–структуру климатической системы Земли и влияние отдель- ных ее компонент на динамику климата;

–статистические методы и модели для изучения простран- ственно-временных колебаний климата и полученные на их основе результаты;

–основные виды физико-математических моделей климатиче- ских изменений и результаты их применения;

–методы палеоклиматологии для получения информации о климатах прошлого;

–исторические изменения климатов Земли от возникновения планеты до современного периода и сценарные оценки климата ближайшего будущего.

Обучающийся должен уметь идентифицировать значимые кли- матические изменения, строить статистические пространственно- временные модели, включая модели внутригодовых колебаний и простые физико-математические модели типа энергобалансовых, а также проводить на их основе исследования с привлечением меж- дународных архивов данных в Интернете, современных вычисли- тельных средств и ГИС-технологий. Должен научиться владеть зна- ниями о факторах изменений климата и их динамике; основными видами моделей для изучения динамики климата; знаниями об ос- новных причинах изменения климата в прошлом, настоящем и бли- жайшем будущем.

Тема 1. Задачи динамики климата

имеждународное сотрудничество

визучении изменений климата

Лекция 1. Введение в динамику климата

Климатологию как науку можно разделить на две основные части: изучение климата как условно постоянной устойчивой суб- станции и изучение изменений этой субстанции во времени. Первая часть относится к физической климатологии и исследует климат в статическом состоянии или, по аналогии с физикой, имеет дело со статикой климата. В ней рассматриваются основные факторы климата в их статическом состоянии и в виде составляющих урав- нений балансов: радиационного, теплового, водного. Климат здесь представлен в его первозданном классическом определении как

«средняя погода». Поэтому в физической климатологии имеют дело со средними многолетними величинами, которые характеризуют распределение температур, осадков, атмосферного давления и дру- гих климатических характеристик по поверхности Земли.

Обычно средние многолетние климатические характеристики называют нормами. Даже в условиях современного изменяющегося климата для расчета климатических средних Всемирной метеороло- гической организацией (ВМО) принят условно стационарный пери- од 1961–1990 гг. Такие осреднения за многолетний период позволили установить основные закономерности распределения климатических характеристик по поверхности Земли, получить новые интересные показатели, например, такие, как центры действия атмосферы, кли- матологические фронты, различные виды атмосферной циркуляции. На основе средних климатических показателей разработаны ос- новные климатические классификации и климатические райониро- вания для прикладных целей. Расчетные климатические характери- стики, полученные в предположении квазистационарной функции распределения, являются теми редкими природными показателями с вычисленной вероятностью их повторяемости, которые обязатель- но учитываются при проектировании и эксплуатации сооружений, объектов и механизмов. Взаимосвязь между различными показате- лями климатической системы также представлена в виде уравнений

балансов в их интегральной форме.

В отличие от статики, основными задачами динамики климата

–изучение закономерностей изменения факторов климата во времени;

–изучение взаимосвязей между изменяющимися компонента- ми климатической системы в форме математических моделей;

–прогноз, или научно обоснованное предвидение, возможных будущих изменений климата.

Достаточно часто изучение динамики климата ассоциируется с разработкой теории климата, которая еще окончательно не создана и представляет собой систему объяснения таких основных климати- ческих свойств, как особенности и распределение климатов Земли; их изменения во времени; физические связи между элементами климата, климатообразующими процессами и географическими факторами климата.

В связи с этим основные задачи динамики климата и теории климата схожи: изучение закономерностей формирования клима- та и его изменений и предвидение изменений климата в будущем. Единственный путь решения таких задач – это построение матема- тических моделей климатической системы. Остальные виды моде- лирования, такие, например, как активный эксперимент и физиче- ское моделирование, для такого большого и своеобразного объекта, как планета Земля, пока невозможны. Так, физическое моделиро- вание, или создание уменьшенной модели планеты, в лаборатор- ных условиях с атмосферой и всеми другими сферами невозможно даже не из-за их сложности и многообразия объектов, что можно и упростить, а только из-за значительного различия вертикального и горизонтального масштабов, которое достигает 103, так как

атмос- фера в моделях обычно рассматривается до 30–50 км по вертикали, а длина окружности Земли по экватору составляет 40 000 км. Такое

различие в масштабах не позволяет создать все сложные движения в такой тонкой оболочке, как атмосфера, а именно эти движения и определяют циркуляцию воздуха и воды на планете.

