Investigation of the consistency of changes in the wavelet phase characteristics of heliocosmic and climate variables and changes in the components of the world water balance. Part 1

Full Text

Введение

Вода в виде пара, капель жидкой влаги, кристаллов льда находится в земной атмосфере, вода в жидком и твердом состоянии находится на поверхности Земли, в подземных водах в жидком, твердом и химически связанном состоянии в процессе круговорота воды в природе. Воды гидросферы Земли являются основой всех процессов, протекающих на поверхности Земли, в ее недрах, они играют основополагающую роль в геологической истории Земли, в формировании физической и химической среды, климата и погоды, в возникновении жизни на Земле и ее развитии [1, 2]. В этих состояниях количество воды в определенных объемах атмосферы, на поверхности Земли и в ее глубинах залегания циклически изменяются с определенными периодичностями: изменяются уровни морей и океанов, озер [3], стоки рек, водохранилищ [4], площади льдов на поверхности морей и океанов [5]. С изменениями атмосферных и гидросферных процессов на Земле тесно согласованы и возникновение опасных природных явлений и лесных пожаров, наносящие огромные потери [6]. В научной литературе в качестве причин крупных изменений гидросферы указываются тектонические процессы и эволюцию континентов, планетарные трансгрессии и регрессии, человеческая деятельность, связанная с использованием углеродных и водных ресурсов, климатическими изменениями [2]; отсутствуют публикации, связанные с анализом влияния барицентрических движений Солнца на изменчивость гелиокосмических и климатических переменных, составляющих мирового водного баланса, климата на Земле.

Цель исследования – установление закономерностей и причин изменений гидрометрических характеристик мирового водного баланса на Земле: грунтовых и подземных вод, уровня мирового океана и толщины льда, уровня озер, стоков рек, атмосферных процессов, горных ледников, облачностей, как наиболее подвижных составляющих литосферы, природных сред, обусловленные изменениями гелиокосмических и климатических факторов под влиянием барицентрических движений Солнца, определяюшиx климат на Земле.

Результаты и обсуждение

Исходные данные

Решение задачи производится анализом графиков изменений гелиокосмических, климатических переменных и природных сред, публикуемых в научной литературе. В качестве таких переменных использованы графики изменений барицентрического движения Солнца, солнечной активности, многолетней инсоляции Солнца, климатических переменных, балансов водных ресурсов, изменений других природных сред и процессов. Точностные характеристики измеренных переменных определяются характеристиками использованных при этом датчиков [7].

Исследования основаны на использовании вейвлетного фазового метода, изложенного в [8–10], основанного на использовании вейвлетного преобразования [8, 11] c вычислением фазо-частотных ${{\varphi }_{f_i}}_i(a,\overline{b})$ и фазо-временных ${{\varphi }_{f_i}}_i(\overline{a},b)$ характеристик группы сравниваемых переменных $f_i\left(t\right)$, i = 1,…, n в равных интервалах времени $tn÷tk$, построением графиков характеристик на двух рисунках и вычислением двух матриц корреляций между характеристиками, анализа результатов.

Формулы вейвлетных преобразований [8, 11]:

$W_{\psi }(a,b)={\int }_{tn}^{tk}f\left(t\right){\psi }_{ab}\left(t\right)dt,$

вычисление коэффициентов вейвлет-преобразования функции $f\left(t\right)$, заданной во временном интервале $(tn,tk)$ наблюдения с использованием комплексного вейвлета ${\psi }_{ab}\left(t\right)=\text{'}cgau5\text{'}$ с параметрами вейвлета: $a$ – задаваемый исследователем масштаб вейвлета в виде a=1:k (выбор максимального значения k масштаба вейвлета, определяющего полосы частот сигналов, производится экспериментально с вычислением фазо-частотных характеристик сигналов; зависит от временного интервала наблюдения), $b-$ временной сдвиг;

${\varphi }_{f_i}(a,b)=arctg\frac{\mathrm{Im}\left[W_{\psi }(a,b\right]}{\mathrm{Re}\left[W_{\psi }(a,b)\right]}$ – фазо-временная функция (матрица) в Matlab

