Глава 4. Атмосфера

Пространственные и временные изменения приповерхностной температуры воздуха (ПТВ)

4.1. Многолетние изменения ПТВ Земли и полушарий

4.2. Многолетние изменения отдельных показателей инсоляции и ПТВ в 5°-ых широтных зонах

4.2.1. Анализ пространственного распределения средних многолетних значений аномалии ПТВ и инсоляции по широтным зонам

4.2.2. Анализ временных изменений инсоляции
и аномалии ПТВ в 5-ти градусных широтных зонах

4.3. Анализ и оценка связи многолетних изменений инсоляции, ИК и ПТВ в 5-ти градусных широтных зонах и ячейках

4.3.1. Анализ и оценка связей в пространстве

4.3.1.1. Анализ многолетних изменений ПТВ в 5-ти градусных широтных зонах с инсоляцией и ИК Земли (годовой и полугодовой)

4.3.1.2. Анализ многолетних изменений аномалии ПТВ с многолетними изменениями инсоляции в соответствующих широтных зонах

4.3.1.3. Анализ многолетних изменений аномалии ПТВ в 5-ти градусных ячейках с многолетними изменениями инсоляции и ИК Земли

4.3.2. Анализ и оценка связей во времени

4.3.2.1. Анализ многолетних изменений месячных ПТВ с инсоляцией и ИК Земли (годовой и полугодовой)

4.3.2.2. Анализ многолетних изменений
месячных ПТВ и ИК Земли

4.4. Изменение инсоляции Земли и содержания двуокиси углерода в атмосфере

***

Пространственные и временные изменения приповерхностной температуры воздуха (ПТВ)

Приходящая к Земле (без учета атмосферы) солнечная радиация имеет, в общем, правильный вековой, многолетний и годовой ход, особенности (вариации) которого подробно изложены в главе 2. Однако, проходя через атмосферу и соприкасаясь с неоднородной земной поверхностью, лучистая энергия (коротковолновое излучение) трансформируется в тепловую энергию (длинноволновое излучение). В связи с эллипсоидной формой Земли, наклоном оси ее вращения и неоднородностью земной поверхности, процесс преобразования лучистой энергии в тепловую энергию подвержен изменениям как во времени, так и в пространстве. Приходящее в климатическую систему солнечное тепло, во-первых, удерживается парниковым эффектом планеты, который зависит в основном от химического состава атмосферы (прежде всего, водяного пара). Во-вторых, перераспределяется внутри климатической системы различными механизмами теплообмена (эффект от которых усиливается или ослабляется обратными связями в климатической системе). Наиболее важными из механизмов теплообмена являются межширотный теплообмен, теплообмен в системе океан – материк (сезонная смена теплых и холодных областей), теплообмен в системе океан – атмосфера [213]. В этой главе с разным пространственным и временным разрешением анализируются изменения приповерхностной температуры воздуха (ПТВ), отражающие изменения в инсоляции, механизмах теплообмена и парниковом эффекте планеты.

4.1. Многолетние изменения ПТВ Земли и полушарий

В результате корреляционного анализа обнаружена связь в многолетних изменениях аномалии ПТВ Земли и полушарий с инсоляционной контрастностью (ИК). Для полушарий ИК рассчитывалась как разность солнечной энергии приходящей в широтную область 0°–45° и 45°–90° (каждого полушария) за год. Для Земли в качестве ИК принималось среднее годовое значение ИК, полученное для полушарий. ИК рассчитывалась по полученным нами значениям инсоляции Земли [297].

Многолетние изменения ИК определяются изменением угла наклона оси вращения Земли в результате прецессии и нутации [166, 262]. Изменение ИК линейно связано с изменением угла наклона оси вращения Земли (рис. 4.1). Коэффициент корреляции на интервале от 1850 до 2050 гг. составляет –0,998.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДОК_БАЗА_УГОЛ И ИК\СТАТЬЯ\ОТКЛИК\R2m_c.jpg$

Рис. 4.1. Многолетние изменения угла наклона оси вращения (1)
и инсоляционной контрастности (2) Земли

Многолетние изменения в рядах ИК и угла наклона оси на 83,0% и 85,3% соответственно выражаются трендами. В исходных рядах изменения ПТВ Земли и полушарий также в основном определяются трендами (рис. 4.2). Коэффициент детерминации показывает долю изменений ПТВ определяемую трендом (полином второй степени).

Рис. 4.2. Многолетние изменения аномалии ПТВ Северного (1),
Южного (2) полушария и Земли (3) [293]

Таким образом, чтобы объяснить тенденции многолетних изменений ПТВ Земли и полушарий следует определить фактор, определяющий тренды в исходных рядах глобальной температур (ПТВ). Анализ показывает, что многолетние изменения глобальной ПТВ характеризуются тесными положительными корреляционными связями с многолетними изменениями ИК и отрицательными с многолетними изменениями угла наклона оси. Значение коэффициента корреляции ИК и аномалии ПТВ Земли составляет 0,888, аномалии ПТВ северного полушария 0,833, аномалии ПТВ южного полушария 0,914. Следовательно, многолетние изменения ПТВ Земли на 81,4%, в Северном полушарии на 74,7%, в Южном полушарии на 83,7% определяются многолетними изменениями ИК Земли и полушарий. Как отмечалось, тренд в изменении ИК определяется изменением угла наклона оси вращения Земли. Угол наклона, таким образом, регулирует, а ИК характеризует изменение (усиление или ослабление) работы «тепловой машины первого рода» – основного механизма межширотного теплообмена в климатической системе Земли (в системе океан – атмосфера). Таким образом, многолетние изменения аномалии глобальной ПТВ определяются многолетними изменениями ИК связанными с изменением угла наклона оси вращения Земли [166, 182, 297]. Далее мы проанализируем, как изменяются эти, глобально проявляющиеся связи, с увеличением пространственного и временного разрешения.

На основе уравнений регрессии выполнено моделирование изменения годовой аномалии ПТВ Земли и полушарий. Алгоритм моделирования аномалии ПТВ включает следующие этапы.

Определение достоверных вековых интервалов с устойчивой и высокой корреляцией аномалии ПТВ с ИК (аналог межширотного градиента приходящей солнечной радиации). Под ИК нами понимается разность годовой инсоляции в диапазоне 0°–45° и в диапазоне 45°–90° в полушариях. Эта величина отражает разность инсоляции в области, являющейся источником тепла и инсоляции в области стока тепла.
Определение уравнения регрессии между ИК и аномалией ПТВ (для Земли, северного и южного полушария соответственно) для достоверных вековых интервалов (линейное и полиномиальное уравнение – полином 2-й степени).
Расчет на основе уравнений регрессии (линейного и полиномиального) по данным ИК аномалии ПТВ для достоверных вековых интервалов (ансамблей).
Определение средних по каждому ансамблю значений аномалии ПТВ по линейному и полиномиальному ансамблю (отдельно).
Расчет средних для Земли и полушарий значений аномалии ПТВ по ансамблю линейных и полиномиальных решений (естественно, что этот результат можно получить и путем осреднения всех линейных и полиномиальных решений в п. 4).

При обновлении данных в массиве (HadCRUT4) проводятся новые расчеты по этому алгоритму.

Для разработки и обоснования алгоритма моделирования были проведены следующие исследования и расчеты. Обнаружена связь аномалии ПТВ с ИК. ИК рассчитывалась на основе базы данных [297]. Для полушарий ИК рассчитывалась как разность солнечной энергии приходящей в широтную область 0°–45° и 45°–90° (соответствующего полушария) за год. Для Земли в качестве ИК принималось среднее годовое значение инсоляционной контрастности, полученное для полушарий (рис. 4.3)

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\4_11_4_16\R4_11_c.jpg$

Рис. 4.3. Изменение годовой инсоляционной контрастности (ИК) Земли и полушарий

Как отмечалось в главе 2, изменение ИК определяется изменением угла наклона оси вращения Земли в результате прецессии и нутации (рис. 4.4).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС\ГРАДИЕНТ\УГОЛ\Ri2_bw.jpg$

Рис. 4.4. Изменение наклона оси вращения Земли

Изменение ИК линейно связано с изменением угла наклона оси вращения Земли (рис. 4.5). Коэффициент корреляции на интервале от 1850 до 2050 гг. составляет –0,998.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС\ГРАДИЕНТ\УГОЛ\Ri1_bw.jpg$

Рис. 4.5. Связь инсоляционной контрастности (ИК) и угла наклона оси вращения Земли

Сравнение данных аномалии ПТВ из массива HadCRUT4 [290] и рассчитанной нами ИК проводились на основе корреляционного анализа. Значения коэффициента корреляции между аномалией ПТВ и ИК рассчитывались по вековым интервалам (временным «окнам» продолжительностью в 100 лет) при последовательном (с шагом по времени в 1 год) смещении «окна» от начала массива фактических данных аномалии ПТВ (1850 г.) к концу (2016 г.). Таким образом, рассчитывались значения коэффициента корреляции (R) для вековых интервалов 1850–1949 гг., 1851–1950 гг., и т. д., всего для 68 вековых интервалов для Земли, и полушарий (рис. 4.6).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_12_c.jpg$

Рис. 4.6. Распределение значений коэффициента корреляции
между аномалией ПТВ и инсоляционной контрастностью (ИК)
по вековым интервалам.
(1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Земля)

Значения R (рис. 4.6) аномалии ПТВ и ИК в свою очередь характеризуются высокой степенью корреляционной связи со средними для вековых интервалов значениями показателя метеоданных (рис. 4.7). Под показателем метеоданных понимается выраженная в процентах доля поверхности Земли (и полушарий), охваченная 5-ти градусными ячейками с метеоданными относительно всей земной поверхности Земли (или поверхности полушария).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_13_c.jpg$

Рис. 4.7. Распределение показателя метеоданных (%) по вековым интервалам.
(1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Земля)

Связь представленных на рис. 4.6 и рис. 4.7 рядов характеризуется значением R для Земли равным 0,970, для северного полушария 0,940, для южного полушария 0,973. Характер изменения R аномалии ПТВ и ИК (рис. 4.6) отражает, таким образом, неоднородное распределение метеоданных в массиве HadCRUT4 по степени их представительности и достоверности [236, 302–304, 328, 336]. При анализе полученных данных выделяются вековые интервалы (последние в массиве) с 1900–1999 гг. и т. д. до 1917–2016 гг., (всего 18 интервалов), на которых значения R становятся высокими и весьма близкими (рис. 4.6). Изменения R по 18-ти вековым интервалам относительно среднего для них значения составляют для Земли 1,12%, для северного полушария 1,25%, для южного – 0,71%. Значения метеоданных, полученных с 1900 года, признаются и авторами архива HadCRUT4 наиболее достоверными [236]. Вековые интервалы, охватывающие период наиболее достоверных данных, имеющие высокие и стабильные значения коэффициента корреляции, отражающие фактическую и достоверную связь аномалии ПТВ и ИК, приняты нами в качестве основы для построения уравнений линейной и полиномиальной (полином 2-й степени) регрессии.

Значения R аномалии ПТВ и ИК для достоверных вековых интервалов приведены в табл. 4.1. В южном полушарии отмечается более тесная корреляционная связь аномалии ПТВ с ИК, чем в северном полушарии.

Таблица 4.1

Значения коэффициента корреляции аномалии ПТВ (HadCRUT4)
и ИК для достоверных вековых интервалов

По уравнениям линейной и полиномиальной регрессии, полученным для достоверных вековых интервалов, были рассчитаны значения аномалии ПТВ для Земли и полушарий на период с 1900 по 2050 гг. Для вычислений использовались значения ИК, рассчитанные по данным инсоляции [297]. Расчет аномалии ПТВ проводился по 18-ти уравнениям линейной (рис. 4.8, 4.9) и 18-ти уравнениям полиномиальной регрессии (рис. 4.10), полученным для достоверных вековых интервалов для Земли, северного и южного полушария. Значения коэффициента детерминации (R2) для Земли меняются от 0,571 до 0,626, в среднем составляя 0,603. Для северного полушария значения R2 ограничены диапазоном от 0,479 до 0,532 при среднем значении 0,506. В южном полушарии значения R2 по отношению к северному полушарию возрастают. Среднее значение R2 составляет 0,647, значения R2 находятся в диапазоне от 0,622 до 0,664.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\4_11_4_16\AP145_c.jpg$

Рис. 4.8. Связь аномалии ПТВ с инсоляционной констрастностью (ИК)
и график уравнения линейной регресии
для векового интервала 1917–2016 гг. (южное полушарие)

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\4_11_4_16\R4_14_c.jpg$

Рис. 4.9. Семейство уравнений линейной регрессии
для достоверных вековых интервалов
(для Земли, период с 1850 по 2050 гг.)

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\4_11_4_16\R4_14_2_c.jpg$

Рис. 4.10. Семейство полиномиальных уравнений регрессии
(полином 2 степени) для достоверных вековых интервалов
(для Земли, период от 1850 до 2050 гг.)

По семействам уравнений регрессии (из 18-ти уравнений в каждом семействе) для достоверных вековых интервалов для Земли, северного и южного полушария рассчитывались значения аномалии ПТВ для периода от 1900 до 2016 гг. Затем вычислялись средние по ансамблю значения аномалии ПТВ отдельно для расчетов по линейным и полиномиальным уравнениям. Полученные по уравнениям линейной и полиномиальной регрессии средние значения аномалии ПТВ также усреднялись для получения решения по ансамблю (рис. 4.11).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_15_c2.jpg$

Рис. 4.11. Средние значения аномалии ПТВ по ансамблю расчетов
на основе линейной и полиномиальной регрессии
(1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Земля)

Рассчитанные таким образом значения аномалии ПТВ сравнивались с соответствующими фактическими значениями аномалии ПТВ [290, массив HadCRUT4] в интервале с 1900 по 2016 гг. (рис.nbsp;4.12).

