ВВЕДЕНИЕ

Термин «климат» используют для характеристики двух несколько различных и несводимых друг к другу понятий. Во-первых, это характеристика гидрометеорологического режима определенной территории в ряду других ее физико-географических показателей. Действительно, наряду с типичными особенностями рельефа, растительности, почвенного покрова региона можно говорить о его характерных гидрометеорологических условиях, т.е. о климате данной территории.

Во-вторых, понятием «климат» определяют состояние гидрометеорологического режима планетарного масштаба. В этом случае говорят о глобальном климате, который характеризует температурный режим атмосферы, океана и материков, общую циркуляцию океана и атмосферы, закономерности влагооборота, состояние криосферы и в какой-то степени газообмен, определяющий содержание парниковых газов в атмосфере. Появление и использование этого понятия вызваны к жизни представлениями о процессах планетарного масштаба (ледниковые периоды и межледниковья в истории Земли, современное глобальное потепление и др.), проявляющихся, так или иначе, в каждой точке земного шара и имеющих единую природу.

Состояние современного климата оценивают по данным наблюдений, выполняемых глобальной гидрометеорологической сетью (в последнее десятилетие и по материалам спутникового зондирования, самолетного зондирования и морских буев). Эта разнородная информация проходит процедуру усвоения, в результате получаются гридцированные данные, покрывающие, с определенным пространственным разрешением, весь земной шар.

Информацию о состоянии климатов прошлого обеспечивают реконструкции климата. Для их успешного выполнения необходимо совместное решение двух задач. Первая — это проблема климатической интерпретации палеоиндикаторов различного происхождения. Вторая — датирование информации в единицах абсолютного (календарного) времени.

Представление о климате будущего создается на основе представлений о климатообразующих механизмах и обеспечивается с помощью математического моделирования планетарной циркуляции атмосферы и океана, термического режима и состояния увлажнения, биогеохимических циклов. Для этой цели используются математические модели климата, а также модели Земной системы. Они основаны на уравнениях, решение которых возможно только численными методами. Данная задача требует математического и физического обоснования, а также развития технологии компьютерного эксперимента.

Характерной особенностью климата является его временная изменчивость, спектр которой создается одновременно существующими флуктуациями, с периодом от долей секунды (микромасштабная турбулентность) до нескольких миллиардов лет (возраст планеты). Принято считать, что из этого диапазона к климатическим относятся межгодовые флуктуации, начиная от периодов в 30—40 лет и заканчивая самыми низкочастотными колебаниями. Осреднение в 30— 40 лет — интервал, в который укладывается несколько межгодовых вариаций; кроме того, подобную статистику можно надежно получать по данным гидрометеорологических наблюдений мировой сети. Наконец, указанный интервал соизмерим с продолжительностью жизни человека — последнее отражает тот факт, что к климатическим изменениям традиционно относились те, которые происходили «во времена, превышающие память одного поколения».

Отнесение процессов к климатическим изменениям осуществляется произвольно в том смысле, что не базируется на какой-то ясной физической идее. В самом деле, спектр изменчивости гидрометеорологических полей представляет собой непрерывно меняющуюся функцию, осложненную пиками годового хода и его гармоник, а также слабо проявляющимися на фоне «шума» квазирит- мическими флуктуациями типа 40—60-суточных колебаний, межгодовых вариаций, таких как квазидвухлетняя цикличность и Эль-Ниньо — Южное колебание, и некоторых других.При таком характере спектра выбор масштаба осреднения всегда будет произволен и средние значения будут функциями более «медленного» времени. Это же касается и выбора контрольного фонового климата, при сравнении с которым можно составить представление об изменениях климата. Таким эталоном, характеризующим «современный климат», Всемирной метеорологической организацией (ВМО) долгое время был определен набор статистических характеристик климатических переменных за 1961-1990 гг. В 2015 г. ВМО утвердило в качестве эталонного 1981—2010 гг.

Факт наличия хаоса, порожденного внутренней динамикой системы, определяет неединственность состояния климата, отвечающего конкретному набору внешних факторов. В этом случае надежная оценка «среднего климата» могла быть сделана путем осреднения отдельных траекторий, проходимых климатической системой при некотором неизменном наборе внешних факторов. Однако это условие реализовано быть не может — история климата неповторима, она представляет собой всего лишь одну из возможного набора таких временных траекторий, и определение средних характеристик требует выполнения гипотезы об эргодичности поведения системы на аттракторе. Однако если мы лишены возможности применить

данный принцип в полном объеме к реальной климатической системе, он может быть эффективно использован в методике математического моделирования климата. Здесь состояние климата моделируется путем генерирования нескольких модельных реализаций, которые затем осредняются по ансамблю численных экспериментов.

