CC BY
68
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №1/2016 2410-6070
УДК 510.53(575.2)
К.А. Каримов,
д. ф.-м. н., профессор, Д.Н. Крымская,
магистр физики
Институт физико-технических проблем и материаловедения Национальной академии наук Кыргызской Республики, г. Бишкек, Кыргызская Республика
ДОЛГОПЕРИОДНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ В ЦЕНТРАЛЬНОАЗИАТСКОМ РЕГИОНЕ В ЦИКЛАХ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
Аннотация
В работе рассмотрены долгопериодные колебания приземной температуры воздуха в регионе Центральной Азии и их связь с изменениями солнечной активности.
Ключевые слова
Атмосфера, температура, солнечная активность, климатические изменения.
Введение. Вопросам регионального изменения климата и причинам его столь быстрых изменений в последнее время уделяется особое значение. Как правило, в научном сообществе говорят о глобальном изменении климата и воздействии на него, в основном, только антропогенного фактора. Мало кто придает значение немаловажному фактору, ответственному за естественные колебания температуры как в приземной, так и в верхней атмосфере, и обусловленному потоком солнечной радиации, прозрачностью атмосферы, альбедо подстилающей поверхности. Известно, что радиационный баланс R на земной поверхности состоит из поглощающей части прямой солнечной F и рассеянной J радиации, а также излучения земной атмосферы В0:
Я = *,(1-г)+Д1-г)-В0,
где г - альбедо.
Из уравнения радиационного баланса следует, что он, в первую очередь, связан с прямой и рассеянной солнечной радиацией. К нему на практике добавляют антропогенный фактор, связанный с выбросами в атмосферу углекислого газа. По вопросу влияния антропогенного фактора на долгопериодные изменения температуры в научной литературе существует множество работ. А по поводу вклада солнечного фактора известно, что работ в этом направлении проводится не так много. До сих пор однозначного мнения о количественном вкладе в изменения климата того или иного фактора пока не существует.
Целью данных исследований является, во-первых, показать, на основе анализа какого объема статистического материала и данных какого числа станций и пунктов измерений в регионе можно говорить о региональных изменениях климата. Во-вторых, насколько достоверны данные о региональных изменениях климата, полученные по метеостанции (МС) «Бишкек» по сравнению с региональными и глобальными изменениями, взятыми по станциям в Центральноазиатском регионе, так и по всем станциям Северного полушария. В-третьих, показать, насколько достоверна связь региональных изменений климата с вариациями параметров солнечной активности.
1. Анализ и обсуждение результатов.
Для анализа долгопериодных колебаний приземной температуры были использованы многолетние данные по 4-ем метеостанциям, расположенным в среднеширотной зоне от 410 с.ш. (Ташкент) до 450 с.ш. (Казалинск): МС Ташкент, МС Бишкек, МС Алматы и МС Казалинск на севере Казахстана [1, с.192].
На рисунке 1 приведены данные по этим 4-ем метеостанциям за период с 1914 по 1996 годы. Вариации среднегодовых значений температуры приведены при скользящем усреднении за 7 лет.
Во-первых, из анализа данных, приведенных на рисунке, следует четкая корреляция между всеми временными изменениями температуры по всем 4-м станциям. Эта связь прослеживается во временных
вариациях экстремальных значений температуры, где максимумы и минимумы в вариациях температуры синхронизированы во времени. Все это указывает на то, что тренды в вариациях среднегодовых значений температуры происходят в регулярном ритме. Это еще раз подтверждает полную синхронность изменений, приведенных на рис.1 данных.
