Динаміка нелінійних взаємодій в глобальній кліматичній системі - Автореферат

Наукові дослідження глобального та регіональних кліматів проводилися протягом всього минулого сторіччя, але тільки наприкінці 1980-х років, після того, як людство зіткнулося з проблемою глобального потепління, ці дослідження перейшли з теоретичної галузі у практичну, основним застосуванням якої стала оцінка спостереженої та прогноз майбутньої зміни клімату. Хоч на цей час моделювання клімату за допомогою СУПЕРЕОМ здійснюється у багато яких світових наукових центрах, відповіді на запитання, що відбудеться у найближчі десятиріччя в кліматичній системі та якими будуть наслідки цього, з належною точністю не дано. Саме тому в наукових колах не існує терміна „прогноз клімату”, замість якого використовується поняття „сценарій розвитку клімату”. Наукова новизна одержаних результатів полягає в теоретичному обґрунтуванні важливої проблеми діагностики стану клімату з використанням комплексного підходу, що враховує низку взаємодій в кліматичній системі, практичному розвязанні проблеми врахування теплоти конденсації в циклі атмосферної енергії та впливу океанічної біоти в глобальному циклі двоокису вуглецю. Теоретичне значення удосконаленої схеми циклу енергії полягає в обґрунтуванні можливості застосування узагальненого рівняння Еліасена-Пальма, яке враховує приховану теплоту конденсації, до розрахунків складових бюджету енергії в атмосфері.В параграфі 1.2 розглядаються основні формулювання перетворення енергії в атмосфері та обґрунтовується можливість використання атмосферної енергетики як діагностичного засобу для виявлення коливань клімату. Треба відзначити, що формулювання для рівнянь бюджету енергії в циклі на основі ТЕС не змінюються, але фізичний сенс деяких членів (перетворень середньої кінетичної енергії у вихрову кінетичну та середню доступну потенціальну енергії, а також потоків перших двох) в цих рівняннях стає іншим. В третьому розділі наводяться результати чисельних експериментів з оцінювання складових циклу енергії та кутового моменту в атмосфері, а також показується наявність звязку між коливаннями запасів енергії та деякими великомасштабними атмосферними процесами. Спільний аналіз деталізованих компонентів D4 для індексів ПАК та запасів KE показав, що існує велика узгодженість між індексами ПАК та запасами KE з липня 1960 по січень 1990 р. Коефіцієнт кореляції для цього періоду становить 0,76 для ПАК-KE,пш та 0,70 для ПАК-KE,тр (для періоду 01/90-02/03 ці коефіцієнти дорівнюють-0,05 та 0,58, відповідно) Також можна казати про те, що за різкіших змін індексів ПАК відбуваються такі ж істотні зміни запасів вихрової кінетичної енергії. Але тут можна згадати, що періодичність Ель Ніньо становить від 3 до 7 років, а коефіцієнт кореляції між індексами Північноатлантичного та Південного (яке визначає інтенсивність Ель Ніньо) коливань з середини 60-х років до середини 80-х років минулого століття становить 0,60, а після 1985 року і до нашого часу-0,51.Ці зміни завжди справляли істотний вплив на розвиток життя на нашій планеті, а в останні тисячоріччя й на розвиток цивілізації, економіки, суспільства. У другій половині 20-го століття стали помітними зміни клімату, які спричинені людською діяльністю, і ці зміни на фоні природних коливань посилюють їх вплив на довкілля. При цьому чисельні експерименти здійснюються з двома головними цілями: 1) діагнозувати сучасний стан кліматичної системи та виявити внесок природних коливань та антропогенного впливу в зміни, що спостерігаються, і 2) показати сценарії розвитку клімату на декілька найближчих сторіч.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми діагностики стану кліматичної системи Землі.

Зміна клімату є найважливішою проблемою людства. Дослідження свідчать про суттєві коливання клімату як протягом останніх декількох століть, так й протягом останніх мільйонів років. Ці зміни завжди справляли істотний вплив на розвиток життя на нашій планеті, а в останні тисячоріччя й на розвиток цивілізації, економіки, суспільства.

У другій половині 20-го століття стали помітними зміни клімату, які спричинені людською діяльністю, і ці зміни на фоні природних коливань посилюють їх вплив на довкілля. Очевидно, що за рахунок антропогенної дії загальна кліматична ситуація може змінитися швидше, ніж це мале місце в минулі тисячоріччя.

