Forecasting changes in the Earth’s climate system by instrumental measurements and paleodata in the phase-time region, consistent with changes in the barycentric motions of the SUN. Part 2

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В работе изучаются применение высокоточного эффективного метода и алгоритм прогнозирования переменных климатической системы Земли, основанного на использовании вейвлетных фазо-частотных и временных преобразований наблюдений, временных рядов. Прогнозирование переменных производится в фазо-временной области на длительные интервалы времени, на сотни лет по инструментальным данным и на сотни тыс. лет по палеоданным.

Работа является продолжением исследований, представленных в статье [1], в которой перечислены цели исследовательской работы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Алгоритм прогнозирования переменных климатической системы в фазо-временной области

Прогнозирование переменных, временных рядов в климатической системе состоит из нескольких этапов. Алгоритм основан на возможности преобразования временного ряда, функции f(t) в двумерное изображение, фазо-частотную и временную функцию φ_f (a,b)с использованием вейвлетного преобразования (1) в [1] с построением ее графического изображения, необходимого для визуального выбора значения k масштаба a вейвлета на графическом изображении φ_f (a,b). Эта функция, вычисленная с использованием комплексного вейвлета ‘cgau5’, по ординате (масштабу a вейвлета) ранжирована по частоте (периоду), большим масштабам a соответствуют большие периоды Т и наоборот; по абсциссе откладывается время t или b.

В числовой матрице, функции φ_f (a,b), в сигнале каждая строка, заданная значением k масштаба a вейвлета, характеризует изменение фазы сигнала с определенным периодом (частотой); разным значениям k масштаба вейвлета соответствуют разные периоды изменений фазы сигнала (примеры приведены на графиках b÷d рисунка 1). Визуальный выбор значения масштаба k на изображении а рисунка 1 должен быть таким, чтобы периоды изменений фазы на временном разрезе были равномерно одинаковыми с малым разбросом.

Рисунок 1. а) изображение временной вейвлетной фазо-частотной функции φ_f (a,b) солнечной активности f(t)=Sact(t) [5], полученной при k=500 на временном интервале 1900–2020 гг.; b) – d) графики изменений фаз функции φ_f (a,b), полученные на ее разрезах (темные линии) при k=400,..250,..60 и их прогнозированных значений (красные линии), изменяющихся в интервале ±π по ординате в 2020–2300 гг.; e) графики реальных (темная линия, a2_Sact) и прогнозированных (красная линия, mean_Sact) вейвлетных фазо-временных характеристик изменений солнечной активности в интервале времени 1900–2300 гг., согласованные в наблюдаемом интервале времени 1900–2020 гг. с k = 0,95 с изменениями реальной временной фазовой характеристики. Прогнозированная кривая получена усреднением прогнозированных фазо-временных характеристик, полученных при значениях масштаба a вейвлета (‘cgau5’) k = 475, 460, 450, 425, 400, 360, 345, 325, 300, 275, 250, 225, 200, 175, 150, 140, 120, 100. 80, 60, 40, 22, 12 на изображении а; изображения вейвлетных фазо-временных характеристик: f), h) CO₂ – в атмосфере [6, 7] и угла наклона Земли (Naklon) [8] по наблюдениям в 422 – 0 тыс. лет в прошлом; g), i) – глобальной температуры (T.global) [9] и северо-атлантических колебаний (AMO) по наблюдениям в 1900–2020 гг. [10]

В работе используется известный факт, что любой сложный сигнал может быть представлен суперпозицией простых разнопериодных функций [2], и допущение о том, что изменение периода сигнала в прогнозируемом интервале времени на заданном разрезе масштаба вейвлета равно среднему значению периода фазы сигнала, вычисляемого в наблюдаемом интервале времени.

В случае разложения сложной временной вейвлетной фазо-частотной функции (изображения) солнечной активности Sact(t)как примера, представленного на рисунке 1а (построена в пакете Surfer), такими простыми периодическими функциями являются разрезы функции φ_f (a,b) пилообразной структуры на задаваемых исследователем значениях k масштаба a вейвлета. Изображение (матрица) φ_f (a,b), вычисляется по формулам преобразований (1). На графиках b÷d рисунка 1 как примеров приведены пилообразные периодические кривые изменений фаз функции φ_f (a,b), полученные при k=400,..250,..60, т. е. при φ_f (400,b), φ_f (250,b), φ_f (60,b), в которых время b изменяется в интервале наблюдения 1900–2020 гг. c шагом по времени 0,1 года; фазы кривых при любых значениях k изменяются в интервале ±π.

На изображении фазо-временной функции φ_f (a,b) солнечной активности Sact, представленной на рисунке 1а, отображается весь частотный состав переменной, интервалы частотных составов (периодов), разделенные интервалами бифуркаций, полученные по наблюдениям в 1900–2020 гг. (в вейвлетном анализе изменениям масштаба a вейвлета соответствуют изменения частоты (периода) сигнала [3]); на изображении φ_f (a,b) наблюдается 6 интервалов изменений частоты сигнала с периодами: 57,9÷75, 34,4÷40,6, 13÷18,2, 10.8÷12.0, ~4 и ~2 лет.

На графиках b-d рисунка 1 пилообразные кривые изменений фаз сигнала на разрезах состоят из двух составляющих, полученных по наблюдениям в 1900–2020 гг. и прогнозированных до 2300 г. с периодами, усредненными в интервалах наблюдений.

