Yugra State University BulletinYugra State University BulletinВестник Югорского государственного университета1816-92282078-9114Yugra State University32277610.18822/byusu20230143-59MATHEMATICAL MODELING AND INFORMATION TECHNOLOGIESМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИResearch ArticleInvestigation of the consistency of changes in the wavelet phase characteristics of heliocosmic and climatic variables and changes in the components of the word water balance. Part 2Исследование согласованности изменений вейвлетных фазовых характеристик гелиокосмических и климатических переменных и изменений составляющих мирового водного баланса. Часть 2AlekseevValeriy I.АлексеевВалерий Иванович
Russian Federation

Doctor of Technical Sciences

доктор технических наук

alekseev_1941@internet.ruYugra State UniversityФГБОУ ВО «Югорский государственный университет»0904202319143590904202309042023Copyright ©; 2023, Yugra State UniversityCopyright ©; 2023, Югорский государственный университет2023Yugra State UniversityЮгорский государственный университетhttps://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/322776

The relevance of research: is due to the need to establish true causes and patterns of changes in the hydrometric characteristics of the global water balance as a whole and its components, natural media on Earth.

Purpose of research: Establishment of patterns of mutual influences and causes of changes in the components of world water balance on Earth: settlement changes in thermal and water resources on the territory of sushi, clouds on continents, lake levels on continents, the Caspian Sea, Arctic Islands, Greenland and mountain glaciers.

Objects: Temporary series of heliocosmic and global climatic variables constituting a global water balance.

Methods of research: the method developed by the author of the calculation of the wavelet phase-frequency and phase-temporal characteristics of the group of the studied time series specified at equal intervals of time, with the calculation of their correlation matrices and the construction of the charts of the variables in two coordinate systems, comparative analysis.

Results of research: It is shown that in cyclical climate change on land, global water balance as a whole and its components in different relative units and phase orientations, depending on the properties of components of water balance, natural environments, two groups of variables are studying: Helicosmic (Baricenric Sun Movements, Solar activity, long-term solar insolation, greenhouse gases, ozone concentration in the ionosphere, elements of the Earth orbit, geomagnetic field) and global temperature climatic variables caused by changes in the helikosmic factors leading from which is the barycentric movements of the Sun. There is a variability of the water balance depending on their geographic locations on continents. It is shown that the calculated changes in thermal and water resources on the territory of the sushi, changes in clouds and levels of lakes on continents at the observed time intervals is significantly interconnected in the phase-frequency domain, coordinated with changes in the heliocosmic variables leading from which is the barycentric movements of the Sun. It is shown that the change in the level of Lake Rudolf, located in Kenya, occurs in antiphase with changes in other lakes from the phase-frequency domain due to changes in the level of the lake in antiphase with changes in evaporation, evaporation and precipitation – the calculated changes in thermal and water resources on land ; Such a phenomenon is observed in changes in Lake Neivasha (Kenya). Data analysis obtained at the East station in Antarctica, bottom sediments of the ocean, in 379.3-1.1 thousand years in the past, graphs of changes in the elements of the Earth orbit, established high consistency of changes in the Caspian level with changes in the angle of inclination, precession and eccentricity of the Earth orbits; In Holocene, agreed with changes in solar activity; coordinated with changes in earthquakes, the speed of rotation of the Earth and the duration of the earth's day, as well as the changes in YMO and the El-Niño phenomenon, with changes in evaporation and precipitation on land in the phase-frequency domain due to the influences of heliocosmic factors. It has been established that changes in the components of the water balance of the Arctic Islands, Greenland and the mountain glaciers are divided into two subgroups; The first includes changes in precipitation and drains, to the second, – changes in the resulting and increments of balance sheets. The components of the first subgroup are strongly agreed with the changes in the helixosmic factors, the second, – with changes in climatic variables with a negative sign in changes in the balances of the Arctic Islands and Greenland; The second subgroup in the balance of mountain glaciers is strongly agreed with changes in the helicosmic variables with a negative sign in the phase-frequency domain in the observed inter. In changes of phase-temporal characteristics of groups of factors are observed lattice structures of differently and unidirectional changes of variables, characterizing stochastic variability in natural environments.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью установления истинных причин и закономерностей изменений гидрометрических характеристик мирового водного баланса в целом и ее составляющих, природных сред на Земле.

