Климатические факторы

Глава 3. Основные факторы изменения климата

Глава 2. Модели изменения климата

 

В данном разделе мы кратко обсудим, на каких основных положениях базируется построение современных климатических моделей. Современные модели климата – это модели, в основе которых лежит современная модель общей циркуляции атмосферы и океана, причем центральным направлением их развития является все более точное описание всех физических процессов, участвующих в формировании климата. Это направление кажется разумным поскольку, как показано в предыдущем разделе, для правильного описания отклика климатической модели (даже первого момента) на малые внешние воздействия нужно хорошо воспроизводить не только сам климат, но и динамику на аттракторе климатической системы (вероятность перехода из одного состояния климатической системы в другое). В основу построения современных моделей климата положен ряд принципов. Принимается, что локально справедливы уравнения классической равновесной термодинамики. Предполагается далее, что для описания динамики атмосферы и океана справедливы уравнения Навье-Стокса для сжимаемой жидкости. Поскольку в современных моделях в силу, главным образом, вычислительных возможностей используются уравнения Рейнольдса - осредненные по некоторым пространственным и временным масштабам уравнения Навье-Стокса, то считается, что существует принципиальная возможность их замыкания. Процедура замыкания предполагает, что эффекты процессов подсеточных масштабов (масштабов меньших, чем масштаб осреднения) могут быть выражены через характеристики процессов крупных масштабов. К этим процессам относятся: 1) перенос излучения (коротковолновой и длинноволновой радиации), 2) фазовые переходы влаги и процесс локального осадкообразования, 3) конвекция, 4) пограничные и внутренние турбулентные слои (некоторые характеристики этих слоев описываются явно), 5) мелкомасштабная орография, 6) волновое сопротивление (взаимодействие мелкомасштабных гравитационных волн с основным потоком), 7) мелкомасштабная диссипация и диффузия, 8) мелкомасштабные процессы в деятельном слое суши. Наконец, для описания крупномасштабных атмосферных и океанических движений справедливо приближение гидростатики: вертикальный градиент давления уравновешивается силой тяжести. Использование такого приближения требует дополнительных упрощений (постоянный радиус Земли, пренебрежение составляющими силы Кориолиса с вертикальной компонентой скорости) с тем, чтобы в системе уравнений при отсутствии внешних источников энергии и диссипации выполнялся закон сохранения энергии. Уравнения гидротермодинамики атмосферы и океана, замыкания процессов подсеточных масштабов и краевые условия подробно рассмотреныв [4]. Следуя идеям, изложенным в предыдущем параграфе, для системы уравнений в частных производных, описывающей модель климатической системы, необходимо доказать ряд утверждений. I. Глобальная теорема разрешимости на любом, как угодно большом, промежутке времени t. К сожалению, в сферической системе координат с "правильными" краевыми условиями такой теоремы в настоящее время нет, что не есть следствие отсутствия таких теорем для трехмерных уравнений Навье-Стокса. Уравнения современных климатических моделей имеют "2.5" - размерность, поскольку вместо полного третьего уравнения движения используется уравнение гидростатики. [1] II. Существование глобального аттрактора. Это утверждение доказано в настоящее время для систем уравнений вида (1) из предыдущего раздела при условии, что S- строго положительно-определенный оператор: ( , ) ( , ), 0. Sϕ ϕ µϕϕ µ ≥ > Проблема заключается в том, что в общем случае этого написать нельзя, поскольку уравнение неразрывности для сжимаемойжидкости не диссипативно. III. Размерность аттрактора. Конструктивные оценки размерности аттракторов для моделей этого класса очень грубы. Они представляют собой оценки сверху, которые, вообще говоря, непригодны для теории,

рассмотренной в предыдущем разделе.

 

Изменения климата обусловлены переменами в земной атмосфере, процессами, происходящими в других частях Земли, таких как океаны, ледники, а также эффектами, сопутствующими деятельности человека. Внешние процессы, формирующие климат, — это изменения солнечной радиации и орбиты Земли. А также:

· изменение размеров и взаимного расположения материков и океанов,

· изменение светимости солнца,

· изменения параметров орбиты Земли,

· изменение прозрачности атмосферы и ее состава в результате изменений вулканической активности Земли,

· изменение концентрации парниковых газов (СО₂ и CH₄) в атмосфере,

· изменение отражательной способности поверхности Земли (альбедо),

· изменение количества тепла, имеющегося в глубинах океана.

 

Погода — это ежедневное состояние атмосферы. Погода является хаотичной нелинейной динамической системой. Климат — это усредненное состояние погоды и он предсказуем. Климат включает в себя такие показатели, как средняя температура, количество осадков, количество солнечных дней и другие переменные, которые могут быть измерены в каком-либо определенном месте. Однако на Земле происходят и такие процессы, которые могут оказывать влияние на климат.