Кривые темного цвета на графиках соответствуют истинным значениям изменений фаз функции φ_f (a,b) в указанном временном интервале и заданных значениях k (на разрезах в интервале наблюдений проявляются и прогнозированные значения кривых, часто совпадающие с их истинными значениями); периоды изменений пилообразных периодических кривых красного цвета в интервале времени 2020–2300 гг. на графиках получены усреднением периодов фаз функции на задаваемых разрезах при заданных значениях k в наблюдаемых интервалах времени.

На графиках b-e рисунка 1 темные и красные кривые характеризуют изменения истинной и прогнозированной фазы, совпадающие от начала отсчета фазы до координаты последнего минимума кривой изменений фазы на разрезе. Красная кривая является моделью изменения фазы функции φ_f (a,b), темная линия соответствует изменению истинной фазы для заданного значения вейвлетного масштаба. Они описываются выражением

$\psi \left(j\right)=\left\{\begin{array}{l}{\chi }_k\left(j\right), j=1, ...t_1-1,\\ {\eta }_j=0,1,1,...,N_k-1,\\ -\pi +2\pi /T_k·{\eta }_j, j>t_1,...,t_{прогноз}\end{array}\right.$ (1)

где – t₁ временная координата выбранного последнего минимума периодически изменяющейся фазы χ_k (j) = φ_f (k,b) на временной оси разреза при заданном значении k; T_k – среднее значение периода фазы χ_k на разрезе; η_i – числовая последовательность (0,1,..., N_k-1) с длиной периода N_{k .} N_k= T_{k / Δt, Δt} – шаг дискретизации f(t). Модель изменения фазы сигнала на разрезе состоит из части χ_k (j) реального сигнала и модели (формулы (2) удобно реализовать в системе Excel). Выбор временного горизонта прогнозирования переменных t_k = 2250 год обусловлен выбором графика изменений барицентрических движений Солнца в 1100–2250 гг., полученным в [4], главной переменной в моделях климатических изменений Земли, с которой согласованы изменения всех других переменных, гелиокосмических и климатических.

Цифровая модель изменения фазы сигнала на разрезе при заданном k состоит из двух столбиков: второй столбик состоит из двух частей, числовой последовательности j = 1,…t₁-1 и продолжающихся последовательностей η_i до выбранного горизонта прогнозирования; первый столбик также состоит из двух частей: истинных фаз χ_k (j), j = 1,…t₁-1 и вычисленных по формуле -π+2π / T_k · η_{j ,} j >= t₁,...,t_{прогноз} фаз (выражение прямой линии), где T_{k –} средний период изменения фазы на разрезе при выбранном k на изображении CO₂. Наблюдаемая часть фазовых изменений на разрезах k используется для вычисления параметров N_k , T_k изменения фазы сигнала в прогнозируемой части.

На графике e рисунка 1, на котором прогнозированная кривая получена усреднением конечного числа (n=23) прогнозированных фазо-временных характеристик на выбранных масштабах k изображения φ_f (k,b), отражаются изменчивости активности Солнца с ~42-летними периодами, заметны и ~11-летние периодические изменения, минимумы активности Солнца в интервале 1900÷2022 годы, флуктуации активности в последующие годы; приводится кривая аппроксимации изменений переменной в фазо-временной области и ее уравнение, характеризующие направленность и интенсивность изменений солнечной активности в прошлом и в будущем, обусловленной изменениями барицентрических движений Солнца [4]. В фазо-частотной области в интервале наблюдений кривые Baricentr и Sact согласованы с k = 0,55, зависящей от интервала наблюдения.

Построение модели пилообразных изменений фаз сигнала и прогнозирование фазы переменной с выбором значений k масштаба a комплексного вейвлета ‘cgau5’

Алгоритм построения модели изменений фазо-временной характеристики на разрезе функции φ_f (k,b), представленной на рисунке 1а, для заданного значения k вейвлетного масштаба состоит из последовательности действий: а) вычисление матрицы φ_f (a,b) вейвлетной фазо-временной функции с использованием cwt-преобразования [11], описанной во введении [1]; б) построение изображения функции φ_f (a,b) (в системе Surfer), приведенного как примера на рисунке 1а, необходимого для визуального выбора значений k масштаба вейвлета на изображении φ_f (a,b); в) вычисление разреза φ_f (k,b) на с построением его графика (графики b-d на рисунке 1); г) оценивание координат минимумов этой пилообразной кривой на временной оси с использованием программы локализации минимумов на разрезах; д) оценивание среднего значения периода T_k изменения фазы на разрезе; е) вычисление длины периода N_k= T_{k / Δt} (_Δt– шаг дискретизации сигнала f(t) ), _Δt=10 в работе, число отсчетов между годами) и угла наклона пилообразной кривой в интервале ±π; и) построение модели изменения фазы сигнала на разрезе в прогнозируемом интервале времени t_н – t_к по формулам (2); выбор значения k масштаба вейвлета на изображении, задаваемого исследователем, зависит от структуры изображения φ_f (a,b); примеры приведены на графиках f,...,i рисунка 1. При анализе исследуемых функций φ_f (a,b) выявляются два типа изображений, представленных на графиках f, g, h, i рисунка 1 как примеров, полученных по наблюдениям в разных временных интервалах: в 422 тысячи лет и в 120 лет. Они отражают два типа откликов гелиокосмических и климатических переменных на воздействия многочисленных факторов с незначительной и значительной вариацией частот переменных между бифуркационными уровнями, что необходимо учитывать при выборе шага Δk дискретизации масштаба вейвлета в разных интервалах изменений изображения φ_f (a,b) с целью достижения высокой точности прогнозирования переменных. Критерием точности прогнозирования переменных является значение коэффициента k согласованности между реальной и прогнозированной фазо-временной характеристикой изображения φ_f (a,b).