Тому зусилля наукового товариства спрямовані на дослідження природи кліматичних змін та їх впливу на довкілля та суспільство. При цьому чисельні експерименти здійснюються з двома головними цілями: 1) діагнозувати сучасний стан кліматичної системи та виявити внесок природних коливань та антропогенного впливу в зміни, що спостерігаються, і 2) показати сценарії розвитку клімату на декілька найближчих сторіч.

Не можна казати з цілковитою впевненістю, що обидві ці цілі досягнуті, чи навіть, що їх досягнення є близьким. Тому будь-які нові відомості теоретичного або практичного характеру по питанню, що розглядається в дисертаційній роботі, мають велику наукову цінність.

Балансові методи розрахунку бюджетів різних видів енергії та кутового моменту, які використовуються в даній роботі, дозволили вперше одержати такі результати: - урахування прихованої теплоти конденсації в схемі на основі трансформованої Ейлеревої середньої, як це пропонується в роботі, дозволяє не тільки повніше фізично обґрунтувати процеси перетворення одного виду енергії в інший, але й дістати схему, що має більшу балансову спроможність;

- запропоновані в цій роботі формулювання параметризації членів джерел/стоків у бюджетних рівняннях енергії дозволяють дані обєктивного аналізу, що, в свою чергу, спрощує розрахунок цих членів та більш точне оцінювання усього циклу енергії;

- здійснені чисельні експерименти по оцінці складових глобального бюджету енергії в атмосфері за різними схемами дозволили виявити дві з них (та, що базується на трансформованій Ейлеревій середній, і в ізобаро-ізентропічній системі координат), які найбільш адекватно та фізично обґрунтовано пояснюють процеси перетворення одного виду енергії в іншій;

- на основі аналізу результатів оцінки різних видів енергії показано, що атмосферна енергетика може бути гарним засобом для діагностики стану кліматичної системи, тому що реагує на зміни великомасштабних атмосферних процесів, таких як Північноатлантичне та Південне коливання або чарунка Ґедлі;

- вперше запропонована оцінка балансу кутового моменту, який враховує Коріолісове перетворення, що дозволили точніше фізично інтерпретувати окремі складові цього балансу.

Запропонована проста удосконалена модель глобального циклу вуглецю в системі „океан-атмосфера” дозволила визначити концентрації та величини обміну вуглекислого газом (одного з головних парникових газів) в різних широтних поясах земної кулі і, крім того, виявлена роль в цьому процесі океанічної біоти. Більш того, показано, що цю модель можна використовувати для визначення часу адаптації кліматичної системи на антропогенний вплив.

В роботі значна увага приділяється методам нелінійного моделювання, таким як вейвлет-аналіз, використання як характеристик взаємодії спільної інформації та причинності Грангера, теорія катастроф. Саме завдяки ним вперше одержані такі результати: - показаний вплив Північноатлантичного та Південного коливань на вміст вихрової кінетичної енергії в атмосфері помірних та тропічних широт;

- визначені довгочасні періодичності Антарктичного коливання та показаний їх взаємозвязок з концентрацією озону в Південній півкулі;

- показаний вплив низькочастотних флуктуацій Північноатлантичного коливання на середньомісячні суми опадів в різних регіонах України;

- визначена роль, яку відіграють коливання ексцентриситету Землі з періодом приблизно 400 тисяч років: саме вони є причиною збільшення локальних максимумів, які аж до 1 мільйона років до н.е. визначаються змінами нахилу екліптики;

- показано, що періоди різкого потепління клімату на Землі визначаються спільним односпрямованим впливом трьох параметрів орбіти Землі: ексцентриситету, кута нахилу осі до екліптики та прецесії;

- представлено модифіковану енергобалансову модель глобального клімату, описання якої звелося до потенціальної функції типу катастрофи зборки;

- показано, що в рамках енергобалансової моделі для одержання довгоперіодичних коливань палеотемператури необхідне додаткове застосування принципу максимального сповільнення Тома, який, на відміну від принципу Максвела, забезпечує наявність петлі ґестерезису на біфуркаційній множині в площині керівних параметрів;

- визначена можливість нелінійної взаємодії між основними глобальними структурами телеконекції, такими як Арктичне, Південне та Антарктичне коливання, що дозволяє їх використання для моделювання клімату, як, наприклад, нелінійної системи динамічних осциляторів, що взаємодіють.

