УДК 551,461.24:551.583(262.81)
Каспий и климат. 2. Многомасштабные связи колебаний уровня Каспия и характеристик климата
Н. Н, Иващенко*, А. А. Кутало*, Д. М. Сонечкин*
Выполнен многомасштабный анализ ряда данных инструментальных наблюдений за колебаниями уровня Каспийского моря в их взаимосвязи с колебаниями климата. Не подтверждена однозначная зависимость между многолетним изменением уровня моря и современным потеплением, что кладут в основу сверхдолгосрочных прогнозов динамит уровня Каспия некоторые исследователи. Известные периоды падения уровня Каспия в 1930—1940-е годы и его роста в 1970—1990-е годы приурочены к сильнейшим в XX веке эпизодам ЭНЮК, в свою очередь, совпавшим с окончанием первой фазы современного глобального потепления и началом его второй фазы. На основе этой взаимосвязи в 1994 г. было высказано предположение, что к концу XX в. рост уровня Каспия остановится (это подтвердили данные наблюдений в последующие годы).
Делались неоднократные попытки линейно экстраполировать текущие изменения уровня Каспийского моря или линейно же связывать их е носителями долгой климатической памяти, равно как с параметрами солнечной активности и т. п. Для этих целей обычно сглаживали сравниваемые ряды уровня Каспия и климата и затем коррелировали их при разных временных сдвигах. При каком-то сдвиге (обычно порядка десятка лет, что близко к периоду предварительного осреднения, с одной стороны, и составляет заметную часть общей длины рассматриваемых рядов, с другой) находили "значимо большую корреляцию". Оценки таких корреляций при отрицательных сдвигах, т. е. когда тот или иной уровень Каспия предшествовал предположительно на него влияющей климатической характеристике, в таких исследованиях обычно не приводились. Ясно почему: обнаружение "значимой корреляции", когда причина (изменение климата) наступает после следствия (изменения уровня Каспия), априори абсурдно.
Например, в [1] найдена корреляция между средней за холодный период года разностью температур вода — воздух в Норвежском море и объемом воды в Каспии при временном сдвиге в 23 года. Автор полагает, что причиной этого является неравномерность переноса влаги из Северной Атлантики в бассейн Каспия. Но позволительно сомневаться, что требуется 23 года, чтобы испарившаяся в Норвежском море влага попала в Каспий. Достаточно несколько дней, чтобы влага была перенесена воздушными потоками в Восточную Европу и там выпала в виде осадков. Еще до
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации.
полугода (с учетом консервации в виде снежного покрова) надо, чтобы эта влага достигла самого Каспия посредством речного стока. Время подземного стока больше, но известно, что его роль в балансе уровня Каспия второстепенная. Поэтому рассматриваемая корреляция, будь она реальна, должна бы наблюдаться при гораздо меньшем временном сдвиге.
Упомянем в этой связи также "корреляцию" уровня Каспия с явлением Эль-Ниньо — южное колебание (ЭНЮК), найденную в [5]. Участки сравнивавшихся в этой работе рядов с небольшими аномалиями не могли повлиять на оценку корреляции. Сильнейшие же изменения уровня Каспия (падение в 1930—1940-е годы и рост в 1978—1995 гг.), которые и определили эту "корреляцию", примерно совпадают с главными в XX в. эпизодами ЭНЮК (1941—1942 и 1982—1983 гг.). Найденная в [5] "корреляция" получилась положительной, так как во втором эпизоде изменения уровня Каспия и явление ЭНЮК были мощнее. Более того, так как оба эпизода ЭНЮК имели место позже начала обоих резких изменений уровня моря, то доверие к этой "корреляции" приводит к абсурдному выводу, что изменения уровня Каспия влияют на ЭНЮК. Ложные корреляции обязательно возникают при больших временных сдвигах сравниваемых рядов, когда эти ряды нестационарны в интегральном масштабе, т. е. масштабе общей их длины. Для современного климата и самого Каспия такая нестационарность очевидна.
Среди исследователей Каспия вплоть до настоящего времени распространено также представление [7], что из-за глобального потепления климата южная часть пояса умеренных широт на континенте Евразии должна иссушаться, поэтому уровень Каспия должен понижаться. Действительно, анализ палеоклиматичсских данных [2] указывает на очень низкое стояние уровня моря во время так называемой теплой средневековой эпохи (X—XIII века) и его повышение до беспрецедентной за последние 1000 лет величины во время малого ледникового периода (XVIII—-XIX века). Но если посмотреть на изменения уровня Каспия и изменения температуры воздуха у земной поверхности в течение последних 100—150 лет, как они зафиксированы инструментальными наблюдениями, то картина будет иная. Отметим также, что и автор [2] в своей более поздней публикации за рубежом обратил внимание на противоречивость мнений о связи колебаний уровня Каспия с долгопериодными изменениями климата.