Цель исследования: установление закономерностей взаимовлияний и причин изменений составляющих мирового водного баланса на Земле: расчетных изменений тепловых и водных ресурсов на территории суши, облачностей и уровней озер на континентах, Каспийского моря, арктических островов, Гренландии и горных ледников.

Объекты исследования: временные ряды гелиокосмических и глобальных климатических переменных, составляющих мирового водного баланса.

Методы исследования: разработанный автором метод взаимодействия наблюдений переменной или переменных с группами задаваемых гелиокосмических и климатических факторов в частотной и временной областях, полученных с использованием вейвлетных фазовых преобразований с вычислением фазо-частотных и фазо-временных характеристик наблюдений в равных интервалах времени; сравнительный анализ изменений, полученных фазовых характеристик групп переменных с вычислением их матриц согласованности и построением графиков в частотной и временной областях.

Результаты исследования: показано, что расчетные изменения тепловых и водных ресурсов на территории суши, изменения облачностей и уровней озер на континентах в наблюдаемых интервалах времени значительно взаимосогласованы в фазо-частотной области, согласованы с изменениями гелиокосмических переменных, ведущим из которых является барицентрические движения Солнца. Показано, что изменение уровня озера Рудольф, расположенного в Кении, происходит в противофазе с изменениями других озер из рассмотренных в фазо-частотной области, обусловленное изменениями уровня озера в противофазе с изменениями испаряемости, испарений и осадков, – расчетных изменений тепловых и водных ресурсов на суше; подобное явление наблюдается и в изменениях озера Нейваша (Кения). Анализом данных, полученных на станции Восток в Антарктиде, донных отложений океана в 379,3-1,1 тыс. лет в прошлом, графиков изменений элементов орбиты Земли, установлена высокая согласованность изменений уровня Каспия с изменениями угла наклона, прецессии и эксцентриситета орбиты Земли; в голоцене наблюдается согласованность с изменениями солнечной активности, с изменениями землетрясений, скорости вращения Земли и продолжительности земных суток, а также с изменениями YMO и явления Эль-Ниньо, с изменениями испарений, испаряемости и осадков на суше в фазо-частотной области, обусловленные влияниями гелиокосмических факторов в период инструментальных измерений. Установлено, что изменения составляющих водного баланса арктических островов, Гренландии и горных ледников разделены на две подгруппы; к первой относятся изменения осадков, айсберговых и жидких стоков, к второй, – изменения результирующих балансов и приращений запасов. Составляющие первой подгруппы значительно согласованы с изменениями гелиокосмических факторов, второй, – с изменениями климатических переменных с отрицательным знаком в изменениях балансов арктических островов и Гренландии; вторая подгруппа в балансе горных ледников значительно согласована с изменениями геликосмических переменных с отрицательным знаком в фазо-частотной области в наблюдаемых интервалах времени. Наблюдается значительная вариация изменений уровней озер на континентах к изменениям магнитного поля Земли в частотной области и решетчатая структура изменений фазо-временных характеристик переменных, характеризующая цикличность изменений климата на Земле.