Рис. 4.12. Рассчитанные с 1900 по 2016 гг. (средние по линейным
и полиномиальным решениям – сплошная линия)
для Земли и фактические с 1900 по 2016 гг.
(данные HadCRUT4 – кружки) значения аномалии ПТВ

Рассчитанные ряды аномалии ПТВ (рис. 4.12) характеризуются тесной корреляционной связью с фактическими значениями аномалии ПТВ. Для Земли значение R составляет 0,838, для северного полушария 0,794, для южного полушария 0,856. Средние по модулю расхождения составляют для Земли 0,134°, для северного полушария 0,173°. для южного полушария 0,113°. Средние по модулю значения фактической аномалии ПТВ Земли составляют 0,234°, для северного полушария 0,253°, для южного полушария 0,233°. Полученные расхождения (по модулю) составляют 57,2% для Земли, 68,2% для северного полушария и 48,8% для южного полушария от соответствующих средних (по модулю) значений фактической аномалии ПТВ. По знаку фактические значения аномалии ПТВ имеют хорошие совпадения с расчетными. Ряды аномалии ПТВ (фактические и расчетные) представлены относительно среднего для периода 1961–1990 гг. значения. Расхождения в знаке отмечаются только вблизи перехода значений аномалии через ноль. Совпадения по знаку для аномалии ПТВ Земли составляют 83,8% (98 из 117 значений), для северного полушария 79,5% (93 из 117 значений), для южного полушария 81,2% (95 из 117 значений). Разность фактических и рассчитанных (рис. 4.12) значений аномалии ПТВ Земли представлена на рис. 4.13. Сходное распределение характерно и для полушарий.

Рис. 4.13. Разность фактических и рассчитанных
(по ансамблю линейных и полиномиальных решений)
значений аномалии ПТВ Земли
(аппроксимация – полином 5-й степени)

Представленные на рис. 4.13 величины расхождения показывают, что существуют группы фактических значений аномалии (продолжительностью на данном интервале в среднем около 30 лет) расположенные либо выше рассчитанных значений аномалии, либо ниже. Однако при всей очевидности колебания в расхождении фактических значений аномалии ПТВ с расчетными границы отдельных фаз колебания выражены нечетко. Так переход от первой на этом интервале «теплой» фазы к «холодной» приходится на 1900–1902 гг. Следующий переход от «холодно» фазы к «теплой» отмечается в 1925–1926 гг. Границы перехода последующих фаз колебания выражены менее четко. Переход от второй «теплой» фазы к очередной «холодной» приходится на диапазон от середины 50-х годов до начала 60-х годов прошлого столетия (рис. 4.13). На конец 80-х – начало 90-х годов приходится очередная смена фаз колебания (от «холодной» к современной «теплой» фазе). Таким образом, для Земли в диапазоне с 1900 по 2016 гг. выделяется четыре фазы колебания разности фактических и рассчитанных значений аномалии ПТВ. Для определения характеристик колебания рассматривался вариант расположения его «теплых» и «холодных» фаз в следующих временных диапазонах. С 1902 г. по 1925 г. – «холодная» фаза, с 1926 г. по 1953 г. – «теплая» фаза, с 1954 г. по 1986 г. – «холодная» фаза, с 1987 г. по 2016 г.– «теплая» фаза. В этом случае в среднем для Земли в каждой группе 85,7% фактических значений аномалии ПТВ находятся либо выше расчетных значений, либо ниже. Именно в зависимости от этого они условно определяются нами как «теплые» и «холодные» фазы соответственно.

Сходные группы выделяются и для полушарий. В северном полушарии однородность (по критерию выше или ниже расчетных) значений в группах в среднем составляет 84,4%. Хронологически эти группы (фазы), вероятно, синхронизируются с выделяемыми в типизации атмосферных процессов для северного полушария циркуляционными эпохами [80, 81]. Они также сходны с интервалами различных состояний современного климата, отражающими этапы многолетнего взаимодействия в системе океан – атмосфера [6]. Однородность групп в южном полушарии в среднем составляет 74,9%. Таким образом, определяемые эпохи соотносятся с «теплыми» и «холодными» фазами выделяемого в гидрометеорологических процессах колебания со средним периодом около 60-ти лет [166].

Средние значения расхождения для «теплых» и «холодных» фаз составляют (в принятых границах «теплых» и «холодных» фаз) для всей Земли 0,122°С и –0,107°С, для северного полушария 0,169°С и –0,133°С, для южного полушария 0,076°С и –0,080°С соответственно. Так как отмеченное колебание является относительно систематическим, то можно приблизительно учесть связанные с ним ошибки в моделировании аномалии ПТВ. С учетом полученных для эпох средних значений расхождения в качестве поправок к рассчитанным значениям аномалии ПТВ (рис. 4.12), расхождения рассчитанных и фактических в среднем по модулю для всей Земли сокращаются до 0,099°С (42,5% от модуля средней фактической аномалии), что на 14,7% меньше, чем без учета поправки. В северном полушарии среднее расхождение по модулю с учетом поправок составляет 0,119°С (46,9%, т.е. на 21,3% меньше, чем без учета поправок). В южном полушарии среднее расхождение по модулю равняется 0,098°С (42,2%, т.е. на 6,6% меньше, чем без учета поправок). Значение R для рассчитанных значений аномалии ПТВ, учитывающих поправку, с рядами фактических значений аномалии ПТВ Земли возрастает до 0,910, для северного полушария до 0,893, для южного полушария до 0,898. Учет поправки проводился алгебраическим сложением разности фактических и рассчитанных значений аномалии ПТВ с рассчитанными значениями аномалии ПТВ.

Рассчитывалась дисперсия значений аномалии ПТВ в рядах фактических значений (D1) и в рядах разности фактических и рассчитанных (средних по ансамблю линейных и полиномиальных решений) значений аномалии ПТВ (D2). Затем находилось отношение дисперсии в соответствующих рядах разности фактических и рассчитанных значений аномалии ПТВ и дисперсии фактических значений (D2/D1). Вычитанием из единицы полученных значений и затем умножением их на 100 были рассчитаны значения (в процентах) объясняемых регрессионной моделью изменений аномалии ПТВ. Для Земли регрессионной моделью объясняется 68,3% аномалии ПТВ, для северного полушария 60,3%, для южного полушария 72,3%. Для рядов, учитывающих поправки на 60-ти летнее колебание, эти значения увеличиваются (поправки учитывались алгебраическим сложением средних значений для «теплых» и «холодных» фаз колебания с рассчитанными значениями аномалии ПТВ). Для Земли в этом случае регрессионная модель объясняет 82,7% дисперсии аномалии ПТВ, в северном полушарии 79,7%, в южном полушарии 80,6%. Таким образом. 60-летним колебанием объясняется 14,4% изменений аномалии ПТВ Земли, 19,4% в северном полушарии и 8,3% дисперсии аномалии ПТВ в южном полушарии. При учете в качестве поправок средних для отдельных фаз 60-ти летнего колебания значений расхождения фактических и рассчитанных значений влиянием двух факторов (инсоляционной контрастностью и 60-ти летним колебанием) объясняется 84,1% изменений аномалии ПТВ Земли, 81,3% изменений аномалии ПТВ в северном полушарии и 81,7% в южном полушарии. Остающаяся без объяснения часть изменений аномалии ПТВ (приблизительно 16–19%), вероятно, связана с изменением солнечной активности, вулканической деятельностью [171, 172, 183, 187] и другими факторами

В соответствии с рассмотренным алгоритмом, по значениям ИК [297] и на основе полученных уравнений регрессии рассчитывались значения аномалии ПТВ на период с 2017 по 2050 гг. Расчеты выполнялись для Земли и полушарий. Последовательные этапы расчетов иллюстрируются графиками, отражающими результаты соответствующих «шагов» в расчетном алгоритме (рис. 4.14–4.22). На всех представленных графиках в диапазоне с 2017 по 2050 гг. отмечается медленное увеличение значений аномалии ПТВ. Однако, оно не происходит равномерно. На всех графиках синхронно на фоне медленного увеличения отмечаются два четко выраженных минимума и два максимума. Минимальные значения аномалии ПТВ приходятся на 2023 г. (абсолютный минимум) и 2025 г. на 2042г и 2044 г., максимальные на 2032, 2035 и 2050 гг. (абсолютный максимум). Однако, значения аномалии как в экстремумах, так и на всем диапазоне, несколько различаются как для Земли и полушарий, так и для разных способов расчета (ансамбль линейных или полиномиальных решений). Интересно, что отмеченные минимальные значения аномалии ПТВ приходятся на положение восходящего (северного) лунного узла вблизи точки весеннего равноденствия (при этом нисходящий лунный узел находится вблизи точки осеннего равноденствия). Положение северного лунного узла в точке весеннего равноденствия отмечаются, например, в 1987, 2006, 2025 и 2043 гг. [288]. Максимальные значения хронологически локализованы вблизи положения восходящего (северного) лунного узла в точке осеннего равноденствия. В точке осеннего равноденствия восходящий узел находится, например в 1997, 2015, 2034 и 2052 гг. Напомним (глава 1), что восходящий лунный узел – это точка лунной орбиты, в которой Луна, пересекая эклиптику, переходит в северное полушарие небесной сферы. Нисходящий (южный) лунный узел – точка лунной орбиты. в которой Луна, пересекая эклиптику, переходит в южное полушарие небесной сферы [11].

Нами найдена связь изменения во времени аномалии ПТВ с изменением ИК. Однако, форма этой связи однозначно не определена. Именно поэтому для оценочного прогноза используется среднее по ансамблю (линейных и полиномиальных расчетов) решение. Минимальные разбросы значений аномалии ПТВ как для случая линейных решений, так и для расчетов на основе полиномиального уравнения регрессии, связаны с южным полушарием. Максимальные разбросы в пределах ансамбля решений относятся к северному полушарию.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_17_c.jpg$

Рис. 4.14. Серия графиков значений аномалии ПТВ Земли,
рассчитанных по уравнению линейной регрессии

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_18_c.jpg$

Рис. 4.15. Серия графиков значений аномалии ПТВ северного полушария,
рассчитанных по уравнению линейной регрессии

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_19_c.jpg$

Рис. 4.16. Серия графиков значений аномалии ПТВ южного полушария,
рассчитанных по уравнению линейной регрессии

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_20_c.jpg$

Рис. 4.17. Изменение средних значений аномалии ПТВ
по ансамблю линейных решений
(1 –северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Земля)

Анализ средних по ансамблю линейных расчетов (рис. 4.17) показывает, что увеличение аномалии ПТВ Земли с 2017 по 2050 гг. может составить 0,175°C. В северном полушарии прогнозируется увеличение аномалии ПТВ на 0,169°C, в южном на 0,182°C. В этом случае среднее увеличение аномалии ПТВ в 2050 г. относительно 2017 г. составит 44,4% для Земли, 37,1% для северного полушария и 53,8% – для южного полушария. Максимальные значения аномалии ПТВ составят в 2035 г. 0,559°C, 0,615°C и 0,505°C в 2050 г. 0,570°C, 0,623°C и 0,519°C для Земли, северного и южного полушария соответственно. Минимальные значения аномалии ПТВ приходятся на 2023 г. (абсолютный минимум на интервале) и составляют 0,223°C, 0,272°C и 0,174°C для Земли, для северного и южного полушария соответственно.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_21_c.jpg$

Рис. 4.18. Серия графиков значений аномалии ПТВ Земли,
рассчитанных по полиномиальному уравнению регрессии для Земли

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_22_c.jpg$

Рис. 4.19. Серия графиков значений аномалии ПТВ, рассчитанных
по полиномиальному уравнению регрессии для северного полушария до 2050 г.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_23_c.jpg$

Рис. 4.20. Серия графиков значений аномалии ПТВ,
рассчитанных по полиномиальному уравнению регрессии для южного полушария до 2050 г.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_24_c.jpg$

Рис. 4.21. Изменение средних значений аномалии ПТВ по ансамблю
полиномиальных решений (1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Земля)

Из анализа результатов, полученных по ансамблю полиномиальных расчетов (рис. 4.21), следует, что увеличение аномалии ПТВ для Земли с 2017 по 2050 гг. может составить 0,221°C. В северном полушарии аномалия ПТВ увеличится на 0,256°C, в южном на 0,171°C. Следовательно, среднее увеличение аномалии ПТВ в 2050 г. относительно 2017 г. составит 51,8% для Земли, 49,0% для северного полушария и 52,4% для южного полушария. Максимальные значения аномалии ПТВ составят в 2035 г. 0,632°C, 0,767°C и 0,482°C, в 2050 г. 0,646°C, 0,778°C и 0,498°C для Земли, северного и южного полушария соответственно. Минимальные значения, по расчетам, приходятся на 2023 г. (абсолютный минимум) и составляют 0,225°C, 0,280°C и 0,170°C для Земли, северного и южного полушария соответственно. Экстремальные значения в среднем линейном и полиномиальном решениях хронологически совпадают (рис. 4.17, 4.21).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\РИСУНКИ\Глава_4_2\R4_25_c.jpg$

Рис. 4.22. Оценочный прогноз изменения аномалии ПТВ
по ансамблю линейных и полиномиальных решений
(1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Земля)

Анализ средних по ансамблям линейных и полиномиальных решений (рис. 4.22) показывает, что увеличение аномалии ПТВ для Земли с 2017 г. по 2050 г. может составить 0,198°C. Прогнозируется увеличение аномалии ПТВ на 0,212°C в северном полушарии и на 0,176°C в южном. Увеличение аномалии ПТВ в 2050 г. (относительно 2017 г.) составит 48,3% для Земли, 43,5% для северного полушария и 53,1% для южного полушария. Максимальные значения аномалии ПТВ ожидаются в 2035 г. – 0,696°C, 0,691°C и 0,495°C для Земли, северного и южного полушария соответственно. Минимальные значения, по расчетам, приходятся на 2023 г. Они составляют 0,224°C, 0,276°C и 0,172°C для Земли, северного и южного полушария соответственно.

