Динаміка нелінійних взаємодій в глобальній кліматичній системі

Енергобалансові моделі за своїм визначенням описують баланс енергії у відкритій фізичній системі, якою є земний клімат. Припускаючи локальну рівновагу у взагалі неврівноваженій кліматичній системі, теплова енергія одиничного об'єму кліматичної системи може бути вираженою через потік сонячного випромінювання на верхню границю атмосфери (S) та інтенсивність довгохвильового теплового випромінювання, що йде з верхньої границі до космосу. Модифікацією моделі є залучення як одного з можливих джерел енергії турбулентного потоку тепла, який породжується варіаціями галактичних та сонячних космічних променів.

Остаточне енергобалансові вираження записується у вигляді

+ своб.член,

де _а - коефіцієнт, який враховує площу зовнішньої границі атмосфери;

стала Стефана-Больцмана;

U/t швидкість генерації тепла в кліматичній системі;

Т - температура;

;

;

_адв коефіцієнт, який враховує загальну площу бокових сторін кліматичної системи;

_адв коефіцієнт адвекції;

т_в.п. вагова швидкість конденсації молекул водяної пари;

с - питома теплоємкість;

_а = 0,0092 K-¹;

g і коефіцієнти, які враховують потоки тепла за рахунок варіацій галактичних та сонячних космічних променів.

Очевидно, що зазначене рівняння описує сімейство функцій F(T, a, b), що залежать від двох керуючих параметрів а та b, в якому легко розпізнається так званий „потенціал” катастрофи зборки. Достатньо складну поведінку „потенціальної” функції F(T, a, b) можна охопити єдиною геометричною картинкою, яка дозволяє уявити усю різноманітність катастрофи або, іншими словами, поверхню рівноваги у тривимірному просторі з координатними осями T - a - b. Канонічна форма різноманітності катастрофи зборки являє собою численність точок (T, a, b), що задовольняє такому рівнянню

F(T, a, b) = Т³ + аТ + b = 0.

Якщо кліматична система описується потенціальною функцією катастрофи зборки, то імовірнісна функція розподілу P(x), що не залежить від часу, пов'язана з нею простим експоненціальним шляхом

P(x, c) = N exp [-F(x, c)/D],

де N нормувальна константа;

c a, b набір керівних параметрів;

D константа дифузії („хаотичності”).

Останнє вираження при фіксованих керівних параметрах є стаціонарним розв'язком рівняння Фоккера-Планка

.

Відзначимо три важливих обставини. По-перше, наявність в правій частині рівняння Фоккера-Планка двох членів, які відповідають за дрейф та дифузію, свідчить про те, що воно є рівнянням з двома цілковито різними часовими масштабами. Причому швидку шкалу часу T₁, яка пов'язана зі зворотною релаксацією до локального мінімуму після збурення, зумовлює „дрейфовий” член, а дифузія - повільну шкалу часу T₂, яка пов'язана з переходом з метастабільного мінімуму до глобального мінімуму. По-друге, Ґілмором саме для потенціалу катастрофи зборки були одержані оцінки цих різних часових шкал рівняння Фоккера-Планка. По-третє, як показав Ґілмор, швидкість, з якою пересуваються критичні точки T_c(t) потенціальної функції F(T, c(t)), може бути порівняна з похідною dc/dt, що дозволяє сформулювати умови щодо застосування інтуїтивних угод Тома та Максвела через похідні за часом від керівних параметрів. Якщо немає дифузії, може бути застосований лише принцип максимального сповільнення Тома. Більш того, критична точка, що вибирається, повинна бути однією з точок, в якій система може перебувати у початковий момент (t = 0). При зміні значень керівних параметрів система буде залишатися у цій точці до того часу, поки ця критична точка не зникне зовсім.

Для катастрофи зборки біфуркаційна множина або, що те ж саме, множина критичних точок описується рівнянням напівкубічної параболи

(a_c/3)³ + (b_c/2)² = 0.

Виявлення петлі ґистерезису забезпечується можливістю циклічного шляху у просторі керівних параметрів (a, b), початок (t = 0) якого обв'язково береться з точки, яка належить до біфуркаційної множини.

