Investigation 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 2

Full Text

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.

About the authors

Valeriy I. Alekseev

Author for correspondence.
Email: alekseev_1941@internet.ru

Doctor of Technical Sciences

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1 - Graphs of changes: a) and b) wavelet phase-frequency and phase-time characteristics of heliocosmic variables (Baricentr, Sact, Insol, Naklon, Vulkan, [1,2], Earth's magnetic role (MPZemly)); calculated changes in the dynamics of thermal and water resources on land [3]: evaporation (Isparenie), evaporation (Isparjaemost), precipitation (Osadky); cloudiness on the continents: Australia (Obl. Avstraly), Europe (Obl. Evropy), North America (Sev. America) [3–8]; climate variables: TPV, TPV, YMO, surface temperature (Temp.prizemn)[1]; c) and d) phase characteristics: Baricentr, MPZemly, Isparenie. Isparjaemost, Osadky, Obl. Avstraly, Eurora Obl. Evropy, Sev. Americy Temp.prizemn based on observations in the time interval 1900.3–1970.5

Download (448KB)

Indexing metadata

3. Figure 2 - Graphs of changes: a) and b) wavelet phase-frequency and phase-time characteristics of heliocosmic variables (Baricentr, Sact, Insol, Naklon, Vulkan); c) averaged phase-time characteristics of the correlation coefficients k consistent changes in the phase-time characteristics of the variables shown in graphs b and evaporation, evapotranspiration, precipitation, TPV, YMO, TAR index, T.global; graphs are obtained by averaging current correlations between variables in time intervals of 2 and 3 years (10 readings between years) in a sliding mode

Download (142KB)

Indexing metadata

4. Figure 3 - Graphs of changes in wavelet phase-frequency and phase-time characteristics a) and b) Insol, Naklon, CO2, CH4, Pyl, Kaspy; c) and d) Kaspy, Led, More, T.prizemn according to observations 379.3–1.1 thousand years ago

Download (345KB)

Indexing metadata

5. Figure 4 - Graphs of changes: a) and b) wavelet phase-frequency and phase-time characteristics: solar activity (Sact), Caspian Sea level (Kaspy), surface temperature in the Holocene (T. Golocen) (in the time interval from 2000 thousand years in the present to 9835 years in the past)

Download (59KB)

Indexing metadata

6. Figure 5 - Graphs of changes in the wavelet: a) phase-frequency and b) phase-time characteristics of heliocosmic: Baricentr, Naklon, Vulkan, ), earthquakes (Zeml-e), deviations of the angular velocity of the Earth's rotation from the reference (dP_deny), Earth's rotation speed (Vel.Zemly), Earth day change rate (Ind.LOD), Caspian Sea level (Kaspy); sea level (YMO), El Nino events, global surface temperature (Temp.prizemn) in 1901.1–1998.6

Download (326KB)

Indexing metadata

7. Figure 6 - Graphs of wavelet phase-frequency and phase-time characteristics: a) and b) solar space (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan), climatic (Srad1, TPO, YMO, E/N, Led arktiky, T.arktiky, Temp .prizemn, constituting the water balance of the Arctic islands: atmospheric precipitation (Atm.osadky), liquid runoff (Zhidky stok), resulting water balance (Rezult.vod.balans) and increments of the total water balance of glaciation (Prirost.sum.oleden) in 1900– 1973.2

Download (392KB)

Indexing metadata

8. Figure 7 - Plots of wavelet phase-frequency and phase-time characteristics: a) and b) heliocosmic (Baricentr, Sact, Insol, Naklon, Vulkan), climatic (Srad1,Srad2,TPO, YMO, E/N), water balance components Greenland: a) precipitation (Grenland_1), iceberg runoff (Grenland_2), liquid runoff (Grenland_3), total water-glacier runoff (Grenland_4), resulting water balance (Grenland_5), incremental water-glacial reserves (Grenland_6); c) phase-time characteristics of the Greenland water balance components and the averaged curve of the first four variables (mean (g1-g4)) in 1900–1974.3.

Download (468KB)

Indexing metadata

9. Figure 8 - Graphs of wavelet: a) and b) phase-frequency and phase-time characteristics: heliospace (Baricentr, Sact, Insol, Naklon, Vulkan, CO2), climatic: temperature in the Arctic (T.Arktiky), surface global temperature ( T.prizemn), the ice state in the Arctic (Led Arktiky) and the components of the water balance of mountain glaciers: precipitation (Lednik1), melt runoff (Lednik2), resulting balance (Lednik3), total increase in the volume of glaciers (Lednik4); c) phase characteristics of the components of the water balance of mountain glaciers and the averaged curve of the first two components of the balance according to the observations of 1900–1974.7.

Download (426KB)

Indexing metadata