Следует отметить, что значения аномалии ПТВ, указанные в архиве HadCRUT4 для 2015 и 2016 годов, вероятно, можно считать только предварительными (иначе они могут классифицироваться «отскоками»). Указанные значения, например, в 2016 г. составляют для Земли 0,930°C, для северного полушария 1,211°C, для южного полушария – 0,648°C. Эти значения представляются (как и по 2015 г.) существенно завышенными.

Для уточнения выполненного нами оценочного прогноза необходимо учитывать отмеченную уже поправку на 60-ти летнее колебание (Климатическая мультидекадная осцилляция – КМО). Однако, амплитудно-периодические характеристики этого колебания еще однозначно не определены. Наши исследования в интервале от 1850 гг. до 2015 гг. изменения температуры поверхности океана (ТПО) и ПТВ показывают, что период колебания расхождения соответствующих фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО [166, 297], на этом интервале приблизительно равен 62–69 годам (раздел 5.2). С учетом продолжительности эпох окончание текущей «теплой» фазы колебания можно ожидать в диапазоне 2018–2022 гг. (в принятом варианте временных границ «теплых» и «холодных» фаз колебания). В настоящее время, в «теплой» фазе колебания фактические значения аномалии ПТВ превышают рассчитанные значения. Превышение фактических значений аномалии ПТВ в текущей фазе составляет в среднем 0,169°C для Земли, 0,231°C для северного полушария и 0,108°C для южного полушария. Ожидается, что в следующей «холодной» фазе колебания фактические значения аномалии ПТВ будут уступать рассчитанным значениям аномалии ПТВ в среднем на 0,107°C для Земли (рис. 4.23).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДИССЕР_СОЛЯР\МОНОГРАФИЯ\РЕДАКЦИЯ\ПРОГНОЗ\R_1_c.jpg$

Рис. 4.23. Оценочный прогноз изменения аномалии ПТВ
по ансамблю линейных и полиномиальных решений
с учетом 60-ти летнего колебания – КМО
(1 – Земля, 2 – северное полушарие, 3 – южное полушарие)

Возможно, что в действительности переход от «теплой» фазы КМО к «холодной» будет менее резким. В северном полушарии фактические значения аномалии ПТВ в среднем будут на 0,133°C, а в южном полушарии на 0,080°C ниже рассчитанных нами для соответствующих полушарий, значений аномалии ПТВ. Увеличение аномалии ПТВ Земли и полушарий будет в основном, вероятно, проявляться в областях стока тепла, т.е. в широтных зонах, расположенных выше 45° в каждом полушарии. При этом, в северной области стока тепла увеличение аномалии ПТВ будет большим, чем в южной.

Таким образом, многолетнее изменение ПТВ Земли и полушарий тесно связано с тенденцией изменения ИК. Поскольку эта связь отражает влияние инсоляции (основного источника тепла) на ПТВ, то ее логично признать причинно-следственной.

Рассмотрим далее, как характер этой связи изменяется при увеличении пространственного и временного разрешения

4.2. Многолетние изменения отдельных показателей инсоляции и ПТВ в 5°-ых широтных зонах

Для определения связи инсоляции и ПТВ проводился корреляционный анализ пространственных и временных изменений аномалии ПТВ. Он состоял из двух частей. В первой части (раздел 4.2.1) проводился корреляционный анализ распределения средних для широтных зон (среднемноголетних за период с 1900 по 2014 гг.) значений аномалии ПТВ с распределением по широтным зонам трех показателей инсоляции:

среднемноголетней (за период с 1900 по 2014 гг.) для широтных зон аномалией инсоляции – R1; аномалия инсоляции рассчитывалась относительно базового для ПТВ периода 1961–1990 гг.
разности инсоляции 2014 г. и 1900 г. (для соответствующих широтных зон) – R2.
среднемноголетней (за период с 1900 по 2014 гг.) для соответствующих широтных зон инсоляцией – R3.

Анализ проводился для годовых и полугодовых значений аномалии ПТВ и инсоляции.

Во второй части (раздел 4.2.2) проводился корреляционный анализ временных рядов (годовых и полугодовых значений) аномалии ПТВ и соответствующих значений аномалии инсоляции внутри отдельных широтных зон. Полученное во второй части распределение коэффициента корреляции по широтным зонам сравнивалось с распределением трех отмеченных выше для первой части параметров инсоляции. В качестве исходных температурных данных в обоих случаях (раздел 4.2.1 и 4.2.2) использовался массив HadCRUT 4.4 полученный по ансамблю 100 модельных расчетов месячных значений аномалии ПТВ [293, 302, 303, 328, 336].

Разрешение массива по пространству составляет 5 по широте и долготе. Осреднением значений отдельных ячеек были получены средние значения аномалии ПТВ для 5-ти градусных широтных зон. Осреднением по всем месяцам года были рассчитаны среднегодовые значения аномалии. Осреднением по месяцам с апреля по сентябрь рассчитывались значения для летнего полугодия, по месяцам с октября по март – для зимнего полугодия. Зимнее и летнее полугодия в работе указаны относительно северного полушария. Отмеченное осреднение по месяцам связано с необходимостью минимизации полугодовых различий, связанных со сдвигом по фазе начала календарных полугодий относительно астрономических полугодий, для которых рассчитывалась инсоляция [181, 297].

Исследовалась связь распределения среднемноголетних для 5-ти градусных широтных зон (за период с 1900 по 2014 гг.) годовых и полугодовых значений аномалии ПТВ и среднемноголетних значений аномалии инсоляции (за тот же период для соответствующих широтных зон). Распределение среднегодовых значений аномалии ПТВ по широтным зонам представлено на рис. 4.24. Сходный с годовым характер распределения средней аномалии ПТВ по широтным зонам получен для летнего и зимнего полугодия [167].

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\МОДЕЛИ\ПРОГНОЗЫ_ГИС\КЛИМАТИЧЕСКИЕ\HAD_CRUT_4.4\Статья\Рисунки\R4_c.jpg$

Рис. 4.24. Распределение среднегодовых для широтных зон
значений аномалии ПТВ за период с 1900 по 2014 гг. [293].
Аппроксимация – полином 5-й степени

На графике R2 – коэффициент детерминации, отражающий вклад тренда в общую дисперсию ряда. В северном полушарии преобладают положительные средние значения аномалии ПТВ, в южном – отрицательные. Из данных массива аномалии ПТВ и рис. 4.24 следует, что за период с 1900 по 2014 гг. ПТВ в северном полушарии повышалась более интенсивно, чем в южном полушарии. Малые средние значения (около нуля) аномалии ПТВ отмечаются в экваториальной области и в Антарктиде. В распределении аномалии инсоляции по широтным зонам за тот же период отмечается ее увеличение в полярных районах и уменьшение в экваториальной области (рис. 4.25). Разность инсоляции в 2014 г. и в 1900 г. для соответствующих широтных зон имеет обратный характер распределения.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\МОДЕЛИ\ПРОГНОЗЫ_ГИС\КЛИМАТИЧЕСКИЕ\HAD_CRUT_4.4\Статья\Рисунки\R5_c.jpg$

Рис. 4.25. Распределение среднегодовых значений аномалии инсоляции
за период с 1900 по 2014 гг. (1) и разности значений инсоляции в 2014 г.
и в 1900 г. (2) по широтным зонам

Таким образом, во-первых, в полушариях отмечается различный по интенсивности температурный отклик на входящий в климатическую систему Земли внешний энергетический сигнал (симметричный для полушарий) – лучистую энергию. Во-вторых, связь распределения по широтам среднемноголетней годовой аномалии ПТВ с распределением среднемноголетней годовой аномалии инсоляции (R1) и разности инсоляции в 2014 г. и 1900 г. (R2) характеризуется разными знаками (положительным и отрицательным соответственно). Корреляция средних за период с 1900 по 2014 гг. значений аномалии ПТВ и средних значений аномалии инсоляции по 18-ти соответствующим широтным зонам для северного полушария характеризуется значением R1, равным 0,760. Корреляция средних для широтных зон значений аномалии ПТВ и значений разности приходящей в 2014 и в 1900 гг. в соответствующие широтные зоны лучистой энергии R2 составляет –0,758. В южном полушарии эти значения соответственно равны –0,114 и 0,122, т.е. имеют обратные, по отношению к значениям, полученным для северного полушария, знаки. Малые значения коэффициента корреляции указывают на слабые связи между распределением по широтным зонам средней аномалии ПТВ и показателей инсоляции в южном полушарии [166, 167].

Увеличением рядов при исследовании корреляции за счет последовательного добавления средних значений аномалии ПТВ и инсоляции для 5 градусных широтных зон от экватора в южное (более океаническое) полушарие было получено распределение значений R1 и R2 для широтных диапазонов различной протяженности (19-ти, 20-ти и т. д. до 36-ти 5-ти градусных зон). Отсчет диапазонов при расчетах коэффициента корреляции проводился от северной полярной зоны 85°–90° (рис. 4.26, табл. 4.2).

Таблица 4.2

Значения коэффициент корреляции между среднемноголетними
(годовыми и полугодовыми) для широтных зон (за период с 1900 по 2014 гг.)
аномалиями ПТВ и соответствующими аномалиями инсоляции – R1.
Примечание: летнее и зимнее полугодие в северном полушарии

Высокие (по модулю) значения R1 и R2 отмечаются в интервале от зоны 85°–90° с.ш. до зоны 45°–50° ю.ш (здесь отмечается увеличение значений R в южном направлении). Максимальные значения коэффициента корреляции (R1 = 0,779 и R2 = –0,777) характерны для диапазона от 85°–90° с.ш. до 35°–40° ю.ш. С широтной зоны 45°–50° ю.ш. отмечается уменьшение (по модулю) значений коэффициента корреляции. Значения R1 и R2 для всей Земли составляют 0,499 и –0,495 соответственно. Отмеченные широтные диапазоны соответствуют особенностям пространственной структуры подстилающей поверхности (и климатической системы Земли). Северное полушарие – менее, а южное – более океаническое полушарие. Самый юг южного полушария занимает ледовый континент Антарктида. С этими особенностями подстилающей поверхности может быть связан различный по интенсивности характер отклика аномалии ПТВ на инсоляцию Земли.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\МОДЕЛИ\ПРОГНОЗЫ_ГИС\КЛИМАТИЧЕСКИЕ\HAD_CRUT_4.4\Статья\Рисунки\R6_c.jpg$

Рис. 4.26. Распределение значений коэффициента корреляции (R1)
для различных широтных диапазонов (пояснения в тексте)

Распределение R2 имеет сходный с распределением R1 (рис. 4.26) характер, отличия в основном определяются только знаком

Распределение средних по широтам значений аномалии ПТВ для летнего и зимнего полугодия сходно с распределением, полученным для среднегодовых значений аномалии ПТВ (рис. 4.24). Коэффициент детерминации (R2) (полином 5-й степени) для летнего полугодия составляет 0,829, для зимнего полугодия 0,878. Распределение средних для полугодий значений аномалии инсоляции и разности инсоляции для соответствующих широтных зон в 2014 г. и 1900 г. приведены на рис. 4.27 и 4.28.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\МОДЕЛИ\ПРОГНОЗЫ_ГИС\КЛИМАТИЧЕСКИЕ\HAD_CRUT_4.4\Статья\Рисунки\R7_c.jpg$

Рис. 4.27. Распределение средних для полугодий значений аномалии инсоляции
(летнее полугодие –1, зимнее полугодие – 2) по широтным зонам

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\МОДЕЛИ\ПРОГНОЗЫ_ГИС\КЛИМАТИЧЕСКИЕ\HAD_CRUT_4.4\Статья\Рисунки\R8_c.jpg$

Рис. 4.28. Распределение разности инсоляции в 2014 г. и в 1900 г.
(в соответствующих широтных зонах);
1 – летнее полугодие, 2 – зимнее полугодие

Значения R1 и R2 для южного полушария составляют 0,580 и –0,561, для северного полушария 0,666 и –0,667, для Земли 0,704 и –0,705 соответственно (знаки соответствующих коэффициентов корреляции, полученные для Земли, северного и южного полушария одинаковые). Продолжая для летнего полугодия, как и в случае годовых значений аномалии ПТВ, увеличение ряда от северного (более континентального) полушария в южное (более океаническое), получаем распределение R1 (табл. 4.2, рис. 4.29) для широтных диапазонов различной протяженности (отсчет ведется от северной полярной зоны 85°–90°). Распределение R2 имеет сходный характер, отличия определяются только знаком.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\МОДЕЛИ\ПРОГНОЗЫ_ГИС\КЛИМАТИЧЕСКИЕ\HAD_CRUT_4.4\Статья\Рисунки\R9_c.jpg$

Рис. 4.29. Распределение коэффициента корреляции (R1)
между средней аномалией ПТВ и средней аномалией инсоляции в летнее
(для северного полушария) полугодие по широтным зонам

При этом также отмечается разный уровень связи в диапазонах 85°–90° с.ш. – 15°–20° ю.ш. (преимущественно континентальная область), 20°–25° ю.ш. – 65°–70° ю.ш. (преимущественно океаническая область) и 70°–75° ю.ш. – 85°–90° ю.ш. (ледовый континент Антарктида). В первом и третьем широтных диапазонах отмечается сокращение значений (по модулю) R1 и R2 в южном направлении, во втором увеличение.

