Прогнозирование изменений климатической системы Земли по инструментальным измерениям и палеоданным в фазо-временной области, согласованных с изменениями барицентрических движений Солнца. Часть 2

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В работе изучаются применение высокоточного эффективного метода и алгоритм прогнозирования переменных климатической системы Земли, основанного на использовании вейвлетных фазо-частотных и временных преобразований наблюдений, временных рядов. Прогнозирование переменных производится в фазо-временной области на длительные интервалы времени, на сотни лет по инструментальным данным и на сотни тыс. лет по палеоданным.

Работа является продолжением исследований, представленных в статье [1], в которой перечислены цели исследовательской работы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Алгоритм прогнозирования переменных климатической системы в фазо-временной области

Прогнозирование переменных, временных рядов в климатической системе состоит из нескольких этапов. Алгоритм основан на возможности преобразования временного ряда, функции f(t) в двумерное изображение, фазо-частотную и временную функцию φ_f (a,b)с использованием вейвлетного преобразования (1) в [1] с построением ее графического изображения, необходимого для визуального выбора значения k масштаба a вейвлета на графическом изображении φ_f (a,b). Эта функция, вычисленная с использованием комплексного вейвлета ‘cgau5’, по ординате (масштабу a вейвлета) ранжирована по частоте (периоду), большим масштабам a соответствуют большие периоды Т и наоборот; по абсциссе откладывается время t или b.

В числовой матрице, функции φ_f (a,b), в сигнале каждая строка, заданная значением k масштаба a вейвлета, характеризует изменение фазы сигнала с определенным периодом (частотой); разным значениям k масштаба вейвлета соответствуют разные периоды изменений фазы сигнала (примеры приведены на графиках b÷d рисунка 1). Визуальный выбор значения масштаба k на изображении а рисунка 1 должен быть таким, чтобы периоды изменений фазы на временном разрезе были равномерно одинаковыми с малым разбросом.

Рисунок 1. а) изображение временной вейвлетной фазо-частотной функции φ_f (a,b) солнечной активности f(t)=Sact(t) [5], полученной при k=500 на временном интервале 1900–2020 гг.; b) – d) графики изменений фаз функции φ_f (a,b), полученные на ее разрезах (темные линии) при k=400,..250,..60 и их прогнозированных значений (красные линии), изменяющихся в интервале ±π по ординате в 2020–2300 гг.; e) графики реальных (темная линия, a2_Sact) и прогнозированных (красная линия, mean_Sact) вейвлетных фазо-временных характеристик изменений солнечной активности в интервале времени 1900–2300 гг., согласованные в наблюдаемом интервале времени 1900–2020 гг. с k = 0,95 с изменениями реальной временной фазовой характеристики. Прогнозированная кривая получена усреднением прогнозированных фазо-временных характеристик, полученных при значениях масштаба a вейвлета (‘cgau5’) k = 475, 460, 450, 425, 400, 360, 345, 325, 300, 275, 250, 225, 200, 175, 150, 140, 120, 100. 80, 60, 40, 22, 12 на изображении а; изображения вейвлетных фазо-временных характеристик: f), h) CO₂ – в атмосфере [6, 7] и угла наклона Земли (Naklon) [8] по наблюдениям в 422 – 0 тыс. лет в прошлом; g), i) – глобальной температуры (T.global) [9] и северо-атлантических колебаний (AMO) по наблюдениям в 1900–2020 гг. [10]

В работе используется известный факт, что любой сложный сигнал может быть представлен суперпозицией простых разнопериодных функций [2], и допущение о том, что изменение периода сигнала в прогнозируемом интервале времени на заданном разрезе масштаба вейвлета равно среднему значению периода фазы сигнала, вычисляемого в наблюдаемом интервале времени.

В случае разложения сложной временной вейвлетной фазо-частотной функции (изображения) солнечной активности Sact(t)как примера, представленного на рисунке 1а (построена в пакете Surfer), такими простыми периодическими функциями являются разрезы функции φ_f (a,b) пилообразной структуры на задаваемых исследователем значениях k масштаба a вейвлета. Изображение (матрица) φ_f (a,b), вычисляется по формулам преобразований (1). На графиках b÷d рисунка 1 как примеров приведены пилообразные периодические кривые изменений фаз функции φ_f (a,b), полученные при k=400,..250,..60, т. е. при φ_f (400,b), φ_f (250,b), φ_f (60,b), в которых время b изменяется в интервале наблюдения 1900–2020 гг. c шагом по времени 0,1 года; фазы кривых при любых значениях k изменяются в интервале ±π.

На изображении фазо-временной функции φ_f (a,b) солнечной активности Sact, представленной на рисунке 1а, отображается весь частотный состав переменной, интервалы частотных составов (периодов), разделенные интервалами бифуркаций, полученные по наблюдениям в 1900–2020 гг. (в вейвлетном анализе изменениям масштаба a вейвлета соответствуют изменения частоты (периода) сигнала [3]); на изображении φ_f (a,b) наблюдается 6 интервалов изменений частоты сигнала с периодами: 57,9÷75, 34,4÷40,6, 13÷18,2, 10.8÷12.0, ~4 и ~2 лет.

На графиках b-d рисунка 1 пилообразные кривые изменений фаз сигнала на разрезах состоят из двух составляющих, полученных по наблюдениям в 1900–2020 гг. и прогнозированных до 2300 г. с периодами, усредненными в интервалах наблюдений.

