Изменение температуры поверхности океана
5.1. Многолетние тенденции в изменении ИК и ТПО
5.3. Изменение уровня Мирового океана
***
Изменение температуры поверхности океана
Более 2/3 поверхности Земли занято Мировым океаном, обладающим большой теплоемкостью и являющимся основным поставщиком водяного пара (основного парникового газа) в атмосферу. Океан активно обменивается веществом (водяной пар – испарение, атмосферные осадки) и энергией (теплом) с атмосферой. Поэтому велика его роль в формировании и изменении климата Земли. Влияние неоднородности подстилающей поверхности – более океаническая и менее океаническая на изменение ПТВ отмечалось в разделе 4.2 Теплообмен океана с атмосферой во многом определяется температурой поверхности океана (ТПО), которая в свою очередь тесно связана с инсоляцией. «Как бы ни были разнообразны и, разнохарактерны периодические движения, возникающие в водах мирового океана, корни их кроются обычно в одном и том же: лучистой энергии Солнца [213, с. 7).
5.1. Многолетние тенденции в изменении ИК и ТПО
Прогноз аномалии ТПО рассчитывался на основе уравнений регрессии в соответствии с приведенным в предыдущей главе алгоритмом (раздел 4.1). При расчетах и анализе использовались ранее рассчитанные значения инсоляционной контрастности (рис. 4.1). Исследование связи данных ТПО и значений инсоляционной контрастности (ИК) проводилось на основе корреляционного анализа. Корреляционная связь исследовалась по рядам с постоянной продолжительностью в 100 лет (вековым интервалам) с последовательным смещением (с шагом в 1 год) их от начала массива фактических данных (1850 г.) к концу (2016 г.). Таким образом, определялись значения коэффициента корреляции (R) для интервалов 1850–1949 гг., 1851–1950 гг. и т. д., всего для 68 вековых интервалов (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Распределение значений коэффициента корреляции
между аномалией ТПО и ИК по вековым интервалам
(1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Мировой океан)
Значения R между величинами аномалии ТПО и ИК, в свою очередь, характеризуются высокой степенью корреляционной связи со средними для соответствующих вековых интервалов значениями показателя метеоданных (представленных в архиве HadSST3) [293]. Показатель метеоданных – это выраженная в процентах доля поверхности Мирового океана (и доля занятых океаном поверхности полушарий), охваченная 5-ти градусными ячейками с метеоданными относительно всей поверхности Мирового океана (и относительно поверхности занятой океаном в полушариях) (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Распределение показателя метеоданных по вековым интервалам
(1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Мировой океан)
Связь представленных на рис. 5.1 и 5.2 рядов характеризуется значениями R для Мирового океана равным 0,976, для северного полушария 0,965, для южного полушария 0.971. Изменение значений R (рис. 5.1) по вековым интервалам отражает неоднородный характер распределения метеоданных в массиве HadSST3 по степени полноты и достоверности [305]. 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. 5.1). Изменения R по 18-ти вековым интервалам относительно соответствующего среднего значения составляют для Мирового океана 1,03%, для северного полушария 1,59%, для южного – 0,63%. Вековые интервалы, охватывающие период наиболее достоверных данных, имеющие высокие и стабильные значения R, отражающие фактическую и достоверную связь аномалии ТПО и ИК, приняты нами в качестве основы для построения уравнений линейной и полиномиальной (полином 2-й степени) регрессии [166, 297].
Значения коэффициента корреляции аномалии ТПО и ИК для достоверных вековых интервалов приведены в табл. 5.1. В южном полушарии отмечается более тесная корреляционная связь аномалии ТПО с ИК, чем в северном полушарии.
Таблица 5.1.
Значения коэффициента корреляции аномалии ТПО (HadSST3)
и ИК для достоверных вековых интервалов
По уравнениям линейной и полиномиальной регрессии полученным для достоверных вековых интервалов, были рассчитаны значения аномалии ТПО для Мирового океана и полушарий на период с 1900 по 2050 гг. Для вычислений использовались значения ИК, рассчитанные по данным солнечной радиации, приходящей на земной эллипсоид [297]. Расчет проводился по 18-ти уравнениям линейной (рис. 5.3, 5.4) и 18-ти уравнениям полиномиальной регрессии (рис. 5.5), полученным для достоверных вековых интервалов для Мирового океана, северного и южного полушария. Значения коэффициента детерминации (R2) для Мирового океана меняются от 0,576 до 0,637, в среднем составляя 0,608. Для северного полушария значения R2 ограничены диапазоном от 0,440 до 0,511 при среднем значении 0,478. В южном полушарии значения R2 по отношению к северному полушарию возрастают. Среднее значение R2 составляет 0,667, значения R2 находятся в диапазоне от 0,667 до 0,712.
Рис. 5.3. Связь аномалии ТПО с ИК и график уравнения линейной регресии
для векового интервала 1917–2016 гг. (Мировой океан)
Рис 5.4. Семейство уравнений линейной регрессии
для достоверных вековых интервалов
(Мировой океан, период с 1850 по 2050 гг.)
Рис. 5.5. Семейство полиномиальных уравнений регрессии
(полином 2-й степени) для достоверных вековых интервалов
(Мировой океан, период от 1850 до 2050 гг.)
По семействам уравнений регрессии (из 18-ти уравнений в каждом семействе) для достоверных вековых интервалов для Мирового океана, северного и южного полушария рассчитывались значения аномалии ТПО для периода от 1900 до 2016 гг. Затем рассчитывались средние по ансамблю значения аномалии ТПО отдельно по линейным и полиномиальным решениям. Полученные по уравнениям линейной и полиномиальной регрессии средние значения аномалии ТПО также усреднялись (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Средние значения аномалии ТПО по ансамблю расчетов
на основе линейной и полиномиальной регрессии
(1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Мировой океан)
Рассчитанные таким образом значения аномалии ТПО сравнивались с соответствующими фактическими значениями аномалии ТПО [293, массив HadSST3) в интервале с 1900 по 2016 гг. (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Рассчитанные с 1900 по 2016 гг. (средние по линейным
и полиномиальным решениям – сплошная линия) для Мирового океана
и фактические с 1900 по 2016 гг.
(данные HadSST3 – кружки) значения аномалии ТПО
Рассчитанные ряды аномалии ТПО (рис. 5.7) характеризуются тесной корреляционной связью с фактическими значениями аномалии ТПО. Для Мирового океана значение R составляет 0,836, для северного полушария 0,775, для южного полушария 0,873. Средние по модулю расхождения составляют для Мирового океана 0,120°C, для северного полушария 0,147°C. для южного полушария 0,107°C. Средние по модулю значения фактической аномалии ТПО составляют для Мирового океана 0,206°C, для северного полушария 0,208°C, для южного полушария 0,230°C. Полученные расхождения (по модулю) составляют 58,2% для Мирового океана, 70,8% для северного полушария и 46,5% для южного полушария от соответствующих средних (по модулю) значений фактической аномалии ТПО. По знаку фактические значения аномалии ТПО имеют хорошие совпадения с расчетными. Ряды аномалии ТПО (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 ТПО Мирового океана составляют 82,9% (97 из 117 значений), для северного полушария 76,9% (90 из 117 значений), для южного полушария 81,2% (95 из 117 значений). Разность фактических и рассчитанных (рис. 5.7) значений аномалии ТПО Мирового океана представлена на рис. 5.8. Сходное распределение характерно и для полушарий [166].