Знаки R1 и R2 в зимнее (для северного полушария) полугодие по отношению к летнему полугодию и году изменяются на обратные (табл. 4.3). При этом в северном и южном полушарии отмечаются разные знаки для соответствующих коэффициентов корреляции. Значения R1 и R2 для южного полушария составляют –0,292 и 0,292, для северного полушария 0,726 и –0,750 (однако в южном полушарии они сокращаются и затем меняют знак на обратный), для Земли –0,280 и 0,267 соответственно (рис. 4.30, табл. 4.3).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\МОДЕЛИ\ПРОГНОЗЫ_ГИС\КЛИМАТИЧЕСКИЕ\HAD_CRUT_4.4\Статья\Рисунки\R10_c.jpg$

Рис. 4.30. Распределение коэффициента корреляции (R1)
между средней аномалией ПТВ и средней аномалией инсоляции
в зимнее полугодие (для северного полушария) по широтным зонам

В южном полушарии в летнее (для этого полушария) полугодие наиболее отчетливо проявляется океанический и ледовый (антарктический) характер подстилающей поверхности. В распределении по широтным зонам он изменяет положительный знак корреляционной связи средней аномалии ПТВ и средней аномалии инсоляции на отрицательный (рис. 4.30)

Таблица 4.3

Значения коэффициента корреляции в распределении
по широтным зонам среднемноголетних значений аномалии ПТВ
и показателей инсоляции (пояснения в тексте).
Шрифтом выделены значения с вероятностью 0,99

Примечание:

R1 – коэффициент корреляции распределения по широтным зонам среднемноголетней для широтных зон аномалии ПТВ и аномалии инсоляции (за период с 1900 г. по 2014 г.).

R2 – коэффициент корреляции распределения по широтным зонам среднемноголетней (за период с 1900 г. по 2014 г.) для широтных зон аномалии ПТВ и разности инсоляции в 2014 г. и в 1900 г.

R3 – коэффициент корреляции распределения по широтным зонам среднемноголетней аномалии ПТВ (за период с 1900 по 2014 гг.) и инсоляции (среднемноголетней за период с 1900 по 2014 гг.).

Тесные положительные связи средней аномалии ПТВ и средней инсоляции (R1) отмечаются в северном полушарии для годовых и полугодовых (зимних и летних) значений. Для Земли тесная положительная связь средней аномалии ПТВ и средней аномалии инсоляции (R1) отмечается для летнего (в северном полушарии) полугодия. В южном полушарии слабые положительные связи средней аномалии ПТВ и средней аномалии инсоляции с показателями инсоляции отмечаются только в летнее (для северного полушария) полугодие (табл. 4.3). Полученные положительные связи указывают на то, что изменения годовых и полугодовых значений среднемноголетней аномалии ПТВ северного полушария в интервале с 1900 по 2014 гг. по широтным зонам определяется межширотными изменениями аномалии инсоляции. Изменения среднемноголетней аномалии ПТВ Земли по широтным зонам определяется межширотными изменениями инсоляции в летнее (для северного полушария) полугодие. Изменения среднемноголетней аномалии инсоляции относительно слабо участвует в распределении среднемноголетней аномалии ПТВ по широтным зонам в южном полушарии (только в зимнее в этом полушарии полугодие). В летнее в этом полушарии полугодие ведущим фактором, определяющим изменения аномалии ПТВ в распределении по широтным зонам, является характер подстилающей поверхности.

Таким образом, основным фактором, определяющим величину и распределение среднемноголетней (за период с 1900 по 2014 гг.) аномалии ПТВ (годовой и полугодий) по широтным зонам для северного полушария, является инсоляционный фактор (распределение среднемноголетней аномалии инсоляции по широтным зонам; с этим показателем обнаружены положительные связи). Им же определяется величина и распределение по широтным зонам среднемноголетней аномалии ПТВ Земли и, слабее, среднемноголетней аномалии ПТВ южного полушария в летнее (для северного полушария) полугодие. В зимнее (для северного полушария) полугодие для Земли и южного полушария ведущим фактором изменения величины и распределения средней аномалии ПТВ по широтным зонам является фактор, связанный с характером постилающей поверхности (влияние океана и Антарктиды) [166, 167].

4.2.2. Анализ временных изменений инсоляции
и аномалии ПТВ в 5-ти градусных широтных зонах

Исходными данными для анализа также были значения аномалии ПТВ, представленные в массиве HadCRUT 4.4 [293] и рассчитанные нами значения инсоляции [297]. По временным рядам (за период с 1900 г. по 2014 г.) для отдельных широтных зон рассчитывались значения коэффициента корреляции между аномалией ПТВ и аномалией инсоляции (для годовых и полугодовых значений). Полученное распределение коэффициента корреляции по широтным зонам сравнивалось с распределением среднемноголетней (за период с 1900 по 2014 гг.) аномалии инсоляции, разности инсоляции в 2014 г. и в 1900 г., а также с распределением по широтным зонам среднемноголетней инсоляции для периода с 1900 г. по 2014 г.

Распределение коэффициента корреляции по широтным зонам между годовыми значениями аномалии ПТВ и аномалии инсоляции показано на рис. 4.31.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\МОДЕЛИ\ПРОГНОЗЫ_ГИС\КЛИМАТИЧЕСКИЕ\HAD_CRUT_4.4\Статья\Рисунки\R11_c.jpg$

Рис. 4.31. Распределение коэффициента корреляции
между годовыми значениями аномалии ПТВ и аномалии инсоляции
по широтным зонам (аппроксимация – полином 4-й степени)

Полученный характер распределения связи (значений коэффициента корреляции по широтным зонам) аномалии ПТВ и аномалии инсоляции определяется среднегодовым распределением инсоляции (рис. 4.25). Коэффициент корреляции распределения среднегодовой инсоляции (за период с 1900 по 2014 гг.) по широтным зонам с полученным распределением (рис. 4.31) связи аномалии ПТВ и аномалии инсоляции составляет 0,841. Распределение связи аномалии ПТВ и инсоляции по широтным зонам также, в свою очередь, связано с распределением разности инсоляции в 2014 г. и в 1900 г. для соответствующих широтных зон (R = 0,675) (рис. 4.25). Таким образом, характер распределения связи (показателя связи R) временных рядов аномалии ПТВ и временных рядов аномалии инсоляции по широтным зонам определяется распределением по широтным зонам годовой инсоляции Земли, а также, в меньшей степени, распределением разности инсоляции в 2014 г. и в 1900 г. по широтным зонам.

Распределение значений коэффициента корреляции между аномалией ПТВ и аномалией инсоляции, рассчитанных по временным рядам (с 1900 г. по 2014 г.) для каждой широтной зоны в летнее (в северном полушарии) полугодие, представлено на рис. 4.32.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\МОДЕЛИ\ПРОГНОЗЫ_ГИС\КЛИМАТИЧЕСКИЕ\HAD_CRUT_4.4\Статья\Рисунки\R12_c.jpg$

Рис. 4.32. Распределение коэффициента корреляции
между значениями аномалии ПТВ и аномалии инсоляции в летнее
(для северного полушария) полугодие (аппроксимация – полином 5-й степени)
по широтным зонам

Распределение коэффициента корреляции аномалии ПТВ и аномалии инсоляции по широтным зонам характеризуется значением R (корреляцией) с распределением по широтным зонам инсоляции за летнее полугодие, равным –0,472. Связь распределения коэффициента корреляции по широтным зонам с распределением разности инсоляции в 2014 г. и в 1900 г., полученной для каждой соответствующей широтной зоны, составляет 0,770. Следовательно, распределение связи аномалии ПТВ с аномалией инсоляции по широтным зонам в летнее полугодие определяется распределением по широтным зонам разности инсоляции, полученной для соответствующих широтных зон за период между 2014 г. и 1900 г. (рис. 4.27). Распределение по широтным зонам значений коэффициента корреляции, полученных для зимнего полугодия, представлено на рис. 4.33.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\МОДЕЛИ\ПРОГНОЗЫ_ГИС\КЛИМАТИЧЕСКИЕ\HAD_CRUT_4.4\Статья\Рисунки\R13_c.jpg$

Рис. 4.33. Распределение коэффициента корреляции между значениями
аномалии ПТВ и аномалии инсоляции в зимнее (для северного полушария)
полугодие (аппроксимация – полином 5-й степени) по широтным зонам

Распределение по широтным зонам связи аномалии ПТВ с аномалией инсоляции характеризуется коэффициентом корреляции с распределением средних за зимнее полугодие значений инсоляции равным –0,537. Коэффициент корреляции с распределением разности инсоляции для соответствующих широтных зон в 2014 г. и 1900 г. составляет 0,710.

Таким образом, распределение показателя связи (R) годовых значений аномалии ПТВ и инсоляции Земли по широтным зонам определяется (положительные связи) как распределением среднегодовой инсоляции (0,841), так и распределением разности инсоляции в 2014 и 1900 годах в соответствующих широтных зонах (0,675) (рис. 4.25). Распределение показателя связи (R) полугодовых значений аномалии ПТВ и инсоляции Земли по широтным зонам определяется, в основном, распределением разности инсоляции в 2014 и 1900 годах в соответствующих широтных зонах и полугодиях (0,770 – летнее, 0,710 – зимнее) (рис. 4.28). Следует отметить, что распределение разности инсоляции в 2014 и 1900 гг. по широтным зонам отражает изменение распределения межширотного градиента инсоляции за этот период. Тесные, но отрицательные значения R распределения связи аномалии ПТВ с аномалией инсоляции по широтным зонам отмечаются с распределением средней аномалии инсоляции. Для годовой аномалии эта связь характеризуется значением коэффициента корреляции равным –0,670, для летнего полугодия –0,772, для зимнего полугодия –0,716 (рис. 4.25, 4.27). Все значения коэффициента корреляции значимы с вероятностью 0,99.

Подводя итоги проведенного анализа можно отметить следующее. Полученная (в разделе 4.2.1) картина связей аномалии ПТВ с инсоляцией и различный по интенсивности температурный отклик климатической системы Земли (рис. 4.24) на в общем сходную за год инсоляцию полушарий (рис. 4.25, 4.27), вероятно, связана с различной пространственной структурой (неоднородностью) подстилающей поверхности. Широтные диапазоны с различным характером подстилающей поверхности соответствуют более континентальной области (северное полушарие и приэкваториальная часть южного полушария), более океанической области (южное полушарие, до 65°–70° ю.ш.) и ледовой поверхности материка Антарктида. Влияние структуры земной поверхности на характер связи аномалии ПТВ с инсоляцией проявляется в изменчивости по широтным зонам величины и знака коэффициента корреляции между аномалией ПТВ и показателями инсоляции (рис. 4.26, 4.29, 4.30).

В общем виде механизм образования отмеченных связей аномалии ПТВ и инсоляции Земли можно представить следующим образом. Полученные ранее (глава 3) результаты показывают, что инсоляция Земли увеличивается в экваториальной области и сокращается в полярных районах [177]. Это отмечается и для исследуемого в настоящей работе периода 1900–2014 гг. (рис. 4.25). Следствием этого является увеличение межширотного градиента инсоляции (инсоляционной контрастности) и усиление переноса энергии (тепла) из экваториальной области к полярным районам [96, 126, 213]. Также с увеличением ИК, вероятно, связано и усиление турбулентности в атмосфере. Переносимое в меридиональном направлении (прежде всего вихревыми образованиями – тропическими и внетропическими циклонами) воздушными массами от экватора к полюсам тепло приходит на различную по характеру в полушариях подстилающую поверхность. В северном полушарии адвекция теплых воздушных масс приводит к повышению ПТВ (явное тепло). Увеличение ПТВ в области стока тепла в северном полушарии приводит к изменению состава атмосферы, прежде всего, из-за увеличения содержания водяного пара, особенно в Арктических районах [2, 104, 105]. Это способствует усилению парникового эффекта и дополнительному повышению ПТВ. Увеличение тепла в северной области его стока происходит и вследствие конденсации при адвекции теплых воздушных масс и их взаимодействии с холодной подстилающей поверхностью (скрытое тепло). Следует отметить, что 60,3% площади в северном полушарии занимает океан, 39,3% площади приходится на континенты; в южном полушарии это соотношение составляет 80,9% и 19,2% [61]. При этом площадь области источника тепла в каждом полушарии, приблизительно в 2,7 раза больше площади области стока тепла. Кроме того, межширотный перенос осуществляется как в атмосфере, так и в океане. Таким образом, увеличение ПТВ в северном полушарии связано с положительной компенсацией сокращения тепла, определяемого сокращением инсоляции (отмечаемого для полярных районов), переносом тепла, связанного с усилением межширотного теплообмена (и положительными обратными связями, например, снижением альбедо из-за сокращения площади морских льдов в летний период). Этим определяется положительный знак средней аномалии ПТВ в полушарии для периода с 1900 по 2014 гг. Этот механизм подтверждается тем, что изменение связи аномалии ПТВ и инсоляции по широтным зонам характеризуется положительной корреляцией с изменением разности инсоляции (0,675 – годовые, 0,770 – летнее полугодие, 0,710 – зимнее полугодие). Разность инсоляции отражает изменение в распределении межширотного градиента инсоляции (ИК) за период с 1900 по 2014 г.

В южном полушарии приходящие теплые воздушные массы отдают тепло океану, обладающему низкой температурой и большой теплоемкостью, и охлаждаются. Кроме того, сильное охлаждающее воздействие в этом полушарии связано с ледовым континентом – Антарктидой (этим определяется более высокое значение межширотного градиента температуры, чем в северном полушарии). Также из-за неоднородной подстилающей поверхности в северном полушарии вихревой межширотный перенос тепла (циклонами), вероятно, происходит более интенсивно, чем в южном полушарии. В южном полушарии из-за однородного характера поверхности и существенно большего значения межширотного градиента температуры более интенсивно, чем в северном полушарии, проявляется циркуляционный (преимущественно западный – «ревущие сороковые») перенос тепла, связанный с действием силы Кориолиса [126]. Вследствие этого в южном полушарии межширотный (меридиональный) теплообмен отчасти «блокируется» зональным движением воздушных масс. Положительная компенсация потери атмосферой тепла, связанной с сокращением инсоляции, наступает в южном полушарии позднее, чем в северном полушарии (растягивается во времени из-за большой инертности и слабой интенсивности отклика климатической системы в этом полушарии). Этим объясняется отрицательный знак средней аномалии ПТВ в полушарии за период с 1900 по 2014 гг. (рис. 4.24). Знаки средней аномалии также связаны и с выбором временного интервала климатической нормы (1961–1990 гг.). При смещении интервала в прошлое величины средней аномалии в обоих полушариях будут стремиться к положительным значениям. При смещении в будущее – к отрицательным, в связи с тенденцией увеличения аномалии проявляющейся на всем, обеспеченном метеоданными, интервале. Процессы, как потепления, так и похолодания в южном полушарии, следовательно, проявляются с меньшей интенсивностью, чем в северном полушарии. Отсюда следует запаздывание во времени климатических событий (откликов) в южном полушарии относительно северного полушария. Таким образом, различия в интенсивности температурных откликов в полушариях на сходный (симметричный) для полушарий входящий энергетический сигнал определяются:

балансом приходящего в области стока тепла в результате усиления межширотного теплообмена и сокращения тепла из-за сокращения приходящей в эти области лучистой энергии;
характером постилающей поверхности, определяющим различия в балансе тепла в областях его стока в полушариях.

