Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Статистическая интерпретация причин современных изменений термического режима земли и региональных климатических условий Украины

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Статистическая интерпретация причин современных изменений термического режима земли и региональных климатических условий Украины"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ НПО "ТАЙ5УН"

ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТЕОРОЛОГИИ

ТРОФИМОВА Ирина Васильевна

УДК 551.524.34-551.582/.3(477)

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ИНГЕРПГЕТАЦИЯ ПРИЧИН СОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ЗЕМЛИ И РЕГИОНАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ УКРАИНЫ

04.00.22 * геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Обнинск - 1990

Работа выполнена в Государственном ордена Трудового Красного Знамени гидрологическом институте.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук К.Я.Винникое.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Хмелевцов С.С.

кандидат физико-математических наук Гинзбург А.С.

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации - Кировой центр данных.

Защита диссертации состоится ">0 " 1990 г.

в " " часов на заседании специализированного совета К 024.07.01 в Институте экспериментальной метеорологии НПО "Тайфун".

Адрес: 249020, г.Обнинск, Калужская обл.. пр.Ленина, 62.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экспериментальной метеорологии.

Автореферат разослан Я&ЧМ'У?^ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета ^

^ Я - Корпусов В.Н.

0Б1ДА.Я ХЛРАКГЕРИСТШИ РАБОТЫ

Актуальность тайн. Вопрос о развитии глобального потепления, вызванного антропогенны!/! ростом содержания в атмосфера парниковых газов, является одним из ключевых для современной физики климата. В настоящее время достигнуты большие успехи в области моделирования влияния усиления парникового эффекта и других климатсобразущтгх факторов на глобально осредпеннуа призеру® температуру воздуха. Однако в соответствия-с модельными расчетами повышение средней годовой глобальной температуры воз,духа вследствие удвоения концентрации СО^ в атмосфере имеет очень широкий диапазон (1,5-5,5°С). В связи с этик решение проблемы обнаружения свидетельств антропогенного глобального потепления ' климата на основе анализа эмпирических данных приобретает больное значение. Результаты эмпирически исследований могут существенно уточнить модельные оценки возможных изменений климата а ближайшем будущем. Проблема обнаружения современного глобального потепления широко обсуадается во многих международных документах и монографиях, в том числа в отчете, подготовленном международншл коллективом авторов по материала!,! конкуренции ЮИЕП/Ш0/1ДСНС (Биллах, Австрия, 1985). В советской монографии "Антропогенные изменения климата" (1987), в отчете Первой рабочей группы Межправительственной комиссии по проблеме изменений климата (ЗГСС) и др. Эта проблема входит в климатические программы ряда стран и Всемирную климатическую программу. ■

В последние годы были получены новые надежные данные о глобально осредкекной приземной температуре воздуха (Ванников к др., 1930; Д-конс и др., 1966; Хансен и Лебедев, 1988). Предполагается, что целенаправленный анализ этих материалов совместно с данными об основных факторах современных изменений глобального климата позволит утопать параметры чувствительности приземной температуры воздуха -ч различным воздействиям.

Большой научный и пиитический интерес представляет вопрос о региональных проявлениях современного глобального потепления. Поскольку, в соответствии с выводами многих исследований, современные модели теории климата пока не позволяют решить зту задачу, особенно для сравнительно небольших регионов, оказывается полезным использовать подход, связанна с анализом

эмпирических данных и, в частности, данных за период инструментальных метеорологических наблюдений. Существенный вклад в развитие эмпирических исследований закономерностей пространен венного распределения элементов климата внесли М.И.Будыко, О.А.Дроздов, К.Я.Винников, П.Я.Рройсман, Н.П.Ковьгнева, X.X.Jfei Дк.Ягер, В.В.Келлог, Дк.Ы.Лаф, Т.М.Л.Вигли, Дд.Палютикоф, ®.Д Джонс, П.М.Келли и др. Исследования в этом направлении чрезвычайно актуальны для сельскохозяйственных регионов, в частност] для Украины. Предполагается, что выявление основных закономерностей изменения региональных климатических условий на территории республики в ходе современного глобального потепления может бцгь полезным при разработке сценариев изменения регионального климата в ближайшем будущем.