однозначно вычисляется процедурой ${\varphi }_f(a,b)=angle\left(W\right(a,b\left)\right)$; вновь введенные ${\varphi }_{f_i}(a,\overline{b}),{\varphi }_{f_i}(\overline{a},b)$ - фазо-частотная и фазо-временная характеристики исследуемой функции f(t) в текущие моменты времени; $\overline{a}$ и $\overline{b}$ – знаки усреднений в матрице ${\varphi }_f(a,b).$ Они однозначно вычисляются программно усреднением матрицы ${\varphi }_f(a,b)$ по столбцам (дискретам времени $b$) и строкам (дискретам масштаба вейвлета $a$) соответственно с использованием элементарных операций усреднения. $a1={\varphi }_{f_i}(a,\overline{b})-$фазо-частотная характеристика переменной $f\left(t\right)$ определяет изменение фазы отклика сигнала при изменении его частоты влияниями множества факторв в исследуемом интервале времени $tn÷tk$, на графиках которых отображаются особенности (экстремумы) изменений фазы, бифуркации частот, характеризующие особенности, смену направленностей действий фактора (ов). $a2={\varphi }_{f_i}(\overline{a},b)-$ фазо-временная характеристика переменной $f\left(t\right)$ определяет изменение фазы (направленности изменения) сигнала $f\left(t\right)$ по времени на действующие факторы; фазовые характеристики сигналов изменяются в интервале $\pm \pi$. Графики изменений характеристик группы переменных по наблюдениям в равных интервалах времени $tn÷tk$отражают отличия, особенности, закономерности изменений фазо-частотных характеристик, принадлежность к той или иной группе; и изменений фаз переменных по времени на графиках фазо-временных характеристик на действия факторов среды: гелиокосмических и климатических, – отражают новизну и преимущества метода по сравнению с известными методами [12–14], не позволяющие производить удобное сравнение и анализ переменных. Известные методы анализа данных не позволяют извлечь из исходных сигналов всю полезную составляющую фазо-частотных изменений, обусловленные взаимодействием природных сред с гелиокосмическими и климатическими переменными.

В системе координат масштабы вейвлета – фазы, представленных на графиках, масштабам вейвлета соответствуют частоты сигнала [8]; по этой причине графики на рисунках названы фазо-частотными.

Вейвлетные фазовые характеристики отобранной исследователем группы составляющих водного баланса, природных сред являются откликами, реакциями на воздействия гелиокосмческих и климатических факторов, отбираемых также исследователем, закономерностями, особенностями, отличительными откликами на воздействия. Матрицы корреляций, и графики фазовых характеристик группы исследуемых переменных на двух рисунках отражают основные свойства (относительные изменения фаз по частотам и фаз по времени) отобранной группы переменных к изменениям гелиокосмических и климатических факторов в равных интервалах наблюдений; позволяют разделить изменения переменных на группы по действующим факторам. Матрица фазо-частотных характеристик группы переменных характеризует согласованность изменений фаз составляющих группы по частотам в среднем, матрица фазо-временных характеристик, – согласованность изменений фаз переменных группы по времени с учетом направленностей изменений (фаз) составляющих характеристик; матрицы корреляций характеризуют согласованность изменений графиков фазовых характеристик переменных в наблюдаемых интервалах времени в среднем.

Изменения обеспеченности уровня грунтовых и подземных вод

В исследуемую группу введены подгруппы переменных: гелиокосмические (брицентрические движения Солнца (Baricentr) [15], солнечная активность (Sact) [16], многолетняя инсоляция Солнца (Insol), вулканические извержения (Vulkan), концентрации в атмосфере парниковых газов: метана ($C{H}_4)$, двуокиси углерода $\left(C{O}_2\right),$ оксида азота ($N_{2}O)$ [8, 9]; климатические переменные: солнечная радиация [17] (Srad1), разность радиации (Srad2), приходящей в экваториальную и полярные области Земли (относительно средних для периода 1961-1990 гг), аномалии температуры воздуха над сушей (PTV) [18] и над океаном (TPO) [19], уровень мирового океана (YMO) [20], приземная температура (Temp.prizemn) [21]; .обеспеченности уровня грунтовых вод [4]: на территории бывшего СССР (Grunt1), ЕТС (Grunt2), Казахстана и Средней Азии (Grunt3), США (Grunt4), обобщающей для континентов (Grunt5); уровня подземных вод [4]: обеспеченности (Podzemn1), прирашение его от года к году (Podzemn2), приращения общего объема подземных вод (Podzrm3).

На рисунке 1 приведены графики вейвлетных фазовых характеристик $a1\_{\varphi }_f(a,\overline{b})$ и $a2\_{\varphi }_f(\overline{a},b)$, где $\overline{a}$ и $\overline{b}$ – знаки вычислений средних, усреднений по параметрам вейвлетного преобразования ${\varphi }_f(a,b)$, – времени наблюдения $b$ и масштабу вейвлета a=1:350.

Рисунок 1 – Графики изменений: a) и b) вейвлетных фазо-частотных $\mathit{a}\mathbf{1}\mathbf{=}{\mathit{\varphi }}_{\mathbf{f}}\mathbf{(}\mathit{a}\mathbf{,}\overline{\mathbf{b}}\mathbf{)}$ и фазо-временных $\mathit{a}\mathbf{1}\mathbf{=}{\mathit{\varphi }}_{\mathbf{f}}\mathbf{(}\overline{\mathbf{a}}\mathbf{,}\mathit{b}\mathbf{)}$ характеристик гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, , климатических (Srad1, Srad2, PTV, TPO, YMO, Temp.prizemn) переменных и составляющих водного баланса грунтовых (Grunt1,…,Grunt5) и подземных вод (Podzemn1,…,Podzemn3): c) вейвлетных фазо-временных характеристик грунтовых и подземных вод и усредненной характеристики уровней грунтовых и подземных вод (mean(grunt_podzemn)) в интервале наблюдений 1929,3–1969,6 гг.