То, «…что климат определяется солнечной радиацией, приходящей на внешнюю границу атмосферы, составом атмосферы и строением земной поверхности» (Будыко. 1974, стр. 37) широко и давно известно. Как показывают полученные результаты, изменения аномалии ПТВ также определяются сочетанием всех этих факторов [166, 167].

В заключении раздела напомним, что основным фактором, определяющим величину и распределение средней (за период с 1900 по 2014 гг.) аномалии ПТВ (годовой и полугодий) по широтным зонам для северного полушария, является инсоляционный фактор. Им же определяется величина и распределение средней аномалии ПТВ Земли и, слабее, средней аномалии ПТВ южного полушария по широтным зонам в летнее (для северного полушария) полугодие. В зимнее (для северного полушария) полугодие для Земли и южного полушария основной причиной изменения величины и распределения средней аномалии ПТВ по широтным зонам является характер постилающей поверхности (влияние океана и Антарктиды).

Изменение значений аномалии ПТВ внутри широтных зон во времени также характеризуются тесными корреляционными связями с изменением значений аномалии инсоляции. Распределение коэффициента корреляции годовых значений аномалии ПТВ и инсоляции Земли по широтным зонам определяется (положительные связи) как распределением среднегодовой инсоляции (0,841), так и распределением разности инсоляции в 2014 и 1900 годах в соответствующих широтных зонах (0,675). Распределение связи полугодовых значений аномалии ПТВ и инсоляции Земли (R) по широтным зонам, в основном, определяется распределением разности инсоляции в 2014 и 1900 годах (0,770 – в летнее полугодие, 0,710 – в зимнее полугодие). Распределение разности инсоляции в 2014 и 1900 гг. по широтным зонам отражает изменение распределения ИК (или межширотного градиента инсоляции) за этот период.

Различия в интенсивности температурного отклика в полушариях на усиление инсоляционной контрастности определяются неоднородностью подстилающей поверхности полушарий, влияющей на работу механизмов теплообмена. Знак средней аномалии ПТВ в полушариях (симметрия или асимметрия) определяется балансом приходящего в результате переноса тепла из области источника тепла (плюс) и сокращения тепла из-за сокращения инсоляции в полярных районах (минус) с учетом широтных диапазонов с различным характером связи инсоляции и аномалии ПТВ (из-за неоднородной подстилающей поверхности в полушариях). Он также связан с выбором временного интервала климатической нормы.

Отмеченным балансом тепла определяются и различия абсолютных температур в полушариях – южное полушарие на 1,23°C холоднее северного полушария (по норме 1961–90 гг.). В 2015 г. эти различия между ПТВ в полушариях увеличились до 1,74°C [290]. Знак и величина аномалии ПТВ, как показано в разделе, определяются инсоляцией Земли, характером подстилающей поверхности и обратными связями в климатической системе (увеличение содержания водяного пара в атмосфере). Соотношением этих факторов, в основном, и определяются изменения температурных характеристик климата в интервале с 1900 по 2014 гг.

4.3. Анализ и оценка связи многолетних изменений инсоляции, ИК и ПТВ в 5-ти градусных широтных зонах и ячейках

Анализировались связи многолетних изменений инсоляции и приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) в пространстве и во времени. В качестве исходных данных использовались значения аномалии ПТВ приведенные в массиве HadCRUT4 университета Восточной Англии и метеобюро Хэдли. HadCRUT4 – это трехмерный массив месячных значений аномалии ПТВ (относительно нормы 1961–1990 гг.) с разрешением по пространству 5 на 5 градусов. Нами рассматривался период достоверных данных с 1900 по 2014 гг. [293]. По этому массиву рассчитывались средние годовые, полугодовые и месячные значения аномалии ПТВ для Земли, полушарий и 5-ти градусных широтных зон. Данные по инсоляции (Дж/м2) рассчитывались автором совместно с А.А. Костиным [166, 297]. По результатам расчетов сформирована общедоступная база данных приходящей солнечной энергии во все широтные зоны Земли (протяженностью в 5 градусов) за каждый астрономический месяц каждого года для периода от 3000 года до н.э. до 2999 года н.э. [297]. Эти данные использовались в качестве исходных значений инсоляции.

4.3.1. Анализ и оценка связей в пространстве

В разделе анализируется связь многолетних изменений аномалии ПТВ в 5-ти градусных широтных зонах с многолетними изменениями инсоляции и инсоляционной контрастности (ИК) Земли (годовой и полугодовой).

Связь многолетних изменений годовой аномалии ПТВ Земли в широтных зонах с многолетними изменениями годовой инсоляции Земли не обнаружена. Найдена связь многолетних изменений годовой аномалии ПТВ с многолетними изменениями ИК Земли во всех 5-ти градусных широтных зонах (рис. 4.34). ИК для Земли рассчитывалась как среднее по полушариям значение разности годовой инсоляции широтной области 0°–45°(источник тепла) и области 45°–90° (стока тепла).

Рис. 4.34. Широтное распределение коэффициента корреляции
многолетних изменений годовой аномалии ПТВ и годовой ИК

Таким образом, отмечается корреляционная связь многолетних изменений аномалии ПТВ в отдельных широтных зонах с многолетними изменениями ИК Земли. На 90,1% площади Земли связь годовой аномалии ПТВ с годовой ИК Земли характеризуется значениями коэффициента корреляции (R), превышающими 0,6. При этом в северном полушарии значение R превышает 0,6 на 98,5% площади, в южном полушарии на 81,8% площади. Высокие значения R отмечаются в обширной широтной области от 55° ю.ш. до 80° с.ш. Среднее значение R в этом диапазоне составляет 0,728. Низкие значения R отмечаются в областях Арктики (80°–90° с.ш.) и Антарктики (55°–90° ю.ш.) и отражают значительное влияние подстилающей поверхности на многолетние изменения годовой аномалии ПТВ в полярных областях [160, 166].

Многолетние изменения полугодовых значений аномалии ПТВ в 5-ти градусных широтных зонах анализировалась в связи с полугодовой инсоляцией Земли и полугодовой ИК Земли (рис. 4.35, 4.36). За летнее в северном полушарии полугодие принимался период с апреля по сентябрь, за зимнее полугодие период с октября по март. При этом значения ИК Земли рассчитывались с учетом сезонного смещения областей источника и стока тепла (от зимнего в полушарии полугодия к летнему). При расчетах использовалась следующая схема сезонной локализации областей источника и стока тепла в полушариях. В зимнее (в северном полушарии) полугодие за область источника тепла в южном полушарии принимался широтный диапазон от 10° ю.ш. до 55° ю.ш., за область стока тепла – широтный диапазон от 55° ю.ш. до 90° ю.ш. В северном полушарии за область источника тепла принимался широтный диапазон от 10° ю.ш. до 35° с.ш., за область стока тепла – широтный диапазон от 35° с.ш. до 90° с.ш. В летнее (в северном полушарии) полугодие за область источника тепла в южном полушарии принимался широтный диапазон от 10° с.ш. до 35° ю.ш., за область стока тепла – широтный диапазон от 35° ю.ш. до 90° ю.ш. В северном полушарии (в летнее для него полугодие) за область источника тепла принимался широтный диапазон от 10° с.ш. до 55° с.ш., за область стока тепла – широтный диапазон от 55° с.ш. до 90° с.ш.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДОК_БАЗА_УГОЛ И ИК\СТАТЬЯ\ОТКЛИК\otk4_c.jpg$

Рис. 4.35. Широтное распределение коэффициента корреляции
многолетних изменений аномалии ПТВ и инсоляции (1) и ИК (2) Земли
в зимнее в северном полушарии полугодие.
Аппроксимация – полиномы 6-й степени

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДОК_БАЗА_УГОЛ И ИК\СТАТЬЯ\ОТКЛИК\otk5_c.jpg$

Рис. 4.36. Широтное распределение коэффициента корреляции
многолетних изменений аномалии ПТВ и инсоляции (1) и ИК (2) Земли
в летнее в северном полушарии полугодие.
Аппроксимация – полиномы 6-й степени

Таким образом, в зимнем полушарии многолетние изменения аномалии ПТВ в широтных зонах в основном определяются многолетними изменениями полугодовой инсоляции – положительная корреляция. При этом, среднее значение R в зимнее в северном полушарии в широтном диапазоне от экватора до 80° с.ш. (т.е. кроме Арктики) составляет 0,620. В зимнее в южном полушарии полугодие значение R в диапазоне от экватора до 55° ю.ш. (т.е. кроме Антарктики) составляет 0,749 [160].

В летнем полушарии многолетние изменения ПТВ в широтных зонах определяются многолетними изменениями полугодовой ИК – положительная корреляция. Среднее значение R для летнего северного полушария в диапазоне от экватора до 80° с.ш. (т.е. кроме Арктики) также составляет 0,620. Для летнего южного полушария значение R в диапазоне от экватора до 55° ю.ш. (т.е. кроме Антарктики) составляет 0,690.

Следует отметить, что многолетние изменения полугодовой инсоляции и ИК связаны обратной линейной зависимостью (рис. 4.37).

Рис. 4.37. Многолетние изменения полугодовой инсоляции и ИК в полушариях.
(а – многолетние изменения инсоляции в зимние для полугодий полушария;
б – многолетние изменения инсоляции в летние для полугодий полушария;
в – изменение ИК в зимние для полушарий полугодия;
г – изменение ИК в летние для полушарий полугодия)

ИК несколько различается по полушариям только в зимние полугодия (рис. 4.37 в).

Отмеченная связь многолетних изменений аномалии ПТВ в широтных зонах Земли с многолетними изменениями инсоляции и ИК определяется тенденциями изменения солярного климата Земли [177]. Для современного солярного климата Земли характерны две основные тенденции: усиление меридиональной контрастности (увеличение инсоляции в экваториальной области и сокращение в полярных районах, т.е. увеличение ИК) и сглаживание сезонных различий (увеличение инсоляции в зимние полугодия и сокращение в летние). Таким образом, в зимние для полушарий полугодия инсоляция увеличивается, а ИК уменьшается. В летние для полушарий полугодия отмечается обратная картина, инсоляция уменьшается, а ИК увеличивается (рис. 4.37). Многолетние изменения годовой ИК Земли связаны с изменением угла наклона оси вращения Земли обратной линейной зависимостью, а многолетние изменения инсоляции прямой линейной зависимостью (рис. 4.1). Следовательно, многолетние изменения инсоляции и ИК, а также связанные с ней многолетние изменения аномалии ПТВ в широтных зонах определяются изменением угла наклона оси вращения Земли.

Для оценки связи многолетних изменений аномалии ПТВ с инсоляцией и ИК Земли использовался коэффициент детерминации (R2), показывающий долю изменений аномалии ПТВ определяемую трендами в изменении инсоляции и ИК (табл. 4.4).

Таблица 4.4

Оценка связи многолетних изменений аномалии ПТВ в широтных зонах
с многолетними изменениями инсоляции и ИК Земли (R2)

Из значений, приведенных в правом столбике таблицы видно, что в полярных областях связь многолетних изменений годовой аномалии ПТВ с многолетними изменениями ИК слабая. В южной полярной области (55°–90° ю.ш.) эта связь нарушается влиянием Антарктиды, в северной полярной области (80°–90° с.ш.) влиянием Арктики (суммарно это влияние проявляется на 9,9% площади Земли).

В широтной области от 55° ю.ш. до 80° с.ш. (т.е. без учета Арктики и Антарктики), многолетние изменения годовой аномалии ПТВ на 90,1% площади Земли на 53,9% определяются многолетними изменениями ИК. В диапазоне от 50° ю.ш. до 65 с.ш. 57,4% многолетних изменений аномалии ПТВ определяется многолетними изменениями ИК (это 83,5% площади Земли). В южном полушарии (на площади 81,8%) в широтном диапазоне от 55° ю.ш. до экватора многолетние изменения годовой аномалии ПТВ в среднем на 59,9% определяются многолетними изменениями ИК (от 50° ю.ш. до экватора на 62,6%). В северном полушарии в широтном диапазоне от экватора до 80 с.ш. (98,5% площади северного полушария) многолетними изменениями ИК в среднем определяется на 49,8% многолетних изменений аномалии ПТВ.

В южном полушарии в диапазоне от 20° ю.ш. до 50 ю.ш. многолетние изменения годовой аномалии ПТВ в среднем на 73,0% определяются многолетними изменениями ИК (это 42,4% площади полушария). Наиболее тесная связь отмечается в широтной зоне 30°–35° ю.ш., где 82,6% изменений годовой аномалии ПТВ определяется многолетними изменениями годовой ИК. В северном полушарии в диапазоне от 25° с.ш. до 50° с.ш. (34,4% площади полушария) многолетние изменения годовой аномалии ПТВ на 60,3% определяются многолетними изменениями ИК. Наиболее тесная связь отмечается в широтной зоне 20°–25° с.ш., в которой многолетние изменения годовой аномалии ПТВ на 63,3% определяются многолетними изменениями годовой ИК.

