Министерство образования и науки Российской Федерации

УДК 551.51 ББК

Лобанов, В.А.

Лекции по климатологии. Ч. 2. Динамика климата. Кн. 2. В 2 кн.: учебник. – СПб.: РГГМУ, 2018. – 377 с.

Учебник представляет собой курс лекций по второй части дисципли- ны «Климатология», которая имеет самостоятельное название «Динамика климата» и посвящена анализу динамики факторов формирования климата, статистическому и физико-математическому моделированию, а также иссле- дованию исторических колебаний климата, современных его изменений и будущим оценкам. Весь материал разделен на пять основных тем, которые охватывают весь спектр проблем, связанных с динамикой климата от по- становки задач по его изучению и международного сотрудничества в этой области до результатов сценарных оценок будущего климата в 5-м докладе МГЭИК. Для понимания динамики факторов климата в лекциях даны базо- вые знания из других дисциплин, таких как астрономия, геофизика, химия, природопользование.

Предназначен для студентов-метеорологов высших учебных заведений, аспирантов и специалистов, интересующихся вопросами изменений климата, а также материал доступен и учащимся техникумов соответствующего про-

филя.

Lobanov, V.A.

Lectures on climatology. Part 2: Climate Dynamics. Book 2. Textbook in 2 Books. – St. Petersburg: ed. RSHU, 2018. – 377 pp.

The textbook is a series of lectures on the second part of the course «Climatol- ogy», which has an independent called «The dynamics of climate» and is devoted to the analysis of the dynamics of the factors forming the climate, statistical and physic-mathematical climate modeling, as well as the study of historical climate variability, today its changes and future estimates. All material are divided into five main themes, which cover the whole spectrum of issues related to climate dynam- ics by setting goals for its research and international cooperation in this area until the results of assessments of future climate scenarios in the 5th IPCC report. To un- derstand the dynamics of climate factors in the lectures is given a basic knowledge of other disciplines, such as astronomy, geophysics, chemistry, nature use.

The textbook is designed for students of meteorological higher education in- stitutions, graduate students and professionals interested in the issues of climate change, as well as the material is available to students of technical schools of the

corresponding profile.

ISBN 978-5-86813-455-5

Содержание

Тема 3. Эмпирико-статистические модели климатических изменений . . . . . . 7 Лекция 10. Статистические модели климатических изменений . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.Методы идентификации климатических изменений во времени. . . . . . . . 7 2.Статистическая модель внутригодовых изменений . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.Статистические пространственные модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.Статистические модели от факторов и анализ остатков. . . . . . . . . . . . . . 35 Лекция 11. Применение моделей для исследования изменений климата. . . . . . . . 45

5. Исследование динамики климата: от прошлого к настоящему . . . . . . . . 45

6.Районирование по типу климатических изменений и

статистическое пространственное моделирование на севере ЕТР . . . . . 66

3.Временные и пространственные модели изменения температуры

воздуха для территории Европы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4. Оценка региональных климатических изменений (на примере

Костромской области) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

Тема 5. Исторические колебания климата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Лекция 15. Палеоклиматология как наука о климатах прошлого . . . . . . . . . . . . .

201

15.1. Палеоклиматология: история возникновения и методы . . . . . . . . . . . . .

201 15.2. Изучение осадочных пород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 204 15.3. Биогеографические методы (ископаемые флора и фауна) . . . . . . . . . . . 208

15.4. Дендрохронология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

213 15.5. Изотопные методы исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 216 15.6. Химические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

15.7. Палеомагнитый метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

223

15.8. Комплексный и другие методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

226 9.Некоторые приложения палеоклиматических методов. . . . . . . . . . . . . . 227

10.Источники палеоклиматической информации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Лекция 16. Исторические изменения климата до четвертичного периода. . . . . . 239

16.1. Происхождение земной атмосферы и ее эволюция . . . . . . . . . . . . . . . . 239 16.2. Древний климат до фанерозоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

246 11.Климат фанерозоя до четвертичного периода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

12.Пример древнего климата: палеоклимат Арктики . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 13.Особенности палеоклиматов и их динамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Лекция 17. Исторические изменения климата от четвертичного периода . . . . . . 278 14.Общая характеристика периода и причины динамики климата . . . . . . 278 15.Последний ледниковый период и переход к голоцену . . . . . . . . . . . . . . 288

16.Математическое моделирование климата прошлого . . . . . . . . . . . . . . . 298 17.4. Климат голоцена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 17.5. Субатлантический этап климата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Лекция 18. Современный и будущий климат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 18.1. Современный климат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 18.2. Оценки будущего климата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 Приложение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

369

Content

Theme 3. Empirical-statistical models of climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Lecture 10. Statistical models of climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. Methods to identify a climatic changes over the time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2. Statistical model of intra-annual fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 10.3. Space statistical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

10.4. Statistical models of the factors and residue analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Lecture 11. Application of statistical models for the study of climate change . . . . . . .