Рис. 5.8. Разность фактических и рассчитанных (по ансамблю линейных
и полиномиальных решений) значений аномалии ТПО Мирового океана
(аппроксимация – полином 5-й степени)
Представленные на рис. 5.8 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. Сходные группы выделяются и для полушарий. Для определения характеристик колебания использовались выбранные для ПТВ (раздел 4.1) диапазоны «теплых» и «холодных» фаз колебания разности фактических и рассчитанных значений аномалии. При выбранном варианте временных границ фаз колебания (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) для Мирового океана в каждой группе в среднем 79,8% фактических значений находятся либо выше расчетных значений, либо ниже. В северном полушарии однородность (по критерию выше или ниже расчетных) значений в группах в среднем составляет 79,4%. Хронологически эти группы (фазы), вероятно, синхронизируются с выделяемыми в типизации атмосферных процессов для северного полушария циркуляционными эпохами [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 80,9%. Таким образом, определяемые эпохи соотносятся с «теплыми» и «холодными» фазами выделяемого в гидрометеорологических процессах колебания со средним периодом около 60-ти лет [40, 199, 200]. Выделяемое колебание в расхождении фактических значений аномалии ПТВ и аномалии ТПО с соответствующими рассчитанными значениями проявляются, в общем, синхронно (в атмосфере и океане). Средняя амплитуда колебания в океане (0,120°C) на интервале с 1900 по 2016 гг. меньше, чем в атмосфере (137°C).
Средние значения расхождения для «теплых» и «холодных» фаз (при рассматриваемом варианте их границ) составляют для Мирового океана 0,099°С и –0,098°С, для северного полушария 0,127°C и –0,114°C, для южного полушария 0,068°C и –0,077°C соответственно. Так как отмеченное колебание на данном временном интервале является относительно систематическим, то можно приблизительно учесть связанные с ним ошибки в моделировании (на основе уравнения регрессии) аномалии ТПО. С учетом полученных для эпох средних значений расхождения (рис. 5.8) в качестве поправок (алгебраическим сложением с рассчитанными значениями аномалии ТПО), расхождения фактических и рассчитанных значений в среднем по модулю для Мирового океана сокращаются до 0,092°С (44,6% от модуля средней фактической аномалии), что на 13,6% меньше, чем без учета поправки. В северном полушарии среднее расхождение по модулю с учетом поправок составляет 0,104°С (50,1%, т.е. на 20,7% меньше, чем без учета поправок). В южном полушарии среднее расхождение по модулю равняется 0,093°С (40,4%, т.е. на 6,1% меньше, чем без учета поправок). Значение R для рассчитанных значений аномалии ТПО, учитывающих поправку с рядами фактических значений аномалии ТПО, возрастает для Мирового океана до 0,893, для северного полушария до 0,857, для южного полушария до 0,904 [166, 197].
Рассчитывалась дисперсия значений аномалии ТПО в рядах фактических значений (D1) и в рядах разности фактических и рассчитанных (средних по ансамблю линейных и полиномиальных решений) значений аномалии ТПО (D1). Затем находилось отношение дисперсии в соответствующих рядах разности фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО 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 ТПО. Для Мирового океана регрессионной моделью объясняется 68,3% аномалии ТПО, для северного полушария 57,3%, для южного полушария 75,4%. Для рядов, учитывающих поправки на 60-ти летнее колебание (средние для «теплых» и «холодных» фаз), эти значения увеличиваются. Для Мирового океана в этом случае регрессионная модель объясняет 82,7% дисперсии аномалии ТПО, в северном полушарии 77,1%, в южном полушарии 82,8%. Таким образом, 60-ти летнее колебание объясняет 14,4% многолетних изменений аномалии температуры поверхности Мирового океана, 19,8% изменений аномалии ТПО в северном полушарии и 7,4% изменений аномалии ТПО 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 (ИК и 60-ти летним колебанием) объясняется 84,2% изменения аномалии ТПО Мирового океана, 79,1% изменения аномалии ТПО в северном полушарии и 83,8% в южном полушарии.
В соответствии с рассмотренным в разделе 4.1 алгоритмом, по значениям ИК [297] на основе полученных уравнений регрессии рассчитывались значения аномалии ТПО на период с 2017 по 2050 гг. Расчеты выполнялись для Мирового океана и полушарий. Последовательные этапы расчетов иллюстрируются графиками, отражающими результаты соответствующих этапов расчетного алгоритма (рис. 5.9–5.17). На всех представленных графиках в диапазоне с 2017 по 2050 гг. отмечается медленное увеличение значений аномалии ТПО. На фоне медленного увеличения отмечаются два четко выраженных минимума и два максимума. Минимальные значения аномалии ТПО приходятся на 2023 и 2025 гг., 2042 и 2044 гг.; максимальные – на 2032, 2035 гг. и на 2050 г. Однако, значения аномалии как в экстремумах, так и на всем диапазоне, различаются как для Мирового океана и полушарий, так и для разных способов расчета (линейных, полиномиальных решений и решений на основе ансамбля). Здесь так же как и в случае аномалии ПТВ (глава 4) минимальные значения аномалии ТПО приходятся на положение восходящего (северного) лунного узла вблизи точки весеннего равноденствия. Максимальные значения аномалии ТПО связаны с положением восходящего (северного) лунного узла в окрестностях точки осеннего равноденствия.
Таким образом, найдена связь изменения во времени аномалии ТПО с изменением ИК. Однако форма этой связи однозначно не определена. Именно поэтому для оценочного прогноза используются средние по ансамблю (линейных и полиномиальных решений) значения аномалии ТПО. Минимальные разбросы значений аномалии ТПО как для случая линейных решений, так и для расчетов на основе полиномиального уравнения регрессии, связаны с южным полушарием [166, 297].
Рис. 5.9. Серия графиков значений аномалии ТПО,
рассчитанных по уравнению линейной регрессии для Мирового океана
Рис. 5.10. Серия графиков значений аномалии ТПО,
рассчитанных по уравнению линейной регрессии для северного полушария
Рис. 5.11. Серия графиков значений аномалии ТПО,
рассчитанных по уравнению линейной регрессии для южного полушария
Рис. 5.12. Изменение средних по ансамблю линейных решений
значений аномалии ТПО
(1 –северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Мировой океан)
Анализ средних по ансамблю линейных расчетов (рис. 5.12) показывает, что увеличение аномалии температуры поверхности Мирового океана с 2017 по 2050 гг. может составить 0,155°C. В северном полушарии прогнозируется увеличение аномалии ТПО на 0,131°C, в южном на 0,186°C. В этом случае среднее увеличение аномалии ТПО в 2050 г. относительно 2017 г. составит 47,0% для Мирового океана, 39,7% для северного полушария и 55,9% – для южного полушария. Максимальные значения аномалии ТПО составят в 2035 г. 0,475°C, 0,455°C и 0,505°C, в 2050 г. 0,485°C, 0,461°C и 0,519°C, для Мирового океана, северного и южного полушария соответственно. Минимальные значения аномалии ТПО приходятся на 2023 г. и 2025 г. Они составляют в 2023 г. 0,178°C, 0,189°C и 0,167°C, в 2025 г. 0,185°C, 0,197°C и 0,172°C, для Мирового океана, для северного и южного полушария соответственно. Минимальные значения в 2042 г. составляют 0,274°C, 0,275°C и 0,277°C, в 2044 г. 0,281°C, 0,282°C и 0,284°C, для Мирового океана, для северного и южного полушария соответственно.
В полиноминальных решениях максимальная дисперсия отмечается вблизи максимумов значений ТПО (рис. 5.13–5.15). Вблизи минимумов расхождения между отдельными полиномиальными решениями минимальные.
Рис. 5.13. Серия графиков значений аномалии ТПО Мирового океана,
рассчитанных по полиномиальному уравнению регрессии
Рис. 5.14. Серия графиков значений аномалии ТПО северного полушария,
рассчитанных по полиномиальному уравнению регрессии
Рис. 5.15. Серия графиков значений аномалии ТПО южного полушария,
рассчитанных по полиномиальному уравнению регрессии
Рис. 5.16. Изменение средних по ансамблю
полиномиальных решений значений аномалии ТПО
(1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Мировой океан)
Для полиномиальных решений отмечаются значительные разбросы значений вблизи максимумов аномалии ТПО, особенно в северном полушарии. Из анализа результатов, полученных по ансамблю полиномиальных расчетов (рис. 5.16) следует, что увеличение аномалии ТПО Мирового океана с 2017 по 2050 гг. может составить 0,091°C. В северном полушарии аномалия ТПО увеличится на 0,063°C, в южном на 0,117°C. Следовательно, среднее увеличение аномалии ТПО в 2050 г. относительно 2017 г. составит 33,3% для Мирового океана, 24,0% для северного полушария и 41,6% для южного полушария. Максимальные значения аномалии ТПО составят в 2035 г. 0,359°C, 0,324°C и 0,390°C, в 2050 г. 0,364°C, 0,326°C и 0,398°C для Мирового океана, северного и южного полушария соответственно. Минимальные значения, по расчетам, приходятся на 2023 и 2025 гг. Они составляют в 2023 г. 0,164°C, 0,172°C и 0,155°C, в 2025 г. 0,169°C, 0,177°C и 0,159°C, для Мирового океана, северного и южного полушария, соответственно. Второй минимум ТПО приходится на 2042 и 2044 гг. В 2042 г. аномалии ТПО составляют 0,235°C, 0,230°C и 0,240°C, в 2044 г. 0,240°C, 0,234°C и 0,245°C, для Мирового океана, северного и южного полушария, соответственно. Экстремальные значения в средних линейном и полиномиальном решениях хронологически совпадают.
Рис. 5.17. Оценочный прогноз изменения аномалии ТПО
по ансамблю линейных и полиномиальных решений
(1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Мировой океан)
Анализ средних по ансамблю линейных и полиномиальных решений (рис. 5.17) показывает, что увеличение аномалии ТПО Мирового океана с 2017 г. по 2050 г. может составить 0,124°C. Увеличение аномалии ТПО ожидается на 0,098°C в северном полушарии и на 0,151°C в южном. Увеличение аномалии ТПО в 2050 г. (относительно 2017 г.) составит 41,1% для Мирового океана, 33,1% для северного полушария и 49,1% для южного полушария. Максимальные значения аномалии ТПО ожидаются в 2035 г. – 0,417°C, 0,390°C и 0,448°C и в 2050 г. 0,424°C, 0,394°C и 0,458°C для Мирового океана, северного и южного полушария соответственно. Минимальные значения, по расчетам, приходятся на 2023 г. и 2025 г. Они составляют в 2023 г. 0,171°C, 0,180°C и 0,161°C, в 2025 г. 177°C, 0,187°C и 0,166°C, для Мирового океана, северного и южного полушария соответственно. Второй минимум отмечается в 2042 и 2044 гг. В 2042 г. значения аномалии ТПО составляют 0,254°C, 0,252°C и 0,258°C, в 2044 г. 0,261°C, 0,258°C и 0,264°C для Мирового океана, северного и южного полушария соответственно.
Следует отметить, что значения аномалии ТПО, указанные в архиве HadSST3 для 2015 и 2016 годов, вероятно, можно считать только предварительными. Указанные значения, например, в 2016 г. составляют для Мирового океана 0,592°C, для северного полушария 0,737°C, для южного полушария – 0,425°C. Эти значения, как и значения аномалии ПТВ за 2015 г. и 2016 г., представляются завышенными.
Из архивных данных и результатов расчетов изменения аномалии ПТВ, полученным (в главе 4) по ансамблю линейных и полиномиальных решений, следует, что аномалия ПТВ на всем интервале с 1850 по 2050 гг. увеличивается в северном полушарии больше, чем в южном (рис. 4.2, 4.23). Результаты изменения аномалии ТПО показывают, что с 1850 г. по приблизительно 2010 г. увеличение аномалии ТПО в северном полушарии превышают увеличение аномалии ТПО в южном полушарии (рис. 5.6). Однако, начиная приблизительно с 2010 г. увеличение аномалии ТПО в южном полушарии начинает превышать увеличение аномалии ТПО в северном полушарии. Это превышение особенно заметно в диапазонах максимальных значений аномалии ТПО. В диапазонах минимальных значений увеличение аномалии ТПО в северном полушарии приблизительно до 2025–2030 гг. по-прежнему превосходит увеличение аномалии ТПО в южном полушарии (рис. 5.17). После этого значения аномалии ТПО в южном полушарии начинают превышать значения аномалии ТПО в северном полушарии на всем интервале до 2050 г. В среднем значение аномалии ПТВ в диапазоне с 2000 по 2050 гг. составит в северном полушарии 0,433°C, в южном полушарии 0,295°C. Средние значения аномалии ТПО в этом диапазоне ожидаются равными 0,263°C и 0,272°C для северного и южного полушария, соответственно. Вопрос о том, к каким климатическим последствиям могут привести более высокие темпы роста аномалии ТПО в ближайшее будущее в южном полушарии, вероятно, может быть решен проведением модельных экспериментов.
Для уточнения рассчитанного нами оценочного прогноза необходимо учитывать отмеченную уже поправку на 60-ти летнее колебание (Климатическое мультидекадное колебание – КМО). Однако, амплитудно-периодические характеристики этого колебания еще однозначно не определены. Наши исследования в интервале от 1850 гг. до 2015 гг. изменения аномалии ТПО и ПТВ показывают, что период колебания расхождения соответствующих фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО [166, 297] на этом интервале находится в пределах приблизительно от 62 до 69 лет (раздел 5.2). С учетом продолжительности эпох окончание текущей «теплой» фазы колебания можно ожидать в диапазоне 2018–2022 гг. (в принятом варианте временных границ фаз, при котором начало текущей «теплой» фазы приходится на 1987 г.). В настоящее время в «теплой» фазе колебания фактические значения аномалии ТПО превышают рассчитанные значения. Превышение фактических значений аномалии ТПО в текущей фазе составляет в среднем 0,118°C для Мирового океана, 0,147°C для северного полушария и 0,087°C для южного полушария. Ожидается, что в следующей «холодной» фазе колебания фактические значения аномалии ТПО будут уступать рассчитанным значениям аномалии ТПО в среднем на 0,098°C для Мирового океана (рис. 5.18).
В исходных временных рядах аномалии ПТВ и ТПО, (осредненных по полушариям, Земле и Мировому океану) и уровня Мирового океана (УМО) изменчивость в основном (от 69% до 85% в рядах ПТВ и ТПО и от 95% до 98% в рядах УМО) определяется трендами. Поэтому корреляционное сопоставление этих трендов с трендами угла наклона оси и ИК (83% – 85% дисперсии в этих рядах также объясняется трендами) представляется оправданным для объяснения причин от 69% до 98% изменений аномалии ПТВ, ТПО и УМО определяемых трендом.
