О современных изменениях глобальной температуры воздуха

Приповерхностная температура воздуха (ПТВ) является важнейшим индикатором глобального климата. Относительно достоверные оценки ее изменений могут быть получены по результатам инструментальных наблюдений, которые ведутся лишь с середины XIX в. Межгодовой ход глобальной ПТВ, систематизированный в Четвертом отчете МГЭИК [25] и основанный на глобальных архивах гидрометеорологической информации [19; 22; 27; 30], свидетельствует о постепенном росте ПТВ в течение всего периода наблюдений. При этом средний рост глобальной температуры в течение ХХ в. составлял 0,6–0,7°С. Однако изменения ПТВ на земном шаре происходили неодинаково. Наряду с про- межутками времени, когда отмечался рост температуры, были такие, когда она понижалась. Поэтому рассматриваемый период времени может быть разделен на три промежутка, два из которых характеризуют потепление (1880–1940 и 1976–2005 гг.), а третий – относительное похолодание (1941-1975 гг.). В табл. 1 представлены оценки линейного тренда ПТВ (величина тренда Tr в оС/10лет и коэффициент детерминации R2) для обоих полушарий и земного шара в целом для указанных промежутков времени.

Как видно из табл. 1, до начала 1940-х гг. отмечался рост ПТВ ( Tr = 0,08°С / 10 лет), особенно ярко проявлявшийся в высоких широтах северного полушария. Поэтому

Таблица 1

Оценки линейных трендов ПТВ различных периодов по данным архива HadCRUTv [11]

Период, годы	Северное полушарие		Южное полушарие		Земной шар
	R2	°С / 10 лет	R2	°С / 10 лет	R2	°С / 10 лет
1880–2005	0,62	0,072	0,58	0,055	0,64	0,064
1880–1940	0,64	0,109	0,32	0,046	0,59	0,077
1941–1975	0,30	–0,074	0,02	–0,014	0,21	–0,044
1976–2005	0,68	0,252	0,56	0,116	0,65	0,182

* Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы (государственные контракты № П726 от 20 мая 2010 г. и № 14.740.11.0201) по направлению «Океанология».

Cреда обитания

Terra Humana

1920–40-е гг. получили название «потепление Арктики». Затем вплоть до середины 1970-х гг. отмечалось относительное похолодание, характеризуемое значимым отрицательным трендом Tr = - 0,04°С / 10 лет. И только после этого произошел резкий рост ПТВ ( Tr = 0,18°С / 10 лет). Естественно, в северном полушарии указанные процессы протекали более интенсивно по сравнению с южным полушарием примерно в 2 раза, причем последнее десятилетие ХХ в. оказалось самым теплым.

Рост ПТВ на земном шаре происходит неодинаково. Можно выделить районы, где потепление развивается ускоренными темпами и где оно отсутствует. В частности, для России в целом в течение ХХ в. потепление составило около 1,0°С / 100 лет, причем за последние 30 лет – 0,43°С / 10 лет [15], что почти в 2 раза превышает рост ПТВ в северном полушарии. Наиболее интенсивно потепление проявляется в Европейской части России, где за последние 30 лет повышение среднегодовых температур составило 0,48°С / 10 лет [9].

Даже после исключения линейного тренда из временных рядов ПТВ они являются существенно нестационарными. Поэтому анализ их частотной структуры традиционными статистическими методами представляется нецелесообразным. По-видимому, наиболее адекватным способом выявления их внутренних закономерностей может служить вейвлет-преобразование, которое можно представить как локализованный спектральный анализ [1]. В качестве базисных функций наиболее распространены MHAT-вейвлет и вейвлет Морле (Morlet) [1; 3], однако при решении гидрометеорологических задач предпочтения заслуживает вейвлет Морле [2].

На рис. 1 приведено вейвлет-преобразование на основе вейвлета Морле ряда временного глобальной ПТВ за 1855– 2005 гг. после исключения линейного тренда. Нетрудно видеть, что наиболее мощным по амплитуде и мало меняющимся в течение всего периода наблюдений является 60-летний цикл. В XIX в. его период составлял около 57 лет, к концу нашего столетия он увеличился до 61 года. В среднем его продолжительность близка к 60 годам. Значительно слабее выражено 20-летнее колебание, которое отмечается лишь в XX в. Кроме того, в отдельные промежутки времени (1870–1900 и 1950–1990 гг.) проявляется слабое 10-летнее коле- бание. Использование вейвлет-анализа, на наш взгляд, полностью подтверждает реальность 60-летнего цикла в колебаниях ПТВгл, существование которого неоднократно отмечалось ранее [4; 5; 14; 29].

