Введение к работе
Исследование циклических изменений климата предпринимается уже в течение многих лет При этом, МН01ИС авторы обнаруживают вариации климатических параметров на периодах 11 лет и 22 года (декадные вариации) Однако, сигнал на этих периодах оказывается неустойчивым, что приводит к разногласиям в выводах разных авторов Если декадные вариации в климате реально существуют, их естественно связать с влиянием солнечной активности, где эти периоды наблюдаются Однако, и эта связь, хотя часто имеет место, весьма неустойчива С другой стороны, на данных периодах возможно влияние и параметров, не связанных с солнечной активностью, имеющих квази-периодический характер (например, вулканизм)
Основной задачей данной работы является исследование декадных вариаций климата и их связи с вариациями внешних параметров (солнечная активность и вулканизм) Особое внимание при этом уделяется поиску условий (сочетание параметров), оптимальных для выявления этой связи и регионов, где такое влияние наиболее сильно
При исследовании декадных вариаций климатических параметров мы исходим из следующих предположений
декадные вариации в климате изменяются во времени, то появляясь, то исчезая по каким-либо причинам,
декадные вариации климата могут иметь место не во всех климатических зонах,
методы, применяемые разными авторами, далеко не всегда годятся для исследуемого ряда на рассматриваемом интервале времени
Например, если исходить из предположения, что проявление в климате декадной вариации имеет временное распределение, то применение линейных методов к рядам, покрывающим интервалы с проявляющейся декадной вариацией и без нее, в среднем даст результат, говорящий либо об отсутствии сигнала, либо о том, что он очень слабый А исследование отдельно взятых климатических рядов из различных географических зон может привести к противоположным результатам ввиду того, что имеет место и пространственное распределение, то есть в каких-то регионах планеты декадная вариация в климате есть, а в каких-то — нет Таким образом, имеет место сильная нестабильность, нелинейность проявления декадных вариаций в климате
3 (\ \
Исходными для объяснения противоречий в вопросе влияния на климат солнечной активности являются следующие предположения
отклик климата на вариации солнечной активности на масштабах десятилетий изменяется во времени, то появляясь, то исчезая, то изменяя фазовое соотношение по каким-либо причинам,
отклик может носить не обязательно глобальный, но распределенный каким-то образом по планете характер солнечный декадный сигнал может прослеживаться в климате в "чувствительных" к солнечным вариациям регионах, в остальных частях планеты отклик может не наблюдаться вообще,
методы, применяемые разными авторами, далеко не всегда годятся для исследования соотношений между двумя рядами на рассматриваемом интервале времени
Например, коэффициент линейной кросс-корреляции между двумя рядами, связанными друг с другом только на отдельных интервалах времени и, при этом, с разными фазовыми соотношениями, может оказаться близким к нулю, хотя в реальности это означает лишь нестабильность, нелинейность связи между исследуемыми рядами Несмотря на противоречивость результатов о связи декадных температурных вариаций с солнечной активностью, есть работы, посвященные разработкам физических механизмов воздействия солнечной активности на климат Земли Логичность и произведенные модельные количественные оценки влияния говорят в пользу реальности эффекта солнечной активности в климате
Одним из интенсивных процессов, способных оказать заметное влияние на климат, является вулканизм, так как это очень мощное явление, оказывающее воздействие на климат Земли — не только локально, но и, в зависимости от типа и интенсивности извержения, — глобально
Воздействие вулканических извержений на климат в настоящий момент является одним из бурно развивающихся направлений исследования Неплохо изученным и доказанным является кратковременное воздействие извержений на климат Влияние же на декадных масштабах и более не является хорошо исследованным Что касается воздействия на атмосферу интенсивных вулканических извержений, то в этом случае возможен глобальный эффект Например, для извержений Эль-Чичон (1982) и Пинатубо (1991) наблюдалось глобальное, в атмосфере над всей планетой, увеличение коэффициента обратного аэрозольного рассеяния
Особенно важен и интересен гот факт, что, как было показано в работе (Camp and Tung, GRL, 2007), разность значений приземной температуры воздуха в годы максимумов и минимумов 11-летнего цикла солнечной активности составляет в среднем О 2К, в то время как среднее похолодание в первый юд после извержения, по данным о интенсивных извержениях XIX -первой половины XX столетия, приведенным в (de Silva, Encyc of Climate), составляет также приблизительно 0 2К Таким образом, эффекты от солнечной и вулканической активности могут быть одного порядка, но оказывать воздействие на разных масштабах почти сразу — через 1 год (вулканизм) или же постепенно — в течение примерно 11 лет (солнечная активность) Это говорит о том, что совокупность таких факторов, как солнечная и вулканическая деятельность, может оказывать на климат комбинированное влияние, взаимоуснливающее или взанмоослабляющее воздействие каждого фактора в отдельности
Настоящая работа посвящена исследованию декадных вариаций в климатических рядах (глобальных и региональных, но замерам сети метеорологических станций) относительно поведения внешних факторов (таких как солнечная, вулканическая и геомагнитная активность) Особое внимание уделяется
изучению комбинированного воздействия на климат солнечной и вулканической активности, как возможной причины проявления в климате конца XX столетия квази-11-летней периодичности,
выявлению закономерностей проявления 22-летней вариации в когерентности солнечного и геомаї нитного факторов с температурой, а также ее причин,
исследованию географического распределения откликов температурных данных на вариации внешних параметров
Актуальность темы.