Кривые темного цвета на графиках соответствуют истинным значениям изменений фаз функции φ_f (a,b) в указанном временном интервале и заданных значениях k (на разрезах в интервале наблюдений проявляются и прогнозированные значения кривых, часто совпадающие с их истинными значениями); периоды изменений пилообразных периодических кривых красного цвета в интервале времени 2020–2300 гг. на графиках получены усреднением периодов фаз функции на задаваемых разрезах при заданных значениях k в наблюдаемых интервалах времени.

На графиках b-e рисунка 1 темные и красные кривые характеризуют изменения истинной и прогнозированной фазы, совпадающие от начала отсчета фазы до координаты последнего минимума кривой изменений фазы на разрезе. Красная кривая является моделью изменения фазы функции φ_f (a,b), темная линия соответствует изменению истинной фазы для заданного значения вейвлетного масштаба. Они описываются выражением

$\psi \left(j\right)=\left\{\begin{array}{l}{\chi }_k\left(j\right), j=1, ...t_1-1,\\ {\eta }_j=0,1,1,...,N_k-1,\\ -\pi +2\pi /T_k·{\eta }_j, j>t_1,...,t_{прогноз}\end{array}\right.$ (1)

где – t₁ временная координата выбранного последнего минимума периодически изменяющейся фазы χ_k (j) = φ_f (k,b) на временной оси разреза при заданном значении k; T_k – среднее значение периода фазы χ_k на разрезе; η_i – числовая последовательность (0,1,..., N_k-1) с длиной периода N_{k .} N_k= T_{k / Δt, Δt} – шаг дискретизации f(t). Модель изменения фазы сигнала на разрезе состоит из части χ_k (j) реального сигнала и модели (формулы (2) удобно реализовать в системе Excel). Выбор временного горизонта прогнозирования переменных t_k = 2250 год обусловлен выбором графика изменений барицентрических движений Солнца в 1100–2250 гг., полученным в [4], главной переменной в моделях климатических изменений Земли, с которой согласованы изменения всех других переменных, гелиокосмических и климатических.

Цифровая модель изменения фазы сигнала на разрезе при заданном k состоит из двух столбиков: второй столбик состоит из двух частей, числовой последовательности j = 1,…t₁-1 и продолжающихся последовательностей η_i до выбранного горизонта прогнозирования; первый столбик также состоит из двух частей: истинных фаз χ_k (j), j = 1,…t₁-1 и вычисленных по формуле -π+2π / T_k · η_{j ,} j >= t₁,...,t_{прогноз} фаз (выражение прямой линии), где T_{k –} средний период изменения фазы на разрезе при выбранном k на изображении CO₂. Наблюдаемая часть фазовых изменений на разрезах k используется для вычисления параметров N_k , T_k изменения фазы сигнала в прогнозируемой части.

На графике e рисунка 1, на котором прогнозированная кривая получена усреднением конечного числа (n=23) прогнозированных фазо-временных характеристик на выбранных масштабах k изображения φ_f (k,b), отражаются изменчивости активности Солнца с ~42-летними периодами, заметны и ~11-летние периодические изменения, минимумы активности Солнца в интервале 1900÷2022 годы, флуктуации активности в последующие годы; приводится кривая аппроксимации изменений переменной в фазо-временной области и ее уравнение, характеризующие направленность и интенсивность изменений солнечной активности в прошлом и в будущем, обусловленной изменениями барицентрических движений Солнца [4]. В фазо-частотной области в интервале наблюдений кривые Baricentr и Sact согласованы с k = 0,55, зависящей от интервала наблюдения.

Построение модели пилообразных изменений фаз сигнала и прогнозирование фазы переменной с выбором значений k масштаба a комплексного вейвлета ‘cgau5’

Алгоритм построения модели изменений фазо-временной характеристики на разрезе функции φ_f (k,b), представленной на рисунке 1а, для заданного значения k вейвлетного масштаба состоит из последовательности действий: а) вычисление матрицы φ_f (a,b) вейвлетной фазо-временной функции с использованием cwt-преобразования [11], описанной во введении [1]; б) построение изображения функции φ_f (a,b) (в системе Surfer), приведенного как примера на рисунке 1а, необходимого для визуального выбора значений k масштаба вейвлета на изображении φ_f (a,b); в) вычисление разреза φ_f (k,b) на с построением его графика (графики b-d на рисунке 1); г) оценивание координат минимумов этой пилообразной кривой на временной оси с использованием программы локализации минимумов на разрезах; д) оценивание среднего значения периода T_k изменения фазы на разрезе; е) вычисление длины периода N_k= T_{k / Δt} (_Δt– шаг дискретизации сигнала f(t) ), _Δt=10 в работе, число отсчетов между годами) и угла наклона пилообразной кривой в интервале ±π; и) построение модели изменения фазы сигнала на разрезе в прогнозируемом интервале времени t_н – t_к по формулам (2); выбор значения k масштаба вейвлета на изображении, задаваемого исследователем, зависит от структуры изображения φ_f (a,b); примеры приведены на графиках f,...,i рисунка 1. При анализе исследуемых функций φ_f (a,b) выявляются два типа изображений, представленных на графиках f, g, h, i рисунка 1 как примеров, полученных по наблюдениям в разных временных интервалах: в 422 тысячи лет и в 120 лет. Они отражают два типа откликов гелиокосмических и климатических переменных на воздействия многочисленных факторов с незначительной и значительной вариацией частот переменных между бифуркационными уровнями, что необходимо учитывать при выборе шага Δk дискретизации масштаба вейвлета в разных интервалах изменений изображения φ_f (a,b) с целью достижения высокой точности прогнозирования переменных. Критерием точности прогнозирования переменных является значение коэффициента k согласованности между реальной и прогнозированной фазо-временной характеристикой изображения φ_f (a,b).