На рис. 1 ряды данных инструментальных наблюдений за уровнем Каспия (пункт Баку — Браилов) и глобальной приземной температурой воздуха из [6] за 1871—1993 гг. показаны в условных шкалах так, чтобы было легко их сопоставить. Видно, что тренд понижения уровня моря действительно имел место в первой половине XX в. одновременно с первой фазой глобального потепления. Уровень Каспия продолжал медленно падать (отчасти из-за разбора воды на орошение) вплоть до 1978 г., но потепление, неожиданно для климатологов, сменилось похолоданием. С 1970-х годов началась вторая фаза глобального потепления, но уровень Каспия, не менее неожиданно для гидрологов, начал резко расти.
Для количественного рассмотрения меняющихся корреляций уровня Каспия с климатом удобно использовать вейвлетное преобразование обоих сравниваемых рядов: 66
метеорология и гидрология 2002 N° 6
шо i860 ism то то то то то
Рис. 1. Среднегодовой уровень Каспийского моря (пункт наблюдения Баку — Браилов, 1) и глобальная среднегодовая приземная температура воздуха (данные Джонса и др. [б], 2) за 1871—1993 гг., представленные в условных шкалах и наложенные друг на друга, чтобы облегчить их сравнение.
где ДО — ряд среднегодовых значений уровня Каспия (X = К) или среднегодовой глобальной температуры воздуха (X = Т). Величины вейвлетного преобразования, соответствующие каждому вейвлетному масштабу а, составляют, как известно [4], статистически стационарные последовательности, осциллирующие около нулевого значения. Их корреляции для разных масштабов а
где TIM — длина преобразованного ряда, даны на рис. 2 и подтверждают, что зависимость между колебаниями уровня Каспия и климатом меняется с масштабом времени. Действительно, на самых малых масштабах (межгодовых) корреляция практически нулевая. Она растет с ростом масштаба, достигая примерно 0,35 для вейвлетного масштаба около 7 лет, что соответствует масштабу колебаний уровня моря и температуры воздуха около 28 лет (см. объяснение соотношения между вейвлетным масштабом с использованием вейвлетной функции "мексиканская шляпа" и обычным масштабом гармонического анализа в [4]). При дальнейшем росте масштаба корреляция становится отрицательной, что могло бы подтверждать упомянутую выше гипотезу об отрицательной связи между уровнем Каспия и потеплением климата. Но эти отрицательные корреляции статистически незначимы, ибо эффективное число степеней свободы для них всего 1—2. Можно только констатировать, что с 1871 по 1993 г. уровень Каспия в целом несколько понизился, в то время как глобальная температура воздуха выросла. Однако экстраполировать эту обратную связь между изменением уровня Каспия и потеплением климата на будущее нет статистических оснований.
О)
COR(a)tf = TIM-l,£W(b,a)hW(b,a)
(2)
Учет взаимосвязей между изменениями уровня Каспия и климатом возможен, если принять во внимание многомасштабность этих взаимосвязей. В [3] при таком подходе принята гипотеза, что неравномерность вращения Земли приводит к существованию климатических эпох длительностью несколько десятков лет и что эти эпохи, в свою очередь, определяют динамику Каспия. Однако подразделение климата на эпохи сделано в [3] с помощью довольно грубого метода накопленных сумм аномалий. Возможно, по этой причине авторы [3] посчитали, что климатическая эпоха конца XX в. продолжится вплоть до 2010 г., как и приуроченный к этой эпохе рост уровня Каспия. Сейчас этот прогноз уже не оправдывается. В [10] роль неравномерное! ей вращения Земли как фактора колебаний климата была принята во внимание по-иному. Со ссылкой на недавние достижения в теории нелинейных динамических систем было указано, что крайне важной для существования климатических эпох является несоизмеримость периодов годового форсирования атмосферы притоком тепла от Солнца и чанд-леровского колебания полюсов Земли. Это приводит к возбуждению квазидвухлетних колебаний как в системе энюк. так и во внетропическои атмосфере, а огибающая этих квазидвухлетних колебаний имеет характерные периоды в десятки лет. Упомянем также, что в [9] с использованием вейвлетного преобразования было показано, что глобальные и региональные колебания приземной температуры воздуха и процесса ЭНЮК само-подобны и взаимоподобны в широком диапазоне масштабов (от сезонов до столетий). Эти подобия допускают подразделение современных колебаний климата на эпохи примерно 40-летней длительности, границами которых являются сильнейшие эпизоды ЭНЮК, наблюдавшиеся в XX в.: в самом начале века, в 1941—1942 и 1982—1983 гг. Внутри каждой эпохи выделяются более короткие интервалы времени, климатические колебания внутри которых слабее по амплитуде и более высокочастотны, но после соответствующего перемасштабирования оказываются подобны колебаниям в масштабе основных эпох.
Динамика уровня Каспия хорошо укладывается в эти фазы. Так, оба эпизода сильного и быстрого изменения уровня моря имели место на границах указанных климатических эпох. Это, конечно, не означает наличия причинно-следственной связи между ЭНЮК и динамикой уровня Каспия, хотя бы потому, что уровень моря оба раза начинал меняться до начала соответствующих эпизодов ЭНЮК. Наша гипотеза [10] состоит в том, что есть квазипериодическое внешнее воздействи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.