Общая_климатологияКн1

атмосферы, углеродный и другие виды циклов, влияние распределения суши и океанов, орографии, влияние внешних факторов климатической системы в виде астрономических и геофизических факторов. Результатом такого изучения глобального климата являются климатические классификации и модели климата, основанные на общей циркуляции атмосферы и океана, которые в настоящее время включают в себя химические и биологические блоки и расширяются до моделей климатической системы Земли [12]. Поэтому глобальный климат – это система разных климатов земного шара.

Понятие «локальный климат» используется при описании гидрометеорологического режима отдельных территорий. Для такой локализованной области составляющие адвекции и радиации за многолетний период примерно однородны и они формируют один и тот же тип климата. Вместе с тем пространственные различия даже внутри этого однородного климата имеют место, и они обусловлены факторами подстилающей поверхности. Так, например, климат центральной части Восточной Сибири практически одинаковый, резко континентальный, но локальные особенности подстилающей поверхности приводят к аномально низким зимним температурам, которые известны как «полюса холода» планеты в Верхоянске и Оймяконе. Поэтому модели климата, основанные на свойствах общей циркуляции атмосферы, дают в этих точках большие отклонения от фактически наблюдаемой температуры воздуха, т. к. не учитывают локальные особенности поверхности.

Существует классификация [4, 8, 10] по которой локальный климат подразделяется на четыре основные вида: макроклимат, мезоклимат, микроклимат и наноклимат. Макроклимат – это климат крупных географических регионов, географических зон, больших частей материков и океанов. Мезоклимат – климат сравнительно небольших территорий, достаточно однородных по природным условиям, например, определённого лесного массива, морского побережья, участка речной долины, межгорной котловины, небольшого города или городского района и т.п. Горизонтальный масштаб мезоклимата составляет <100 км, вертикальный – < 1000 м, причем он зависит от типа подстилающей поверхности. Так, для горного рельефа – это система гор, для холмистого – мас-

20

сивы площадью более 100 км2, реки шириной > 1 км, озера, моря, океаны площадью зеркала 50–100 км2, почвенно-растительные массивы – площадью более 100 км2. Микроклимат – это климат приземного слоя воздуха, обусловленный микромасштабными различиями земной поверхности внутри местного климата и имеет горизонтальный масштаб ≤ 10 км, а вертикальный 100–200 м. Наноклимат формируется за счет микровозвышений и микропонижений размером в сантиметры и десятки сантиметров с горизонтальным масштабом 1–3 м и вертикальным ≤ 0,5 м. Наиболее известными видами такого однородного локального климата являются: мезоклимат леса, мезоклимат города, микроклимат водоемов и прибрежных территорий.

В зависимости от временного интервала и методов изучения климата существует еще одно разделение климатологии на инструментальную и палеоклиматологию. Началом однородных инструментальных наблюдений одинаковыми приборами по единообразной методике на сформированной уже метеорологической сети станций и для данных месячной дискретности можно считать 1880–1890-е годы. Хотя отдельные наиболее продолжительные ряды наблюдений имеются с середины XVII – начала XVIII веков. Поэтому на основе многолетних рядов наблюдений с конца XIX века осуществляются климатические обобщения и исследования современного климата и результаты их являются достаточно надежными. За весь остальной интервал времени существования Земли изучение климата осуществляется косвенными методами палеоклиматологии или на основе физико-математических моделей климата, что соответственно приводит к менее надежным результатам. В ряде случаев можно только приблизительно оценить общий тип климата: холодный или теплый, влажный или сухой.

Таким образом, как климат, так и климатология, являются комплексными и многогранными понятиями. В зависимости от изучаемых свойств климата, климатология подразделяется на следующие основные виды или разделы:

-физическая климатология, которая изучает генезис и факторы климата физико-математическими методами;

-динамическая климатология рассматривает климат как результат процессов общей циркуляции атмосферы;

21

-синоптическая климатология изучает многолетние поля давления и скоростей ветра, на которых проявляются климатические фронты и центры действия атмосферы;

-климатография имеет дело с описанием климата конкретных территорий или акваторий на основе статистической обработки данных наблюдений по всей Земле;

-палеоклиматология рассматривает климаты прошлого;

-прикладная климатология имеет дело с расчетами климатических показателей для различных отраслей хозяйства и в связи с этим подразделяется на строительную, транспортную, индустриальную, агроклиматологию, биоклиматологию, медицинскую, туристическую, авиационную;

-аэроклиматология занимается изучением климата высоких слоев атмосферы;

-микроклиматология изучает климат небольших однородных территорий и приземного слоя воздуха;

-в зависимости от изучаемого района земной поверхности климатологию можно подразделить также на полярную, тропическую, умеренных широт, экваториальную, горную климатологию и другие виды по географическому признаку.