На всех изображениях наблюдается ранжированное изменение периодов (частот) переменных, около 5-6 интервалов и бифуркаций частот (зависит от интервала наблюдения). На изображениях типа f и g шаги дискретизации масштаба вейвлета могут быть заданы постоянными, равными 15, 20 единицам; на изображениях типа h и i шаги дискретизации Δk масштаба задаются переменными в разных интервалах изменений масштаба вейвлета: в интервале 1100÷600 на изображении h и в интервале 300–150 изображения i, Δk = 10, на других интервалах этих изображений Δk = 20 или Δk = 25. Заметим, области неравномерных изменений периодов на изображениях наблюдаются в окрестностях бифуркаций частот.

Выбор множества дискретных значений k на разрезах изображения должен быть таким, чтобы охватить весь набор основных частот, характеризующих изменение исследуемого сигнала и восстанавливающих фазо-временную характеристику сигнала (изображения) в интервале наблюдений с приемлемой точностью, удовлетворяющей теореме Котельникова – Найквиста [2].

В работе приводятся исследования прогнозирований двух типов переменных: по наблюдениям 1900–2020 гг. и наблюдениям – (422 – 0) тыс. лет в прошлом.

Исследованиями установлено: по наблюдениям в (422 – 0) тыс. лет в прошлом до современности к группе с равномерным изменением частоты сигнала в некотором частотном интервале (графики h, i на рисунке 1) относятся изменения переменных Insol, Naklon, солнечной радиации (Srad); по наблюдениям в интервале 1900–2020 гг. к этой группе переменных относятся также изменения солнечной радиации (Srad), изменения концентрации озона (Ozon), AMO, CO₂ Гольфстрима (Golfstrim), Insol. В изменениях частот на изображениях φ_f (a,b) многих других переменных: Sact, Baricentr, Vulkan, MPZ, NMPS, элементов орбиты Земли прецессии и эксцентриситета (Prec, Ekc), T.global, Z.Tres и т. д. – аблюдаются изменения частот на изображениях типа, представленного на графиках f и g рисунка 1 (вариации переменной между точками бифуркаций частот незначительны).

Примеры прогнозированных переменных по наблюдениям в 1900–2020 гг.

Прогнозирование переменных производилось по схеме, описанной выше. Прогнозируются вейвлетные фазо-временные характеристики переменных. Они характеризуют изменения не значений, а интенсивностей переменных в наблюдаемом и прогнозируемом интервалах времени. В качестве оценки точности прогнозирования переменной приводится значение коэффициента корреляции k между истинной и прогнозированной фазо-временной характеристикой переменной в наблюдаемом интервале времени, окрашенной на графиках темным цветом. На рисунке 2 приводятся графики изменения вейвлетной фазо-временной характеристики барицентрических движений Солнца и многих гелиокосмических и климатических переменных, важных для прогнозирования социально-экономической деятельности в прогнозируемом интервале времени 2020 – 2250 – 2300 годы, характеризующие интенсивность изменений климатических сред на Земле в этом интервале времени, фаз роста и падений переменных, обусловленных их взаимодействием и влиянием, что отражается в разнопериодности и структуре изменений переменных на графиках.

Рисунок 2. Графики изменений вейвлетных фазо-временных характеристик гелиокосмических и климатических переменных в наблюдаемом (темный цвет) и прогнозированном (красный цвет) интервалах времени от 1900 до 2250, 2300 годов: a) барицентрических движений Солнца в вариантах: a2 = – φ_f (a,b), 2a2 = – φ_a2 (a,b), 3a2 = – φ_2a2 (a,b); b) магнитного поля Земли (MPZ); c) аккумулированной энергии тропических циклонов (Acc.En.Ciclonov); d) арктических льдов (Led Arcticy); e) глобальной температуры (T.global); f) температуры воздуха в Арктике (T.Arctiky); g) вулканических извержений (Vulkan); h) двуокиси углерода в атмосфере (CO₂); i) уровня Мирового океана (YMO); j) землетрясений (Z.Tres); k) явление Эль-Ниньо (El-Nino); l) количества природных катастроф (N. Disasters); m) осадков на планете (Osadky total); n) площадей морских льдов в Арктике (S.more led Arctiky) примерно с 16–18-летними колебаниями в 1975–2250 гг.; o) магнитных бурь (M.bury); p) наступающих ледников в полушариях Земли (NSH Ledniky nast); q) теплосодержания в 700 м слое океана (Teplosoderganie ocn) в 1955–2250 гг.; r) интенсивности течения Гольфстрим (Golfstrim) в 1910–2250 гг.; s) уровня реки Амур (M.Amur) в 1932–2250 гг.; t) уровня Каспийского моря (M.Kaspy); u) количества лесных пожаров в Иркутской области (N.Pg.Irkutsk) в 1947–2250 гг.; v) площадей лесных пожаров в ХМАО (S.Pg.XMAO) в 1973–2250 гг.

Приведенные графики состоят из двух составляющих: наблюдаемой и прогнозированной. Они отличаются тем, что наблюдаемая часть вычисляется как a2 = – mean(φ_f (1:k,b)) на вычисленном изображении φ_f (a,b) заданной временной функции f(t), заданной гелиокосмической или климатической переменной f(t), где t=b. Прогнозированные части кривых на рисунке вычисляются только для нескольких десятков выбранных прогнозированных значений масштаба вейвлета k на каждом изображении φ_f (a,b). По этой причине амплитуды кривых в наблюдаемой части на рисунке 2 более высокие по сравнению с прогнозированной кривой (в обоих случаях вычисляются средние значения числа слагаемых).

