Введение к работе
Земная климатическая система (ЗКС) - неоднородная и нелинейная нестационарная система с достаточно широким диапазоном изменений переменных и параметров в пространстве и во времени', в состав ЗКС входят атмосфера, гидросфера (океан), криосфера, биосфера и деятельный слой ерш. Синергетическую динамику полей климатических переменных различной природы усложняют их инерционные особенности в сочетании с различиями тенденций отдельных звеньев в неоднородной ЗКС, с различиями региональных случайных воздействий. Если характерной особенностью геофизической гидродинамической системы является наличие в ней вращения и стратификации, то, характеризуя ЗКС как геофизическую термодинамическую систему, следует отметить еще одну принципиальную особенность - временную периодичность граничных условий.
В геофизической термодинамике, в частности в нелинейной термодинамически неравновесной ЗКС, существенно наличие цикличностей внешних условий и внутренних явлений. Периодичность инсоляции проявляется и в суточном и в годовом ходе, и в тысячелетних особенностях эволюции орбиты Земли вокруг Солнца. С цикличностью граничных условий для ЗКС связаны особенности структуры полей климатических переменных, в частности температурного поля, и их эволюция, что приводит к особым режимам самоорганизации в сочетании с генерацией вынужденных структурных особенностей в столь сложной системе с большим числом степеней свободы. При этом проявляется способность ЗКС к адаптации к определенным, не обязательно стационарным, состояниям в зависимости от внешних (зависящих от времени) условий.
Уникальность реализаций ЗКС повышает значимость взаимосвязанных эмпирических и модельных исследований. Развитие системы мониторинга и моделирования глобального климата порождает необходимость развития прямых и косвенных методов диагностики его структуры и динамики на основе эмпирических данных и модельных результатов. Кроме анализа
квазистационарных режимов ЗКС для ее исследования (диагноза, моделирования и прогноза) необходим динамический анализ пространственно-временной структуры системы и взаимной эволюции полей климатических переменных.
Для исследования общих закономерностей сложной SKC необходим анализ интегральных характеристик системы с пространственно-временной детализацией особенностей на фоне выявленных крупномасштабных и долгопериодных закономерностей. Так, в частности, при анализе ЗКС для периодов от месяца и более отмечается значительная степень зональности структуры полей климатических переменных вследствие зональности инсоляции для сравнительно быстро вращающейся Земли (хотя существуют механизмы, вызывающие незональные эффекты). Зональные характеристики удобны для диагностики данных измерений и моделей. Не следует при этом недооценивать значение климатической незональности. При условии же приближенной зональности естественно проводить исследование более тонкой структуры климатической системы на фоне зонально осредненных характеристик.
Современные климатические модели, вплоть до самых детальных моделей общей циркуляции, в целом воспроизводя отдельные режимы климатических полей ЗКС, недостаточно хорошо учитывают взаимосвязь и взаимоэволюцию климатических полей как в годовом ходе, так и в межгодовой изменчивости. Необходим анализ не только полей климатических переменных, но и их производных, полных и частных, по времени и пространству, при различных пространственно-временных осреднениях. Анализ взаимосвязи климатических полей и диагностика вообще говоря нелинейных обратных связей в ЗКС важны для определения чувствительности и устойчивости системы к различного рода взаимодействиям, в том числе, антропогенным и не обязательно малым.
Необходима также взаимная диагностика эмпирических и модельных результатов. В такой диагностике нуждаются, не только модели, но и эмпирические данные, особенно когда они недостаточно полные и детальные. В частности, как показывает опыт ПГЭП, необходимо привлечение модельных исследований для усвоения эмпирических данных, а также развития методов их получения и анализа.
Требуются новые более гибкие и адаптируемые методы диагностики
с минимизацией использования априорных представлений о 'модовой структуре нелинейных неоднородных эволюционных полей.