Изменения уровней грунтовых и подземных вод описываются в работах [22–24]. На графиках a и b рисунка 1 приведены закономерности изменений фаз сигналов при изменении их частотных составов и фаз переменных по времени в интервале наблюдений 1929,3-1969,6 трех групп переменных: гелиокосмических, климатических, уровней подземных и грунтовых вод на континентах. На графиках наблюдаются отличия и схожести изменений групп переменных в фазо-частотной и фазо-временной областях. Отметим, что близость изменений переменных в фазо-частотной области с высоким коэффициентом корреляции является признаком близости фазо-частотных изменений этих переменных в наблюдаемом интервале времени.

1) На графиках a и b рисунка 1 отображаются закономерности распределений взаимодействих группы переменных в фазо-частотной и фазо-временной областях в наблюдаемом интервале времени.

2) Выявляется, что изменения уровней грунтовых и подземных вод за исключением обеспеченности грунтовых вод Podzemn_1, происходят в противофазе с изменениями гелиокосмических переменных с высокой согласованностью k = 0,73-0,95 в фазо-частотной области и с k=|0,10-0,37| – в фазо-временной области.  3) На изменчивость уровней грунтовых и подземных вод существенны и влияния климатических переменных, в осoбенности PTV, TPO, YMO и приземной температуры $f_3$ c k=|0,49-0,92| в фазо-частотной области, характеризующее близость частотных составов переменных. 4) На изменения уровней грунтовых вод существенны изменения обеспеченности подземных вод с k = – (0,73-0,98) в фазо-частотной области. 5) На изменения гелиокосмических и климатических переменных более чувствительны изменения уровней грунтовых вод и обеспеченность грунтовых вод Podzemn_1 в фазо-чатотной области с k=|0,49-0,96| по сравнению с изменениями приращений подземных вод с k=|0,10-0,61|. 6) Изменения грунтовых вод, значительно, с k = – 0,92 (0,03), изменения подземных вод с k=|0,10-0,96|согласованы с изменениями осадков, испарений и испаряемости на суше в фазо-частотной области; в фазо-временной области эти подгруппы согласованы с k = – 0,11 (0,03) и с k=|0,20-0,72| соответственно. 3) Графики с на рисунке 1 отражают цикличность изменений уровней грунтовых и подземных вод по наблюдениям за переменными в 1929,3-1969,6 годы с периодичностями: 24,2, 12,3 (0,8), 8,3 (1,6), 3,9 (0,6), 1,8 (0,4) лет. Периодичности переменных вычислены с построением изображения вейвлетной фазо-временной функции ${\varphi }_f(a,b)$ усредненной переменной mean (Grunt_podzemn); на графиках c рисунка 1 (в скобках указаны стандартные отклонения $\sigma$ оценивания среднего), на которых наблюдаются переходы однонаправленных изменений переменных к разнонаправленным, временные интервалы перестроек всей группы переменных в изменении климата.

Изменения стока рек на континентах

В группу исследуемых переменных включены подгруппы: гелиокосмические (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, $C{H}_4,$ $C{O}_2,$ $N_{2}O)$, климатические (Srad1, Srad2, PTV, YMO, Temp.prizemn), стоки рек на континентах (Енисея (Enisey). Яны (Jana), Лены (Lena), Оби (Oby), Урала (Ural), Меконга (Mekong), Ориноко (Orinoco), Параны (Parana), Сан-Франсиску (S.Frantis)) [4].

На рисунке 2 представлены графики изменений вейвлетных фазо-частотных ${\varphi }_f(a,\overline{b})$ и фазо-времнных ${\varphi }_f(\overline{a},b)$ характеристик группы взаимодействующих переменных, вычисленных при масштабах вейвлета a=1:400 по наблюдениям в интервале 1939–1983,6 гг.

Характеристик групп гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, $C{H}_4,$ $C{O}_2,$ $N_{2}O)$, климатических (Srad1, Srad2, PTV, YMO, Temp.prizemn) переменных и стоков рек на континентах (Енисея (Enisey). Яны (Jana), Лены (Lena), Оби (Oby), Урала (Ural), Меконга (Mekong), Ориноко (Orinoco), Параны (Parana), Сан-Франсиску (S.Frantis)) по наблюдениям в 1939-1983,6 гг; с) вейвлетных фазо-временных характеристик стоков рек и их усредненных изменений mean (Stok_Rek) в интервале наблюдений 1939–1983,6 гг.

