ВСТУП
Проблемі зміни клімату приділяється дуже велика увага з огляду її важливості й актуальності. Коливання температури повітря, суми опадів, а також інших метеорологічних величин, мають величезний вплив на діяльність людини (сільське господарство, економіка). Клімат змінюється постійно, але в останні століття він став більш нестабільним в порівнянні з попереднім періодом, у результаті чого постало гостре питання про моніторинг, спостереженнях за тенденціями у зміні клімату.
Внесли свій внесок у розвиток цього напрямку такі вчені, як М.І. Будико, Є.С. Рубінштейн, Г.В. Вантажу, Е.Я. Ранькова, О.М. Афанасьєв. У цій галузі працюють представники Казанської школи: Ю.П. Переведенцев, М.А. Верещагін, К.М. Шанталінскій. Крім того, глобальним кліматичним змінам присвячена велика наукова література.
Мета даної роботи полягає в тому, щоб охарактеризувати візуальні методи оцінки циклічності в ході метеорологічних величин, а також познайомити споживача з деякими останніми дослідженнями ряду вчених. Завдання були сформульовані так, щоб в досить простій і стислій формі показати переваги та недоліки цих методів.
Дана робота дає зрозуміти, наскільки нині розвинулися уявлення про кліматичній системі в цілому і про її закономірності та зміни зокрема.
СУЧАСНИЙ СТАН ПРОБЛЕМИ БАГАТОРІЧНИХ КОЛИВАНЬ ТЕМПЕРАТУРИ ПОВІТРЯ
Фактори зміни клімату
Археологічні дослідження однозначно доводять, що клімат планети Земля змінювався досить різко. Для пояснення причин цього існує безліч гіпотез, які враховують астрономічні та геофізичні фактори.
К.Я. Кондратов та Є.. Борисенков прийшли до висновку, що клімат планети збережеться незмінним, якщо не зміниться відстань Землі від Сонця, орбіта Землі навколо Сонця, швидкість її руху і добового обертання і кут нахилу осі обертання Землі до площини екліптики.
На думку М.О. Френкеля, з початку 40-х рр.. минулого століття почався період загального потепління. У цей час, вплив антропогенних чинників тільки починало виявлятися, так що підвищення температури швидше носило природний характер. Однак, з 70-х рр.. природне потепління посилилося впливом діяльності людини і в підсумку стало більш значущим.
Кліматична система Землі відчуває вплив ряду факторів як зовнішніх, так і виникають у самій системі. Із зовнішніх факторів найбільш чітко виявлялися коливання прозорості атмосфери вулканогенного характеру, а з других - взаємодія океанів і льодів, а також різних частин океанів між собою. При цьому зазначені фактори накладаються один на інший, посилюючись при збігу фаз і слабшаючи при їх відмінності. [3]
Одним з найважливіших ланок у проблеми сонячно - атмосферних зв'язків є стратосфера, якій відводиться роль тригерній (спускового) елемента, що забезпечує передачу збурень в нижні шари атмосфери. У стратосфері відбувається поглинання ультрафіолетової радіації Сонця, і в періоди посилення сонячної активності тепловий баланс стратосфери істотно змінюється: збільшується її прибуткова частина, що позначається на температурному режимі і її циркуляції. Н.В. Ісмагілов виявив позитивну асинхронну зв'язок між рівнем сонячної активності в 11-річному циклі і датами весняних перебудов циркуляції.
Астрономічні фактори визначають кількість енергії випромінювання Сонця, що приходить до даної ділянки верхньої межі атмосфери за даний період часу (потік сонячної енергії, інсоляція). Цей сумарний за всіма довжинах хвиль потік на середній відстані Землі від Сонця називається сонячної постійної і дорівнює в середньому 1370 Вт/м2.