Оценим значимость выделенных циклов в стационарном приближении. На рис. 2 приведена спектрограмма временного ряда ∆ ПТВ_гл, рассчитанная после исключения тренда по алгоритму быстрого преобразования Фурье. Нетрудно видеть, что вклад 60-летнего цикла в дисперсию ряда, характеризуемый коэффициентом детерминации, составляет почти R 2 = 0,33. В пересчете на общую дисперсию исходного процесса вклад 60-летнего цикла равен R ² = 0,12. Что касается 20-летнего и 9-11летнего циклов, то несмотря на их малость, они являются значимыми по критерию Стьюдента, а их вклад в общую дисперсию исходного ряда составляет соответственно 3 и 2%. Понятно, что для интервалов времени, когда эти циклы выражены сильнее, их вклад становится выше.

В результате суммарный вклад тренда и цикличностей в дисперсию глобальной ПТВ составляет R² = 0,64+0,12+0,03+0,02 = 0,81. Следует иметь в виду, что оценка тренда является весьма условной и полностью определяется длиной ряда. При изменении его длины тренд может появляться, исчезать, менять свою интенсивность и форму. В связи с этим будет меняться и вклад гармоник в исходный процесс. Однако не вызывает сомнений, что основная изменчивость глобальной температуры воздуха обусловлена двумя факторами – трендом и 60-летним циклом, которые в сумме описывают три четверти дисперсии, причем роль линейного тренда является преобладающей.

В настоящее время самой распространенной является гипотеза антропогенного характера формирования тренда в глобальной температуре, в соответствии с которой

I860    1880    1900    1920    1940    1960    1980    2000

Рис. 1. Вейвлет-разложение ряда среднегодовых аномалий глобальной температуры воздуха по данным архива HadCRUT3 [21].

Рис. 2. График спектральной плотности временных рядов аномалий глобальной приповерхностной температуры воздуха, взятой из архива HadCRUT3 (1) и аномалий длины суток (2).

чая полярные районы, выражается формулой:

W = 7,8 x 10 3’83 t ( ^z )/(169- 1 ( z)) .

Ошибка расчета W по этой формуле составляет 2 - 4% по независимым данным. Примем, например, за начальное значение влагосодержания атмосферы над Мировым океаном ( W_М ) величину W_М = 29,6 кг/м² (мм), которому соответствует значение t ( z ) = 22,2°С и вычислим оценки W_М при изменении температуры с шагом 0,2°С (табл. 2).

Из табл. 2 видно, что при изменении температуры на 0,6°С, соответствующей современному определяющим признается углекислый газ. Концентрация СО2 в атмосфере с 1750 по 2005 гг. увеличилась на 35% – примерно с 280 до 379 млн-1, причем такого уровня она не достигала как минимум последние 650 тыс. лет (180–300 млн-1). Средний рост СО2 за 1880–1940, 1941–1975 и 1976–2005 гг. соответственно составил 0,33, 0,57 и 1,60 млн-1/год, т.е. возрос в 5 раз.

Известно, что основным парниковым газом является не СО2, а водяной пар, вклад которого в парниковый эффект (ПЭ) составляет примерно 60%. Вспомним, что глобальное потепление в XX в. проявлялось в нижних слоях атмосферы, а в верхнем слое тропосферы и стратосфере, наоборот, происходило похолодание. Если содержание СО2 и других парниковых газов практически постоянно по всей толще атмосферы, то водяной пар убывает по экспоненциальному закону и выше тропосферы его содержание пренебрежимо мало. Отсюда следует, что именно водяной пар может служить определяющим ПЭ фактором [11].

В работе [10] показано, что в пределах Мирового океана межгодовые колебания ВА ( W ) и температуры приводного слоя t ( z ), функционально связанной со средней температурой атмосферы Т_А , тесно взаимосвязаны друг с другом. Эта связь, исклю-

Таблица 2

Оценка изменений влагосодержания атмосферы и температуры воздуха над Мировым океаном [11]

Характеристика Значения характеристики Т, °С 22,2 22,4 22,6 22,8 23,0 23,2 WМ, мм 29,6 30,0 30,4 30,8 31,3 31,7 ∆Т, °С 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 ∆WМ, мм 0,0 0,4 0,8 1,2 1,7 2,1 ∆WМ /WМ, % 0,0 1,3 2,6 3,9 5,4 6,6 тренду глобального потепления за столетний период, WМ увеличивается на 1,2 кг/м2 или на 4%. Вполне допустим и обратный вывод, что повышение WМ всего на 4% через ПЭ может привести к увеличению температуры на 0,6°С. Такие малые колебания WМ вполне возможны в результате естественных причин, связанных с крупномасштабным влагообменом в системе океан–атмосфера.

На рис. 3 приводится межгодовой ход W_М , рассчитанный по спутниковым данным за период 1988 - 2004 гг. [31]. Нетрудно видеть, что на фоне случайных колебаний выделяется резкий рост W_M в 1998 - 99 гг., который возможно обусловлен экстремальным проявлением Эль - Ниньо в данный период времени. Кроме того, во временном ряде W_М отчетливо выражен положительный тренд равный Tr = 0,04 мм/год, причиной которого, очевидно, является рост испарения с поверхности Мирового океана [13].

В соответствии с работой [11] глобальная ПТВ за период 1988 - 2004 гг. увеличилась на 0,28°С. За это же время, как видно из рис. 3, W_М возросло на 0,6 мм. Отсюда следует, что при повышении влагосодержания на указанную величину глобальная ПТВ увеличивается на 0,3°С (табл. 2), т.е. отмечается удивительное согласие фактического роста ПТВ и вычисленной по изменениям ВА. Следовательно, даже простой модельный расчет показывает, что изменения водяного пара как сильного парникового газа вполне могут приводить к наблюдаемым в современный период изменениям температуры воздуха. Возможно, игнорирование роли водяного пара экспертами МГЭИК в формировании ПЭ как раз связано с его малыми изменениями. Поскольку в реальных условиях рост концентрации СО₂ и ВА происходит согласованно и в одной фазе, то очевидно их воздействие на ПТВ осуществляется сов-

Cреда обитания

Terra Humana

Рис. 3. Межгодовой ход осредненного над Мировым океаном влагосодержания атмосферы рассчитанного по спутниковым

данным за период 1988-2004 гг. [31]. местно. Поэтому определить, какой из этих парниковых газов оказывается «главным» по влиянию на ПТВ, вряд ли возможно.

Наиболее отчетливо гипотеза антропогенного характера формирования тренда в глобальной температуре сформулирована в Третьем и Четвертом отчетах экспертов МГЭИК. Однако если в Третьем отчете признается с оговорками, что современное глобальное потепление обусловлено антропогенным причинами [24], то в Четвертом отчете это уже безоговорочно утверждается [25]. Выразителем взглядов группы МГЭИК является бывший вице-президент США Альберт Гор, который в своей книге «Неудобная правда. Глобальное потепление» пишет, что чуть ли не 98% исследователей придерживается данной точки зрения. На наш взгляд, достаточно очевидно, что подобного единомыслия, особенно в нашей стране, нет и в помине.

Правда, в «Оценочном докладе об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации» [15], подготовленном в основном учеными Роскомгидромета, все естественные факторы категорически отвергаются, и принимается единственная версия антропогенного происхождения глобального потепления. Однако почти одновременно вышла в свет монография сотрудников ААНИИ [18], в которой версия антропогенного потепления подвергается жесткой критике и принимается противоположная точка зрения, в соответствии с которой глобального потепления вообще не существует, а есть естественные циклы с противоположными фазами относительного потепления и похолодания. В частности, для современных изменений ПТВ характерен 60-летний цикл, достаточно детально описанный в работе [4] и наиболее ярко проявляющийся в Арктике в виде чередования теплых и холодных эпох.

Очевидно, вполне возможна и «промежуточная» точка зрения, в соответствии с которой современное потепление климата обусловлено не только ростом концентрации парниковых газов, но и естественными факторами. Наиболее четко она была сформулирована академиком К.Я. Кондратьевым [8], по мнению которого глобальное потепление обусловлено не только ростом концентрации ПГ по следующим причинам:

– пространственное распределение потепления в обоих по- лушариях совершенно различно и не соответствует результатам численного моделирования;

– оценки «парникового по-

тепления» дают значения, близкие к природной обусловленности климата;

– весьма важно, что потепление в XX в. было сконцентрировано в течение двух периодов: в 1920–40 гг. и после 1975 г. С 1940-х до начала 1970-х годов в северном полушарии имело место похолодание климата, хотя в это время промышленность интенсивно развивалась. В южном полушарии ПТВ оставалась неизменной;

– существует значительная пространственная дифференциация в изменениях климата. В некоторых регионах (в основном в северном полушарии) после 1975 г. вплоть до последнего времени продолжалось похолодание.