Цель работы. На основе современных статистических методов и наиболее надеиных сведений о глобально и зонально осреднен-ной приземной температуре воздуха за период инструментальных метеорологических наблюдений и факторах, воздействующих согла< но современным представлениям на климатш оскую систему, проверить гипотезу о роли этих факторов в формировании глобального термического ренима; оценить их относительный вклад в изменчивость средней годовой глобально'« зонально осредненной приземной температуры воздуха и оценить важнейшие параметры глобальной климатической системы. Для этого потребовалось решить следующие кодаретные задачи:

- построить экергобалансовые модели климата, описывающие поведение средней годовой глобальной и зонально осредненной приземной температуры воздуха;

- выбрать параметризации основных энергетических потоков таким образом, чтобы обе модели, с одной стороны, отражали основные физические представления о климатической системе и, с другой стороны, были достаточно простыми;

- построить статистические модели средних годовых глобальной и зональной приземных температур воздуха и рассмотреть их в качестве аналогов соответствующих энергобалансовых моделей;

- осуществить выбор и анализ временных рядов, характеризуя идее основные факторы современных изменений глобального климат£

- получить оценки параметров статистических моделей для

средне?! годовой глобально и зонально осреднение¡1 приземно (1 температуры воздуха;

- на основе параметров статистических моделей определить основные параметры климатических энергобалакеовж моделей.

Другой пачкой задачей работы являлось получение экпиричес-ких оценок возможных изменений основных элементов климата на территория УССР при развитии современного глобального потепления, для чего было необходимо:

- получить статистические оценки параметров линейной связи средней годовой приземной температуры воздуха северного полушария с региональными климатическими переменными;

- выявить пространственные закономерности изменения полей норм средних сезонных и годовых значений приземной температуры воздуха и количества атмосферных осадков для территории Украины, связанные с процессом современного глобального потепления.

Методическая основа. В основе исследования лежит использование простой экергобалансовой «одели климата и ее статистического аз залога. Оценки параметров климатических моделей получены с использованием современных методов построения статистических моделей систем по результатам наблюдений,

: Оценки региональных.изменений климата на территории УССР, сопровождающих процесс глобального потепления, получены на основе применения нескольких независимых методов анализа эмпирических данные.

Научная новизна. Целый ряд результатов получен впервые:

1. Показано, что нестационарные авторегрессионные модели временных рядов средней годовой глобально и зонально осредленной приземной температуры воздуха мэгут служить статистическими

аналогами простых энергобалансовьк мзде лей климата. Это дает возможность получить эмпирические оценки важнейших параметров глобальной климатической системы.

2. По сравнении с предыдущими исследованиями такого характера (Ванников, Гройсман, 1981, 1982) в данной постановке удалось учесть влияние дополнительного притока теши за счет антропогенного роста концентрации малых газовых составлявших, а также влияние процесса Эль-Нияьо/Сжное колебание на средныэ Годовую глобально и зонально осредненнуп приземную температуру

воздуха. При этом были использованы новые, более надежные данные о глобальной и зональной температуре воздуха.

3. Етсрвые эмпирическим путем получена оценка параметра чувствительности длинноволнового уходящего излучения к удвоего: "эквивалентной" концентрации С0£ в атмосфере, которая оказаяас близкой к теоретической оценке.

4. Па основе использования большого объема тщательно подго товленкой информация об атмосферных осадках и приземной температуре воздуха для территории УССР и новых данных о средней годовой приземной температуре воздуха северного полушария существенно уточнены эмпирические оценки изменения полей средних годовых и сезонных значений норм атмосферных осадков и температуры боз,чуха на Украине при глобальном потеплении небольшого масштаба.

Практическая ценность. Полученные в работе эмпирические оценки параметров глобальной климатической системы и оценки региональных изменений приземной температуры воздуха и количества атмосферных осадков на Украяно, сопровождающих процесс глобального потепления, могут быть попользованы при разработке прогнозов климатических условий будущего.

Материалы диссертации включены в научные отчеты по темам плана -НИ? Госкомгедромета СССР:

- "Оценить возможные изменения климата под влиянием антропогенных воздействий на период до 2010 г. и на XXI столетие,

их влияние на водные ресурсы, биосферу и хозяйственную деятельность человека" (}« Гос. регистрации 01.Ш.0065444 );

- "Выявить закономерности современных изменений климата и рекитла увлажнения территории СССР" (№ Гос. регистрация 01.86.0039503);

- "Дать комплексную оценку возможных антропогенных изменений климата на Украине и их последствий" Гос. регистрации 01.84.0059049);

-"Исследовать простралственно-времоннке закономерности засушливых условий и условий избыточного увлажнения на Украине" {}!■ Гос. регистрами 01.86.0106323).

