www.solar-climate.com
 
 

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ И КЛИМАТ ЗЕМЛИ

 

Это препринт Статьи, принятой для опубликования в журнале «Ученые записки РГГМУ», © 2016 г., ФГБОУ ВПО "Российский государственный гидрометеорологический университет" (РГГМУ)»

КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ИНСОЛЯЦИИ ЗЕМЛИ И АНОМАЛИИ ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
В.М. Федоров
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

На основе корреляционного анализа выявлены связи в распределении средней многолетней аномалии приповерхностной температуры воздуха и аномалии инсоляции по широтным зонам. Найдены различия в характере связи аномалии приповерхностной температуры и инсоляции, определяемые типом подстилающей поверхности. Выявлены связи временных рядов аномалии приповерхностной температуры и инсоляции в отдельных широтных зонах Земли. Определено, что распределение характера выявленной связи по широтным зонам регулируется широтным градиентом инсоляции.

Ключевые слова: изменение климата, инсоляция Земли, приповерхностная температура воздуха, аномалия температуры.

Введение

Проблема изменения современного глобального климата и, прежде всего, его температурных характеристик представляется актуальной для современной науки и практики (http://www.ipcc.ch). Эта проблема определяется необходимостью прогнозирования последствий климатических изменений для природной среды и общества. Наиболее важным в проблеме исследования и прогнозирования изменений климата является вопрос о причинах, вызывающих эти изменения (Монин, 1982; Монин, Шишков, 2000).

Важнейшей характеристикой климатических условий является температурный режим, определяющий многие особенности жизни населения и окружающей природной среды. Приповерхностная температура воздуха (ПТВ) характеризует термическое состояние климатической системы Земли, которое определяется в основном, приходящей от Солнца лучистой энергией и парниковым эффектом планеты. С широтными особенностями распределения солнечной радиации связано расположение климатических поясов (широтная зональность). В регулировании поступления солнечной радиации к Земле (без учета атмосферы) и распределении ее по земной поверхности (солярный климат Земли) выделяются два механизма, имеющие различную физическую природу. Один механизм связан с изменением активности Солнца. Другой механизм определяется небесно-механическими процессами изменяющими элементы земной орбиты (расстояние Земля – Солнце, продолжительность тропического года и др.), наклон оси вращения и, связанные с ними, изменения в инсоляции Земли.

Основная задача работы – определение влияния инсоляции и ее изменений, связанных с небесно-механическими процессами на формирование и изменение аномалии ПТВ, отражающей современное состояние и динамику термического режима климатической системы Земли.

 

Методика расчетов

Ранее нами была рассчитана приходящая на эллипсоид Земли (без учета атмосферы) лучистая энергия (Федоров, 2014, 2015 а, б). Расчеты инсоляции выполнялись по данным высокоточных астрономических эфемерид (Giorgini et al., 1996; http://ssd.jpl.nasa.gov) для всей земной поверхности в интервале с 3000 г. до н.э. по 3000 г. н.э. Поверхность Земли аппроксимировалась эллипсоидом (GRS80 – Geodetic Reference System, 1980) с длинами полуосей равными 6378137 м (большие) и 6356752 м (малая). В общем виде алгоритм расчетов можно представить выражением:

(1)

где I – приходящая солнечная радиация за элементарный n-й фрагмент m-го тропического года (Дж); – площадной множитель (м2), с помощью которого вычисляется площадной дифференциал – площадь бесконечно малой трапеции – ячейки эллипсоида; – часовой угол, – географическая широта, выраженные в радианах; H – высота поверхности эллипсоида относительно поверхности Земли (м); – инсоляция в заданный момент в заданном месте поверхности эллипсоида (Вт/м2), t – время (с). Шаги при интегрировании составляли: по долготе 1°, по широте 1°, по времени 1/360 часть продолжительности тропического года (Fedorov, 2015). Значение солнечной постоянной (среднее многолетнее значение TSI) принималось равным 1361 Вт/м2 (Kopp, Lean, 2011). По результатам расчетов сформирована общедоступная база данных приходящей солнечной энергии во все широтные зоны Земли (протяженностью в 5 градусов) за каждый астрономический месяц каждого года для периода от 3000 г. до н.э. до 3000 г. н.э. (http://www.solar-climate.com/sc/mtd.htm).

