Введение к работе
Состояние проблемы.
Квазидаухлатний (КД-) цикл в природных рядпх стел предазтом етальных исследований с начала 60-х годов текущего столетия, огда была обнаружена соответствующая периодичность в направлении етров в тропической стратосфере. После некоторого зат;г.і:ья, со торой половины 80-х годов наступает очередной всплеск nosuaemoro нтереса к проблема КД-вариаций, в связи с появлением работ .labltafce, Van loon, в которых предпринята попытка увязать КД-ариации с 11-летним солнечным циклом.
Период КД- колебаний варьирует от 21 до 33 месцэв при наибо-эе частой повторяемости и статистической значимости 28-месячного.
Данные, полученные исследовательскими ракетами, позволили зучить высотную, широтную и долготную динамику КД- цикличности в ропичаской стратосфере.
Открытш КД-колэбаний в ветровом режиме экваториальной зоны тимулировало поиск аналогичной цикличности в ходе мэтеоавэмэнтов умеренной зоне, в высоких широтах.
Исследования показали, что КД-. колебание универсально и гло-ально.-т.е. присутствует практически во всех метеорологических ядах и природных процессах на Земле (в полях приземной температу-ы, осадков, атмосферного давления, в рядах индексов атмосферной иркуляции, в изменении уровня и ледовитости морей, в повторяемо-ги суровых зим, в урожайности зерновых культур, в динамике зпиде-ических процессов, т.д.), а также в индексах, характеризующих эстаяниэ геомагнитосферы, мзжпланетного пространства, в некоторых эказателях солнечной активности.
Несмотря на огромное число работ, посвященных проблема КД-ариаций в метеорологических рядах внетропической зоны, однознач-эсти по вопросу о наличии причинно-следственной саязи между фазой Д-колебания в ветровом режиме экваториальной стратосферы (восточ-йя или западная) и типом циркуляции в тропосфере умеренных широт йэрндиональный или зональный) нет. Моасно допустить, что процессы атих зонах являются следствием одной причины, находящейся вне эили, яо генерируются различными механизмами. Возможно также, что досматриваемые явления генетически независимы друг от друга и гаютрируют глобальность и универсальность КД- цикла.
Проведанные к настоящему времени исследования свойств и осо бэкностзй КДД- цикличности в природных процессах имеют, ва неї взгляд, ряд недостатков:
1) Часто игнорируется свойство временной' нестапионврвостэ
КД-кодйбашш, что приводит к заключению об его отсутствии прі
анализе реализаций большого объема.
2) Отсутствует комплексный подход в решении проблемы динамию
и природа КД- вариаций, а также единая методика при анализе разли-
'чшх приростах рядов: метеорологических, геомагнитных, показателе] солнечной активности, геомагнитной возмущенности, т.д.
3) В предварительной обработке реализаций месячных'значений,
как правило, не отфильтровывается годичный или полугодовой, (і
случае геомагнитных индексов, скорости солнечного ветра) цикл, чи
вносит существенные искажения в величину амплитуды и оценку пери
ода КД- колебания. .
4) Нестационарные временные ряды обрабатываются методами,
разработанными для стационарных, нормальных реализаций.
Б) Отсутствуют строгие оценки статистической достоверності выявленных характеристик: периодов, амплитуд; к нестацшнвршл рядам часто применяются критерии значимости, установленные дш стационарных процессов.
6). До сего времени не была отмечена важнейшая в пониманю динамики и природа роль действуидего в природных рядах квазигодичного (КГ-) колебания, средний и наиболее часто встречаемый пержц которого равен 13 месяцам. В метеорологических рядах, реализацию общего содержания озона этот, цикл завуалирован более мощной сезонной волной и потому до сих пор не был обнаружен. Существование КГ-цшаичности ранее было отмечено в геомагнитных индексах, интенсивности космических лучей.