т,°с
1 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1 I 1 I X • I i / i / к. А N i f Ташкент
\ • л к 1 ТХТ \ • / \ 1\ • / \ • J \ /V \ • к rS XL f \ f X 1 АЛ TV \ / Л 1 _/ 1 \ / \ I Iя ■ \ / \ • / \ / \\ [ W i V / 1 i i i i i
"\/ 1 1 у 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i i i Бишкек . i /
. 1 « у\Л » А • iV 1 А • / \ 1 / \ • / \ ' J \ А • 1 \ 1 / V* 1 / \ 1 J у J У-^/sJ I / 1 / 1 1 1 Лимиты /
• А V-У / \ Г * 1 /\ ^ / \ |\J л \| J \ / \ 1 V 1 \ I Vi \ , » V / X1 / . \Л 1 J А * г\ У 1 f ^ 1 г JCasaitiHcrf / ПЛ ' А /
1 Д V/ , ч/ / \ ч • / \ У/ А 1 v J \ \ » / \ /7W. 1 г \А \ «У л г \ 1 / W V/ \ / \ 1 J 1 V \ / \ 1 А Г • \ / \1 /V • л. 1 лЛ\ 1 V N 1 J > Г 1 / 1 / ■ L _W 1 \Г 1 V 1
» Л г* 1V/ • \Г 1 1 Y • 1 • i i 1 1 | ■ 1 I 1
Т-1-1-1-1-1-1-г
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 годы
Рисунок 1 - Многолетние вариации среднегодовых значений температуры по данным среднеширотных метеостанций Ташкент, Бишкек, Алматы, Казалинск (усреднение за 7 лет)
Наиболее значимое потепление климата в Центральной Азии произошло за прошедшие 50 лет в период с 1950 по 2000 годы. Из рисунка 1 можно выделить три значимых периода повышения температуры, которые по всем 4-м станциям начинались в 1930, 1950 и 1970 годах. Анализируя данные, приведенные на рис.1, можно отметить, что процесс потепления климата по данным всех 4-х станций имеет трендовый характер и с 1915 по 1980 годы носит циклический характер. Будет ли он продолжаться далее, это вызывает определенный вопрос. Очевидно, что результат анализа тренда зависит от выбора начального и последнего годов. Но при этом коэффициенты корреляции, определенные за относительно короткий период времени обычным образом, не учитывают долгосрочные корреляции. В работе [1, с.190] было определено, что ежемесячные данные температуры воздуха показывают тренд такой же, как и долгосрочные корреляции, которые синхронизированы во времени. В целом было показано, что, определяя температурные тренды, нужно рассматривать внутреннюю структуру корреляции данных, так как тренды могут зависеть от долгосрочных корреляций.
Однако, начиная с 1985 года, этот общий тренд, существующий до этого, резко снизился и, очевидно, следует ожидать некоторой стабилизации температуры. Этот факт вызывает некоторую озабоченность, поскольку в глобальных отклонениях среднегодовых температур от среднего уровня пик максимума температуры наступил примерно в 2000-2002 годах и далее началось понижение температуры. В качестве примера на рисунке 2 приведена зависимость глобальных изменений температуры и их отклонения за период с 1901 по 2010 годы [2, с.42].
Не исключено, что после глобального потепления в 2000-2002 годах этот процесс может обернуться переходом от стабилизации температуры, начиная с 1985 года, к ее медленному спаду. Этот факт в настоящее время широко обсуждается в кругах научной общественности [3, с.22].
Другой особенностью климатических изменений в Центральноазиатском регионе является тот факт, что некоторые климатические сдвиги в регионе могут быть объяснены влиянием явлений Эль-Ниньо и Ла-
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №1/2016 ISSN 2410-6070
Нинья. Климатический сдвиг 1976-1977 годов, выявленный в Тихом океане, ассоциируется с существенными
дт,°с 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 ■0.6
1880 1900 1920 1940 1 960 1980 2000 2020 2040 ГОДЫ
Рисунок 2 - Отклонения глобальной температуры приземного слоя атмосферы от ее среднего значения,
взятого за период 1901-2000 гг., и прогноз
изменениями в процессах формирования явлений Эль-Ниньо/Ла-Нинья. В работе [4, с.3058], в частности, отмечена особенность более частых событий Эль-Ниньо (с положительной аномалией температуры поверхности в Тихом океане в приэкваториальных широтах) и более редких событий Ла-Нинья -противоположной фазы этого процесса (с отрицательной аномалией температуры поверхности в Тихом океане в приэкваториальных широтах) со второй половины 1970-х годов.
С явлениями Эль-Ниньо/Ла-Нинья связаны сильнейшие межгодовые вариации глобальной приповерхностной температуры [5, с.597]. Межгодовая климатическая изменчивость накладывается на более долгопериодные колебания климата. При этом во второй половине 1970-х годов долгопериодная тенденция глобального охлаждения у поверхности Земли с 1940-х годов сменилась тенденцией глобального потепления в приземном слое атмосферы и в тропосфере в целом. Эти межгодовые и более долгопериодные вариации (с периодом в несколько десятилетий) проявляются на фоне положительного векового тренда глобальной приповерхностной температуры Земли. Эта гипотеза заслуживает определенного внимания, но, на наш вгляд, она остается не более чем гипотезой.
2. Некоторые данные о связи вариаций температуры приземной атмосферы с процессами на Солнце.