До зовнішніх факторів належать геофізичним маса і склад атмосфери, швидкість обертання Землі, розташування материків і океанів на поверхні Землі, вулканічні виверження. Швидкість обертання Землі частково визначає інтенсивність і характер циркуляції атмосфери, різні радіаційні та теплоемкостние характеристики поверхні суші та океану, впливає на радіаційний режим, теплообмін між атмосферою і поверхнею, що підстилає, на мусонні ефекти. Обриси океанів визначають напрям і характер течій, що переносять тепло з тропічної зони у високі широти. Під час великих вибухових вулканічних вивержень в стратосферу викидаються великі маси аерозолів і газів, які розсіюють і поглинають Сонця і ІК радіацію Землі та атмосфери.
Внутрішні природні чинники виникають і діють всередині якоїсь складової кліматичної системи або, зароджуючись в одній зі складових, діють на іншу. До них відносяться випромінювання і поглинання енергії атмосферою і океаном, атмосферна циркуляція, кріосфера (льодовики і підземні льоди вічної мерзлоти), біосфера, що зменшує альбедо підстильної поверхні.
Можна назвати ще кілька антропогенних факторів, що впливають на глобальний клімат, таких як: антропогенний збільшення вмісту в атмосфері газів, що створюють в ній парниковий ефект (в першу чергу СО2), острови тепла в містах і промислових зонах, господарська діяльність людини (будівництво водосховищ, зрошення земель, вирубка лісів та ін) [4]
До числа основних факторів і причин, що визначають еволюцію глобального клімату Землі автори [7] відносяться наступні:
1) Зміни потоків сонячної радіації, пов'язані зі зміною випромінювання Сонця
2) Зміни в розподілі суші і моря, що визначаються тектонікою плит, і пов'язані з цим процесами зміни орографії суші, циркуляції океану і його рівня
3) Зміни газового складу атмосфери, в першу чергу - концентрація вуглекислого газу й метану
4) Зміни планетарного альбедо
5) Зміни орбітальних параметрів Землі
6) Зміни катастрофічного характеру - земного і космічного
Огляд досліджень багаторічних коливань температури повітря
Температура повітря є одним з основних кліматичних показників. Завдяки вивченню просторової та часової мінливості температурного режиму діагностуються зміни клімату в масштабах від локального і регіонального до глобального. [7]
М.А. Верещагін, Ю.П. Переведенцев, К.М. Шанталінскій, В.Д. Тудрій, С.Ф. Батршіна і А.І. Лиса, використовуючи архів аномалій середніх річних температур повітря, створеного в університеті Східної Англії, виконали аналіз вікового ходу і міжрічної мінливості глобального приземного термічного режиму за 142 роки (1856-1997 рр.).. [2] Оцінки поточного стану клімату істотно розходяться, а число дискутованих питань з часом зростає. У зв'язку з цим зроблений аналіз був спрямований, перш за все, на отримання незалежних уточнюючих оцінок. Суть отриманих ними основних результатів полягає в наступному:
1. Бере початок з середини XIX сторіччя процес глобального потепління триває, що вже призвело до підвищення середньої глобальної температури на 0, 59 ° С. Близько 90% цієї величини пояснюється варіаціями CO2і прозорістю атмосфери.
2. Внутрівековой зміни середніх річних температур повітря на півкулях мали хвилеподібну природу і характеризувалися помітною відособленістю, що пояснюється відмінностями фізичного складу та умов функціонування кліматичної системи на півкулях. Осредненние по Північному півкулі щорічні значення середніх річних температур повітря протягом усього досліджуваного періоду незмінно перевищували їх значення для Південної півкулі; середня величина різниць середніх річних температур повітря між півкулями склала 1, 28 ° С.
Однак хвилі тепла на Південній півкулі мали більшу тривалість, а хвилі холоду були коротші, ніж на Північному півкулі при характерною їх тривалості в 25-30 років (за 142 роки зазначені різниці зменшилися майже на 0, 06 ° С)
3. Темпи потепління на Землі і в Північній півкулі в роки появ хвиль тепла неухильно зростали і, починаючи з 1970-х рр.., Досягли найбільших значень (0, 184 і 0, 229 ° С/10 років - відповідно). Останнє, мабуть, підтверджує гіпотезу про частково антропогенном характері потепління останніх десятиліть, на Південній півкулі, - навпаки, починаючи з 1950-х рр.., Проявилося помітне «відставання» темпів потепління (0, 104 ° С/10 років), було пов'язане з зростанням витрат тепла, обумовлених таненням материкового льоду і тепловим розширенням океану, більша частина маси якого перебувала тут.