self-organizing climate systemheliocosmic and climatic variablestime series of world water balance componentswavelet phase-frequency and phase-time characteristics of variablescorre-lation matrices of the group of phase characteristicsсамооганизующаяся климатическая системагелиокосмические и климатические переменныевременные ряды составляющих мирового водного балансавейвлетные фазо-частотные и фазо-временные характеристики переменныхматрицы корреляций группы фазовых характеристикАлексеев, В. И. Исследование изменений глобального климата как сложной системы с использованием вейвлетных фазо-частотных функций, фазо-частотных и фазо-временных харатеристик гелиокосмических и климатических переменных. Часть 1 / В. И. Алексеев. – Текст : непосредственный // Известия Томского политехнического университета. Инжинииринг георесурсов. – 2020. – Т. 331, № 7. – С. 238–250.Алексеев, В. И. Исследование изменений глобального климата как сложной системы с использованием вейвлетных фазо-частотных функций, фазо-частотных и фазо-временных харатеристик гелиокосмических и климатических переменных. Часть 2 / В. И. Алексеев. – Текст : непосредственный // Известия Томского политехнического университета. Инжинииринг георесурсов. – 2020. – Т. 331, № 8. – С. 99–111.Современные глобальные изменения природной среды : в 2-х т. / под ред. Н. С. Касимова, Р. К. Клиге. – М. : Научный мир, 2006. – Т. 1. – 696 с. – Текст : непосредственныйКасимов, Н. С. Введение. Проблемы глобальных изменений / Н. С. Касимов, Р. К. Клиге // Современные глобальные изменения природной среды. – Т. 3. Факторы глобальных изменений. – М. : Научный мир, 2012. – С. 19–34. – Текст : непосредственный.Henderson-Sellers, A. Continental clouiness changesthis century / А. Henderson-Sellers // GeoJournal, 1992. – V. 27, № 3. – P. 255–262.Dai, A. Surface Observer Global Land Precipitatin Variations during 1900-88 / A. Dai, J. Y. Fung, A. D. Genio // Journal Climate. – 1997. – V. 10, № 11. – P. 2943–2962.Магомедов, М. Г. Каспийская Атлантида / М. Г. Магомедов, С. А. Каспаров, Н. В. Тупик // Научная мысль. Кавказ. – 1997. – С. 51–60. – Текст : непосредственный.Клиге, Р. К. Изменения мирового водного баланса / Р. К. Клиге, Л. С. Евсеева. – Текст : непосредственный // Современные глобальные изменения природной среды : в 2-х т. / под ред. Н. С. Касимова, Р. К. Клиге. – М. : Научный мир, 2006. – Т. 1. – С. 269–278.Никитин, В. М. Риски маловодных и многоводных периодов для озера Байкал / В М. Никитин, Н. В. Абасов, Т. В. Бережных, Е. Н. Осипчук. – Текст : непосредственный // География и природные ресурсы. – 2016. – № 5. – С. 29–38.Бережных, Т. В. Колебания притока воды в водохранилища Ангарского каскада ГЭС в условиях глобального изменения климата / Т. В. Бережных, Н. В. Абасов. – Текст : электронный // Гос. доклад о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2008 г. Министерство природных ресурсов и экологии Иркутской области. – Иркутск, 2009. – С. 320–325. – URL : https://vossta.ru/doklad-o-sostoyanii-i-ob-ohrane-okrujayushej-sredi-irkutskoj-o.html (дата обращения: 10.03.2022).Minale, A. S. Water level fluctuations of Lake Tana and its implication on local commu-nities livelihood, northwestern Ethiopia / A. S. Minale // International Journal of River Basin Management. – 2019. – V. 18, № 4. – Р. 503–510.Tokano, T. Modeling of Seasonal Lake Level Fluctuations of Titans Seas / T. Tokano, R. D. Lorenz // Journal of Geophisical Research Planets. – 2019. – V. 124, № 2. – P. 617–635.Monitoring and Assessment of Water Level Fluctuations of the Lake Urmia and Its Environmental Consequences Using Multitemporal Landsat 7. ETM+ Images. / V. Nhu, A. Mohammadi, H. Shahabi, А. Shirzadi, N. Al-Ansari, B. B. Ahmad, W. Chen, M. Khodadadi, M. Ahmadi, K. Khosravi, A. Jaafari, H. Nguyen // International Journal of Environmental Research and Public Health. – 2020. – V. 17, № 12. – URL : https://europepmc.org/article/med/32545634 (data of application: 10.03.2022).Sealevel fluctuations driven by changes in global ocean basin volume following super-continent break-up / N. M. Wright, M. Seton, S. E. Williams, J. M. Whittaker, R. D. Müller // Earth-Science Reviews. – 2020. – V. 208. – Рp. 1–12.Табелинова, А. С. Колебания уровня Каспийского моря: причины, последствия и ме-тоды исследования / А. С. Табелинова. – Текст : непосредственный // Евразийский союз ученых. – 2019. – Т. 4 (61). – С. 34–40.