7) Физически обоснованные и математически разработанные механизмы КД- вариаций в природных рядах фактически отсутствует. Чаете в поисках природы ВД- цикличности исследователи ограничивайте! указанием ва факт ее существования в индексах солнечной активности, игнорируя то, что в солнечных показателях сигнал КД- колебания слаб и часто статистически недостоверен, так что необходимо либо нейти способ усиления сигнала при передаче аго от солнечных и земным процессам» либо вообще отказаться от попытки связать его Природу о солнечными явлениями.
Актуальность Ессдлдоааяпя.
Аллуадьяоеть определяется значением КД- вариаций з .т-гнЕУ-ихв пріподнах рядов, isc местом и ролью в греблею воздействия Космоса
ЯЛ ЗЗЮЫО ПрОЦОССЫ. КД- ЦИКЛ, ШЗрЯДУ С С330НПЫМ, ПО ЧДСТОТЗ ЗЯПП-
улэт перзсэ - второе мг-ста во многих природных процрсса;с, а го
амплитуде второе - четвертое после сезонного и некоторых других
циклов. Частота встречаемости, глобальность, Еадичие ігоакт:т-:зс:<я
во всех природных процессах: температуре, осадках. зтас-оіорпом
давлении, локализации центров действия атмосфер:-», колебаниях урсз--;
ел водных бассейнов, общзм содержания озона, індексах roo.vsrinrri:oa
возмуцэнпости и т.д. - делает актуальной проодзму исследования.
простраиствэнЕо-вреУэзной дпяахнкк в различных реализациях з із
взаимосвязи для повгмашм свойств и раскрытия природы. '
Свойства исследуекнх вариации указывают на их Енеизгю. косуя-ческуэ природу. В то хе врбмя попытка связать их с солнечной активности) встречается с серьезными трудное??.»!: сигнал з индексах солнечной активности слаб, а гкялитудЕо-вреуензая модуляция колебаний в рядах чисел Вольфа к других природных рядах, по xzemvo >/погих исследователей, а том число и диссертанта, существенно различна. Таким образом, проведенное исследование актуально в теоретическом плане, в понимания природа и механизма КД- и КГ-вариаций.
Помимо теоретического аспекта, поставленная задача имеет важное практическое значение. КД- цикл обеспечивает значительную часть изменчивости температурных рядов (по литературным дзееым. до 30-50 %), в связи с чем исследование врешнной и пространственной динамики вариаций актуально для долгосрочного прогнозирования крупномасштабных температурных полей.
Цель а задачи исследования.
Цель: а). Исследовать пространственво-вреюннув динамику кД-колебаний в различных природных процессах и выявит связь мэзду ними для понимания природа и механизма. В связи с этим некоторые реализации (ряды сумм осадков, индексы солнечной активности, скорость солнечного ветра, т.д.) проанализированы настолько подробно, насколько этого требует поставленная цель.
б). На основе выявленных связей и закономерностей сформулировать їипотезу о возможной природе КД-вариаций, указав на соответ-ствупцую роль в них КГ- колебания.
в) Выявленные особенности динамики КД- и КГ цикличности в рядах приземной температуры применить для долгосрочного прогнозирования температурных аномалий.
В соответствии с этим поставлены задачи:
I. Исследовать временную динамику КД-вариаций в длительных гес—гелиофизических рядах: приземзая температура, осадки, индексы геомагнитной возмущэнности (АА, ОС ) и солнечной активности (числа Вольфа). Выявить временные интервала наилучшего, проявления КД-цккличности: периода с наибольшей амплитудой и наивысшей статистической достоверностью исследуемого колебания.
2. Исследовать пространственную динамику КД- вариаций в при
родных процессах: приземная температура, осадки, общее содержание
озона. Выявить регионы наилучшего проявления КД- колебаний.
3. Исследовать взаимосвязь КД- колззбаний в анализируемых
временных рядах, пркмэнив кросс-спектральный анализ с вычислением
функции когерентности и, где необходимо, фазового спектра.