На графиках рисунка 2 проявляются следующие особенности: 1) на графиках а фазо-временных характеристик трех уровней изменений переменной Baricentr выделяются интервалы характерных изменений исходной функции, очертания которых проявляются и в изменениях многих других переменных климатической системы (Z.Tres, TPV, TPO, M.bury, En.Tr.Ciclon, Uragan, NDisasters, T.global, T.Arct, Led.Arct, V.Zemly, LOD, Ur.Kaspy, NSH.LedNast) примерно с ~50-летними периодами, означающие существенное влияние изменений переменной Baricentr на изменения других переменных в системе; 2) на графиках а рисунка 2 наблюдается дискретное изменение фаз переменной Baricentr c цикличностью около 11 лет, скорее всего, обусловленной квантовым гравитационным воздействием крупных планет Солнечной системы на движение Солнца в системе координат Солнечной системы [12]. Аналогичные дискретные изменения фаз наблюдаются на графиках изменений фазо-временных характеристик и других переменных; 3) на графиках рисунка 2 наблюдается два типа изменений прогнозированных вейвлетных фазо-временных характеристик переменных: с четко выраженными циклическими изменениями с периодичностями около 35, 40, 48, 58 лет (Baricentr, MPZ, TPV, AccEnCiclon, LedArct, AMO, T.Rus, T,global, T.Arct, YMO, Z.Tres, N.Uragan, N.Disasters, NSH.Led.nast, TPO Trop, Ur.Amura, N.Pg.Irkutska, Ur.Kaspy) и переменные, у которых циклы изменений нечетко выражены: Pg.XMAO, LOD, LedArct, Teplosoderg_e, E/N, Vulkan, Naklon, Golfsrim, TPO, обусловленные содержанием в исходных вейвлетных ВФВХ дискретных высокочастотных фазовых изменений: a2 = – φ_f (a,b) 4) на изображениях f, g, h, i рисунка 1 наблюдаются разные типы изменений фазо-временных функций климатической системы. Эти признаки являются характеристикой того, что в различных физических средах динамика их изменений под воздействием окружающей среды климатической системы происходит дискретно и с разной интенсивностью, согласующейся с теорией квантовой теории гравитации [12].

Графики на рисунке 3 отражают физическую изменчивость сред переменных в длительных интервалах в прошлом и в предполагаемом будущем, обусловленных всевозможными воздействиями действующих факторов. Представляют интерес изменения в настоящем и будущем некоторых задаваемых взаимодействующих факторов. На графиках 3 представлены интенсивности согласованности изменений выбранных групп переменных климатической системы Земли в фазо-временной области в интервале времени 1900–2250 гг., характеризующих существенные циклические взаимовлияния групп переменных.

Рисунок 3. Графики согласованностей изменений групп взаимодействующих климатических переменных Земли в вейвлетной фазо-временной области в интервале 1900–2250 гг.: а) T.global и CO₂ парникового эффекта; b) количества ураганов, природных катастроф, северо-атлантических осцилляций (AMO), уровня Мирового океана (YMO) и аккумулируемой энергии тропических циклонов (AccTropEnCiclon); c) количества вулканов (Vulkan) и землетрясений (Z.Tres); d) барицентрических движений Солнца (Baricentr), напряженности магнитного поля Солнца и магнитного поля Земли; e) переменных Baricentr, AMO, AccTropEnCiclon; f) Baricentr и явления Эль-Ниньо (E/N); g) Baricentr и льдов в Арктике (LedArct); h) Baricentr и уровня Каспийского моря (Kaspy); i) Baricentr, балансовой массы льдов Кавказа (BalansMassaLedKavkaz) и наступающих льдов в Северном и Южном полушариях Земли (NSH.LedNastup); j) площадей лесных пожаров, осадков и температуры в ХМАО (SPg.TempOsXMAO) в 1973–2250 гг.; k) количества и площадей пожаров, температуры и осадков в Иркутской области (NSPgTempOs.Irkutsk) в 1947–2250 гг.; l) количества вулканов в мире и концентрации озона в атмосфере (Vulkan, Ozon); m) CO₂ и Ozon; n) Baricentr и Sact; o) Baricentr и YMO; p) Baricentr и уровня реки Амур (R.Amur) в 1932– 2250 гг.; q) согласованностей n =36 прогнозированных переменных в интервале 1900– 2250 гг.; r) графики согласованных пошаговых изменений переменных: Baricentr, Sact, YMO, Vulkan, CO₂, Tglobal в наблюдаемом и прогнозированном интервале времени 1900–2250 гг. в фазовой области; согласованностей изменений групп: s) Baricentr и Insol в интервале 1900–2250 гг.;t) Baricentr и теплосодержание океана (Teplo.ocn) до глубины 700 м; u) YMO, TPV, TPO, TPO.Tropic (температура поверхности океана в тропической зоне), Teplo.ocn; v) E/N,Teplo.ocn в интервале 1955–2250 гг.; w) Baricentr, Golfstrim; x) Baricentr, Naklon, Insol, Sact, Vulkan, CO₂, AMO, YMO, Golfstrim, NMPS, MPZ, E/N, Tglobal, Tаrctic, YMO

На графиках рисунка 3 отражаются циклические высокосогласованные изменения сравниваемых групп переменных в фазо-временной области наблюдений в 1900–2020 гг. с интервалами подъема и падения интенсивности взаимодействий с их прогнозированными изменениями до 2250 года; средние силы взаимодействий групп V указаны на графиках; наблюдаются циклические с ~100, 150-летними периодами взаимоусилений групп. На графиках a рисунка 3 в эпоху глобального потепления усиление парникового эффекта наблюдается в 1960 – 2050 – 2114 – 2218 гг.; потепление, начатое в 1960 гг., продолжается до 2050 гг. с переходом с меньшей интенсивностью циклических усилений в 2110–2220 гг. с V = 0,52. Примерно такие же циклические изменения наблюдаются на графиках а рисунка 2 переменной Baricentr и в изменениях магнитного поля Земли на рисунке 3b. На графиках взаимодействия группы Baricentr, CO₂, T.global усиление парникового эффекта наблюдается в интервалах 1957 – 2040 – 2122 – 2203 гг. с V = 0,42.

Взаимоусиления переменных Uragan, Disasters, AMO, YMO, En.Tr.Ciclon на графиках b происходят в интервалах 1925 – 2050 – 2210 гг.; извержения вулканов и землетрясения усиливаются в 1940 – 2090 – 2200 гг. (графики с); на графиках d в интервалах времени 1900 – 2150 – 2250 гг. заметны взаимоусиления группы Baricentr, NMPS, MPZ. На графиках e отображаются циклические усиления переменных Baricentr, AMO, En.Tr.Ciclon в интервалах 1900 – 1980 – 2060 – 3220 – 2180 гг.

Усиления южных осцилляций (E/N) барицентрическими движениями Солнца в 1911 – 1963 – 2026 – 2087 – 2240 гг. приведены на графиках f. На графиках g отображаются почти гармонические изменения с периодом 30–40 лет взаимодействий движения Солнца (Baricentr) и изменений льдов в Арктике (Led.Arct) в интервалах 1900 – 2090 – 2235 гг., заметно изменение характера взаимодействий после 2090 гг. Значительная изменчивость уровня Каспийского моря влиянием движений Солнца в 1927 – 2024 – 2146 – 2242 годы отображается на графике h.

Значительная согласованность изменений балансовой массы льдов Кавказа (BalansMassaLedKavkaz) и наступающих льдов в Северном и Южном полушариях Земли (NSH.LedNastup) в интервалах 1900 – 2016 – 2137 – 2250 гг. влиянием переменной Baricentr приводится на графиках I рисунка 3.

Циклически возрастающая изменчивость площадей лесных пожаров изменениями осадков и температуры в ХМАО в 1993 – 2077 – 2146 – 2206 – 2250 отображается на графиках j. На графиках k отображаются обусловленности изменений количества и площадей лесных пожаров в Иркутской области изменениями осадков и температуры в области в интервалах 1945 – 2040 – 2099 – 2134 – 2236 гг.

Циклическая обусловленность изменений концентрации озона в атмосфере изменениями вулканических извержений на Земле в интервалах 1900 – 2000 – 2101 – 2216 гг. приводится на графиках l рисунка 3; циклическая взаимообусловленность изменений CO₂ и озона в атмосфере в 1900 – 2034 – 2172 гг. отображается на графиках m.

Значительная циклическая обусловленность изменений солнечной активности влиянием барицентрических движений Солнца в интервалах 1900 – 1928 – 2057 – 2158 – 2250 гг. показана на графике n рисунка 3. На графике o отображается отклик изменения уровня Мирового океана на воздействие главного фактора Baricentr в интервалах 1900 – 1934 – 2036 –2157 – 2250 гг. На графиках p рисунка 3 показана значительная изменчивость уровня реки Амур влиянием движений Baricentr в интервалах 1900 – 1974 – 2037 – 2161 – 2250 гг., на которой иногда наблюдаются катастрофические наводнения.

На графиках q на рисунке 3 отображается проявление современного глобального потепления в 1966–2040 годы даже при моделировании взаимодействия 36 гелиокосмических и климатических переменных системы.

На графиках r показано самосогласованное изменение нескольких главных переменных: Baricentr, Sact, YMO, Vulkan, Tglobal как пример взаимодействия гелиокосмических и климатических переменных в системе, «кусочка» автоволны в самоорганизующейся климатической системе планеты Земля. Заметим, что все графики на рисунке 3 являются автоволнами групп взаимодействий переменных.

На графиках s рисунка 3 отображается значительное взаимоусиление взаимодействий переменной Baricentr и инсоляции Insol_2a2, обусловленной изменениями орбитальных элементов Земли, в интервалах 1900 – 975 – 2102 – 2227 гг., где прогнозированная кривая Insol_2a2 получена на изображении 2a2 = – φ_a2 (a,b).

На графиках t, u, v рисунка 3 отображаются согласованности изменений теплосодержания океана до глубины 700 метров в 1955–2250 гг. на изменения: Baricentr; YMO,TPV, TPO, TPO.Tropic; E/N в вейвлетной фазо-временной области; наблюдается значительное циклическое влияние этих переменных, групп на изменчивость тепловой энергии океана во времени, колебательные изменения тепловой энергии океана с изменениями явления Эль-Ниньо (E/N) с периодом около 60 лет. В исследованиях проявляется существенная согласованность с V=0,46 изменений тепловой энергии океана (Teplo.ocn) с изменениями напряженности магнитныx полей Солнца и Земли.

На графиках w проявляется главенствующая роль барицентрических движений Солнца (Baricentr) в циклических изменениях теплого течения Гольфстрим в Атлантическом океане с периодичностями около 70, 21 и 12 лет.