С указанными доводами трудно не согласиться. К сказанному можно добавить, что рост концентрации СО₂ и других газов может быть частично вызван природными факторами, в частности процессами крупномасштабного взаимодействия атмосферы и океана. В среднем за год Мировой океан поглощает 92,3 Гт/год СО₂, а выделяет обратно в атмосферу – 90 Гт/год, т.е. чистое поглощение составляет 2,3 Гт/год [28]. Эта величина составляет примерно одну треть от эмиссии СО₂ в атмосферу за счет выбросов ископаемого топлива. Как известно, поглощение СО₂ приходится на умеренные и высокие широты океана, а выделение его – на низкие широты. Во второй половине ХХ в. отмечается рост температуры воды Мирового океана и уменьшение общей ледовитости Северного Ледовитого океана (СЛО). Вследствие этого уменьшается альбедо, увеличивается поглощенная океаном радиация и происходит дальнейшее повышение температуры воды в СЛО. Поэтому в высоких широтах северного полушария поглощение океаном СО₂ уменьшается, а в низких широтах, наоборот, должно происходить увеличение потока СО₂ в атмосферу. Как итог, результирующий поток СО₂ в атмосферу возрастает и Мировой океан уже может выступать в климатической системе не как стабилизатор ПЭ, а как его ускоритель .

Очевидно, указанный процесс будет способствовать повышению ПТВ. Одновременное совместное действие антропогенного фактора и крупномасштабного взаимодействия в системе океан–атмосфера – это возможно наиболее реальный механизм формирования тренда в ПТВ. Итак, концентрация СО2, влаго-содержание атмосферы, температура воздуха и воды океана, ледо-витость полярных районов – это все процессы, которые протекают согласованно и изменения одного из них вызывают изменения других. Допустим, первоначальный положительный импульс получает температура воздуха. Это не- минуемо сказывается на повышении поверхностной температуры и теплосодержания океана, повышении испарения, увеличения ВА, дополнительной эмиссии СО2 в атмосферу, уменьшения ледовитости СЛО, повышения альбедо, которые в конечном счете определяют последующее нагревание атмосферы. При этом антропогенный фактор можно рассматривать в виде своеобразного спускового механизма мощных процессов в системе океан–атмосфера, который приводит их в действие и одновременно не допускает их самокомпенсации.

Что касается причин возникновения 60летнего цикла, то, по мнению авторов работы [4] он, по всей вероятности, обусловлен влиянием «диссимметрии солнечной системы». Это понятие обозначает смещение центра Солнца относительно центра масс солнечной системы под влиянием планет (главным образом, Юпитера и Сатурна). Ее воздействие на земную атмосферу может осуществляться как через солнечную активность, так и вследствие изменений расстояния между Землей и Солнцем, связанных с явлением «диссимметрии» [5]. Авторами обнаружен по данным работы [22] 60-летний цикл в изменениях общей энергии Солнца (Total Solar Irradiance – TSI), амплитуда которого достигает 4,0 ватт/м2, что по их мнению не только свидетельствует в пользу этой теории, но и дает основание для объяснения обнаруженного увеличения роли 60-летних циклов с широтой и оппозиции их влияния на климатические изменения в Арктике и Антарктике. Так, вклад тренда в дисперсию в широтной зоне 70–85о с.ш. составляет 13%, а 60-летнего цикла – 39%.

Достаточно уверенно можно утверждать, что 60-летний цикл в изменениях TSI отсутствует. На рис. 4 представлены 3 ряда TSI: один основан на результатах

Рис. 4. Временной ход изменений потока общей энергии Солнца (Total Solar Irradiance): 1, 2 – результаты реконструкции, основанные на наблюдениях в сочетании с моделями взаимодействия Земля–Солнце (1 – [26] и 2 – [22]); 3 – результаты прямых измерений с ИСЗ [20].

прямых измерений с ИСЗ [20] и потому имеет сравнительно короткую длину, а два других – это результаты реконструкций, основанные на наблюдениях в сочетании с моделями взаимодействия Земля–Солнце [22; 26]. Нетрудно видеть, что в межгодовых колебаниях TSI, в том числе в ряде [22] присутствует только 11-летний цикл. Характерной особенностью временного хода TSI является наличие в первую половину прошлого столетия положительного тренда. Впрочем, многие исследователи подвергают сомнению сам факт его существования, поэтому в других реконструкциях TSI тренд отсутствует.