-
На основе проведенного анализа и выявленных связей сформулировать тезис о возможной прароде КД-вариаций.
-
Выявленную временную динамику КД- и КГ- колебаний применить в практике долгосрочного прогнозирования аномалий приземной температуры по территории Украины.
Научная новизна исследования.
В диссертации приведены оригинальные результаты статистического анализа временных рядов по данным наблюдений в северном полушарии: приземная температура, общее содержание озона, а также индексов геомагнитной возыущвнности, цюрихского ряда чисел Вольфа, скорости солнечного ветра с целью выявления и анализа пространственно-временной динамики квазидвухлетней цикличности,. Наблюдательные данные взяты в архивах Гидрометцентра СССР, Главной Геофизической обсерватории, в Мировом центре Данных (Обнинск, Мэсква) а также в соответеэупцих Каталогах (отечественных и зарубежных изданий). Все данные предварительно приведены к нормальному, стационарному виду.
1. Проведен детальный анализ временной нестацпонариостп КД-
вариаций: изменение их амплитуда, мощности, периода со временем.
а). КД- цикл представляет собой полосу, составленную набором колебаний с периодами от 21 до 32 месяцев при наибольшей статистической обеспеченности 26-месячного.
б). КД- вариации в метеорологических рядах не связаны с сезонным, годичным циклом и могут иметь максимальные амплитуды в любое время года.
в). В реализациях температурных аномалий периоды наилучшего проявления КД- цикла разделены врешнными интервалами в 45-50 лет, а максимальные амплитуды реализуются в начале века, в 30-х годах и с начала 60-х годов по конец 80-х.
2. Показвна пространственная нестацконарность КД- вариаций:
их, амплитуда, период колебания меняются при переходе от одаого
региона к другому.
а). Амплитуды КД- вариаций в рядах: приземная температура, общее содержание озона убывают с уменьшением широты с фазовым сдвигом; т.е. возмущение, ответственное за генерацию колебания, распространяется с высоких широт в низкие.
б). Амплитуда КД- волны возрастает при перемещении вглубь континентов.
в). Амплитуды исследуемых вариаций максимальны в сферах действия мировых и мощных региональных геомагнитных аномалий. Отмечена важная этих аномалий в генерировании КД- и КГ- вариаций в природных процессах.
3. В природных рядах с отфильтрованным годичным, или сезонным
циклом обнаружен квазнгрдячный (КГ-) цикл, который в метеорологи
ческих процессах, рядах общего содержания озона обычно нивелирует
ся сезонной волной.
а). Полоса КГ- цикле представляют собой набор линий с периодами от Ю до 19 месяцев при наиболее высокой статистической обес-аеченночти 13-месячного.
б) КГ- колебание не связано с сезонным, 12-месячным циклом и ложе? иметь максимальную амплитуду в любое время года.
б). КГ- колебание не является гармоникой КД- цикла, а являет-5я самостоятельным циклом при их генетической общности.
,.„; в). КГ-. колебаже более'устойчиво во времени к, подобно КД-цкклу»..ЕестзцйОЕЕрногв'.пространс'пээ," хувя максіашльну»'"2мшмгуду в Bacoiqcc гцгротгх и мэстах локализации ге&иагнитзЕ аномалій.
'4. Блзрвые дакз колагеесто2Еная" "еі^ікз взззыосёязз КД-'
варсжлгй з .различная .вргродггіх срздах:- 'полях температуры, 'сбцом
содірл'-аїі-і сзона, солнечной, акгсвгостк,' гєо:.йгіпггеой воз>.уЄЕКо-
сті:, скорости солнечного ветра. " , '
-.Бі.Нч основе..результатов ГфострапствеяЕб-времэнного анализа КД- sspiKiisa* б гфкродннх рядах, а т.чкжз в связи с обнаружением в
EI'.X IU'- КОЛЗбЯЕУІД СДЕЛаїа 23ЇЧЄСі:Я 0б0С1ГС351П-ШЭ ПррДП0Л0Г,2їЕД О
' срарсда КД- (и КГ-) і^зазлзіости: комплекс выявленных свойств "ис-/-' -'сдадуеил: всркггуїй мо.\от бать объяснен соо?Еет*стБуітда.к вар-лзізкямк vJ...'галжт досках космических лучзй (ГКЛ) шізкой зпергки (2-5 ГвЗ).