4. Прискорення темпів потепління останніх років у Північній півкулі супроводжувалося потужним сплеском міжрічної мінливості середніх річних температур повітря (МІ СГТВ). У той же час в повних рядах МІ СГТВ лінійний тренд відсутній.
Були розраховані характеристики лінійного тренду (Ю. П. Переведенцев, М. А. Верещагін, К. І. Шанталінскій) [6] і, з метою придушення високочастотного кліматичного шуму, проведено згладжування рядів температури низькочастотним фільтром Поттера (L> 3 років) у ряді метеорологічних станцій, зокрема Пермі:
Аналіз результатів розрахунків дозволив зробити висновок, що спостерігається зростання значень температури в лавах середніх добових значень, а також значень температури в 00 і 12 годин на досліджуваний період. При цьому виявляється коливальний характер ходу температури.
Таким чином, регіональне прояв глобального потепління помітно позначається на структурі тимчасових рядів температури.
Було показано, що територіальний розподіл середньої місячної температури і середньоквадратичних відхилень (СКВ) особливо в холодний період (1958-1977) визначається в першу чергу географічними особливостями району - наявністю холодних поверхонь Арктики і Гренландії, теплих - Атлантики, півдня Європи і Середземномор'я. Берегова лінія сприяє формуванню контрастів в температурних полях. Північні райони відрізняються підвищеними значеннями СКО, що досягають 7, 5 ° С. Процес неоднорідний і по вертикалі: якщо поблизу земної поверхні має місце зростання температури, то у верхній тропосфері і нижній стратосфері, навпаки, падіння.
Візуальний метод Оцінка циклічності У ХОДІ метеоелементів
Метод ковзних n-річних середніх кривих
Метод вкрай суб'єктивний і результати згладжування дуже схильні до впливу довжини періоду згладжування. З одного боку при невеликих періодах не вдається виявити трендовую компоненту сильно зашумленного процесу, при великих же періодах відбуваються значні втрати даних на кінцях аналізованого інтервалу.
Ковзаюче середнє порядку L - це часовий ряд, що складається з середніх арифметичних L сусідніх значень Yi, по всіх можливих значеннях часу. В якості L вибирається непарне число, звичайно 3, 5 або 7, і ці схеми називають триточкового, пятиточечной і т.д. Для прикладу розглянемо трьохточкову схему і узагальнимо її на інші випадки.
Середнє розраховується за трьома значенням Yi, одне з яких відноситься до минулого періоду, одне - до шуканого і одне - до майбутнього. Так як для i = 1 не існує минулого значення, то в першій точці неможливо розрахувати згладжене значення. Для i = 2 згладжене значення буде середнім арифметичним Yiпрі i = 1, 2, 3; для i = 3 середнє арифметичне береться для 2-го, 3-го і 4-го значень Yi; в останній точці вихідного інтервалу ковзне середнє також неможливо розрахувати через відсутність майбутнього значення по відношенню до розраховується.
Спосіб ковзних n-річних середніх кривих (наприклад, 3 -, 5 - і 15-річних) був вперше запропонований в 1896 р. П. Шрайбер і ним же використаний для оцінки коливань деяких елементів клімату. Цей спосіб одержав дуже широке поширення стосовно аналізу багаторічного ходу і ценко циклічних коливань різних природних елементів. Тим часом стосовно його використання існують різні думки.
Є.С. Рубінштейн зазначила, що метод ковзних середніх дозволяє повністю або частково погасити хвилі порівняно коротких коливань і виявити коливання тривалістю більшою, ніж період осереднення.