Задач климатологии очень много, они зависят от того или иного изучаемого свойства климата и основными из них можно считать следующие:

-выяснение генезиса климата (климатообразование) эмпирическими и физическими подходами;

-исследование изменения естественных и антропогенных условий формирования климата на основе физико-математических и статистических моделей;

-классификация климатов и их районирование;

-установление свойств географического распределения климатов;

-исследование взаимодействия климата с природными и антропогенными фаторами;

-определение расчетных климатических характеристик для разных сфер экономики;

-установление закономерностей образования микроклимата и его классификация.

22

1.2. Содержание курса общей климатологии

Достаточно подробная аннотация всех лекций курса приведена во Введении. Поэтому остановимся только на последовательности основных тем, обосновании их структуры и содержании лабораторных работ, которые выполняются для закрепления теоретического материала.

Прежде всего, следует отметить, что курс «Климатологии» состоит из двух частей: часть 1 «Общая климатология» и часть 2 «Динамика климата», которая издана в виде учебника в 2х книгах в 2016 и 2018 гг. [6, 7] и посвящена изучению изменений климата. В данной же первой части рассматриваются вопросы формирования климата и его географического распределения. Эта часть климатологии может быть определена как «статика климата» в связи с тем, что вопросы изменения климатических характеристик и их факторов в ней не затрагиваются. Принимается, что полученные пространственные закономерности климата по информации за прошлый многолетний период и границы различных типов климата не изменяются или эти изменения пока незначительны. Действительно, вряд ли стоит ожидать, что умеренный климат в той или иной части Земли быстро поменяется на тропический, или значительно увеличатся осадки. Из результатов анализа данных наблюдений, представленных в 5-ом докладе МГЭИК [12], таких больших и резких изменений пока не наблюдается. Поэтому те климатические свойства, которые характерны для различных видов климата, актуальны и в настоящий период и на ближайшее будущее.

Весь материал курса по общей климатологии сгруппирован в три большие темы:

-климатологическая обработка рядов наблюдений;

-основные факторы формирования климата;

-пространственные закономерности климата и районирование. Первая тема по обработке климатической или климатологиче-

ской информации посвящена рассмотрению задач прикладной климатологии. Обработка информации, связана с получением средних многолетних значений или климатических норм, средних квадратических отклонений, характеризующих естественную из-

23

менчивость и расчетных климатических характеристик редкой повторяемости (например, 1 раз в 100 или 200 лет) без которых не обходится ни один вид проектирования и строительства. Прежде всего, дается определение климатическим рядам, которые могут быть получены только за многолетний период, а также современным видам хранения климатической информации в мировых и региональных центрах данных и на сайтах разных международных организаций и институтов. Для обработки климатических данных применяются статистические методы и, чтобы их понимать и правильно применять, даются базовые сведения из соответствующих разделов статистического оценивания и регрессионного анализа. Например, обязательно следует знать, что такое эмпирическое и теоретическое распределения; дифференциальная и накопленная частота; параметры распределения и методы их оценки, включая оценку статистической значимости на основе доверительных интервалов; что такое генеральная совокупность и выборка; какова последовательность проверки статистических гипотез, что такое нулевая и альтернативная гипотезы, риски первого и второго рода, мощность критерия и ряд других вопросов. В части регрессионного анализа объясняется что такое эмпирическая зависимость между переменными; что характеризует и как изменяется коэффициент корреляции; в чем состоит метод наименьших квадратов при определении коэффициентов уравнения регрессии и какие другие методы расчета коэффициентов существуют, методы оценки статистической значимости коэффициентов уравнения и расчетных значений; структуры уравнений множественной линейной регрессии.

Последующие разделы темы посвящены трем основным частям обработки и расчета: оценке однородности; восстановлению пропусков и увеличению продолжительности рядов наблюдений; определению расчетных климатических характеристик. По каждой из этих частей предусмотрена лабораторная работа и всего по данной теме следует выполнить три работы. Для выполнения лабораторных работ выбирается метеостанция с многолетними рядами среднемесячных температур воздуха и суммами месячных осадков, включая данные последних лет наблюдений. Детальное описание каждой лабораторной работы приведено в «Практикуме по климатологии. Часть 1».