В летние в полушариях полугодия многолетние изменения полугодовой аномалии ПТВ (среднемесячное для широтной зоны значение аномалии за полугодие) в значительной степени определяется ИК, в зимние полугодия – инсоляцией. В летнее в южном полушарии полугодие многолетние изменения полугодовой аномалии ПТВ в среднем на 49,6% (в диапазоне от 55° ю.щ. до экватора, т.е. без учета Антарктиды, 81,8% площади полушария) определяются многолетними изменениями полугодовой ИК. В широтном диапазоне 20°–45° ю.ш. (36,6% площади полушария) многолетние изменения аномалии ПТВ на 66,9% определяются многолетними изменениями полугодовой ИК этого полушария. Наиболее тесная связь отмечается в диапазоне 35°–45° ю.ш., в котором изменения аномалии ПТВ более чем на 73% определяются многолетними изменениями ИК. В Северном полушарии в летнее для него полугодие многолетние изменения аномалии ПТВ в среднем, на 43,9% определяется многолетними изменениями ИК, без учета Арктики – на 48,1%. В широтном диапазоне 20°–55° с.ш. (47,7% площади полушария) многолетними изменениями ИК определяется 52,9% многолетних изменений полугодовой (летней) аномалии ПТВ. Максимальная связь отмечается в широтной зоне 25°–30° с.ш. где многолетние изменения летней аномалии ПТВ в среднем на 58,3% определяются многолетними изменениями ИК.

В зимнее в северном полушарии полугодие многолетние изменения аномалии ПТВ определяются многолетними изменениями инсоляции в среднем на 35,5%, в диапазоне от экватора до 80° с.ш. (98,5% площади полушария) на 39,9%. В широтном диапазоне 15°–50 с.ш. (50,7% площади полушария) многолетние изменения полугодовой аномалии ПТВ в среднем, на 53,9% определяются многолетними изменениями зимней инсоляции этого полушария. Наиболее тесная связь в зимнее полугодие в северном полушарии отмечается в широтной зоне 20°–25° с.ш., где многолетние изменения зимней аномалии ПТВ в среднем на 58,6% определяются многолетними изменениями зимней инсоляции. В зимнее в южном полушарии полугодие в среднем 39,7% многолетних изменений полугодовой аномалии ПТВ определяются многолетними изменениями зимней (для этого полушария) инсоляции. В области вне Антарктики – в среднем на 49,7%. В широтном диапазоне от 20° ю.ш. до 50° ю.ш. (42,4% площади) многолетние изменения зимней аномалии ПТВ в среднем на 69,1% определяются многолетними изменениями зимней инсоляции. Наиболее тесно в это время переменные связаны в широтной зоне 30°–35° ю.ш., где многолетними изменениями зимней инсоляции определяются 83% изменений зимней аномалии ПТВ.

В целом, без учета Арктики (80°–90° с.ш.) и Антарктики (55°–90° ю.ш.) в зимнее для южного полушария полугодие многолетние изменения полугодовой аномалии ПТВ в среднем, на 59,9% определяются многолетними изменениями зимней для этого полушария инсоляции. В зимнее для северного полушария полугодие многолетними изменениями инсоляции в среднем определяется 39,9% многолетних изменений зимней аномалии ПТВ. В летнее для южного полушария полугодие многолетними изменениями ИК в среднем определяется 52,5% многолетних изменений летней аномалии ПТВ. В летнее для северного полушария полугодие многолетними изменениями ИК определяется 48,1% многолетних изменений летней аномалии ПТВ (табл. 4.4).

В разделе анализируется связь многолетних изменений годовой и полугодовой аномалии ПТВ в отдельных 5-ти градусных широтных зонах с многолетними изменениями инсоляции в соответствующих 5-ти градусных широтных зонах.

В области источника тепла (45° с.ш. – 45° ю.ш.) связь характеризуется положительными значениями коэффициента корреляции, превышающими 0,6 во всем диапазоне (83,1% площади Земли). Минимальные значения R отмечаются вблизи экватора (0,634). Максимальные значения коэффициента корреляции локализованы вблизи тропиков (рис. 4.38). Среднее значение R в области с положительной связью составляет 0,75.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДОК_БАЗА_УГОЛ И ИК\СТАТЬЯ\ОТКЛИК\otk8_c.jpg$

Рис. 4.38. Распределение коэффициента корреляции годовой аномалии ПТВ
и инсоляции соответствующих широтных зон (Дж/м2)

Полученный характер широтного распределения R связан с тенденцией усиления межширотной контрастности в солярном климате Земли: увеличением инсоляции в экваториальной области и сокращением инсоляции в полярных районах [166, 177].

Проведен корреляционный анализ многолетних значений полугодовой аномалии ПТВ в отдельных широтных зонах с инсоляцией (Дж/м2) соответствующих широтных зон за летнее и зимнее полугодие. За зимнее в северном полушарии полугодие принимался период с октября по март, за летнее в северном полушарии полугодие – период с апреля по сентябрь (в южном полушарии наоборот). Временные ряды охватывают период с 1900 по 2014 гг., анализировались ряды, не содержащие пропусков данных.

Проведенный анализ показывает, что связь многолетних изменений зимней аномалии ПТВ с многолетними изменениями зимней инсоляции (для соответствующих широтных зон) положительная. Связь многолетних изменений летней аномалии ПТВ с многолетними изменениями летней инсоляции, в соответствующих широтных зонах, отрицательная (рис. 4.39).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДОК_БАЗА_УГОЛ И ИК\СТАТЬЯ\ОТКЛИК\otk9_c.jpg$

Рис. 4.39. Широтное распределение значений коэффициента корреляции
полугодовой аномалии ПТВ с многолетними изменениями
полугодовой инсоляции в соответствующих широтных зонах
(1 – зимнее полугодие для северного полушария;
2 – летнее полугодие для северного полушария)

В зимнее (в северном полушарии) полугодие положительная связь отмечается в широтном диапазоне от 10° ю.ш. до северного географического полюса. Связь изменения зимней аномалии ПТВ с инсоляцией соответствующих широтных зон в Арктике (80°–90° с.ш.) слабая. Среднее значение коэффициента корреляции для области с положительными связями, за исключением Арктики, 0,608. Площадь этой области составляет 57,9% от площади Земли. Максимальное значение R отмечается в зоне 20° с.ш. –25° с.ш. и составляет 0,765 [160].

В летнее (в северном полушарии) полугодие область положительных связей отхватывает широтный диапазон от 10° с.ш. до южного географического полюса. Связь в широтном диапазоне 55°–90° ю.ш. слабая (влияние Антарктики). Среднее значение R для области от 55° ю.ш. до 10° с.ш. составляет 0,739, что заметно выше, чем отмеченное для зимнего полугодия (0,608). Максимальное значение R (0,901) отмечается в широтной зоне 30°– 35° ю.ш. Площадь области от 55° ю.ш. до 10° с.ш составляет 49,5% от площади Земли.

Таким образом, в зимние для полушарий полугодия многолетние изменения аномалии ПТВ в основном определяются многолетними изменениями инсоляции соответствующих широтных зон (рис. 4.39, табл. 4.5).

Таблица 4.5

Оценка связи (R2) многолетних изменений аномалии ПТВ
с инсоляций соответствующих широтных зон

Как видно из таблицы, многолетние изменения годовой аномалии ПТВ наиболее тесно связаны с многолетними изменениями инсоляции в двух широтных диапазонах. В северном полушарии этот диапазон охватывает область от 15° с.ш. до 50° с.ш. (50,7% площади полушария). Здесь многолетние изменения годовой аномалии ПТВ в широтных зонах в среднем на 61,9% определяются многолетними изменениями инсоляции соответствующих широтных зон. Наиболее тесная связь в северном полушарии отмечается в широтной зоне 45°–50° с.ш., где многолетние изменения годовой аномалии ПТВ на 80,1% определяются многолетними изменениями годовой инсоляции. В южном полушарии диапазон тесных связей менее значителен – от 25° ю.ш. до 50° ю.ш. (34,4% площади полушария). Многолетние изменения годовой аномалии ПТВ в этих широтных зонах в среднем на 71,7% определяются многолетними изменениями инсоляции соответствующих широтных зон. Наиболее тесная связь в южном полушарии отмечается в диапазоне 35°–40° ю.ш., где многолетние изменения годовой аномалии ПТВ на 83.4% определяется многолетними изменениями годовой инсоляции этой зоны.

В зимнее в северном полушарии полугодие тесная связь изменения аномалии ПТВ и инсоляции отмечается для широтной области от 15° с.ш. до 55° с.ш. (56,0% площади полушария). Здесь многолетние изменения зимней аномалии ПТВ в широтных зонах в среднем на 53.9% определяются многолетними изменениями инсоляции. Наиболее тесная связь в это полугодие отмечается в широтной зоне 20°–25° с.ш., где многолетние изменения зимней аномалии ПТВ на 58,6% определяются изменениями зимней инсоляции.

В зимнее в южном полушарии полугодие тесная связь отмечается в области 20°–45° ю.ш. (36,5% площади полушария). Здесь многолетние изменения полугодовой аномалии ПТВ в среднем на 71,5% определяются изменением инсоляции. Наиболее тесная связь в это время отмечается в широтной зоне 30°–35° ю.ш., где 82,9% изменений аномалии ПТВ определяется изменением инсоляции.

При дальнейшем увеличении пространственного разрешения, связь, отмеченная для глобальных ПТВ (Земли и полушарий) и широтных зон ослабевает. Это объясняется увеличением роли местных и иных (например, циркуляционных процессов, неоднородность подстилающей поверхности) факторов в формировании региональных термических условий.

Исследовались связи многолетних изменений аномалии ПТВ в отдельных 5-ти градусных ячейках (всего 2592 ячейки) с многолетними изменениями годовой ИК Земли. Корреляционный анализ показал, что при этом пространственном разрешении (в одну 5-ти градусную ячейку) достаточно высокая связь многолетних изменений аномалии ПТВ и ИК сохраняется на относительно большой площади. Так, связь с коэффициентом корреляции (R), превышающим 0,6, отмечается на 16,3% площади Земли (рис. 4.40). В северном полушарии такая же связь отмечается на 18,9% площади полушария, в южном полушарии – на 13,7% площади. В западном полушарии связь с R > 0,6 охватывает 9,7% площади, в восточном полушарии 22,8%. Связь со значениями R превышающими 0,7 отмечается уже в гораздо меньшем пространстве – 5,7% площади Земли. Связь с R превышающим 0,8 отмечается на 0,94% площади Земли.

Рис. 4.40. Пространственное распределение коэффициента
корреляции аномалии ПТВ в 5-ти градусных ячейках и годовой ИК Земли

Многолетние изменения зимней (для северного полушария) аномалии ПТВ в северном полушарии исследовалась в связи с многолетними изменениями инсоляции, в южном (летнем) полушарии – в связи с изменением ИК. Использовались полугодовые значения ИК и полушарные значения инсоляции. Связи, характеризующиеся значениями R превышающими 0,6, в этом случае, отмечается на 8,6% площади Земли (рис. 4.41). В северном полушарии такая связь наблюдается на 9,86% площади, в южном полушарии на 7,52%. В западном полушарии связь с отмеченными показателями R (R > 0,6) отмечается на 4,82% площади, в восточном полушарии на 33,53%. Связи с показателями R превышающими 0,7 и 0,8 отмечаются в зимнее для северного полушария полугодие на 2,07% и 0,22% площади Земли соответственно.

Рис. 4.41. Пространственное распределение коэффициента
корреляции аномалии ПТВ в 5-ти градусных ячейках с инсоляцией и ИК
в зимнее для северного полушария полугодие

В летнее для северного полушария полугодие многолетние изменения аномалии ПТВ в 5-ти градусных ячейках исследовались в связи с многолетними изменениями ИК в северном полушарии и многолетними изменениями инсоляции в южном (зимнем) полушарии. Связи со значениями R превышающим 0,6 в это полугодие характерны для 16,4% площади Земли (рис. 4.42). В северном полушарии они отмечаются на 18,7% площади полушария, в южном полушарии на 14,0% площади. В западном полушарии такие связи наблюдаются на 9,9% площади полушария, в восточном на 22,9% площади. Связи с показателями R превышающими 0,7 и 0.8 отмечаются на 5,80% и 0,88% площади Земли соответственно.

Рис. 4.42. Пространственное распределение коэффициента
корреляции аномалии ПТВ в 5-ти градусных ячейках
с инсоляцией и ИК в летнее для северного полушария полугодие

Наиболее тесные связи при выбранном пространственном разрешении отмечаются в области являющейся источником тепла (от 45° с.ш. до 45° ю.ш.) и в восточном (более континентальном, чем западное) полушарии.

4.3.2. Анализ и оценка связей во времени

4.3.2.1. Анализ многолетних изменений месячных ПТВ с инсоляцией и ИК Земли (годовой и полугодовой)

Проведен анализ многолетних изменений месячной аномалии ПТВ Земли и полушарий в связи с многолетними изменениями годовой инсоляции и инсоляционной контрастности Земли и полушарий. При этом первый месяц тропического года сопоставлялся с апрелем календарного года, второй с маем месяцем и т.д. [159, 181].

