Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование цикличности климата и мониторингатмосферных процессов на территории юго-востокаЗападной Сибири

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Исследование цикличности климата и мониторингатмосферных процессов на территории юго-востокаЗападной Сибири"

РГ5 од

1 2 ГгМ

На правах рукописи

Таранюк Марина Ильинична

Исследование цикличности климата и мониторинг атмосферных процессов на территории юго-востока Западной Сибири

Специальность 11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Томск 2000

«

Работа выполнена в Томском государственном университете.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Г.О. Задде

кандидат географических наук, доцент Н.М. Алехина

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор А.В.Поздняков

кандидат географических наук В.П.Горбатенко

Ведущая организация:

Институт водных и экологических проблем СО РАН (г.Барнаул)

Защита состоится "8" июня 2000г. в 10 час. на заседании диссертационного Совета Д 063.53.09 в Томском госуниверситете (Томск - 50, пр.Ленина 36, ауд. 119)

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ТГУ. Автореферат разослан "7" мая 2000г

Отзывы на автореферат ( в 2-х экз., заверенных печатью) высылать по указанному адресу или по факсу (382-2) 415-585 ученому секретарю Совета.

Ученый секретарь

диссертационного Совета //. Н.И.Савина

оО з V &

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Климат является одной из важнейших и определяющих компонент окружающей среды. Климатические факторы -температура, осадки, солнечная радиация и другие - оказывают существенное влияние па географическое распределение природных зон, ландшафтов, экосистем. Общеизвестно, что выявление долговременных климатических и экологических изменений в регионе и их своевременный прогноз является актуальным для долгосрочной программы социально-экономического развития любого региона. Прогноз природно-климатических изменений в Западной Сибири, безусловно, относится к наиболее приоритетным направлениям научных исследований в науках о Земле. Исследование циклических колебаний климата обусловлено необходимостью составления фонового сверхдолгосрочного прогноза, так как, несмотря на определенный прогресс в области технологий, роль природно-климатического фактора в развитии отраслей природопользования остается весьма заметной.

Поскольку существует проблема предела предсказуемости при численном прогнозе погоды, необходимо вести поиск физически обоснованных связей с такими факторами, которые возможно прогнозировать на много лет вперед с большой точностью. Например -приливные силы Луны. Изменение геометрии Солнечной планетной системы, влекущее за собой изменение межпланетных физических полей и условий поступления потоков радиации и корпускулярного излучения на Землю периодично, также может быть одном из причин циклических изменений климата. В свою очередь, колебания и изменения климата могут вызвать смещение географических границ природных зон, а это может осложнить режим природопользования.

Проблеме изменения климата в глобальном масштабе посвящено большое количество работ. Цикличности климата в Западно-Сибирском

регионе посвящены работы А.П.Сляднева, В.А.Понько, на Алтае -М.В.Тронова. Увеличение длительности ряда наблюдений и явные изменения климата в последние десятилетия приводят к необходимости продолжения исследований в этом направлении не только в глобальном, но и в региональном масштабе.

Целью диссертационной работы является определение цикличности и возможных причин ее появления в циркуляции атмосферы, временном ходе температуры и осадков на территории юго-востока Западной Сибири.

Задачи исследования:

1. Изучение возможности описания цикличности климата исследуемого региона с использованием данных реперной станции;

2. Исследование и анализ цикличности в рядах температуры, осадков и форм циркуляции;

3. Определение связей между изменением внешних (космических) факторов и атмосферными процессами.

Исходный материал и методика. Для решения данных задач использовались методы корреляционного и спектрального анализа, скользящего осреднения, интегрально-разностных кривых. Исходной информацией явились ряды среднемесячных значений температуры и осадков по ряду станций юго-востока Западной Сибири, среднемесячное число дней с формами циркуляции С и Е по Г.Я. Вангенгейму за период 1891-1996 гг., данные о скорости суточного вращения Земли (1956-1986 гг.).

Научная новизна работы заключается в следующем: • выявлена цикличность для естественно-синоптических сезонов (е.с.с.) в атмосферных процессах, во временном ходе температуры и осадков па юго-востоке Западной Сибири за период 1891-1996 гг.;

• выявлены переломные точки, при прохождении которых наблюдается изменение состояния атмосферы по сравнению с предыдущими периодами;

• проведено сопоставление между фазовыми углами планет-гигантов (Юпитер, Сатурн) и годами экстремумов Солнечной актппности и впервые выявлена неоднозначная зависимость Солнечной активности от гелиоцентрического положения планет-гигантов;

• исследована зависимость между пространственным положением планет, скоростью вращения Земли и изменением атмосферной циркуляции для зимнего сезона;

• показано изменение границ сезонов года на фоне текущей циркуляционной эпохи.