45

3. The study of climate dynamics: from past to present . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.Regionalization according to the type of climate change and

the statistical spatial modeling in the north of European Russia . . . . . . . . . . 66

3.Temporal and spatial models of changes in air temperature

for the territory of Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4. Evaluation of regional climate change (for example of Kostroma area) . . . . 76

Theme 4. Physical and mathematical models of climate change . . . . . . . . . . . . . . 97 Lecture 12. Classification of models. Energy balance models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 12.1. Classification of the models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

12.2. Energy balance models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

105

Lecture 13. The radiation-convection models, the combined models and models

of intermediate complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

13.1. Radiation-convection models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

137

Theme 5. The historical climate fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Lecture 15. Paleoclimatology as the science about past climate . . . . . . . . . . . . . . . . 201 15.1. Paleoclimatology: history of origin and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

15.2. The study of sedimentary rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

204

15.3. Biogeographic methods (fossil flora and fauna) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 15.4. Dendrochronology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

213 15.5. Isotope research methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 15.6. Chemical methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 15.7.

9.Some applications of paleoclimatic methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 10.Sources of paleoclimatic information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Lecture 16. Historical climate change to the Quaternary period . . . . . . . . . . . . . . . . 239 16.1. The origin of the Earth’s atmosphere and its evolution . . . . . . . . . . . . . . . .

239 16.2. Ancient climate to the Phanerozoic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 246

11.The climate of the Phanerozoic to the Quaternary period . . . . . . . . . . . . . . 254

12. Example of ancient Climate: Arctic paleoclimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

272

13.Features paleoclimates and their dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Lecture 17. History of climate change in the Quaternary period . . . . . . . . . . . . . . . . 278

14.General characteristics of the period and the causes of climate dynamics . . .

278

15. The last glacial period and the transition to the Holocene . . . . . . . . . . . . . .

288

16. Mathematical modeling of past climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 17.4. The climate of the Holocene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

302

17.5. The cubatlantic stage of the climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Lecture 18. Modern and future climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

321 18.1. Modern climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

321 18.2. Estimates of future climate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

346

Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 369

В первом случае это проявление случайных внешних воздействий, во втором – период стабильного состояния, пока величина внешне- го воздействия не превысила критический порог. В данном случае нестационарность, проявляющаяся в виде тренда и в виде цикла, соответствует одной природе – равновесной. Фактически же мож- но считать, что тренд является частью цикла, так как бесконечных

трендов в природе не существует, и для нее характерны цикличе- ские колебания, что, например, отражено и в теории пульсирующей Вселенной. Ступенчатые изменения также являются проявлением циклических колебаний, но при особой функции циклов – ступенча- той, связанной с другим типом внутренней системы – инерционной. Кроме того, вид изменений зависит и от пространственного масштаба обобщения данных. Так, глобальная температура вполне может характеризоваться монотонным трендом, так как отобража- ет составляющую теплового баланса всей планеты, так же как и глобальные осадки, зависящие от роста температуры и испарения. Климатические же изменения осадков для отдельной территории больше определяются сменой типов атмосферной циркуляции, что проявляется в виде ступенчатых переходов от одного стационарно-

го состояния (типа циркуляции) к другому.

На рис. 10.1 показаны особенности климатического отклика (внутреннее состояние системы) на внешние воздействия в слабо инерционной системе (слева) и в инерционной системе (справа), а также даны примеры, иллюстрирующие эти воздействия. Слева внизу показан известный пример сопоставления колебаний приходя- щей радиации и глобальной приземной температуры, где видно хо- рошее совпадение экстремумов колебаний (см. М.И. Будыко. Климат в прошлом и будущем, 1980). Справа внизу приведен график колеба- ния концентрации кислорода в течение фанерозоя, где на начальной кривой его роста выделены три точки произошедших качественных изменений: точка Юри (кислород

кислород начал тратиться на формирование озоносферы.

В случае модели (10.1) процесс моделирования временных ря- дов включает три основные стадии:

–расчет параметров моделей;

–оценку эффективности нестационарных моделей по отноше- нию к стационарной;