Обнаружена невысокая отрицательная связь многолетних изменений месячной аномалии ПТВ с многолетними изменениями годовой инсоляции Земли. Значение R в среднем для месяца составляет –0,467, находясь в пределах от –0,417 дл –0,512. Тесная положительная связь в многолетних изменениях месячной аномалии ПТВ обнаружена с годовой ИК Земли (рис. 4.43).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДОК_БАЗА_УГОЛ И ИК\СТАТЬЯ\ОТКЛИК\otk10_c.jpg$

Рис. 4.43. Годовой ход коэффициента корреляции
многолетних изменений месячной аномалии ПТВ Земли
и многолетних изменений годовой ИК Земли

Значение R изменяется в годовом ходе от 0,734 до 0,874 в среднем, составляя 0,808. При этом в летнее, для северного полушария, полугодие в среднем значения R (0,845) превышают значения, полученные для зимнего (в северном полушарии) полугодия (0,771). Для северного полушария также обнаруживается слабая отрицательная связь между многолетними изменениями месячной аномалии ПТВ и многолетними изменениями годовой инсоляции полушария. Значение R изменяются в годовом ходе от –0,353 до –0,405, в среднем составляя –0,405. Связь с многолетними изменениями годовой ИК полушария высокая и положительная (рис. 4.44).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДОК_БАЗА_УГОЛ И ИК\СТАТЬЯ\ОТКЛИК\otk11_c.jpg$

Рис. 4.44. Годовой ход коэффициента корреляции между
многолетними изменениями месячной аномалии ПТВ северного (1)
и южного (2) полушария и многолетними изменениями
годовой ИК соответствующего полушария

Значение R в годовом ходе в северном полушарии изменяется в интервале от 0,638 до 0,823 при среднем значении, равном 0,730.

В южном полушарии также отмечается невысокая отрицательная связь между многолетними изменениями месячной аномалии ПТВ полушария и многолетними изменениями годовой инсоляции полушария. При среднем значении R равном –0,447, в годовом ходе он изменяется в пределах от –0,388 до –0,531. Также проявляется высокая положительная связь многолетних изменений месячной аномалии ПТВ южного полушария с многолетними изменениями годовой ИК полушария (рис. 4.44). Значения R изменяется в годовом ходе от 0,787 до 0,885. Среднее значение R составляет 0,846.

Проведенный анализ также показывает, что связь многолетних изменений месячной аномалии ПТВ в полушариях в годовом ходе определяется многолетними изменениями летней для полушария ИК. Таким образом, годовой ход R, рассчитанный на основе многолетних изменений годовой ИК полушария (рис. 4.43), совпадает с годовым ходом R, рассчитанным на основе многолетних изменений летней ИК полушария. Связь многолетних изменений месячной аномалии ПТВ в полушариях с многолетними изменениями зимней в полушариях ИК по абсолютным значениям R совпадает со значениями R, полученными для летней ИК полушария. Однако, значения R, рассчитанные на основе зимней ИК имеют отрицательный знак [159, 297].

Таким образом, многолетние изменения месячных значений аномалии ПТВ Земли и полушарий в годовом ходе определяются многолетними изменениями годовой и летней для полушария ИК (табл. 4.6).

Таблица 4.6

Оценка связи (R2) многолетних изменений
месячной аномалии ПТВ с годовой (или летней) ИК Земли и полушарий

Из полученной оценки связи следует, что многолетние изменения месячной аномалии ПТВ Земли в среднем на 65,5% определяются многолетними изменениями годовой ИК Земли. Минимальные оценки связи отмечаются для января, максимальные для мая. В северном полушарии многолетние изменения месячной аномалии ПТВ в среднем на 53,7% определяются многолетними изменениями годовой (или летней) ИК полушария. В южном полушарии многолетние изменения месячной аномалии ПТВ в среднем на 71,7% определяются многолетними изменениями годовой (или летней) ИК полушария.

4.3.2.2. Анализ многолетних изменений
месячных ПТВ и ИК Земли

При анализе многолетних изменений месячной аномалии ПТВ и многолетних изменений соответствующей месячной инсоляции Земли связь между ними не обнаружена. Однако, обнаружена связь между многолетними изменениями месячной аномалии ПТВ и изменениями месячной инсоляции полушарий (рис. 4.45).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДОК_БАЗА_УГОЛ И ИК\СТАТЬЯ\ОТКЛИК\otk12_c.jpg$

Рис. 4.45. Годовой ход связи (R) многолетних изменений
месячных значений аномалии ПТВ с изменениями соответствующих
месячных значений инсоляции в полушариях
(1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие)

Положительная корреляция изменений месячной аномалии ПТВ с многолетними изменениями месячной инсоляции отмечается в зимние для полушарий полугодия, отрицательная в летние полугодия. При этом в северном полушарии в зимнее полугодие R изменяется от 0,635 до 0,758, при среднем значении, равном 0,679. В южном полушарии в зимнее для него полугодие, значения R существенно выше. Они изменяются в пределах от 0,838 до 0,885, в среднем составляя 0,863 [159, 297].

Обнаружена связь многолетних изменений месячной аномалии ПТВ с многолетними изменениями соответствующих месячных значений инсоляционной контрастности для Земли и полушарий (рис. 4.46). При этом ИК Земли рассчитывалась на каждый месяц по разности суммарной инсоляции областей 0°–45° и 45°–90° в каждом полушарии (области источника и стока тепла). Затем, усреднением полушарных значений находилось среднее для Земли месячное значение ИК.

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДОК_БАЗА_УГОЛ И ИК\СТАТЬЯ\ОТКЛИК\otk13_c.jpg$

Рис. 4.46. Годовой ход коэффициента корреляции многолетних измеений
месячной аномалии ПТВ и многолетних изменений месячной ИК

Связь многолетних изменений месячной аномалии ПТВ с многолетними изменениями месячной ИК Земли в течение года положительная и высокая. Значения R меняются в течение года от 0,732 до 0,874. Среднее значение R составляет 0,807. В летнее для северного полушария полугодие в среднем отмечаются более высокие значения R (0,846), чем в зимнее (0,768) полугодие.

При расчете полугодовых ИК для отдельных месяцев учитывалось пространственное смещение областей источника и стока тепла в полушариях. При этом использовалась схема, приведенная в табл. 4.7.

Таблица 4.7

Схема пространственных соотношений областей источника
и стока тепла в полушариях в годовом ходе (в градусах широты)

Положительная связь многолетних изменений месячных ИК с многолетними изменениями месячной аномалии ПТВ отмечается в летние для полушарий полугодия, отрицательная – в зимние полугодия (с инсоляцией наоборот) (рис. 4.47, табл. 4.8).

$D:\Documents\МОИ ДОКУМЕНТЫ\VF\ДОК_БАЗА_УГОЛ И ИК\СТАТЬЯ\ОТКЛИК\otk14_c.jpg$

Рис. 4.47. Годовой ход R многолетних изменений месячных значений ИК
и соответствующих месячных значений аномалии ПТВ
(1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие)

Значения коэффициента корреляции в северном полушарии в летнее полугодие изменяются в пределах от 0,719 до 0,822. Среднее для месяца значение R составляет 0,777. В южном полушарии в летнее для него полугодие значения R заметно выше, чем в северном полушарии. Здесь значения R находятся в пределах от 0,787 до 0,875, при среднем для месяца значении R, равном 0,830. Таким образом, тесная положительная связь многолетних изменений месячной аномалии ПТВ и многолетних изменений месячной ИК отмечается в летние для полушарий полугодия, при этом в южном полушарии эта связь выражена сильнее (табл. 4.8).

Таблица 4.8

Оценка связи (R2) многолетних изменений месячной аномалии ПТВ
с многолетних изменений соответствующей месячной инсоляцией и ИК

Таким образом, в целом для Земли многолетние изменения месячной аномалии ПТВ в среднем на 65,5% определяются многолетними изменениями ИК в соответствующие месяцы. В период с мая по июль (при положении Земли вблизи афелия) многолетние изменения месячной аномалии ПТВ в среднем на 75,0% определяются многолетними изменениями месячной ИК Земли. В период с декабря по февраль значения коэффициента детерминации заметно снижаются (Земля в это время находится вблизи перигелия орбиты) и в среднем составляют 56,4%.

В летнее полугодие в южном полушарии многолетними изменениями месячной ИК в среднем определяется 68,9% многолетних изменений месячной аномалии ПТВ. В северном полушарии в летнее полугодие многолетними изменениями месячной ИК в среднем определяется 60,5% многолетних изменений месячной аномалии ПТВ.

Многолетними изменениями инсоляции в зимнее полугодие в южном полушарии в среднем определяется 74,5% многолетних изменений месячной аномалии ПТВ. В северном полушарии в зимнее полугодие всего 46,3% многолетних изменений месячной аномалии ПТВ определяется многолетними изменениями соответствующей месячной инсоляции.

Подведем некоторые выводы по главе 4.

1. Многолетние изменения глобальной ПТВ (Земли и полушарий) в основном определяются трендами, которые тесно связаны с изменением инсоляционной контрастности Земли и полушарий определяемой изменением угла наклона оси вращения Земли. Многолетние изменения ПТВ Земли на 63,8%, в северном полушарии на 60,2%, в южном полушарии на 72,3% определяются многолетними изменениями инсоляционной контрастности Земли и полушарий (без учета 60-ти летнего колебания). С учетом 60-летнего колебания эти значения возрастают до 84,1%, 81,3% и 81,7% соответственно. Таким образом, антропогенные возможности влияния на изменение ТПО Земли существенно ограничиваются.

2. Проведенный анализ региональных связей показывает, что в полярных областях связь многолетних изменений годовой аномалии ПТВ и многолетних изменений ИК слабая. В южной полярной области (55°–90° ю.ш.) эта связь нарушается влиянием Антарктиды, в северной полярной области (80°–90° с.ш.) влиянием Арктики (суммарно это влияние проявляется на 9,9% площади Земли). В широтной области от 55° ю.ш. до 80° с.ш. (т.е. без учета Арктики и Антарктики), многолетние изменения годовой аномалии ПТВ на 90,1% площади Земли на 53,9% определяются многолетними изменениями ИК. В летние в полушариях полугодия многолетние изменения полугодовой аномалии ПТВ в значительной степени определяется ИК, в зимние полугодия – инсоляцией. В целом, (без учета Антарктики) в зимнее для южного полушария полугодие многолетние изменения полугодовой аномалии ПТВ в среднем на 59,9% определяются многолетними изменениями зимней для этого полушария инсоляцией. В зимнее для северного полушария (без учета Арктики) полугодие многолетними изменениями инсоляции в среднем определяется 39,9% многолетних изменений зимней аномалии ПТВ. В летнее для южного полушария полугодие многолетними изменениями ИК в среднем определяется 52,5% многолетних изменений летней аномалии ПТВ. В летнее для северного полушария полугодие многолетними изменениями ИК определяется 48,1% многолетних изменений летней аномалии ПТВ. Многолетние изменения годовой аномалии ПТВ в широтных зонах в среднем на 56,8% определяются многолетними изменениями инсоляции соответствующих зон. В зимнее в южном полушарии полугодие многолетние изменения полугодовой аномалии ПТВ на 55,6% определяются зональной инсоляцией, в зимнее в северном полушарии полугодие – на 38,4%

3. Проведенный анализ связи во времени показывает, что многолетние изменения месячной аномалии ПТВ Земли в среднем на 65,5% определяются многолетними изменениями годовой ИК Земли. Минимальные оценки связи отмечаются для января, максимальные для мая. В северном полушарии многолетние изменения месячной аномалии ПТВ в среднем на 53,7% определяются многолетними изменениями годовой (или летней) ИК полушария. В южном полушарии многолетние изменения месячной аномалии ПТВ на 71,7% в среднем определяются многолетними изменениями годовой (или летней) ИК полушария. Положительная корреляция месячной аномалии ПТВ с многолетними изменениями месячной инсоляции отмечаются в зимние для полушарий полугодия. Положительная связь многолетних изменений месячных ИК с многолетними изменениями месячной аномалии ПТВ отмечается в летние для полушарий полугодия, отрицательная – в зимние (с инсоляцией наоборот). Таким образом, в целом для Земли многолетние изменения месячной аномалии ПТВ в среднем на 65,5% определяются многолетними изменениями инсоляционной контрастности в соответствующие месяцы. В период с мая по июль (при положении Земли вблизи афелия) многолетние изменения месячной аномалии ПТВ в среднем на 75,0% определяются многолетними изменениями месячной ИК Земли. В период с декабря по февраль значения коэффициента детерминации заметно снижаются (Земля в это время находится вблизи перигелия орбиты) и в среднем составляют 56,4%. В летнее полугодие в южном полушарии многолетними изменениями месячной ИК в среднем определяется 68,9% многолетних изменений месячной аномалии ПТВ. В северном полушарии в летнее полугодие многолетними изменениями месячной ИК в среднем определяется 60,5% многолетних изменений месячной аномалии ПТВ. Многолетними изменениями инсоляции в зимнее полугодие в южном полушарии в среднем определяется 74,5% многолетних изменений месячной аномалии ПТВ. В северном полушарии в зимнее полугодие всего 46,3% многолетних изменений месячной аномалии ПТВ определяется многолетними изменениями месячной инсоляции.

Поскольку солнечная радиация является основным источником тепла на Земле, то найденные корреляционные связи являются и причинно-следственными. Найденные связи в основном отражают известные тенденции изменения солярного климата Земли в настоящее время: усиление широтной контрастности и сглаживание сезонных различий. [166, 177]. Для современного солярного климата характерно сокращение поступления радиации в летние полугодия и увеличение в зимние полугодия. С тенденциями этих характеристик солярного климата Земли связаны найденные соотношения в многолетних изменениях аномалии ПТВ и многолетних изменениях инсоляции и ИК в пространстве и во времени.

Отмеченные достаточно высокие характеристики связи глобальной аномалии ПТВ и ИК, с увеличением пространственного и временного разрешения (от климатического масштаба к синоптическому), снижаются в связи с увеличением влияния местных и иных факторов (неоднородности подстилающей поверхности, циркуляционных процессов и др.) синоптического масштаба на формирование многолетних региональных и сезонных термических условий.

4.4. Изменение инсоляции Земли и содержания двуокиси углерода в атмосфере

Напомним, что Солнце является основным источником энергии, определяющим радиационный и тепловой баланс Земли. Годовой приход солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы Земли в среднем составляет 5,49 1024 Дж. В перераспределении, приходящего от Солнца тепла в пространстве климатической системы Земли (в атмосфере и океане) участвуют механизмы межширотного теплообмена («тепловая машина первого рода»), теплообмена в системе океан – материк, связанного с реверсивной сезонной сменой областей холода и тепла («тепловая машина второго рода»), в системе океан – атмосфера и др. [213]. Важным фактором в регулировании термического режима Земли является состав атмосферы (прежде всего, содержание Н2О), определяющий величину альбедо, роль парникового эффекта планеты и их изменение.