На всех изображениях наблюдается ранжированное изменение периодов (частот) переменных, около 5-6 интервалов и бифуркаций частот (зависит от интервала наблюдения). На изображениях типа f и g шаги дискретизации масштаба вейвлета могут быть заданы постоянными, равными 15, 20 единицам; на изображениях типа h и i шаги дискретизации Δk масштаба задаются переменными в разных интервалах изменений масштаба вейвлета: в интервале 1100÷600 на изображении h и в интервале 300–150 изображения i, Δk = 10, на других интервалах этих изображений Δk = 20 или Δk = 25. Заметим, области неравномерных изменений периодов на изображениях наблюдаются в окрестностях бифуркаций частот.

Выбор множества дискретных значений k на разрезах изображения должен быть таким, чтобы охватить весь набор основных частот, характеризующих изменение исследуемого сигнала и восстанавливающих фазо-временную характеристику сигнала (изображения) в интервале наблюдений с приемлемой точностью, удовлетворяющей теореме Котельникова – Найквиста [2].

В работе приводятся исследования прогнозирований двух типов переменных: по наблюдениям 1900–2020 гг. и наблюдениям – (422 – 0) тыс. лет в прошлом.

Исследованиями установлено: по наблюдениям в (422 – 0) тыс. лет в прошлом до современности к группе с равномерным изменением частоты сигнала в некотором частотном интервале (графики h, i на рисунке 1) относятся изменения переменных Insol, Naklon, солнечной радиации (Srad); по наблюдениям в интервале 1900–2020 гг. к этой группе переменных относятся также изменения солнечной радиации (Srad), изменения концентрации озона (Ozon), AMO, CO₂ Гольфстрима (Golfstrim), Insol. В изменениях частот на изображениях φ_f (a,b) многих других переменных: Sact, Baricentr, Vulkan, MPZ, NMPS, элементов орбиты Земли прецессии и эксцентриситета (Prec, Ekc), T.global, Z.Tres и т. д. – аблюдаются изменения частот на изображениях типа, представленного на графиках f и g рисунка 1 (вариации переменной между точками бифуркаций частот незначительны).

Примеры прогнозированных переменных по наблюдениям в 1900–2020 гг.

Прогнозирование переменных производилось по схеме, описанной выше. Прогнозируются вейвлетные фазо-временные характеристики переменных. Они характеризуют изменения не значений, а интенсивностей переменных в наблюдаемом и прогнозируемом интервалах времени. В качестве оценки точности прогнозирования переменной приводится значение коэффициента корреляции k между истинной и прогнозированной фазо-временной характеристикой переменной в наблюдаемом интервале времени, окрашенной на графиках темным цветом. На рисунке 2 приводятся графики изменения вейвлетной фазо-временной характеристики барицентрических движений Солнца и многих гелиокосмических и климатических переменных, важных для прогнозирования социально-экономической деятельности в прогнозируемом интервале времени 2020 – 2250 – 2300 годы, характеризующие интенсивность изменений климатических сред на Земле в этом интервале времени, фаз роста и падений переменных, обусловленных их взаимодействием и влиянием, что отражается в разнопериодности и структуре изменений переменных на графиках.

Рисунок 2. Графики изменений вейвлетных фазо-временных характеристик гелиокосмических и климатических переменных в наблюдаемом (темный цвет) и прогнозированном (красный цвет) интервалах времени от 1900 до 2250, 2300 годов: a) барицентрических движений Солнца в вариантах: a2 = – φ_f (a,b), 2a2 = – φ_a2 (a,b), 3a2 = – φ_2a2 (a,b); b) магнитного поля Земли (MPZ); c) аккумулированной энергии тропических циклонов (Acc.En.Ciclonov); d) арктических льдов (Led Arcticy); e) глобальной температуры (T.global); f) температуры воздуха в Арктике (T.Arctiky); g) вулканических извержений (Vulkan); h) двуокиси углерода в атмосфере (CO₂); i) уровня Мирового океана (YMO); j) землетрясений (Z.Tres); k) явление Эль-Ниньо (El-Nino); l) количества природных катастроф (N. Disasters); m) осадков на планете (Osadky total); n) площадей морских льдов в Арктике (S.more led Arctiky) примерно с 16–18-летними колебаниями в 1975–2250 гг.; o) магнитных бурь (M.bury); p) наступающих ледников в полушариях Земли (NSH Ledniky nast); q) теплосодержания в 700 м слое океана (Teplosoderganie ocn) в 1955–2250 гг.; r) интенсивности течения Гольфстрим (Golfstrim) в 1910–2250 гг.; s) уровня реки Амур (M.Amur) в 1932–2250 гг.; t) уровня Каспийского моря (M.Kaspy); u) количества лесных пожаров в Иркутской области (N.Pg.Irkutsk) в 1947–2250 гг.; v) площадей лесных пожаров в ХМАО (S.Pg.XMAO) в 1973–2250 гг.

Приведенные графики состоят из двух составляющих: наблюдаемой и прогнозированной. Они отличаются тем, что наблюдаемая часть вычисляется как a2 = – mean(φ_f (1:k,b)) на вычисленном изображении φ_f (a,b) заданной временной функции f(t), заданной гелиокосмической или климатической переменной f(t), где t=b. Прогнозированные части кривых на рисунке вычисляются только для нескольких десятков выбранных прогнозированных значений масштаба вейвлета k на каждом изображении φ_f (a,b). По этой причине амплитуды кривых в наблюдаемой части на рисунке 2 более высокие по сравнению с прогнозированной кривой (в обоих случаях вычисляются средние значения числа слагаемых).