Выполненные нами расчеты отличаются от известных расчетов низкочастотных вариаций инсоляции (Миланкович, 1939; Монин, 1982; Шараф, Будникова, 1969, Berger, 1978 а, б; Berger, Loutre, 1991; Vernecar, 1972) разрешением по времени и пространству, а также исходным астрономическим данным (Федоров, 2013, 2014, 2015 а, б; Fedorov, 2015; http://www.solar-climate.com). Разрешение по времени, например, в работах (Миланкович, 1939; Шараф, Будникова, 1969; Монин, 1982) составляет 5000 лет, в работах (Berger, 1978 а, б; Berger, Loutre, 1991; Vernecar, 1972) 1000 лет. Земля принимается за сферу и, расчеты в этих работах выполняются только для отдельных широт (параллелей). Отличия нашего подхода в расчетах высокочастотных вариаций инсоляции от методов расчетов высокочастотных вариаций (Borisenkov et al., 1983, 1985) в основном, сводятся к следующему. Во-первых, они связаны с исходными астрономическими данными, используемыми в расчетах (в том числе, различными значениями солнечной постоянной). Во-вторых, с различным алгоритмом расчетов по пространству. В работах (Смульский, Кротов, 2013; Berger et al., 2010; Bertrand, Van Ypersele, 1999; Bertrand et al., 2002 а, б; Borisenkov et al., 1983, 1985; Loutre et al., 1992) Земля также принимается за сферу и, расчеты выполняются для отдельных широт (параллелей). В-третьих, по временному интервалу, охваченному расчетами. В работах (Смульский, Кротов, 2013 Berger et al., 2010; Bertrand, Van Ypersele, 1999; Bertrand et al., 2002 а, б; Borisenkov et al., 1983, 1985; Loutre et al., 1992) расчеты относятся только к отдельным точкам года. Например, в работах (Bertrand, Van Ypersele, 1999; Bertrand et al., 2002 а, б; Loutre et al., 1992) расчеты выполняются только для точек равноденствия и солнцестояния и июля (точнее, точки с геоцентрической долготой 120°). Таким образом, выполненные нами расчеты основаны на высокоточных эфемеридах, в них используется новое значение солнечной постоянной (Kopp, Lean, 2011), более детально охватывается временной интервал протяженностью в 6000 лет и вся поверхность (площадь) Земли (заполняются пространственные и временные «бреши» в расчетах инсоляции в данном интервале). Земная поверхность в наших расчетах не отождествляется со сферой, а аппроксимируется эллипсоидом.

 

1.Корреляционный анализ абсолютных значений ПТВ

Проведено сравнение рассчитанных значений инсоляции с данными абсолютных значениий приповерхностной температуры воздуха (ПТВ). В качестве исходных климатических данных принимались средние для широтных зон годовые значения ПТВ за период 1961–1990 гг. (климатическая норма ПТВ). Эти значения рассчитывались для 5-ти градусных широтных зон по месячным данным, приведенным в трехмерном массиве абсолютных температур за базовый период 1961–1990 гг. Университета Восточной Англии и метеобюро Хедли (Jones et al., 1999; http://www.cru.uea.ac.uk/).

Рассчитанные для 5-ти градусных широтных зон земного эллипсоида (без учета атмосферы) значения инсоляции (среднемноглетние за период с 1961 по 1990 гг.) сопоставлялись с годовой климатической нормой ПТВ за период 1961–1990 гг. (рис. 1). То есть, с нормой ПТВ, отражающей и свойственные ей характеристики парникового эффекта, солнечной активности и механизмов теплообмена, участвующих в формировании среднемесячной и среднегодовой температуры и ее распределению по широтам и сезонам.

УВЕЛИЧИТЬ УВЕЛИЧИТЬ

Распределение ПТВ по широтным зонам характеризуется тесной корреляционной связью с распределением приходящей на земной эллипсоид солнечной радиации. Коэффициент корреляции (R) климатической нормы ПТВ (1961–1990 гг.) и инсоляции (за тот же период) по меридиану Земли (по всем 5-ти градусным широтным зонам) характеризуется значением 0,94, для Северного полушария 0,99, для Южного полушария 0,94. Из анализа массива ПТВ (http://www.cru.uea.ac.uk) следует, что температурная норма для Земли (1961 – 1990 гг.) равна 13,97°C, для Северного полушария 14,59°C, для Южного – 13,36°C. По данным архива HadCRUT4 (http://www.cru.uea.ac.uk) годовая аномалия ПТВ для Земли составляет на 2015 г. 0,745°C, для Северного полушария 1,001°C, для Южного полушария 0,492°C. С учетом того, что окружающее Землю пространство характеризуется температурой равной -273°C., изменения аномалии ПТВ относительно абсолютного значения ее нормы (287,719°C, 288,587°C, 286,853°C для Земли, Северного и Южного полушария соответственно) составляют всего 0,26%, 0,35% и 0,17% соответственно (рис. 2). Тем не менее, климатическая система Земли откликается на эти малые вариации ПТВ сокращением площади морских льдов в Арктике, горных ледников, повышением уровня Мирового океана и т. д. (Малинин, 2015; Федоров, 2011; Федоров, 2015 в).

Из известного факта того, что более 99% тепла на поверхности Земли определяется поступлением и распределением лучистой энергии, возникает вопрос относительно роли инсоляции в величине и распределении аномалии этого тепла (ПТВ). Именно с увеличением аномалии ПТВ связаны многие современные озабоченности относительно причин и последствий изменения глобального климата Земли (http://www.ipcc.ch).

Парниковым эффектом планеты, приходящее от Солнца тепло удерживается. Под парниковым эффектом Земли понимается разность между фактической температурой поверхности и эффективной температуры Земли (Монин, Шишков, 2000). Эффективная температура соответствует потоку инфракрасного излучения от Земли, уходящему в космос, в расчете на единицу поверхности. Земли оценивается (в градусах ) в соответствии с законом Стефана – Больцмана , т.е., в предположении, что Земля является черным телом. Таким образом, парниковый эффект Земли . Эффективная температура Земли равна 249 (или -24°C), температура земной поверхности – 288К (+15°C), следовательно парниковый эффект равен 39 градусам. Таким образом, соотношение факторов инсоляции и парникового эффекта в термическом режиме Земли составляет 86,46% (249°) и 13,54% (39°) соответственно. Изменение парникового эффекта связывается, прежде всего, с изменением состава атмосферы (содержания водяного пара, СО2 и других парниковых газов, аэрозолей и т.д.). В настоящее время широко исследуются изменения аномалии ПТВ в связи с изменением парникового эффекта Земли и солнечной активности (Foukal et al., 2006; Mackey, 2009; Kopp G., Lean, 2011; http://www.ipcc.ch). В тоже время вопросы изменения аномалии ПТВ в связи с пространственными и временными вариациями инсоляции, связанными с небесно-механическими процессами, исследованы недостаточно (Fedorov, 2015). Однако, в связи с тем, что основным источником энергии гидрометеорологических процессов является приходящая от Солнца радиация, теоретическая оценка этого фактора формирования и изменения ПТВ, отражающего термический режим современного глобального климата представляется важной.