В.Г. Андреянов показав, що ковзаючі n-річні середні значення чисел Вольфа дають зсув циклічних фаз у часі щодо реальних їх меж на величину, що залежить від прийнятого періоду осереднення
А.Я. Безрукова, використовуючи для оцінки вікових коливань сонячної активності ковзаючу криву 10-річних сум середньорічних чисел Вольфа, вважала, що таке осереднення практично виключає 11-річну циклічність. У результаті для вікового циклу XIXстолетія вона отримала складний і невизначений мінімум циклу, епоху якого важко встановити.
Ковзаючі середні криві дійсно є обмежувальним засобом при проведенні зазначеного аналізу. Ці криві не тільки зміщують реальні фази в циклічному процесі, але і спотворюють характер його структури. Осредненние ж на цій основі дані природних елементів знижують результати досліджень при встановленні взаємозалежностей.
У максимальних і мінімальних середньорічних значеннях температури повітря, так само як і для кордонів і фаз внутрівековой циклів, спостерігається зрушення, як правило, у бік запізнювання. Величина цього зсуву визначається в залежності від різноманітності характеру крутизни зростання і спаду в внутрівековой циклах, їх тривалості та амплітуди коливань і тим більше, ніж змінна n-річна довше оптимальної загальної тривалості цих циклів, і навпаки. Для великого зсуву кордонів характерна слабка вираженість циклів, для малого - інтенсивність розвитку процесу. Однак зі зменшенням періоду осереднення зрушення у межах і фазах зменшується і, навпаки, зі збільшенням періоду осереднення він збільшується. З цієї причини отриманий способом ковзних середніх кривих характер внутрівековой мінливості того чи іншого досліджуваного елемента не відображає реальної природного картини, а лише затушовує її.
Ось чому П.С. Костін для центральної частини Російської рівнини в ковзних 5-річних середніх кривих приросту кілець дерев знайшов 6 - 16-річні внутрівековой цикли, а в їх 15-річних середніх - 30 - і 60-річні цикли. Зауважимо, що 60-річний цикл у природних явищах не встановлено.
Застосування способу ковзної середньої кривої для аналізу внутрівековой циклічності викликає велику умовність у тих випадках, коли спостерігається вікова мінливість в елементах.
Але не можна повністю заперечувати застосування способу ковзної n-середньої. В особливо складних явищах, наприклад у циклічних коливаннях річних кілець приросту дерев, цей спосіб може бути успішно використаний. Тут цей спосіб дозволяє виключити вплив таких явищ, як віковий хід метеоелементів і різниця приросту кілець в залежності від віку дерев. Але в цьому випадку за допомогою його можна вирішити завдання в основному по виділенню лише внутрівековой циклів. При цьому слід користуватися не ковзної середньої кривої, а значеннями відхилень від цієї кривої.
Спосіб ковзаючого n-річного осереднення також застосовується при встановленні зв'язку між досліджуваними елементами, особливо коли їм властива більша амплітуда коливань на тлі головного циклічного процесу. [1]
Метод різницевої інтегральної кривої
Спосіб різницевої інтегральної кривої прямий для оцінки циклічних коливань багатьох явищ природи вперше був запропонований В.Г. Глушковим. В.Г. Андреянов вперше почав виробляти порівняльний аналіз різнорідного матеріалу на основі нормування різницевих інтегральних кривих модульних коефіцієнтів.
Позитивні значення відхилень модульних коефіцієнтів при підсумовуванні за інтервал часу дають нахил різницевої інтегральної кривої вгору відносно горизонтальної лінії, а негативні їх значення - нахил кривої вниз.
Оцінюючи циклічні коливання досліджуваних елементів на основі різницевої інтегральної кривої, слід зазначити, що в ній не враховується циклічний процес у нашому розумінні. Найбільш характерні відрізки кривої в такому процесі відповідають областям западин і вершин або найменшим і найбільшим їх значень. На різницевої ж інтегральної кривої ці положення в циклах, за рахунок підсумовування ординат в підвищених і знижених фазах, зміщуються. З цієї причини зміщуються і природні межі, які в повних циклах приймаються за найменшим значенням западин. Величина зсуву кордонів залежить від характеру структури циклічної мінливості досліджуваного елемента.