Для характеристики глобального климата удобно выделить климатическую систему, состоящую из элементов, взаимодействие которых определяет главные особенности климатического режима. При этом функции, конкретно исполняемые отдельными элементами, могут быть различны: одни могут быть ответственны за усвоение энергии, идущей извне, другие — за ее внутреннее перераспределение и т.д. Внутренняя система находится под контролем внешних факторов. Естественно считать какой-то фактор внешним, если исходить из предположения отсутствия на него обратного влияния со стороны системы, т.е. он оказывает влияние на состояние системы, но сам от него не зависит.

Важно отметить, что набор внутренних и внешних элементов не может быть одинаковым при рассмотрении процессов с различным характерным временем — во внимание принимаются только те, влияние которых на данном временном масштабе наиболее климатически значимо. При этом гораздо более быстро протекающие процессы не включаются в систему индивидуально, а учитывается их интегральный эффект. Более медленные процессы выступают в качестве граничных условий или констант, т.е. создают то внешнее воздействие, на фоне которого осуществляются изменения данного масштаба. При переходе к другому временному масштабу состав внутренних элементов может изменяться — тот или иной внешний фактор приобретает характер внутреннего элемента или наоборот.

Так, при изучении колебаний климата на масштабах, продолжительностью порядка сотен лет, климатическая система должна быть составлена из атмосферы, океана, части криосферы (сезонного снежного покрова и морского льда), биоты. Требуется также явное описание короткопериодной части глобальной карбонатной системы (потоки углерода между атмосферой и океаном, а также между атмосферой и биотой, определяющие содержание С07 в атмосфере). Состояние климата контролируется притоком солнечной энергии, угловой скоростью вращения планеты, распределением океанов и материков, поведением «медленных» элементов криосферы, таких как ледниковые щиты, и др.

Важнейшие элементы климатической системы — атмосфера и Мировой океан. Теоретической основой описания их динамики являются основанные на «первых принципах» уравнения сохранения массы, сохранения энергии и сохранения импульса. В последнем

соотношении содержится большое количество неизвестных величин, поэтому его дополняют задаваемой связью тензора напряжений с тензором скоростей деформации (закон вязкости Навье — Стокса). В результате получается уравнение Навье — Стокса. При ином подходе, основанном на соображениях молекулярно-кинетической теории, движение газа в шестимерном пространстве (три координаты и три компонента скорости) описывается так называемым уравнением Больцмана. В результате сложных преобразований можно показать, что его простейшим следствием, соответствующим ситуации, когда характерное время течения на несколько порядков превосходит время между столкновениями молекул, оказывается математическое выражение, совпадающее с уравнением Навье — Стокса.

Применимость этих уравнений к описанию динамики атмосферы и океана можно обосновать следующим образом. Введем в рассмотрение внутренний масштаб турбулентности (/), представляющий собой масштаб наименьших вихрей, возникающих в движущейся вязкой среде. Принимая во внимание величину скорости диссипации (е) кинетической энергии в тепло за счет молекулярной вязкости (v — коэффициент кинематической вязкости), можно построить их комбинацию, имеющую размерность длины / = (v3/e)1/4, которая и даст оценку /. Для атмосферы и океана типичные значения этой величины оказываются порядка миллиметра. Сопоставим / с длиной среднего пробега молекул, которая определяется, как 1 /(ло), где п — число молекул в единице объема, а а — эффективное сечение столкновений молекул. Для воздуха при давлении у поверхности Земли длина среднего пробега получается порядка 1СГ4 мм, так что / на четыре порядка больше, чем данная величина. Это позволяет считать, что атмосфера и океан, по выражению А.М. Обухова, «достаточно макроскопичны» и уравнения Навье — Стокса обоснованно могут применяться для описания мгновенного состояния турбулентных движений. Причем эти условия выполняются не только у поверхности, но и в атмосфере на высотах в 100 км и более.

Система уравнений имеет следующий вид. Уравнение сохранения массы:

где р — плотность, и — трехмерный вектор скорости. Уравнение движения:

гдер — давление, со — угловая скорость вращения Земли, g — ускорение силы тяжести. Уравнение сохранения энергии (математическая форма первого начала термодинамики) дается выражением

в котором е — внутренняя энергия, FR — трехмерный вектор плотности потока энергии за счет действия радиации, S — характеризует нерадиационные притоки тепла.