 

2. Корреляционный анализ аномалии ПТВ и инсоляции

Корреляционный анализ пространственной и временной изменчивости аномалии ПТВ состоял из двух частей. В первой части проводился корреляционный анализ распределения средних многолетних для широтных зон (за период с 1900 по 2014 гг.) значений аномалии ПТВ с распределением трех показателей инсоляции:

1) средней для широтных зон аномалией инсоляции (за период с 1900 по 2014 гг.) – R1;

2) разности инсоляции 2014 и 1900 годов (для соответствующих широтных зон) – R2.

3) средней для соответствующих широтных зон инсоляцией (за период с 1900 по 2014 гг.) – R3.

Анализ проводился для годовых и полугодовых значений аномалии ПТВ и инсоляции.

 

Во второй части, проводился корреляционный анализ временных рядов (годовых и полугодовых значений) аномалии ПТВ и соответствующих значений аномалии инсоляции внутри отдельных широтных зон. Полученные во второй части распределения коэффициента корреляции по широтным зонам сравнивались с распределением трех, отмеченных выше для первой части, параметров инсоляции.

В качестве исходных температурных данных в обоих случаях (2.1 и 2.2) использовался массив HadCRUT 4.4 полученный по ансамблю 100 модельных расчетов месячных значений аномалии ПТВ (http://www.cru.uea.ac.uk/). Разрешение массива по пространству составляет 5° по широте и долготе. Осреднением по всем месяцам были рассчитаны среднегодовые значения аномалии. Осреднением по месяцам с апреля по сентябрь рассчитывались значения для летнего полугодия, по месяцам с октября по март – для зимнего полугодия. Зимнее и летнее полугодия в работе указаны относительно Северного полушария. Отмеченное осреднение по месяцам связано с необходимостью минимизации полугодовых различий, связанных со сдвигом по фазе начала календарных полугодий относительно астрономических полугодий, для которых рассчитывалась инсоляция (http://www.solar-climate.com/sc/mtd.htm).

 

2.1. Корреляционный анализ распределения средних значений
аномалии ПТВ и показателей инсоляции по широтным зонам

Исследовалась связь распределения средних (для 5-ти градусных широтных зон за период с 1900 по 2014 гг.) годовых и полугодовых значений аномалии ПТВ и средних значений аномалии инсоляции (за тот же период для соответствующих широтных зон) по широтным зонам. Распределение среднегодовых значений аномалии ПТВ представлены на рис. 3. Сходный с годовым характер распределения средней аномалии ПТВ получен для летнего и зимнего полугодий.

R2 – коэффициент детерминации, отражающий вклад тренда в общую дисперсию ряда. Из данных массива аномалии ПТВ следует, что за период с 1900 по 2014 гг. приповерхностная температура в Северном полушарии повышалась более интенсивно, чем в Южном полушарии. Малые средние значения (около нуля) аномалии ПТВ отмечаются в экваториальной области и в Антарктиде. В распределении аномалии инсоляции по широтным зонам за тот же период отмечается увеличение в полярных районах и уменьшение в экваториальной области (рис. 4). Разность инсоляции в 2014 г. и в 1900 г. для соответствующих широтных зон имеет обратный характер распределения.

УВЕЛИЧИТЬ УВЕЛИЧИТЬ

Таким образом, во-первых, в полушариях отмечается различный по интенсивности температурный отклик на входящий в климатическую систему Земли энергетический сигнал (симметричный для полушарий) – лучистую энергию. Во-вторых, связь распределения среднегодовой аномалии ПТВ с распределением среднегодовой аномалии инсоляции (R1) и разности инсоляции в 2014 г. и 1900 г. (R2) по широтным зонам характеризуется разными знаками (положительным и отрицательным значениями соответственно). Корреляция среднемноголетних за период с 1900 по 2014 гг. годовых значений аномалии ПТВ и среднемноголетних значений годовой аномалии инсоляции по соответствующим 18-ти широтным зонам для Северного полушария характеризуется значением R1, равным 0,76. Корреляция среднемноголетних для широтных зон значений аномалии ПТВ и значений разности приходящей в 2014 и в 1900 гг. в соответствующие широтные зоны лучистой энергии R2 составляет -0,76. В Южном полушарии эти значения соответственно равны -0,11 и 0,12, т.е. имеют обратные, по отношению к значениям, полученным для Северного полушария, знаки. Малые значения коэффициента корреляции указывают на слабые связи между распределением среднегодовой аномалии ПТВ и среднегодовой аномалии инсоляции по широтным зонам в Южном полушарии.

Увеличением рядов при исследовании корреляции за счет последовательного добавления среднегодовых значений аномалии ПТВ и инсоляции для 5-ти градусных широтных зон от экватора в Южное (океаническое) полушарие было получено распределение значений R1 и R2 для широтных диапазонов различной протяженности (19-ти, 20-ти и т. д. до 36-ти 5-ти градусных зон). Отсчет значений коэффициента корреляции для широтных диапазонов (их 18 в каждом полушарии) проводился от северной полярной зоны 85°–90° (табл. 1).

 

Табл. 1. Распределение коэффициента корреляции между среднемноголетними (годовыми и полугодовыми) для широтных зон (за период с 1900 по 2014 гг.) значением аномалии ПТВ и соответствующими среднемноголетними значениями аномалии инсоляции – R1;

 

Широтные диапазоны, град.
Год
Летнее полугодие
Зимнее полугодие
85 – 90 с.ш. – 0 – 5 с.ш.
0,76
0,67
0,73
85 – 90 с.ш. – 0 – 5 ю.ш.
0,76
0,67
0,66
85 – 90 с.ш. – 5 – 10 ю.ш.
0,76
0,66
0,59
85 – 90 с.ш. – 10 – 15 ю.ш.
0,77
0,65
0,50
85 – 90 с.ш. – 15 – 20 ю.ш.
0,77
0,65
0,42
85 – 90 с.ш. – 20 – 25 ю.ш.
0,77
0,65
0,32
85 – 90 с.ш. – 25 – 30 ю.ш.
0,77
0,66
0,24
85 – 90 с.ш. – 30 – 35 ю.ш.
0,78
0,66
0,15
85 – 90 с.ш. – 35 – 40 ю.ш.
0,78
0,67
0,08
85 – 90 с.ш. – 45 – 50 ю.ш.
0,78
0,68
-0,01
85 – 90 с.ш. – 50 – 55 ю.ш.
0,76
0,70
-0,09
85 – 90 с.ш. – 55 – 60 ю.ш.
0,77
0,70
-0,15
85 – 90 с.ш. – 60 – 65 ю.ш.
0,74
0,71
-0,20
85 – 90 с.ш. – 65 – 70 ю.ш.
0,69
0,72
-0,27
85 – 90 с.ш. – 70 – 75 ю.ш.
0,62
0,72
-0,32
85 – 90 с.ш. – 75 – 80 ю.ш.
0,57
0,71
-0,32
85 – 90 с.ш. – 80 – 85 ю.ш.
0,53
0,70
-0,29
85 – 90 с.ш. – 85 – 90 ю.ш.
0,50
0,70
-0,28

 

Примечание: летнее и зимнее полугодие в Cеверном полушарии.

 

Для среднемноголетних годовых значений характерно увеличение (по модулю) значений R1 и R2 в пределах диапазона от 85°–90° с.ш. до 45°–50° ю.ш. Максимальные значения (R1 = 0,78 и R1 = -0,78) характерны для широтного диапазона от 85°–90° с.ш. до 45°–50° ю.ш. С широтной зоны 50°–55° ю.ш. отмечается уменьшение (по модулю) значений коэффициентов корреляции. Значения R1 и R2 для всей Земли составляют 0,5 и -0,5 соответственно (табл. 1, 2). Отмеченные диапазоны соответствуют особенностям пространственной структуры подстилающей поверхности (и климатической системы Земли). Северное полушарие – преимущественно континентальное, Южное – преимущественно океаническое. Самый юг Южного полушария занимает ледовый континент Антарктида. С этими особенностями подстилающей поверхности может быть связан различный по интенсивности характер отклика аномалии ПТВ на инсоляцию Земли. Распределение R2 имеет сходный с распределением R1 (табл. 1) характер, отличия определяются только знаком.

Распределение по широтным зонам среднемноголетних значений аномалии ПТВ для летнего и зимнего полугодия сходно с распределением, полученным для среднемноголетних значений аномалии ПТВ (рис. 3). Коэффициент детерминации (полином 5-й степени) для летнего полугодия составляет 0,83, для зимнего полугодия 0,88. Распределение средних для полугодий значений аномалии инсоляции и разности инсоляции для соответствующих широтных зон в 2014 г. и 1900 г. приведены на рис. 5 и 6.

УВЕЛИЧИТЬ УВЕЛИЧИТЬ

Значения R1 и R2 для Южного полушария в летнее полугодие составляют 0,58 и -0,56, для Северного полушария 0,67 и -0,67, для Земли 0,7 и -0,71 соответственно (знаки соответствующих коэффициентов корреляции, полученные для Земли, Северного и Южного полушария одинаковые). Продолжая для летнего полугодия, как и в случае среднегодовых значений аномалии, увеличение ряда от Северного (континентального) полушария в Южное (океаническое), получаем распределение R1 (табл. 1) для широтных диапазонов различной протяженности (отсчет ведется от северной полярной зоны 85°–90°). Распределение R2 имеет сходный характер, отличия определяются только знаком.

При этом отмечается разный уровень связи в диапазонах 85°–90° с.ш. – 15°–20° ю.ш. (преимущественно континентальная область), 20°–25° ю.ш. – 65°–70° ю.ш. (преимущественно океаническая область) и 70°–75° ю.ш. – 85°–90° ю.ш. (ледовый континент Антарктида). В первом и третьем диапазонах отмечается сокращение значений (по модулю) R1 и R2 в южном направлении, во втором увеличение.