На графиках x и w рисунка 3 в интервалах времени 1990 – 2050 – 2110 – 2180 гг. наблюдаются значительные изменения температурных переменных Tglobal, TArctic, E/N и Golfstrim, определяющих климат на Земле, влияниями изменений гелиокосмических переменных, изменениями барицентрических движений Солнца, уровня Мирового океана (YMO).

Прогнозирование климатических изменений по данным наблюдений ледниковых кернов в Антарктике, донных отложений в Атлантике, орбитальных элементов Земли за последние 422 тыс. лет

Представляет интерес заглянуть в тысячелетнее будущее в климатических изменениях на Земле по данным, полученным анализом ледниковых кернов Антарктики [6, 7, 14], которые открыли человечеству 800-тысячелетнюю историю изменений климата на планете. Анализ долговременных изменений климатических переменных, их прогнозирование производятся методом, описанным в статье. Кривые прогнозированных переменных в интервале времени 422 тыс. лет в прошлом до 300–375 тыс. лет в будущем приведены на рисунке 4. На рисунке 4 приведены также графики взаимодействий выделенных групп переменных, характеризующих характер и силу их взаимовлияний на временной оси.

Рисунок 4. Графики изменений прогнозированных переменных климатической системы Земли в вейвлетной фазо-временной области в - 422÷(300–375) тыс. лет по данным анализа ледниковых кернов в Антарктике, донных отложений в Атлантике, орбитальных элементов Земли за последние 422 тыс. лет: а) отклонения температуры воздуха на поверхности ледника в прошлом от современной температуры (Temp); b) изотопно-кислородной кривой δ¹⁸O (O18) в донных отложениях океанов и полярных льдах в значениях δ¹⁸O, т. е. в тысячных долях процента отклонений от стандарта [7]; c) объемной концентрации микрочастиц атмосферного аэрозоля во льду (Pyl) [6]; d) и e) объемной концентрации двуокиси углерода CO₂ и метана CH₄ в атмосферном воздухе; f) мощности антарктического ледникового покрова относительно современного уровня (Led); g) уровня Мирового океана относительно современного (More); h) инсоляции в Южном полушарии (Insol_75S); согласованности k изменений групп переменных в вейвлетной фазо-временной области: i) CO₂, CH₄, Temp (парниковый эффект); j) Led, More, CO₂, CH₄; k) Temp, δ¹⁸O, Led, More, CO₂, CH₄; l) Pyl, CO₂, CH₄; m) Temp, δ¹⁸O, Pyl, Led, More, Insol 65N, Insol75S, CO₂, CH_4, Mg/Ca; n) Temp, δ¹⁸O, Mg/Ca

На графиках рисунка 4 представлены графики прогнозированных кривых изменений палеоклиматических рядов Temp, δ¹⁸O, Pyl, Led, More, CO₂, CH₄, Insol 75S; прогнозированы также изменения Naklon, Ekc, Prec, Insol 65N. Они являются интенсивностями изменений переменных. На графиках проявляется разноцикличность изменений переменных, обусловленных разной природой изменений переменных, их взаимовлияний и одним главным действующим фактором – барицентрическими движениями Солнца. Наибольшие периоды в интервале (120 – 311) тыс. лет содержат изменения Pyl и орбитальные элементы Naklon, Prec и инсоляции Insol 75S, Insol 65N. В изменениях всех переменных содержатся периоды в окрестностях 120, 100, 41, 22, 12, 7, 4 тыс. лет. Изменения кривых в наблюдаемом интервале 422 – 0 тыс. лет в прошлом и прогнозированные составляющие согласованы значительно с k = 0,95÷0,99, приведены на графиках. На графиках заметны локальные рассогласования кривых, исходных и прогнозированных.

На графиках i, j, k, m, n рисунка 4 в современности, в окрестности нулевой точки во времени, в период глобального потепления наблюдаются пики согласованных изменений групп переменных с V~0,9: парниковых газов и температуры, изменений Led, More и парниковых газов: (CO₂, CH_4, Temp), (Led, More, CO₂, CH₄) (Temp, Led, More, CO₂, CH₄) Характерно то, что пики роста кривых в современности наблюдаются при взаимодействии мощности льдов в Антарктике (Led), уровня Мирового океана (More) и приземной температуры (Temp) с изменениями парниковых газов CO₂, CH₄). Нисходящие склоны пиков согласованных изменений групп переменных достигают минимумов, оледенений, в ~11÷13-тысячные годы в будущем с последующими циклическими изменениями с периодами ~40, 48, 55, 60 тыс. лет. На графиках прогнозированных переменных рисунка 4, в современности глобального потепления, в нулевой точке, в фазе роста находятся изменения переменных: Prec, Ekc, Temp, δ¹⁸O, More, Led. Интервалы прошлых оледенений в ~20 тыс. годы наблюдаются на графиках i÷n рисунка 4. На этих же графиках наблюдаются интервалы предполагаемых оледенений в прошлом при малых значениях k и потеплений при высоких значениях k.

На графиках l рисунка 4 отображаются согласованности изменений парниковых газов CO₂, CH₄ и аэрозольной пыли Pyl соответственно и согласованности изменений вулканических извержений Vulkan и пыли Pyl, т. к. изменения переменных CO₂, CH₄ и Vulkan сильно согласованы по наблюдениям в новой эре (на графиках g рисунка 2 [1]); наблюдается сильная согласованность изменений вулканических извержений и землетрясений (Z.Tres) с изменениями во вращении Земли, также показанные на графиках n и o рисунка 2 [1].