В работах [25–28] приводятся характеристики изменчивости речных русел, использований водных ресурсов и проблемах их доступности в мире. На графиках a и b рисунка 2 отражаются высокие согласованности изменений стоков рек на континентах с изменениями гелиокосмических факторов $f_1$ и $f_2$, – барицентрических движений Солнца $Rbar$ и солнечной активности $Sact$, многолетней инсоляции $Insl,$ вулканических извержений Vulkan и парниковых газов $C{H}_4,$ $C{O}_2,$ $N_{2}O$; глобальных климатических переменных: солнечной радиации $Srad1$ и $Srad2$, приповерхностной температуры воздуха PTV, уровня мирового океана $YMO$, приземной глобальной температуры $f_3$. На графиках a и b рисунка 2 отражаются особенности изменений фаз переменных при изменениях их частотных составов, изменений фаз переменных по времени по наблюдениям за переменными в 1939-1983,6 годы. На графиках четко проявляются распределения изменений переменных на две группы, отличающиеся по спектрам частот. К одной группе относятся изменения солнечной радиации Srad1, Srad2 и изменение приповерхностной температуры воздуха PTV, ко второй группе относятся изменения гелиокосмических переменных $f_1,$ $f_2,$ $Insol,$ $Vulkan,$ $C{H}_4,$ $C{O}_2,$ $N_{2}O,$ уровень мирового океана YMO, приземная температура $f_3$ и стоки рек; спектры частот групп переменных смещены относительно друг от друга. 2) На графиках b фазо-временных характеристиках наблюдается значительная согласованность изменений солнечной радиации Srad1 и приповерхностной температуры воздуха PTV на всем интервале наблюдений с k = 0,94. При этом изменения составляющих второй группы в фазо-частотной области согласованы в среднем с k = 0,74-0,97, в фазо-временной области с k=|0,10-0,88|; изменения составляющих первой группы в фазо-частотной области согласованы с k=|0,10-0,86|, в фазо-временной области согласованы с k=|0,23-0,54|. Изменения стоков рек на континентах согласованы также с изменениями климатической переменной Srad2, – разности солнечной радиации, приходящей в экваториальную и полярные области Земли [17], приповерхностной температуры воздуха PTV, уровня мирового океана УМО и приземной глобальной температуры $f_3$ с k=|0,42-0,98|в фазо-частотной области и с k=|0,34-0,84|в фазо-временной области.

3) На графиках фазовых изменений переменных наблюдается значительная обусловленность изменений стоков крупных рек на континентах изменениями гелиокосмических факторов, изменениями барицентрических движений Солнца с $k=\mathrm{0,89}-\mathrm{0,96}$ в фазо-частотной области, характеризующие согласованность изиенений частотного состава стоков крупных рек на континентах и барицентрических движений Солнца; 4) Изменения стоков крупных рек, значительно, с k = 0,95 (0,02) в фазо-частотной области и с k = 0,74 (0,23) в фазо-временной области, согласованы с изменениями испарений, испаряемости и осадков на суше по наблюдениям в 1936,5–1975 годы.

На графиках b рисунка 2 наблюдаются структуры разно и однонаправленных изменений фазо-временных характеристик переменных, характеризующие цикличность согласованностей изменений переменных, перестройку в климатических изменениях с изменениями барицентрических движений Солнца; на графиках с рисунка 2 приводятся кривые изменений стоков рек на континентах и их усредненных значений в интервале времени наблюдений 1939–1983,6 годы, на которых наблюдается значительная согласованность изменений стоков рек, расположенных на разных континентах и отличающиеся по фазам, указанных и в [1]; периодичности изменений составляющих усредненной кривой: 30,3, 27,9, 14,1, 8,9 (1,6), 6,6 (1,7), 2,7 (0,7) лет, вычисленные по изображению фазо-временной характеристики  ${\varphi }_f(a,b)$ усредненной переменной mean(Stok Rek), приведенной на графиках с рисунка 2.

 

Рисунок 2 – Графики изменений: a) и b) вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных

 

Изменение стока воды на суше

В группу исследуемых переменных включены подгруппы: гелиокосмические (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, $C{H}_4,$ $C{O}_2,$ $N_{2}O)$, климатические (Srad1, Srad2, PTV, YMO, явление Эль-Ниньо (E/N),Temp.prizemn), стоки вод на суше [4] (поверхностный сток в целом (Stok1), стоки внутренних областей (Stok2), поверхностный и подземный сток континентов (Stok3), сток с островов в океан (Stok4) по наблюдениям в 1900–1974,3 гг.

На рисунке 3 приведены графики изменений вейвлетных фазо-частотных ${\varphi }_f(a,\overline{b})$ и фазо-временных ${\varphi }_f(\overline{a},b)$ характеристики группы переменных, вычисленных при масштабе вейвлета a=1:700 по наблюдениям в интервале 1900–1974,3 гг.