В зимнее полугодие значения R1 и R1 для Южного полушария составляют –0,29 и 0,29, для Северного полушария 0,73 и -0,75 (однако в Южном полушарии они сокращаются и затем меняют знак на обратный), для Земли -0,28 и 0,27 соответственно (табл. 2). В Южном полушарии в летнее (для этого полушария) полугодие наиболее отчетливо проявляется океанический и ледовый (антарктический) характер подстилающей поверхности. В распределении по широтным зонам он изменяет положительный знак корреляционной связи среднемноголетней аномалии ПТВ и среднемноголетней аномалии инсоляции на отрицательный (табл. 2)

 

 

Табл. 2. Значения коэффициента корреляции распределения средней аномалии ПТВ и показателей инсоляции по широтным зонам (пояснения в тексте). Шрифтом выделены значения с вероятностью 0,99.

Земля
Северное полушарие
Южное полушарие
R1
R2
R3
R1
R2
R3
R1
R2
R3
Год
0,499
-0,495
-0,341
0,760
-0,758
-0,633
-0,114
0,122
0,419
Летнее полугодие
0,704
-0,705
0,231
-0,666
-0,667
-0,644
0,580
-0,561
0,129
Зимнее полугодие
-0,280
0,267
-0,681
0,727
-0,750
-0,617
-0,292
0,292
0,205

 

Примечание:

R1 – коэффициент корреляции распределения средней аномалии ПТВ и средней аномалии инсоляции по широтным зонам в интервале с 1900 по 2014 гг.

R2 – коэффициент корреляции распределения средней аномалии ПТВ и разности инсоляции в 2014 г. и в 1900 г. по широтным зонам.

R3 – коэффициент корреляции распределения средней аномалии ПТВ и средней инсоляции для периода по широтным зонам в интервале с 1900 г. по 2014 г.

 

Тесные положительные связи среднемноголетней аномалии ПТВ и среднемноголетней инсоляции (R1) отмечаются в Северном полушарии для годовых и полугодовых (зимних и летних) значений. Для Земли тесная положительная связь среднемноголетней аномалии ПТВ и аномалии инсоляции (R1) отмечается для летнего (в Северном полушарии) полугодия. В Южном полушарии слабые положительные связи среднемноголетней аномалии ПТВ с показателями инсоляции отмечаются только в летнее (для Северного полушария) полугодие (табл. 2). Полученные положительные связи указывают на то, что изменчивость годовых и полугодовых значений средней аномалии ПТВ Северного полушария по широтным зонам в интервале с 1900 по 2014 гг. определяется изменчивостью по широтным зонам аномалии инсоляции. Изменчивость среднемноголетней аномалии ПТВ Земли определяется изменчивостью инсоляции по широтным зонам в летнее (для Северного полушария) полугодие. Изменчивость среднемноголетней аномалии инсоляции относительно слабо участвует в распределении среднемноголетней аномалии ПТВ по широтным зонам в Южном полушарии только в зимнее в этом полушарии полугодие. В летнее в этом полушарии полугодие ведущим фактором, определяющим изменчивость аномалии ПТВ, является характер подстилающей поверхности.

 

2.2.Корреляционный анализ многолетней изменчивости инсоляции и аномалии ПТВ

Исходными данными для анализа также были значения аномалии ПТВ, представленные в массиве HadCRUT 4.4 (http://www.cru.uea.ac.uk) и рассчитанные нами значения инсоляции (http://www.solar-climate.com/sc/bd01.htm). По временным рядам (за период с 1900 г. по 2014 г.) для отдельных широтных зон рассчитывались значения коэффициента корреляции между аномалией ПТВ и аномалией инсоляции (для годовых и полугодовых значений). Полученное распределение коэффициента корреляции по широтным зонам сравнивалось с распределением среднемноголетней (за период с 1900 по 2014 гг.) аномалии инсоляции, разности инсоляции в 2014 г. и в 1900 г., а также с распределением среднемноголетней инсоляции (за период с 1900 по 2014 гг.) по широтным зонам.

Распределение коэффициента корреляции между годовыми значениями аномалии ПТВ и аномалии инсоляции по широтным зонам показано на рис.7.

УВЕЛИЧИТЬ

Полученный характер распределения связи (значений R по широтным зонам) аномалии ПТВ и аномалии инсоляции определяется среднегодовым распределением инсоляции по широтным зонам (рис. 1). Коэффициент корреляции распределения среднегодовой инсоляции (за период с 1900 по 2014 гг.) по широтным зонам с полученным распределением R (рис. 7) составляет 0,84. Распределение R аномалии ПТВ и аномалии инсоляции также связано с распределением разности инсоляции в 2014 г. и в 1900 г. для соответствующих широтных зон (R = 0,68) (рис. 4). Таким образом, характер распределения связи временных рядов аномалии ПТВ и временных рядов аномалии инсоляции (R) по широтным зонам определяется распределением годовой инсоляции Земли, а также, в меньшей степени, распределением разности инсоляции в 2014 г. и в 1900 г. по широтным зонам (и приблизительно описывается графиком и уравнением аппроксимации).

Распределение значений R между аномалией ПТВ и аномалией инсоляции, рассчитанных по временным рядам (с 1900 г. по 2014 г.) для каждой широтной зоны в летнее (в Северном полушарии) полугодие, представлено на рис. 8.