Рис. 5.18. Оценочный прогноз изменения аномалии ТПО
по ансамблю линейных и полиномиальных решений с учетом КМО
(1 – Мировой океан, 2 – северное полушарие, 3 – южное полушарие)
В северном полушарии фактические значения аномалии ТПО в «холодной» фазе в среднем будут на 0,114°C, а в южном полушарии на 0,077°C ниже рассчитанных нами для соответствующих полушарий значений аномалии ТПО. Увеличение аномалии ТПО, вероятно, в основном будет проявляться в широтных зонах, расположенных выше 45° в каждом полушарии (в областях стока тепла). При этом в южном полушарии увеличение аномалии ТПО будет большим, чем в северном полушарии [166, 297].
5.2. Североатлантическая осцилляция
(Atlantic multidecadal oscillation)
и климатическая мультидекадная осцилляция (КМО)
Североатлантическая осцилляция (Atlantic multidecadal oscillation – АМО) – колебание в климатической системе Земли, отражающее периодическую изменчивость температуры поверхности океана в Северной Атлантике, была обнаружена в 1994 году М. Шлезингером и Н. Раманкутти [344]. Эти колебания с периодом в среднем около 65–70 лет подтверждаются историческими наблюдениями и модельными расчетами [243, 248, 306, 352]. Однако, единства мнений относительно амплитуды и генезиса этого явления пока не существует. Оценкой Североатлантической осцилляции является индекс АМО, представляющий собой аномалию температуры поверхности океана (ТПО) в этом районе относительно среднего значения за период с 1951 по 1980 гг. [291]. Отмечается корреляция температуры воздуха, атмосферных осадков и активности ураганов с индексом Североатлантической осцилляции на большей части северного полушария, в особенности в Северной Америке, Северной Африке и в Европе [256, 276, 347, 353]. Моделирование и прогнозирование изменения климата требует знания пространственных и временных особенностей этой мультидекадной изменчивости и ее причин.
Проведенное сравнение рассчитанных и фактических значений аномалии ПТВ Земли и аномалии ТПО показывает, что существуют группы фактических значений аномалии (продолжительностью в среднем около 30 лет на интервале 1900–2016 гг.), расположенные либо выше рассчитанных значений аномалии, либо ниже (разделы 4.1, 5.1). Отмеченные для ПТВ и ТПО колебания происходят (в атмосфере и поверхностном слое океана) в общем синхронно. Ряды значений расхождения фактических с расчетными значениями аномалии ПТВ и ТПО тесно связаны корреляционно. Значения R для рядов ТПО и ПТВ с 1900 по 2016 гг. составляет 0,820, для рядов с 1850 по 2016 гг. – 0,839. Также из полученных результатов следует, что амплитуда колебания как для ПТВ, так и для ТПО в северном полушарии выше, чем в южном полушарии. На интервале с 1900 по 2016 гг. среднее по модулю значения аномалии ПТВ в северном полушарии составляет 0,173°C и 0,113°C в южном полушарии. Среднее значения аномалии ТПО (на этом же интервале) в северном полушарии равно 0,147°C и 0,107°C в южном полушарии. Колебание с периодом около 60-ти лет выявляется вейвлет анализом данных аномалии ПТВ приведенных в архиве HadCRUT3 (рис. 5.19). При спектральном анализе архива HadCRUT3 выявляются два четких максимума спектральной плотности вблизи периодов 60 и 20 лет [104].
Рис. 5.19. Вейвлет–разложение ряда аномалии ПТВ
(Малинин, Гордеева, 2011)
В связи с тем, что данные по мультидекадному колебанию представлены в архиве данных с 1856 г. [291], сравнение их с полученными нами расхождениями фактических и рассчитанных значений ТПО северного полушария проводилось в интервале с 1856 по 2016 гг. (рис. 5.20).
Рис. 5.20. Распределение расхождения фактических
и рассчитанных по ансамблю линейных и полиномиальных решений
значений аномалии ТПО в северном полушарии
Из-за расширения временного интервала данных аномалии ТПО и АМО мы рассматривали другой вариант (но в пределах отмеченных нечетких границ фаз – глава 4) временной локализации «теплых» и «холодных» фаз колебания расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО (табл. 5.2) В этом варианте в каждой фазе в среднем 79,9% фактических значений находятся либо выше расчетных значений, либо ниже [166, 297].
Среднее по модулю значение аномалии ТПО на интервале с 1856 по 2016 гг. составляет 0,211°C. Среднее (по модулю) значение расхождения аномалии ТПО (c 1856 по 2016 гг.) составляет по всему массиву 0,159°C (75,4% от среднего модуля аномалии ТПО), для «теплых» и «холодных» эпох 0,150°C и –0,120°C соответственно.
Таблица 5.2
Характеристики «теплых» и «холодных» эпох ТПО северного полушария
в диапазоне с 1856 по 2016 гг.
Средняя продолжительность выделяемых эпох в этом случае (на интервале с 1856 по 2016 гг.) составляет 34,5 лет. Для завершенных эпох (исключается эпоха 1856–1900 гг., данные по которой могут быть ненадежными, и современная эпоха), средняя продолжительность составляет 31 год. Период колебания расхождения соответствующих фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО, таким образом, равен приблизительно 62–69 годам (в случае принятого варианта временной локализации фаз колебания). С учетом продолжительности эпох (и выбранной временной локализации границ фаз) окончание текущей «теплой» эпохи можно ожидать в диапазоне 2025–2029 гг. Однако, напомним, что временные границы фаз колебания не являются четкими.
Полученное распределение расхождения фактических значений ТПО северного полушария и рассчитанных сравнивалось с распределением индекса АМО (рис. 5.21).
Рис. 5.21. Распределение среднегодового индекса АМО [291]
Сравнение полученного характера распределения расхождения фактических и расчетных значений аномалии ТПО северного полушария с распределением индекса АМО показывает их значительное сходство. Следует отметить, что некоторые различия могут быть связаны с тем, что аномалии ТПО рассчитываются относительно периода 1961–1990 гг., а индекс АМО относительно периода 1951–1980 гг. Кроме того, аномалии ТПО определяются для всего северного полушария, а индекс АМО только для Северной Атлантики.
Коэффициент корреляции расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО составляет по всему ряду 0,835, с 1900 по 2016 гг. – 0, 842, с 1950 (наиболее достоверные метеоданные) – 0,877. Средние модули расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО имеют довольно близкие значения: 0,159°C и 0,146°C соответственно. Начало и продолжительность «теплых» и «холодных» фаз индекса АМО в точности совпадает или отличается всего на год от соответствующих эпох, выделяемых (в принятом варианте границ фаз колебания) в распределении расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО. Таким образом, расхождение фактических значений аномалии ТПО с рассчитанными значениями по данным инсоляции и, значения индекса АМО на интервале 1956–2016 гг., в общем, совпадают.
Для исследования физической природы мультидекадного колебания многолетняя изменчивость аномалии ТПО и индекса АМО сравнивалась с вариациями скорости осевого вращения Земли (рис. 5.22). Изменение скорости вращения Земли характеризуется безразмерной величиной:
,
где Т – длительность земных суток; Р – длительность стандартных (атомных или эфемеридных) суток, равная 86400 с; ω = 2π /ПЗ и Ω = 2π /86400 рад/с. – угловые скорости, соответствующие земным и стандартным суткам. Поскольку величина ω изменяется только в девятом – восьмом знаке, то значения ν имеют порядок 10–9–10–8 [147].