Оскільки циклічний процес принципово різний для різних взаємопов'язаних природних елементів (навіть для таких як атмосферні опади та річковий стік), внаслідок впливу підстилаючої поверхні, то величина зсуву фаз за результатами різницевої інтегральної кривої в цьому процесі виходить непорівнянної. Більш того, в умовах вікового ходу природного процесу різницева інтегральна крива призводить до неточності у визначенні підвищених і знижених фаз внутрівековой циклів, занижує або завищує їх значення, або зовсім їх не враховує. Так як середнє значення вікового циклу того чи іншого досліджуваного елемента відрізняється по знаку від середніх значень внутрівековой його циклів, то наприклад, на висхідній гілки цього циклу, на початку її розвитку, підвищені фази внутрівековой циклів будуть або менш потужні, або зовсім втрачені, ніж у кінці її, і назад, для знижених фаз цих циклів. Очевидно, що на низхідній гілці вікового циклу підвищені та знижені фази циклів будуть мати зворотну послідовність.
У разі сверхвекового ходу зазначені неточності будуть посилюватися в залежності величини мінливість елементу. Таким чином, обчислення ординат від середини і будує за ними різницевої інтегральної кривої не відображає дійсних умов повного циклічного процесу. [1]
ВИСНОВОК
Основні результати даної роботи полягає у наступному:
1. Описані чинники, що формують клімат і його зміни.
2. Проведено аналіз деяких наукових робіт, присвячених проблемі зміни кліматичного режиму.
3. Коротко охарактеризовано візуальні методи оцінки циклічності в ході метеоелементів, виявлено їх позитивні і негативні сторони.
4. Показано важливість, значимість даного напрямку в метеорології.
Отримані результати не є остаточними, з плином часу вони можуть доповнюватися, змінюватися, коригуватися. Надалі має сенс провести більш детальне вивчення цього питання, доцільно буде включити думки інших авторів наукових праць, присвячених проблемам кліматичних змін.
Список літератури
1. Афанасьєв А. Коливання гідрометеорологічного режиму на території СРСР. М.: Наука, 1967. 423 с.
2. Верещагін М. А., Переведенцев Ю.П.,. Шанталінскій К.М, Тудрій В.Д., Батршіна С.Ф., Лиса О.І. Про деякі результати вивчення вікового ходу і міжрічної мінливості глобального термічного режиму в другій половині XIX-го і в XX-му столітті / / Метеорологія на рубежі століть: підсумки та перспективи розвитку. Тез. докл. Всерос. наук. конф. Перм, 2000. С. 33-34.
3. Дроздов О.А. Арапов П.П., Лугіна К.М., Мосолова Г.І. Про особливості клімату при потеплениях останніх століть / / Тез. докл. Всерос. наук. конф. Казань, 2000. С. 24-26.
4. Кароль І.Л. Введення в динаміку клімату Землі. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 215 с.
5. Мазуров Г.І., Вишнякова Т.В., Акселевіч В.І. Чи міняється клімат Землі? / / Матеріали Междун. науково-практич. конф. Перм, 2002. С. 57-60.
6. Переведенцев Ю.П., Верещагін М.А., Шанталінскій К.М. Мінливість температури повітря і швидкості вітру на сході TXHв період 1966 - 1990 рр.. / / Метеорологія на рубежі століть: підсумки та перспективи розвитку. Тез. докл. Всерос. наук. конф. Перм, 2000. С. 35-36.
7. Урманова А.Г., Наумов Е.П., Миколаїв А.А., Переведенцев Ю.П., Верещагін М.А., Шанталінскій К.М. Прояви сучасного потепління клімату Землі на території Татарстану. / / Збірник наук. праць. Казань, 1998. С. 111-132.