Положения, выносимые на защиту

1. Цикличность во временном ходе форм циркуляции атмосферы, температуры и количества осадков.

2. Наличие переломных моментов в атмосферных процессах, обусловленное влиянием внешних факторов (положение планет-гигантов, среднегодовое изменение расстояния от Земли до Солнца).

3. Фоновый прогноз климатических тенденций с использованием данных по цикличности н переломным моментам. Практическое значение работы

• Результаты, полученные при исследовании сроков начала сезонов года в связи со сменой циркуляционных эпох, представляют интерес для ряда отраслей, прежде всего, для сельского хозяйства, поскольку оно базируется на использовании естественных почвенно-климатпческих ресурсов. Выявлено увеличение продолжительности фаз и сезонов вегетационного периода, что благоприятствует росту п развитию растений.

• Приведенные данные о цикличности климата могут быть использованы при планировании и проведении инженерно-гидрометеорологических и инженерно-экологических изысканий.

• Показана целесообразность учета цикличности климатических

колебаний на природно - технические комплексы на примере нефтегазовой промышленности.

Полученные результаты о цикличности изменения климатических параметров могут быть использованы при изучении закономерностей пространственно-временного распределения компонентов природных и техногенных ландшафтов. Результаты исследований позволяют предвидеть тенденции изменения климатической системы, и могут использоваться при планировании и организации работ по мониторингу. Апробация работы. Содержание работы и ее основные положения докладывались на Втором и Третьем Сибирском совещаниях по климато-экологическому мониторингу (г.Томск, 16.04-18.04.1997г., 21.0423.04.1999 г.); на научных конференциях'. "Гидрологические исследования в Сибири" (г.Томск, 14.11.1997 г.), посвященной 40-летию кафедры гидрологии ТГУ; "Актуальные проблемы геологии и географии Сибири " (г.Томск, 1.04-4.04, 1998 г.), посвященной 120-летию ТГУ; "Проблемы географии на рубеже 21 века" (г.Томск, 24.02-26.02.2000 г.); на научных семинарах кафедры метеорологии и климатологии ТГУ (г.Томск, 1997, 1998, 1999 гг.).

По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, насчитывающего I 12 наименований. Работа изложена на 116 стр., в ней 51 рис., 9 таблиц, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, изложены цель работы и поставленные задачи, показаны научная новизна и практическая ценность. Кратко представлено содержание работы.

В перкой главе рассмотрены состояние и проблемы исследования цикличности в атмосфере и природных процессах. Теме циклических колебаний в климате посвящено большое количество работ, поскольку изменения климата являются актуальной проблемой. Главной задачей исследования климата является определение изменений статистических свойств климатических ансамблей в зависимости от изменения климатообразующих сил. Показано, что существующее деление климатообразующих факторов является недостаточным, поскольку в их числе не учитываются внешние факторы. К внешним факторам относятся: светимость Солнца, положение и движение Земли в Солнечной системе, наклон земной оси к плоскости орбиты, скорость вращения Земли. Необходимость выделения этой группы связана с тем, что Земля, как планета, характеризуется рядом геофизических факторов: размером и массой, скоростью вращения, магнитным, гравитационным полем и др. Эти факторы испытывают непосредственные космические влияния и в свою очередь воздействуют на климатическую систему в целом или определяют условия на границе атмосфера - подстилающая поверхность.

Учет внешних факторов при исследовании изменения климата находится в соответствии с учением русских космистов К.Э. Циолковского, В.И. Вернадского, Л.И.Чижевского, согласно которым изменения определенных природных процессов рассматриваются во взаимосвязи с окружающим миром. В настоящее время в данном ключе работают представители ряда научных школ. Так, В.Д. Понько и

сотрудниками научного центра «Экопрогноз» разработан метод геокосмических аналогий. В рамках этого метода многоритмичная структура многолетних колебаний природных процессов определяется набором первичных ритмов, обусловленных внутренними свойствами Земли и периодическим вращением тел Солнечной системы. Согласно данной схеме, цикличность гидрометеорологических и связанных с ними экологических процессов является результатом совместного влияния солнечно-лунпо-плапетообусловлениых ритмов, причем избирательность земных процессов к тем или иным из этих факторов различна. C.B. Смеляковым разработана математическая модель Солнечно-планетарного синхронизма (СПС), понимаемая как алгебраическое соответствие между периодами обращения планет и циклов Солнечной активности.

Несмотря на достаточное количество работ по солнечно-земным связям, эта проблема является одной из сложнейших и запутанных в науках о Земле. Рассмотрена аргументация противников и сторонников признания солнечно-земных связей. На основании результатов исследований можно считать установленными следующие положения:

1. Наблюдается полицикличность структуры климатических колебаний. Цикличность, будучи глобальным явлением, определяет региональную структуру климатических колебаний.