Парниковый эффект удерживает тепло получаемое нашей планетой от Солнца. При этом известно, что основным парниковым газом является водяной пар. Его содержание может достигать 4% в единице объема воздуха. Содержание СО2 составляет всего 0,04%, при этом, менее 1% от этого составляет двуокись углерода, связанная с деятельностью человека [35, 36]. Таким образом, по объемному содержанию в атмосфере водяной пар почти на два порядка превосходит содержание двуокиси углерода (суммарно природного и антропогенного). Почти на четыре порядка содержание Н2О в атмосфере превосходит содержание СО2 связанного с деятельностью человека (антропогенного происхождения). Действительно, наша планета – водная. Мировой океан занимает 2/3 площади Земли. Это основной источник водяного пара в атмосфере. В высокогорных районах Земле развиваются ледники, а в полярных районах распространяются морские льды. На Земле существуют две значительные ледниковые шапки (Антарктида и Гренландия), представляющие собой образования из Н2О находящейся в твердой фазе. На снимках из космоса видно, что Земля покрыта облаками. И это прежде всего водяной пар (а не СО2). Вода присутствует на Земле в трех фазовых состояниях. Переход из одного состояния в другое сопровождается процессами выделения или поглощения тепла. Таким образом, роль воды, льда и водяного пара в природе Земли (с учетом известного гидрологического цикла), в процессах теплообмена огромна. Климат – это состояние природной среды и оно, следовательно, также во многом связано с Н2О, являющейся важнейшим компонентом окружающей природной среды.

В случае отсутствия солнечного излучения температура на Земле была бы близка к температуре окружающего Землю пространства (близка к абсолютному нулю или –273°С). Сейчас среднегодовая приповерхностная температура Земли составляет около +15°С. В случае, отсутствия у Земли атмосферы (при существующем притоке лучистой энергии), ее температура была бы ниже существующей на 39 град. и, составила бы –24°С.

Таким образом, температурный режим Земли, в основном, определяется двумя природными факторами: приходящей от Солнца радиацией и парниковым эффектом планеты (при этом главным парниковым газом является водяной пар). Под парниковым эффектом Земли понимается разность между фактической температурой поверхности и эффективной температурой Te Земли [120]. Эффективная температура Te соответствует потоку L инфракрасного излучения от Земли, уходящему в космос, в расчете на единицу поверхности. Те Земли оценивается (в градусах К) в соответствии с законом Стефана – Больцмана L = σTe4, т.е. в предположении, что Земля является черным телом. Таким образом, парниковый эффект Земли ∆T = (T–Te). Эффективная температура Земли равна 249К (или –24°C), температура земной поверхности – 288К (+15°C), следовательно парниковый эффект определяется величиной в 39 градусов. Таким образом, соотношение факторов инсоляции и парникового эффекта в формировании термического режима Земли составляет 86,46% (249°) и 13,54% (39°) соответственно. Изменения парникового эффекта связываются, прежде всего, с изменением состава атмосферы (содержание водяного пара, СО2 и других парниковых газов, аэрозолей, вулканической пыли и т.д.). [166, 192].

Тем не менее многие исследователи (например, МГЭИК) называют в качестве основного фактора наблюдаемого потепления глобального климата увеличение содержания СО2, связанного с деятельностью человека. Рассчитанные на основе климатических моделей прогнозы изменения климата ориентированы на предполагаемые сценарии выбросов СО2 [111]. Эти представления составляют основу Климатической доктрины РФ, Рамочной конвенции ООН по изменению климата и Парижского соглашения по климату [66, 127, 136]. Однако, связь многолетних изменений инсоляции Земли и многолетних изменений содержания СО2 исследована недостаточно. Для изучения этой связи нами используются ранее выполненные расчеты инсоляции Земли [166, 177, 297]. В качестве исходных данных по многолетним изменениям содержания СО2 в атмосфере анализировались среднемесячные значения содержания СО2 полученные в результате инструментальных измерений в районе Мауна-Лоа (за период с 1975 по 2015 гг.) размещенные на сайте Национального управления океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) [294]. Именно эти данные по многолетним изменениям содержания СО2 являются основной аргументацией и «доказательством» того, что изменение содержания СО2, связанного с деятельностью человека является главной причиной изменения глобального климата Земли [37, 111]. При этом, предполагаемые сценарии изменения содержания СО2 в атмосфере сопоставляемые с различными возможными вариантами развития мирового промышленного производства составляют основу современного климатического прогнозирования [111, 125].

Анализ изменения содержания СО2 в атмосфере показывает, что многолетние изменения содержания СО2 на 99,4% определяются линейным трендом (рис. 4.48).

Рис_1.jpg

Рис. 4.48. Многолетние изменения содержания двуокиси углерода
в атмосфере [294] и линейный тренд

Таким образом, определение причин многолетних изменений содержания СО2 в атмосфере заключается в определении факторов с которыми связан тренд в изменении содержания СО2.

Определено, что на интервале от 3000 лет до н.э. до 2999 лет н.э. приходящая к Земле за год солнечная радиация сократилась всего на 0,005% (глава 3). В тоже время распределение приходящей за год радиации по широтным зонам изменяется более значительно (до 3%) [166, 177, 188, 260]. Поступление солнечной радиации в экваториальную область Земли в настоящее время (в диапазоне, по крайней мере, от 3000 лет до н.э. до 2999 лет н.э.) увеличивается, а в полярные области сокращается (рис. 3.2). То есть происходит увеличение широтной контрастности в солярном климате Земли (инсоляционной контрастности, межширотного градиента инсоляции) и сглаживание сезонных различий. Следствием этого эффекта, является усиление межширотного теплообмена (между теплыми и холодными областями Земли – областями источника и стока тепла) как в атмосфере, так и в океане [167, 177], то есть усиление работы «тепловой машины первого рода» [213].

Отмеченные изменения – тенденция усиления широтной контрастности и сглаживания сезонных различий в инсоляции Земли связана с вековой тенденцией уменьшения наклона оси вращения Земли (относительно перпендикуляра к плоскости эклиптики) в результате прецессии. Известно, что при увеличении угла наклона оси вращения увеличивается приход солнечной радиации в полярные районы, т.е. происходит сглаживание широтной контрастности в полушариях и усиление сезонных различий. При уменьшении угла наклона происходит увеличение радиации, поступающей в экваториальную область, уменьшение радиации поступающей в полярные районы и широтные контрасты возрастают, а сезонные различия сглаживаются [114].

Для анализа связи многолетних изменений содержания СО2 с многолетних изменений инсоляции Земли нами использовались два показателя (рис. 4.49): угол наклона Земли (определялся на основе астрономических эфемерид DE–406, [288] и инсоляционная контрастность (ИК) [297]. Для полушарий ИК рассчитывалась как разность солнечной радиации приходящей в область 0°–45° и приходящей в область 45°–90°. Для Земли принималось среднее по полушариям значение ИК.

Рис_3.jpg

Рис. 4.49. Изменение угла наклона оси вращения Земли (1)
и инсоляционной контрастности – ИК (2)

ИК линейно связана с углом наклона оси вращения Земли (коэффициент корреляции R = –0,997). Изменение угла наклона и связанной с ним ИК определяется небесно-механическими процессами: планетной прецессией (тренд) и нутацией (19-ти летние вариации). Значения ИК и угла наклона сглаживались методом скользящего среднего по 21 году для исключения 19-ти летней вариации не проявляющейся в многолетних изменениях содержания СО2. Многолетние изменения ИК в этом случае на 98,1% определяется линейным трендом (рис. 4.50).

Рис_4.jpg

Рис. 4.50. Многолетние изменения ИК и ее линейный тренд

Корреляционный анализ многолетних изменений содержания СО2, ИК (рис. 4.51) и угла наклона оси вращения показывает, что связь между этими переменными близка к линейной. Значение R для содержания СО2 в атмосфере и ИК составляет 0,988, для содержания СО2 в атмосфере и угла наклона –0,989 [191].

Рис_5.jpg

Рис. 4.51. График уравнения линейной регрессии и линейная аппроксимация

Полученные корреляционные связи стали основой для прогнозирования содержания СО2 на основе рассчитанных по инсоляции значений ИК [297]. Расчеты проводились на основе уравнений линейной и полиномиальной (полином второй степени) регрессии и последующего усреднения соответствующих значений содержания СО2, то есть получались ансамблевые прогностические оценки содержания двуокиси углерода в атмосфере (рис. 4.52).

Рис_6.jpg

Рис. 4.52. Многолетние изменения содержания СО2 по данным [294]
(с 1975 по 2015 гг.) и прогнозируемым (с 2016 по 2050 гг.) значениям

Коэффициент корреляции фактических и рассчитанных значений содержания СО2 составляет 0,988. Среднее по модулю расхождение фактических и рассчитанных по ансамблю линейных и полиномиальных решений составляет 2,631 ррm. Это всего 0,725% от среднегодового содержания СО2 в период инструментальных измерений (1975–2015 гг.). По рассчитанному прогнозу увеличение содержания СО2 в 2050 году относительно 2015 года составит 65,5 ppm. Таким образом, ожидаемое увеличение содержания СО2 составит около 16,3% независимо от усилий стран участниц Парижского соглашения по климату [191]. Это определяется тем, что менее 1% СО2 в атмосфере имеет антропогенное происхождение, в то время как многолетние изменения почти 99% содержащегося в атмосфере СО2 регулируются многолетними изменениями ИК. Полученный по регрессионной модели оценочный прогноз содержания СО2, таким образом, по своей определенности принципиально отличается от предполагаемых сценарных прогнозов МГЭИК [111].

Нами рассчитывалась дисперсия содержания СО2 в рядах фактических значений (D1) и в рядах разности фактических и рассчитанных (средних по ансамблю линейных и полиномиальных решений) значений содержания СО2 (D2). Затем находилось отношение дисперсии в соответствующих рядах разности фактических и рассчитанных значений содержания СО2 и дисперсии фактических значений (D2/D1). Вычитанием из единицы полученных значений и затем умножением их на 100 были рассчитаны значения (в процентах) объясняемых регрессионной моделью изменений содержания СО2 в атмосфере. В результате получено, что 97,7% многолетних изменений содержания СО2 в атмосфере объясняется многолетними изменениями ИК в регрессионной модели.

Следует также отметить, что инсоляция рассчитывалась без учета атмосферы (а значит и содержания СО2).

В результате проведенного анализа причины и механизм изменения глобального климата (его температурного режима) в связи с изменением инсоляции, схематично можно представить следующим образом. Приход инсоляции в экваториальную область (источник тепла) увеличивается, а в полярные районы (области стока тепла) сокращается [166, 177]. То есть увеличивается инсоляционная контрастность между экватором и полюсами. Это приводит к усилению межширотного теплообмена (усилению работы «тепловой машины первого рода») [213]. Тепло переносится воздушными потоками (в основном вихревыми образованиями – тропическими и внетропическими циклонами) в области стока, где от этого повышается температура (явное тепло). Воздушные массы при этом могут охлаждаться, высвобождая и скрытое тепло за счет конденсации. Повышение температуры приводит к увеличению испарения и повышению содержания водяного пара (и других парниковых газов) в атмосфере [2]. Следствием этого является усиление парникового эффекта в областях стока тепла, что приводит к дополнительному повышению температуры. Кроме того, увеличение глобальной температуры в полярных районах определяется и положительными обратными связями, например, снижением альбедо из-за сокращения площади морских льдов в летний период [177, 297]. Усиление межширотного теплообмена происходит и в океане [166, 177, 297].

В общепринятых в настоящее время представлениях о причинах изменения климата [111] основной из них считается многолетнее изменение содержания СО2, связанное с деятельностью человека. Однако, как показывают наши исследования, многолетние изменения ПТВ (приповерхностная температура воздуха) и ТПО (температура поверхности океана) на 68,3% определяются ИК, с учетом фаз 60-ти летнего колебания эти значения составляют 84,1% и 84,2% [166]. Физической основой по которой ИК является причиной увеличения содержания СО2 является то, что многолетними изменениями ИК определяются многолетние изменения ТПО [166, 297]. Следствием увеличения ТПО является уменьшение растворимости СО2 в океане (и увеличение содержания СО2 в атмосфере). Коэффициент корреляции содержания СО2 в атмосфере и аномалии ТПО [288] составляет 0,907. Согласно закону Генри – Дальтона, концентрация растворенного газа в воде и интенсивность газообмена атмосферы и океана зависят от парциального давления газа в атмосфере и его растворимости, которая снижается при повышении температуры (ТПО) и увеличении солености воды:

$m_{g} = C p_{g},$

где $m_{g}$ – молярная концентрация газа в воде, $p_{g}$ – парциальное давление газа над раствором, $C$ – константа растворимости газа [35].

Таким образом многолетние изменения содержания СО2 в основном являются результатом многолетних изменений ТПО, которая является следствием увеличения ИК (глава 5) определяемого уменьшением угла наклона оси вращения Земли. Многолетние изменения содержания СО2 являются не причиной, а следствием изменения глобального климата, определяемого изменением наклона оси вращения Земли. Ранее, на основе сравнительного анализа палеотемператур и значений парциального давления СО2, полученных в результате анализа изотопного состава ледовых кернов Антарктиды аналогичный вывод относительно содержания СО2 был сделан О.Г. Сорохтиным [152].

По рассчитанному прогнозу содержание СО2 в 2050 году увеличится до 466 ppm. Увеличение содержания СО2 относительно 2015 года составит 65,5 ppm. Следовательно, ожидаемое увеличение содержания СО2 в атмосфере составит около 16,3% независимо от усилий стран участниц Парижского соглашения по климату.

Тенденции и причины изменений глобального климата земли В современную эпоху

Глава 4. Атмосфера