Исследование согласованности изменений вейвлетных фазовых характеристик гелиокосмических и климатических переменных и изменений составляющих мирового водного баланса. Часть 1
- Авторы: Алексеев В.И.1
-
Учреждения:
- ФГБОУ ВО «Югорский государственный университет»
- Выпуск: Том 18, № 3 (2022)
- Страницы: 121-136
- Раздел: 1.2/1.2.2 Математическое моделирование и информационные технологии (технические науки)
- URL: https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/111785
- DOI: https://doi.org/10.18822/byusu202203121-136
- ID: 111785
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Актуальность исследования обусловлена необходимостью установления истинных причин и закономерностей изменений гидрометрических характеристик мирового водного баланса, определяющие глобальный климат на Земле.
Цель исследования: установление закономерностей и причин изменений переменных мирового водного баланса на Земле: обеспеченности грунтовых и подземных вод, стоков рек на континентах, на суше, составляющих водного баланса Мирового океана в аномалиях, изменений в режиме атмосферы, уровня озер, Каспия, горных ледников, облачностей и других природных сред, заданных в виде временных рядов, обусловленные изменениями гелиокосмических и климатических факторов под влиянием барицентрических движений Солнца, определяющие климат на Земле.
Объекты исследования: временные ряды гелиокосмических и глобальных климатических переменных, гидрометрических 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 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: в циклическом изменении климата на Земле, гидрометрических характеристик мирового водного баланса, природных сред, учаcтвуют две группы переменных: гелиокосмические (барицентрические движения Солнца, солнечная активность, многолетняя солнечная инсоляция, вулканические извержения и парниковые газы, концентрация озона в ионосфере, элементы орбиты Земли, геомагнитное поле, магнитное поле Солнца) и глобальные температурные климатические переменные, обусловленные изменениями гелиокосмических факторов, ведущим из которых является барицентрические движения Солнца. Анализом вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик группы гидрометрических характеристик мирового водного баланса, гелиокосмических и климатических переменных в фазо-частотном и фазо-временном областях установлены зависимости изменений гидрометрических характеристик мирового водного баланса изменениями гелиокосмических и климатических переменных в фазо-частотной и фазо-временной областях. Эти зависимости представлены на двух рисунках со многими графикам и двумя матрицами корреляций. Они характеризуют изменчивость составляющих мирового водного баланса изменениями гелиокосмическиз и климатических переменных в двух областях в наблюдаемом интервале времени и являются отражениями изменений в самоорганизующейся климатической системе. В изменениях фазо-временных характеристик групп факторов наблюдаются решетчатые структуры разно и однонапрвленных изменений переменных, характеризующие цикличность изменений климата на Земле.
Полный текст
Введение
Вода в виде пара, капель жидкой влаги, кристаллов льда находится в земной атмосфере, вода в жидком и твердом состоянии находится на поверхности Земли, в подземных водах в жидком, твердом и химически связанном состоянии в процессе круговорота воды в природе. Воды гидросферы Земли являются основой всех процессов, протекающих на поверхности Земли, в ее недрах, они играют основополагающую роль в геологической истории Земли, в формировании физической и химической среды, климата и погоды, в возникновении жизни на Земле и ее развитии [1, 2]. В этих состояниях количество воды в определенных объемах атмосферы, на поверхности Земли и в ее глубинах залегания циклически изменяются с определенными периодичностями: изменяются уровни морей и океанов, озер [3], стоки рек, водохранилищ [4], площади льдов на поверхности морей и океанов [5]. С изменениями атмосферных и гидросферных процессов на Земле тесно согласованы и возникновение опасных природных явлений и лесных пожаров, наносящие огромные потери [6]. В научной литературе в качестве причин крупных изменений гидросферы указываются тектонические процессы и эволюцию континентов, планетарные трансгрессии и регрессии, человеческая деятельность, связанная с использованием углеродных и водных ресурсов, климатическими изменениями [2]; отсутствуют публикации, связанные с анализом влияния барицентрических движений Солнца на изменчивость гелиокосмических и климатических переменных, составляющих мирового водного баланса, климата на Земле.
Цель исследования – установление закономерностей и причин изменений гидрометрических характеристик мирового водного баланса на Земле: грунтовых и подземных вод, уровня мирового океана и толщины льда, уровня озер, стоков рек, атмосферных процессов, горных ледников, облачностей, как наиболее подвижных составляющих литосферы, природных сред, обусловленные изменениями гелиокосмических и климатических факторов под влиянием барицентрических движений Солнца, определяюшиx климат на Земле.
Результаты и обсуждение
Исходные данные
Решение задачи производится анализом графиков изменений гелиокосмических, климатических переменных и природных сред, публикуемых в научной литературе. В качестве таких переменных использованы графики изменений барицентрического движения Солнца, солнечной активности, многолетней инсоляции Солнца, климатических переменных, балансов водных ресурсов, изменений других природных сред и процессов. Точностные характеристики измеренных переменных определяются характеристиками использованных при этом датчиков [7].
Исследования основаны на использовании вейвлетного фазового метода, изложенного в [8–10], основанного на использовании вейвлетного преобразования [8, 11] c вычислением фазо-частотных и фазо-временных характеристик группы сравниваемых переменных , i = 1,…, n в равных интервалах времени , построением графиков характеристик на двух рисунках и вычислением двух матриц корреляций между характеристиками, анализа результатов.
Формулы вейвлетных преобразований [8, 11]:
вычисление коэффициентов вейвлет-преобразования функции , заданной во временном интервале наблюдения с использованием комплексного вейвлета с параметрами вейвлета: – задаваемый исследователем масштаб вейвлета в виде a=1:k (выбор максимального значения k масштаба вейвлета, определяющего полосы частот сигналов, производится экспериментально с вычислением фазо-частотных характеристик сигналов; зависит от временного интервала наблюдения), временной сдвиг;
– фазо-временная функция (матрица) в Matlab
однозначно вычисляется процедурой ; вновь введенные - фазо-частотная и фазо-временная характеристики исследуемой функции f(t) в текущие моменты времени; и – знаки усреднений в матрице Они однозначно вычисляются программно усреднением матрицы по столбцам (дискретам времени ) и строкам (дискретам масштаба вейвлета ) соответственно с использованием элементарных операций усреднения. фазо-частотная характеристика переменной определяет изменение фазы отклика сигнала при изменении его частоты влияниями множества факторв в исследуемом интервале времени , на графиках которых отображаются особенности (экстремумы) изменений фазы, бифуркации частот, характеризующие особенности, смену направленностей действий фактора (ов). фазо-временная характеристика переменной определяет изменение фазы (направленности изменения) сигнала по времени на действующие факторы; фазовые характеристики сигналов изменяются в интервале . Графики изменений характеристик группы переменных по наблюдениям в равных интервалах времени отражают отличия, особенности, закономерности изменений фазо-частотных характеристик, принадлежность к той или иной группе; и изменений фаз переменных по времени на графиках фазо-временных характеристик на действия факторов среды: гелиокосмических и климатических, – отражают новизну и преимущества метода по сравнению с известными методами [12–14], не позволяющие производить удобное сравнение и анализ переменных. Известные методы анализа данных не позволяют извлечь из исходных сигналов всю полезную составляющую фазо-частотных изменений, обусловленные взаимодействием природных сред с гелиокосмическими и климатическими переменными.
В системе координат масштабы вейвлета – фазы, представленных на графиках, масштабам вейвлета соответствуют частоты сигнала [8]; по этой причине графики на рисунках названы фазо-частотными.
Вейвлетные фазовые характеристики отобранной исследователем группы составляющих водного баланса, природных сред являются откликами, реакциями на воздействия гелиокосмческих и климатических факторов, отбираемых также исследователем, закономерностями, особенностями, отличительными откликами на воздействия. Матрицы корреляций, и графики фазовых характеристик группы исследуемых переменных на двух рисунках отражают основные свойства (относительные изменения фаз по частотам и фаз по времени) отобранной группы переменных к изменениям гелиокосмических и климатических факторов в равных интервалах наблюдений; позволяют разделить изменения переменных на группы по действующим факторам. Матрица фазо-частотных характеристик группы переменных характеризует согласованность изменений фаз составляющих группы по частотам в среднем, матрица фазо-временных характеристик, – согласованность изменений фаз переменных группы по времени с учетом направленностей изменений (фаз) составляющих характеристик; матрицы корреляций характеризуют согласованность изменений графиков фазовых характеристик переменных в наблюдаемых интервалах времени в среднем.
Изменения обеспеченности уровня грунтовых и подземных вод
В исследуемую группу введены подгруппы переменных: гелиокосмические (брицентрические движения Солнца (Baricentr) [15], солнечная активность (Sact) [16], многолетняя инсоляция Солнца (Insol), вулканические извержения (Vulkan), концентрации в атмосфере парниковых газов: метана (, двуокиси углерода оксида азота ( [8, 9]; климатические переменные: солнечная радиация [17] (Srad1), разность радиации (Srad2), приходящей в экваториальную и полярные области Земли (относительно средних для периода 1961-1990 гг), аномалии температуры воздуха над сушей (PTV) [18] и над океаном (TPO) [19], уровень мирового океана (YMO) [20], приземная температура (Temp.prizemn) [21]; .обеспеченности уровня грунтовых вод [4]: на территории бывшего СССР (Grunt1), ЕТС (Grunt2), Казахстана и Средней Азии (Grunt3), США (Grunt4), обобщающей для континентов (Grunt5); уровня подземных вод [4]: обеспеченности (Podzemn1), прирашение его от года к году (Podzemn2), приращения общего объема подземных вод (Podzrm3).
На рисунке 1 приведены графики вейвлетных фазовых характеристик и , где и – знаки вычислений средних, усреднений по параметрам вейвлетного преобразования , – времени наблюдения и масштабу вейвлета a=1:350.
Рисунок 1 – Графики изменений: a) и b) вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, , климатических (Srad1, Srad2, PTV, TPO, YMO, Temp.prizemn) переменных и составляющих водного баланса грунтовых (Grunt1,…,Grunt5) и подземных вод (Podzemn1,…,Podzemn3): c) вейвлетных фазо-временных характеристик грунтовых и подземных вод и усредненной характеристики уровней грунтовых и подземных вод (mean(grunt_podzemn)) в интервале наблюдений 1929,3–1969,6 гг.
Изменения уровней грунтовых и подземных вод описываются в работах [22–24]. На графиках a и b рисунка 1 приведены закономерности изменений фаз сигналов при изменении их частотных составов и фаз переменных по времени в интервале наблюдений 1929,3-1969,6 трех групп переменных: гелиокосмических, климатических, уровней подземных и грунтовых вод на континентах. На графиках наблюдаются отличия и схожести изменений групп переменных в фазо-частотной и фазо-временной областях. Отметим, что близость изменений переменных в фазо-частотной области с высоким коэффициентом корреляции является признаком близости фазо-частотных изменений этих переменных в наблюдаемом интервале времени.
1) На графиках a и b рисунка 1 отображаются закономерности распределений взаимодействих группы переменных в фазо-частотной и фазо-временной областях в наблюдаемом интервале времени.
2) Выявляется, что изменения уровней грунтовых и подземных вод за исключением обеспеченности грунтовых вод Podzemn_1, происходят в противофазе с изменениями гелиокосмических переменных с высокой согласованностью k = 0,73-0,95 в фазо-частотной области и с k=|0,10-0,37| – в фазо-временной области. 3) На изменчивость уровней грунтовых и подземных вод существенны и влияния климатических переменных, в осoбенности PTV, TPO, YMO и приземной температуры c k=|0,49-0,92| в фазо-частотной области, характеризующее близость частотных составов переменных. 4) На изменения уровней грунтовых вод существенны изменения обеспеченности подземных вод с k = – (0,73-0,98) в фазо-частотной области. 5) На изменения гелиокосмических и климатических переменных более чувствительны изменения уровней грунтовых вод и обеспеченность грунтовых вод Podzemn_1 в фазо-чатотной области с k=|0,49-0,96| по сравнению с изменениями приращений подземных вод с k=|0,10-0,61|. 6) Изменения грунтовых вод, значительно, с k = – 0,92 (0,03), изменения подземных вод с k=|0,10-0,96|согласованы с изменениями осадков, испарений и испаряемости на суше в фазо-частотной области; в фазо-временной области эти подгруппы согласованы с k = – 0,11 (0,03) и с k=|0,20-0,72| соответственно. 3) Графики с на рисунке 1 отражают цикличность изменений уровней грунтовых и подземных вод по наблюдениям за переменными в 1929,3-1969,6 годы с периодичностями: 24,2, 12,3 (0,8), 8,3 (1,6), 3,9 (0,6), 1,8 (0,4) лет. Периодичности переменных вычислены с построением изображения вейвлетной фазо-временной функции усредненной переменной mean (Grunt_podzemn); на графиках c рисунка 1 (в скобках указаны стандартные отклонения оценивания среднего), на которых наблюдаются переходы однонаправленных изменений переменных к разнонаправленным, временные интервалы перестроек всей группы переменных в изменении климата.
Изменения стока рек на континентах
В группу исследуемых переменных включены подгруппы: гелиокосмические (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, , климатические (Srad1, Srad2, PTV, YMO, Temp.prizemn), стоки рек на континентах (Енисея (Enisey). Яны (Jana), Лены (Lena), Оби (Oby), Урала (Ural), Меконга (Mekong), Ориноко (Orinoco), Параны (Parana), Сан-Франсиску (S.Frantis)) [4].
На рисунке 2 представлены графики изменений вейвлетных фазо-частотных и фазо-времнных характеристик группы взаимодействующих переменных, вычисленных при масштабах вейвлета a=1:400 по наблюдениям в интервале 1939–1983,6 гг.
Характеристик групп гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, , климатических (Srad1, Srad2, PTV, YMO, Temp.prizemn) переменных и стоков рек на континентах (Енисея (Enisey). Яны (Jana), Лены (Lena), Оби (Oby), Урала (Ural), Меконга (Mekong), Ориноко (Orinoco), Параны (Parana), Сан-Франсиску (S.Frantis)) по наблюдениям в 1939-1983,6 гг; с) вейвлетных фазо-временных характеристик стоков рек и их усредненных изменений mean (Stok_Rek) в интервале наблюдений 1939–1983,6 гг.
В работах [25–28] приводятся характеристики изменчивости речных русел, использований водных ресурсов и проблемах их доступности в мире. На графиках a и b рисунка 2 отражаются высокие согласованности изменений стоков рек на континентах с изменениями гелиокосмических факторов и , – барицентрических движений Солнца и солнечной активности , многолетней инсоляции вулканических извержений Vulkan и парниковых газов ; глобальных климатических переменных: солнечной радиации и , приповерхностной температуры воздуха PTV, уровня мирового океана , приземной глобальной температуры . На графиках a и b рисунка 2 отражаются особенности изменений фаз переменных при изменениях их частотных составов, изменений фаз переменных по времени по наблюдениям за переменными в 1939-1983,6 годы. На графиках четко проявляются распределения изменений переменных на две группы, отличающиеся по спектрам частот. К одной группе относятся изменения солнечной радиации Srad1, Srad2 и изменение приповерхностной температуры воздуха PTV, ко второй группе относятся изменения гелиокосмических переменных уровень мирового океана YMO, приземная температура и стоки рек; спектры частот групп переменных смещены относительно друг от друга. 2) На графиках b фазо-временных характеристиках наблюдается значительная согласованность изменений солнечной радиации Srad1 и приповерхностной температуры воздуха PTV на всем интервале наблюдений с k = 0,94. При этом изменения составляющих второй группы в фазо-частотной области согласованы в среднем с k = 0,74-0,97, в фазо-временной области с k=|0,10-0,88|; изменения составляющих первой группы в фазо-частотной области согласованы с k=|0,10-0,86|, в фазо-временной области согласованы с k=|0,23-0,54|. Изменения стоков рек на континентах согласованы также с изменениями климатической переменной Srad2, – разности солнечной радиации, приходящей в экваториальную и полярные области Земли [17], приповерхностной температуры воздуха PTV, уровня мирового океана УМО и приземной глобальной температуры с k=|0,42-0,98|в фазо-частотной области и с k=|0,34-0,84|в фазо-временной области.
3) На графиках фазовых изменений переменных наблюдается значительная обусловленность изменений стоков крупных рек на континентах изменениями гелиокосмических факторов, изменениями барицентрических движений Солнца с в фазо-частотной области, характеризующие согласованность изиенений частотного состава стоков крупных рек на континентах и барицентрических движений Солнца; 4) Изменения стоков крупных рек, значительно, с k = 0,95 (0,02) в фазо-частотной области и с k = 0,74 (0,23) в фазо-временной области, согласованы с изменениями испарений, испаряемости и осадков на суше по наблюдениям в 1936,5–1975 годы.
На графиках b рисунка 2 наблюдаются структуры разно и однонаправленных изменений фазо-временных характеристик переменных, характеризующие цикличность согласованностей изменений переменных, перестройку в климатических изменениях с изменениями барицентрических движений Солнца; на графиках с рисунка 2 приводятся кривые изменений стоков рек на континентах и их усредненных значений в интервале времени наблюдений 1939–1983,6 годы, на которых наблюдается значительная согласованность изменений стоков рек, расположенных на разных континентах и отличающиеся по фазам, указанных и в [1]; периодичности изменений составляющих усредненной кривой: 30,3, 27,9, 14,1, 8,9 (1,6), 6,6 (1,7), 2,7 (0,7) лет, вычисленные по изображению фазо-временной характеристики усредненной переменной mean(Stok Rek), приведенной на графиках с рисунка 2.
Изменение стока воды на суше
В группу исследуемых переменных включены подгруппы: гелиокосмические (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, , климатические (Srad1, Srad2, PTV, YMO, явление Эль-Ниньо (E/N),Temp.prizemn), стоки вод на суше [4] (поверхностный сток в целом (Stok1), стоки внутренних областей (Stok2), поверхностный и подземный сток континентов (Stok3), сток с островов в океан (Stok4) по наблюдениям в 1900–1974,3 гг.
На рисунке 3 приведены графики изменений вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристики группы переменных, вычисленных при масштабе вейвлета a=1:700 по наблюдениям в интервале 1900–1974,3 гг.
На графиках a и b рисунка 3 приведены вейвлетные фазо-частотные и фазо-временные характеристики группы, состоящей из гелиокосмических факторов, климатических переменных, содержащих составляющие стока рек на суше: поверхностного стока в целом, стоков внутренних областей, поверхностного и подземного стока континентов и стока с островов в океан [1]. Фазо-частотные характеристики каждого из переменных на графике характеризуют частотный состав переменных в наблюдаемом интервале времени и их изменения по фазе в интервале ; такие характеристики группы переменных в одной системе координат: масштабы вейвлета (по абсциссе) и фазы (по ординате) отражают относительные изменения частот сигналов и фаз составляющих группы, их отличительные особенности, закономерности изменений подгрупп на действующие факторы. 1) По графикам a и b изменения переменных удобно разделить на подгруппы; к первой относятся изменения: Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, - гелиокосмические переменные, к второй относятся: Srad1, Srad2, PTV, YMO, E/N, Temp.prizemn, Stok1,…,Stok4 – климатические переменные, обусловленные изменениями переменных первой группы, – гелиокосмических переменных.
Рисунок 3 – Графики изменений вейвлетных: a) и b) фазо-частотных и фазо-временных характеристик группы переменных: f1, f2, Insol, Vulkan, CH4, CO2, N2O, S.rad1, S.rad2, PTV, YMO, El – Nino (E/N), f3; с) фазо-временных характеристик изменений стоков рек на суше: Stok1, Stok2, Stok3, Stok4 и усредненных значений этих переменных mean(stok sushy) в интервале наблюдений 1900–1974,3 гг.
2) Изменения стоков вод на суше в фазо-частотной области согласованы с изменениями гелиокосмических переменных с k = |0,41-0,73|, с изменениями климатических переменных, – с k = |0,10-0,82|; в фазо-временной области изменения стоков вод на суше согласованы с изменениями гелиокосмических переменных с k = |0,10-0,66|, с изменениями климатических переменных с k = |0,10-0,87|. 3) Изменения стоков вод на суше в фазо-частотной области взаимосогласованы с k = |0,66-0,95|, в фазо-временной области, с k = |0,36-0,99|. 4) Установлено, что изменения поверхностного стока вод на суше в целом, поверхностного и подземного стока вод на суше континентов в фазовых областях изменений почти идентичны, графики изменений фазовых характеристик переменных на всем интервале наблюдений почти совпадают, наблюдаемые на графиках a и b рисунка 3 с k = 0,95. Наблюдается, что на изменения стоков вод на суше большее влияние оказывают изменения климатических переменных: изменения приземной глобальной температуры, уровня и энергетических характеристик океана, обусловленные изменениями гелиокосмических переменных, барицентрического движения Солнца. На изменчивость стоков рек на суше существенны влияния испарений, испаряемости и осадков на суше с k = –0,62 (0,07) в фазо-временной области, при этом стоки с островов в океан происходят в фазе с изменениями испарений, испаряемости и осадков на суше; наблюдается разнонаправленная изменчивость стоков рек на суше изменениями облачностей на континентах с k = |0,10-0,73| в фазо-частотной и с k = |0,10-0,45| в фазо-временной областях. 5) На графиках b рисунков 2 и 3 изменений фазо-временных характеристик стоков рек на континентах и стока воды на суше наблюдаются существенные отличия в разбросанности изменений кривых относительно условного среднего, обусловленное с преимущественным влиянием гелиокосмических факторов в изменении стоков рек и преиущественным влиянием климатияесуких факторов в изменении стоков вод на суше.
Установлено, что периодичности изменений стоков воды на суше по наблюдениям за переменными в 1900–1974,3 годы влияниями гелиокосмических и климатических факторов составляют: 35,7, 21,2 (2,3), 11,2 (0,9), 6,0 (1,3), 3,6 (0,9), 1,8 (0,5) лет; в скобках указаны стандартные отклонения оценок средних. Периодичности усредненной переменной mean(Stok sushy), приведенной на графиках с рисунка 3, получены с использованием ее фазо-временного изображения [8].
Изменения составляющих водного баланса Мирового океана в аномалиях
В группе исследованы гелиокосмические, климатические переменные и составляющие водного баланса Мирового океана в аномалиях: испарений (dZ_ocn), осадков (dX_оcn), речного и ледникового стоков (dY_ocn), годового прирашения вод океана (dQ_оcn) [4].
На рисунке 4 приведены изменения вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик группы переменных по наблюдениям в 1881,1-1975 гг.
Рисунок 4 – Графики изменений вейвлетных: a) и b) фазо-частотных и фазо-временных характеристик гелиокосмических (Baricentr, Sact, Vulkan, CH4, CO2, N2O), климатических (Srad1, Srad2, PTV, TPO, YMO, Temp.prizemn), составляющих Мирового водного баланса океана в аномалиях (dQ_ocn, dX_ocn, dY_ocn, dZ_ocn); c) вейвлетных фазо-временных характеристик составляющих водного баланса Мирового океана в аномалиях dQ, dX, dY, dZ и их усредненной кривой mean(d.okean) в интервале наблюдений 1881,1–1975 годы
В работе [28] дается описание проблемы загрязнения Мирового океана. Отклики составляющих водного баланса Мирового океана на изменения гелиокосмических и климатических переменных в интервале времени 1881,1–1975 гг. в виде графиков фазо-частотных и фазо-временных характеристик, представлены на рисунках a и b и таблицами корреляций вейвлетных фазовых характеристик переменных. Из них следуют такие особенности и закономерности: 1) в фазо-частотной области изменения составляющих водного баланса Мирового океана с широкой полосой частот в области верхних частот смещены относительно компактно изменяющихся составляющих гелиокосмических переменных в меньшую сторону в противофазе; изменения этих переменных согласованы в среднем с k = 0,41; 2) в фазо-временной области, на графике b, изменения этих групп переменных происходят в среднем в противофазах и согласованы с k = -0,36; характерно то, при изменении двух групп переменных, гелиокосмических переменных и составляющих водного баланса Мирового океана, наблюдаются циклические структуры ромбовидной формы, уменьшающиеся по площади, характеризующие закономерность изменения климата; 3) в фазовых областях группы климатических переменных Srar1, Srad2,TPV,TPO,YMO, и составляющих водного баланса Мирового океана представленных на графиках, изменяются в среднем в противофазах с согласованностью k = 0,02 в фазо-частотной области и с k = 0,12 в фазо-временной области; в изменениях этих групп переменных в фазо-временной области в наблюдаемом интервале времени также наблюдаются ромбовидные структуры; 4) изменения составляющих водного баланса Мирового океана в фазо-частотной области взаимосогласованы с k= |0,66-0,95|, в фазо-временной области с k = |0,36-0,99|, т.е. составляющие группы в некоторых интервалах времени изменяются в противофазах; в этой группе изменения составляющих dX и dZ (осадков и испарений) в фазовых областях согласованы с k = 0,94-0,95; 5) в изменениях составляющих водного баланса Мирового океана наблюдается преимущественная направленность влияния гелиокосмических переменных с k= 0,41в фазо-частотной области и с k = -0,36 в фазо-временной области по сравнению с влиянием климатических переменных с k = 0,02 в фазо-частотной области и с k = 0,12 в фазо-временной области. 6) цикличнчность изменений водного баланса Мирового океана в среднем происходит с периодичностями: 41,4, 26,7 (2,3), 15,3 (1,9), 12,0 (2,6), 7,0 (1,8), 1,7 (0,4) лет, вычисленные на фазо-временном изображении усредненной переменной mean, приведенной на графике с рисунка 4; 7) на гафиках b рисунка 4 изменений фазо-временных характеристик группы переменных наблюдаются временные интервалы перестроек изменений климата на Земле.
Изменения в режиме атмосферы
В группе взаимодействующих переменных использованы гелиокосмические, климатические факторы и составляющие водного баланса в режиме атмосферы: колебания площади Алеутской депрессии (Atm1), возникновение тропических штормов в Северной Атлантике (Atm2), развитие глубоких циклонов в Европе (Atm3), увеличение тропических штормов на севере Тихого океана (Atm4) [29–31].
На рисунке 5 приведены графики откликов составляющих режима атмосферы в виде изменений фазо-частотных и фазо-временных характеристик на воздействия гелиокосмических и климатических переменных в наблюдаемых интервалах времени 1908,5–1988,5 и 1963,3–1988,5 годы.
Рисунок 5 – Графики изменений в режиме атмосферы: а) и b) вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик гелиокосмических, климатических переменных и составля-ющих режимов атмосферных процессов (Atm1,…,Atm4) в интервале времени 1908,5–1988,5 годы; c) и d) фазо-временные характеристики изменений режимов атмосферных процессов и их усредненные кривые в интервалах времени 1908,5–1988,5 и 1963,3–1988,5 годы
Примечание: приведенные в работе коэффициенты корреляции r>|0,10| значимы по критерию Стьюдента [13] с уровнем доверия при объеме выборки n>400, при n>200значимы r>|0,15|.
Режимы изменений динамики атмосферы сопровождаются циклонами, штормами, ураганами в разных частях земного шара, рост числа этих явлений указаны в работах. Графики a и b вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик действующих факторов, гелиокосмических и климатических переменных и откликов атмосферных процессов на эти воздействия, характеризуют относительные изменения, смещенности переменных в частотной и временной областях в наблюдаемом интервале времени. При этом проявляются следующие закономерности: 1) в фазо-частотной области составляющие атмосферных процессов откликаются на согласованные изменения гелиокосмических переменных с вероятностью , в фазо-временной области с k = 0,43; 2) эти же атмосферные процессы согласованы с изменениями климатических переменных Srad1, , . с k = 0,10 в фазо-частотной области и с k = 0,21в фазо-временной области; 3) изменения атмосферных процессов взаимосогласованы с вероятностью с k = 0,65-0,82 в фазо-частотной области и с k = 0,54-0,70 в фазо-временной области; 4) наблюдается управление изменениями атмосферных процессов гелиокосмическими переменными , , , в наблюдаемом интервале времени 1908,7–1988,5 гг; 5) установлена значительная однонаправленная изменчивость атмосферных процессов на континентах с изменениями испарений, испаряемости и осадков на суше с k = 0,83 (0,10) в фазо-частотной области и с k = 0,39 (0,23) в фазо-временной области; атмосферные процессы разнонаправленно изменяются с изменениями облачностей с k = |0,16–0,53| в фазо-частотной области и с k = |0,01-0,65| в фазо-частотной области; 5) циклические изменения атмосферных процессов, представленные на графиках с рисунка 5 происходят в среднем с периодичностями: 66,9, 53,3, 48,8, 45, 17,0 (0,8), 11,8 (3,2), 8,8 (1,2), 4,1 (1,0), 2,3 (0,6) лет.
Заключение и выводы
В изменении климата на Земле, составляющих мирового водного баланса, участвуют две группы факторов: гелиокосмические и климатические. В работе в составе гелиокосмических факторов использованы изменения: барицентрических движения Солнца солнечной активности , многолетней солнечной инсоляции вулканических извержений Vulkan, парниковых газов изменения магнитных полей Солнца и Земли, в составе климатических переменных использованы изменения переменных: солнечной радиации приповерхностной температуры воздуха температуры на поверхности океана TPO, уровня Мирового океана YMO, глобальной температуры зависящие от изменений гелиокосмических факторов.
Вейвлетные фазо-частотные и фазо-временные характеристики составляющих Мирового водного баланса, как отклики на воздействия гелиокосмических и глобальных климатических переменных, представленные на графиках рисунков c их отличительными признаками, характеризуются следующими закономерностями изменений в наблюдаемых интервалах времени:
1) В изменении грунтовых и подземных вод в 1929,3–1969,5 гг. наблюдается преимущественное влияние гелиокосмических переменных с k=|0,73-0,96| в фазо-частотной области по сравнению с влиянием климатических факторов с k=|0,10-0,92|; при этом в фазовых областях изменений переменных изменения грунтовых вод и составляющая обеспеченности подземных вод происходят в противофазе с изменениями гелиокосмических переменных за исключением интервала времени 1943,8–1954,2 гг., в которой переменные изменяются преимущественно однонаправлено; значительны взаимные корреляции изменений грунтовых вод и обеспеченность подземных вод с k=|0,91-0,99| в фазо-частотной области и с k=|0,12-0,97| в фазо-временной.
2) По наблюдениям за переменными в 1900–1974,3 гг. на изменения стоков рек на континентах преимущественное влияние оказывают изменения гелиокосмических факторов с в фазо-частотной области и с k=|0,15-0,93| в фазо-временной; влияния глобальных климатических переменных, соответственно, имеют коэффициенты согласий k=|0,10-0,87| и k=|0,10-0,78| в фазовых областях. В фазовых областях взаимные корреляции стоков рек на континентах влиянием общих факторов составляют: k = 0,84-0,98 и k = 0,61-0,94.
3) В изменении стоков рек на суше наблюдается преимущественное влияние изменений климатических переменных с k=|0,10-0,82| в фазо-частотной области и с k=|0,10-0,87| в фазо-временной области по сравнению с влиянием гелиокосмических факторов с k=|0,41-0,73| в фазо-частотной области и с k=|0,10-0,66|в фазо-временной; значительны взаимосогласованности изменений стоков рек на суше влиянием общих факторов с k=|0,66-0,95| в фазо-частотной области и с k=|0,36-0,99| в фазо-временной; фазы изменений поверхностного и подземного стока противоположны фазам изменений других составляющих стока воды на суше, обусловленные сложной природой взаимодействий этих процессов.
4) В изменении составляющих водного баланса Мирового океана по наблюдениям в 1881,1–1975 гг. более интенсивны влияния гелиокосмических факторов с k=0,41 в фазо-частотной области и с k=-0,36 в фазо-временной области по сравнению с влиянием климатических переменных с k=0,02 в фазо-частотной области и с k=0,12 в фазо-временной области; изменения составляющих водного баланса Мирового океана в фазо-частотной области взаимосогласованы с , в фазо-временной области, с , т.е. составляющие группы в некоторых интервалах времени изменяются в противофазах; в этой группе изменения составляющих dX и dZ (осадков и испарений) в фазовых областях согласованы с
5) В фазо-частотной области составляющие атмосферных процессов откликаются на согласованные изменения гелиокосмических переменных с вероятностью , в фазо-временной области, – с k = 0,43; эти же атмосферные процессы согласованы с изменениями климатических переменных с k = 0,10 в фазо-частотной области и с k = 0,21в фазо-временной области; изменения атмосферных процессов взаимосогласованы с вероятностью с k = 0,65-0,82 в фазо-частотной области и с k = 0,54-0,70 в фазо-временной области.
6) Наблюдаются разнонаправленные изменения фазовых характеристик гелиокосмических и климатических переменных с образованием циклически изменяющихся ромбовидных структур на графиках фазо-временных характеристик переменных, определяющие циклическую изменчивость составлябщих мирового водного баланса и перестройку климатических изменений на Земле.
7) На графиках фазо-частотных характеристик групп переменных наблюдается значительная согласованность изменений гелиокосмических факторов с изменениями барицентрических движений Солнца с k = 0,61-0,97 и составляющих мирового водного баланса с барицентрическими движениями Солнца с k=|0,47-0,93| в наблюдаемых интервалах времени, характеризующие близость частотных составов переменных и их изменчивость по фазе.
8) Показано, что используемый вейвлетный фазовый метод с вычислением фазо-частотных и фазо-временных характеристик исследованных групп переменных позволяет утверждать, что основной движущей силой изменений составляющих гидрометрических характеристик мирового водного баланса являются изменения гелиокосмических и климатических переменных, лучистая энергия Солнца и гравитационные силы, обусловленные изменениями барицентрических движений Солнца.
Об авторах
Валерий Иванович Алексеев
ФГБОУ ВО «Югорский государственный университет»
Автор, ответственный за переписку.
Email: v_alekseev@ugrasu.ru
доктор технических наук, профессор кафедры цифровых технологий Института цифровой экономики
Россия, Ханты-МансийскСписок литературы
- Современные глобальные изменения природной среды : в 2 томах / под редакцией Н. С. Касимова, Р. К. Клиге. – Москва : Научный мир, 2006. – Т. 1. – 696 с. – Текст : непосредственный.
- Клиге, Р. К. Особенности формирования вод Земли / Р. К. Клиге. – Текст : непосредственный // Современные глобальные изменения природной среды : в 2 томах. – Москва : Научный мир, 2006. – Т. 1. – С. 210–222.
- Клиге, Р. К. Уровень океана в геологическом прошлом / Р. К. Клиге. – Москва : Наука, 1980. – 110 с. – Текст : непосредственный.
- Клиге, Р. К. Аномалия режима вод на суше / В. К. Клиге, Л. С. Евсеева. – Текст : непосредственный // Современные глобальные изменения природной среды : в 2 томах. – Москва : Научный мир, 2006. Т. 1. – С. 246–269.
- Lindsey, R. Climate Change: Global Sea / R. Lindsey // NOAA Climate.gov. – 2021. – URL: https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-global-sea-level (data of application: 10.03.2022).
- Pippa, S. Climate change is fueling wildfires in the West, ravaging local economies / S. Pippa // СNBC. – 2020. – URL: https://www.cnbc.com/2020/09/17/climate-change-fuels-wildfires-in-the-west-ravaging-local-economies.html (data of application: 10.03.2022).
- Фрейдин, Я. Современные датчики : справочник / Я. Фрейдин. – Москва : ТЕХНОСФЕ-РА, 2021. – 800 с. – Текст : непосредственный.
- 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 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.
- Алексеев, В. И. Применение вейвлетного фазового метода исследований сигналов к анализу асимметричных барицентрических движений Солнца и изменений процессов, про-исходящих на Солнце, околоземном пространстве и в недрах Земли / В. И. Алексеев. – Текст : непосредственный // Вестник Югорского университета. – 2020. – № 3 (58). – С. 7–35.
- Дьяконов, В. П. Вейвлеты. От теории к практике / В. П. Дьяконов. – Москва : Солон-Пресс. 2010. – 400 с. – Текст : непосредственный.
- Кремер, Н. Ш. Теория вероятностей и математическая статистика / Н. Ш. Кремер. – Москва : Юрайт, 2018. – 259 с. – Текст : непосредственный.
- Luman, R. An Introduction to Statistical Methods & Data Analisis / R. Luman, M. Longneck-er. – 7th Edition. – Amazon book clubs, 2021. – 1157 p.
- Meyer, M. C. Probability and Mathematical Statistics: Theory, Applications, and Practice in R / R. Luman. – SIAM (Society for Industrial and Applied Mathematics), 2019. – 719 p.
- Охлопков, В. П. Основные периодичности движения Солнца относительно центра масс Солнечной системы и солнечная активность / В. П. Охлопков. – Текст : непосредственный // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. – 2011. – № 6. – С. 138–142.
- Hady A. A. Solar Magnetic Cycles 1700-2024 // ResearchGate. – 2020. – URL: https://www.researchGate.net/figure/Time-series-of-the-sunspot-nmber-illustrating-the-weak-solar-cycles-series (data of application: 10.03.2022).
- ]17. Fedorov, V. M. Trends of the changes in sea ice extent in the northem hemisphere and their causes / V. M. Fedorov // Kriosphera Zemli. – 2015. – Vol. XIX, № 3. – P. 46–57.
- Федоров, В. М. Анализ пространственных откликов приповерхностной температуры воздуха на многолетнюю изменчивость инсоляции Земли / В. М. Федоров. – Текст : непосредственный // Жизнь Земли. – 2017. – № 39 (3). – С. 245–262.
- Федоров, В. М. Тенденции изменения температуры поверхности мирового океана и их причины / В. М, Федоров. – Текст : непосредственный // Сложные системы. – 2015. – № 2 (15). – С. 45–56.
- Sea Level // Global climate change. – 2020. – URL: https://climate.nasa.gov/vital-signs/sea-level/ (data of application: 10.03.2022).
- Rohde, R. Global Temperature Report for 2018 / R. Rohde // Berkeley Earth. – 2019. – URL: https://berkeleyearth.org/2018-temperatures-new (data of application: 10.03.2022).
- Coseismic changes in groundwater level during the 2018. Hokkaido Eastern Iburi earthquake Earth / T. Shibata, R. Takahashi, H. Takahashi, T. Kagoshima [et al.]. – doi: 10.1186/s40623-020-01152-y // Planets and Space. – 2020. – Vol. 72, № 23. – URL: https://earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/s40623-020-01152-y (data of application: 10.03.2022).
- Characterizing groundwater/surface-water interaction using hydrograph-separation techniques and groundwater-level data throughout the Mississippi Delta, USA / C. D. Killian, W. H. As-quith, J. R. Barlow [et al.] // Hydrogeology Journal. – 2019. – Vol. 27, № 6. – P. 2167–2179.
- Multi-model approach to quantify groundwater-level prediction uncertainty using an ensem-ble of global climate models and multiple abstraction scenarios / S. M. Mustafa, M. M. Ha-san, A. K. Saha [et al.] // Hydrology And Earth System Sciences. – 2019. – Vol. 23, № 5. – P. 2279–2303.
- Lessons learnt from checking the quality of openly accessible river flow data worldwide / L. Crochemore, K. Isberg, R. I. Pimentel [et al.] // Journal des Sciences Hydrologiques. – 2019. – Vol. 65, № 5. – URL: https://www.tandfonline.com/doi/full/1080/02626667.2019.1659509 (data of application: 10.03.2022).
- Slater, L. J. River channel conveyance capacity adjusts to modes of climate variability / L. J. Slater, A. Khouakhi, R. L.Wilby // Scientific Reports. – 2019. – Vol. 9, № 12619. – URL: https://www.nature.com/articles/s41598-019-48782-1 (data of application: 10.03.2022).
- Msofe, K. Land Use Change Trends and Their Driving Forces in the Kilombero Valley Flood-plain, Southeastern Tanzania / K. Msofe, L. Sheng, J. Lyimo // Open Access Journal. – 2019. – Vol. 11, № 2. – P. 1–25.
- The United Nations world water development report 2018: nature-based solutions for water / Word Water Assessment Programme (UNESCO WWAP). – 2018. – 139 p.
- Breitburg, D. The Ocean is losing its breath: declining oxygen in the world’s ocean and coastal waters-summary for policy makers / D. Breitburg, M. Gregore, K. Isensee // UNESCO intergovernmental Oceanographic Comission. – 2018. – № 137. – URL: https://www.oceanactionhub.org/ocean-losing-its-breath-declining-oxigen-world’s-ocean-and-coastal-waters--summaru-policy-makes (data of application: 10.03.2022).
- Halpert, M. S. Climate Assessment for 1996 / M. S. Halpert, G. D. Bell // Bulletin American Meteorological Society. – 1997. – Vol. 78, № 5. – P. 1–50.
- Whitney, L. D. The Relationship Between Sea Surface Tmperatures and Maximum Intensities of Tropical Cyclones in the Eastern North Pacific Ocean / L. D. Whitney, J. S. Hobgood // Journal Climate. – 1997. – Vol. 10. – P. 2921–2930.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)