Треба відзначити, що в цій роботі як вихідні дані використовувався реаналіз NCEP/NCAR США, архівні дані якого мають високу якість і повсюдно використовуються при дослідженнях процесів в кліматичній системі. Крім того, використовуються методи і характеристики (вейвлет-аналіз, спільна інформація, причинність Грангера, теорія катастроф), які хоч й порівняно рідко застосовуються в метеорологічній та кліматологічній практиці, але добре зарекомендували себе в інших наукових галузях та мають велику потенціальну можливість для дослідження клімату. Тому достовірність одержаних в цій роботі результатів не повинна викликати недовіру.

З нашої точки зору, запропоновані в дисертаційній роботі методи і методики можуть бути з успіхом застосовані для аналізу інших гідрометеорологічних величин та виявлення взаємодії між ними в межах глобальної кліматичної системи. Крім того, одержані в роботі теоретичні узагальнення можуть використовуватися для подальшого розвитку запропонованих в роботі моделей, що дозволить надалі поліпшити наукове розуміння процесів, що спливають в кліматичній системі та обумовлюють в ній зміни.

1. Хохлов В.Н. Энергетика общей циркуляции атмосферы - Одесса: “ТЭС”, 2004. - 134 с.

2. Хохлов В.М. Аналіз та прогноз розвитку повітряних мас, атмосферних фронтів та баричних утворень: конспект лекцій - Одеса: ТЕС, 2004. - 125 с.

3. Гідродинамічні моделі прогнозу погоди і сіткові методи їх реалізації: Навчальний посібник / Ківганов А.Ф., Хоменко Г.В., Хохлов В.М., Бондаренко В.М. - Одеса: ТЕС, 2002. - 179 с.

4. Khokhlov V.N. Inclusion of condensation heating into the atmospheric energy cycle based on the transformed Eulerian mean // Физика аэродисперсных систем. - 2004. - Вып. 41. - С. 123-128.

5. Хохлов В.М., Глушков О.В., Русов В.Д., Ващенко В.М., Павлович В.Н., Цеменко О.О., Патлашенко Ж.І. Про довгострокові зміни фаз Антарктичного коливання і їхнього звязку зі вмістом озону в південній півкулі // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. - 2004. - № 4. - С. 414-424.

6. Khokhlov V.N., Glushkov A.V., Tsenenko I.A. Atmospheric teleconnection patterns and eddy kinetic energy content: wavelet analysis // Nonlinear Processes in Geophysics. - 2004. - Vol. 11. - No. 3. - P. 295-301.

7. Глушков А.В., Хохлов В.Н., Препелица Г.П., Цененко И.А. Временная изменчивость содержания атмосферного метана: влияние североатлантической осцилляции // Оптика атмосферы и океана. - 2004. - Т. 17. - № 7. - С. 573-575.

8. Лобода Н.С., Хохлов В.Н. Статистический анализ связи климатических факторов, полей осадков и гидрологических параметров для юго-западной части Украины // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. - 2004. - Т. 6. - С. 60-66.

9. Глушков А.В., Хохлов В.Н. Вейвлет-анализ влияния изменений параметров орбиты Земли на наблюдаемые изменения климата // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2004. - Вип. 48. - С. 50-54.

10. Глушков О.В., Хохлов В.М., Свинаренко А.А., Цененко І.О., Черниш О.Є. Про вплив параметрів орбіти на коливання клімату Землі в останні 4 мільйони років // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. - 2004. - № 1. - С. 377-385.

11. Глушков А.В., Хохлов В.Н., Бунякова Ю.Я. Ренорм-групповой поход к исследованию спектра турбулентности в атмосфере // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2004. - Вип. 48. - С. 286-292.

12. Хохлов В.Н., Пономаренко Е.Л., Солонко Т.В. Моделирование глобального цикла двуокиси углерода в системе “атмосфера-океан”: поток углерода на границе атмосфера-океан // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2004. - Вип. 48. - С. 338-342.

13. Glushkov A.V., Khokhlov V.N., Loboda N.S., Ponomarenko E.L. Computer modelling the global cycle of carbon dioxide in system of “atmosphere-ocean” and environmental consequences of climate change // Environmental Informatics Archives. - 2003. - Vol. 1. - 125-130.

14. Русов В.Д., Глушков А.В., Ващенко В.М., Михалусь О.Т., Хохлов В.Н. Енергобалансова модель глобального клімату і її звязок із теорією ритму льодовикових періодів Міланковича. Частина 1. Теорія // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. - 2003. - № 2. - С. 386-399.

15. Хохлов В.М. Порівняльний аналіз розрахунку складових глобального циклу енергії у атмосфері // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2003. - Вип. 47. - С. 3-7.