2. Колебания происходят асинхронно по территории Земного шара. ; Границы районов могут сдвигаться.

3. С течением времени характер колебаний может нарушаться.

4. Доказательства реальности космически-земных связей следует искать не в прямом сопоставлении погодных процессов и Солнечной активности, а посредством выявления механизмов "геометрия космического пространства (положение планет, Луны) - солнечная активность - циркуляционные процессы - погода".

Во второй главе приводится определение понятия цикличности, представлены методы выявления цикличности, покачана репрезентативность данных станции г.Томска для проведения исследований. Цикличность следует рассматривать как свойство временного ряда, а цикл как его структурный элемент. Отдельный (элементарный) цикл характеризует изменения во времени между двумя смежными минимумами или максимумами. В графическом изображении за границы цикла приняты два смежных минимума. Выбор того пли иного способа выделения границ и фаз цикла определяется рангом исследуемой цикличности. В зависимости от периода циклические колебания подразделяются на короткопериодные (высокочастотные), среднепериодные (среднечастотные), долгопериодные (низкочастотные). Для определения циклов нами использованы следующие методы: интегрально-разностных кривых, скользящего осреднения, спектральный анализ. Скользящее осреднение представляет собой фильтр, позволяющий гасить волны коротких колебаний и выделять колебания с большой длиной волны. Построение интегрально-разностных кривых (и.р.к.) является достаточно распространенным, удобным и наглядным приемом выявления крупных циклов. В и.р. к. сглаживаются короткопериодные колебания и более четко выделяются внутривековые и вековые колебания. Главная задача спектрального анализа состоит в том, чтобы понять структуру и генезис колебаний в исходных рядах.

В умеренных широтах ярко выражен сезонный климатический ритм, который и определяет ритмику живой природы. Следовательно, изучение свойств гилрометеоэлементов по отдельным сезонам представляет больший научный п практическим интерес, чем исследование среднегодовых величин тех же элементов. При анализе сезонных показателен существенное значение имеет выбор календарных границ

сезонов. Главным здесь должно быть их соответствие естественным процессам атмосферной циркуляции. В данной работе для анализа циклов использовался естественно-синоптический сезон (е.с.е.). Это промежутки времени, для которых характерны типичные для сезонов синоптические процессы. Мы использовали, с учетом средних сроков продолжительности е.с.е., следующие границы сезонов: январь-февраль (зима), апрель-май (весна), нюнь-июль-август (лето), сентябрь-октябрь (осень), ноябрь-декабрь (предзимье).

В ряде работ показано, что регионы с примерно однородным термическим режимом могут быть представлены наиболее характерной (базовой) точкой, близко описывающей значение температуры в остальных точках региона. В качестве меры близости между значениями температуры использован парный коэффициент корреляции. Нами рассматривалась возможность описания термического режима юго-востока Западной Сибири с использованием данных по реперной станции г. Томска. Для этого были рассчитаны парные коэффициенты корреляции среднемесячной температуры воздуха между станциями Новосибирск, Александровское, Средний Васюган, Парабель, Бакчар, Новый Васюган, Тегульдет, Барабинск и станцией Томск за период 1955-1996 гг. Полученные коэффициенты от 0.8 до 0.9 являются достоверными. Анализ режима осадков показал, что репрезентативность данных станции г.Томска для временного хода среднемесячного количества осадков ограничена по площади в радиусе до 350-400 км.

Оценка достоверности полученных результатов в работе проводилась по критерию Сгыодента, а также по критерию -ц_2 (хи-квадрат).

В третьей главе исследуется цикличность во временном ходе форм циркуляции атмосферы, температуры и осадков но естественно синоптическим сезонам (е.с.с.) с использованием методов скользящего осреднения, интегрально-разностных кривых, спектрального анализа.

Для западной формы циркуляции по все сезоны линейный тренд характеризуется понижением. Полиномиальный тренд проявляет тенденцию к росту с начала 70-х годов. В структуре циклов проявлены цикл Брнкнера (30-35 лет) и 15-лстнии цикл. На рисунке I, в качестве примера, представлено 1 1-летнее скользящее осреднение формы циркуляции W для осеннею сезона. 11апболее ярко выраженным является цикл Брикнера (1911-1947, 1948-1977гг.). В структуре этого цикла отмечаются 15-летние циклы.