Аналіз відомих експериментальних даних, які одержані в районі станції „Восток” і стосуються відхилень палеотемператури від її сучасного значення за останні 420 тисяч років, підтверджує не тільки наявність періоду ~120 тисяч років, а й ілюструє той факт, що відстань між періодичними компонентами, що відповідають міжльодовиковим періодам, у 3-4 рази більша, ніж тривалість власне самого міжльодовикового періоду. Очевидно, що останнє вказує на те, що запропонована енергобалансові модель глобального клімату містить в собі принципову можливість описування довгоперіодичних коливань температури у минулому, не кажучи вже про можливість розв'язання протилежної задачі, яка пов'язана з відновленням (за допомогою існуючих експериментальних даних про коливання палеотемператури) часової еволюції чисельних значень керівних параметрів а та b, величина яких визначається такими глобальними процесами як турбулентний режим передавання тепла, що стимулюється взаємодією космічних часток з атмосферою, а також варіації альбедо та адвекції, що викликаються змінами сонячної радіації.

Для того, щоб наочно показати можливість застосування принципів, що закладені у модифіковану енергобалансову модель, для моделювання довгоперіодних коливань клімату, в дисертації проводився аналіз деталізованих компонентів вейвлет-розкладення для деяких палеопараметрів.

На рис. 2 представлена температура по керну зі станції „Восток” та деталізовані компоненти D₃, D₅ та D₆. Період першого з них співпадає з періодом змін ексцентриситету, другого - нахилу екліптики, третього - прецесії, тобто трьом факторам, які згідно теорії Міланковича можуть визначати наставання льодовикових періодів на Землі. Як видно, саме ексцентриситет визначає льодовикові та міжльодовикові періоди у кліматі Землі. Але різке потепління є причиною впливу всіх трьох параметрів орбіти Землі (вертикальні лінії 1, 5 та 6 на рис. 2). Наступне таке ж різке похолодання викликане зниженням температури за рахунок кута нахилу та прецесії орбіти Землі, хоч внесок ексцентриситету орбіти спрямований на продовження потепління. Цікавим прикладом такого неоднозначного потрійного впливу є період потепління у межах 250-200 тис. років до н.е. (лінія 2). Це потепління спостерігалося трохи раніше максимуму ексцентриситету і було викликане впливом інших двох факторів. Але воно й закінчилося ненормально швидко, що також є результатом зазначених двох факторів (лінія 3). Коли ж, трохи пізніше, спостерігався спільний вплив трьох параметрів орбіти (лінія 4), то знову спостерігалася різка тенденція до потепління клімату.

Таким чином, проведений аналіз показав, що періоди різкого потепління клімату на Землі, по суті, визначаються спільним односпрямованим впливом трьох параметрів орбіти Землі: ексцентриситету, кута нахилу осі до екліптики та прецесії.

Другим набором палеопараметрів, який зазнав вейвлет-розкладення, було ізотопне відношення кисню д¹⁸О, яке добре відтворює кількість води на Землі, яка перетворилася у кригу, і, таким чином, є мірою глобального об'єму льоду, за останні 4 мільйони років. Аналіз спектральної енергії цих даних для двох періодів - 0,0-0,8 та 0,8-4,0 мільйонів років до н.е. (розподіл здійснювався по межі Бранґеса-Матуями) - показав відомий факт, що в першому з них превалюють зміни д¹⁸О з періодом близько 100 тисяч років (ексцентриситет), а у другому - близько 41 тисяч років (нахил екліптики). Проведений аналіз деталізованих компонентів вейвлет-розкладення дозволив виявити роль, яку відіграє в коливаннях клімату зміни ексцентриситету з періодом 400 тисяч років, яким приділяється набагато менше уваги при дослідженні тривалості льодовикових періодів. Тут різка зміна в амплітуді коливань відбулася близько 1,7 мільйонів років до н.е., тобто на верхній межі перемагнічування полярності Олдувай. До цієї межі вплив таких коливань ексцентриситету проявлявся у збільшенні майже усіх локальних максимумів д¹⁸О. Починаючи з приблизно 1,7 мільйонів років до н.е. в цьому циклі незначний та істотний максимуми чергувалися і такий режим вже не так істотно впливав на коливання д¹⁸О.