Основные положения, рнносимые на защиту:

I, Усовершенствованная методика эмпирического анализа лри-

r.iH современных изменений глобального климата, основанная на юстроении энергобалансовоЯ модели климатической системы и соответствующей ей статистической модели.

2. Еыводы об относительной роли и значимости важнейших факторов, обычно рассматриваемых its.it пршпшы современник изменений климата» и эмпирические оценки чувствительности характеристик глобального и зонального термического ражила к воздействию этих факторов.

3. Новое доказательство антропогенной природы современного глобального потепления, основанное ¡га совпадении полученной эмпирически статистически значимой оценки параметра чувстзи-телыюсти длинноволнового уходящего излучения к изменению содержания эквивалентного количества СО^ а атмосфере с его оценками по моделям теории климата.

4. Уточненные эмпирические оценки связи изменения региональных климатических условий Украины с процессом современного глобального потепления.

Апробация работы и. публикации. Результаты работы били доложены на У1 совещании по применен:® статистических методов в метеорологи;» (Светлогорск, 1990), на. S Всесоюзном симпозиуме "■Физические аспекты теории климата" (Обнинск, 1987), на конференции молодых ученых и специалистов ГГИ (Ленинград, 1990), а также на семинаре Отдела исследования изменений климата и зла-госборота в атмосфере (1987, 1989, 1990), на семинаре Отдела мониторинга природной среды я климата УкрНИГМИ (1936, 1987).

Основные'материалы диссертации опубликованы в четырех статьях.автора.

Структура и обгем работы. Диссертация состоят из введения, четырех глаз к заключения. Объем работы 164 страницы машинописного текста, в том едоке 23 рисунка и 19 таблиц.■Список литературы содержит I7G (^именований,

содержание раво-ш

В первой главе, дан краткий обзор современного состояния проблемы. Современные представления, основанные на теоретических исследованиях и нЗ результатах эмпирического анализа,предполагают в качестве основных причин современных изменений

глобального термического режима Земли естественные факторы -колебания замутненности атмосферы, связанные с вулканической деятельностью, и вариации солнечного излучения, приходящего на знешшв границ атмосферы; в антропогенный фактор - изменение содержания в атмосфере углекислого газа и других радиационно-активньк газов, усиливающих парниковый эффект. К этим факторам ш'огда добавляют явление Эль-Ниньо/Пжное колебание, которое, не являясь внешним климатообразующиы фактором, по-видимому, ответственно за часть естественной изменчивости характеристик глобального термического рекима Земли. Другие факторы обычно рассматриваются как менее существенные.

Из указанных факторов наиболее полно изучены воздействия на глобачьный терыическгй режим Земли колебаний вулканической деятельности н изменения содержания углекислого газа в атмосфере.

Влияние малых газовых составлявших, к которым в пергую очередь относятся метан, хлорфгоруглеводороды, окислы азота и тропосферный озон, в выполненных до настоящего времени эширичзс-ких исследованиях или не учитывалось или учитывалось недостаточно полно. Имеющиеся попытки учесть влияние процесса Эль-Ниньо/Юкное колебание показал*! принципиальное значение этого фактора, однако, его роль часто завышается, т.к. не учитывается его корреляция с колебаниями термического режима, вызываемыми вулканической деятельностью.

Вопросу о возможном влиянии колебаний солнечной постоянной на климат посвящено большое количество исследований, выводы которых не являются бесспорными. Появление экспериментальных . спутниковых данных об изменении солнечного излучения и эмпирических доказательств связи его вариаций с показателями солнечной активности заставляет еще раз вернуться к изучению этой проблемы.

Общим недостатком ранее выполненных эмпирических исследований причин современных изменений климата является также отсутствие корректного учета процессов энергообмена между поверхностными и более глубокими слоями океана.

Сравнение методов, применяемых для изучения причин современных изменений климата, показывает, что наиболее эффективными оказываются подходы, основанные на использовании энергобалансовых моделей. Однако, в этом случае результаты во многом

зависят от параметризаций основных энергетических потоков в климатической системе и от принятых гипотез относительно параметров модели. Использование же чисто статистических методов не позволяет выявить физическую сущность процессов, происходящих в климатической системе.

Анализ показывает, что одним из перспективных направлений в области исследования закономерностей современных иэмег-чмй климата является применение статистических аналогов физических моделей. Возникновение в последние годы методологии построения статистических моделей систем и процессов по результатам наблюдений (Маленво, 1976; Кашьяп и Pao, 1983; Поляк, Х98Э), создание надежных архивов данных об основных характеристиках глобального термического режима и факторах, существенно влияющих на климат, позголяят на новой основе решать целый ряд задач. Среди них - эмпирическое исследование свойств глобальной климатической системы, уточнение оценок параметров чувствительности глобального климата к тем или иным факторам, выяснение роли различных факторов в современных: изменениях климата.. итим вопросам посвящены вторая и третья главы диссертации.

В области исследования региональных проявлений современного глобального потепления, особенно при детальном изучении закономерностей изменений климатических характеристик сравнительно небольших регионов, модели теории климата малоэффективны. Поэтому для конкретных регионов оказывается полезным проводить эмпирический анализ данных, накоплении за период инструментальных наблюдений. Реализация такого подхода при исследовании закономерностей современных изменений климата на территории УССР осуществлена в четвертой главе диссертации.

Во второй глава дана характеристика эмпирической базы исследования изменений глобального термического режима, описана энергобалансовая модель климатической системы и ее статистический аналог, приведена методика оценивания параметров статистической модели.

При исследовании причин современных изменений климата особую роль играет определение показателя, характеризующего состояние глобальной климатической системы. В работах М.И.Будако, Дк.Р.Порта и др. наиболее простой и эффективной характеристикой

крупномасштабного изменения климата признана средняя для земного шара приземная температура воздуха.

В настоящем исследовании используотся новые наиб', гее надежные данные о глобально осредненной средней годовой приземной температуре воздуха за период продолжительностью 108 лет (1881-1988 гг.), полученше независимо в работах $.Д.Дконса и др. (1986), Дк.Ханса и С.Лебедеффа (1387), К.Я.Винникова, П.Я. Гройсмана, "'.'.!.Лугиной (1990). Кроме того, объектом исследования являются временные ряды средней годовой приземной температуры воздуха для пяти 30-градусных широтных зон: 60-90° с.ш., 30-60° с.ш., 0-30° с.ш., 0-30° ю.ш., 30-60° а.ш. Зона 60-90° %.ш. также принималась во вншание, однако, из-за короткого периода наблюдений (1957-1988 гг.) получение эмпирических оценок чувствительности термического режима указанной зоны к основным факторам изменения климата оказалось затруднительным. Данные по зональным температурам воздуха взяты из работы К.Я.Винникова и др. Ш90).

Осуществлен выбор временных радов, характеризующих основные факторы современных климатических изменений:

- В качестве показателя вулканической деятельности используется индекс вулканической запыленности атмосферы Лэма (£>У7) ; что обусловлено наличием продолжительных временных рядов этого ивдекса как для северного, так п для южного полушарий.

- Учитывая, что парниковый эффект, вызываемый углекислым газом,изучен наиболее полно, представилось целесообразным использовать значений "эквивалентных" концентраций СО^, т.е. вклад малых газовых составляющих атмосферы в общее потепление выражался через эквивалентную добавку к концентрации углекислого газа. Временной ряд значений "эквивалентной" концентрации СО2 был получен К.И.Селяковым (1989) с использованием данных работы Д.Д*.Уэбблса (1984) и материалов монографии "Антропогенные изменения климата" (1987).

- Процесс Эль-Няньо/Ьжное колебание характеризуется временным радом индекса. (Ропелевски и Дюне, 1987), представляющего собой разность нормализованных давлений на ст.Таити и ст.Дарвин. Анализ спектральной функции ряда указанного ивдекса показал, что эта функция не выходит за 99^-ный доверительный интервал теоретической спектральной функции белого шума.

- 3 работе используется временной рад, характеризующий солнечную активность. Это - средние месячные данные относительных чисел Вольфа. Проверка гипотезы о влиянии на глобальный термический режим колебании солнечной постоянной была вызвана появлением работы Р.Уилсона и д.С.Хадсона (1988), где на основе данных спутников!« измерений били выведены количественные зависимости солнечной постоянной от некоторых показателей солнечной активности, в частности, чисел Вольфа.

Основная идея исследования связана с построением простой энергобаланса вой модели климатической системы, определения статистического аналога этой «дели и оценивания параметров статистической модели с привлечением соответствующих временных рядов.

