.png/1280px-K%C3%B6ppen-Geiger_climate_classification_(1980-2016).png)
Климатология (от греч. κλίμα , klima , «наклон»; и -λογία , -logia ) или климатология — это научное изучение климата Земли , обычно определяемого как погодные условия, усредненные за период не менее 30 лет. [1] Климат касается состояния атмосферы в течение длительного или неопределенного периода времени; погода — это состояние атмосферы в течение относительно короткого периода времени. Основными темами исследований являются изучение изменчивости климата , механизмов изменения климата и современного изменения климата . [2] [3] Эта тема исследования рассматривается как часть атмосферных наук и подраздел физической географии , которая является одной из наук о Земле . Климатология включает в себя некоторые аспекты океанографии и биогеохимии .
Основными методами, используемыми климатологами, являются анализ наблюдений и моделирование физических процессов, определяющих климат. Краткосрочное прогнозирование погоды может быть интерпретировано с точки зрения знания долгосрочных явлений климата, например, климатических циклов, таких как Эль-Ниньо–Южное колебание (ENSO), колебание Маддена–Джулиана (MJO), североатлантическое колебание (NAO), арктическое колебание (AO), тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO) и междекадное тихоокеанское колебание (IPO). Климатические модели используются для различных целей: от изучения динамики погодной и климатической системы до прогнозирования будущего климата. [2]
Греки начали формальное изучение климата; на самом деле слово климат происходит от греческого слова klima, что означает «наклон», имея в виду наклон или наклон земной оси. Вероятно, самым влиятельным классическим текстом, касающимся климата, был труд « О воздухе, воде и местах » [4], написанный Гиппократом около 400 г. до н. э . В этой работе комментировалось влияние климата на здоровье человека и культурные различия между Азией и Европой. [4] Эта идея о том, что климат контролирует, какие популяции преуспевают в зависимости от их климата, или климатический детерминизм , оставалась влиятельной на протяжении всей истории. [4] Китайский ученый Шэнь Куо (1031–1095) сделал вывод, что климат естественным образом менялся в течение огромного периода времени, после наблюдения за окаменевшим бамбуком, найденным под землей около Яньчжоу (современный Яньань , провинция Шэньси ), района с сухим климатом, неподходящего в то время для роста бамбука. [5]
Изобретение термометров и барометров во время научной революции позволило вести систематический учет, который начался еще в 1640–1642 годах в Англии. [4] Среди ранних исследователей климата был Эдмунд Галлей , который опубликовал карту пассатов в 1686 году после путешествия в южное полушарие. Бенджамин Франклин (1706–1790) первым нанес на карту течение Гольфстрима для использования при отправке почты из Северной Америки в Европу. Фрэнсис Гальтон (1822–1911) изобрел термин «антициклон» . [6] Гельмут Ландсберг (1906–1985) способствовал использованию статистического анализа в климатологии.
В начале 20 века климатология в основном делала акцент на описании регионального климата. Эта описательная климатология была в основном прикладной наукой, предоставляя фермерам и другим заинтересованным лицам статистические данные о том, какой была нормальная погода и насколько велики были шансы на экстремальные события. [7] Для этого климатологам приходилось определять климатическую норму или среднее значение погоды и экстремальных погодных явлений за период, как правило, 30 лет. [8] Хотя ученые знали о прошлых изменениях климата, таких как ледниковые периоды , концепция климата как изменяющегося только очень постепенно была полезна для описательной климатологии. Это начало меняться в последующие десятилетия, и хотя история науки об изменении климата началась раньше, изменение климата стало одной из основных тем изучения для климатологов только в 1970-х годах и позже. [9]
Различные подтемы климатологии изучают различные аспекты климата. Существуют различные классификации подтем климатологии. Например, Американское метеорологическое общество выделяет описательную климатологию, научную климатологию и прикладную климатологию в качестве трех подкатегорий климатологии, категоризация основана на сложности и цели исследования. [10] Прикладные климатологи применяют свои знания в различных отраслях промышленности, таких как производство и сельское хозяйство . [11]
Палеоклиматология — это попытка реконструировать и понять климат прошлого, изучая такие записи, как ледяные керны и годичные кольца деревьев ( дендроклиматология ). Палеотемпестология использует эти же записи для определения частоты ураганов на протяжении тысячелетий. Историческая климатология — это изучение климата в связи с историей человечества, и поэтому она в основном касается последних нескольких тысяч лет.