Рис. 5.22. Вариации скорости осевого вращения Земли, ν × 1010
(по данным, предоставленным Н.С. Сидоренковым)
Значения R между разностью фактических и расчетных значений аномалии ТПО и отклонением скорости осевого вращения по всему массиву данных (с 1856 г. по 2016 гг.) составляют 0,506, с 1900 г. – 0,550, с 1950 г. – 0,684. Сходным образом изменяется значение R между индексом АМО и величиной отклонения скорости осевого вращения Земли. По массиву данных с 1856 г. по 2016 г. значение R составляет 0,438, с 1900 г. – 0,551, с 1950 г. – 0,763. Таким образом, по мере увеличения достоверности данных (ближе к современности) связь становится более тесной. Повышение достоверности данных ТПО определяется увеличением числа станций и точности наблюдений. Повышение достоверности данных по отклонению скорости осевого вращения Земли связано с введением в практику наблюдений атомного времени (с 1955 г.). После сглаживания рядов методом 5-летнего скользящего среднего значения R между вариациями скорости осевого вращения Земли и расхождением фактических и рассчитанных значений ТПО по всему массиву (с 1856 г.) становится равным 0,607, с 1900 г. 0,655, с 1950 г. 0,802. Значения R между значениями отклонения скорости осевого вращения Земли и индексом АМО по всему массиву (с 1856 г.) характеризуется значениями 0,546, с 1900 г. 0,697, с 1950 г. 0,900. Таким образом, эти явления тесно связаны между собой (рис. 5.23).
Рис. 5.23. Связь индекса АМО с вариацией скорости осевого вращения Земли
на интервале 1950–2016 гг.
Сопоставление распределения аномалии ПТВ, ТПО рассчитанных на основе инсоляции, индекса АМО и отклонения скорости осевого вращения Земли за период с 1850 г. приведено на рис. 5.243–5.26. Значения разности фактических и рассчитанных значений аномалии ПТВ, ТПО и индекса АМО умножены на 1000.
Рис. 5.24. аспределение вариаций скорости осевого вращения Земли (1), ν × 1010
и расхождения между фактическими и рассчитанными значениями аномалии
ТПО (2), °С × 103 (аппроксимация – полиномы 6-й степени)
Рис. 5.25. Распределение вариаций скорости осевого вращения Земли (1),
ν × 1010 и индекса АМО (2), °С × 103 (аппроксимация – полиномы 6-й степени)
Рис. 5.26. Распределение вариаций скорости осевого вращения Земли (1),
ν × 1010 и расхождения между фактическими и рассчитанными
значениями аномалии ПТВ (2), °С × 103 (аппроксимация – полиномы 6-й степени)
Вариации скорости осевого вращения рассчитывались относительно среднего для 1961–90 гг. при сравнении с аномалией ПТВ и ТПО и относительно среднего за 1951–80 гг. при сравнении с индексом АМО (рис 5.24–5.26).
Таким образом, Североатлантическая осцилляция (индекс АМО) приблизительно соответствует расхождению фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО северного полушария. Алгебраическое сложение значений индекса АМО с соответствующими рассчитанными по приходящей солнечной радиации значениями аномалии ТПО (рис. 5.27) приводит к существенному увеличению R и сокращению значений расхождения между фактическими и рассчитанными значениями аномалии ТПО. Коэффициент корреляции между этими рядами c 1956 г. становится равным 0,903, с 1900 г. 0,917. Величина среднего (по модулю) расхождения между фактическими и рассчитанными значениями ТПО с учетом индекса АМО оказывается равной 0,114°C для рядов с 1956 по 2016 г (0,094°C для периода с 1900 по 2016 гг.). Это значительно меньше величины среднего по модулю (0,159°C) расхождения между фактическими и рассчитанными значениями аномалии ТПО за период с 1856 по 2016 гг.
Рис. 5.27. Суммарные значения рассчитанной аномалии ТПО
и соответствующих значений индекса АМО (1),
фактические значения аномалии ТПО (2)
При этом отклонения скорости осевого вращения Земли тесно связаны и, в общем, синхронны с разностью фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО в Северном полушарии и с индексом АМО. Вариации скорости осевого вращения Земли могут быть следствием закона сохранения количества движения в системе океан – атмосфера при проявлении в этой системе 60-ти летнего колебания.
Вследствие того, что мультидекадное колебание соответствует разности фактических и рассчитанных (на основе данных инсоляции) значений аномалии ПТВ и ТПО, физическая природа этого колебания не связана с инсоляционным фактором. Известно, что в макромире существуют два фундаментальных физических взаимодействия: электромагнитное и гравитационное. Поскольку, как показывают полученные результаты, природа мультидекадного колебания не связана с электромагнитным взаимодействием, то она может определяться гравитационным взаимодействием. Иными словами физическая природа АМО (и разности фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО, ПТВ и вариации скорости осевого вращения Земли), вероятно, является гравитационной [163].
Корреляция значений аномалии ПТВ с отклонением скорости осевого вращения Земли по всему массиву данных слабее, чем связь аномалии ТПО с отклонением скорости осевого вращения Земли. Коэффициент корреляции аномалии ПТВ с отклонениями скорости осевого вращения составляет по ряду с 1900 г. по 2016 г. – 0,434 (для ТПО и скорости вращения 0,551), по ряду с 1950 г. по 2016 г. – 0,535 (для ТПО и скорости вращения 0,763). Таким образом, корреляционная связь аномалии ТПО (и индекса АМО) с отклонением скорости осевого вращения более тесная, чем связь аномалии ПТВ. Это указывает на то, что генерирующая роль колебания ТПО, АМО и ПТВ связана с океаном.
Обобщая результаты, полученные в главе 4 и 5 по колебанию разности, фактических и рассчитанных, по инсоляции значений аномалии ПТВ и ТПО можно отметить следующее.
1) В расхождении фактических значений аномалии ТПО и ПТВ с соответствующими рассчитанными по уравнениям регрессии на основе связи с инсоляцией значениями аномалии обнаруживаются мультидекадные колебания. Период колебания изменяется в диапазоне от 62 до 69 лет. В случае, если начало текущей «теплой» фазы колебания приходится на 1987 г., начало следующей «холодной» фазы ожидается в период с 2018 по 2022 гг. Если же начало текущей «теплой» фазы приходится на 1994 г., то смена фаз мультидекадного колебания может произойти в интервале от 2025 г. до 2029 г. Средняя амплитуда (на интервале 1900–2016 гг.) составляет 0,137 для аномалии ПТВ и 0,120 для аномалии ТПО.
2) Мультидекадная периодичность проявляется в обоих компонентах системы океан – атмосфера и имеет глобальное пространственное распространение, поэтому это колебание, вероятно, правильнее называть КМО (Климатическая мультидекадная осцилляция или Climatic multidecadal oscillation – CMO)
В северном (менее океаническом) полушарии амплитуды этого колебания превышают амплитуды, полученные для южного (более океанического) полушария. Для аномалии ПТВ это превышение (на интервале 1900–2016 гг.) составляет 0,06°C, для аномалии ТПО – 0,04°C. Отмечаемое нами колебание, вероятно, соответствует выделяемой в климатической системе Земли В.И. Бышевым с коллегами ГАО – глобальной атмосферной осцилляции [22]. Границы фаз колебания нечеткие, поэтому и характеристики колебания определяются только приблизительно (как и вариант смены текущей «теплой» фазы «холодной»).
