Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема глобального потепления является центральной проблемой современной климатологии. Оценки, выполненные Межправительственной группой экспертов по проблеме изменений климата (МГЭИК, 2007) показали, что в ХХ столетии произошло среднеглобальное потепление климата, составившее 0,6 ± 0.2 С, соответствующих доверительному уровню 95 %, а для периода 1906-2005 гг. потепление составило уже 0,74 ± 0,18С. Данные наблюдений обнаружили сильную пространственно-временную изменчивость климата. Потепление климата в ХХ веке происходило главным образом в течение двух периодов времени: 1919-1945 гг. и с 1976 по настоящее время.
Пространственная структура потепления в ХХ веке характеризуется существенной неоднородностью, особенно во внетропических широтах. В качестве основной причины наблюдаемого глобального потепления МГЭИК рассматривает возрастание антропогенной нагрузки на климатическую систему и, в частности, выбросы в атмосферу парниковых газов и сульфатных аэрозолей. Однако довольно значительная группа исследователей связывает происходящие изменения с естественными колебаниями климата. Для устранения возникших противоречий в понимании причин наблюдаемого потепления в 2003 г. был разработан план исследований для Программы наук об изменении климата (CCSP, 2003). В программе подчеркивается необходимость изучения региональных изменений климата и их изменчивости, характеризуемой моментами распределения более высокого порядка.
Необходимость исследования региональных изменений климата также связана с различными социально-экологическими последствиями развивающегося глобального потепления. Азиатская территория России (АТР) представляет собой обширный регион планеты, в котором реализуются разнообразные физико-географические условия и который вносит существенный вклад в формирование климата Северного полушария.
Целью работы являлось: исследование пространственно-временной изменчивости среднемесячных и среднегодовых полей температуры, давления и осадков на азиатской территории России во второй половине ХХ и начале XXI столетий и оценивание влияния на эту изменчивость крупномасштабной атмосферной циркуляции и радиационного баланса на верхней границе атмосферы.
Основные задачи исследования, которые решались для достижения цели и решение которых составляет содержание работы:
-
Исследовать поля средних величин и линейных трендов температуры, давления, осадков на АТР по данным гидрометеорологических наблюдений за период 1975 - 2005 гг.
-
Для станций, расположенных на территории бывшего СССР исследовать закономерности проявления в рядах температуры и давления скрытых квазипериодических колебаний, выявить общность масштабов колебаний и их возможную обусловленность колебаниями солнечной активности, а так же процессами, происходящими в Северной Атлантике и экваториальной части Тихого океана.
-
Разработать методику прогностической оценки изменчивости приземной температуры, основанную на использовании вейвлет-преобразования исходного ряда.
-
Исследовать изменчивость субтропического струйного течения (ССТ) в Северном полушарии, включающую линейные тренды, квазипериодические колебания, связи этих характеристик с различными геофизическими индексами по данным реанализа NCEP/NCAR за период 1948-2005 гг.
-
Исследовать изменчивость элементов радиационного баланса на ВГА над АТР по данным реанализов NCEP-DOE AMIP-II и JRA-25 за период 19792008 гг.
-
Разработать регрессионные модели, связывающие изменчивость приземной температуры с изменчивостью глобальной циркуляции в Северном полушарии и изменчивостью радиационного баланса на ВГА над АТР.
Материалы и методы исследования.
В работе использованы данные наблюдений 454 метеорологических станций, расположенных на АТР и сопредельных территориях, а также реа- нализов NCEP/NCAR, NCEP-DOE AMIP-II и JRA-25. При решении поставленных задач использовались методы: корреляционного и спектрального анализов, теории статистических выводов, регрессионного анализа, анализа главных компонент, кластерного анализа, анализа временных рядов с помощью вейвлет-преобразований. Значимость полученных оценок проверялась путем расчета стандартных критериев. Большая часть расчетов проведена с использованием авторских программ, написанных для работы в среде MATLAB.
Основные положения, выносимые на защиту
-
-
По данным гидрометеорологических наблюдений в течение 1975-2005 гг. установлено, что в целом для азиатской территории России увеличение приземной температуры воздуха составило 0,34±0,20C/10 лет, при этом потепление проявлялось во все сезоны года, атмосферное давление падало - 0,22±0,16 гПа/10 лет, а количество осадков уменьшалось -5,03±18,44 мм/10 лет. В то же время изменения имели выраженную макромасштабную пространственную неоднородность.