16. Русов В.Д., Глушков А.В., Ващенко В.М., Михалусь О.Т., Хохлов В.Н. Енергобалансова модель глобального клімату і її звязок із теорією ритму льодовикових періодів Міланковича. Частина 2. Принцип Тома і довгоперіодичні коливання температури в енергобалансовій моделі клімату // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. - 2003. - № 2. - С. 400-407.

17. Хохлов В.М. Про енергетику циркуляції Ґедлі // Наукові праці Українського Науково-дослідного Гідрометеорологічного Інституту. - 2003. - Вип. 253. - С. 18-26.

18. Глушков О.В., Хохлов В.М., Цененко І.А. Застосування вейвлет-розкладення для аналізу запасів вихрової кінетичної енергії, процесів тепло-, масо-, енерго-переносу в атмосфері // Физика аэродисперсных систем. - 2003. - Вып. 40. - С. 215-225.

19. Хохлов В.Н. Влияние СЕВЕРОАТЛАНТИЧЕСКОГО колебания на энергетику внетропических широт // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2002. - Вип. 46. - С. 30-34.

20. Хохлов В.Н. Испарение и осадки над Северным полушарием // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2002. - Вип. 45. - С. 37-43.

21. Хохлов В.М. Запаси різних видів енергії в атмосфері північної півкулі // Наукові праці Українського Науково-дослідного Гідрометеорологічного Інституту. - 2002. - Вип. 250. - С. 34-41.

22. Русов В.Д., Глушков А.В., Ващенко В.Н., Михалусь О.Т., Хохлов В.Н. О возможном генезисе фрактальных размерностей в системе турбулентных пульсаций космической плазмы - спектр ГКЛ - турбулентные пульсации в атмосфере // Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту. - 2002. - Вип. 250. - С. 107-114.

23. Кивганов А.Ф., Глушков А.В., Хохлов В.Н. Взаимодействие и распад солитонов в теории атмосферных образований // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2002. - Вип. 45. - С. 10-16.

24. Хохлов В.Н., Мансарлийский В. Запасы энергии в нижней стратосфере северного полушария // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2002. - Вип. 45. - С. 53-57.

25. Глушков А.В., Хохлов В.Н. Атмосферный влаго-тепло-перенос, телеконнекция и баланс энергии, углового момента // Физика аэродисперсных систем. - 2002. - Вып. 39. - С. 148-157.

26. Хохлов В.М. Параметризація вертикальної і горизонтальної дифузії в рівнянні бюджету кінетичної енергії // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2001. - Вип. 44. - С. 24-29.

27. Khokhlov V.N. Atmospheric moisture fluxes of the Northern Hemisphere // Environment of Siberia, the Far East, and the Arctic. - 2001. - Vol. 1. - P.73-78.

28. Хохлов В.Н. Пространственно-временное распределение осадков и испарения над Украиной // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2001. - Вип. 43. - С. 44-50.

29. Глушков А.В., Хохлов В.Н. Атмосферный влагооборот, телеконнекция, ячейки Гадлея и баланс энергии, углового момента // Environment of Siberia, the Far East, and the Arctic. - 2001. - Vol. 1. - P.23-26.

30. Хохлов В.Н. Энергетический бюджет антициклонов в процессе их развития // Метеорология, климатология и гидрология. - 1999. - Вып. 38. - С. 47-53.

31. Кивганов А.Ф., Хохлов В.Н. Параметризация подсеточных эффектов в уравнениях бюджета различных видов энергии // Метеорология, климатология и гидрология. - 1999. - Вып. 38. - С. 30-41.

32. Глушков А.В., Амбросов С.В., Хохлов В.Н. Атмосферные волноводы, телеконнекция ячейки Гадлея и баланс углового момента // Метеорология, климатология и гидрология. - 1999. - Вып. 38. - С. 42-46.

33. Малиновская С.В., Даньков С.В., Дроздов А.И., Кивганов А.Ф., Полевой А.Н., Хохлов В.Н. Расчет спектроскопических параметров двухатомных ван-дер-ваальсовых молекул и ионов: атом инертного газа - ион инертного газа типа галогена в основном состоянии // Журнал прикладной спектроскопии. - 1998. - Т. 65. - № 6. - С. 935-938.

34. Loboda N., Glushkov A., Khokhlov V. Systematical establishing contribution of the precipitation of warm and cold seasons in forming an annual runoff of arid-zone rivers: Analysis within method of empirical orthogonal functions // Precipitation in Urban Areas. - Pontresina (Switzerland). - 2003. - P. 43-47.