Активный эксперимент с планетой Земля пока, может, и к сча- стью, также невозможен. Человечество еще не имеет таких техни- ческих и энергетических возможностей, чтобы изменять атмосфер- ную циркуляцию на планете, суммарную приходящую радиацию и даже «накачивать» атмосферу углекислым газом в планируемых концентрациях за достаточно короткое время эксперимента.

Применяемые для описания динамики климата математиче- ские модели, в свою очередь, можно разделить на два класса: фи- зико-математические и статистические. Статистические модели ис-

пользуются в основном для выявления пространственно-

закономерностейнаосновемноголетнихданныхнаблюдений,атакже для нахождения простых статистических взаимосвязей между раз- ными показателями климатической системы, например между ин- дексами атмосферной циркуляции и температурой воздуха. Для детального описания всех взаимосвязей в климатической системе применяются модели климата, основанные на решении полных уравнений термо- и гидродинамики и представляющие собой более генерализованные по времени и пространству модели общей цир- куляции атмосферы и океана (МОЦАО), используемые для кратко- срочных прогнозов погоды.

В данных лекциях по динамике климата будут рассмотрены следующие базовые темы:

1.Задачи теории климата и международное сотрудничество в изу- чении изменений климата.

2.Климатическая система Земли и влияние отдельных ее компо- нент на динамику климата.

3.Эмпирико-статистические модели климатических изменений.

4.Физико-математические модели климатических изменений.

5.Исторические колебания климата.

6.Современное изменение климата и климат ближайшего будущего.

Для закрепления теоретического материала следует выполнить четыре лабораторные работы, приведенные в Практикуме по кли- мату, части 1 и 2, по базовым разделам курса «Динамика климата»:

Лабораторная работа № 1. Пространственная изменчивость климатических данных.

Лабораторная работа № 2. Применение статистических мето- дов для оценки климатических изменений во времени.

Лабораторная работа № 3. Стохастическое моделирование пространственно-временных колебаний климата.

Лабораторная работа № 4. Применение физико-математи- ческих моделей климата (на примере энергобалансовой модели М.И. Будыко).

Динамика климата, который представлен разными показателя- ми в разных подсистемах, очень сложная, так как каждая из кли- матических характеристик формируется под влиянием многих фак- торов, которые, в свою очередь, имеют разный масштаб колебаний во времени. По мнению известного климатолога В.А. Зубакова [4],

«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

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». Исходя из такой сложной динамики колебаний разрабатываемая в настоящее время теория климата также должна быть достаточно сложной и много- гранной. По определению В.П. Дымникова и А.Н. Филатова [3], ос- новные части такой общей теории климата – это:

a) cтатистическая теория климата, целью которой является опи- сание климата современными статистическими методами на основе данных наблюдений;

б) физическая теория климата, предметом которой является изучение физических процессов, ответственных за формирование климата;

в) гидродинамическая теория климата, центральным звеном которой является изучение линейных и нелинейных волновых про- цессов, протекающих в климатической системе и их устойчивости; г) математическая теория климата как совокупность математи- ческих методов анализа решения климатических моделей на произ-