Надо отметить, что прежде чем проводить модельные прогностические исследования возможных климатических изменений, следует провести соответствующий анализ эволюции климатической системы в современном режиме (в годовом ходе и межгодовой изменчивости). При этом существенно модельное воспроизведение как характеристик связи климатических полей, так и их асинхронности с адекватным пониманием причинно-следственных связей в ЗКС (разных на различных пространственно-временных масштабах). Это является необходимым, хотя и не достаточным, условием адекватного моделирования климатических изменений.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. В данной работе развивается научное направление, связанное с диагностикой эволюции глобальных климатических полей в годовом ходе и межгодовой изменчивости. К основным целям работы относятся: диагностика пространственно-временных климатических структур и механизмов глобального масштаба и региональных; диагностика взаимной эволюции климатических полей с оценкой чувствительности климатических характеристик к глобальным изменениям термического режима земной климатической системы.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Предложено новое направление в диагностике эволюции климатических полей. Это направление требует развития адаптационных и гибких методов диагностики с минимизацией априорного навязывания определенной модовой структуры нелинейных неоднородных эволюционных полей. С этой целью предложен, в частности, специальный метод амплитудно-фазовых характеристик. На основе нового подхода и с использованием различных стандартных методов выявлен ряд новых структурных особенностей земной климатической системы и их эволюции в годовом ходе и межгодовой изменчивости с диагностикой механизмов их формирования. Новый подход позволил выявить недостатки не только модельных результатов в сравнении с эмпирическими данными, но и оценить качество различных данных наблюдений.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ диссертационной работы, выносимые на защиту:
1. Предложен новый метод амплитудно-фазовых характеристик для
диагностики эволюции климатических полей.
2. Проведена диагностика эволюции глобальных климатических
полей в годовом ходе по спутниковым, наземным и ракетао-зондовым
данным с выявлением причин расхождения.
3. Сделаны оценки эволюции и коэволюции климатических полей в
межгодовой изменчивости для современного режима и при возможных
антропогенных изменениях на основе модельных результатов в
сопоставлении с эмпирическими оценками по данным в межгодовой
изменчивости (в том числе для полей температуры, облачности,
характеристик вихревой активности в атмосфере). Наряду с опенками
тенденций изменения средних климатических характеристик проведена
диагностика тенденций изменения характеристик климатической
изменчивости, включая внутригодовую и межгодовую дисперсию, а также
особенностей внутридекадной цикличности по климатическим данным в
межгодовой эволюции.
4. Сделаны оценки характеристик чувствительности различных
климатических переменных к изменению температурного режима
климатической системы. Получены оценки условий реализации различных
неустойчивостей в земной климатической системе и их изменений с
учетом различных климатических обратных связей на основе анализа
эмпирических данных.
5. Проведена диагностика эволюции и взаимной эволюции
глобальных климатических полей (в том числе, полей температуры,
облачности, осадков, радиационных потоков) в годовом ходе на основе
модельных расчетов и эмпирических данных с использованием метода
амплитудно-фазовых характеристик. В частности, проведена детальная
диагностика глобальных полей облачности и их эволюции в годовом ходе
в моделях общей циркуляции на основе результатов численных
экспериментов в рамках всероссийского и международных (включая AMIP
и месса) сравнений моделей. Выявлены причины расхождений модельных и
эмпирических данных.
НАУЧНАЯ ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ положений и выводов
работы подтверадается взаимосравнением модельных результатов и различных эмпирических данных. Сделаны оценки статистической значимости полученных результатов. Ряд новых результатов был позднее подтвержден другими авторами.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Результаты работы позволили выявить и в целом ряде случаев устранить недостатки отдельных климатических моделей, включая модели общей циркуляции, использовавшиеся, в частности, для оценок возможных изменений климата. Использованные в работе методы позволяют также выявить принципиальные расхождения в эмпирических данных и оценить их качество. Ряд выявленных структурных особенностей климатической системы представляет интерес не только для диагностических, но и прогностических исследований короткопериодных вариаций и более долгопериодных изменений регионального и глобального климата. Получены количественные оценки климатических обратных связей, от которых зависит чувствительность земной климатической системы к различного рода воздействиям, в том числе антропогенным.
