Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Климатология лабы / maket-lobanov-k2.pptx
Скачиваний:
11
Добавлен:
15.03.2019
Размер:
20.87 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.А. Лобанов

ЛЕКЦИИ ПО КЛИМАТОЛОГИИ ЧАСТЬ 2

ДИНАМИКА КЛИМАТА (Книга 2)

Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области гидрометеорологии в качестве учебника для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Метеорология»

РГГМУ

Санкт-Петербург 2018

рологический университет (РГГМУ), 2018 © Лобанов В.А., 2018
© Российский государственный гидрометео-

УДК 551.51 ББК

Л68

 

Рецензент:

Н.В. Кобышева, д-р геогр. наук, проф. (Главная геофизическая

 

обсерватория им. А.И. Воейкова).

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 4. Физико-математические модели климатических изменений . . .

. . . . 97

Лекция 12. Классификация моделей. Энергобалансовые модели. . . . . . . . . .

. . . . 97

12.1. Классификация моделей . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 97

12.2. Энергобалансовые модели. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . .

105 Лекция 13. Радиационно-конвективные, объединенные модели и модели

промежуточной сложности . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 137

5.Радиационно-конвективные модели (РКМ) . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

137

6.Объединение энергобалансовых и радиационно-конвективных

 

моделей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 148

3.Модели промежуточной сложности (МПС). . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

151

Лекция 14. Модели общей циркуляции атмосферы и океана . . . . . . . . . . . . . .

. . 161

14.1. Математические модели – основа теории климата . . . . . . . . . . . . . . .

. .

161 14.2. Основные уравнения

 

 

МОЦАО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

163

 

4. Международный проект по сравнению климатических моделей . . . .

. 173

5. Климатическая модель института вычислительной математики РАН ..

.181

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

 

13.2. Combining of energy balance and radiation-convective models . . . . .

. . . .

148

13.3. Models of intermediate complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . .

 

151

Lecture 14. Models of general circulation of the atmosphere and

 

 

ocean . . . . . . . . . .

161

 

14.1. Mathematical models – the basis of the theory of climate . . . . . . . . . . .

. .

161

14.2. Basic equations

 

AOGCMs . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

 

5.

International Atmospheric Model Intercomparison Project . . . . . . . . . . . .

173

6.

Climate model of Institute of Numerical Mathematics of RAS . . . . . . . . .

181

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

Тема 3. Эмпирико-статистические модели климатических

измененийЛекция 10. Статистические модели климатических изменений

10.1. Методы идентификации климатических изменений во времени

Для того чтобы ответить на вопрос если ли климатические или какие-либо иные изменения по временном ряду, можно ограничить- ся построением самой простой модели: случайные

колебания + не- стационарность среднего значения:

(10.1)

Y t i Ycp t ,

где Y(t) – изменение климатической характеристики Y во времени t; εi – случайная составляющая; Ycp(t) – неслучайная составляющая

или функция изменения среднего значения во времени.

Модель типа (10.1) является простой и предполагает, что коле- бания процессов межгодовых и десятилетних масштабов являют- ся случайными, а сумма процессов столетнего масштаба (и других масштабов) и антропогенного воздействия проявляется в нестацио- нарности среднего значения во времени [18].

На уровне рассмотрения простых моделей проявление измене- ний климата в многолетних временных рядах может быть двух ос- новных видов: а) монотонные изменения в виде тренда или цикла; б) ступенчатые изменения, характеризующие переходы от одного стационарного состояния к другому. Эти два вида климатических изменений отражают разные физические механизмы, действующие в климатической системе Земли [12]. Трендовые и циклические из-

менения имеют место в слабо инерционной или равновесной систе- ме, которая быстро откликается на внешние воздействия.

Механизм ступенчатых изменений, или триггерный механизм, характеризует неравновесную систему, которая может компенсиро- вать внешние воздействия и сопротивляться им до тех пор, пока эти воздействия не превысят порогового значения, после чего система быстро переходит на новый, обычно также квазистационарный, уровень. Стационарный временной ряд может быть частным слу- чаем существования как равновесной, так и неравновесной систем.

7

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

начал накапливаться атмосфере,

а не только

тратиться на

химические реакции); вторая точка, соот-

ветствующая

возникновению аэробной жизни;

и верхняя точка,

с ко- торой

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;

Рис. 10.1. Два типа возможных климатических систем (слева – слабоинерционная и справа – инерционная) и иллюстративные примеры , им соответствующие

Каждая из приведенных моделей аналитически представляется следующим образом. Базовая стационарная модель характеризует- ся неизменностью во времени основных параметров ряда (среднего значения и среднего квадратического отклонения), что выражается

условиями:

 

Sr t const; t const,

(10.2)

где Sr и σ – среднее значение ряда и среднее квадратическое откло- нение; t – время.

Практическая проверка условия (10.2) осуществляется на ос- нове сравнения средних значений и дисперсий за две равные по- ловины временного ряда по критериям Стьюдента и Фишера (см. Практикум по климатологии. Ч. 1, 2011). Пример временного ряда, соответствующего стационарной модели, приведен на рис. 10.2.

Наиболее распространенной при исследовании климатических изменений в настоящее время является модель линейного тренда, которая представляет собой однофакторное регрессионное уравне-

ние климатической характеристики (Y) от времени (t):

(10.3)

Y t b1t b0,

где b1, b0 – коэффициенты уравнения регрессии, определяемые ме-

тодом наименьших квадратов (МНК).

Статистическая значимость модели линейного тренда оценивает- ся по статистической значимости коэффициента b1 или

коэффициента

9

Рис. 10.2. График среднемесячных температур воздуха в январе на метеостанции Ханты-Мансийск

корреляции R зависимости (10.3), который рассчитывается по форму- ле [5]:

n

 

i 1

 

Y

Y

 

t t

 

 

 

 

R

 

i

 

cp i

 

 

cp .

 

 

 

 

 

n

Y Y

2

n

t

t

 

 

(10.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

cp

 

 

 

i

 

 

i

 

 

 

 

 

i 1

 

cp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

Статистическая значимость R

определяется из условия R R*,

где R* – критическое значение коэффициента корреляции, опреде- ляемое по таблице при заданном числе степеней свободы (ν) и уров- не значимости (α), где ν = n – 2, n – объем ряда, α = 5 % [5, 10].

Пример модели линейного тренда, которая лучше всего соот- ветствует данным примерно с 1970 г., для ряда концентрации угле- кислого газа в атмосфере показан на рис. 10.3.

В общем случае тренд не обязательно может быть прямоли- нейным, как (10.3), а представлен любой монотонной функцией от времени.

Следующей по распространенности из класса нестационарных моделей является модель гармонических колебаний [2, 4, 8], которая включает в частном случае одну гармонику и может быть представ- лена следующим уравнением регрессии:

10

Соседние файлы в папке Климатология лабы