вольно больших масштабах времени; д) 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 разных внешних воздействиях. Прежде чем перейти к изучению динамики климата, следует остановиться на основных определениях, свойствах и проблемах, связанных с изменяющейся климатической системой. Главное опре- деление в климатологии – это определение понятия «климат». Сло- во «климат» происходит от греч. klima – «наклон», под которым древние греки понимали наклон земной поверхности к солнечным лучам. Из-за того что этот наклон разный на разных широтах, ко- личество получаемой энергии земной поверхностью тоже разное, и в первом приближении это характеризует климат в данном месте. По известной генетической классификации климатов Б.П. Алисова, на Земле выделяется 7 основных климатических поясов – от эквато- риального до арктического, которые, в основном, и связаны с разли-

чием в поступающей радиации и ее межширотным обменом. В связи с этим принято различать два понятия климата:

локаль- ный и глобальный. Локальный климат – это описание

состояние гидрометеорологического режима Земли, характеризу- емого процессами планетарного масштаба, которые проявляются в каждой точке земного шара и имеют единую природу. В настоя- щее время в динамической климатологии основным является сле- дующее определение климата: «Климат – статистический ансамбль состояний, которые проходит система ”океан – суша – атмосфера” за периоды времени в несколько десятилетий». Это определение

полей, то есть распределений по земному шару ряда характеристик морской воды, атмосферного воздуха, поверхности Земли и верхнего слоя почвы.

Первая из проблем изучения динамики климата – информаци- онная. Как известно, регулярные однородные инструментальные на- блюдения на сети метеорологических станций имеют период менее 150 лет, начиная с конца XIX в. Конечно, в отдельных пунктах, в ос- новном в Европе, имеются и длиннорядные наблюдений продолжи- тельностью в 300 лет и более, например, ряды наблюдений за сред- немесячной температурой воздуха с

еще и спутниковых данных, а климат прошлого – по кос- венным индикаторам, что гораздо менее надежно. В результате со- временные данные являются носителями информации о коротко- периодной изменчивости климата до 150–200 лет, а палеоданные содержат в себе информацию о крупных и долгопериодных изме- нениях климата.

Пример применения разных видов информации при исследо- вании динамики климата показан на рис. 1.1. На верхнем графике рис. 1.1 показан ряд глобальной температуры, полученный по дан- ным инструментальных наблюдений с интервальными оценка- ми

погрешностей, на среднем рисунке – ряд средней температу- ры

Рис. 1.1. Разномасштабные колебания климата, полученные на основе данных наблюдений и косвенных палеоданных

из палеореконструкций и данных наблюдений за последний пери- од и также с диапазоном возможных погрешностей. На нижнем рисунке приведен ряд палеореконструкций температуры воздуха в Антарктике за последние 420 тыс. лет, полученный по данным изотопного анализа кислорода из ледяных кернов.

Из сопоставления рядов наблюдений можно сделать вывод, что долгопериодные изменения климата могут быть установлены толь- ко по палеоданным, погрешность которых намного больше, чем ин- струментальных измерений. Таким образом, по палеоданным мож- но более или менее надежно определить только показатели колеба- ний большого временного масштаба, например показатели циклов с периодом в 100 тыс. лет, как показано на нижнем графике (см. рис. 1.1). А отдельные флуктуации в этих циклах могут быть обу- словлены и погрешностями полученной палеоинформации.

Вторая проблема при изучении динамики климата – это мно- жественность влияющих причин, каждая из которых также может содержать колебания разных временных масштабов. В результате колебания любой климатической характеристики во времени пред- ставляют собой сложный процесс, который в большинстве случа- ев воспринимается как случайный в виду большой шумовой со- ставляющей. Пример достаточно сложной функции спектральной плотности для температуры нижней атмосферы, реконструиро- ванной Дж. Митчелом [12] за весь исторический период, приведен на рис. 1.2, где по вертикальной оси представлена плотность спек- тральной функции в относительных единицах, а по горизонталь- ной – период гармоник.