—■—фактический ход • А.....скользяще среднее (осень)

-Линейный (фактический ход) ----Полиномиальный (фактический ход)

Рис. 1. 1 1-летнее скользящее осреднение формы циркуляции W (осень) Восточная форма циркуляции (Е) характеризуется ростом линейного тренда для всех сезонов. Практически для всех сезонов характерна тенденция уменьшения числа дней с формой Е после 1980 года. Скользящее осреднение позволяет выделить брикнеровские и 15-летние циклы, а в ряде случаев и более высокочастотные колебания. В ходе кривой скользящего осреднения меридиональной формы циркуляции (С) можно выделить брикнеровский, двадцатилетний, пятнадцатилетний цикл, а также высокочастотные колебания, 7-8- и 5-летние циклы. Для температуры отмечается рост линейного тренда во все сезоны, наиболее заметный рост отмечается зимой и в предзимье. Выявлены брикнеровский цикл, а также 15-летний. На рис.2, представлено 11-летнее скользящее осреднение температуры для осеннего сезона.

—-—фактический ход • 4 скользяшре среднее (осень) -Линейный (фактический ход) —-- Полиномиальный (фактический ход)

Рис.2. Скользящее 11 -летнее осреднение температуры (осень)

На кривой выделяются брикнеровский (1916-1944, 1945-1978 гг.) и 15-летние циклы (1916-1930, 1931-1944, 1965-1978,1979-1996 гг.).

Проведенные исследования показали, что осадки практически во все сезоны характеризуются понижением линейного тренда. На кривых скользящего осреднения видно, что в последнее десятилетие идет рост количества осадков, за исключением весеннего сезона. Интерес для исследования представляет глубокий минимум с начала 30-х до 60-х годов для зимних месяцев. В структуре циклов выделяются брикнеровский цикл, проявился двадцатилетний цикл для летнего и весеннего периода, также проявлены 15-летние циклы. На рис.3, представлено скользящее II-летнее осреднение количества осадков для летнего сезона. На кривой скользящего осреднения отмечаются как 30-летние, так и 20-летние циклы, с минимумом в 1933, 1967 и 1984гг.

В результате анализа интегрально-разностных кривых (и.р.к.) форм циркуляции, температуры и осадков можно сделать вывод о наличии циклов: векового, брикнеровского (30-35 лет), 11-15-летних, 5-летних циклов. На рис.4. представлена и.р.к. температуры для предзимья.

Для предзимья максимум температуры отмечен в середине 30-х годов, минимум в конце 60-х годов, далее наблюдается рост кривой. На кривой

хорошо выделяются короткопериодные квазидесятплетние.

циклы, п частности,

фактический ход к скользяиэе среднее (лето) Линейный (фактический ход) ----Полиномиальный (фактический ход)

Рис.3.Скользящее 11-летнее осреднение количества осадков (лето)

10,0

—интегрально-разностная кривая температуры (предзимье) Рис.4. Ишсгралмю-ралюсшая кривая темперагуры (предзимье)

Проведенный спектральным анализ показал, что брикнеровский цикл ярко выражен во все сезоны года, кроме предзимья. Для формы I: этот цикл отчетливо проявляется в теплый период года. Цикл 26.5 лет

проявляется в ходе температуры и форм циркуляции. Квазндвадцатилетнпй цикл выражен в ходе температуры - зимой и осенью, и осадков - зимой. Квазипятнадцатилетняя цикличность хорошо проявляется для зимы, весны и предзимья в ходе формы Е. 11-летний цикл проявлен в ходе температуры зимой, летом и осенью. В предзимье и зиму хорошо выражены 8-9 летние циклы в осадках и формах циркуляции. Квазипятилетние циклы выявлены в ходе форм циркуляции, температуры и осадков. Кроме того, следует отметить, что в предзимье преобладают высокочастотные колебания.

В четвертой главе рассматривается влияние положения планет-гигантов на Солнечную активность, на скорость вращения Земли и, соответственно, на циркуляцию атмосферы. Ряд исследователей (Мерс X., Шламмингер J1.) указывает на наличие взаимосвязи между изменением положения планет Солнечной системы и Солнечной активностью. Поскольку фазовые углы планет наблюдаются с определенной периодичностью, то мы считаем, что вероятные механизмы циклических колебаний климата следует искать исходя из указанных зависимостей. Мы рассмотрели взаимосвязь между движением планет-гигантов (Юпитера и Сатурна) и годами экстремумов Солнечной активности (в качестве показателей активности Солнца). Для оценки связи Солнечной активности с положением крупных планет Солнечной системы нами составлена таблица (табл.1.), в которой сопоставлены экстремумы Солнечной активности (ши, max) и фазовые углы планет Сатурна и Юпитера (0°, 90°, 180°, 270") относительно Солнца.

Из анализа данной таблицы следует, что экстремумы Солнечной активности близки к рассматриваемым положениям планет, в 85% случаев они отличаются не более чем на 1-2 года. Эта разница может

быть связана с различной скоростью движения планет на определенных участках эллиптических орбит.

Таблица 1.Фазовые углы Сатурна, Юпитера и экстремумы Солнечной активности

0й 90" 180" 270"

min max min max

1801 ¡798 1806 1804 1811 ¡810 1816 1816

1821 18221823 1826 1830 1831 1833 1936 ¡837

1841 ¡843 1846 1848 1851 -

max min max min

;:. 1856 ¡856

1861 1860jit 1866 1867 1871 ¡870 1876 ¡878

* -к/ -:

1881 1883 1886 1888 1891 1893 1896 -

min max min max

1901 1901 1906 1907 1911 1912 1916 ¡917

1921 1923 1926 1927 1931 ¡933 1936 ¡937

- ., 4 - V - .

1941 1944 1946 ¡947 1951 1954 1956 ¡958

1961 -

max min max min

1966 1964 1971 1970 k-. 1976 1976

1981 1980 1986 1986 1991 1990,: 1996 1996

2001 ¿2000 2006 &2005 2011 2016

Кроме этого, из таблицы 1 видно, что угловое расстояние 90° планеты проходят за 5 лег, угловое расстояние 180й они проходят за 10 лет и возвращаются в исходное положение через 20 лет. В геофизических явлениях, в изменчивости метеорологических параметров, известны циклы, близкие к названным: квазипятилетние, одиннадцатилетние, двадцатидвухлетпие. В частности, на юго-востоке Западной Сибири, как было показано в главе 3, прослеживаются аналогичные циклы в ходе температуры, количества осадков, форм циркуляции. Таким образом,

достаточно тесная связь между фазовыми углами планет и экстремумами Солнечной активности указывает на то, что спектр Солнечной активности в определенной мере обусловлен периодическими изменениями гравитационного поля, которые связаны с орбитальными движениями планет. Интерес представляет положение Земли относительно Солнца в годы, соответствующие соединению и противостоянию планет-гигантов. Так, годы наибольшего удаления Земли от Солнца соответствуют периодам соединений (1901,1921,1941,1961,1981 гг.) Юпитера и Сатурна. А в периоды их противостояния Земля находится ближе всего к Солнцу.

Кроме перечисленных циклов, в таблице 1 можно обнаружить циклы более высокого порядка. За период с 1798 по 1996 год три раза произошла смена знака связи экстремумов Солнечной активности относительно фазовых углов планет. То есть, если минимум Солнечной

активности в период с 1798 по 1848 гг. приходился на 0° и 180°, а

максимум на 90° и 270°, то с 1856 г. обнаруживается противоположная

связь, то есть на 0° и 180° теперь приходится максимум Солнечной

активности, а на 90° и 270° - минимум. Спустя 45 лет связь восстанавливается, а с 1966 г. (через 65 лет) снова меняется на противоположную. Причем, перед каждой сменой знака ветвь спада Солнечной активности растягивалась на 7-11 лет, между тем в среднем ветвь спада имеет продолжительность 5-6 лет. Так, максимум Солнечной активности 1787 г. сменился на минимум через II лет; в 1798 г., максимум 1848 г. сменился на минимум через 8 лет, в 1856 г.; максимум 1893 г. сменился на минимум через 7 лет в 1901 г.; максимум 1957 г. сменился на минимум через 7 лет, в 1964 г.

В работах Мерса Х.Т. и Шламмишера J1. показано, что пик числа солнечных пятен наблюдается вскоре после того, как угловое расстояние

между Юпитером и Сатурном составляет 90° и 270°. В результате наших

исследований, охватывающих период с 1798 по 1996 год, получено, что

максимум числа солнечных пятен приходится на 90° и 270° в периоды с 1798 по 1856 гг. не 1901 по 1964 гг., а в периоды 1856-1901 гг. и с 1964 г. - по настоящее время на эти угловые расстояния приходится минимум Солнечной активности. Следовательно, можно говорить о неоднозначной зависимости Солнечной активности от гелиоцентрического положения планет.

Чтобы понять причину смены знаков связи, мы обратились к теории циклов Ю.Н. Соколова. Геометрия цикла напоминает ленту Мебиуса. Точки соединения представляют особые временные точки, при прохождении которых изменяется состояние системы по сравнению с предыдущим периодом. Геометрия двух вековых циклов представлена на рис.5. Переломными точками (см. табл.1) являются годы 1798,1856,1901,1964 и ожидаемый 2005 г. Рассматриваемый период включает два вековых цикла Солнечной активности, продолжительностью 103 и 104 года.

Нис.з. /(на вековых никла солнечном активности В вековой цикличности Солнечной активности отмечается асимметрия активности полушарий. Так, на подъеме вековой Солнечной активности более активно северное полушарие (с.п. +), а на спаде -южное полушарие (ю.п. -) Солнца. Солнечно-земные связи меняются при переходе из одного цикла кольца в другой. Возможно, в этом кроется причина неоднозначности солнечно-земных связей, переломных моментов в атмосферных процессах и формировании природных вековых

и внутрпвековых циклов. Рассмотрим более подробно последний вековой цикл (1901-2005 гг.). Круго -спираль этого цикла можно представить в виде синусоиды (рис.6.) и проанализировать на ее фоне происходящие в атмосфере изменения.

1933

+г с+е

-и 1901 1964\ С /2005

Рис.6. Изменение сил взаимодействия в вековом цикле Точки, соответствующие годам 1901, 1964, 2005 (рис.6.), лежат на линии условного нуля и свидетельствуют об изменении знака взаимодействия двух систем. Кроме этого, можно назвать еще две важные точки, соответствующие вершинам синусоиды. Это, с учетом минимумов Солнечной активности, 1933 и 1984 годы. Итак, мы получили пять переломных точек, которые совпадают с минимумом солнечной активности и четыре временных отрезка: 1901-1933, 1934—1964, 1965-1984, 1984-2005 гг., которые равны трем или двум одиннадцатилетним циклам Солнечной активности.

Правомочность разбиения исследуемого векового цикла на 4 временных отрезка подтверждается проверкой значимости по критерию Стыодента (р=0.05) повторяемости форм атмосферной циркуляции по е.с.с. Так, для западной формы циркуляции, для всех сезонов, кроме предзимья, вероятность того, что различия в повторяемости в период 1934-1964 гг. и 1965-1984 гг., а также в 1965-1984 гг. и 1985-1996 гг., являются неслучайными, составляет 95%. Для восточной формы циркуляции различия в повторяемости являются значимыми для всех сезонов, кроме предзимья в периоды 1934-1964 гг. и 1965-1984 гг.

Следовательно, обнаруженные переломные моменты в цикле Солнечной активности и свидетельствующие об изменениях знака связи, нашли свое подтверждение в смене циркуляционных эпох вблизи

указанных временных точек. Также переломные моменты выявлены во временном ходе температуры п осадков (рис.З, 4). Таким образом, информация о переломных моментах подтверждается имеющимися наблюдениями, и может быть использована для разработки новых методик при составлении долгосрочных прогнозов. В синоптической практике известно много случаев, когда хорошие прогностические связи со временем нарушались и прогнозы по той или иной методике значительно ухудшались в какой-то период. Возможно, это связано с наличием переломных моментов в глобальных процессах.

В качестве примера, показывающего влияние внешних факторов на состояние атмосферы, мы рассмотрели взаимосвязь между скоростью вращения Земли, изменением атмосферной циркуляции и пространственным положением планет. Для этого был проведен корреляционный анализ среднемесячного момента импульса зональных ветров 5h (8h вычисляется по астрономическим данным о скорости суточного вращения Земли) н среднемесячного числа дней с формами циркуляции W и Е по Г.Я. Вангенгейму в годы, соответствующие угловым положениям Юпитера и Сатурна 0°, 90°, 180° и 270°. Была проведена оценка значимости коэффициентов корреляции по критерию Стьюдента (Р=0.1). Интерес представляют результаты, полученные для зимнего сезона (табл.2.).

Таблица 2. Коэффициенты корреляции между формами циркуляции W, Е и скоростью вращения Земли

Форма 1956 1962- 1967- 1972- 1977- 1982-

цирку -1961 1966 1971 1976 1981 1986

ляции 8h 5h 5h 8h 8h Sh

W 0.44 н 0.76 д 0.73 д 0.2 н 0.6 н 0.46 н

Е -0.62 д -0.33 н -0.3 н -0.63 д -0.95 д -0.74 д

Анализ полученных коэффициентов корреляции показал, что для периода 1962-1971 гг. (изменение положения планет-гигантов от соединения в 1961 г. до противостояния в 1971 г.) характерно наличие достоверной прямой связи между западной формой циркуляции и

скоростью суточного вращения Земли, коэффициент корреляции 0.730.76. Этот период (1962-1971гг.) по данным Н.С. Сидоренкова характеризуется заметным замедлением скорости вращения Земли. Из закона сохранения импульса для замкнутых систем (относительно системы атмосфера- Земля) следует, что когда в атмосфере растет момент импульса (усиливаются западные или ослабевают восточные ветры), то вращение Земли замедляется и наоборот. Т.е., период 1962-1971 гг. характеризуется уменьшением удаленности Земли относительно Солнца, замедлением скорости вращения Земли, и наличием прямой зависимости между скоростью вращения Земли и зональной циркуляцией. Для периодов 1956-1961 гг. и 1972-1986гг. отмечается достоверная обратная связь между формой Е и 511, коэффициент корреляции от 0.6 до 0.95. В указанные отрезки времени (1956-1961 и 1973-1988гг.) отмечено ускорение вращения Земли. Таким образом, для зимнего сезона достаточно ярко прослеживается связь между внешними факторами, скоростью вращения Земли и атмосферной циркуляцией. Значит, полученные закономерности могут быть использованы при составлении долгосрочного прогноза.

В пятой главе рассматривается влияние цикличности климатических характеристик на изменение границ сезонов года. Обсуждается возможное использование цикличности в нефтегазовой отрасли, представлен фоновый прогноз климатических тенденций.

Климатические характеристики можно рассматривать как ресурсные для любого исследуемого региона. Годовой ход климатического режима оказывает воздействие на различные компоненты геокомплексов: на воду, почву, растительный и животный мир и на различные процессы, совершающиеся в них. Поскольку циркуляция атмосферы является . одним из главных климатообразующих факторов, то переход от одной циркуляционной эпохи к другой влечет за собой изменения в ходе метеорологических элементов. В связи с этим мы рассмотрели сроки начала и окончания сезонов года за последнее время (1995-1999 гг.), сравнили их с данными Н.В.Рутковскон (1936-1970 гг.), и получили следующие результаты. В настоящую циркуляционную эпоху наблюдается увеличение вегетационной части года и, соответственно, уменьшение холодно-снежной части годового цикла. Что касается

структурных единиц второго порядка (сезоны года), то здесь также отмечено изменение границ сезонов года, увеличение продолжительности фаз и сезонов вегетационной части года, благоприятствующее росту и развитию растений. Данные результаты интересны для многих отраслей народного хозяйства, в первую очередь для сельского хозяйства, поскольку сельскохозяйственное производство базируется главным образом на использовании естественных почвенно-климатических ресурсов, степень освоения которых далеко не полная.

Циклические колебания температуры воздуха, помимо изменения границ сезонов, влекут за собой изменения в многолетнем ходе температуры грунтов. Как следствие, изменение термического режима воздуха, почвогрунтов, увеличение вегетационной части года способствует изменению физического состояния подстилающей поверхности. Между тем, физическое состояние подстилающей поверхности является одной из важных составляющих климато-экологического мониторинга. Изменение этого состояния приводит к изменению закономерностей пространственно-временного распределения компонентов природных и техногенных ландшафтов.

В настоящее время, в действующих нормативно-методических материалах и во всех, без исключения, ТЭО (технико-экономическое обоснование) освоения нефтегазовых территорий отсутствуют разделы, посвященные анализу типичности (нетипичности) в климатическом отношении проведенных инженерных изысканий. Последние планируются и проводятся без всякого учета климатической цикличности, использование которой является одним из важных направлений оптимизации освоения территорий. Поэтому на стадии эксплуатации нефтяных и газовых объектов приходится иметь дело с природно-техническими системами, отличными по своей природной составляющей от зафиксированной при инженерных исследованиях. Следовательно, данные о цикличности климата могут быть использованы при планировании и проведении инженерно-гидрометеорологических и инженерно-экологических изысканий.

Используя полученные результаты, составлен фоновый прогноз климатических тенденций. Ожидается, что рост среднегодовой повторяемости западной формы циркуляции будет продолжаться, как

минимум до 2005г. Следует учитывать, что на среднегодовом фоне текущей циркуляционной эпохи отдельный сезон на протяжении ряда лет может идти под знаком другого типа циркуляции. Для предзимья ожидается уменьшение числа дней с восточной формой циркуляции, рост температуры и количества осадков. В зимний период намечается некоторое снижение повторяемости западной формы, и рост восточной. К 2005г. ожидается увеличение повторяемости западной формы, рост температуры и количества осадков. Для весеннего сезона с 2001г. ожидается увеличение повторяемости зональной циркуляции, и рост температуры, т.к. на 2000 г. приходится окончание циклов Брикнера и 15-летних.

В заключении представлены основные выводы работы:

1. Данные станции Томск являются репрезентативными для исследования цикличности климата по юго-востоку Западной Сибири.

2. Анализ цикличности форм атмосферной циркуляции, проведенный методом скользящего 11-летнего осреднения, выявил брикнеровские (30-35 лет) и 15-летние циклы. Скользящее осреднение температуры позволило выявить наличие брикнеровских, 15- и 5-6-летних циклов. Во временном ходе осадков выделяются брикнеровский цикл, 20-летний для лета и весны, также проявлен 11-летний цикл.

3. В результате анализа п.р.к. форм циркуляции, температуры и осадков сделан вывод о наличии следующих циклов: векового, брикнеровского, 15-летних, 11- и 5-6-летних.

4. Спектральный анализ показал, что брикнеровский цикл ярко выражен во все сезоны года, кроме предзимья. Квазипятилетние циклы выявлены в ходе форм циркуляции, температуры и осадков. Следует отметить, что в предзимье преобладают высокочастотные колебания.

5. Впервые выявлена неоднозначная зависимость Солнечной активности от гелиоцентрического положения планет Юпитер и Сатурн. Это может быть причиной неоднозначности солнечно-земных связей.

6. Выявлены переломные моменты в цикле вековой Солнечной активности. За последний вековой цикл такими точками являются 1901, 1933, 1964, 1984 гг. На примере атмосферной циркуляции показано, что изменения преобладающих форм циркуляции вблизи выявленных переломных точек носят закономерный характер.

7. Па примере зимнего сезона показана зависимость между скоростью вращения Земли, изменением атмосферной циркуляции и положением планет. Следовательно, можно говорить о нескольких гипотезах опосредованного влияния положения планет (соединение, противостояние) и Солнца на процессы в земной атмосфере:

• рассмотренные положения планет (соединение, квадратура, противостояние) оказывают влияние на Солнечную активность, отмечается изменение знака связи Солнечной активности относительно положения планет;

• в годы соединения планет (противостояния) Земля наиболее удалена (приближена) от Солнца. Изменение удаленности Земли относительно Солнца влияет на скорость вращения Земли, в связи с этим отмечаются изменения в ходе атмосферной циркуляции, а следовательно, и в ходе температуры и осадков.

Таким образом, внешние факторы могут влиять на характер долгопериодных изменений как атмосферной циркуляции, так и климата в целом.

8. Исследование атмосферной циркуляции показало, что после 1980г. наблюдается рост западной формы циркуляции. Анализ изменения границ сезонов в связи с изменением циркуляционной эпохи выявил увеличение вегетационной части года и, соответственно, уменьшение холодно-снежной части года. Также выявлено изменение сроков наступления сезонов и фаз.

9. Проведенные исследования показали, что экстраполяция цнклнчностей позволяет предвидеть систематические тенденции к изменению климата. Составлен фоновый сверхдолгосрочный прогноз, согласно которому наблюдаемое потепление, в особенности зимних месяцев, будет продолжаться на фоне роста западной формы циркуляции до переломного момента 2005г. Данная тенденция будет проявляться в е.с.с. и далее с учетом фазы брикнеровского цикла.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Тарашок М.И. Цикличность в ходе температур и осадков в зимний период в г.Томске // Второе Сибирское совещание по клпмато-экологическому мониторингу. - Томск: Изд-во Томского научного центра СО РАН, 1997 -С. 17 .

С 24)

2. Алехина Н.М., Тарашок М.И. Изменения в ходе температуры и осадков в текущем столетии //Гидрологические исследования в Сибири. Материалы научно-практич. конф., посвященной 40-летию кафедры гидрологии Томского государственного университета. -Томск: ТГУ, 1997. -С.84-85.

3. Алехина Н.М., Таранюк М.И. Влияние космических факторов на цикличность погоды // "Циклы природы и общества". Материалы пятой международной конф. -Ставрополь, 1997. 4.2. - С. I 12-114

4. Алехина Н.М., Тарашок М.И. Роль циклов в атмосферных процессах //Актуальные проблемы геологии и географии Сибири. -Томск:Изд-во Том.гос. ун-та, 1998.-Т.4. -С.99-101.

5. Тарашок М.И. ГИС "Климато-экологического мониторинга'" //Актуальные проблемы геологии и географии Сибири. -Томск: Изд-во Том.гос. ун-та, 1998.-Т.4. -С.221-222.

6. Алехина Н.М., Таранюк М.И. Космические циклы в атмосферных процессах. // "Циклы природы и общества". Материалы шестой международной конф. -Ставрополь, 1998. Ч.2.- С.79-81.

7. Таранюк М.И. Переломные моменты циркуляционных эпох // Третье Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. -Томск: Изд-во Томского научного центра СО РАН, 1999.-С.42-43.

8. Таранюк М.И. Изменения скорости вращения Земли и атмосферной циркуляции // Третье Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. -Томск: Изд-во Томского научного центра СО РАН, 1999.-С.40-42.

9. Таранюк М.И. Возможные причины переломных моментов в атмосферных процессах // "Циклы природы и общества". Материалы первой международной конф. -Ставрополь, 1999. Ч.1.- С.53-54.

10. Гендрин А.Г., Румянцева Г.Г., Таранюк М.И. Система экологического и природоресурсного мониторинга на основе ГИС-технологий //"Проблемы географии на рубеже 21 века". Материалы научной конференции 24-26февраля 2000г. - Томск, 2000г.-С. 117-119.

11. Таранюк М.И. Изменение сроков начала сезонов года в связи со сменой циркуляционных эпох // "Проблемы географии на рубеже 21 века". Материалы научной конференции 24-26февраля 2000г. -Томск, 2000г.-С.1 84-186.