Рассмотрим нестационарную модель энергетического баланса системы земля-ат».юсфера для ¿-той широтной зоны земного шара:

Ri TàJ'rdr^-LlT^-Fo^nhkiEH), < I)

где t. - номер широтной зоны; Ri - эффективная теплоемкость, определяемая для каждой широтной зоны как среднее взвеаенное значение теплоемкостей систем верхний квазиоднородный слой океана-атмосфера и континент-атмосфера; ТС ~ средняя годовая зонально осредненная приземная температура воздуха; 7# - средняя годовая глобально осредненная приземная температура воздуха; $i(t) ~ поток солнечного излучения на внешней границе атмосферы; ¿<i(P(t)y 7}) - зональное альбедо системы земля-атмосфера; Pli) - характеристика содержания в стратосфере вулканического аэроЕо -.'я; Fi, (Тс, GjLt)) - длинноволновое уходящее излучение; (j^t) - вызванное изменением концентрации парниковых газов изменение потока длинноволнового уходящего излучения;

UTit%) - меридиональный перенос тепла воздушными и океаническими течениями; F0.(7}) - функционал от температуры, определяющий суммарное влияние на энергетический баланс всех обратных связей климатической системы, а такие поток тепла из верхнего квазиоднородного слоя в глубокий океан; ксЕШ - колебания притока энергии к системе в результате воздействия процесса Эль-Ниньо/Ъжное колебание; предполагается, что этот приток пропорционален соответствующему индексу, а в среднем за достаточно длительный интервал времени равен нулю.

Используются следующие параметризации:

1) По аналогии с работой Р.Уилсона и Х.С.Хадсона (1988) предполагается, что флуктуации солнечной постоянной линейно связаны с числами Вольфа.

2) Выражение для альбедо взято из работы К.Я.Винникова и П.Я.Гройсмана (1981) и содержит параметры чувствительности альбедо к изменению содержания в стратосфере вулканического аэрозоля и средней температуры воздуха. '

3) Уходящее тепловое излучение принято на основе параметризации М.И.Будыко с учетом дополнительного поглощения длишюволновой радиации в тропосфере за счет парникового эффекта: .

от/гг&м*^ -ад, (2)

где (¡1 > т.е. принята гипотеза о логарифмичес-

кой зависимости измензния потока длинноволнового излучения от "гжвивалентной" концентрации СО2 -СШ. В(2) А, В н Со -константы.

4) Выражение для описания меридионального потока тепла принято согласно параметризации Ц.И.Будыко:

Ц(П, Т.)-)[(П-т*)> (3)

где ^ - коэффициент, определяемый по данным о средних многолетних значениях зональных приземных температур воздуха и радиационном балансе системы земля-атмосфера.

5) Предполагается, что изменения потока энергии ¡~в. при отклонении температуры Тс от ее среднего за достаточно продолжительный период времени значения пропорциональны этому отклонению.

С учетом всех этих параметризаций уравнение модели (I) представляет собой систему обыкновенных линейных неоднородных дифференциальных уравнений. После вычитания из (I) уравнения для срздних его можно рассматривать применительно к флуктуаци-ям температуры.

Располагая перечисленными выше временными рядами температуры воздуха и действующих факторов, можно построить авторегрессионную модель, которая будет по сути являться аппроксимацией рядов температуры системой линейных дифференциальных уравнений, а именно, простейшей разностной схемой решения этой системы.

Таким образом, энергобалансовую модель для глобально осред-iHHoro климата оказалось возможным представить в виде разност-ift схемы, соответствующей нестационарной авторегрессионной дели первого порядна. Для зонально осредненной приземной ■мпературы воздуха построение системы авторегрессионных урав-(ний существенно упрощается, поскольку можно считать, что >зф$ициенты, связанные с параметром меридионального теплооб-;на у известны априори.

Оценивание параметров авторегрессионных уравнений глобально зонально осредненной приземной температуры воздуха осущест-шется по методу наименьших квадратов, что убедительно обосно-шо в современной литературе, посвященной вопросам математи-зской статистики.

В третьей глапе приведены и проанализированы оценки пара-гтров статистических моделей средней годовой глобально и so-шьно осредненной приземной температуры воздуха. Оценен вклад [•дельных факторов в дисперсию рядов средней годовой приземной змпературы воздуха.

IIa основе оценок параметров авторегрессионных моделей для редней годовой глобально и зонально осредненной приземной тем-ературы ьоздуха определены значения параметров соответствую-их моделей энергетического баланса.

Оценки параметров автсрегрессионной модели для средней го-овой глобально осредненной приземной температуры воздуха, ос-ованные на использовании трех независимых рядов (Ванников и р., 1990, Джонс и др., 1985; Хансен и Лебедефф, 1988), обнару-ивают хорошее согласование меуду собой. Коэффициенты корреля-

между исходными рядами и рядами, рассчитанными с помощью помянутой статистической модели, равные 0,85-0,87, свидетель-¡твуат о том, что в рамках простой авторегрессионной модели ¡овместным влиянием принимаемых во внимание факторов удалось шисать ~ 75? дисперсии эмпирических радов. За исключением па->аметра чувствительности к изменении числа солнечных пятен, ice остальные оценки коэффициентов статистической модели окаэа-шсь значимыми на 955Ь-но^ уровне.