На графиках a и b рисунка 3 приведены вейвлетные фазо-частотные и фазо-временные характеристики группы, состоящей из гелиокосмических факторов, климатических переменных, содержащих составляющие стока рек на суше: поверхностного стока в целом, стоков внутренних областей, поверхностного и подземного стока континентов и стока с островов в океан [1]. Фазо-частотные характеристики каждого из переменных на графике характеризуют частотный состав переменных в наблюдаемом интервале времени и их изменения по фазе в интервале $\pm \pi$; такие характеристики группы переменных в одной системе координат: масштабы вейвлета (по абсциссе) и фазы (по ординате) отражают относительные изменения частот сигналов и фаз составляющих группы, их отличительные особенности, закономерности изменений подгрупп на действующие факторы. 1) По графикам a и b изменения переменных удобно разделить на подгруппы; к первой относятся изменения: Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, $C{H}_4,$ $C{O}_2,$ $N_{2}O$ - гелиокосмические переменные, к второй относятся: Srad1, Srad2, PTV, YMO, E/N, Temp.prizemn, Stok1,…,Stok4 – климатические переменные, обусловленные изменениями переменных первой группы, – гелиокосмических переменных.

Рисунок 3 – Графики изменений вейвлетных: a) и b) фазо-частотных и фазо-временных характеристик группы переменных: f₁, f₂, Insol, Vulkan, CH₄, CO₂, N2O, S.rad1, S.rad2, PTV, YMO, El – Nino (E/N), f₃; с) фазо-временных характеристик изменений стоков рек на суше: Stok1, Stok2, Stok3, Stok4 и усредненных значений этих переменных mean(stok sushy) в интервале наблюдений 1900–1974,3 гг.

2) Изменения стоков вод на суше в фазо-частотной области согласованы с изменениями гелиокосмических переменных с k = |0,41-0,73|, с изменениями климатических переменных, – с k = |0,10-0,82|; в фазо-временной области изменения стоков вод на суше согласованы с изменениями гелиокосмических переменных с k = |0,10-0,66|, с изменениями климатических переменных с k = |0,10-0,87|. 3) Изменения стоков вод на суше в фазо-частотной области взаимосогласованы с k = |0,66-0,95|, в фазо-временной области, с k = |0,36-0,99|. 4) Установлено, что изменения поверхностного стока вод на суше в целом, поверхностного и подземного стока вод на суше континентов в фазовых областях изменений почти идентичны, графики изменений фазовых характеристик переменных на всем интервале наблюдений почти совпадают, наблюдаемые на графиках a и b рисунка 3 с k = 0,95. Наблюдается, что на изменения стоков вод на суше большее влияние оказывают изменения климатических переменных: изменения приземной глобальной температуры, уровня и энергетических характеристик океана, обусловленные изменениями гелиокосмических переменных, барицентрического движения Солнца. На изменчивость стоков рек на суше существенны влияния испарений, испаряемости и осадков на суше с k = –0,62 (0,07) в фазо-временной области, при этом стоки с островов в океан происходят в фазе с изменениями испарений, испаряемости и осадков на суше; наблюдается разнонаправленная изменчивость стоков рек на суше изменениями облачностей на континентах с k = |0,10-0,73| в фазо-частотной и с k = |0,10-0,45| в фазо-временной областях. 5) На графиках b рисунков 2 и 3 изменений фазо-временных характеристик стоков рек на континентах и стока воды на суше наблюдаются существенные отличия в разбросанности изменений кривых относительно условного среднего, обусловленное с преимущественным влиянием гелиокосмических факторов в изменении стоков рек и преиущественным влиянием климатияесуких факторов в изменении стоков вод на суше.

Установлено, что периодичности изменений стоков воды на суше по наблюдениям за переменными в 1900–1974,3 годы влияниями гелиокосмических и климатических факторов составляют: 35,7, 21,2 (2,3), 11,2 (0,9), 6,0 (1,3), 3,6 (0,9), 1,8 (0,5) лет; в скобках указаны стандартные отклонения оценок средних. Периодичности усредненной переменной mean(Stok sushy), приведенной на графиках с рисунка 3, получены с использованием ее фазо-временного изображения ${\varphi }_f(a,b).$ [8].

Изменения составляющих водного баланса Мирового океана в аномалиях

В группе исследованы гелиокосмические, климатические переменные и составляющие водного баланса Мирового океана в аномалиях: испарений (dZ_ocn), осадков (dX_оcn), речного и ледникового стоков (dY_ocn), годового прирашения вод океана (dQ_оcn) [4].

На рисунке 4 приведены изменения вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик группы переменных по наблюдениям в 1881,1-1975 гг.

