планетарной |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
лучей |
|
|
|
|
атмосфере |
|
|
|
облачности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Изменение |
|
|
|
|
Изменение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Изменение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
климата |
|
|
|
|
планетарного |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
планетарной |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
теплового |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
облачности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
баланса |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Пример 2. Циркуляционные эпохи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
Т июнь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т март |
|
|
Няксимволь |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|