3) Климатическая мультидекадная осцилляция в Североатлантическом регионе соответствует известным колебаниям – АМО. Коэффициент корреляции расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО составляет по всему ряду 0,835, с 1900 по 2016 гг. – 0, 842, с 1950 (наиболее достоверные метеоданные) – 0,877. Средние модули расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО имеют довольно близкие значения: 0,159°C и 0,146°C соответственно. Начало и продолжительность «теплых» и «холодных» фаз индекса АМО в точности совпадает или отличается всего на год от соответствующих эпох, выделяемых (в принятом варианте) в распределении расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО. Таким образом, АМО – Североатлантическое региональное проявление КМО.
4) КМО синхронизирована с изменением осевой скорости вращения Земли. При этом увеличениям осевой скорости вращения Земли соответствуют периоды превышения фактических значений аномалии ТПО и ПТВ над рассчитанными значениями. При уменьшении скорости вращения фактические значения ТПО и ПТВ уступают рассчитанным значениям. Возможно движение теплых поверхностных водных масс из низких широт в высокие (по типу зонального прилива) сопровождается увеличением скорости осевого вращения Земли и наоборот, движение поверхностных океанических вод из низких широт в высокие сопровождается уменьшением скорости осевого вращения Земли.
5) Корреляционная связь аномалии ТПО и индекса АМО с отклонением скорости осевого вращения Земли более тесная, чем связь аномалии ПТВ. Это указывает на то, что генерация КМО связана с Мировым океаном, а вариации скорости вращения Земли являются следствием закона сохранения количества движения в системе океан – атмосфера.
Рассмотрим возможные причины КМО.
Проявление колебаний со средним периодом около 60-ти лет известно во многих гидрометеорологических процессах. Это колебание, называемое нами в работе КМО, отмечается в процессах теплообмена в системе океан – атмосфера [6, 22]. КМО проявляется в изменении приповерхностной температуры воздуха [40, 343] и, по мнению некоторых исследователей, в динамике площади морских льдов в Северном полушарии [199, 200]. Как уже отмечалось, наиболее четко это колебание проявляется в Северной Атлантике. Предполагается космическая природа 60-ти летней периодичности [199, 200]. Однако единства мнений относительно генезиса этого явления, пока не существует [103, 104].
Как отмечалось в разделах 4.1 и 5.1, КМО (с учетом в качестве поправки средних для отдельных фаз колебания значений разности между фактическими и рассчитанными значениями) объясняется 15,8% дисперсии аномалии ПТВ Земли, 21,0% дисперсии аномалии ПТВ в северном полушарии и 9,4% – в южном полушарии. КМО составляет 15,9% дисперсии аномалии ТПО Мирового океана, 21,8% дисперсии аномалии ТПО в северном полушарии и 8,4% – в южном полушарии. В связи с этим возникает необходимость рассмотреть возможные причины этой климатической мультидекадной осцилляции.
Из разделов 4.1 и 5.1. следует, что природа этого колебания, вероятно, является гравитационной. То есть, КМО определяется гравитационным взаимодействием Земли с планетами Солнечной системы. Следовательно, в основе КМО должно быть, существующее в природе (в окружающем Землю космическом пространстве) обусловленное гравитационным взаимодействием колебание с периодом около 60-ти лет (исходный гравитационный сигнал).
Известно, что планеты-гиганты Юпитер и Сатурн при движении вокруг Солнца образуют последовательные соединения (находятся на одной геоцентрической долготе) приблизительно каждые 20 лет [11, 12, 161, 163]. Их приливное и возмущающее действие на Землю в эти периоды усиливается (в квадратуры ослабляется) по аналогии с сизигийными и квадратурными лунно-солнечными приливами (фазовые приливные неравенства). Соединения планет происходят в различных точках эклиптики. Но приблизительно каждые 60 лет соединение Юпитера и Сатурна происходит в довольно узком секторе эклиптики. То есть периодически (каждые 60 лет) происходит приблизительное повторение конфигурации Юпитера и Сатурна относительно Земли и Солнца. С этой периодичностью может быть связана генерация 60-ти летнего колебания в окружающем Землю пространстве (гравитационного сигнала).
Здесь уместно напомнить о таких физических явлениях как синхронизация, соизмеримость и резонанс (глава 1). Синхронизация определяется, как «свойство материальных объектов самой различной природы вырабатывать единый ритм совместного существования, несмотря на различие индивидуальных ритмов и на подчас крайне слабые взаимные связи» [14]. Явление синхронизации состоит в том, что несколько, например, природных объектов, совершающих при отсутствии взаимодействия колебательные или вращательные движения с различными частотами (угловыми скоростями), при наложении даже весьма слабых связей начинают двигаться с одинаковыми, кратными или находящимися в рациональных отношениях частотами (угловыми скоростями). Причем, устанавливаются определенные фазовые соотношения между колебаниями и вращениями.
Явление синхронизации – это механический процесс, возникающий, например, при движении небесных тел в Солнечной системе и приводящий к появлению соизмеримости в средних движениях планет и резонансам [39]. В связи с этим, представляется возможной синхронизация приливных явлений в Мировом океане с генерируемым Юпитером и Сатурном 60-ти летним колебанием. Синхронизация может определяться наличием (и колебанием) слабых гравитационных связей Земли с Юпитером и Сатурном и регулярными (с периодом 60 лет) и бесконечно долгими повторениями их однотипных конфигураций относительно Земли и Солнца. Таким образом, генезис КМО может быть связан с явлением синхронизации. Также это колебание может усиливаться вследствие резонанса из-за соизмеримости в движениях небесных тел.
Из астрономии известно, что в параметрах движений планет (и их спутников) выдерживается ряд определенных соотношений вследствие наличия соизмеримостей и резонансов [39]. Периоды обращения планет-гигантов Юпитера и Сатурна равны приблизительно 12-ти и 30-ти годам соответственно, и, следовательно, отношение этих периодов близко к резонансу 2/5. Т.е. 2 оборота Сатурна вокруг Солнца происходят приблизительно за то же время, что и 5 оборотов Юпитера. Через 60 лет взаимные положения Юпитера и Сатурна повторяются (соединения происходят в довольно узком секторе эклиптики). В таких случаях говорят, что между периодами обращения планет имеет место соизмеримость. Благодаря соизмеримости возникает нечто подобное явлению, которое в механике называется резонансом. Резонанс возникает тогда, когда на колеблющееся тело в такт его колебаниям действует дополнительная периодическая сила. Такая дополнительная сила, даже в том случае, если ее величина очень мала, приводит постепенно к большому увеличению размаха колебаний [12, 39, 49].
Кроме этого, период парных соединений планет-гигантов Юпитера и Сатурна равен 19,86 лет. Период обращения лунных узлов (лунной орбиты) – 18,61 года (нутационный цикл – проявляется и в инсоляции Земли из-за изменения наклона оси вращения). Учитывая, что ω = 2π / Т и Т1 = 18,61 года = 6797,157 сут, Т2 = 19,86 года = 7253,71 года, получаем ω1 = 0,000924 сут–1, ω2 = 0,000866 сут–1 и ω1 – ω2 = 0,000058 сут–1. То есть в движениях парного соединения Юпитера и Сатурна и обращения лунной орбиты имеется соизмеримость (аналог резонанса в механике – орбитальный резонанс с резонансным числом 1/1). Соизмеримость в движениях Юпитера и Сатурна отмечается и с 19-ти летним циклом Метона (глава 2). Колебания с периодом около 19-ти лет (связанные нутацией и/или с 19-ти летним циклом Метона) проявляются в Мировом океане [17, 42, 102, 265] и в атмосфере [101, 238]. Из этого следует вероятность проявления в Мировом океане и зонального колебания с периодичностью около 60-ти лет. Одна («теплая») фаза колебания, возможно, отражает движение водных масс от экватора в сторону полюсов. Другая («холодная») фаза определяется движением водных масс в обратном направлении.