Рисунок 4 – Графики изменений вейвлетных: a) и b) фазо-частотных и фазо-временных характеристик гелиокосмических (Baricentr, Sact, Vulkan, CH₄, CO₂, N₂O), климатических (Srad1, Srad2, PTV, TPO, YMO, Temp.prizemn), составляющих Мирового водного баланса океана в аномалиях (dQ_ocn, dX_ocn, dY_ocn, dZ_ocn); c) вейвлетных фазо-временных характеристик составляющих водного баланса Мирового океана в аномалиях dQ, dX, dY, dZ и их усредненной кривой mean(d.okean) в интервале наблюдений 1881,1–1975 годы

В работе [28] дается описание проблемы загрязнения Мирового океана. Отклики составляющих водного баланса Мирового океана на изменения гелиокосмических и климатических переменных в интервале времени 1881,1–1975 гг. в виде графиков фазо-частотных и фазо-временных характеристик, представлены на рисунках a и b и таблицами корреляций вейвлетных фазовых характеристик переменных. Из них следуют такие особенности и закономерности: 1) в фазо-частотной области изменения составляющих водного баланса Мирового океана с широкой полосой частот в области верхних частот смещены относительно компактно изменяющихся составляющих гелиокосмических переменных в меньшую сторону в противофазе; изменения этих переменных согласованы в среднем с k = 0,41; 2) в фазо-временной области, на графике b, изменения этих групп переменных происходят в среднем в противофазах и согласованы с k = -0,36; характерно то, при изменении двух групп переменных, гелиокосмических переменных и составляющих водного баланса Мирового океана, наблюдаются циклические структуры ромбовидной формы, уменьшающиеся по площади, характеризующие закономерность изменения климата; 3) в фазовых областях группы климатических переменных Srar1, Srad2,TPV,TPO,YMO, $f_3$ и составляющих водного баланса Мирового океана $dQ,dX,dY,dZ,$ представленных на графиках, изменяются в среднем в противофазах с согласованностью k = 0,02 в фазо-частотной области и с k = 0,12 в фазо-временной области; в изменениях этих групп переменных в фазо-временной области в наблюдаемом интервале времени также наблюдаются ромбовидные структуры; 4) изменения составляющих водного баланса Мирового океана в фазо-частотной области взаимосогласованы с k= |0,66-0,95|, в фазо-временной области с k = |0,36-0,99|, т.е. составляющие группы в некоторых интервалах времени изменяются в противофазах; в этой группе изменения составляющих dX и dZ (осадков и испарений) в фазовых областях согласованы с k = 0,94-0,95; 5) в изменениях составляющих водного баланса Мирового океана наблюдается преимущественная направленность влияния гелиокосмических переменных с k= 0,41в фазо-частотной области и с k = -0,36 в фазо-временной области по сравнению с влиянием климатических переменных с k = 0,02 в фазо-частотной области и с k = 0,12 в фазо-временной области. 6) цикличнчность изменений водного баланса Мирового океана в среднем происходит с периодичностями: 41,4, 26,7 (2,3), 15,3 (1,9), 12,0 (2,6), 7,0 (1,8), 1,7 (0,4) лет, вычисленные на фазо-временном изображении усредненной переменной mean, приведенной на графике с рисунка 4; 7) на гафиках b рисунка 4 изменений фазо-временных характеристик группы переменных наблюдаются временные интервалы перестроек изменений климата на Земле.

Изменения в режиме атмосферы

В группе взаимодействующих переменных использованы гелиокосмические, климатические факторы и составляющие водного баланса в режиме атмосферы: колебания площади Алеутской депрессии (Atm1), возникновение тропических штормов в Северной Атлантике (Atm2), развитие глубоких циклонов в Европе (Atm3), увеличение тропических штормов на севере Тихого океана (Atm4) [29–31].

На рисунке 5 приведены графики откликов составляющих режима атмосферы в виде изменений фазо-частотных и фазо-временных характеристик на воздействия гелиокосмических и климатических переменных в наблюдаемых интервалах времени 1908,5–1988,5 и 1963,3–1988,5 годы.

Рисунок 5 – Графики изменений в режиме атмосферы: а) и b) вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик гелиокосмических, климатических переменных и составля-ющих режимов атмосферных процессов (Atm1,…,Atm4) в интервале времени 1908,5–1988,5 годы; c) и d) фазо-временные характеристики изменений режимов атмосферных процессов и их усредненные кривые в интервалах времени 1908,5–1988,5 и 1963,3–1988,5 годы

Примечание: приведенные в работе коэффициенты корреляции r>|0,10| значимы по критерию Стьюдента [13] с уровнем доверия  при объеме выборки n>400, при n>200значимы r>|0,15|.