Флуктуациями солнечной постоянной, связанными с изменением мела солнечных пятен, описывается не более 1% средней годовой глобально осредненной температуры воздуха. Ростом концентрации

СС£ объясняется 40% общей дисперсии. Коррелированы ыех-ду собой компоненты Изменения температуры, связанные с вулканизмом и процессом Эль-Ниньо/Юкное колебание, поэтому, строго юворя можно определить только их совместный вклад в формирование флуктуации глобальной температуры воздуха. Тем не менее, считая вулканизм внешним факторо:.!, оказывающим влияние на состояние .слиматлческой системы, но не подверженным ее ответному влиянию, и допуская, что процесс Эль-Ниньо/Юкное колебание монет в некоторой степени зависеть от влияния вулканической деятельности на климат, вклад указанных составляющих удается разделить. Оказывается, что влиянием вулканической деятельности можно объяснить порвдка 20% дисперсии средней годовой глобалы осредненией приземной температуры воздуха; эффект Эль-Ниньо/Г; ное колебание отвечает за 15% дисперсии.

Переходя к оценкам параметров энергобалансовой модели для глобально осредненного климата, нужно выделить параметр чувствительности длинноволнового излучения к удвоению "эквивалентной" концентрации СО^. Полученное эмпирически значение этого параметра, равное (4,3+0,7) Вт/н^,практически совпало с хорош известной по результатам расчетов с помощью моделей теории кл матг. величиной возмущения вертикального радиационного потока на уровне тропопаузы при удвоении -содержания в атмосфере угле кислого газа.

Большой интерес представляют значения параметров, характе ризующих новое стационарное состояние, в которое переходит кл матическая система при ступенчатом изменении внешнего воздействия. В настоящей работе рассчитывались: &Те -- к вменение лриземной температуры воздуха при удвоении "эквивалентной" концентрации (Х^, л Тр - изменение температуры в случае изме нения индекса Лэма на 100, - изменение температуры при изменении на единицу индекса Эль-Ниньо/Южное колебание. Значс ние параметра А 7с, полученного при эмпирическом анализе сред ней годовой глобально осредненной приземной температуры воздз ха, составляет (1,1+0,2)°С. Эта величина значительно ниже общепринятой оценки изменения температуры воздуха при удвоении концентрации С0£ в атмосфере, поскольку получена для условий, когда температура глубоких слоев океана еще не находится в рг новесии с внешним возмущением. Для достижения состояния равнс

весил потребовало;! бы период времени, существенно превышающий рассматриваемый. Поэтому приведенную оценку параметра лТе следует рассматривать как условную и в дальнейшем уделить больше внимания изучению роли глубокого океана в современных климатических изменениях.

Оценки параметров лТР и летаете оказываются статистически значимыми и имеют величины (~0,14+0,02)°С и (-0,19+ ¿0,03)°С соответственно. Они показывают, что масштаб из» нений средней глобальной температуры воздуха под влиянием принимаемых во внимание естественных факторов существенно меньше масштаба антропогенных изменений.

Статистическая модель для средней годовой зонально осреднение й температуры воздуха описывает ^40^ дисперсии эмпирического рада для зоны 60-90° с.ш.,АЪ% дисперсии для зоны 30-60° с.ш., около 65^ - для зон 0-30° с.ш. и 0-30° в.¡п. и -^75% - для зоны 30-60° в.и. Нужно отметить, что зона 60-90° с.ш. обладает наибольшей "климатической памятью", т.е. наибольшим коэффициентом авторецессии. Это свидетельствует о существенном влиянии обратных связей климатической системы на формирование термического режима этой зоны.

Чувствительность климатической системы к изменению показателя вулканической деятельности возрастает в высоких широтах, причем наибольшая чувствительность характерна для зоны 60-90° с.ш. Влияние на термический режим процесса Эль-Ниньо/Южное колебание а зонах 0-30° ю.ш. и 0-30° с.ш. оказывается существенным и несколько большим в южном полушарии, чем в северном.

Интересной особенностью воздействия процесса Эль-Ниньо/Южное колебание на термический режим Земли является заметное влияние этого фактора на температуру воздуха в зоне 60-90° с.ш. Это воздействие осуществляется за счет меридионального обмена теплом и проявляется в ослаблении сигнала,связанного с вулканической деятельностью.