Исследования колебаний климата и их происхождения являются очень важными не только в общем, но и в контексте проблемы выявления причин глобального потепления По-прежнему окончательно не установлено, является ли единственной причиной наблюдающегося начиная приблизительно со второй половины XX столетия сравнительно интенсивного потепления климата антропогенный фактор, или же глобальное потепление может быть
объяснено естественными причинами, либо комбинированным воздействием антропогенного фактора и естественных воздействий В этом контексте интересен вопрос, а наблюдались ли подобные "глобальные потепления" в прошлом или же нет Вопросы о гом, насколько автономной системой является климат, в какой степени он подвержен воздействиям вариаций внешних параметров, таких как солнечная активность и вулканизм, до сих пор не имеют однозначных ответов, несмотря на то, что исследования в этой области (особенно по отдельным направлениям солнечная активность и климат, вулканическая автивность и климат) ведутся достаточно давно И исследование роли внешних (солнечного и вулканического) сигналов в вариациях климата Земли является важным "шагом" на пути поиска ответов на поставленные вопросы
Цель настоящей работы — выяснить, присутствуют ли декадные вариации в климате Земли, установить их пространственно-временное распределение и причины, найти возможное объяснение противоречивости представленных в литературе результатов исследований воздействия солнечной активности на климат Земли Предлагается исследовать роль солнечного и вулканического сигналов в декадных (11- и 22-летних) вариациях климата Земли Кроме того, предлагается обсудить возможность комбинированного воздействия на климат солнечной и вулканической активности В число задач данной диссертации также входит исследование отклика климата на вариации солнечной и іеомагнитной активности на 11- и 22-летних периодах как во время достаточно высокого, так и низкого, близкого к нулю, уровня вулканической активности Кроме того, предполагается выявить и изучить географическое распределение зон, наиболее чувствительных к индивидуальному и комбинированному воздействию вариаций внешних факторов на частотах, соотвеїствующих 11- и 22-лстним периодичностям
Таким образом, основные задачи данной диссертации можно сформулировать следующим набором вопросов, на которые предполагается получить ответы по результатам исследования
Наблюдаются ли 11- и 22-летние периодичности в климате7
Связаны ли рассматриваемые вариации климата с солнечной активностью'
Присутствует ли влияние вулканическою фактора, и как формируется
отклик климатической системы на совместное воздействие двух факторов7
Как отклик распределен пространственно и но времени7
Какой из солнечных процессов и на каких периодах (11 лет или 22 і ода) оказывает наибольшее воздействие на климат7
На защиту выносятся следующие положения
Вариации отклика приземной температуры воздуха на воздействие солнечною и вулканического факторов формируются в результате их комбинированного влияния случайно-распределенные вулканические извержения, воздействуя на климат, изменяют, усиливают или ослабляют (в зависимости от фазового соотношения) вариации в температуре, обусловленные периодическим солнечным воздействием,
Квази-22-летний сигнал в аномалиях глобальной приземной температуры воздуха обусловлен, вероятнее всего, вариациями солнечной активности и наблюдается в отсутствие интенсивных вулканических извержений, когда их глобальное воздействие на климат (DVI-шщекс) практически нулевое,
Северо-Атлантический регион является наиболее вариабельной климатической зоной, наиболее чувствительной к воздействию солнечной активности на периодах И и 22 года,
Среди исследованных 11- и 22-летних вариаций солнечной и геомагнитной активности отклик в температуре на максимальном количестве станций наблюдается для 22-летних вариаций геомагнитной активности
Научная новизна
1 Впервые исследована возможность обусловленности наблюдаемых в приземной температуре воздуха цикличностей комбинированным воздействием солнечной и вулканической активности на параметры нижней атмосферы Земли Под комбинированным воздействием, в данном случае, подразумевается "благоприятное" (то есть, усиливающее эффект) совпадение фаз двух независимых процессов (вариаций солнечной и вулканической активности), вызывающее последовательно два