Климатология пограничного слоя касается обмена в воде, энергии и импульса вблизи поверхностей. [12] Далее определены подтемы: физическая климатология, динамическая климатология, климатология торнадо , региональная климатология, биоклиматология и синоптическая климатология. Изучение гидрологического цикла в длительных временных масштабах иногда называют гидроклиматологией, в частности, при изучении влияния изменения климата на водный цикл. [10]
Изучение современного климата включает метеорологические данные, накопленные за многие годы, такие как записи об осадках, температуре и составе атмосферы. Знание атмосферы и ее динамики также воплощено в моделях , как статистических , так и математических , которые помогают путем интеграции различных наблюдений и проверки того, насколько хорошо они соответствуют друг другу. Моделирование используется для понимания прошлого, настоящего и потенциального будущего климата.
Исследования климата затруднены из-за больших масштабов, длительных периодов времени и сложных процессов, которые управляют климатом. Климат управляется физическими принципами, которые можно выразить в виде дифференциальных уравнений . Эти уравнения связаны и нелинейны, поэтому приближенные решения получаются с помощью численных методов для создания глобальных климатических моделей . Климат иногда моделируется как стохастический процесс , но это обычно принимается как приближение к процессам, которые в противном случае слишком сложны для анализа.
Сбор длительной записи климатических переменных имеет важное значение для изучения климата. Климатология имеет дело с совокупными данными, которые записали метеорологи. [13] Ученые используют как прямые, так и косвенные наблюдения за климатом, от спутников наблюдения за Землей и научных приборов, таких как глобальная сеть термометров , до доисторического льда, извлеченного из ледников . [14] Поскольку измерительная технология со временем меняется, записи данных часто нельзя сравнивать напрямую. Поскольку города, как правило, теплее, чем окружающие их районы, урбанизация сделала необходимым постоянно корректировать данные для этого эффекта городского острова тепла . [15]
Климатические модели используют количественные методы для моделирования взаимодействия атмосферы, океанов, поверхности суши и льда. Они используются для различных целей от изучения динамики погоды и климатической системы до прогнозов будущего климата. Все климатические модели уравновешивают или почти уравновешивают входящую энергию в виде коротковолнового (включая видимое) электромагнитного излучения на Землю с исходящей энергией в виде длинноволнового (инфракрасного) электромагнитного излучения от Земли. Любой дисбаланс приводит к изменению средней температуры Земли. Большинство климатических моделей включают радиационные эффекты парниковых газов, таких как углекислый газ . Эти модели предсказывают тенденцию к повышению температуры поверхности , а также более быстрое повышение температуры в более высоких широтах.
Модели могут варьироваться от относительно простых до сложных:
Кроме того, они доступны с различными разрешениями в диапазоне от >100 км до 1 км. Высокие разрешения в глобальных климатических моделях очень требовательны к вычислительным ресурсам, и существует лишь несколько глобальных наборов данных. Примерами являются ICON [16] или механистически уменьшенные данные, такие как CHELSA (Climatologies at high resolution for Earth's land surface areas). [17] [18]
Темы, которые изучают климатологи, включают три основные категории: изменчивость климата , механизмы изменения климата и современные изменения климата. [19]
Различные факторы влияют на среднее состояние атмосферы в определенном месте. Например, в средних широтах будет выраженный сезонный цикл температуры, тогда как в тропических регионах температура будет колебаться в течение года незначительно. [20] Другой важной переменной климата является континентальность: расстояние до крупных водоемов, таких как океаны . Океаны действуют как смягчающий фактор, так что на суше, близкой к нему, обычно меньше разница температур между зимой и летом, чем в районах, более удаленных от него. [21] Атмосфера взаимодействует с другими частями климатической системы , при этом ветры создают океанические течения , которые переносят тепло по всему земному шару. [22]
Классификация является важным методом упрощения сложных процессов. Различные климатические классификации разрабатывались на протяжении столетий, первые из которых появились в Древней Греции . То, как классифицируются климаты, зависит от того, каково их применение. Производителю ветровой энергии потребуется другая информация (ветер) в классификации, чем тому, кто больше интересуется сельским хозяйством, для которого осадки и температура важнее. [23] Наиболее широко используемая классификация, климатическая классификация Кеппен , была разработана в конце девятнадцатого века и основана на растительности. Она использует ежемесячные данные о температуре и осадках . [24]
Существуют различные типы изменчивости: повторяющиеся модели температуры или других климатических переменных. Они количественно определяются с помощью различных индексов. Во многом подобно тому, как индекс Dow Jones Industrial Average , который основан на ценах акций 30 компаний, используется для представления колебаний цен акций в целом, климатические индексы используются для представления основных элементов климата. Климатические индексы, как правило, разрабатываются с двойной целью простоты и полноты, и каждый индекс, как правило, представляет статус и время климатического фактора, который он представляет. По своей природе индексы просты и объединяют множество деталей в обобщенное, общее описание атмосферы или океана, которое можно использовать для характеристики факторов, влияющих на глобальную климатическую систему.
Эль-Ниньо–Южное колебание (ЭНСО) — это сопряженное явление океана и атмосферы в Тихом океане, ответственное за большую часть глобальной изменчивости температуры [22] и имеющее цикл от двух до семи лет. [25] Североатлантическое колебание — это режим изменчивости, который в основном ограничивается нижней атмосферой, тропосферой . Слой атмосферы выше, стратосфера , также способен создавать свою собственную изменчивость, наиболее важную из которой является колебание Маддена–Джулиана (MJO), цикл которого составляет приблизительно от 30 до 60 дней. Междекадное тихоокеанское колебание может вызывать изменения в Тихом океане и нижней атмосфере в десятилетних временных масштабах.
Изменение климата происходит, когда изменения климатической системы Земли приводят к новым погодным условиям, которые сохраняются в течение длительного периода времени. Этот период времени может быть как коротким, как несколько десятилетий, так и длиться миллионы лет. Климатическая система получает почти всю свою энергию от солнца. Климатическая система также отдает энергию в космическое пространство . Баланс входящей и исходящей энергии, а также прохождение энергии через климатическую систему определяют энергетический бюджет Земли . Когда входящая энергия больше исходящей энергии, энергетический бюджет Земли положительный, и климатическая система нагревается. Если больше энергии уходит, энергетический бюджет отрицательный, и Земля испытывает охлаждение. [26] Изменение климата также влияет на средний уровень моря .
Современное изменение климата вызвано в основном выбросами парниковых газов в результате сжигания ископаемого топлива, что приводит к повышению средней глобальной температуры поверхности . Повышение температуры — это лишь один аспект современного изменения климата, который также включает в себя наблюдаемые изменения осадков , траекторий штормов и облачности. Более высокие температуры вызывают дальнейшие изменения климатической системы , такие как повсеместное таяние ледников , повышение уровня моря и сдвиги флоры и фауны. [27]
В отличие от метеорологии , которая делает акцент на краткосрочных погодных системах, длящихся не более нескольких недель, климатология изучает частоту и тенденции этих систем. Она изучает периодичность погодных явлений на протяжении многих лет и тысячелетий, а также изменения долгосрочных средних погодных условий в связи с атмосферными условиями. Климатологи изучают как природу климата — локального, регионального или глобального — так и естественные или вызванные человеком факторы, которые вызывают изменение климата. Климатология рассматривает прошлое и может помочь предсказать будущее изменение климата .
К явлениям, представляющим климатологический интерес, относятся пограничный слой атмосферы , модели циркуляции , перенос тепла ( лучистый , конвективный и скрытый ), взаимодействие между атмосферой и океанами и поверхностью суши (в частности, растительностью, землепользованием и топографией ), а также химический и физический состав атмосферы.
Относительно сложный метод прогнозирования, аналоговый метод требует запоминания предыдущего погодного явления, которое, как ожидается, будет имитировано предстоящим событием. Сложным методом является то, что редко существует идеальный аналог для события будущего. [28] Некоторые называют этот тип прогнозирования распознаванием образов, что остается полезным методом оценки осадков над пустотами данных, такими как океаны, используя знание того, как спутниковые снимки соотносятся с интенсивностью осадков над сушей, [29], а также прогнозирование количества осадков и распределения будущего. Разновидность этой темы, используемая для среднесрочного прогнозирования, известна как телесвязи , когда системы в других местах используются для определения местоположения системы в пределах окружающего режима. [30] Одним из методов использования телесвязей является использование климатических индексов, таких как явления, связанные с ЭНСО. [31]
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )