.png/1280px-K%C3%B6ppen-Geiger_climate_classification_(1980-2016).png)
Климатология (от греческого κλίμα , klima , «наклон» и -λογία , -logia ) или наука о климате — это научное исследование климата Земли , обычно определяемое 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 современных изменений климата . [2] [3] Эта тема исследования рассматривается как часть наук об атмосфере и подраздел физической географии , которая является одной из наук о Земле . Климатология включает некоторые аспекты океанографии и биогеохимии .
Основными методами климатологов являются анализ наблюдений и моделирование физических процессов, определяющих климат. Краткосрочный прогноз погоды можно интерпретировать с точки зрения знания долгосрочных климатических явлений, например, климатических циклов, таких как Эль-Ниньо – Южное колебание (ENSO), колебание Мэддена – Джулиана (MJO), Североатлантическое колебание (NAO) . ), Арктическое колебание (АО), Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO) и Междекадное Тихоокеанское колебание (IPO). Климатические модели используются для самых разных целей: от изучения динамики погоды и климатической системы до прогнозов будущего климата. [4]
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, посвященным климату, был « О воздухе, воде и местах» [5], написанный Гиппократом около 400 г. до н.э. В этой работе прокомментировано влияние климата на здоровье человека и культурные различия между Азией и Европой. [5] Идея о том, что климат определяет, какие популяции преуспевают в зависимости от их климата, или климатический детерминизм , оставалась влиятельной на протяжении всей истории. [5] Китайский учёный Шэнь Го (1031–1095) сделал вывод, что климат естественным образом менялся в течение огромного промежутка времени, наблюдая за окаменевшим бамбуком , найденным под землей недалеко от Яньчжоу (современный Яньань , провинция Шэньси ), области с сухим климатом, непригодной для этого. время роста бамбука. [6]
Изобретение термометров и барометров во время научной революции позволило вести систематический учет, который начался еще в 1640–1642 годах в Англии. [5] Среди первых исследователей климата Эдмунд Галлей опубликовал карту пассатов в 1686 году после путешествия в южное полушарие. Бенджамин Франклин (1706–1790) первым нанес на карту течение Гольфстрима для отправки почты из Северной Америки в Европу. Фрэнсис Гальтон (1822–1911) изобрел термин антициклон . [7] Гельмут Ландсберг (1906–1985) способствовал использованию статистического анализа в климатологии.
В начале 20 века климатология в основном делала упор на описание региональных климатов. Эта описательная климатология была в основном прикладной наукой, предоставлявшей фермерам и другим заинтересованным людям статистические данные о том, какая была нормальная погода и насколько велика вероятность экстремальных явлений. [8] Для этого климатологам пришлось определить климатическую норму или среднее значение погоды и экстремальных погодных явлений за период, обычно составляющий 30 лет. [9] Хотя ученые знали о прошлых изменениях климата, таких как ледниковые периоды , концепция климата, меняющегося лишь очень постепенно, была полезна для описательной климатологии. Ситуация начала меняться в последующие десятилетия, и хотя история науки об изменении климата началась раньше, изменение климата стало одной из основных тем исследований климатологов только в 1970-х годах и позже. [10]
Различные подтемы климатологии изучают различные аспекты климата. Существуют разные классификации подтем климатологии. Американское метеорологическое общество, например, определяет описательную климатологию, научную климатологию и прикладную климатологию как три подкатегории климатологии, категоризацию, основанную на сложности и цели исследования. [11] Климатологи-прикладники применяют свой опыт в различных отраслях, таких как производство и сельское хозяйство . [12]
Палеоклиматология — это попытка реконструировать и понять климат прошлого путем изучения таких записей, как ледяные керны и годичные кольца ( дендроклиматология ). Палеотемпестология использует эти же записи, чтобы определить частоту ураганов на протяжении тысячелетий. Историческая климатология — это изучение климата в связи с историей человечества и, таким образом, касается в основном последних нескольких тысяч лет.