Зональное распределение параметра а 7* свидетельствует о большей чувствительности х усилению парникового эффекта приземной температуры воздуха в высоких широтах: в зоне 60-90°с.ш. значение лТв наибольшее (1,6°С), в зонах Э0-60°с.ш., 0-30° с.ш. и 0-30° ь.т.-дТс~1°С, в зоне ЭО-бО°ю.ш. -

Для зоны 60-90° с.ш. попытки получить статистически значи-

мне оценки параметров авторегрессионной модели не увенчались успехом, что, вероятно, связано с наличием данных за ьосьма непродолжительный период времени (1957-1987 гг.).

Четвертая глава посвящена исследованию закономерностей изм< нения региональных климатических условий территории УССР при современном глобальном потеплении.

Среди методов, используемых при эмпирическом анализе закономерностей современных региональных изменений климата, можно ввделить три основных:

1. Изучение связи между средней годовой приемной температурой воздуха северного полушария и региональными климатическими характеристиками. Метод предложен в работах К.Я.Винникова, П.Я.Гройсмана (1979).

2. Оценка разности климатических условий для двух достаточно длительных периодов с существенно различными значениями средней для птих периодов средней годовой приземной температуры воздуха северного полушария. Такой подход использовался ранее в работах Дж.И.Лаф, Т.Ы.Л.Вигли, Дв.Палютикоф (1984); Х.Х.Лэма. (1974); Дк.Ягер и В.В.Келлога (1983).

3. Оценка разности климатических условий группы экстремально теплых и группы экстремально холодных лет. Этот метод применялся в исследованиях Т.М.Л.Вигли, Ф.Д.Дконса и П.М.Келли (1980).

В данной работе получены оценки изменения режима атмосферных осадков и температуры воздуха на территории Украины на основе, использования всех трех упомянутых выше методических подходов,

В качестве характеристики глобального термического режима использован временной ряд средней годовой приземной температуры воздуха северного полушария, полученный К.Я.Винниковш и, др. (1987).

Для реализации второго и третьего подходов из этого временного ряда были выбраны интервалы лет, когда средняя температура воздуха северного полушария была наиболее высокой и наиболее низкой, а таюсе экстремально теплые и холодные годы. За последнее столетие самым теплым 20-летним периодом был период с 1934 по 1953 гг., а самым холодны:"! - с 1901 по 1920 гг. Разность средних значений температуры северного полушария для

этих двух периодов составляет 0,4°С.

Для расчетов оценок связи региональных климатических характеристик с глобальной климатической переменной третьим методом были использованы данные за II самых теплых лет и за II самых холодных лет за период с 1831 по 1987 гг. Для этого случая аТ = 0,55°С.

При исследовании закономерностей изменения режима увлажнения ;-(а территории УССР использовались:

1. Време:гше ряды месячных суш осадков за период с 18Э1 по 19Ш гг. для 18-ти административных областей УССР, Молдавской ССР, а также 4-х граничных с Украиной областей БССР и Р01СР. Эта информация представляет собой часть архива осреднен.чых по площади месячных сумм атмосферных осадков для основных сельскохозяйственных районов СССР. Архив создан в Отделе динамической метеорологии Главкой геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова под руководством А.в.йещерской.

2. Временные ряды месячник сумм атмосферных осадков по отдельным станциям для горных районов республики, а также • Крымской области.

Анализ полученных * результатов позволяет сделать вывод о значительной чувствительности режима осадков на Украине к небольшим изменениям средней годовой приземной температуры воздуха северного полушария. Основной выявленной закономерность!) является статистическ!-; значимый рост количества осадков в зимний сезон и за весь холодный период года, особенно заметный на вго-заладе Украины. Для весны, несмотря на общую тевденци» к росту осадков, в степной зоне УССР и в западных областях республики глобальное потепление сопровождается снижением количества осадков. Лето характеризуется некоторым уменьшением количества осадков. Осень1; при повышении приземной температуры воздуха северного полу. > ля, осадки возрастают по всей Украине, исключая горные районы, целом для территории республики при повышении средней годов-й температуры воздуха северного полушария годовые суммы атмосферных осадков имеют тенденцию н увеличения.

Для изучения закономерностей изменения приземной температуры воздуха на Украине при современном глобал ном потеплении использовались временные ряды средней месячной температуры воз-

духа за период 1900-1987 гг. для 30-ти станций территории УССР.