35. Khokhlov V.N. Cloudiness characteristics over Northern Hemisphere: an analysis based on ISCCP D2 cloud data set // CD Preprints “Satellite Meteorology and Oceanography”. - Long Beach (USA). - 2003. - P. 21-24.

36. Khokhlov V.N. Influence of the North Atlantic Oscillation on spatial distribution of moisture characteristics // CD Preprints “Observing and Understanding the Variability of Water in Weather and Climate”. - Long Beach (USA). - 2003. - P. 57-60.

37. Khokhlov V.N. Energy content over high latitudes of Northern Hemisphere // CD Preprints “Polar Meteorology and Oceanography”. - Hyannis (USA). - 2003. - P. 73-75.

38. Glushkov A., Khokhlov V., Loboda N. Neural network & multi-fractal modelling the frustrated aquifer systems. “Underground” hydrology and global Earth angular momentum disbalance // Hydrology and Water Resources in Asia Pacific Region. - Kyoto (Japan). - 2003. - P. 1057-1059.

39. Khokhlov V.N., Glushkov A.V. Atmospheric teleconnection patterns and eddy kinetic energy content: wavelet analysis // Geophysical Research Abstracts. - 2004. - Vol. 6. - 04588.

40. Glushkov A., Loboda N., Khokhlov V., Ponomarenko E. Nonlinear scaled features in a global cycle of carbon dioxide in system of atmosphere-ocean and global warming effect // Geophysical Research Abstracts. - 2004. - Vol. 6. - 06913.

41. Khokhlov V. Nonlinear dynamics of geophysical processes: Wavelet identifications for homologation of North Atlantic and Arctic Oscillations // Proc. 3d Int. Conf. Nonlinear Sciences. - Singapore. - 2004. - P. 82.

42. Хохлов В.Н. Отклик энергетики тропической атмосферы на Эль Ниньо // Тезисы докладов Всемирной Конференции по Изменению Климата. - Москва (Россия). - 2003. - С. 467.

43. Khokhlov V.N. Inter-annual fluctuations of atmospheric energy cycle over Northern Hemisphere // Proc. Int. Symp. Climate Change. - Beijing (China). - 2003. - P. 200-202.

44. Loboda N.S., Glushkov A.V., Khokhlov V.N. Modelling global cycle of carbon dioxide in system of “atmosphere-ocean” and global warming effect // Proc. Int. Conf. Earth System Modelling. - Hamburg (Germany). - 2003. - P. 285.

45. Glushkov A.V., Rusov V.D., Loboda N.S., Khokhlov V.N., Vaschenko V.N., Mikhalus O.T. Energy-balance model of global climate and its connection with Milankovitchs theory of ice age rhythm // Proc. Int. Conf. Earth System Modelling. - Hamburg (Germany). - 2003. - P. 54.

46. Glushkov A., Khokhlov V. Fractal features of the large-scaled low frequency atmospheric processes and formations // Proc. Int. Conf. Fractals in Hydrosciences. - Ascona (Switzerland). - 2003. - P. 6.

47. Хохлов В.Н. Сезонные колебания в атмосферном цикле энергии // Тези доповідей міжн. конф. “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища - 2002”. - Одеса (Україна). - 2002. - С. 93-94.

48. Khokhlov V.N., Glushkov A.V. CO2 mixing ratios fluctuations and atmospheric circulation // Proc. 12-th Conf. on Applications of Air Pollution Meteorology. - Norfolk (USA). - 2002. - P. 63-64.

49. Khokhlov V.N., Ivanov A.V. Spatial-time structure of precipitation over Northern Atlantic // Proc. International Conf. on Quantitative Precipitation Forecasting. - Reading (United Kingdom). - 2002. - Vol. 2. - P. 18.

50. Khokhlov V., Glushkov A. Vertical diffusion parameterization for kinetic energy equation // Geophysical Research Abstracts. - 2002. - Vol. 4. - 03871.

51. Khokhlov V.N., Glushkov A.V. Spatial-time structure of the energy content over tropics // Proc. 25th Conf. Hurricanes and Tropical Meteorology. - San Diego (USA). - 2002. - P.428-429.

52. Khokhlov V.N. Phytoplankton time distribution in the Northern Atlantic: Possible impact of the teleconnection pattern // Proc. 2nd GLOBEC Open Science Meeting. - Qingdao (China). - 2002. - P. 119-120.

53. Khokhlov V.N. Zonal mean precipitation and evaporation over Northern Hemisphere // Proc. Climate Conference. - Utrecht (the Netherlands). - 2001. - P. 115-116.