Далее рассмотрим элементы возможной связи вариаций приземной температуры с вариациями солнечной активности. Необходимо иметь в виду, что нижние слои атмосферы подвержены влиянию неоднородностей земной поверхности, таких как горы и другие возвышенности. В связи с этим в вариациях приземной температуры очень трудно выделить реально существующие периодичности. Для облегчения этой процедуры необходимо провести скользящее сглаживание температурных данных как минимум с периодом более одного года. Анализ показывает, что наиболее сильные межгодовые изменения температуры как в нижней, так и в верхней атмосфере, отмечаются не в среднегодовых значениях, а, как правило, в сезонных значениях зимнего периода. Для этого нами специально были рассчитаны вариации температуры приземной атмосферы за холодное полугодие по данным МС Бишкек с 1925 по 2000 годы после отсечения в них 11-летней составляющей.
На рисунке 3 приведены эти данные вместе с вариациями температуры приземной атмосферы за холодное полугодие по всем станциям северного полушария. На рис. 3(а) приведены сглаженные изменения амплитуды вековых отклонений солнечной активности от среднепериодной AW, выраженной в числах Вольфа.
Представленные данные указывают на связь экстремумов всех трех характеристик. Отметим особенность высокого уровня корреляции между температурными трендами по МС Бишкек и вариациями глобальной температуры по всему северному полушарию. Это указывает на высокий уровень достоверности результатов измерений и обработки данных по МС
Рисунок 3 - Вариации параметра солнечной активности и аномалий приземной температуры: (а) -изменения амплитуды вековых отклонений чисел Вольфа; отклонения температуры приземной атмосферы за холодное полугодие: (б) - по МС Бишкек; (в) - по всем станциям северного полушария.
Бишкек. Вертикальные линии показывают синхронность трендовых изменений солнечной активности и экстремальных значений в трендовых вариациях температуры приземной атмосферы.
Заметим, что два основных максимума в вариациях температуры в 1940 и 1960 годах и два минимума в 1950 и 1972 годах чередуются через 21-22 года. Эта квазидвадцатилетняя периодическая составляющая является основной в вариациях солнечной активности.
Спектральный анализ временных рядов, проведенный методом вейвлет-преобразования, выявил в вариациях параметра солнечной активности W следующие периодические составляющие: 22-23 года, 40-42 года, 55-60 лет и 90-95 лет. Эти же составляющие выявлены и в температурных вариациях, что указывает на общность долгопериодных составляющих, присутствующих как в вариациях солнечной активности, так и в низкочастотных трендовых вариациях температуры. Это свидетельствует о том, что именно долгопериодные изменения солнечной активности управляют долгопериодными изменениями температуры в приземной атмосфере.
Учет вариаций потока солнечной радиации в модельных расчетах для атмосферы на уровне мезопаузы, проводимых в Институте физики атмосферы РАН [5, с.598], показывает, что его вклад в температурный режим оценивается на уровне 3%. При этом нужно отметить, что при этих модельных
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №1/2016 ISSN 2410-6070
расчетах учитывается только перепад потока солнечной радиации от ее максимального значения до минимального. С другой стороны, в вековых колебаниях солнечной активности, как показано на рис. 3(а), помимо перепада в потоке солнечной радиации от максимума к минимуму, также необходимо учитывать колебания и перепады в экстремальных значениях потока солнечной радиации. Так, к примеру, маундеровский минимум длился с 1645 по 1715 годы (70 лет) и, естественно, за это время на Земле надолго установился холодный период. Как известно, в этот период на Земле существовал «малый ледниковый период». В последние годы британские ученые заявили, что в активности Солнца в ближайшие годы произойдет фаза затишья. Таким образом, с определенной степенью вероятности может наступить новый маундеровский период.
Для подтверждения этого факта на рис. 4 приведены изменения солнечной активности в 24 и 25 циклах по данным центра в Boulder, CO USA [6, с.1].
о4 ог о- о* <Р о1 Ф Ф N° О <* О 4б О 4$ Годы
у*4 ^
Сглаженные ежемесячные ¿начеши ---Ежемесячные значения Прогнозируемые значення (сглаженные)
Рисунок 4 - Изменения солнечной активности с 2000 по 2015 годы и прогноз до 2019 года
Если в предыдущем 23-ем цикле максимальная солнечная активность достигла 180 ед.Ж, то в 24-ом цикле она уменьшилась до 115 ед. Ж, а в 25 цикле снизилась до 75 ед. Ж. Можно предположить, что при такой динамике падения уровня солнечной активности, после 2019 года, 26-го цикла, по всей вероятности, может и не быть. За этим может последовать наступление на Земле нового «малого ледникового периода», который, по мнению специалистов, изучающих динамику и структуру Солнца, может продлиться минимум 50-70 лет.