24

Проверка однородности включает проверку двух важных условий: однородности эмпирического распределения на возможные неоднородные экстремумы и проверку однородности во времени или стационарности для основных параметров временных рядов: среднего значения и дисперсии. Следующая важная часть обработки связана с восстановлением пропусков и увеличением продолжительности рядов наблюдений на основе многолетних связей с рядами-аналогами, пространственных взаимосвязей полей и свойств внутригодовых функций. По каждому из трех методов приводятся алгоритмы, формулы и практические примеры приложения. Увеличение продолжительности рядов необходимо для того, чтобы уменьшить случайные погрешности параметров распределения и перейти в зоне редких повторяемостей от экстраполяции эмпирических данных к возможной интерполяции как более надежной процедуре. На заключительном этапе обработки осуществляется определение расчетных климатических характеристик при аппроксимации эмпирического распределения аналитическим видом с вычисленными параметрами. Детально также рассматриваются вопросы особенностей обработки различных климатических характеристик, расчеты климатических комплексов и практическое приложение прикладной климатологии в виде нормативных документов на примере СНиПа по строительной климатологии.

Вторая большая тема курса «Общей климатологии» связана с рассмотрением основных факторов формирования климата и факторов, влияющих на него. Это, прежде всего, внешние астрономические факторы, определяющие приток солнечной радиации и его изменчивость в течение суток, года и за многолетний период, и факторы циркуляции атмосферы и океана, перераспределяющие тепло на планете. К факторам, влияющим на формирование климата, относится орография, воздействие которой проявляется практически во всех климатических характеристиках. Приток солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы является главным и определяющим фактором формирования климата. Именно он по определению известного ученого-океанолога В.В. Шулейкина и формирует главную «тепловую машину» планеты или «вечный двигатель», который осуществляет обмен воздухом между полюсом и экватором. Расчету суточной, сезонной и годовой ради-

25

ации на верхней границе атмосферы на широте выбранной метеостанции посвящена отдельная лабораторная работа. С верхней границы атмосферы тепло передается к поверхности земли, уменьшаясь за счет процессов поглощения и рассеяния в среднем на 50%. Поэтому приходящая к поверхности коротковолновая радиация подразделяется на прямую, прошедшею сквозь толщу атмосферы, и рассеянную, т. е. отраженную в направлении поверхности и в основном от облаков. С поверхности обратно в атмосферу уходит как отраженная коротковолновая радиация в зависимости от альбедо, так и длинноволновое тепловое излучение, которое подразделяется на уходящее в космос собственное излучение и противоизлучение, отраженное обратно к поверхности земли. Потоки приходящей и уходящей радиации формируют радиационный баланс поверхности, а перераспределение радиационного баланса в виде тепла на нагрев воздуха, нижележащих слоев поверхности и на фазовые переходы воды формируют тепловой баланс. В отличие от курса «Физики атмосферы» в данном курсе «Общей климатологии» внимание уделяется не рассмотрению физических законов в точке поверхности, а особенностям пространственного распределения составляющих радиационного и теплового балансов по поверхности планеты.

Процессы глобальной циркуляции атмосферы и океана рассмотрены в нескольких лекциях, где внимание уделяется как общей циркуляции, так отдельным ее видам в разных широтах, включая зональный перенос, системы циклонов и антициклонов, циркуляционные ячейки, струйные течения, пассаты, муссоны, тропические циклоны, основные океанические течения, зоны апвеллинга, конвейер Брокера, Эль-Ниньо. Влияние рельефа на разные характеристики климата рассмотрено с привлечение экспериментального материала, заимствованного из учебника Б.П. Алисов, Б.В. Полтараус «Климатология» [1].

Заключительная третья тема курса лекций посвящена обобщению разных климатических характеристик (температура воздуха, осадки, влажность, облачность и других) по поверхности Земли и представлении их в виде изолиний и климатических классификаций. Рассматриваются пространственные закономерности температур воздуха, осадков, области их экстремальных значений и

26

особенности внутригодовых изменений. Даются понятия климатических классификаций и районирования, детально рассматриваются основные виды климатических классификаций. На эту тему в «Практикуме по климатологии. Часть 1» также имеется лабораторная работа, в которой на основе ГИС-технологий следует получить пространственные распределения климатических характеристик.