На графиках m рисунка 4 отображается согласованность изменений большой группы переменных, указанных выше. На графиках в современности в окрестности нулевой точки проявляется пик согласованности изменений переменных, соответствующий глобальному потеплению. На графике n рисунка в окрестности нулевой точки проявляется заметный пик согласованных изменений переменных Temp, δ¹⁸O с изменениями отношений изотопов Mg/Ca, полученных анализом донных отложений в Атлантике. Полученные графики отражают значительное влияние изменений парниковых газов CO₂, CH₄ на изменчивость отношения изотопов магния и кальция Mg/Ca. В работе [13] указывается, что применение отношения изотопов Mg/Ca более предпочтительно в палеотемпературных методах исследования океана, чем использование изотопного анализа кислорода.

На графиках отражается то, что современное глобальное потепление является закономерностью изменений самосогласованных изменений множества переменных, существующих в Солнечной системе между планетами и в солнечно-земных связях в истории изменений климата в глубоком прошлом, настоящем и в будущем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В работе приводятся результаты анализа множества взаимообусловленных переменных, характеризующих изменения климата на Земле в продолжительном временном интервале. Показано, что эти самоорганизованные изменения обусловлены самоорганизованными взаимодействиями планет Солнечной системы, барицентрическими движениями Солнца и солнечно-земными связями, влияющими на изменения гелиокосмических и климатических переменных Земли.

1. Разработаны высокоточный метод и алгоритм прогнозирования временных рядов, описывающих изменения гелиокосмических, климатических переменных, природных сред с использованием вейвлетных фазо-временных характеристик и функций (изображений) по инструментальным измерениям и палеоданным в 422 тыс. лет в прошлом с длительным горизонтом прогнозирования в сотни и тысячи лет; приведены многочисленные примеры прогнозированных кривых переменных системы. Прогнозированные переменные являются усредненными кривыми множества прогнозированных вейвлетных фазо-временных характеристик, полученных на выбранных разрезах (частотах) вейвлетных фазо-частотно-временных изображениях.
2. На прогнозированных кривых фазо-временных характеристик переменных по данным в новой эре наблюдаются черты изменений вейвлетных фазо-временных характеристик барицентрических движений Солнца (Baricentr) с согласованностью k = 0,11÷0,37 в интервале 1900–2250 гг. для большой группы переменных из 36 прогнозированных.
3. На графиках согласованных изменений фазо-временных характеристик выбранных групп переменных отражены особенности, силы взаимовлияний групп переменных во времени: Baricentr, Sact; Baricentr, Insol; Baicentr, NMPS, MPZ; Temp, CO₂ (парниковый эффект) и многих других групп в интервале 1900–2250 гг. Установлено, что современное глобальное потепление, начатое в 1930-е гг. циклами, продолжалось до 1987 года с последующими циклами падений и подъемов до 2180 гг. с интервалами в 1934 – 1990 – 2050 – 2110 – 2180 годы.
4. На графиках согласованных изменений групп прогнозированных переменных, полученных анализом ледовых кернов из Антарктики, донных отложений Атлантики и климатических орбитальных элементов Земли, установлено, что современное глобальное потепление является закономерным продолжением изменений климата на Земле в прошлом; показано, что современное глобальное потепление примерно через 11–13 тыс. лет сменится глобальным оледенением с последующими циклами потеплений и похолоданий, как было в прошлые тысячелетия. На этих же графиках наблюдаются пики потеплений, оледенений и похолоданий в прошлые тысячелетия, например в ~10-м тысячелетии в прошлом, обусловленные также взаимодействием крупных планет Солнечной системы с Солнцем и Землей.
5. Разработаны метод и комплекс программ, позволяющие моделировать изменения климата на Земле в прошлом, настоящем и будущем, исходными данными для которых являются исключительно инструментальные измерения; позволяющие точнее прогнозировать изменения в климатических переменных, потеплений и похолоданий, обусловленных взаимодействием планет Солнечной системы с Солнцем и Землей, изменениями барицентрических движений Солнца, солнечно-земными связями.

About the authors

Valery I. Alekseev

Author for correspondence.
Email: v-alekseev-1941@yandex.ru

Doctor of Technical Sciences, independent researcher

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1. a) Image of the temporal wavelet phase-frequency function φf (a,b) of solar activity f(t)=Sact(t) [5], obtained at k=500 in the time interval 1900–2020; b)–d) graphs of changes in the phases of the function φf (a,b), obtained on its sections (dark lines) at k=400,..250,..60 and their predicted values ​​(red lines), changing in the interval ±π along the ordinate in 2020–2300; e) graphs of real (dark line, a2_Sact) and predicted (red line, mean_Sact) wavelet phase-time characteristics of changes in solar activity in the time interval 1900–2300, consistent in the observed time interval 1900–2020. with k = 0.95 with changes in the real time phase characteristic. The predicted curve was obtained by averaging the predicted phase-time characteristics obtained for the wavelet scale a values ​​(‘cgau5’) k = 475, 460, 450, 425, 400, 360, 345, 325, 300, 275, 250, 225, 200, 175, 150, 140, 120, 100. 80, 60, 40, 22, 12 in image a; images of wavelet phase-time characteristics: f), h) CO2 – in the atmosphere [6, 7] and the Earth's tilt angle (Naklon) [8] based on observations 422 – 0 thousand years in the past; g), i) – global temperature (T.global) [9] and North Atlantic Oscillation (AMO) based on observations in 1900–2020 [10]