Еще одним эффектом, которым может усиливаться 60-ти летнее колебание может быть стохастический резонанс. Эффект стохастического резонанса проявляется в отклике бистабильной или метастабильной нелинейной системы на слабый периодический сигнал при шумовом воздействии определенной мощности [7, 8, 221, 318]. Океанические приливы характеризуются значительным «шумом», в связи с этим 60-ти летнее колебание, генерируемое Юпитером и Сатурном, может быть слабым периодическим сигналом, находящим отклик в приливной динамике Мирового океана.
Таким образом, КМО может быть результатом синхронизации и резонансного усиления 60-ти летней периодичности (слабо, но бесконечно долго действующей на Землю) генерируемой в окружающем Землю пространстве движением Юпитера и Сатурна вокруг Солнца. Вероятно, что КМО – это колебание, которое возникает в океане из-за синхронизации с повторением конфигураций Юпитера и Сатурна относительно Солнца и Земли. Оно усиливается резонансом из-за соизмеримости с нутационным циклом (периодом обращения лунных узлов) и стохастическим резонансом. Это океаническое колебание воспринимается нижней атмосферой. Оно также проявляется в изменении скорости осевого вращения Земли вследствие закона сохранения количества движения в системе океан – атмосфера.
Проведем сопоставление дат смены фаз КМО с датами астрономических конфигураций Юпитера и Сатурна в интервале с 1900 по 2050 гг. Если за начало осцилляции принять даты смены «теплой» фазы КМО на «холодную» фазу, то окажется, что эти даты синхронны соединениям Юпитера и Сатурна в секторе, ограниченном геоцентрическими долготами от 283° до 301°. Отсчет геоцентрических долгот ведется от точки весеннего равноденствия по ходу видимого движения Солнца. Согласно астрономическим эфемеридам эти соединения приходятся на 1901, 1961, 2020 годы. Даты перехода от «холодной» фазы КМО к «теплой» синхронизируются с квадратурой Юпитера и Сатурна (разность геоцентрических долгот равна 90°). Эти квадратуры Юпитера и Сатурна отмечаются в 1926 и в 1986 годах. Очередное соединение по данным астрономических эфемерид [288], произойдет в 2020 году (смена «теплой» фазы КМО на «холодную») и с 2021 года ожидается начало «холодной» фазы КМО. В 2045 году будет образована квадратура Юпитера и Сатурна и с 1946 года, вероятно, начнется очередная «теплая» фаза. Однако в системе океан – атмосфера эти даты могут испытывать колебания относительно дат астрономических конфигураций в связи с нелинейностью, происходящих в океане и атмосфере процессов и изменением термического состояния системы океан – атмосфера (как и климатической системы Земли). При проведенном нами сопоставлении «теплая» и «холодная» фазы КМО имеют различную продолжительность. Продолжительность «холодных» фаз КМО составляет 25–26 лет, продолжительность «теплых» фаз составляет 34–35 лет. КМО в «теплые» фазы усиливает и в «холодные» фазы ослабляет общую тенденцию потепления современного глобального климата.
5.3. Изменение уровня Мирового океана
С тенденциями повышения ПТВ и ТПО определяемыми усилением межширотного теплообмена (работы «тепловой машины первого рода») из-за уменьшения наклона оси вращения Земли и изменением межширотного градиента инсоляции на ВГА, связана тенденция повышения уровня Мирового океана. Изменение уровня Мирового океана (УМО) определяется эвстатическими и изостатическими причинами. Эвстатические причины связаны с таянием ледников [164, 165, 257] и многолетних морских льдов [174, 184, 195, 264], которое определяется изменением температурных характеристик приземной атмосферы и поверхностного слоя океана (аномалии ПТВ и ТПО). От изменения температурных характеристик также зависят процессы испарения и выпадения атмосферных осадков [65], а также плотностная (стерическая) составляющая изменения УМО связанная с расширением удельного объема воды в поверхностном слое океана.
В общей климатологии УМО рассматривается как интегральный индикатор глобального водообмена, перераспределяющего воды гидросферы между отдельными оболочками Земли, прежде всего между ледниковыми покровами и водами суши. Одновременно с этим УМО испытывает плотностные (стерические) колебания, возникающие под действием главным образом температуры верхнего слоя океана, а также частично от поступления пресных вод с ледников и речных водосборов [64, 65, 103, 104, 106, 165, 257]. Объемные изменения УМО в основном представляют собой сумму эвстатических факторов и плотностной (стерической) компоненты [104]. Предполагается, что в современных климатических условиях при глобальном осреднении колебания УМО за счет современных вертикальных движений земной коры, имеющих разный знак в разных регионах Земли, изменения экстатической компоненты нивелируются [65]. Таким образом, изостатические деформации УМО предполагаются несущественными на данном временном интервале.
Основным источником энергии гидрометеорологических процессов является лучистая энергия Солнца. Причиной трендов в изменении аномалии ТПО и ПТВ, как показано в предыдущих разделах является изменение наклона земной оси регулирующее распределение приходящей солнечной энергии по широтам и сезонам. Нами были проведены исследования изменения уровня Мирового океана в связи с инсоляцией Земли. При этом использовался показатель инсоляции ИК. Напомним, что ИК полушарий рассчитывается как разность солнечной радиации поступающей за год в экваториальные и полярные области соответствующего полушария. Усреднением полушарных ИК рассчитывается ИК для Земли. Этот показатель инсоляции близок по смыслу межширотному градиенту инсоляции, но не является удельным по расстоянию показателем. Он, таким образом, для Земли равен средней по полушариям разности инсоляции (Дж/м2) в области, являющейся источником тепла и инсоляции (Дж/м2) в области стока тепла. ИК (Дж/м2), и определяет интенсивность межширотного теплообмена в системе океан – атмосфера (в климатической системе Земли).
Исходными данными по изменению УМО были три ряда годовых значений охватывающих период с 1861 по 2008 гг. Ряд 1 – результат реконструкции глобального уровня океана по данным инструментальных наблюдений (с 1861 по 2008 гг.). Ряд 1 получен в Российском государственном гидрометеорологическом университете [103, 104, 106]. Ряд 2, охватывающий период с 1860 по 2008 гг. [242] и ряд 3 (с 1861 по 2008 гг. ) [301]. Для сравнения этих трех рядов УМО они были совмещены на отметке 100 мм для 1901 года [104]. Эти приведенные ряды УМО, любезно предоставленные автору В.Н. Малининым, анализировались в связи с изменением значений ИК.
Корреляционный анализ этих рядов с ИК показывает высокую корреляционную связь между изменением уровня Мирового океана и изменением меридионального распределения инсоляции. Значение R для ряда 1 составляет 0,908, для ряда 2–0,910, для ряда 3–0,929. С учетом высокого уровня корреляционной связи нами были получены линейные и полиномиальные (полином 2-й степени) уравнения регрессии ИК и значений УМО для всех трех рядов (рис. 5.28, 5.29).
Рис. 5.28. Связь УМО и ИК и график уравнения линейной регрессии (ряд 1)
Рис. 5.29. Связь УМО и ИК и график уравнения полиномиальной
(полином 2-й степени) регрессии (ряд 1)
По уравнениям регрессии были рассчитаны значения УМО для периода с 1861 по 2050 гг. Затем (для каждого из трех рядов) рассчитывались средние значения УМО по ансамблю линейных и полиномиальных решений. Проведено сравнение рассчитанных по ансамблю значений УМО с фактическими, представленными в рядах 1–3 значениями УМО (интервал с 1861 по 2008 гг.). Сравнение проводилось вычитанием рассчитанных значений УМО из соответствующих по годам фактических значений УМО. Средние по модулю значения расхождения составили для ряда 1–20,81 мм, для ряда 2–19,43 мм, для ряда 3–23,39 мм. Относительно значения УМО 2008 года (последних данных в рядах УМО) эти расхождения составляют 7,56%, 7,09% и 8,91% соответственно. При этом в распределении расхождения рассчитанных значений УМО с фактическими значениями отмечается периодичность. Выделяются периоды, в которых фактические значения превышают рассчитанные и периоды, в которых они им уступают (рис. 5.30).
Рис. 5.30. Распределение разности фактических
и рассчитанных значений УМО (ряд 1)
На исследуемом интервале выделяется 8 групп, в которых разность фактических значений УМО превышает рассчитанные значения УМО и 8 групп, в которых фактические значения уступают рассчитанным. Средняя продолжительность групп в которых разность фактических и рассчитанных значений УМО является положительной составляет 8,67 года (9,75, 9,86 и 10,0 лет для 1, 2 и 3 ряда соответственно). Средняя продолжительность групп, в которых разность фактических и рассчитанных значений УМО является отрицательной, составляет 9,87 года (9,75, 8,75 и 8,50 лет для 1, 2 и 3 ряда соответственно). Эти группы приблизительно соответствуют фазам 19-ти летнего нутационного цикла проявляющегося в распределении инсоляции [166, 177, 197]. Расхождения, таким образом, связаны с тем, что вариации инсоляции, связанные с нутационным циклом не проявляются (или очень слабо проявляется) в изменении УМО. Средние по модулю значения разности фактических и рассчитанных значений УМО для групп с отрицательной разностью расхождения составляют 19,56 мм, 19,43 мм и 20,98 мм для 1,2 и 3 ряда соответственно (среднее 19,99 мм). Средние по модулю значения разности фактических и рассчитанных значений УМО для групп с положительной разностью расхождения составляют 21,80 мм, 19,19 мм и 24,68 мм для 1,2 и 3 ряда соответственно (среднее 21,89 мм).
С учетом полученных расхождений в рассчитанные значения УМО были внесены соответствующие поправки для групп с отрицательными и положительными значениями разности (алгебраическим сложением соответствующих средних значений расхождения). В результате среднее по модулю расхождение фактических и рассчитанных значений УМО сократилось и составило 11,29 мм, 10,32 мм и 11,71 мм для 1, 2 и 3 ряда соответственно. Относительно значения УМО зафиксированного для 2008 года это составляет 4,10%, 3,76% и 4,46% для 1, 2 и 3 ряда соответственно. Следует отметить, что при предварительном сглаживании значений ИК (например, по 21-му летнему скользящему среднему) полученных расхождений можно было бы избежать. Изменение УМО по фактическим и рассчитанным (с учетом поправок) данным для ряда 1 представлено на рис. 5.31.
Рис. 5.31. Изменение УМО по фактическим (1)
и рассчитанным (2) значениям ряда 1
Рассчитывалась дисперсия для рядов фактических данных УМО (D1) и соответствующих рядов расхождения фактических и рассчитанных значений (D2). Затем рассчитывалось значение D2/D1 и вычитанием полученных значений из единицы определялась доля изменений УМО, объясняемая инсоляционной контрастностью (по которой рассчитывались значения УМО). Умножением этой величины на 100 были получены величины изменения УМО объясняемые изменением ИК в процентах. Эти значения составили 95,22%, 95,39% и 96,39% для 1, 2 и 3 ряда соответственно. Таким образом, изменения УМО в основном определяются изменением инсоляционной контрастности Земли, связанной с изменением наклона оси ее вращения и регулирующей работу «тепловой машины первого рода» [166, 177, 190, 262, 297].
С учетом полученных данных по продолжительности групп с положительными и отрицательными значениями разности фактических и рассчитанных значений УМО нами были внесены соответствующие поправки (средние для этих групп значения расхождения) в рассчитанные на период с 2009 по 2050 гг. значения УМО. В результате получены ожидаемые значения изменения УМО по данным ИК на период с 2009 по 2050 гг. (рис. 5.32).
Рис. 5.32. Оценочный прогноз изменения УМО
(1 – ряд 1, 2 – ряд 2, 3 – ряд 3)
Полученные результаты показывают, что УМО на этом интервале в целом повышается. Однако, его изменения при этом весьма существенные. Так в 2019, 2038 и в 2046 гг. ожидаются максимальные повышения УМО, которые составят 312,74 мм (среднее по 1, 2 и 3 ряду), 339,63 мм и 335,17 мм соответственно. Это повышение УМО относительно 2008 года (270,61 мм – среднее по 1, 2 и 3 ряду) составит 42,13 мм, 69,02 мм и 64,56 мм в 2019, 2038 и 2046 гг. соответственно. Относительно текущего 2016 г. увеличение УМО в годы его максимального подъема на данном интервале может составить 17,39 мм, 44,29 мм и 39,82 мм в 2019, 2038 и 2046 гг. соответственно.
Следует отметить, что ближайший максимум УМО в 2019 году (рис. 5.32) совпадает с абсолютным максимумом в прогностическом ряду УМО рассчитанном на период с 2000 по 2028 гг. по физико-статистической модели в РГГМУ [104]. В основе этой модели связь аномалии ПТВ (архив HadCRUT3) и значений УМО.
Изменение УМО тесно связано с изменением ПТВ и ТПО. В интервале с 1861 г. по 2008 г. связь фактических значений УМО с фактическими значениями аномалии ПТВ и ТПО характеризуется значениями R представленными в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Коэффициент корреляции фактических значений УМО
и фактических значений аномалии ПТВ (HadCRUT4) и ТПО (HadSST3).
Ряд 1 и 3 с 1861 по 2008 гг., ряд 2 с 1870 по 2008 гг.
При увеличении продолжительности фактических рядов за счет рассчитанных значений УМО, аномалии ПТВ и ТПО с 2009 г. по 2050 г. значения R несколько возрастают (табл. 5.4). В рассчитанные ряды аномалии ПТВ и ТПО при этом внесены поправки на КМО, а в ряды УМО поправки на нутационное колебание инсоляции.
Таблица 5.4
Значения коэффициента корреляции фактических (до 2008)
и рассчитанных (с 2009 по 2050 гг.) значений УМО с аномалией ПТВ и ТПО
Изменение УМО определяется изменением глобального климата (потеплением). Эти изменения вызываются естественными причинными, основной из которых является изменение угла наклона оси вращения Земли и связанного с этим увеличением инсоляционной контрастности. Следствием усиления ИК является усиление межширотного теплообмена (усиление работы «тепловой машины первого рода»). Это приводит к повышению температуры в областях стока тепла, повышению содержания водяного пара в атмосфере в областях стока тепла и, в связи с этим, усилению парникового эффекта [166].
Последствиями отмечаемого, в связи с потеплением климата, повышения УМО могут стать подтопления (особенно в результате ветровых нагонов) территорий расположенных вблизи отмечаемых высотных уровней, абразионный размыв их берегов и отступание береговой линии.