На графиках рисунка 2 проявляются следующие особенности: 1) на графиках а фазо-временных характеристик трех уровней изменений переменной Baricentr выделяются интервалы характерных изменений исходной функции, очертания которых проявляются и в изменениях многих других переменных климатической системы (Z.Tres, TPV, TPO, M.bury, En.Tr.Ciclon, Uragan, NDisasters, T.global, T.Arct, Led.Arct, V.Zemly, LOD, Ur.Kaspy, NSH.LedNast) примерно с ~50-летними периодами, означающие существенное влияние изменений переменной Baricentr на изменения других переменных в системе; 2) на графиках а рисунка 2 наблюдается дискретное изменение фаз переменной Baricentr c цикличностью около 11 лет, скорее всего, обусловленной квантовым гравитационным воздействием крупных планет Солнечной системы на движение Солнца в системе координат Солнечной системы [12]. Аналогичные дискретные изменения фаз наблюдаются на графиках изменений фазо-временных характеристик и других переменных; 3) на графиках рисунка 2 наблюдается два типа изменений прогнозированных вейвлетных фазо-временных характеристик переменных: с четко выраженными циклическими изменениями с периодичностями около 35, 40, 48, 58 лет (Baricentr, MPZ, TPV, AccEnCiclon, LedArct, AMO, T.Rus, T,global, T.Arct, YMO, Z.Tres, N.Uragan, N.Disasters, NSH.Led.nast, TPO Trop, Ur.Amura, N.Pg.Irkutska, Ur.Kaspy) и переменные, у которых циклы изменений нечетко выражены: Pg.XMAO, LOD, LedArct, Teplosoderg_e, E/N, Vulkan, Naklon, Golfsrim, TPO, обусловленные содержанием в исходных вейвлетных ВФВХ дискретных высокочастотных фазовых изменений: a2 = – φ_f (a,b) 4) на изображениях f, g, h, i рисунка 1 наблюдаются разные типы изменений фазо-временных функций климатической системы. Эти признаки являются характеристикой того, что в различных физических средах динамика их изменений под воздействием окружающей среды климатической системы происходит дискретно и с разной интенсивностью, согласующейся с теорией квантовой теории гравитации [12].

Графики на рисунке 3 отражают физическую изменчивость сред переменных в длительных интервалах в прошлом и в предполагаемом будущем, обусловленных всевозможными воздействиями действующих факторов. Представляют интерес изменения в настоящем и будущем некоторых задаваемых взаимодействующих факторов. На графиках 3 представлены интенсивности согласованности изменений выбранных групп переменных климатической системы Земли в фазо-временной области в интервале времени 1900–2250 гг., характеризующих существенные циклические взаимовлияния групп переменных.

Рисунок 3. Графики согласованностей изменений групп взаимодействующих климатических переменных Земли в вейвлетной фазо-временной области в интервале 1900–2250 гг.: а) T.global и CO₂ парникового эффекта; b) количества ураганов, природных катастроф, северо-атлантических осцилляций (AMO), уровня Мирового океана (YMO) и аккумулируемой энергии тропических циклонов (AccTropEnCiclon); c) количества вулканов (Vulkan) и землетрясений (Z.Tres); d) барицентрических движений Солнца (Baricentr), напряженности магнитного поля Солнца и магнитного поля Земли; e) переменных Baricentr, AMO, AccTropEnCiclon; f) Baricentr и явления Эль-Ниньо (E/N); g) Baricentr и льдов в Арктике (LedArct); h) Baricentr и уровня Каспийского моря (Kaspy); i) Baricentr, балансовой массы льдов Кавказа (BalansMassaLedKavkaz) и наступающих льдов в Северном и Южном полушариях Земли (NSH.LedNastup); j) площадей лесных пожаров, осадков и температуры в ХМАО (SPg.TempOsXMAO) в 1973–2250 гг.; k) количества и площадей пожаров, температуры и осадков в Иркутской области (NSPgTempOs.Irkutsk) в 1947–2250 гг.; l) количества вулканов в мире и концентрации озона в атмосфере (Vulkan, Ozon); m) CO₂ и Ozon; n) Baricentr и Sact; o) Baricentr и YMO; p) Baricentr и уровня реки Амур (R.Amur) в 1932– 2250 гг.; q) согласованностей n =36 прогнозированных переменных в интервале 1900– 2250 гг.; r) графики согласованных пошаговых изменений переменных: Baricentr, Sact, YMO, Vulkan, CO₂, Tglobal в наблюдаемом и прогнозированном интервале времени 1900–2250 гг. в фазовой области; согласованностей изменений групп: s) Baricentr и Insol в интервале 1900–2250 гг.;t) Baricentr и теплосодержание океана (Teplo.ocn) до глубины 700 м; u) YMO, TPV, TPO, TPO.Tropic (температура поверхности океана в тропической зоне), Teplo.ocn; v) E/N,Teplo.ocn в интервале 1955–2250 гг.; w) Baricentr, Golfstrim; x) Baricentr, Naklon, Insol, Sact, Vulkan, CO₂, AMO, YMO, Golfstrim, NMPS, MPZ, E/N, Tglobal, Tаrctic, YMO

На графиках рисунка 3 отражаются циклические высокосогласованные изменения сравниваемых групп переменных в фазо-временной области наблюдений в 1900–2020 гг. с интервалами подъема и падения интенсивности взаимодействий с их прогнозированными изменениями до 2250 года; средние силы взаимодействий групп V указаны на графиках; наблюдаются циклические с ~100, 150-летними периодами взаимоусилений групп. На графиках a рисунка 3 в эпоху глобального потепления усиление парникового эффекта наблюдается в 1960 – 2050 – 2114 – 2218 гг.; потепление, начатое в 1960 гг., продолжается до 2050 гг. с переходом с меньшей интенсивностью циклических усилений в 2110–2220 гг. с V = 0,52. Примерно такие же циклические изменения наблюдаются на графиках а рисунка 2 переменной Baricentr и в изменениях магнитного поля Земли на рисунке 3b. На графиках взаимодействия группы Baricentr, CO₂, T.global усиление парникового эффекта наблюдается в интервалах 1957 – 2040 – 2122 – 2203 гг. с V = 0,42.

Взаимоусиления переменных Uragan, Disasters, AMO, YMO, En.Tr.Ciclon на графиках b происходят в интервалах 1925 – 2050 – 2210 гг.; извержения вулканов и землетрясения усиливаются в 1940 – 2090 – 2200 гг. (графики с); на графиках d в интервалах времени 1900 – 2150 – 2250 гг. заметны взаимоусиления группы Baricentr, NMPS, MPZ. На графиках e отображаются циклические усиления переменных Baricentr, AMO, En.Tr.Ciclon в интервалах 1900 – 1980 – 2060 – 3220 – 2180 гг.

Усиления южных осцилляций (E/N) барицентрическими движениями Солнца в 1911 – 1963 – 2026 – 2087 – 2240 гг. приведены на графиках f. На графиках g отображаются почти гармонические изменения с периодом 30–40 лет взаимодействий движения Солнца (Baricentr) и изменений льдов в Арктике (Led.Arct) в интервалах 1900 – 2090 – 2235 гг., заметно изменение характера взаимодействий после 2090 гг. Значительная изменчивость уровня Каспийского моря влиянием движений Солнца в 1927 – 2024 – 2146 – 2242 годы отображается на графике h.

Значительная согласованность изменений балансовой массы льдов Кавказа (BalansMassaLedKavkaz) и наступающих льдов в Северном и Южном полушариях Земли (NSH.LedNastup) в интервалах 1900 – 2016 – 2137 – 2250 гг. влиянием переменной Baricentr приводится на графиках I рисунка 3.

Циклически возрастающая изменчивость площадей лесных пожаров изменениями осадков и температуры в ХМАО в 1993 – 2077 – 2146 – 2206 – 2250 отображается на графиках j. На графиках k отображаются обусловленности изменений количества и площадей лесных пожаров в Иркутской области изменениями осадков и температуры в области в интервалах 1945 – 2040 – 2099 – 2134 – 2236 гг.

Циклическая обусловленность изменений концентрации озона в атмосфере изменениями вулканических извержений на Земле в интервалах 1900 – 2000 – 2101 – 2216 гг. приводится на графиках l рисунка 3; циклическая взаимообусловленность изменений CO₂ и озона в атмосфере в 1900 – 2034 – 2172 гг. отображается на графиках m.

Значительная циклическая обусловленность изменений солнечной активности влиянием барицентрических движений Солнца в интервалах 1900 – 1928 – 2057 – 2158 – 2250 гг. показана на графике n рисунка 3. На графике o отображается отклик изменения уровня Мирового океана на воздействие главного фактора Baricentr в интервалах 1900 – 1934 – 2036 –2157 – 2250 гг. На графиках p рисунка 3 показана значительная изменчивость уровня реки Амур влиянием движений Baricentr в интервалах 1900 – 1974 – 2037 – 2161 – 2250 гг., на которой иногда наблюдаются катастрофические наводнения.

На графиках q на рисунке 3 отображается проявление современного глобального потепления в 1966–2040 годы даже при моделировании взаимодействия 36 гелиокосмических и климатических переменных системы.

На графиках r показано самосогласованное изменение нескольких главных переменных: Baricentr, Sact, YMO, Vulkan, Tglobal как пример взаимодействия гелиокосмических и климатических переменных в системе, «кусочка» автоволны в самоорганизующейся климатической системе планеты Земля. Заметим, что все графики на рисунке 3 являются автоволнами групп взаимодействий переменных.

На графиках s рисунка 3 отображается значительное взаимоусиление взаимодействий переменной Baricentr и инсоляции Insol_2a2, обусловленной изменениями орбитальных элементов Земли, в интервалах 1900 – 975 – 2102 – 2227 гг., где прогнозированная кривая Insol_2a2 получена на изображении 2a2 = – φ_a2 (a,b).

На графиках t, u, v рисунка 3 отображаются согласованности изменений теплосодержания океана до глубины 700 метров в 1955–2250 гг. на изменения: Baricentr; YMO,TPV, TPO, TPO.Tropic; E/N в вейвлетной фазо-временной области; наблюдается значительное циклическое влияние этих переменных, групп на изменчивость тепловой энергии океана во времени, колебательные изменения тепловой энергии океана с изменениями явления Эль-Ниньо (E/N) с периодом около 60 лет. В исследованиях проявляется существенная согласованность с V=0,46 изменений тепловой энергии океана (Teplo.ocn) с изменениями напряженности магнитныx полей Солнца и Земли.

На графиках w проявляется главенствующая роль барицентрических движений Солнца (Baricentr) в циклических изменениях теплого течения Гольфстрим в Атлантическом океане с периодичностями около 70, 21 и 12 лет.

На графиках x и w рисунка 3 в интервалах времени 1990 – 2050 – 2110 – 2180 гг. наблюдаются значительные изменения температурных переменных Tglobal, TArctic, E/N и Golfstrim, определяющих климат на Земле, влияниями изменений гелиокосмических переменных, изменениями барицентрических движений Солнца, уровня Мирового океана (YMO).

Прогнозирование климатических изменений по данным наблюдений ледниковых кернов в Антарктике, донных отложений в Атлантике, орбитальных элементов Земли за последние 422 тыс. лет

Представляет интерес заглянуть в тысячелетнее будущее в климатических изменениях на Земле по данным, полученным анализом ледниковых кернов Антарктики [6, 7, 14], которые открыли человечеству 800-тысячелетнюю историю изменений климата на планете. Анализ долговременных изменений климатических переменных, их прогнозирование производятся методом, описанным в статье. Кривые прогнозированных переменных в интервале времени 422 тыс. лет в прошлом до 300–375 тыс. лет в будущем приведены на рисунке 4. На рисунке 4 приведены также графики взаимодействий выделенных групп переменных, характеризующих характер и силу их взаимовлияний на временной оси.

Рисунок 4. Графики изменений прогнозированных переменных климатической системы Земли в вейвлетной фазо-временной области в - 422÷(300–375) тыс. лет по данным анализа ледниковых кернов в Антарктике, донных отложений в Атлантике, орбитальных элементов Земли за последние 422 тыс. лет: а) отклонения температуры воздуха на поверхности ледника в прошлом от современной температуры (Temp); b) изотопно-кислородной кривой δ¹⁸O (O18) в донных отложениях океанов и полярных льдах в значениях δ¹⁸O, т. е. в тысячных долях процента отклонений от стандарта [7]; c) объемной концентрации микрочастиц атмосферного аэрозоля во льду (Pyl) [6]; d) и e) объемной концентрации двуокиси углерода CO₂ и метана CH₄ в атмосферном воздухе; f) мощности антарктического ледникового покрова относительно современного уровня (Led); g) уровня Мирового океана относительно современного (More); h) инсоляции в Южном полушарии (Insol_75S); согласованности k изменений групп переменных в вейвлетной фазо-временной области: i) CO₂, CH₄, Temp (парниковый эффект); j) Led, More, CO₂, CH₄; k) Temp, δ¹⁸O, Led, More, CO₂, CH₄; l) Pyl, CO₂, CH₄; m) Temp, δ¹⁸O, Pyl, Led, More, Insol 65N, Insol75S, CO₂, CH_4, Mg/Ca; n) Temp, δ¹⁸O, Mg/Ca

На графиках рисунка 4 представлены графики прогнозированных кривых изменений палеоклиматических рядов Temp, δ¹⁸O, Pyl, Led, More, CO₂, CH₄, Insol 75S; прогнозированы также изменения Naklon, Ekc, Prec, Insol 65N. Они являются интенсивностями изменений переменных. На графиках проявляется разноцикличность изменений переменных, обусловленных разной природой изменений переменных, их взаимовлияний и одним главным действующим фактором – барицентрическими движениями Солнца. Наибольшие периоды в интервале (120 – 311) тыс. лет содержат изменения Pyl и орбитальные элементы Naklon, Prec и инсоляции Insol 75S, Insol 65N. В изменениях всех переменных содержатся периоды в окрестностях 120, 100, 41, 22, 12, 7, 4 тыс. лет. Изменения кривых в наблюдаемом интервале 422 – 0 тыс. лет в прошлом и прогнозированные составляющие согласованы значительно с k = 0,95÷0,99, приведены на графиках. На графиках заметны локальные рассогласования кривых, исходных и прогнозированных.

На графиках i, j, k, m, n рисунка 4 в современности, в окрестности нулевой точки во времени, в период глобального потепления наблюдаются пики согласованных изменений групп переменных с V~0,9: парниковых газов и температуры, изменений Led, More и парниковых газов: (CO₂, CH_4, Temp), (Led, More, CO₂, CH₄) (Temp, Led, More, CO₂, CH₄) Характерно то, что пики роста кривых в современности наблюдаются при взаимодействии мощности льдов в Антарктике (Led), уровня Мирового океана (More) и приземной температуры (Temp) с изменениями парниковых газов CO₂, CH₄). Нисходящие склоны пиков согласованных изменений групп переменных достигают минимумов, оледенений, в ~11÷13-тысячные годы в будущем с последующими циклическими изменениями с периодами ~40, 48, 55, 60 тыс. лет. На графиках прогнозированных переменных рисунка 4, в современности глобального потепления, в нулевой точке, в фазе роста находятся изменения переменных: Prec, Ekc, Temp, δ¹⁸O, More, Led. Интервалы прошлых оледенений в ~20 тыс. годы наблюдаются на графиках i÷n рисунка 4. На этих же графиках наблюдаются интервалы предполагаемых оледенений в прошлом при малых значениях k и потеплений при высоких значениях k.

На графиках l рисунка 4 отображаются согласованности изменений парниковых газов CO₂, CH₄ и аэрозольной пыли Pyl соответственно и согласованности изменений вулканических извержений Vulkan и пыли Pyl, т. к. изменения переменных CO₂, CH₄ и Vulkan сильно согласованы по наблюдениям в новой эре (на графиках g рисунка 2 [1]); наблюдается сильная согласованность изменений вулканических извержений и землетрясений (Z.Tres) с изменениями во вращении Земли, также показанные на графиках n и o рисунка 2 [1].