Гаршин, И. К. Циклы древних миграций из Урала в Среднеземноморье по данным археологии, лингвистики, попгенетики и климатологии / И. К. Гаршин. – Текст : электронный. – 2019. – URL : www.garshin.ru/history/archeology/ancent-eurasia/bbc-r1b-match.htm (дата обращения: 10.03.2022).Solanki, N. K. An unusually active Sun during recent decades compared to the previous 1100 years / S. K. Solanki, I. K. Usoskin, B. Kromer, M. Schussler, J. Beer // Nature 2005. – Vol. 431, № 7012. – P. 11084–1087.History of Earth's Climate. – 2020. – URL : https://www.dandebat.dk/eng-klima7.htm/ (data of application: 10.03.2022).Global Temperature Report for 2019. – 2020. – URL : http://berkeleyearth.org/2019-temperatures/ (data of application: 10.03.2022).Fang Zou, F. Mass balance of the Greenland Ice Sheet from GRACE and Surface Mass Balance Modelling / F. Fang Zou, R. Tenzer, Y. S. Fok, E. Janet, J. E. Nichol // Water. – 2020. – V. 12, № 7. – URL : https://www.mdpi.com/2073-4441/12/7/1847 (data of appli-cation: 10.03.2022).Mass balance of the Greenland Ice Sheet from 1992 to 2018 / A. Shepherd, E. Ivins // Nature. – 2020. – V. 579. – P. 233–239.Hanna, E. Greenland surface air temperature changes from 1981 to 2019 and implications for ice‐sheet melt and mass‐balance change / E. Hanna, J. Cappelen, X. Fettweis, S. Mernild, T. L. Ruth, M. K. Mottram, T. J. Ballinger, R. J. Hall // International Journal of Climatology. – 2020. – P. 1–17.Mooney, С. Greenland’s ice losses have septupled and are now in line with its highest sea-level scenario, scientist / C. Mooney // Washington Post. Climate and Environment. – 2019. – URL : https://www.grandforksherald.com/news/science-and-nature/4815905-Greenlands-ice-losses (data of application: 10.03.2022).Lanteigne, M. The changing shape of Arctic security / Lanteigne M. // NATO Review. Arctic News and Analysis. 2019. – URL: https://www.nato.int/docu/review/articles/2019/06/28/the-changing-shape-of-arctic-security/index.html (data of application: 10.03.2022).Mouginot, J. Forty-six years of Greenland Ice Sheet mass balance from 1972 to 2018 / J. Mouginot, E. Rignot, A. A. Bjørk, R. Millan, M. Morlighem, B. Noël, B. Scheuchl, M. Wood // Proc National Academy Sciece USA. – 2019. – V. 116, № 19. – P. 9239–9244.Mielan Solly, M. Greenland Lost 12.5 Billion Tons of Ice in a Single Day / M. Meilan Solly // Forbes. – 2019. – URL : https://www.forbes.com/sites/trevornace/2019/08/06/greenland-lost-125-billion-tons-of-ice-in-one-day-a-grave-reminder-of-our-changing-planet/?sh = 9257a0a39868 (data of ap-plication: 10.03.2022).Colgan, W. Greenland ice sheet mass balance assessed by PROMICE (1995–2015) / W. Colgan, K. D. Mankoff, K. K. Kjeldsen, A. A. Bjørk, J. E. Box, S. B. Simonsen, L. S. Sørensen, S. A. Khan, A. M. Solgaard, R. Forsberg, H. Skourup, L. Stenseng, S. S. Kristensen, S. M. Hvidegaard, M. Citterio, N. Karlsson, X. Fettweis, A. P. Ahlstrøm, S. B. Ander-sen, As D., R. S. Fausto // Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS Bulletin). – 2019. – V. 43. – URL : https://orbit.dtu.dk/en/publications/greenland-ice-sheet-mass-balance-assessed-by-promice-19952015 (data of application: 10.03.2022).Castellazi, P. Glacial Melt and Potential Impacts on Water Resources in the Canadian Rocky / P. Castellazzi, D. Burgess, A. Rivera, J. Huang, L. Longuevergne // Water Resources Research. – 2019. – V. 55, № 12. – P. 10191–10217.Wouters, B. Global Glacier Mass Loss During the GRACE Satellite Mission (2002–2016) / B. Wouters, A. S. Gardner, G. Geir Moholdt // Frontiers in Earth Science. – 2019. – URL : https://doi.org/10.3389/feart.2019.00096 (data of application: 10.03.2022).Khromova, T. Changes in the mountain glaciers of continental Russia during the twentieth to twenty-first centuries / T. Khromova, G. Nosenko, S. Nikitin, A. Muraviev, V. Popova, L. Chernova, V. Kidyaeva // Regional Environmental Change. – 2019. – V. 19. – P. 1229–1247.Martin, B. The impact of climate change on snow cover and Alpine glaciers: consequences on water resources / B. Martin // Water. Streams and rivers. – 2019. – URL : https://www.encyclopedie-environnement.org/en/water/impact-of-climate-change-on-snow-cover-and-alpine-glaciers-consequences-on-water-resources/ (data of application: 10.03.2022).Maurer, J. M. Acceleration of ice loss across the Himalayas over the past 40 years / J. M. Maurer, J. M. Schaefer, S. Rupper, A. Corley // Science Advances. – 2019. – V. 5, № 6. – URL : https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaav7266 (data of application: 10.03.2022).