1.3. История развития климатологии

От древнего мира до Возрождения

Человек с древнейших времен зависел от погодных и климатических условий. Так ледниковый период привел к необходимости добывать и поддерживать огонь, устраивать жилище, шить одежду. Тот же ледниковый период не смогли пережить неандертальцы – одна из ветвей современного человека. Непонятные и опасные погодные явления (засухи, ливни, наводнения, бури, грозы, ураганы) вызывали чувство страха в связи с непониманием их происхождения и внезапностью появления. Люди знали, что погодные условия могут резко изменяться, но не понимали причины этих изменений. Поэтому происходило обожествление природных явлений и связь их с конкретными богами.

В области климатологии первые закономерности, которые были известны с незапамятных времен – это суточный ход температуры воздуха и годовой цикл изменения температуры воздуха и осадков. Движение солнца по горизонту было самым удивительным событием, также как смена дня и ночи и более теплые условия днем и холодные ночью. Древние люди знали, что один сезон года сменяет другой, и это повторяется из года в год. Притом эти внутригодовые изменения проявлялись в разных климатических условиях: и в северных странах, и в южных. В древнем Египте прекрасно знали о летних разливах Нила и практическом отсутствии воды в другую часть года, что обусловило прогресс в создании водохранилищ. В сказаниях древних славян не раз упоминается о постоянной борьбе доброго и злого начала, лета и зимы, света и тьмы, Белобога с Чернобогом.

27

Помимо внутригодового и суточного хода, другая климатическая особенность, которая известна с древних времен – это то, что климатические условия не во всех странах одинаковы. В исторических хрониках, в рассказах о военных походах и путешествиях приводились поражавшие людей факты о суровом климате северных стран, об особенностях горного климата, о больших и жарких пустынях, о тропических джунглях и ливнях, которые идут много дней. Эти не характерные для данного места особенности климата также приводили к многочисленным мифам и сказаниям. Особое место в жизни людей занимали засухи и холодные весеннеосенние периоды, которые приводили к неурожаям и к голоду, что еще больше определяло зависимость человека от погоды и климата.

Как только появилась письменность, люди начали записывать все важные явления свой жизни, в том числе и имевшие место особенности погодных явлений и климатических условий. В старинных хрониках мы находим немало сведений о засухах, ливнях и других условиях погоды, приводивших к неурожаю, а также сведений (иногда, правда, фантастических) о климате чужих стран. Иногда, например, грозовая деятельность связывалась с именами мифологических персонажей (Зевс, Илья Пророк). Погодные условия при возврате греков из-под Трои в образной форме были изложены в „Одиссее" и таким образом сохранились для потомков. Описание продолжительности бури Гомер представил следующим образом: “И тогда, как стихли ветры и отплыл от берега корабль, Зевс поднял бурю, грянул молнией, корабль рассыпался, спутники потонули в водовороте, а Одиссей один на обломке бревна носился по морю девять дней, пока не выбросило его на берег острова Калипсо”. Или описание смены направления ветров в циклоне, который двигался с запада на восток навстречу судну: “По морю так беззащитное судно носили ветры, то быстро Борею (северный ветер) его перебрасывал Нот (южный ветер), то шумящий Эвр (восточный ветер), им играя передавал произволу Зефира (западный ветер)”.

Уже со времен астронома Метона (около 433 г. до н.э.) в греческих городах выставлялись в общественных местах календари с записями о явлениях погоды, сделанных в предыдущие годы. Эти календари назывались парапегмами (рис. 1.1).

28

Рис. 1.1. Парапегма с записями о явлениях погоды

Некоторые из этих парапегм дошли до нас, например, в трудах известного александрийского астронома Клавдия Птоломея (род. примерно в 150 г. до н.э.), римского землевладельца Колумеллы и других писателей древности. В них мы находим большей частью данные о ветрах, осадках, холодах и о некоторых фенологических явлениях. Сведения летописей, хроник, древних художественных произведений являются в настоящее время одним из источников информации для палеоклиматологии.

Наибольших успехов, систематичности и ясности наука древности достигла в античной Греции, прежде всего в Афинах. Благодаря своим колониям, распространившимся, начиная с VI в. до н.э., по Средиземному и Черному морям, от Марселя до современных Феодосии и Сухуми, греки смогли познакомиться с культурой западного мира того времени. Они восприняли многое от своих предшественников – египтян и финикийцев, но сумели из сравнительно отрывочных элементов создать уже науку в современном понимании слова. Греки уделили большое внимание собранному прежде материалу, проявили умение глубоко проникать в суще-

29