Предполагается, что бдєййз планеты: Юпитер и Марс лгравт определеннув роль в осуш-х^Еленки ьяеекглїдз КД- (и КГ-) варкапуЗ.
б. На основе анализа ітїсслі-гаіостх, опредзлящей изменчивость.
.''' ТЄУЛЄр7урі;;^Г рйДОВ В ІЮСЛЗДтае ДЄСЯЇНЛЄТ11Я. К Теор.КИ'ОНТК/аЛЬНОЙ
.сгайнгй ахстраполяц::*:, составлен алгоритм к разработана «стодкхд долгосрочного npcTi:os:*posau:n Ерлысцгсгггбка: (иосячкгдг: н
_ссо:н-:ц2, a 'sskes' 'рзгкснзльЕа;) та^порсттріш аноцглай. Метод іллмзнзв К' долгсерочнорму срогнозкроЕагаїз температуры по регионам
. 1';<:ра'лны. ^Прогнози із/єе? високую озравдгзгешсть; для апробации они вгпразлдітся в Е'ПП'И "Лтроресурсы Украины".
Нэучкая я прахтаческан дешюоть.
Проведенный статистический сналта позволил выявить новые свойства . КД- вариаплй-Б природных: процессах и. их .взаимосвязь. Детальное исследование просгргпствеЕНО-вреі.'ВНЕОй ДЗШМИКИ КД-вариавнй в штєорологическиз: рядах, ойщзм содержанки озона, индексах геомзгннтпоп и солнечной активности, скорости солнечного ветра дало вогыоаность сформулировать их свойства и выдашуть гипотезу о природе: КД- цикличность в природных процессах формируется с участием галактических космических дучай низкой энергии (2-5 ГеЗ) при юдулкрущем действии внешних планет (Юпитера к Ьйрса). Действие в метеорологических и озонных рядах с отфильтрованном сезонным пик-
язи КГ- волны с периодом около 13 месяцев подтверждает предлжт-ную схему генерации КД- и КГ- циклов.
фактическое значение проведенных исследований заключается в том, что результаты динамики КД- и КГ- цислитаости использованы в долгосрочном прогнозировании крупномасштабных (шсаячных и сезонных, в также региональных) температурных аномалия*с заблаговремзн-ностью от мэсяца до года.
Основные положения, выяосаиые на защиту.
-
Особенности временной динамики КД- вариация в долговременных реализациях: приземная температура по данным станций северного полушария, индексы геомагнитной возмущенное (АА, ЕК ) и солнеч-ной активноти (числа Вольфа). Еыявлены периоды наилучеего проявления КД- ЦИКЛИЧНОСТИ.
-
Особенности пространственной динамики КД- колебаний: возрастание апллтуды вариаций от низких географических широт к высо-' ким с фазовым сдвигом, локализация максимальных амплитуд в сферах действия мировых и региональных геомагнитных аномалий.
3. Показано, что в природных процессах с отфильтрованным
сезонным, годичным циклом действует квазигодичная волна, Ев свя
занная' с сезоном. В мэтеорологических, озонных рядах эта волна
завуалирована более мощной сезонной. КГ-цикл в значительной мере
определяет изменчивость природных рядов и, что важно, играет осно-
вополагапцую роль в понимании природы КД- вариаций.