Распределение R аномалии ПТВ и аномалии инсоляции по широтным зонам характеризуется значением коэффициента корреляции с распределением инсоляции по широтным зонам в летнее полугодие, равным -0,47. Связь распределения коэффициента корреляции с распределением разности инсоляции в 2014 г. и в 1900 г., полученной для каждой соответствующей широтной зоны, составляет 0,77. Следовательно, распределение связи аномалии ПТВ с аномалией инсоляции по широтным зонам в летнее полугодие определяется распределением разности инсоляции, полученной для соответствующих широтных зон за период между 2014 г. и 1900 г. (рис. 6). Распределение значений коэффициента корреляции, полученных для зимнего полугодия, представлено на рис. 9.

УВЕЛИЧИТЬ УВЕЛИЧИТЬ

Распределение связи аномалии ПТВ с аномалией инсоляции по широтным зонам характеризуется коэффициентом корреляции с распределением средних за зимнее полугодие значений инсоляции равным -0,54. Коэффициент корреляции с распределением разности инсоляции для соответствующих широтных зон в 2014 г. и 1900 г. составляет 0,71.

Таким образом, распределение показателя связи (R) годовых значений аномалии ПТВ и инсоляции Земли по широтным зонам определяется (положительные связи) как распределением среднегодовой инсоляции (0,84), так и распределением разности инсоляции в 2014 и 1900 годах в соответствующих широтных зонах (0,68) (рис. 4). Распределение показателя связи (R) полугодовых значений аномалии ПТВ и инсоляции Земли по широтным зонам определяется, в основном, распределением разности инсоляции в 2014 и 1900 годах в соответствующих широтных зонах и полугодиях (0,77 – летнее, 0,71 – зимнее) (рис. 6). Следует отметить, что распределение разности инсоляции в 2014 и 1900 гг. по широтным зонам отражает тенденцию изменения распределения межширотного градиента инсоляции за этот период. Тесные, но отрицательные значения R распределения связи аномалии ПТВ с аномалией инсоляции отмечаются с распределением по широтным зонам среднемноголетней аномалией инсоляции. Для годовой аномалии эта связь характеризуется значением коэффициента корреляции равным -0,67, для летнего полугодия -0,77, для зимнего полугодия -0,72 (рис. 4, 5). Все значения коэффициента корреляции значимы с вероятностью 0,99.

Полученная (в первой части) картина связей аномалии ПТВ с инсоляцией и различный по интенсивности температурный отклик климатической системы Земли (рис. 3) на в общем сходную за год инсоляцию полушарий (рис. 1, 5), вероятно, связана с различной структурой подстилающей поверхности. Широтные диапазоны с различным характером подстилающей поверхности соответствуют преимущественно континентальной области (Северное полушарие и приэкваториальная часть Южного полушария), преимущественно океанической области (Южное полушарие) и ледовой поверхности материка Антарктида. Влияние широтной структуры земной поверхности на характер связи аномалии ПТВ с инсоляцией проявляется в изменчивости по широтным диапазонам величины и знака коэффициента корреляции между этими показателями (табл. 1).

В общем виде механизм образования отмеченных связей аномалии ПТВ и инсоляции Земли можно представить следующим образом. Полученные ранее результаты показывают, что инсоляция Земли увеличивается в экваториальной области и уменьшается в полярных районах (Федоров. 2015 а, б). Это отмечается и для исследуемого в настоящей работе периода 1900 – 2014 гг. (рис. 4). Следствием этого является увеличение межширотного градиента инсоляции и соответствующего межширотного градиента ПТВ. С увеличением межширотного градиента ПТВ связано усиление переноса тепла из экваториальной области к полярным районам (Лоренц, 1970; Пальмен, Ньютон, 1973; Шулейкин, 1953). Также с увеличением межширотного градиента связано усиление турбулентности в атмосфере. Переносимое (прежде всего вихревыми образованиями – тропическими и фронтальными циклонами) воздушными массами от экватора к полюсам тепло приходит на различную по характеру в полушариях подстилающую поверхность. В Северном полушарии адвекция теплых воздушных масс приводит к повышению ПТВ (явное тепло). Увеличение ПТВ в области стока тепла в Северном полушарии приводит к изменению состава атмосферы прежде всего из-за увеличения содержания водяного пара, особенно в Арктических районах (Алексеев, 2015). Это способствует усилению парникового эффекта и дополнительному повышению ПТВ. Увеличение тепла в северной области его стока происходит и вследствие конденсации при адвекции теплых воздушных масс и их взаимодействии с холодной подстилающей (преимущественно континентальной) поверхностью (скрытое тепло). При этом площадь области источника тепла приблизительно в 2,7 раза больше площади области стока тепла. Кроме того, межширотный перенос осуществляется как в атмосфере, так и в океане. Таким образом, увеличение ПТВ в Северном полушарии связано с положительной компенсацией сокращения тепла, определяемого сокращением инсоляции (отмечаемого для полярных районов), переносом тепла, связанного с усилением межширотного теплообмена (и положительными обратными связями, например, снижением альбедо из-за сокращения площади морских льдов в летний период). Этим определяется положительный знак средней аномалии ПТВ в полушарии для периода с 1900 по 2014 гг. Этот механизм подтверждается тем, что изменение связи аномалии ПТВ и инсоляции по широтным зонам характеризуется положительной корреляцией с изменением разности инсоляции по широтным зонам (0,68 – годовые, 0,77 – летнее полугодие, 0,71 – зимнее полугодие). Разность инсоляции отражает тенденцию изменения в распределении межширотного градиента инсоляции за период с 1900 по 2014 г.