Анализ результатов исследования позволяет сделать вывод об однонаправленности процессов глобального потепления и изменения региональной температуры воздуха на Украине.

Во все сезоны года наибольшие изменения региональной т&->-пературы воздуха в связи с изменением средней годовой ""ешера-туры воздуха северного полушария наблюдаются в восточных областях УССР, наименьшие - в районе Украинских Карпат, Западного Полесья и на территориях, прилегающих к Азовскому и Черному морям.

В заключении приведены основные научные результаты работы и выводи.

1. Разработана простая нестационарная энергобалансовая модель климата, описывающая изменения средней годовой глобально и зонально осредненной приземной температуры воздуха, и соответствующие этой физической модели статистические климатические модели. Показано, что нестационарные авторегрессиошше модели могут слукить статистическими аналогами простых энергсбалансо-вых моделей климатической системы.

2. На основе использования статистических моделей получены оценки вакнейпих параметров климатической системы, определена

статистическая значимость,

- За период 1881-1988 гг. антропогенным увеличением "эквивалентной" концентрации С0£ можно объяснить около 40& дисперсии средней годовой глобальной температуры воздуха; с вулканической деятельностью связано до 20% дисперсии. Из оставшейся части дисперсии можно идентифицировать еще около связанных с влиянием внутренних колебаний климатической системы, обусловленных процессом Эль-Ниньо/Юкное колебание.

- Проверена гипотеза о влиянии на глобальную приземную температуру воздуха колебаний солнечной постоянной, характеризовавшихся индексом относительных чисел Вольфа. Получен вывод, что имеющиеся в настоящее время эмпирические данные и методы исследования не позволяют подтвердить данную гипотезу, во всяком случае этот фактор описывает не более 1% дисперсии средней годовой глобальной температуры воздуха.

- В результате ыекииротного обмена теплом независимо от природы внешнего воздействия отклик климатической системы ока-

зывается наиболее сильным в высоких широтах.

- Процесс Эль-Ниньо/Йкное-колебание описывает около 30% дисперсии средней годовой приземной температуры воздуха в зонах 0-30° с.ш. и 0-30° ю.ш. За счет меридионального переноса тепла воздействие этого фактора распространяется вплоть до зоны 60-90° с.ш., где оно проявляете»., главным образом, в ослаблении возмущения, вызываемого вулканизмом.

- Полученная эмпирически статистически значичая оценка параметра чувствительности длинноволнового уходящего излучения

к удвоения "эквивалентной" концентрации C0g (4,3^0,7) Вт/м^ близка к ее теоретическому значению (4 Вг/н^). Этот факт является прямым доказательством то^о, что современное глобальное потепление - это результат усиления парникового эффекта вследствие изменения химического состава атмосферы.

- За счет увеличения содержания в атмосфере парниковых газов средняя температура воздуха повысилась на (0,5+0,07)°С за период IS0I-ID88 гг. Эта оценка несколько лиге-значений, полученных в моделях теории климата. Она может быть согласована с теоретическими оценками, если исходить из .предположения, что чувствительность глобальной приземной температуры воздуха к удвоению содержания C0g в атмосфере составляет около 2°С, а термическая инерция климатической системы позволяет реализовать примерно 50-60,$ стационарного отклика.

3. Изучены закономерности изменения региональных климатических условий Украины при повышении средней годовой приземной температуры воздуха северного полушария. Показано, что при современном глобальном потеплении обнаруживается тенденция к повышенно приземной температуры воздуха на всей территории республики Во все сезоны года и увеличения количества осадков в зимний сезон, особенно на юго-западе Украины.

Основное содержание диссертации опубликовано з следующих работах автора:

I. Эмпирический анализ причин современных изменений глобального климата // В сб.: Вопроси гидрологии суши. Тезисы докладов конференции молодюс учен) к и специалистов. - 1990. -■ С .40-11.

2. Изменения режима осадков на Украине // Метеорология и ги/ рология. - 1983. - № I. - С.24-33.

3. Особенности изменения температуры воздуха на Украине при современных изменениях глобального климата // Труда УкрНИГЫИ. - 1983. - Вып. 227. - С.75-30.

4. Оценка возможного изменения режима осадков весной в степ ной зоне Украины т фоне глобальных изменений климата // Трухи УкрНИШЕ. - 1987. - Вт. 224. - С.76-79.

Подписано к печати В

Сормат бумаги л. Печ. листов

Тираж ус С экз. Заказ в"с6 Бесплатно

Евро копирования СНТД НПО "Тайфун" г. Обнинск, пр. Ленина, 82.