4. Показано, что КД- и КГ- колебания в приземной температуре,
эзоне, возмущениях геомагнитного поля, скорости солнечного ветра с
высокой степенью статистической достоверности когерентны. ЭТО
эзначяет согласованность колебаний, определенную настройку их
змшштуд и фаз. что свидетельствует об их единой природе и общем
(Вханизме генерации.
В то же время отсутствует когерентность КД- вариаций в рядах гасел Вольфа и геомагнитной возмущенносги.
б. Тезис о природа КД- (и КГ-) вариаций в исследуемых рядах: »ти вариации обусловлены галактическими космичесими лучами низкой шергии (2-5 ГэВ), на движение которых вблизи Земли оказывают ишяние крупномасштабные геомагнитные аномалиями.
G. Методика долгосрочного прогнозирования крупномасштабных (сезонных к месячных, региональных) тешературных аномалий с использованием установившегося спектра колебаний, в том числа квази-даухлетнего и квязигодичното, и теории оптимальной линейной экстраполяции природных процессов.
Яичное участие автора.
Весь объем работы: сбор дянных, их расшифровка, организация файлов, составление алгоритмов и программ для математической обработки, идеи, расчеты, их теоретическое обонованиэ, а таюке графическая оформление работы - выполнен автором самостоятельно.
АпроЗаадзя работы. Рзультаты работы, вынесенные на защиту, были доложеЕЫ на семинарах и конференциях:
I) Научные семинары Астрономической обсерватории и научные
сессии Киевского университета;
2з Всесоюзное совецаниэ: "О воздействии планет на солнечнуї активность, космические лучи, сейсмическую активность Земли", .Ленинград, Пулково, I97G;
3) Республиканский семинар (Украина): "Прогнозирование прк-
' роднообусловленной динамики народнохозяйственных явлений", Киев
УкрШГШ. 1976;
4) Всесоюзное совещание: "Физические основы .сверхдолгосрочны:
прогнозов погода", Ленинград, ГГО, 1977;
5) Всесоюзный семинар: "Пространственно-временная ритмкк
гелшгеофизических процессов", Львов, 1979;
-
Всесоюзное совещание: "Солнечно-атмосферные связи в прог нозах погода", Ленинград, ГГО, ISS0;
-
И Всесоюзный семинар: "Ритмика гелио-геофизических процес сов", Кироа, 1931;
-
5-е Совещание рабочей группы по прогнозам, Ленинград Пулково, ГАО АН СССР, 1931;
-
Всесоюзная конференция: "Долгосрочное аграметеорологичес кое прогнозироваш и ритмика гелио-геофизических процессов" Новосибирск, Краснообск, СисШИЗХкм. I9S6;
10) Научный семинар Лаборатории физики космических лучей
Москва, ИЗМИРДН, 1937;
II) Всесоюзная конференция: "Квазидвухлетнке вариации Солн
ца: от ядра в магнитосферу Земли", Москва, Пущяно, 1991
-
Всесоюзная конференция: "Квазидвухлетниэ вариации в гелю-геофизике", Москва* КЗМИРАН, 1992;
-
Всесоюзный семинар: "Долгосрочное прогнозирование погодных условий в целях сельскохозяйственного производства", Киев, 1993; .
14) 5-ый Мвздународный Симпозиум К.ДПГ по солнечно-земной
физик», Самарканд, 1989.X;
15) Иэждународаый Симпозиум по результатам исследования сред
ней атмосферы, Душанбе, 1989.XI;
Долгосрочные прогнозы, составляемые автором на протяжении последних двух лет, направляются в НИпти "Агроресурсы Украины" для оценки и испытания.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти Глав, Заключения, использованной Литературы и Приложения. Объем основеной части работы: 228 страниц, в том' числе 63 рисунков, 18 таблиц. Список литературы содержит 220 наименований. Приложение вхлтает: машинописный текст (21 страница), рисунки (14 страниц), таблицы (52 страницы).