На графиках m рисунка 4 отображается согласованность изменений большой группы переменных, указанных выше. На графиках в современности в окрестности нулевой точки проявляется пик согласованности изменений переменных, соответствующий глобальному потеплению. На графике n рисунка в окрестности нулевой точки проявляется заметный пик согласованных изменений переменных Temp, δ¹⁸O с изменениями отношений изотопов Mg/Ca, полученных анализом донных отложений в Атлантике. Полученные графики отражают значительное влияние изменений парниковых газов CO₂, CH₄ на изменчивость отношения изотопов магния и кальция Mg/Ca. В работе [13] указывается, что применение отношения изотопов Mg/Ca более предпочтительно в палеотемпературных методах исследования океана, чем использование изотопного анализа кислорода.

На графиках отражается то, что современное глобальное потепление является закономерностью изменений самосогласованных изменений множества переменных, существующих в Солнечной системе между планетами и в солнечно-земных связях в истории изменений климата в глубоком прошлом, настоящем и в будущем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В работе приводятся результаты анализа множества взаимообусловленных переменных, характеризующих изменения климата на Земле в продолжительном временном интервале. Показано, что эти самоорганизованные изменения обусловлены самоорганизованными взаимодействиями планет Солнечной системы, барицентрическими движениями Солнца и солнечно-земными связями, влияющими на изменения гелиокосмических и климатических переменных Земли.

1. Разработаны высокоточный метод и алгоритм прогнозирования временных рядов, описывающих изменения гелиокосмических, климатических переменных, природных сред с использованием вейвлетных фазо-временных характеристик и функций (изображений) по инструментальным измерениям и палеоданным в 422 тыс. лет в прошлом с длительным горизонтом прогнозирования в сотни и тысячи лет; приведены многочисленные примеры прогнозированных кривых переменных системы. Прогнозированные переменные являются усредненными кривыми множества прогнозированных вейвлетных фазо-временных характеристик, полученных на выбранных разрезах (частотах) вейвлетных фазо-частотно-временных изображениях.
2. На прогнозированных кривых фазо-временных характеристик переменных по данным в новой эре наблюдаются черты изменений вейвлетных фазо-временных характеристик барицентрических движений Солнца (Baricentr) с согласованностью k = 0,11÷0,37 в интервале 1900–2250 гг. для большой группы переменных из 36 прогнозированных.
3. На графиках согласованных изменений фазо-временных характеристик выбранных групп переменных отражены особенности, силы взаимовлияний групп переменных во времени: Baricentr, Sact; Baricentr, Insol; Baicentr, NMPS, MPZ; Temp, CO₂ (парниковый эффект) и многих других групп в интервале 1900–2250 гг. Установлено, что современное глобальное потепление, начатое в 1930-е гг. циклами, продолжалось до 1987 года с последующими циклами падений и подъемов до 2180 гг. с интервалами в 1934 – 1990 – 2050 – 2110 – 2180 годы.
4. На графиках согласованных изменений групп прогнозированных переменных, полученных анализом ледовых кернов из Антарктики, донных отложений Атлантики и климатических орбитальных элементов Земли, установлено, что современное глобальное потепление является закономерным продолжением изменений климата на Земле в прошлом; показано, что современное глобальное потепление примерно через 11–13 тыс. лет сменится глобальным оледенением с последующими циклами потеплений и похолоданий, как было в прошлые тысячелетия. На этих же графиках наблюдаются пики потеплений, оледенений и похолоданий в прошлые тысячелетия, например в ~10-м тысячелетии в прошлом, обусловленные также взаимодействием крупных планет Солнечной системы с Солнцем и Землей.
5. Разработаны метод и комплекс программ, позволяющие моделировать изменения климата на Земле в прошлом, настоящем и будущем, исходными данными для которых являются исключительно инструментальные измерения; позволяющие точнее прогнозировать изменения в климатических переменных, потеплений и похолоданий, обусловленных взаимодействием планет Солнечной системы с Солнцем и Землей, изменениями барицентрических движений Солнца, солнечно-земными связями.

Об авторах

Валерий Иванович Алексеев

Автор, ответственный за переписку.
Email: v-alekseev-1941@yandex.ru

доктор технических наук, независимый исследователь

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рисунок 1. а) изображение временной вейвлетной фазо-частотной функции φf (a,b) солнечной активности f(t)=Sact(t) [5], полученной при k=500 на временном интервале 1900–2020 гг.; b) – d) графики изменений фаз функции φf (a,b), полученные на ее разрезах (темные линии) при k=400,..250,..60 и их прогнозированных значений (красные линии), изменяющихся в интервале ±π по ординате в 2020–2300 гг.; e) графики реальных (темная линия, a2_Sact) и прогнозированных (красная линия, mean_Sact) вейвлетных фазо-временных характеристик изменений солнечной активности в интервале времени 1900–2300 гг., согласованные в наблюдаемом интервале времени 1900–2020 гг. с k = 0,95 с изменениями реальной временной фазовой характеристики. Прогнозированная кривая получена усреднением прогнозированных фазо-временных характеристик, полученных при значениях масштаба a вейвлета (‘cgau5’) k = 475, 460, 450, 425, 400, 360, 345, 325, 300, 275, 250, 225, 200, 175, 150, 140, 120, 100. 80, 60, 40, 22, 12 на изображении а; изображения вейвлетных фазо-временных характеристик: f), h) CO2 – в атмосфере [6, 7] и угла наклона Земли (Naklon) [8] по наблюдениям в 422 – 0 тыс. лет в прошлом; g), i) – глобальной температуры (T.global) [9] и северо-атлантических колебаний (AMO) по наблюдениям в 1900–2020 гг. [10]

Скачать (807KB)

Метаданные

3. Рисунок 2. Графики изменений вейвлетных фазо-временных характеристик гелиокосмических и климатических переменных в наблюдаемом (темный цвет) и прогнозированном (красный цвет) интервалах времени от 1900 до 2250, 2300 годов: a) барицентрических движений Солнца в вариантах: a2 = – φf (a,b), 2a2 = – φa2 (a,b), 3a2 = – φ2a2 (a,b); b) магнитного поля Земли (MPZ); c) аккумулированной энергии тропических циклонов (Acc.En.Ciclonov); d) арктических льдов (Led Arcticy); e) глобальной температуры (T.global); f) температуры воздуха в Арктике (T.Arctiky); g) вулканических извержений (Vulkan); h) двуокиси углерода в атмосфере (CO2); i) уровня Мирового океана (YMO); j) землетрясений (Z.Tres); k) явление Эль-Ниньо (El-Nino); l) количества природных катастроф (N. Disasters); m) осадков на планете (Osadky total); n) площадей морских льдов в Арктике (S.more led Arctiky) примерно с 16–18-летними колебаниями в 1975–2250 гг.; o) магнитных бурь (M.bury); p) наступающих ледников в полушариях Земли (NSH Ledniky nast); q) теплосодержания в 700 м слое океана (Teplosoderganie ocn) в 1955–2250 гг.; r) интенсивности течения Гольфстрим (Golfstrim) в 1910–2250 гг.; s) уровня реки Амур (M.Amur) в 1932–2250 гг.; t) уровня Каспийского моря (M.Kaspy); u) количества лесных пожаров в Иркутской области (N.Pg.Irkutsk) в 1947–2250 гг.; v) площадей лесных пожаров в ХМАО (S.Pg.XMAO) в 1973–2250 гг.

Скачать (1MB)

Метаданные

4. Рисунок 3. Графики согласованностей изменений групп взаимодействующих климатических переменных Земли в вейвлетной фазо-временной области в интервале 1900–2250 гг.: а) T.global и CO2 парникового эффекта; b) количества ураганов, природных катастроф, северо-атлантических осцилляций (AMO), уровня Мирового океана (YMO) и аккумулируемой энергии тропических циклонов (AccTropEnCiclon); c) количества вулканов (Vulkan) и землетрясений (Z.Tres); d) барицентрических движений Солнца (Baricentr), напряженности магнитного поля Солнца и магнитного поля Земли; e) переменных Baricentr, AMO, AccTropEnCiclon; f) Baricentr и явления Эль-Ниньо (E/N); g) Baricentr и льдов в Арктике (LedArct); h) Baricentr и уровня Каспийского моря (Kaspy); i) Baricentr, балансовой массы льдов Кавказа (BalansMassaLedKavkaz) и наступающих льдов в Северном и Южном полушариях Земли (NSH.LedNastup); j) площадей лесных пожаров, осадков и температуры в ХМАО (SPg.TempOsXMAO) в 1973–2250 гг.; k) количества и площадей пожаров, температуры и осадков в Иркутской области (NSPgTempOs.Irkutsk) в 1947–2250 гг.; l) количества вулканов в мире и концентрации озона в атмосфере (Vulkan, Ozon); m) CO2 и Ozon; n) Baricentr и Sact; o) Baricentr и YMO; p) Baricentr и уровня реки Амур (R.Amur) в 1932– 2250 гг.; q) согласованностей n =36 прогнозированных переменных в интервале 1900– 2250 гг.; r) графики согласованных пошаговых изменений переменных: Baricentr, Sact, YMO, Vulkan, CO2, Tglobal в наблюдаемом и прогнозированном интервале времени 1900–2250 гг. в фазовой области; согласованностей изменений групп: s) Baricentr и Insol в интервале 1900–2250 гг.;t) Baricentr и теплосодержание океана (Teplo.ocn) до глубины 700 м; u) YMO, TPV, TPO, TPO.Tropic (температура поверхности океана в тропической зоне), Teplo.ocn; v) E/N,Teplo.ocn в интервале 1955–2250 гг.; w) Baricentr, Golfstrim; x) Baricentr, Naklon, Insol, Sact, Vulkan, CO2, AMO, YMO, Golfstrim, NMPS, MPZ, E/N, Tglobal, Tаrctic, YMO

Скачать (1MB)

Метаданные

5. Рисунок 4. Графики изменений прогнозированных переменных климатической системы Земли в вейвлетной фазо-временной области в - 422÷(300–375) тыс. лет по данным анализа ледниковых кернов в Антарктике, донных отложений в Атлантике, орбитальных элементов Земли за последние 422 тыс. лет: а) отклонения температуры воздуха на поверхности ледника в прошлом от современной температуры (Temp); b) изотопно-кислородной кривой δ18O (O18) в донных отложениях океанов и полярных льдах в значениях δ18O, т. е. в тысячных долях процента отклонений от стандарта [7]; c) объемной концентрации микрочастиц атмосферного аэрозоля во льду (Pyl) [6]; d) и e) объемной концентрации двуокиси углерода CO2 и метана CH4 в атмосферном воздухе; f) мощности антарктического ледникового покрова относительно современного уровня (Led); g) уровня Мирового океана относительно современного (More); h) инсоляции в Южном полушарии (Insol_75S); согласованности k изменений групп переменных в вейвлетной фазо-временной области: i) CO2, CH4, Temp (парниковый эффект); j) Led, More, CO2, CH4; k) Temp, δ18O, Led, More, CO2, CH4; l) Pyl, CO2, CH4; m) Temp, δ18O, Pyl, Led, More, Insol 65N, Insol75S, CO2, CH4, Mg/Ca; n) Temp, δ18O, Mg/Ca

Скачать (978KB)

Метаданные