Режимы изменений динамики атмосферы сопровождаются циклонами, штормами, ураганами в разных частях земного шара, рост числа этих явлений указаны в работах. Графики a и b вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик действующих факторов, гелиокосмических и климатических переменных и откликов атмосферных процессов на эти воздействия, характеризуют относительные изменения, смещенности переменных в частотной и временной областях в наблюдаемом интервале времени. При этом проявляются следующие закономерности: 1) в фазо-частотной области составляющие атмосферных процессов откликаются на согласованные изменения гелиокосмических переменных с вероятностью $k=\mathrm{0,80}$, в фазо-временной области с k = 0,43; 2) эти же атмосферные процессы согласованы с изменениями климатических переменных Srad1, $S.rad\mathrm{2,}$ $PTV,$ $YMO$, $f_3$. с k = 0,10 в фазо-частотной области и с k = 0,21в фазо-временной области; 3) изменения атмосферных процессов взаимосогласованы с вероятностью с k = 0,65-0,82 в фазо-частотной области и с k = 0,54-0,70 в фазо-временной области; 4) наблюдается управление изменениями атмосферных процессов гелиокосмическими переменными $f_1$, $f_2$,  $Insol$, $Vulkan,$ $C{H}_4,$ $C{O}_2,$ $N_{2}O$ в наблюдаемом интервале времени 1908,7–1988,5 гг; 5) установлена значительная однонаправленная изменчивость атмосферных процессов на континентах с изменениями испарений, испаряемости и осадков на суше с k = 0,83 (0,10) в фазо-частотной области и с k = 0,39 (0,23) в фазо-временной области; атмосферные процессы разнонаправленно изменяются с изменениями облачностей с k = |0,16–0,53| в фазо-частотной области и с k = |0,01-0,65| в фазо-частотной области; 5) циклические изменения атмосферных процессов, представленные на графиках с рисунка 5 происходят в среднем с периодичностями: 66,9, 53,3, 48,8, 45, 17,0 (0,8), 11,8 (3,2), 8,8 (1,2), 4,1 (1,0), 2,3 (0,6) лет.

Заключение и выводы

В изменении климата на Земле, составляющих мирового водного баланса, участвуют две группы факторов: гелиокосмические и климатические. В работе в составе гелиокосмических факторов использованы изменения: барицентрических движения Солнца $f_1,$ солнечной активности $f_2$, многолетней солнечной инсоляции $Insol,$ вулканических извержений Vulkan, парниковых газов $C{H}_4,$ $C{O}_2,$ $N_{2}O,$ изменения магнитных полей Солнца и Земли, в составе климатических переменных использованы изменения переменных: солнечной радиации $Srad\mathrm{1,}$ $Srad\mathrm{2,}$ приповерхностной температуры воздуха $PTV,$ температуры на поверхности океана TPO, уровня Мирового океана YMO, глобальной температуры $f_3,$ зависящие от изменений гелиокосмических факторов.

Вейвлетные фазо-частотные и фазо-временные характеристики составляющих Мирового водного баланса, как отклики на воздействия гелиокосмических и глобальных климатических переменных, представленные на графиках рисунков c их отличительными признаками, характеризуются следующими закономерностями изменений в наблюдаемых интервалах времени:

1) В изменении грунтовых и подземных вод в 1929,3–1969,5 гг. наблюдается преимущественное влияние гелиокосмических переменных с k=|0,73-0,96| в фазо-частотной области по сравнению с влиянием климатических факторов с k=|0,10-0,92|; при этом в фазовых областях изменений переменных изменения грунтовых вод и составляющая обеспеченности подземных вод происходят в противофазе с изменениями гелиокосмических переменных за исключением интервала времени 1943,8–1954,2 гг., в которой переменные изменяются преимущественно однонаправлено; значительны взаимные корреляции изменений грунтовых вод и обеспеченность подземных вод с k=|0,91-0,99| в фазо-частотной области и с k=|0,12-0,97| в фазо-временной.

2) По наблюдениям за переменными в 1900–1974,3 гг. на изменения стоков рек на континентах преимущественное влияние оказывают изменения гелиокосмических факторов с в фазо-частотной области и с k=|0,15-0,93| в фазо-временной; влияния глобальных климатических переменных, соответственно, имеют коэффициенты согласий k=|0,10-0,87| и k=|0,10-0,78| в фазовых областях. В фазовых областях взаимные корреляции стоков рек на континентах влиянием общих факторов составляют: k = 0,84-0,98 и k = 0,61-0,94.

3) В изменении стоков рек на суше наблюдается преимущественное влияние изменений климатических переменных с k=|0,10-0,82| в фазо-частотной области и с k=|0,10-0,87| в фазо-временной области по сравнению с влиянием гелиокосмических факторов с k=|0,41-0,73| в фазо-частотной области и с k=|0,10-0,66|в фазо-временной; значительны взаимосогласованности изменений стоков рек на суше влиянием общих факторов с k=|0,66-0,95| в фазо-частотной области и с k=|0,36-0,99| в фазо-временной; фазы изменений поверхностного и подземного стока противоположны фазам изменений других составляющих стока воды на суше, обусловленные сложной природой взаимодействий этих процессов.