В Южном полушарии приходящие теплые воздушные массы отдают тепло океану, обладающему низкой температурой и большой теплоемкостью и охлаждаются. Кроме того, сильное охлаждающее воздействие в этом полушарии связано с ледовым континентом – Антарктидой (этим определяется более высокое значение межширотного градиента температуры, чем в северном полушарии). Также, из-за неоднородной подстилающей поверхности в Северном полушарии вихревой межширотный перенос тепла (циклонами), вероятно, происходит более интенсивно, чем в Южном полушарии. В Южном полушарии из-за однородного характера поверхности и существенно большего значения межширотного градиента температуры более интенсивно, чем в Северном полушарии, проявляется циркуляционный (преимущественно западный и восточный, определяемый действием силы Кориолиса – «ревущие сороковые») перенос тепла (Пальмен, Ньютон, 1973). Вследствие этого в Южном полушарии межширотный теплообмен отчасти «блокируется». Положительная компенсация потери атмосферой тепла, связанной с сокращением инсоляции, наступает в Южном полушарии позднее, чем в Северном полушарии (растягивается во времени из-за большой инертности и слабой интенсивности отклика климатической системы в этом полушарии). Этим объясняется отрицательный знак средней аномалии ПТВ в полушарии за период с 1900 по 2014 гг. (рис. 3). Знаки средней аномалии также связаны и с выбором временного интервала климатической нормы (1961 – 90 г.). При смещении интервала в прошлое величины средней аномалии в обоих полушариях будут стремиться к положительным значениям. При смещении в будущее – к отрицательным, в связи с тенденцией увеличения аномалии проявляющейся на всем, обеспеченном метеоданными, интервале. Процессы, как потепления, так и похолодания в Южном полушарии, следовательно, проявляются с меньшей интенсивностью, чем в Северном полушарии. Отсюда следует запаздывание во времени климатических событий (откликов) в Южном полушарии относительно Северного полушария. Таким образом, различия в интенсивности температурных откликов в полушариях на сходный (симметричный) для полушарий входящий энергетический сигнал определяются:

1) балансом приходящего в области стока тепла в результате усиления межширотного теплообмена и сокращения тепла из-за сокращения приходящей в эти области лучистой энергии;

2) характером постилающей поверхности, определяющим различия в балансе тепла в областях его стока в полушариях.
То, «…что климат определяется солнечной радиацией, приходящей на внешнюю границу атмосферы, составом атмосферы и строением земной поверхности» (Будыко, 1974, с. 37) широко и давно известно. Как показывают полученные результаты, изменения аномалии ПТВ также определяются сочетанием всех этих факторов.

 

Заключение

Основным фактором, определяющим величину и распределение среднемноголетней (за период с 1900 по 2014 гг.) аномалии ПТВ (годовой и полугодий) для Северного полушария по широтным зонам является инсоляционный фактор (распределение инсоляции по широтным зонам). Им же определяется величина и распределение среднемноголетней аномалии ПТВ Земли и, слабее, среднемноголетней аномалии ПТВ Южного полушария по широтным зонам в летнее (для Северного полушария) полугодие. В зимнее (для Северного полушария) полугодие для Земли и Южного полушария основной причиной изменения величины и распределения среднемноголетней аномалии ПТВ по широтным зонам является характер постилающей поверхности (влияние океана и Антарктиды).

Изменчивость значений аномалии ПТВ внутри широтных зон во времени также характеризуются тесными корреляционными связями с изменением значений аномалии инсоляции. Распределение коэффициента корреляции годовых значений аномалии ПТВ и инсоляции Земли определяется (положительные связи) как распределением среднегодовой инсоляции (0,84) по широтным зонам, так и распределением разности инсоляции в 2014 и 1900 годах в соответствующих широтных зонах (0,68). Распределение связи полугодовых значений аномалии ПТВ и инсоляции Земли (R) по широтным зонам определяется, в основном, распределением разности инсоляции в 2014 и 1900 годах (0,77 – в летнее, 0,71 – в зимнее полугодие). Распределение разности инсоляции в 2014 и 1900 гг. отражает тенденцию изменения распределения межширотного градиента инсоляции за этот период.

 

 