ВИСНОВКИ

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 об'єктивного 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 взаємозв'язок 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.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

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 зв'язку 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 зв'язок 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 зв'язок 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 Северо-Атлантического 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. Non-linear dynamics of geophysical processes: Wavelet identifications for homologation of North Atlantic and Arctic Oscillations // Proc. 3^d 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 Milankovitch's 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. 25^th 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. 2^nd 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.



АНОТАЦІЇ

Хохлов В.М. Динаміка нелінійних взаємодій в глобальній кліматичній системі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора географічних наук. Спеціальність 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2005.

В роботі розроблені науково-методичні основи діагнозу та прогнозу процесів, що відбуваються в глобальній кліматичній системі. Як один з комплексних показників стану кліматичної системи пропонується використовувати енергетичні характеристики атмосфери, які відображують динаміку кліматоутворюючих процесів. Аналіз просторово-часових закономірностей розподілу різних видів енергії в атмосфері показав, що урахування прихованої теплоти конденсації в схемі на основі трансформованої Ейлеревої середньої, яке запропоноване в дисертації, дозволяє повніше фізично обґрунтувати процеси перетворення одного виду енергії в інший. В роботі розроблена методика застосування вейвлет-розкладення для використання в діагнозі взаємодій усередині кліматичної системи. Ґрунтуючись на вейвлет-аналізі та поняттях спільної інформації і причинності Грангера, установлені закономірності нелінійної взаємодії між глобальними структурами телеконекції (Арктичним, Південним та Антарктичним коливаннями) за умов клімату, що змінюється. Розроблено енергобалансову модель клімату, яка ґрунтується на положеннях теорії катастроф та враховує цикли льодовикових періодів.

Ключові слова: кліматична система, атмосферна енергетика, нелінійна взаємодія, телеконекція, вейвлет-аналіз, теорія катастроф.

Хохлов В.Н. Динамика нелинейных взаимодействий в глобальной климатической системе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук. - Специальность 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2005.

В диссертации приводятся теоретическое обобщение и новое решение научной проблемы диагностики состояния климатической системы Земли. Реализация комплексного подхода включает в себя использование балансовых методов и методов математического моделирования процессов в глобальной климатической системе, среди которых основное место занимает нелинейное моделирование.

В качестве одного из комплексных показателей состояния климатической системы предлагается использовать энергетические характеристики атмосферы. В работе предложена модификация схемы цикла энергии на основе трансформированной Эйлеровой средней, которая вводит скрытое тепло конденсации в составляющие остаточной меридиональной циркуляции и эффективного потока количества движения. Такая модификация изменяет физический смысл превращений средней кинетической энергии в вихревую кинетическую и среднюю доступную потенциальную энергию, а также потоков средней и вихревой кинетической энергии. Введение конденсационного нагрева в цикл атмосферной энергии устраняет, до некоторой степени, неопределенности, возникающие при расчетах, основанных на концепции квазигеострофического потока Элиассена-Пальма, а сам бюджет энергии, рассчитанный по модифицированной схеме обладает большей балансовой возможностью.

В работе исследована взаимосвязь между изменениями атмосферной энергии и динамикой климатообразующих процессов: Североатлантического колебания и ячейки Хэдли. Показано, что влияние последней на вихревую энергетику внетропических широт проявляется, прежде всего, в передаче части, а иногда и всей, сгенерировавшейся энергии из тропиков на север. Причем, в случае слабой интенсивности меридиональной циркуляции может не остаться резервов для увеличения вихревой кинетической энергии в самих тропиках.

Совместный анализ интегральных вихревых энергий и индексов Североатлантического колебания показал, что влияние последнего не является в полной степени определенным. Поэтому в работе был проведен анализ с использованием вейвлет-разложения, который позволил сделать вывод о том, что если фазы Североатлантического и Южного колебаний изменяются синхронно с периодом 4-8 лет, то наблюдается существенная связь между изменениями индексов Североатлантического колебания и запасами вихревой кинетической энергии; когда же указанные колебания находятся в противофазе, то связь становится менее значительной. Кроме того, в случае резких изменений фазы Североатлантического колебания, его влияние на запасы вихревой кинетической энергии как в умеренных, так и в тропических широтах, становится намного значительнее, чем для случая длительного доминирования одной фазы.