Климатология пограничного слоя касается обмена водой, энергией и импульсом вблизи поверхности. [13] 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, особенно при изучении влияния изменения климата на водный цикл. [11]
Изучение современного климата включает метеорологические данные, накопленные за многие годы, такие как данные об осадках, температуре и составе атмосферы. Знания об атмосфере и ее динамике также воплощаются в моделях , статистических или математических , которые помогают интегрировать различные наблюдения и проверять, насколько хорошо они совпадают. Моделирование используется для понимания климата прошлого, настоящего и потенциального будущего.
Исследования климата осложняются крупномасштабными, длительными периодами времени и сложными процессами, которые управляют климатом. Климат регулируется физическими принципами, которые можно выразить в виде дифференциальных уравнений . Эти уравнения являются связанными и нелинейными, поэтому приближенные решения получаются с помощью численных методов создания глобальных климатических моделей . Климат иногда моделируют как случайный процесс , но обычно это считается приближением к процессам, которые в противном случае слишком сложны для анализа.
Сбор долгосрочных данных о климатических переменных имеет важное значение для изучения климата. Климатология имеет дело с совокупными данными, записанными метеорологами. [14] 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 . [15] Поскольку технологии измерения со временем меняются, записи данных часто невозможно сравнивать напрямую. Поскольку в городах, как правило, теплее, чем в прилегающих районах, урбанизация привела к необходимости постоянной корректировки данных с учетом эффекта городского острова тепла . [16]
Климатические модели используют количественные методы для моделирования взаимодействия атмосферы, океанов, поверхности суши и льда. Они используются для самых разных целей: от изучения динамики погоды и климатической системы до прогнозов будущего климата. Все климатические модели уравновешивают или почти уравновешивают поступающую на Землю энергию в виде коротковолнового (в том числе видимого) электромагнитного излучения с исходящей энергией в виде длинноволнового (инфракрасного) электромагнитного излучения Земли. Любой дисбаланс приводит к изменению средней температуры Земли. Большинство климатических моделей учитывают радиационное воздействие парниковых газов , таких как углекислый газ . Эти модели предсказывают тенденцию повышения 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 разным разрешением от > 100 км до 1 км. Высокие разрешения в моделях глобального климата требуют очень больших вычислительных ресурсов, и существует лишь несколько глобальных наборов данных. Примерами являются ICON [17] или механически уменьшенные данные, такие как CHELSA (Климатология с высоким разрешением для участков земной поверхности). [18] [19]
Темы, которые изучают климатологи, включают три основные категории: изменчивость климата , механизмы изменения климата и современные изменения климата. [20]
На среднее состояние атмосферы в конкретном месте влияют различные факторы. Например, в средних широтах будет ярко выраженный сезонный цикл температуры, тогда как в тропических регионах наблюдается небольшое изменение температуры в течение года. [21] Еще одной важной переменной климата является континентальность: расстояние до крупных водоемов, таких как океаны . Океаны действуют как смягчающий фактор, поэтому на суше, расположенной рядом с ним, разница температур между зимой и летом обычно меньше, чем в районах, расположенных дальше от него. [22] Атмосфера взаимодействует с другими частями климатической системы : ветры создают океанские течения , которые переносят тепло по всему земному шару. [23]
Классификация — важный метод упрощения сложных процессов. На протяжении веков разрабатывались различные классификации климата , первые из которых были созданы в Древней Греции . Классификация климатов зависит от приложения. Производителю энергии ветра потребуется другая информация (ветер) в классификации, чем тому, кто больше интересуется сельским хозяйством, для которого осадки и температура более важны. [24] Наиболее широко используемая классификация, климатическая классификация Кеппена , была разработана в конце девятнадцатого века и основана на растительности. Он использует ежемесячные данные о температуре и осадках . [25]
Существуют различные типы изменчивости: повторяющиеся закономерности температуры или других климатических переменных. Они количественно оцениваются различными индексами. Во многом подобно тому, как промышленный индекс Доу-Джонса , основанный на ценах акций 30 компаний, используется для представления колебаний цен на акции в целом, климатические индексы используются для представления основных элементов климата. Климатические индексы обычно разрабатываются с двойной целью: простота и полнота, и каждый индекс обычно отражает состояние и время действия 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 связанное явление океана и атмосферы в Тихом океане, ответственное за большую часть глобальной изменчивости температуры [23] и имеющее цикл от двух до семи лет. [26] Североатлантические колебания — это режим изменчивости, который в основном локализуется в нижних слоях атмосферы, тропосфере . Слой атмосферы над ним, стратосфера , также способен создавать свою собственную изменчивость, в первую очередь колебание Мэддена-Джулиана (MJO), цикл которого составляет примерно от 30 до 60 дней. Междесятилетние тихоокеанские колебания могут вызвать изменения в Тихом океане и нижних слоях атмосферы в десятилетних масштабах времени.
Изменение климата происходит, когда изменения климатической системы Земли приводят к новым погодным условиям, которые сохраняются в течение длительного периода времени. Этот период времени может составлять от нескольких десятилетий до миллионов лет. Климатическая система получает почти всю свою энергию от Солнца. Климатическая система также отдает энергию в космическое пространство . Баланс поступающей и исходящей энергии, а также прохождение энергии через климатическую систему определяют энергетический бюджет Земли . Когда поступающая энергия превышает исходящую, энергетический баланс Земли положителен и климатическая система нагревается. Если больше энергии уходит, энергетический баланс становится отрицательным, и Земля охлаждается. [27] Изменение климата также влияет на средний уровень моря .
Современное изменение климата вызвано главным образом антропогенными выбросами парниковых газов в результате сжигания ископаемого топлива, что приводит к повышению глобальной средней приземной температуры . Повышение температуры является лишь одним из аспектов современного изменения климата, которое также включает наблюдаемые изменения количества осадков , следов штормов и облачности. Более высокие температуры вызывают дальнейшие изменения климатической системы , такие как повсеместное таяние ледников , повышение уровня моря и сдвиги флоры и фауны. [28]
В отличие от метеорологии , которая уделяет особое внимание краткосрочным погодным системам, длящимся не более нескольких недель, климатология изучает частоту и тенденции этих систем. Он изучает периодичность погодных явлений на протяжении многих лет и тысячелетий, а также изменения многолетних средних погодных условий в зависимости от атмосферных условий. Климатологи изучают как природу климата – местного, регионального или глобального – так и естественные или антропогенные факторы, вызывающие изменение климата. Климатология учитывает прошлое и может помочь предсказать будущее изменение климата .
Явления, представляющие климатологический интерес, включают пограничный слой атмосферы , характер циркуляции , перенос тепла ( радиационный , конвективный и скрытый ), взаимодействие между атмосферой, океанами и поверхностью суши (особенно растительность, землепользование и топография ), а также химический и физический состав атмосферы. атмосфера.
Относительно сложный метод прогнозирования, аналоговый метод требует запоминания предыдущего погодного явления, которое, как ожидается, будет имитировано предстоящим событием. Сложность этой техники заключается в том, что редко существует идеальный аналог события будущего. [29] Некоторые называют этот тип прогнозирования распознаванием закономерностей, которое остается полезным методом оценки количества осадков в пустотах данных, таких как океаны, с использованием знаний о том, как спутниковые изображения связаны с интенсивностью осадков над сушей, [30] , а также прогнозирование количество осадков и их распределение в будущем. Вариант этой темы, используемый для среднесрочного прогнозирования, известен как телесоединения , когда системы в других местах используются для определения местоположения системы в окружающем режиме. [31] Одним из методов использования телесвязи является использование климатических индексов, таких как явления, связанные с ЭНСО. [32]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в качестве заголовка ( ссылка ) CS1 maint: бот: статус исходного URL неизвестен ( ссылка ) Проверено 23 ноября 2006 г.