-
Анализ квазипериодических колебаний в рядах температуры сети станций на территории бывшего СССР показал, что наиболее общими для всех станций периодами колебаний являются 5, 7, 11, 15 и 22 года, хотя единого для всех станций периода колебаний не обнаружено. Установлена статистически значимая связь колебаний в диапазонах периодов 3-8 и 10-15 лет в температурных рядах Западной Сибири с изменчивостью аналогичных масштабов индекса Северо-Атлантического колебания.
-
По данным реанализа установлено, что во второй половине ХХ столетия скорость ветра на оси субтропического струйного течения в северном полушарии в холодный период года увеличивалась на 1мх-1/10 лет, причем без значимых изменений широты и высоты самой оси. При этом корреляционная связь скорости течения с североатлантическим колебанием является значимой только в октябре-декабре, а с южным колебанием - в январе- апреле, и повышается, если рассматривать не исходные ряды, а их вейвлет- спектры.
4. По данным реанализа установлено, что в течение последнего 20-летия на верхней границе атмосферы (ВГА) происходило увеличение интенсивности отраженной коротковолновой солнечной радиации и, соответственно, уменьшение радиационного баланса, которое составило -1,7 Вт-м-2/10 лет. Эта тенденция находится в соответствии с изменением облачного покрова и приходящей к подстилающей поверхности коротковолновой солнечной радиации.
Научная новизна работы:
-
-
-
В работе впервые для крупного климатообразующего региона Северного полушария определены не только средние характеристики метеорологических полей и масштабы их пространственно-временной изменчивости, но и с единых позиций проанализированы скрытые квазипериодические колебания во временных рядах климатических характеристик и установлены статистические связи этих колебаний с колебаниями в основных планетарных геофизических индексах.
-
Предложен новый подход к прогнозированию изменчивости климатических характеристик, основанный на свойствах вейвлет-преобразования исходного ряда наблюдений.
-
Выявлены закономерности пространственно-временной изменчивости субтропического струйного течения во второй половине ХХ столетия.
Практической ценностью выполненной работы является то, что полученные в работе результаты являются необходимой составной частью данных, предназначенных для тестирования региональных численных моделей климата и для разработки обоснованных методик организации сети регионального мониторинга климата.
Результаты работы использованы Институтом криосферы Земли СО РАН при выполнении программы РАН «Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы». Проект 16.4. «Природные и антропогенные факторы динамики криогенных геосистем».
Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов обусловлена большим объемом анализируемых данных, корректным комплексным использованием современных методов и средств математического аппарата, сравнением полученных результатов с выводами других авторов, удовлетворительным согласованием модельных данных с фактическими.
Личный вклад автора. Автор принимал участие на всех этапах работы: в формулировке задачи, выборе методов решения, проведении расчетов и интерпретации результатов. Основные результаты диссертационной работы получены автором лично.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей (Иркутск, 2002 г.), российской конференции «Сибирское совещание по климато - экологическому мониторингу» (4-е Томск, 2001, 5-е Томск, 2003, 6-е Томск, 2005, 7-е Томск, 2007, 8-е Томск, 2009, 9-е Томск, 2011), Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (VIII Томск, 2001), Всемирной конференции по изменению климата (Москва, 2003), Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (Х Томск, 2003, ХГУ Томск, 2007, ХV Томск 2008), Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (IV Томск, 2004, VI Томск, 2008, VII Томск, 2010), Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды (ENVIR0MIS-2004, ENVIR0MIS-2006, ENVIROMIS- 2008, ENVIR0MIS-2010, Томск), International Conference and Young Scientists School on Computational Information Technologies for Environmental Sciences (CITES-2007, Томск, 2007, CITES-2011, Томск, 2011), EGU General Assembly (Vienna, Austria, 2010), ESA-iLEAPS-EGU Joint Conference on Earth Observation for Land-Atmosphere Interaction Science in Frascati (Rome, Italy, 2010), WCRP OSC Climate Research in Service to Society in Denver (CO, USA, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 87 научных работ, в том числе 15 в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка литературы. Работа изложена на 152 странице машинописного текста, содержит 35 рисунков, 18 таблиц, список литературы включает 161 наименования, из них 57 на английском языке.
Похожие диссертации на Пространственно-временная изменчивость климата Азиатской территории России
-
-
-
