УДК 551.583: 551.590
МНОГОЛЕТНИЕ КОЛЕБАНИЯ ПРИЗЕМНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ:
РОЛЬ ФАКТОРА ОБЛАЧНОСТИ
Н. С. Сидоренков1)
1) Гидрометцентр России
Россия, 123242, г. Москва, Б. Предтеченский пер., д. 11-13, sidorenkov@mecom.ru
Резюме. Облачность является существенным фактором изменчивости темпе-
ратуры в приповерхностном слое. Количественные данные об облачности, изме-
ренной с помощью продолжительности солнечного сияния, указывают на связи
количества облачности с температурой в приповерхностном слое и ее суточным
размахом. Факторы изменчивости облачности (внутренние, земные и внешние,
неземные) недостаточно изучены, требуют дальнейшего исследования.
Ключевые слова. Облачность, приземная температура, факторы изменчи-
вости.
LONG-TERM OSCILLATIONS IN SURFACE TEMPERATURE:
ROLE OF CLOUDINESS FACTOR
N. S. Sidorenkov1)
1)Hydrometeorological Center of Russia
Predtechensky lane, 11-13, 123242 Moscow, sidorenkov@mecom.ru
Summary. Cloudiness is a significant factor of temperature variability in the
surface layer. Quantitative data on cloudiness measured through the sunshine duration
show a relationship between the cloud amount and temperature in the surface
layer as well as a relationship with its diurnal amplitude. Factors of cloudiness variability
(internal, i.e. earth system determined, and extraterrestrial) are insufficiently
known and need further investigation.
Keywords. Cloudiness, surface temperature, variability factors.
Введение
Современные наблюдаемые изменения температуры в приповерхностном
слое есть результат наложения антропогенных и естественных факторов ее
изменчивости. Среди естественных факторов заметную роль играет облач-
ность. Изменения облачности влияют как на долю потока солнечного излуче-
ния, достигающего земной поверхности, так и на поглощение и пропускание
восходящего потока инфракрасного излучения от земной поверхности и
атмосферных слоев. Меняющийся под воздействием колебаний облачности
радиационный баланс на земной поверхности приводит к определенным изме-
нениям температурного режима в приповерхностном слое. Эта связь довольно
сложна, неоднозначна. Обсуждение ее некоторых особенностей как на кон-
цептуальном уровне, так и с опорой на данные метеорологических наблюде-
ний, является целью данной статьи. Кроме того, предполагается обсудить и
Фундаментальная и прикладная климатология 2/2015
94
возможные причины изменчивости собственно облачности, внешние по отно-
шению к земной системе. На этот предмет пока нет единой точки зрения
среди исследователей.
Общие представления о влиянии облачности
на температурный режим приповерхностного слоя
Ниже рассматриваются области географического пространства региональ-
ного масштаба (тысячи километров), для которых сезонный термический
режим в приповерхностном слое определяется в основном за счет радиацион-
ных факторов. Для простоты изложения не будет делаться различия между
температурой земной поверхности и температурой воздуха в приповерхност-
ном слое атмосферы на высоте метеорологических наблюдений. Поскольку
речь везде идет об аномалиях температуры, то такое упрощение приемлемо.
При ясной погоде днем земная поверхность разогревается солнечной ради-
ацией, а ночью выхолаживается за счет инфракрасного излучения. Летом день
длится существенно дольше ночи, максимальна и полуденная высота Солнца
над горизонтом. Поэтому летом при ясной погоде земная поверхность ото дня
ко дню усиленно разогревается за счет повышенного (по сравнению с клима-
тической нормой) суточного радиационного баланса. В итоге при таком типе
погоды наблюдаются положительные аномалии температуры относительно
климатической нормы. Зимой день короткий, ночь продолжительна, полуден-
ная высота Солнца над горизонтом минимальна. Поэтому зимой при ясной
погоде земная поверхность ото дня ко дню усиленно выхолаживается из-за
пониженного (по сравнению с климатической нормой) суточного радиацион-
ного баланса. В итоге при таком типе погоды наблюдаются отрицательные
аномалии температуры относительно климатической нормы. Следовательно,
при отрицательной аномалии облачности в течение всего года лето в припо-
верхностном слое должно быть жарким, а зима — холодной.
При положительной аномалии облачности, напротив, значительно умень-
шается поступление солнечной радиации днем, но зато ночью существенно
сокращаются потери тепла с потоком инфракрасного излучения. Поэтому при
облачной погоде следует ожидать обратный эффект: летом преобладают отри-
цательные аномалии температуры, а зимой — положительные. Таким обра-
зом, при положительной аномалии облачности в течение всего года лето
должно быть скорее прохладным, а зима — теплой.
Реальность изложенного выше механизма влияния облачности на темпера-
туру проверялась в работах (Сидоренков и др., 2012б, 2013).