Эти уравнения дополняются уравнением состояния р = р {р, Т, s). Для океана оно имеет сложную запись, а для воздуха, представляющего собой идеальный газ, р =p/RT, в котором R — газовая постоянная. Кроме того, в системы уравнений для океана и атмосферы добавляются уравнения бюджета солености и бюджета водяного пара.

Отметим важное тождество, применяемое при преобразовании уравнений: для любой скалярной функции В справедливо выражение

Далее в уравнениях, представленных в общем виде, учитывается то, что атмосфера и океан представляют собой тонкие пленки газа (жидкости) на поверхности массивной планеты. При этом получается, что вертикальные движения много медленнее горизонтальных движений (квазигидростатика) и характер движения квазидву- мерный. Учет этого обстоятельства позволяет несколько упростить уравнения Навье — Стокса, и в новом представлении уравнения теперь называют примитивными (в смысле — первоначальными). Впервые они были сформулированы В. Бьеркнесом.

При численном решении уравнений всегда приходится иметь дело с их конечномерной аппроксимацией, в результате использования которой фактически задается пространственная разрешающая способность модели (L). В лучших глобальных моделях краткосрочного прогноза погоды o(L) = 10—20 км; в моделях, используемых для климатических экспериментов (которым требуется гораздо больше вычислений), o(L) = 100—200 км. Однако всегда L»/. Следовательно, фактически приходится применять уравнения, осред- ненные по масштабу L (уравнения Рейнольдса). В них появляются слагаемые, относящиеся к процессам меньшего, чем сеточный (L) масштаба (так называемые «подсеточные» процессы). Они не могут быть воспроизведены уравнениями Рейнольдса (О. Reynolds), и для их описания необходимо привлечение дополнительных соотношений (так возникает необходимость параметризации процессов подсеточного масштаба).

Функционирование климатической системы зависит от того, сколько энергии поступает в систему. Мощность различных источников и стоков энергии (поток на горизонтальную площадку, в среднем за год, глобально осредненный) и ее вариации приведены ниже (Вт/м2).

Приток солнечной энергии через внешнюю границу

атмосферы (на горизонтальную площадку)......................240

Вариации притока солнечной энергии на внешней границе атмосферы при 11-летних колебаниях солнечной активности.......1

Различия (реконструированные) поступления солнечной энергии на внешнюю границу атмосферы в современных условиях и эпоху «Минимума Маундера».........................1

Приток солнечной радиации, отраженный от полной Луны,

через внешнюю границу атмосферы (на горизонтальную

площадку).................................................0,01

Геотермальный приток тепла на поверхности Земли.............0,06

Океанские приливы.........................................0,01

Мировое производство энергии...............................0,02

Поток энергии за счет космических лучей................... 0,00001

Затраты энергии на фотосинтез ...............................0,1

Выделение тепла при дыхании и разложении биомассы...........0,1

Превращение потенциальной энергии в кинетическую

энергию общей циркуляции атмосферы..........................2

Видно, что определяющее значение имеет приток к Земле солнечной энергии. Практически вся она идет на нагревание, и лишь небольшая часть затрачивается на формирование общей циркуляции атмосферы и океана.

Распределение солнечной энергии, поступающей к Земле, не зависит от долготы, и это определяет важнейшее свойство климатического режима — его зональность. Она, в свою очередь, влечет за собой проявление зональных черт в распределении растительности, почвенного покрова, ландшафтов в целом. В то же время на фоне зонального распределения существуют серьезные вариации, создающие достаточно сложную географию климатов.

Пространственные размеры и функции элементов климатической системы позволяют сопоставить данное понятие с другими понятиями, применяемыми при рассмотрении процессов и явлений планетарного масштаба. Например, в качестве синонима иногда говорят о «земной системе». При экосистемном подходе (объединяющем биоту и окружающую среду) для планетарного масштаба использу-

ются термины «глобальная экологическая система», «биосфера» (по В.И. Вернадскому) или «географическая оболочка» (по К.К. Маркову). Действительно, по набору элементов и внешним факторам климатическая система близка к определяемой таким образом «биосфере» или «географической оболочке», однако функции климатической системы, сводящиеся лишь к формированию климатического режима, более специализированы. Именно эта конкретность позволяет описывать климатические процессы количественно, строить модели и проводить математическое моделирование климата.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >