Исследование согласованности изменений вейвлетных фазовых характеристик гелиокосмических и климатических переменных и изменений составляющих мирового водного баланса. Часть 2

Полный текст

Введение

Статья является продолжением исследований автора по изучению изменчивости мирового водного баланса влияниями гелиокосмических и климатических факторов с использованием вейвлетного фазового анализа. Исследуются динамики тепловых и водных ресурсов на территории суши, изменения уровня озер в частях света, уровня Каспийского моря в разных временных интервалах, изменения гидрологических составляющих водного баланса арктических островов, составляющих водного баланса Гренландии и горных ледников на полушариях.

Результаты и обсуждение

1. Изменения облачности в частях Земного шара и расчетных изменений динамики тепловых и водных ресурсов на территории суши по наблюдениям в 1901–1970,5 гг.

В исследованиях в составе гелиокосмических переменных использованы: Baricentr, Sact, Insol, Naklon,Vulkan, Ozon; расчетные изменения тепловых и водных ресурсов: испаряемость, испарения и осадки; изменения облачностей: района Европы, Северной Америки и Австралии; климатических: TPO, TPV, YMO и приземной температуры

На рисунке 1 приведены графики изменений вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик облачностей в некоторых частях земного шара, группы взаимодействующих переменных.

Рисунок 1 – Графики изменений: a) и b) вейвлетных фазо-частотных $a1={\varphi }_f(a,\overline{b})$ и фазо-временных $a2={\varphi }_f(\overline{a},b)$ характеристик гелиокосмических переменных (Baricentr, Sact, Insol, Naklon,Vulkan, CO₂ [1, 2], магнитного роля Земли (MPZemly)); расчетных изменений динамики тепловых и водных ресурсов на территории суши [3]: испарений (Isparenie), испаряемости (Isparjaemost), осадков (Osadky); облачностей на континентах: Австралии (Obl. Avstraly), Европы (Obl. Evropy), Северной Америки (Sev. Americy) [3–8]; климатических переменных: TPV, TPV, YMO, приземной температуры (Temp.prizemn)[1]; с) и d) фазоых харатеристик: Baricentr, MPZemly, Isparenie. Isparjaemost, Osadky, Obl. Avstraly, Евроры Obl. Evropy, Sev. Americy Temp.prizemn по наблюдениям интервале времени 1900,3–1970,5 гг.

На графиках изменений переменных и в матрицах корреляций фазовых характеристик обнаруживаются: 1) испаряемости, испарения и осадки на суше однонаправленно и значительно согласованы с изменениями гелиокосмических факторов с k = 0,89-0,97 в фазо-частотной области и с k = 0,56-0,97 – в фазо-временной области без учета влияния магнитного поля Земли; 2) на изменчивость испаряемости, испарения и осадков на суще значительно влияние изменений магнитного поля Земли с k = 0,62-0,64 в частотной области и с k = -(0,13-0,15) во временной области; 3) изменения облачностей на континентах обусловлены изменениями гелиокосмических переменных с k = |0,04-0,47| в частотной области и с k = |0,01-0,62| во временной области; влияние изменений магнитного поля Земли обуславливают изменение облачности с k = -(0,02-0,60) в частотной области, с наибольшим изменений в Австралии, с наименьшим в Северной Америке, и с k = |0,02-0,42| во временной области с наибольшими изменениями в Северной Америке и наименьшим в Австралии; 4) на изменчивость испаряемости, испарения и осадков на суще с k = |0,04-0,57|, облачности с k = |0,37-0,68| значительны изменчивости климатических переменных в частотной области и с k = |0,37-0,68|, k = |0,04-0,88|, во временной области; 5) изменчивости этих же переменных обусловлены и изменениями магнитного поля Земли с k = |0,04-0,27| в частотной области и с k = |0,35-0,61| во временной области.

Коэффициенты корреляций между переменными значимы на уровне $\alpha =\mathrm{0,08}$ с вероятностью p = 0,95 по критерию Стьюдента.

Графики изменений фазо-временных усредненных характеристик облачностей на континентах, тепловых и водных ресурсов на суше содержат в своих составах составляющие, изменяющиеся с периодичностями: 27,7, 22,9, 15,6 (5,3), 7,9 (1,1), 5,7 (1,0), 2,9 (0,7) и 23,5, 14,6 (2,8), 9,4 (2,0), 5,6 (0,8), 1,8 (0,4) лет соответственно; в скобках указаны стандартные отклонения средних.

2. Изменения уровня озер в частях света

В исследованиях в составе гелиокосмических переменных использованы: Baricentr, Sact, Insol, Naklon,Vulkan; уровней озер: Рудольф, Большое Соленое, Балхаш, Чад, Чаны, Мертвое, Каспий [3], Байкал [9, 10]; расчетные изменения тепловых и водных ресурсов: испаряемость, испарения и осадки; климатические: TPO,YMO, $f_3$. На графиках рисунка 2 приведены изменения вейвлетных фазо-частотных и фазо-временные характеристики гелиокосмических и климатичесих переменных, изменений уровней озер в частях света: Рудольф (Rudolf), Большое Соленое (B. Solenoe), Балхаш (Balhash), Чад (Chad), Чаны (Chany), Мертвое (Mertvoe), Каспий (Kaspy), Байкал (Baykal)

Рисунок 2 – Графики изменений: a) и b) вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик гелиокосмических переменных (Baricentr, Sact, Insol, Naklon,Vulkan); с) усредненных фазо-временных характеристик коэффициентов корреляций k согласованных изменений фазо-временных характеристик переменных, приведенных на графиках b и испарений, испаряемости, осадков, TPV, YMO, индекса ТДО, T.global; графики получены усреднением текущих корреляций между переменными в интервалах времени 2 и 3 года (по 10 отсчетов между годами) в скользящем режиме

В работах [11–14] обсуждаются особенности колебаний озер и морей на разных континентах.

В откликах вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик озер: Рудольф, Большое Соленое, Балхаш, Чад, Чаны, Мертвое, Каспии и Байкала, расположенных на разных континентах, на действия гелиокосмических и климатических переменных: Baricentr, Sact, Insol, Naklon, Vulkan, климатических переменных: YMO, TPV, глобальной приземной температуры $f_3$; расчетных изменений тепловых и водных ресурсов: испаряемости, испарений и осадков на суше osadky в интервале наблюдений 1900–1974 годы, приведенных на графиках a и b рисунка 2 проявляются следующие закономерности:

• наблюдаются существенные отличия изменений фаз переменных в заданной спектральной области (масштаба вейвлета), характеризующие различия в условиях изменений уровней озер на разных континентах, в том числе и влиянием антропогенного фактора;
• наблюдается изменчивость уровней озер преимущественным влиянием гелиокосмических факторов с k = 0,50 (0,43) в фазо-частотной области и с k = 0,50 (0,28) в фазо-временной области по сравнению с влиянием климатических факторов с k = 0,06 (0,27) в фазо-частотной области и с k = -0,46 (0,23) в фазо-временной области; изменения уровней озер взаимосогласованы с k = 0,40 (0,54) в фазо-частотной области и с k = 0,65 (0,22) в фазо-временной области, характеризующие разные уровни согласованностей изменений переменных в частотной и временных областях на действия факторов; в скобках указаны значения стандартных отклонений коэффициентов корреляций от средних.
• Наблюдается значительное согласованное изменение гелиокосмических переменных с изменениями расчетных тепловых и водных ресурсов: испаряемости, испарений и осадков с k = 0,94 (0,03) в фазо-частотной области и с k = 0,71 (0,24) в фазо-временной области; изменения этих переменных в фазовых областях взаимосогласованны с k = 0,97 (0,03).
• В изменении фазо-временных характеристик уровней озер, геокосмических переменных, приведенных на графиках b рисунка, в 1913–1947 годы проявляется согласованное однонаправленное снижение по фазе групп переменных в колебательных режимах с последующим переходом на рост по фазе с разной интенсивностью (проявляется и в изменении графиков с на рисунке 2).
• В наблюдаемом интервале времени проявляется аномальное изменение уровня озера Рудольф (пустынное озеро в Кении) в фазо-частотной области с k = – 0,53 (0,09) на действия гелиокомических факторов, по сравнению с изменениями уровней других озер в группе с k = 0,50 (0,43), обусловленное, скорее всего, его географическим расположением, геомагнитными особенностями, на которой переменные (испаряемость, испарение и осадки) изменяются в отрицательном направлении (проявление снижения уровня озера c сильной испаряемостью, испарением озера и снижением осадков в регионе).
• На графиках c рисунка 2 отображается цикличность согласованности изменений уровней озер на континентах на воздействия факторов с периодичностями: 18,9, 9,6 (1,7), 6,9 (0,9), 3,6 (0,7), 2,2 (0,3) лет. Графики получены как коэффициенты корреляций фазо-временных характеристик переменных, приведенных на графиках b рисунка 2, в текущих 2 и 3 – годичных интервалах усреднения в скользящем режиме.
• Наблюдается сильная вариация изменений уровней озер к изменениям магнитного поля Земли в частотной области с k = |0,01-0,79|; наиболее чувствительны к изменениям уровни озер: Чаны, Иссык-Куль, Нейваша, Большое Соленое с k = |0,41-0,79|, характеризующее аномальность поля на поверхности Земного шара.

В изменении уровня Каспия обнаружены периодичности в годах: 70,4, 34,7 (3,3), 17,1 (3,2), 10,3 (1,2), 5,4 (1,4), 2.5 (0,9); они вычисляются построением изображения ее фазо-частотной функции ${\varphi }_f(a,b)$ по наблюдениям в 1839–1998,6 годы.

В изменении уровня озера Байкал обнаружены периодичности в годах: 83,8, 41,5, 13,6 (1,6), 11,0 (2,6), 6,3 (1,3), 3,1 (0,7) по наблюдениям в 1890–2016,1 годы.

В изменении уровня озера Арала обнаружены периодичности в годах: 23,7, 20,6, 11,5 (1,0), 8,0 (2,1), 4,8 (1,0), 1,7 (0,5) по наблюдениям в 1913,5–1991,7 годы.

3. Изменения уровня Каспийского моря по наблюдениям гелиокосмических и климатических переменных в разных временных интервалах

А. Изменения уровня мирового океана, толщины льда, парниковых газов, пыли в атмосфере по данным глубокого бурения ледниковых скважин в Антарктиде, реконструкции колебания озера Каспия, гелиокосмических и климатических переменных в 379,3–1,1 тыс. лет в прошлом

На рисунке 3 приведены графики изменений вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик переменных по данным 379,3–1,1 тыс. лет в прошлом; графики представлены 1893 отсчетами с дискретностью по ~200 лет. гелиокосмических, глобальных климатических переменных по данным бурений ледниковых скважин в Антарктиде, реконструкци колебаний озера Каспии [7], точности реконструкций которых составляют ~1 тыс. лет.

Рисунок 3 – Графики изменений вейвлтных фазо-частотных и фазо-временных характеристик a) и b) Insol, Naklon, CO₂, CH₄, Pyl, Kaspy; c) и d) Kaspy, Led, More, T.prizemn по наблюдениям 379,3–1,1 тыс. лет в прошлом

В работах [15, 16] проводится анализ причин изменений уровня Каспийского моря.

В откликах вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик группы переменных по длительным 379,3–1,1 тысячелетним в прошлом реконструированным наблюдениям, представленных графиками a, b, c, d рисунка 3 и вычисленных таблиц корреляций фазовых характеристик обнаруживаются следующие закономерности: 1) совокупность характеристик в фазовых областях разделяется на два класса; к первому относятся изменения: многолетней солнечной инсоляции Insol, элементов орбиты Земли Naklon, эксцентриситета Ekc, и прецессии Prec, парниковых газов: $C{O}_2,$ $C{H}_4$ (на графиках b рисунка 3 фазовых характеристик переменных $C{O}_2$ и $C{H}_4$ наблюдается почти полное совпадение кривых) и атмосферной пыли Pyl; ко второй группе относятся изменения толщины льда моря Led, уровня моря More, глобальной приземной температуры $f_3$ и изменения уровня Каспия Kaspy; 2) в фазо-частотной области изменчивости климатических переменных согласованы с изменениями гелиокосмических переменных согласованы с k = -0,25 (0,34), в фазо-временной области подгруппы переменных согласованы с k = 0,01 (0,40); при этом изменчивость уровня Каспия согласована с изменениями гелиокосмических факторов в фазо-частотной области с k = |0,04-0,44|, с наибольшим влиянием на изменчивость уровня Каспия эксцентриситета Земли с обратным знаком, в фазо-временной области с k = |0,12-0,64|; 3) изменчивости климатических переменных взаимосогласованы с k = 0,40 (0,41) в фазо-частотной области и с k = 0,31 (0,47) в фазо-временной области; 3) на графиках фазо-временных характеристик переменных наблюдается решетчатая структура изменений переменных, характерное в изменении климата на Земле.

Следует заметить, что изменчивости переменных в фазо-временной области являются лишь проявлением изменчивостей переменных в фазо-частотной области. Изменчивости переменных в фазо-частотной области отражают частотные составы переменных и их изменчивость в интервале времени наблюдения.

В исследуемом интервале времени наблюдаются периоды колебаний Каспия в интервале тыс. лет: 159,9–129,7, 63,1 (11,5), 42,3 (6,2), 20 (5,6), 12,3 (3,7), 88 (1,9), 3,9 (1,5), согласованные с периодами колебаний гелиокосмических переменных (Insol, Naklon) c k = – (0,11, 0,14); с скобках указаны стандартные отклонения периодов колебаний Каспия.

Б. Изменения реконструкции колебания Каспия в голоцене, от 2000 г. в настоящем до 9835 г. в прошлом

В исследованиях использованы реконструкции колебаний Каспии [15], солнечной активности [17] и приземной температуры [18] в интервале времени от 2000 тыс. лет в настоящем до 9835 лет в прошлом. Исследования проведены с числовыми данными с дискретами по времени в 5 лет.

На графиках наблюдаются значительные согласованности изменений уровня Каспия с изменениями солнечной активности и приземной температуры в фазовых областях; наблюдаются характерные однонаправленности изменений кривых на графиках b рисунка 4 в окрестностях -10000, -6000 и ± 2000 тысяч лет. Численные значения согласованных изменений кривых в среднем в наблюдаемом интервале времени приведены в таблице.

Рисунок 4 – Графики изменений: a) и b) вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик: солнечной активности (Sact), уровня Каспийского моря (Kaspy), приземной температуры в голоцене (T. Golocen) (в нтервале времени от 2000 тыс. лет в настоящем до 9835 лет в прошлом)

Таблица 1

Корреляции фазо-частотных и фазо-временных характеристик солнечной активности, изменений уровня Каспия и приземной температуры в голоцене

В таблице знаками коэффициентов отражаются направленности относительных изменений графиков. На графиках a фазо-частотных характеристик трех разных переменных рисунка отражаются изменчивости графиков по фазе при действии на соответствующие процессы факторов с разными частотами в одни и те же моменты времени; наблюдаются согласованности откликов переменных на действия одних и тех же факторов в одно и тоже время, но с разными интенсивностями.

В исследованиях по наблюдениям в голоцене обнаруживается изменчивость уровня Каспия преимущественным влиянием гелиокосмического фактора, – солнечной активности, отражаемые на графиках и в таблице корреляций.

В изменении уровня Каспийского моря в голоцене при действии действующих факторов обнаруживаются периодичности: 6205, 4500, 2323, 1732 (235), 466 (101) в годах.

В. Колебания уровня Каспия изменениями гелиокосмических и климатических переменных, параметров движения Земли по наблюдениям в 1901,1–1998,6 годы

В составе гелиокосмических переменных использованы: Baricentr, Sact, Naklon, Vulkan; в составе параметров движения Земли: землетрясения (Zeml-e), ход среднегодовых относительных отклонений угловой скорости вращения Земли от эталонной (dP_deny), ход изменения скорости вращения Земли (Vel_Zemly), скорость изменения длительности земных суток (Ind_LOD); в составе климатических переменных: уровень мирового океана YMO, El-Nino, глобальная приземная температура [19].

На графиках а рисунка 5 отражены особенности откликов группы переменных на воздействия гелиокосмических и климатических факторов: крупных планет солнечной системы, солнечной активности, процессов, происходящих в атмосфере Земли влиянием мирового океана, геомагнитного поля. Как видно из графиков, эти влияния отражаются на изменении частотных составов переменных в группе, в том числе и на изменения уровня Каспийского моря. Изменения переменных в частотной области, обусловленные действиями факторов, отображаются на изменениях переменных во временной области, приведенных на графиках b рисунка 5.

Рисунок 5 – Графики изменений вейвлетных: a) фазо-частотных и b) фазо-временных характеристик гелиокосмических: Baricentr, Naklon, Vulkan, ), землетрясений (Zeml-e), отклонений угловой скорости вращения Земли от эталонной (dP_deny), скорости вращения Земли (Vel.Zemly), скорости изменения земных суток (Ind.LOD), уровня Каспийского моря (Kaspy); уровня Мирового океана (YMO), явления Эль-Нино (El-Nino), глобальной приземной температуры (Temp.prizemn) в 1901,1–1998,6 годы

В исследовании рассмотрена следующая последовательность взаимовлияний переменных: а) действие гелиокосмических переменных на изменчивость параметров движения Земли, климатических переменных и на изменчивость уровня Каспия в двух областях: фазо-частотном и фазо-временном; б) действие изменчивости параметров движения Земли на изменчивость уровня Каспия в двух областях: в частотном и временном. В терминах коэффициентов согласованностей изменений переменных подгруппы согласованы: 1) гелиокосмических переменных с параметрами движения Земли с k = |0,18-0,91| в фазо-частотной области с наибольшими влияниями Baricentr и Sact и с k = |0,21-0,84| в фазо- временной области с наибольшими влияниями Baricentr, Sconst, Insol, Naklon, $C{O}_2$; 2) гелиокосмических переменных с уровнем изменения Каспия с k = |0,01-0,13| в фазо-частотной области и с k = 0,25-0,64 в фазо-временной области c наибольшими влияниями Sconst, Insol, Naklon, $C{O}_2$; 3) гелиокосмических переменных с климатическими переменными с = |0,04-0,48| в фазо-частотной области и с k = |0,10-0,40| в фазо-временной области; существенны согласованности изменений гелиокосмических переменных с изменениями YMO и El-Nino с = |0,29-0,48| в фазо-частотной области; 4) параметров движения Земли с изменениями уровня Каспия с k = |0,01-0,44| в фазо-частотной области с наибольшим влиянием изменений скорости вращения Земли и с k = |0,10-0,51| в фазо-временной области с наибольшим влиянием индекса LOD; 5) климатических переменных с изменениями уровня Каспия с k = 0,15-0,65 в фазо-частотной области с наибольшими влияниями YMO и El-Nino и с k = |0,01-0,63| в фазо-временной области с наибольшими влияниями El-Nino и приземной температуры . 4) Показано, что по наблюдениям 1901,1–1975 гг. изменения уровня Каспия существенно, с k = 0.32-0,35 и с k = 0.63-0,69, согласованы с изменениями испарений, испаряемости и осадков на территории суши в фазо-частотной и фазо-временной областях, соответственно.

Проведенные исследования позволяют утверждать, что изменения (колебания) уровня Каспийского моря обусловлены изменениями климатических переменных (глобальной температуры, уровня мирового океана, изменений явления Ель-Ниньо), параметров движения Земли (изменений скорости вращения Земли, индекса LOD, среднегодовых относительных отклонений угловой скорости вращения Земли от эталонной величины, землетрясений), обусловленные изменениями гелокосмических факторов, барицентрических движений Солнца.

В колебаниях уровня Каспия в 1840–2016 годы наблюдаются периоды в годах: 62,9, 29,7 (2,4), 12,6 (2,8), 8,9 (2,0), 4,6 (1,2), 2,0 (0.6).

4. Изменения гидрологических составляющих водного баланса арктических островов по наблюдениям в 1900–1973,2 гг.

В группу исследуемых переменных включены: гелиокосмические (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan), климатические (Srad1, TPO, YMO, El-Nino (E/N), лед Арктики (Led. Arktiky), температура Арктики (T. Arktiky), температура приземная (T. prizemn)) и составляющие водного баланса арктических островов (атмосферные осадки, жидкий сток, результирующее водного баланса, приращения суммарного водного объема оледенения)

На рисунке 6 приведены графики изменений вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик климатических переменных и водного баланса арктических островов [8], – откликов на воздействия гелиокосмических и климатических факторов.

Рисунок 6 – Графики вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик: a) и b) гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan), климатических (Srad1, TPO, YMO, E/N, Led arktiky, T.arktiky, Temp.prizemn, cocтавляющих водного баланса арктических островов: атмосферных осадков (Atm.osadky), жидкого стока (Zhidky stok), результирующего водного баланса (Rezult.vod.balans) и приращений суммарного водного баланса оледенения (Prirost.sum.oleden) в 1900–1973,2 гг.

На графиках a и b фазовых характеристиках рисунка 6 с очевидностью отображаются согласованности изменений геликосмических и климатических переменных с изменениями составляющих водного баланса арктических островов в частотной и временной областях, изменениями глобальной температуры, температуры и ледового состояния в арктической зоне; проявляются изменения направленностей (фаз) и смещенностей частотных составов переменных в наблюдаемом интервале времени, обусловленные взаимодействием Мирового и Ледовитого океанов с атмосферой Земли. В матрицах корреляций фазовых характеристик переменных проявляются усредненные закономерности мер согласованностей изменений переменных:

• Неравнозначны отклики составляющих водного баланса арктических островов на воздействия гелиокосмических переменных в частотных и временных областях; атмосферные осадки и жидкий сток согласованы с k = 0,78-0,97 в фазо-частотной области и с k = 0,37-0,88 в фазо-временной области с наибольшим влиянием барицентрических движений Солнца; изменения результирующего водного баланса и приращения суммарного водного объема оледенения откликаются с k = -(0,10-0,21) в фазо-частотной области и с k = |0,10-0,56| в фазо-временной области с наибольшими влияниями Insol и Vulkan.
• Первая подгруппы составляющих водного баланса арктических островов согласованы с изменениями климатических переменных с k = |0,10-0,98| в фазо-временной области с наибольшим влиянием изменений льдов и температуры в Арктике, c k = |0,10-0,81| в фазо-временной области с наибольшими влияниями TPO, YMO, льдов и температуры в Арктике и глобальной температуры.
• Изменения второй подгруппы переменных водного баланса арктических островов, – результирующего баланса и приращений водного объема оледенений, согласованы с изменениями климатических переменных с k = |0,10-0,90| в фазо-частотной области и с k = |0,10-0,82| в фазо-временной области; влияния факторов на переменные близки к равномерному.
• Значительны взаимосогласованности изменений атмосферных осадков и жидкого стока с k = 0,90 в фазо-частотной области и с k = 0,75, в фазо-временной; слабо согласованы изменения составляющих второй подгруппы и самих подгрупп в фазовых областях.
• Значительно согласованы изменения солнечной радиации Srad1, Srad2 и TPO,YMO, El-Nino в фазовых областях с k = |0,37-0,98|.

Заметим, что на изменения атмосферных осадков и жидкого стока на арктических островах преимущественное влияние оказывают изменения гелиокосмических факторов в фазо-частотной области по сравнению с влиянием климатических переменных. В изменениях атмосферных осадков в арктической зоне содержатся периодичности: 45,8, 22,9, 11,7 (1.4), 8.3 (2,3), 4,3 (1,0), 2,0 (0,4) лет по наблюдениям в 1900–1973,2 гг.

5. Изменения составляющих водного баланса Гренландии по наблюдениям в 1900–1974,3 гг.

В группу исследуемых переменных включены: гелиокосмические (Baricentr, Sact, Insol, Naklon, Vulkan), климатические (Srad1, Srad2, TPO, YMO, El-Nino (E/N), лед Арктики (Led. Arktiky), температура Арктики (T.Arktiky), температура приземная (T.prizemn)) и составляющие водного баланса Гренландии: атмосферные осадки (Grenland1), айсберговый сток (Grenland2), жидкий сток (Grenland3), суммарный водно-ледниковый сток (Grenland4), результирующая водного баланса (Grenland5), приращение водно-ледниковых запасов (Grenland6).

Характеристики изменений составляющих водного баланса Гренландии описаны в [21–27]. Графики вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик,- откликов изменений составляющих водного баланса Гренландии на воздействия гелиокосмических, глобальных климатических переменных:

В откликах вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик составляющих водного баланса Гренландии на воздействия гелиокосмических и климатических переменных, представленных на графиках a и b рисунка 7 и в вычисленных таблицах корреляций фазовых характеристик, полученных по наблюдениям за переменными в 1900–1974,3 гг., проявляются следующие закономерности:

• Группа составляющих водного баланса Гренландии разделяется на две подгруппы, в первую входят первые четыре составляющие: атмосферные осадки, айсберговый сток, жидкий сток и суммарный водно-ледниковый сток; во вторую: результирующая водного баланса и приращение водно-ледниковых запасов.

Таблица 2

Корреляции составляющих групп водного баланса Гренландии

• В таблице корреляций составляющих групп водного баланса Гренландии приведены согласованности изменений подгрупп переменных на воздействия гелиокосмических и климатических переменных и взаимокорреляций внутри подгрупп в двух фазовых областях (ВКФ). В таблице в скобках указаны значения стандартных отклонений коэффициентов корреляций переменных от средних.
• Наблюдаются значительные согласованные изменения атмосферных осадков, айсбергового, жидкого и суммарного водно-ледникового стоков на изменения гелиокосмических переменных в фазо-частотной области с k = 0,93 (0,03) и c k = 0,65 (0,27) в фазо-временной области, характеризующие близость частотных составов изменений гелиокосмических факторов и составляющих водного баланса Гренландии, наблюдаемые на графиках a рисунка 7.
• На изменчивость результирующего водного баланса и приращений водно-ледниковых запасов Гренландии также существенны изменения гелиокосмических факторов с k = -0,26 (0,44) в фазо-частотной области, но с обратным знаком в наблюдаемом интервале времени.
• Наблюдается аналогичность изменений составляющих водного баланса Гренландии и арктических островов, характеризующих схожесть климатических изменений в регионах.
• На графиках c рисунка 7 приведены изменения фазо-временных характеристик составляющих водного баланса Гренландии и усредненные изменения первой подгруппы переменных mean(g1_g2) в наблюдаемом интервале времени 1900–1974,3 гг.; кривая содержит составляющие периодичностей в годах (спектра): 48,1, 24,0, 20,8 (4,3), 15,4 (2,6), 8,9 (1,5), 4,2 (1,4), 2,1 (0,5).

Рисунок 7 – Графики вейлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик: a) и b) гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Naklon, Vulkan), климатических (Srad1,Srad2,TPO, YMO, E/N), составляющих водного баланса Гренландии: а) атмосферных осадков (Grenland_1), айсбергового стока (Grenland_2), жидкого стока (Grenland_3), суммарного водно-ледникового стока (Grenland_4), результирующего водного баланса (Grenland_5), прирaщений водно-ледниковых запасов (Grenland_6); c) фазо-временных характеристик составляющих водного баланса Гренландии и усредненной кривой первых четырех переменных (mean (g1-g4)) в 1900–1974,3 гг.

6. Изменения составляющих водного баланса горных ледников по наблюдениям 1900–1974,7 гг.

В группу исследуемых переменных включены: гелиокосмические (Baricentr, Sact, Insol, Naklon, Vulkan, ), климатические (Srad1, Srad2, TPO, YMO, El-Nino (E/N), лед Арктики (Led.Arktiky), температура Арктики (T.Arktiky), температура приземная (T.prizemn)) и составляющие водного баланса горных ледников: атмосферные осадки (Lednik1), талый сток (Lednik2), результирующая баланса (Lednik3), суммарное приращение объема ледников (Lednik4) [8]. Изменчивости горных ледников описаны в работах [28–32].

На рисунке 8 отражены графики изменений составляющих водного баланса горных ледников и их отклики в виде вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик на воздействия гелиокосмических и климатических переменных.

Рисунок 8 – Графики вейвлетных: a) и b) фазо-частотных и фазо-временных характеристик: гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Naklon, Vulkan, CO₂), климатических: температуры в Арктике (T.Arktiky), приземной глобальной температуры (T.prizemn), ледового состояния в Арктике (Led Arktiky) и составляющих водного баланса горных ледников: атмосферных осадков (Lednik1), талого стока (Lednik2), результирующего баланса (Lednik3), суммарного приращения объема ледников (Lednik4); с) фазовых характеристик составляющих водного баланса горных ледников и усредненной кривой первых двух составляющих баланса по наблюдениям 1900–1974,7 гг.

На графиках изменений фазовых характеристик составляющих водного баланса горных ледников на воздействия гелиокосмических и климатических факторов наблюдаются следующие закономерности: 1) изменения подгрупп переменных: а) атмосферные осадки и талый сток и б) результирующая баланса и суммарное приращение объема ледников значительно согласованы с изменениями гелиокосмических переменных с k = 0,95 (0,01) и c k = -0,74 (0,11) в фазо-частотной области и с k = 0,66 (0,30) и k = 0,08 (0,12) в фазо-временной области; 2) эти же подгруппы переменных (а, б) согласованы с изменениями климатических переменных с k = 0,08 (0,18) и k = -0,10 (0,51) в фазо-частотной области и с k = -0,22 (0,548 и k = -0,20 (0,55) в фазо-временной области с наибольшими влияниями изменений площади льдов и температуры в Арктике и солнечной радиации; 3) значительны согласованы изменения подгрупп составляющих водного баланса горных ледников с k = |0,63-0,99| в фазо-частотной области и с k = |0,10-0,94| в фазо-временной области с наибольшим влиянием изменений атмосферных осадков и талого стока; 4) На графиках с рисунка 8 приведены относительные изменения двух групп составляющих водного баланса горных ледников в наблюдаемом интервале времени 1900-1974,7 гг; 5) вычислен спектр периодичностей изменений атмосферных осадков и талого стока в годах: 24,6, 12,2 (2,1), 9,0 (2,1), 5,0 (1,4), 2,1 (0,5) по наблюдениям за переменными в 1900-1974,7 гг; в скобках указаны стандартные отклонения коэффициентов корреляций от средних.

Заключение и выводы

На графиках вейвлетных фазовых характеристик исследуемых переменных и их матриц корреляций в наблюдаемых интервалах времени проявляются следующие закономерности:

1. Существенное согласованное изменение гелиокосмических переменных и расчетных тепловых и водных ресурсов на территории суши с k = 0,93-0,99 в фазо-частотной области, влияние изменчивости тепловых и водных ресурсов на суше и климатических переменных с изменчивостью облачностей на континентах с k = |0,10-0,68| по наблюдениям в 1901–1970,5 гг.
2. Изменения уровней озер на континентах значительно согласованы с изменениями гелиокосмических факторов с k = 0,50 (0,43) в фазо-частотной области по сравнению с влиянием климатических переменных с k = 0,06 (0,27) по наблюдениям в 1900–1974 гг.; значительны согласованности изменений уровней озер на континентах с изменениями испаряемости, испарений и осадков на суше с k = |0,10-0,99| в фазовых областях; при этом изменения уровня пустынного озера Рудольф в Кении происходит в противофазе с изменениями других озер, связанные с согласованностью изменений испаряемости, испарений и осадков в регионе с k = – 0,57 с изменениями гелиокосмических переменных.
3. В изменениях уровня Каспийского моря по наблюдениям в 378,3–1,1 тыс. лет в прошлом наблюдается сильная согласованность с изменениями элементов орбиты Земли (Naklon, ‘Ekc (эксцентриситет)), Insol c k = – (0,11-0,44) с наибольшим влиянием эксцентриситета в фазо-частотной области; в интервале времени от 2000 тыс. лет в современности до 9835 года в прошлом, в голоцене, изменения уровня Каспия согласованы с изменениями солнечной активности с k = 0,92 и c изменениями приземной температуры с k = -0,72 в фазо-частотной области; по наблюдениям в 1901,1–1998,6 годы изменения уровня Каспия в фазо-частотной области согласованы с изменениями солнечной активности с k = 0,13, изменениями землетрясений, скорости вращения Земли и продолжительности земных суток с k = -(0,11-0,44) с наибольшим влиянием скорости вращения Земли; существенны влияния изменений приземной температуры $f_3,$ уровня мирового океана YMO и явления Эль-Нино (E/N) c k = 0,15-0,85 наибольшим влиянием E/N, обусловленные влияниями гелиокосмических факторов; показано, что по наблюдениям 1901,1–1975 гг. изменения уровня Каспия существенно, с k = 0.32-0,35 и с k = 0.63-0,69, согласованы с изменениями испарений, испаряемости и осадков на территории суши в фазо-частотной и фазо-временной областях соответственно.
4. В изменении водного баланса арктических островов и Гренландии наблюдается разделение составляющих балансов на две подгруппы в фазо-частотной области: а) атмосферные осадки и жидкий сток на арктических островах, атмосферные осадки, айсберговый и жидкий стоки, суммарный водно-ледниковый сток в водном балансе Гренладии, которые согласованы с изменениями гелиокосмических переменных с k = 0,90-0,94 и б) результирующий баланс и приращения суммарного водного объема оледенения в балансе арктических островов, результирующая водного баланса и приращения водно-ледниковых запасов в водном балансе Гренландии согласованы с изменениями климатических переменных с k = |0,10-0,87|.
5. В изменении составляющих водного баланса горных ледников на воздействия гелиокосмических переменных в интервале времени 1900–1974,7 годы наблюдается разделение группы на две подгруппы в фазовых областях: а) атмосферные осадки и талый сток, согласованные с изменениями гелиокосмических переменных с k = 0,95 (0,01) в фазо-частотной области и с k = 0,66 (0,30) в фазо-временной области; б) результирующая баланса и суммарное приращение объема ледника согласованы с изменениями гелиокосмических переменных k = – 0,74 (0,11) в фазо-частотной области (в противофазе с изменениями первой подгруппы) и с k = 0,08 (0,12) в фазо-временной области.
6. На графиках изменений фазовых характеристик групп переменных наблюдается решетчатая структура изменений гелиокосмических и климатически переменных, цикличность изменений составляющих мирового водного баланса, характеризующая цикличность изменения климата в наблюдаемых временных интервалах.

Об авторах

Валерий Иванович Алексеев

Автор, ответственный за переписку.
Email: alekseev_1941@internet.ru

доктор технических наук

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рисунок 1 – Графики изменений: a) и b) вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных  характеристик гелиокосмических переменных (Baricentr, Sact, Insol, Naklon,Vulkan, CO2 [1,2], магнитного роля Земли (MPZemly)); расчетных изменений динамики тепловых и водных ресурсов на территории суши [3]: испарений (Isparenie), испаряемости (Isparjaemost), осадков (Osadky); облачностей на континентах: Австралии (Obl. Avstraly), Европы (Obl. Evropy), Северной Америки (Sev. Americy) [3–8]; климатических переменных: TPV, TPV, YMO, приземной температуры (Temp.prizemn)[1]; с) и d) фазоых харатеристик: Baricentr, MPZemly, Isparenie. Isparjaemost, Osadky, Obl. Avstraly, Евроры Obl. Evropy, Sev. Americy Temp.prizemn по наблюдениям интервале времени 1900,3–1970,5 гг.

Скачать (448KB)

Метаданные

3. Рисунок 2 – Графики изменений: a) и b) вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик гелиокосмических переменных (Baricentr, Sact, Insol, Naklon,Vulkan); с) усредненных фазо-временных характеристик коэффициентов корреляций k согласованных изменений фазо-временных характеристик переменных, приведенных на графиках b и испарений, испаряемости, осадков, TPV, YMO, индекса ТДО, T.global; графики получены усреднением текущих корреляций между переменными в интервалах времени 2 и 3 года (по 10 отсчетов между годами) в скользящем режиме

Скачать (142KB)

Метаданные

4. Рисунок 3 – Графики изменений вейвлтных фазо-частотных и фазо-временных характеристик a) и b) Insol, Naklon, CO2, CH4, Pyl, Kaspy; c) и d) Kaspy, Led, More, T.prizemn по наблюдениям 379,3–1,1 тыс. лет в прошлом

Скачать (345KB)

Метаданные

5. Рисунок 4 – Графики изменений: a) и b) вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик: солнечной активности (Sact), уровня Каспийского моря (Kaspy), приземной температуры в голоцене (T. Golocen) (в нтервале времени от 2000 тыс. лет в настоящем до 9835 лет в прошлом)

Скачать (59KB)

Метаданные

6. Рисунок 5 – Графики изменений вейвлетных: a) фазо-частотных и b) фазо-временных характеристик гелиокосмических: Baricentr, Naklon, Vulkan, ), землетрясений (Zeml-e), отклонений угловой скорости вращения Земли от эталонной (dP_deny), скорости вращения Земли (Vel.Zemly), скорости изменения земных суток (Ind.LOD), уровня Каспийского моря (Kaspy); уровня Мирового океана (YMO), явления Эль-Нино (El-Nino), глобальной приземной температуры (Temp.prizemn) в 1901,1–1998,6 годы

Скачать (326KB)

Метаданные

7. Рисунок 6 – Графики вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик: a) и b) гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan), климатических (Srad1, TPO, YMO, E/N, Led arktiky, T.arktiky, Temp.prizemn, cocтавляющих водного баланса арктических островов: атмосферных осадков (Atm.osadky), жидкого стока (Zhidky stok), результирующего водного баланса (Rezult.vod.balans) и приращений суммарного водного баланса оледенения (Prirost.sum.oleden) в 1900–1973,2 гг.

Скачать (392KB)

Метаданные

8. Рисунок 7 – Графики вейлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик: a) и b) гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Naklon, Vulkan), климатических (Srad1,Srad2,TPO, YMO, E/N), составляющих водного баланса Гренландии: а) атмосферных осадков (Grenland_1), айсбергового стока (Grenland_2), жидкого стока (Grenland_3), суммарного водно-ледникового стока (Grenland_4), результирующего водного баланса (Grenland_5), прирaщений водно-ледниковых запасов (Grenland_6); c) фазо-временных характеристик составляющих водного баланса Гренландии и усредненной кривой первых четырех переменных (mean (g1-g4)) в 1900–1974,3 гг.

Скачать (468KB)

Метаданные

9. Рисунок 8 – Графики вейвлетных: a) и b) фазо-частотных и фазо-временных характеристик: гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Naklon, Vulkan, CO2), климатических: температуры в Арктике (T.Arktiky), приземной глобальной температуры (T.prizemn), ледового состояния в Арктике (Led Arktiky) и составляющих водного баланса горных ледников: атмосферных осадков (Lednik1), талого стока (Lednik2), результирующего баланса (Lednik3), суммарного приращения объема ледников (Lednik4); с) фазовых характеристик составляющих водного баланса горных ледников и усредненной кривой первых двух составляющих баланса по наблюдениям 1900–1974,7 гг.

Скачать (426KB)

Метаданные