В работе исследовалось взаимодействие между глобальными структурами телеконнекции (Арктическим, Южным и Антарктическим колебаниями) для разных периодов на протяжении 20-го века при помощи вейвлет-анализа, взаимной информации и причинности Грангера. Для несглаженных рядов индексов и аномалий глобальной температуры было обнаружено, что имеет место, хоть и слабое, взаимодействие между Арктическим и Южным колебаниями. При этом, взаимная информация для этих колебаний имеет тенденцию к увеличению с временем задержки во время эпохи похолодания. Наибольшая взаимная информация отмечается для температуры и индексов Южного колебания. В эпоху похолодания она почти симметрична относительно максимума около нулевого времени задержки, тогда как в последнюю эпоху потепления максимум смещается в сторону положительных времен задержки. При этом аномалии температуры являются грангеровой причиной индексов Южного колебания.

Для детализированного компонента вейвлет-разложения с периодичностью 5-7 лет было показано, что существует обратная связь между индексами Арктического и Южного колебаний. В эпоху похолодания обратная связь на времени задержки около 20 месяцев найдена для индексов Арктического и Антарктического колебаний. Наиболее интересные результаты для компонента с периодом более 10 лет были получены для эпохи похолодания. Здесь наблюдается асимметричный режим для взаимодействий между аномалиями температуры, с одной стороны, и Арктическим и Южным колебаниями, с другой стороны.

В работе предложена модифицированная энергобалансовая модель глобального климата, основанная на положениях теории катастроф и описывающая длиннопериодические колебания палеотемпературы (циклы Миланковича). Результирующее энергобалансовое уравнение было сведено к потенциальной функции катастрофы сборки, зависящей от двух управляющих параметров. Показано, что в рамках энергобалансовой модели для получения длиннопериодических колебаний палеотемпературы необходимо дополнительное применение принципа максимального промедления Тома.

Вейвлет-анализ экспериментальных данных палеопараметров показал, что периоды резкого потепления климата на Земле определяются совместным однонаправленным влиянием трех параметров орбиты Земли: эксцентриситета, угла наклона оси к эклиптике и прецессии. Также, определена роль, которую играют колебания эксцентриситета с периодом 400 тысяч лет: именно они являются причиной увеличения локальных максимумов, которые определяются изменениями наклона эклиптики

Ключевые слова: климатическая система, атмосферная энергетика, нелинейное взаимодействие, телеконнекция, вейвлет-анализ, теория катастроф.



ANNOTATION

Khokhlov V.N. Dynamics of non-linear interactions in global climatic system. - Manuscript.

The thesis for a Doctor's degree by speciality 11.00.09 - meteorology, climatology, agrometeorology. - Odessa State Environmental University, Odessa, 2005.

Scientific-methodical principles are developed for the diagnosis and prediction of processes passing in the global climatic system. The atmospheric energy characteristics reflecting the dynamics of climate-forming processes are proposed to be used as one of complex indicators for the climatic system status. The analysis of spatiotemporal patterns for various atmospheric energies has showed that if the latent heat of condensation is taken into account in the transformed Eulerian-mean equations, as it is suggested in the Thesis, the processes of energy conversion are more physically validated. The technique using wavelet decomposition for the diagnosis of interactions within the climatic system is developed. Basing on the wavelet analysis as well as on the concept of cross-redundancy and Granger causality, the mechanisms of non-linear interaction between global teleconnection patterns (Arctic, Southern, and Antarctic Oscillations) under conditions of climate change are stated. The energy-balance climatic model based on the aspects of catastrophe theory and taking into account the cycles of Ice Ages is developed.

Key words: climatic system, atmospheric energetics, Ice Age, non-linear interaction, teleconnection patterns, wavelet analysis, catastrophe theory.

Размещено на Allbest.ru

...