Заключение. 1. По данным анализа многолетних изменений приземной температуры в Центральноазиатском регионе на широтах (41-45)0с.ш. показано, что долгопериодные изменения температуры по данным МС Бишкек хорошо коррелируют с данными других станций и могут отражать долгопериодные изменения температурного режима в Центральноазиатском регионе.
2. Показано, что долгосрочный тренд в вариациях температуры определяется внутренней структурой температурных данных. Основные экстремальные значения в долгопериодных изменениях температуры по данным МС Ташкент, МС Бишкек, МС Алматы и МС Казалинск имеют квазидвадцатилетнюю периодичность. Для этих станций в вариациях температуры с 1920 по 1990 годы характерен возрастающий тренд, а после 1990 года отмечена стабилизация ее долгопериодных изменений.
3. Показано, что долгопериодные вариации температуры приземной атмосферы как по МС Бишкек, так и по всем станциям северного полушария хорошо коррелируют с изменениями амплитуды вековых отклонений солнечной активности от среднепериодных значений, что свидетельствует о солнечном контроле изменений приземной температуры воздуха.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №1/2016 ISSN 2410-6070 Список использованной литературы:
1. Giese E., Mossig I., Rybsky D. and Bunde Armin, Long-term analysis of air temperature trends in Central Asia, Erdkunde, 2007, V.61, р. 186-202.
2. Ермаков В.И., Охлопков В.П., Стожков Ю.И. Влияние пыли космического происхождения на облачность, альбедо и климат Земли, Вестник Московского университета, Серия 3. Физика. Астрономия. 2007, № 5, с. 41-45.
3. Каримов К.А., Гайнутдинова Р.Д. Механизмы долгопериодных изменений температурного режима нижней атмосферы, Физика, Бишкек, 2012, №1, с. 20-26.
4. Trenberth K.E., Hoar T.J., El Niño and climate change, Geophys. Res. Lett., 1997, V24, №23, p. 3057-3060.
5. Мохов И.И., Семенов А.И., Нелинейные температурные изменения в атмосфере в области мезопаузы на фоне глобальных изменений климата в 1960-2012гг., Доклады Академии наук, 2014, том 456, №5, с. 596-599.
6. http: //www .swpc.noaa.gov/products/solar-cycle -progression
© Каримов К.А., Крымская Д.Н., 2016
УДК 510.53(575.2)
К.А. Каримов,
д. ф.-м. н., профессор, Д.Н. Крымская,
магистр физики
Институт физико-технических проблем и материаловедения Национальной академии наук Кыргызской Республики, г. Бишкек, Кыргызская Республика
ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКГО РЕЖИМА НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ В ЦЕНТРАЛЬНОАЗИАТСКОМ РЕГИОНЕ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЦЕНТРОВ ДЕЙСТВИЯ
В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ
Аннотация
В статье рассмотрены три климатических сценария, которые сменились в течении XX века как в Северной Атлантике, так и в регионе Центральной Азии. Основная периодичность в каждом из сценариев соответствует квазидвадцатидвухлетней солнечной периодичности. Показана междекадная изменчивость климатических характеристик атмосферы в регионе Центральной Азии.
Ключевые слова
Атмосфера, Исландский минимум, Азорский максимум, климат, климатический сценарий, Эль-Ниньо
В современном мире одной из важнейших проблем в науке о Земле является проблема изменения климата. На недавнем заседании Совета по сотрудничеству в области фундаментальной науки государств-участников СНГ были определены приоритетные направления фундаментальных исследований. Среди них - охрана окружающей среды и изучение изменений климата.
Ведущая роль в исследованиях по изменению климата отводится переносу энергии в системе океан-атмосфера-материк [1, с.218]. Как следует из этой работы, возмущения в атмосфере над материками могут являться следствием квазициклических вариаций в общем поле переноса зональной циркуляции из атлантического региона на Европейский регион. В работе [2, с.16] нами было показано, что влияние процессов в Атлантическом океане простирается и до Центральноазиатского региона.
В основу вышеуказанной гипотезы положен факт, что приповерхностная часть толщи океанских вод подвержена непосредственному влиянию атмосферных процессов, путем турбулентного энерго- и