противоположных отклика в климате (например, потепление и похолодание) Если такое совпадение происходит хотя бы два раза подряд, то отклики на них климата искусственно образуют цикл Выдвигается гипотеза о том, что причиной наблюдаемой во многих климатических данных второй половины XX столетия квази-11-летней периодичности является комбинированное воздействие солнечной и вулканической активности
Был исследован отклик климата на 11- и 22-летние вариации солнечной и геомагнитной активности при различных уровнях вулканической активности и разной степени воздействия, оказываемого вулканическими извержениями на климат Земли В результате этого исследования были выявлены условия отклика климата на вариации солнечной активности на И- и 22-летних периодичностях, выдвинуты гипотезы о физических процессах на Солнце, ответственных за когерентность с климатическими (температурными) факторами, обсуждаются масштабы солнечных магнитных полей, воздействующих на климат Земли посредством вариаций солнечной активности на различных периодах
Впервые исследовано глобальное географическое и временное распределение чувствительных к внешним воздействиям климатических зон на частотах, соответствующих 11- и 22-легней периодичности
Установлено, что геомаїнитная активность на 22-легней периодичности имеет наибольшее отражение в вариациях приземной температуры Земли (отклик наблюдается на наибольшем количестве станций)
Практическая ценность
Полученные результаты позволяют уточнить оптимальные условия (в зависимости от воздействующих факторов) и географические регионы для дальнейших исследований воздействия солнечной активности на климат Земли
Разработанное автором программное обеспечение может быть использовано в дальнейших исследованиях по данной тематике
Работа над диссертацией была поддержана
Грантом Администрации Санкт-Петербурга (2002 г),
Грантом Администрации Санкт-Петербурга и Международной Соросов-ской Программы Образования в Области Точных Наук (ISSEP) в рамках конкурса "Грант Санкт-Петербурга" (2002 г, 2003 г),
Грантом Nansen-центра (2003 г),
Грантом Министерства образования и науки Российской Федерации №37852 (2005 г)
Личный вклад автора
Автор принимал участие в постановке задачи, отборе и обработке экспериментального материала, в разработке, создании и тестировании нрограммно-ю обеспечения для обработки баз климатических данных в контексте задач данной работы, в анализе результатов Все изложенные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами
Апробация работы
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИФ СПбГУ, а также на 8 международных конференциях, 1 Всероссийской конференции и 1 международной молодежной научной школе
International conference "Problems of GEOCOSMOS-2002", St Petersburg, Russia, May 2002,
"Chapman Conference on Physics and Modelling of the Inner Magnetosphere", Helsinki, Finland, August 2003,
IX Пулковская международная конференция "Солнечная Активность как Факюр Космической Погоды", Санкт-Петербург, ГАО, Пулково, Россия, Июль 2005,
"2nd European Space Weather Week", ESA, ESTEC, Nordwijk, Netherlands, November 2005,
International conference "Problems of GEOCOSMOS-2006", St Petersburg, Russia, May 2006,
"Long-Term Trends Workshop 2006", SGO, Sodankyla, Finland, September 2006,
"3rd European Space Weather Week", Brussels, Belgium, November 2006,
XI Пулковская международная конференция "Физическая Природа Солнечной Активности и Прогнозирование ее Геофизических Проявлений", Санкт-Петербург, ГАО, Пулково, Россия, Июль 2007,
9 "9th International Precipitation Conference", Pans, France, November 2007
"2009 - Mechanisms of Quaternary Climate Change", Obergurgl, Austria, June 2009
Всероссийская ежегодная конференция по физике Солнца "Год Астрономии Солнечная и Солнечно-Земная Физика - 2009", Санкт-Петербург, ГАО, Пулково, Россия, Июль 2009,
Публикации
По теме диссертации опубликованы три сіатьи в рецензируемых научных журналах, четыре сообщения в сборниках трудов конференций и один доклад в электронном сборнике трудов конференции (в качестве первого автора), а также одна статья и одно сообщение в сборнике трудов конференции с участием в качестве соавтора
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, и списка литературы из 274 наименований, содержит 220 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков и 4 таблицы