АПРОБАЦИИ РАБОТЫ. Результаты диссертации представлялись на семинарах Института физики атмосферы РАН, Арктического и антарктического научно-исследовательского института. Государственного гидрологического института, Главной геофизической обсерватории, Института вычислительной математики РАН, Института океанологии РАН, Института общей физики РАН, Казанского университета. Российского гидрометеорологического центра, Иллинойского университета (Урбана, США), Гавайского университета и Объединенного института морских и атмосферных исследований (Гонолулу, США), Мэрилендского университете (Колледж Парк, США), Лаборатории геофизической гидродинамики (Принстон, США), Годдардовского института космических исследований и Колумбийского университета (Нью-Йорк, США), Чикагского университета (Чикаго, США), Ливерморской национальной лаборатории (Ливермор, США). Национальной службы по спутниковой информации и данным об окружающей среде (Вашингтон, США), Американского метеорологического общества / Секция Округа Колумбия (Вашингтон, США), Национального центра атмосферных исследований и Лаборатории по исследованию окружающей среды
Национального управления по океану и атмосфере (Боулдер, США), Иель-ского университета (Нью-Хэйвен, США), Лаборатории динамической метеорологии (Париж, Франция), Университета Маккуори (Норе Райд, Австралия), Калифорнийского университета (Дэвис, США), Университета Пурда (Вест-Лафайет, США), Национального центра климатических данных (Эшвилл, США), на всесоюзных школах ИФА, на всесоюзных совещаниях по актинометрии, на всесоюзных совещаниях по проблеме антропогенных изменений климата (Ленинград), на межведомственных семинарах по радиационному теплообмену ("Радиационный клуб"), на межведомственных семинарах по влиянию загрязний природной среды на климат Земли (Обнинск), на Рабочем совещании Секции гляциологии (посвященном 100-летию Первого Международного полярного года, 50-летию Второго МПГ и 25-летию Международного геофизического года) и школе-семинаре "Проблемы гляциологии в системе взаимодействия природной среде и общества" (1982, Звенигород), на междуведомственном семинаре по научным результатам Первого глобального эксперимента Программы исследований глобальных атмосферных процессов (1983, Москва), на семинаре по статистическому анализу климатических полей (Москва), на семинарах по диагностике и сравнению моделей общей циркуляции ("Клуб модельеров"), на семинаре по экологической безопасности, изучению и оценке риска хозяйственной деятельности (Москва), на V всесоюзном совещании по применению статистических методов в метеорологии (1985, Казань), на всесоюзных симпозиумах "Физические аспекты теории климата" (1984, Обнинск; 1987, Обнинск), на Генеральных Ассамблеях Международного геофизического союза и Международной ассоциации по метеорологии и физике атмосферы (1985, Гонолулу, США; 1987, Ванкувер; 1991, Вена, Австрия), семинарах СПКОР (Советская программа климатологии облачности и радиации), на Втором всесоюзном симпозиуме по результатам исследований средней атмосферы (1986, Звенигород), на III Всесоюзном симпозиуме "Метеорологические исследования в Антарктике" (1986, Ленинград), на Всесоюзном семинаре по атмосферному озону, на Всесоюзном совещании по моделированию состава и динамики свободной атмосферы (1988, Суздаль), на международной конференции "Прогресс науки и глобальные проблемы современного мира" (1989, Дагомыс), на международной конференции "Изменения климата в историческом и инструментальном периодах" (1989, Брно, Чехословакия), на симпозиуме по
глобальному изменению климата (1989, Санданс, США), на мезкдународном семинаре Академий Наук СССР и США "Развитие глобальной энергетики и связанные с этим экологические проблемы" (1989, Москва), на международном симпозиуме по программе исследования средней атмосферы (1989, Душанбе), на совещании по Программе моделирования климатической системы (1990, Боулдер, США), на международной конференции по исследованию роли полярных областей в глобальных изменениях (1990, Фэрбенкс, Аляска), на международном совещании "Контролируемые активные глобальные эксперименты" (1990, Варенна, Италия), на совещаниях Рабочей Группы 8 Советско-американского сотрудничества в области охраны окружающей среды (1991, Ленинград; 1991, Вильямсбург, США), на школе-семинаре "Изменения климата и реакция геосистем" (1991, Звенигород) , на Симпозиуме по тропосферной химии антарктической области (1991, Боулдер, США), на международном совещании по сравнению климатических моделей (1992, Беркли, США), на Генеральных Ассамблеях Европейского геофизического общества (1993, Висбаден, Германия; 1995, Гамбург, Германия), на международном симпозиуме по экологическим эффектам атмосферных загрязнений (1993, Рейкьявик, Исландия), на международной конференции по исследованию изменчивости муссонов и их предсказанию (1994, Триест, Италия), на Рабочем совещании НАТО "Климатическая чувствительность к радиационным возмущениям: Физические механизмы и валидация" (1994, Париж, Франция), на Первой международной конференции по программе сравнения атмосферных моделей (амгр) (1995, Монтерей, США).
СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа включает введение, 5 разделов, заключение и список публикаций автора по теме диссертации, в том числе монографию.