4) В изменении составляющих водного баланса Мирового океана по наблюдениям в 1881,1–1975 гг. более интенсивны влияния гелиокосмических факторов с k=0,41 в фазо-частотной области и с k=-0,36 в фазо-временной области по сравнению с влиянием климатических переменных с k=0,02 в фазо-частотной области и с k=0,12 в фазо-временной области; изменения составляющих водного баланса Мирового океана в фазо-частотной области взаимосогласованы с $k=\left|\mathrm{0,66}-\mathrm{0,95}\right|$, в фазо-временной области, с $k=\left|\mathrm{0,36}-\mathrm{0,99}\right|$, т.е. составляющие группы в некоторых интервалах времени изменяются в противофазах; в этой группе изменения составляющих dX и dZ (осадков и испарений) в фазовых областях согласованы с $k=\mathrm{0,94}-\mathrm{0,98.}$

5) В фазо-частотной области составляющие атмосферных процессов откликаются на согласованные изменения гелиокосмических переменных с вероятностью $k=\mathrm{0,80}$, в фазо-временной области, – с k = 0,43; эти же атмосферные процессы согласованы с изменениями климатических переменных с k = 0,10 в фазо-частотной области и с k = 0,21в фазо-временной области; изменения атмосферных процессов взаимосогласованы с вероятностью с k = 0,65-0,82 в фазо-частотной области и с k = 0,54-0,70 в фазо-временной области.

6) Наблюдаются разнонаправленные изменения фазовых характеристик гелиокосмических и климатических переменных с образованием циклически изменяющихся ромбовидных структур на графиках фазо-временных характеристик переменных, определяющие циклическую изменчивость составлябщих мирового водного баланса и перестройку климатических изменений на Земле.

7) На графиках фазо-частотных характеристик групп переменных наблюдается значительная согласованность изменений гелиокосмических факторов с изменениями барицентрических движений Солнца с k = 0,61-0,97 и составляющих мирового водного баланса с барицентрическими движениями Солнца с k=|0,47-0,93| в наблюдаемых интервалах времени, характеризующие близость частотных составов переменных и их изменчивость по фазе.

8) Показано, что используемый вейвлетный фазовый метод с вычислением фазо-частотных и фазо-временных характеристик исследованных групп переменных позволяет утверждать, что основной движущей силой изменений составляющих гидрометрических характеристик мирового водного баланса являются изменения гелиокосмических и климатических переменных, лучистая энергия Солнца и гравитационные силы, обусловленные изменениями барицентрических движений Солнца.

About the authors

Valery I. Alekseev

Author for correspondence.
Email: v_alekseev@ugrasu.ru

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Digital Technologies, Institute of Digital Economy

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1 - Plots of changes: a) and b) of wavelet phase-frequency a1 = φf(a,b) and phase-time a1 = φf(a,b) characteristics of heliocosmic (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, , climatic (Srad1, Srad2, PTV, TPO, YMO, Temp. (c) Wavelet phase-phases of the groundwater (Grunt1,...,Grunt5) and groundwater (Podzemn1,...,Podzemn3) components and water balance components: (c) wavelet phase-time characteristics of groundwater and groundwater and averaged characteristics of groundwater and groundwater levels (mean(grunt_podzemn)) in the observation interval 1929.3-1969.6.

Download (316KB)

Indexing metadata

3. Figure 2 - Graphs of changes: a) and b) of wavelet phase-frequency and phase-time

Download (547KB)

Indexing metadata

4. Figure 3 - Plots of wavelet changes: a) and b) phase-frequency and phase-time characteristics of the group of variables: f1, f2, Insol, Vulkan, CH4, CO2, N2O, S.rad1, S. rad2, PTV, YMO, El - Nino (E/N), f3; c) phase-temporal characteristics of changes in river runoff on land: Stok1, Stok2, Stok3, Stok4 and averaged values of these variables mean(stok sushy) in the observational interval 1900-1974,3

Download (436KB)

Indexing metadata

5. Figure 4 - Plots of changes in wavelet: a) and b) phase-frequency and phase-time characteristics of heliospace (Baricentr, Sact, Vulkan, CH4, CO2, N2O), climate (Srad1, Srad2, PTV, TPO, YMO, Temp. (c) Wavelet phase-temporal characteristics of constituents of the World Ocean water balance in anomalies (dQ_ocn, dX_ocn, dY_ocn, dZ_ocn) and their averaged curve mean(d.okean) in the observation interval 1881.1-1975

Download (649KB)

Indexing metadata

6. Figure 5 - Graphs of atmospheric regime changes: a) and b) wavelet phase-frequency and phase-time characteristics of heliocosmic, climatic variables and components of atmospheric processes modes (Atm1,...,Atm4) in the time interval 1908.5-1988.5; c) and d) phase-time characteristics of atmospheric processes modes changes and their averaged curves in the time intervals 1908.5-1988.5 and 1963.3-1988.5

Download (516KB)

Indexing metadata