Что касается ряда TSI, полученного на основе прямых измерений с ИСЗ, то он почти полностью совместим с рядом [26] и показывает некоторое уменьшение потока общей энергии Солнца. Итак, в течение рассматриваемого интервала времени 60летний цикл в TSI отсутствует, поэтому его существование в межгодовых колебаниях ПТВ не может быть объяснено изменениями потока общей энергии Солнца.

Другой внешний фактор, который может оказывать воздействие на климатические процессы – это неравномерность угловой скорость вращения Земли (УСВЗ). Отметим, что физические основы взаимодействия атмосферных процессов и УСВЗ в различных масштабах времени достаточно подробно изложены в работах Н.С. Сидо-ренкова [16; 17]. В частности, им показано, что периоды ускорений вращения Земли (уменьшения длительности суток) совпадают с эпохами отрицательных аномалий частоты появления атмосферной циркуляции и с повышением темпов роста температуры Северного полушария. Механизм этой связи изложен в работе [6], в которой на основе логических рассуждений рассматривается

Cреда обитания

причинно-следственная цепочка процессов в системе океан–атмосфера от изменений УСВЗ к изменениям ПТВ. Показано, что корреляция между УСВЗ и аномалиями ПТВ северного полушария при десятилетнем осреднении равна 0,81, а для зоны 85–30о с.ш. она возрастает до 0,91 [6].

На рис. 5 представлено вейвлет-разложение аномалий длины суток за 1855– 2005 гг. на основе вейвлета Морле. Наиболее мощным по амплитуде и мало меняющимся в течение всего периода наблюдений является 70-летний цикл. Другие циклы значительно слабее и выражены лишь на ограниченных промежутках времени. Поэтому на графике спектральной плотности аномалий длины суток (рис. 2) есть только 70-летний цикл, вклад которого в дисперсию временного ряда после исключения из него тренда составляет около R 2 = 0,64. Так как вклад тренда за данный интервал времени равен R 2 = 0,23, то вклад 70-летнего цикла в общую дисперсию временного ряда составляет 49%.

Таким образом, принципиальная особенность временного ряда УСВЗ состоит в том, что в его межгодовой изменчивости преобладающей является цикличность, а не тренд, как во временном ряде ПТВ.

I860    1880    1900    1920    1940    1960    1980    2000

Рис. 5. Вейвлет-разложение аномалий длины суток (скорости вращения Земли) по данным [16].

Terra Humana

Рис. 6. Временной ход вейвлет-коэффициентов 60-летнего и 70-летнего циклов: 1 – температура воздуха, 2 – длина суток.

На рис. 6 приводится временной ход вейвлет-коэффициентов 60-летнего и 70летнего циклов. Нетрудно видеть, что из-за разницы в периоде циклов постоянно происходит смещение их фаз. Если в конце XIX в. температура запаздывала по отношению к УСВЗ, то в конце XX в. наоборот, она стала ее опережать. И только в середине прошлого столетия (в 1910 и 1943 гг.) температура и угловая скорость находились почти точно в противофазе. При уменьшении длины суток и соответственно увеличении скорости вращения Земли глобальная температура увеличивается. С 1943 г. начинается обратный процесс – угловая скорость замедляется и соответственно уменьшается температура. Именно поэтому в работах [6; 16] для прошлого столетия выявлена высокая корреляция между температурой и угловой скоростью после исключения из временных рядов линейного тренда.

Принимая во внимание 3 основных фактора (тренд, обусловленный совместным действием процессов в системе океан–атмосфера и антропогенного фактора, а также 60-летний и 70-летний циклы), можно объяснить причины современных изменений глобальной температуры воздуха. В течение 1910–1940 гг. отмечается одновременное повышение глобальной температуры за счет 60-летнего и 70-летнего циклов. Если учесть тенденцию роста температуры за счет повышения концентрации парниковых газов, то становится понятным эффект потепления 1920–40-х годов. Затем в течение следующего тридцатипятилетия (1941–1975 гг.) оба цикла действуют на понижение ПТВ, в то время как парниковые газы – на ее повышение. Поэтому отмечается слабое похолодание. Наконец, после 1975 г. до начала XXI в. все три фактора временно совпадают, причем по сравнению с началом XX в. отмечается резкое усиление действия парниковых газов, что вызывает сильный рост температуры воздуха. Примерно до 2015 г. УСВЗ должна расти и по-прежнему будет поддерживать повышение ПТВ. Далее начнется обратный процесс. Однако нельзя утверждать, что это вызовет процесс похолодания климата, ибо содержание парниковых газов (ВА, СО2, и др.) весьма велико, а процессы крупномасштабного взаимодействия в системе океан–атмосфера однонаправлено работают в сторону нагревания атмосферы.