Из анализа графика можно сделать вывод, что спектр темпе- ратуры является сложным, размытым и включает в себя два суще- ственных всплеска при периодах 1 сутки и 1 год и достаточно много менее значимых с разными периодами: 12 часов, 3–7 суток, 6 меся- цев, 27 лет, 100–400 лет, 2500 лет, 20 тыс. лет, 40 тыс. лет., 100 тыс. лет, 30–60 млн лет и 200 млн лет. Для температуры воздуха наибо- лее значимые гармоники с периодом 1 сутки и 1 год обусловлены вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца и проявляются в виде известного суточного и годового хода температуры. Этим же причинам соответствуют и процессы с полупериодом от основных: полусуточные и полугодовые.

Следующими по значимости являются цикл колебаний с перио- дом 200 млн лет, хотя надежность его определения низкая, и циклы в 20, 40 и 100 тыс. лет, обусловленные влиянием астрономических факторов. Циклы с периодами в среднем 2500

лет и 100–400 лет

Рис. 1.2. Плотность спектра колебаний температуры нижней атмосферы по периодам от 1 часа до возраста Земли [13]

являются более сглаженными, и предполагается, что они обуслов- лены колебаниями внутренних инерционных процессов климатиче- ской системы, такими как криосфера и океан. Колебания с периода- ми 3–7 суток обусловлены синоптическими процессами. Наиболее известными в климатологии считаются следующие

циклы, обуслов- ленные внешними воздействиями [7].

Годичный цикл. Вынужденные колебания климатической си- стемы оказываются неустойчивыми уже в годичном цикле, в котором происходят перераспределения масс воздуха над океанами и конти- нентами, и над последними образуются и разрушаются

Гавайский, от зимы к лету усиливают- ся, а субполярные депрессии

– Исландская и Алеутская, наоборот, ослабевают. Эти годичные

что на спектрах малых колебаний полюсов, кроме узкого и мощного пика на годичном периоде, имеется еще более слабый, но широкий максимум около периода в среднем 1,19 года, соответствующий так называемым чандлеровским колебаниям полюсов.

Квазидвухлетние циклы. Согласно гипотезе А.М. Обухова, эти колебания находятся в состоянии параметрического резонанса с го- дичными колебаниями. Однако данные наблюдений свидетельству- ют о том, что основные междугодовые климатические колебания происходят с периодичностью не в два года, а в 2,38 года. Они усили- ваются, порождая так называемый квазидвухлетний цикл колебаний атмосферной циркуляции. Он наиболее ярко выражен в виде смены направлений зональных ветров в экваториальной нижней стратосфе- ре, но заметен и в других метеорологических явлениях, в том числе и внетропических широтах. Окончательной ясности относительно механизма квазидвухлетнего климатического цикла еще нет, но име- ются достаточно веские предположения, что этот механизм связан с особыми бифуркациями инвариантных торов в фазовом простран- стве климатической системы. Эти бифуркации обязаны своим воз- никновением внешним воздействиям на климатическую систему сил с другими, чем годичный, периодами. Среди возможных кандидатов можно указать чандлеровское колебание полюсов Земли, возбуждаю- щее, как известно, в атмосфере и океанах так называемый полюсный прилив, который, в свою очередь, может взаимодействовать с сезон- ными климатическими колебаниями. Также могут быть важны вза- имодействия годичного цикла с долгопериодными биениями лун- но-солнечных приливных воздействий на климатическую систему.

Квазидвадцатилетние циклы. О другой бифуркации типа удвоения периода свидетельствует частое проявление в спектрах климатических рядов хорошо выраженного цикла со средней дли- ной 23,7 года, часто называемого «удвоенным», или циклом Хейла. При этом хорошо известный цикл солнечных пятен в 11,86 года вы- ражен слабо или вовсе отсутствует. Вполне убедительное объясне- ние этого парадокса состоит в том, что каждые два последователь- ных цикла солнечных пятен сопровождаются одним изменением полярности магнитных полей всех солнечных пятен и других маг- нитных образований на Солнце, то есть являются лишь половинами

солнечного цикла общей длительностью в 23,7 года.

Главный цикл Солнечной системы. Многодекадные климати- ческие циклы можно связать с главным циклом Солнечной систе-