Download (807KB)

Indexing metadata

3. Figure 2. Graphs of changes in wavelet phase-time characteristics of heliocosmic and climatic variables in the observed (dark color) and predicted (red color) time intervals from 1900 to 2250, 2300: a) barycentric motions of the Sun in the following variants: a2 = – φf (a,b), 2a2 = – φa2 (a,b), 3a2 = – φ2a2 (a,b); b) the Earth's magnetic field (MPZ); c) accumulated energy of tropical cyclones (Acc.En.Ciclonov); d) Arctic ice (Led Arcticy); e) global temperature (T.global); f) air temperature in the Arctic (T.Arctiky); g) volcanic eruptions (Vulkan); h) carbon dioxide in the atmosphere (CO2); i) the level of the World Ocean (YMO); j) earthquakes (Z.Tres); k) the El Niño phenomenon (El-Nino); l) the number of natural disasters (N. Disasters); m) precipitation on the planet (Osadky total); n) the area of ​​sea ice in the Arctic (S.more led Arctiky) with approximately 16-18-year fluctuations in 1975-2250; o) magnetic storms (M.bury); p) advancing glaciers in the hemispheres of the Earth (NSH Ledniky nast); q) heat content in the 700 m ocean layer (Teplosoderganie ocn) in 1955-2250; r) the intensity of the Gulf Stream current (Golfstrim) in 1910-2250; s) the level of the Amur River (M.Amur) in 1932-2250; t) the level of the Caspian Sea (M.Kaspy); u) the number of forest fires in the Irkutsk region (N.Pg.Irkutsk) in 1947–2250; v) the area of ​​forest fires in the Khanty-Mansiysk Autonomous Okrug (S.Pg.KhMAO) in 1973–2250.

Download (1MB)

Indexing metadata

4. Figure 3. Graphs of the consistency of changes in groups of interacting climate variables of the Earth in the wavelet phase-time domain in the interval of 1900–2250: a) T.global and CO2 greenhouse effect; b) the number of hurricanes, natural disasters, North Atlantic Oscillations (AMO), World Sea level (YMO) and accumulated tropical cyclone energy (AccTropEnCiclon); c) the number of volcanoes (Vulkan) and earthquakes (Z.Tres); d) barycentric motions of the Sun (Baricentr), the strength of the solar magnetic field and the Earth's magnetic field; e) Baricentr, AMO, AccTropEnCiclon variables; f) Baricentr and El Niño events (E/N); g) Baricentr and ice in the Arctic (LedArct); h) Baricentr and the Caspian Sea level (Kaspy); i) Baricentr, balance mass of ice in the Caucasus (BalansMassaLedKavkaz) and advancing ice in the Northern and Southern Hemispheres of the Earth (NSH.LedNastup); j) area of ​​forest fires, precipitation and temperature in the Khanty-Mansiysk Autonomous Okrug (SPg.TempOsXMAO) in 1973–2250; k) number and area of ​​fires, temperature and precipitation in the Irkutsk region (NSPgTempOs.Irkutsk) in 1947–2250; l) number of volcanoes in the world and ozone concentration in the atmosphere (Vulkan, Ozon); m) CO2 and Ozon; n) Baricentr and Sact; o) Baricentr and YMO; p) Baricentr and the level of the Amur River (R.Amur) in 1932–2250; q) consistency of n =36 predicted variables in the interval 1900–2250; r) plots of consistent stepwise changes in the variables: Baricentr, Sact, YMO, Vulkan, CO2, Tglobal in the observed and predicted time interval 1900–2250 in the phase domain; consistency of changes in the groups: s) Baricentr and Insol in the interval 1900–2250; t) Baricentr and ocean heat content (Teplo.ocn) to a depth of 700 m; u) YMO, TPV, TPO, TPO.Tropic (tropical sea surface temperature), Teplo.ocn; v) E/N,Teplo.ocn in the interval 1955–2250; w) Baricentr, Golfstrim; x) Baricentr, Naklon, Insol, Sact, Vulkan, CO2, AMO, YMO, Golfstrim, NMPS, MPZ, E/N, Tglobal, Tarctic, YMO

Download (1MB)

Indexing metadata

5. Figure 4. Graphs of changes in the predicted variables of the Earth's climate system in the wavelet phase-time domain in - 422 ÷ (300–375) thousand years based on the analysis of ice cores in Antarctica, bottom sediments in the Atlantic, and orbital elements of the Earth over the past 422 thousand years: a) deviations of air temperature on the glacier surface in the past from the modern temperature (Temp); b) the oxygen isotope curve δ18O (O18) in ocean bottom sediments and polar ice in δ18O values, i.e. in thousandths of a percent of deviations from the standard [7]; c) the volume concentration of atmospheric aerosol microparticles in ice (Pyl) [6]; d) and e) the volume concentration of carbon dioxide CO2 and methane CH4 in the atmospheric air; f) the thickness of the Antarctic ice sheet relative to the modern level (Led); g) World Ocean Level relative to the present (More); h) Southern Hemisphere Insolation (Insol_75S); consistency of k changes in variable groups in the wavelet phase-time domain: i) CO2, CH4, Temp (greenhouse effect); j) Led, More, CO2, CH4; k) Temp, δ18O, Led, More, CO2, CH4; l) Pyl, CO2, CH4; m) Temp, δ18O, Pyl, Led, More, Insol 65N, Insol75S, CO2, CH4, Mg/Ca; n) Temp, δ18O, Mg/Ca

Download (978KB)

Indexing metadata