Литература

Алексеев Г.В. Появление и усиление глобального потепления в Арктике // Фундаментальная и прикладная климатология, 2015. № 1, С. 11 – 26.
Будыко М.И. Изменение климата. – Л.: Гидрометеоиздат, 1974. – 280 с.
Лоренц Э.Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 260 с.
Малинин В.Н. Изменения уровня Мирового океана и климата // Ученые записки РГГМУ, 2015. № 41. С. 100 – 115.
Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. М.–Л.: ГОНТИ, 1939. 208 с.
Монин А.С. Введение в климатологию Л.: Гидрометеоиздат, 1982. – 246 с.
Монин А.С., Шишков Ю.А. Климат как проблема физики // Успехи физ. наук. 2000. Т. 170, № 4. С. 419–445.
Пальмен Э. Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1973. – 616 с.
9.Смульский И.И.. Кротов О.И. Новый алгоритм расчета инсоляции Земли // Институт криосферы Земли СО РАН. – Тюмень, 2013. – 38 с. Депонирована в ВИНИТИ 08.04.2013 № 103-В2013.
Федоров В.М. Динамика баланса массы ледников в связи с макроциркуляционными процессами в атмосфере. – М.: Физматлит, 2011. – 376 с.
Федоров В.М. Межгодовые вариации продолжительности тропического года // Доклады РАН, 2013. Т. 451, № 1. С. 95 – 97.
Федоров В.М. Периодические возмущения и малые вариации солярного климата Земли // Докл. РАН. 2014. Т. 457, № 2. С. 222–225. Doi: 10.7868/S0869565214200213.
Федоров В.М. Пространственные и временные вариации солярного климата Земли в современную эпоху // Геофизические процессы и биосфера, 2015 а. Т. 14, № 1. С. 5–22.
Федоров В.М. Широтная изменчивость приходящей солнечной радиации в различных временных циклах // Доклады РАН, 2015 б. Т. 46, №3. С. 339 – 342. Doi: 10.7868/S0869565215030196.
Федоров В.М. Тенденции изменения площади морских льдов в Северном полушарии и их причины // Криосфера Земли, 2015 в. № 3. Т.XIX. C. 52 – 64.
Шараф Ш.Г., Будникова Н.А. Вековые изменения орбиты Земли и астрономическая теория колебаний климата // Труды Института теоретической астрономии АН СССР, 1969. Вып. 14. С. 48–84.
Шулейкин В.В. Физика моря. – М.: АН СССР, 1953. – 989 с.
Berger A.L. Long-term variations of daily insolation and quaternary Climatic Changes // Journal of the atmospheric sciences, 1978 а. V. 35, № 9. P. 2362–2367.
Berger A.L. Long-term variations of caloric insolation resulting from the Earth`s orbital elements // Quaternary research, 1978 б. V. 9. P. 139–167.
Berger A.L, Loutre M.F. Insolation values for the climate of the last 10 million years? // Quatern. Sci. Rev., 1991. V. 10. P. 297–317.
Berger A., Loutre M.F., Yin Q. Total irradiation during any time interval of the year using elliptic integrals // Quaternary science reviews, 2010. V. 29. P. 1968–1982. Doi: 10.1016/j.quascirev.2010.05.07.
Bertrand C., Van Ypersele J.P. Potencial role solar variability as an agent for climate change // Climatic Change, 1999. V. 43. P. 387–411.
Bertrand C., J.B. Van Ypersele, A. Berger. Are natural climate forcings able to counteract the projected antropogenic global // Climatic Change, 2002 а. V. 55. P. 413–427.
Bertrand C., Loutre M.F., Berger A. High frequency variations of the Earth`s orbital parameters and climate change // Geophysical research letters, 2002 б.V. 29, № 18. P. 1893. Doi: 10.1029/2002GL015622.
Borisenkov Е. Р., Tsvetkov A.V., Agaponov S.V. On some characteristics of insolation changes in the past and the future // Climatic Change, 1983. № 5. P. 237–244.
Borisenkov Е. Р., Tsvetkov A.V., J.A. Eddy. Combined effects of Earth orbit perturbations and solar activity on terrestrial insolation. Part I: Sample days and annual mean values // Journal of the atmospheric sciences, 1985. V. 42, № 9. P. 933–940.
Fedorov V.M. Spatial and temporal variations in solar climate of the Eart in the present epoch // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2015, v. 51, 8, p. 779 – 791. Doi: 10.1134/S000143815080034.
Foukal P., Frohlich C., Spruit H., Wigley T.M.L. Variations in solar luminosity and their effect on the Earth's climate // Nature, 2006. – v. 443. – p. 161 – 166. Doi: 10.1038/nature05072
Giorgini J.D., Yeomans D.K., Chamberlin A.B., Chodas P.W., Jacobson R.A., Keesey M.S., Lieske J.H., Ostro S.J., Standish E.M., Wimberly R.N. JPL`s On-Line Solar System Data Service // Bulletin of the American Astronomical Society, 1996. V. 28(3). P. 1158.
http://www.ipcc.ch – Электронный ресурс МГЭИК
http://www.solar-climate.com – Электронный ресурс «Солнечная радиация и климат Земли».
http://ssd.jpl.nasa.gov – NASA, Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology (JPL Solar System Dynamics). Электронный ресурс национального аэрокосмического агентства США.
http://www.cru.uea.ac.uk/ – Электронный ресурс Университета Восточной Англии и Метеобюро Хедли.
Jones, P.D., New, M., Parker, D.E., Martin, S., Rigor, I.G. Surface air temperature and its variations over the last 150 years // Reviews of Geophysics, 1999. V.37. P. 173–199. doi:10.1029/1999RG900002
Kopp G., Lean J. A new lower value of total solar irradiance: Evidence and climate significance // Geophysical Research Letters, 2011. V. 37, L01706. Doi: 10.1029/2010GL045777.
Loutre M.F., Berger A., Bretagnon E., Blanc P-L. Astronomical frequencies for climate research at the decadal to century time scale // Climate dynamics, 1992. V. 7. P. 181–194.
Mackey R. The Sun`s role in regulating the Earth`s climate dynamics // Energy & Environment, 2009. V. 20. № 1 & 2. P. 25 – 73.
Vernecar A.D. Long-period global variations of incoming solar radiation, (Meteorological monographs). Published by American Meteorological Society. Boston, 1972. V. 12, № 34. P. 121.
 

 

 

 

SOLAR RADIATION AND CLIMATE
OF THE EARTH

 
© www.solar-climate.com
 
     

**
1