Результаты наблюдений
Облачность
С помощью сотрудников Всероссийского научно-исследовательского
института гидрометеорологической информации — Мирового центра данных
Росгидромета (ВНИИГМИ — МЦД) А. И. Неушкина и Б. Г. Шерстюкова и
Сидоренков Н.С.
Фундаментальная и прикладная климатология 2/2015
95
сотрудников метеорологической обсерватории Московского государствен-
ного университета им. М. В. Ломоносова (МГУ) А. А. Исаева и Е. В. Горба-
ренко мы получили ряды срочных наблюдений количества общей облачности
в баллах по следующим метеостанциям: имени С. И. Небольсина, Тимирязев-
ской сельскохозяйственной академии (ТСХА), Всероссийского выставочного
центра (ВВЦ) и МГУ. С 1936 по 1965 г. наблюдения проводились четыре раза
в сутки через каждые 6 часов. С 1966 по 2010 г. наблюдения велись через каж-
дые 3 часа 8 раз в сутки. Обобщив эти данные, мы построили непрерывный
ряд срочных наблюдений количества общей облачности в баллах в Москве с
1936 по 2010 г. Далее, усреднением срочных величин был получен непрерыв-
ный ряд среднесуточных значений количества общей облачности за каждые
сутки с 1936 г. по 2010 г. (Сидоренков и др., 2012б).
Количество облачности в заданной местности имеет ярко выраженный
годовой ход, обусловленный изменением притока солнечной радиации из-за
обращения Земли вокруг Солнца. Мы сосредоточимся на низкочастотных
колебаниях и поэтому приведем только график скользящих средних за пять
лет величин среднесуточного балла облачности (рис. 1).
На рис. 1 видно, что вобщей облачности до 1963 г. и с 1980 по 1993 г. наблюдались положительные
отклонения от долговременного линейного тренда, а в периоды с 1963 по
1979 г. и с 1994 по 1999 г. отрицательные отклонения. Природа этих цикличе-
ских отклонений нуждается в дальнейшем изучении.
Рисунок 1 — Скользящие пятилетние средние величины среднесуточного количества общей
облачности в баллах в Москве и линейный тренд.
Наблюдения за продолжительностью солнечного сияния
Балл облачности определяется наблюдателем визуально, и поэтому этот
показатель носит субъективный характер. Более объективную характеристику
Фундаментальная и прикладная климатология 2/2015
96
количества облачности дает продолжительность солнечного сияния (ПСС),
измеряемая по записям специальных приборов — гелиографов. С помощью
сотрудников метеорологической обсерватории МГУ и ВНИИГМИ МЦД, путем
обобщения рядов наблюдений метеостанций ТСХА, ВДНХ, ВВЦ и МГУ, мы
построили непрерывный ряд ПСС за каждые сутки в Москве с 1955 по 2011 г.
Ю. П. Переведенцев подготовил ряд ПСС для Казани (метеостанция с
координатами 55º47'с. ш. и 49º08'в. д., расположенная на высоте 96,47 м над
уровнем моря) с 1966 по 2010 г. с суточным разрешением (Сидоренков и др.,
2013).
Продолжительность солнечного сияния, как и балл облачности, имеет ярко
выраженный годовой ход. Чтобы отфильтровать его мы вычислили скользя-
щие среднегодовые значения суточной ПСС (с суточной дискретностью) для
Москвы и Казани. Результаты представлены на рис. 2.
Рисунок 2 — Скользящие среднегодовые значения суточной продолжительности солнечного
сияния в Москве (синяя линия) и в Казани (красная линия) и линейные тренды. Во избежание
наложений кривых все значения ПСС для Казани увеличены на 1 час.
Сопоставление показателей температуры
и продолжительности солнечного сияния
На рис. 2 видно, что положительные аномалии солнечного сияния преобла-
дали с 1963 г по 1975 г. и с 1995 г. по 2011 г., а отрицательные аномалии
наблюдались с 1976 г. по 1994 г. В Москве максимальная за день ПСС
(5,9 час.) отмечалась в 2002 г., а минимальная около 3,9 часа — в 1990–1993 г.
В 1963–1975 годы и 1995–2011 годы с жаркими летними сезонами и холод-
ными зимами средняя за день ПСС была примерно на 1.5 часа (31%) больше,
чем в 1976–1994 годы с прохладными летними сезонами и теплыми зимами. В
Сидоренков Н.С.
Фундаментальная и прикладная климатология 2/2015
97
еще большей степени это выражено в Казани — от 3,7 часа до 6,8 часа (Сидо-
ренков и др., 2013).
Интересно отметить, что в заполярном Баренцбурге (78° N, 14° E), где
среднегодовой радиационный баланс отрицателен, ситуация не столь ясная –
отклонения от долговременных трендов ПСС и температуры часто бывают
противоположны по знаку (рис. 3).
Рисунок 3 — Скользящие годовые суммы ПСС (черная линия) и скользящие среднегодовые
значения приземной температуры (розовая линия) в Баренцбурге с 1961 г. по 2011 г.;
представлены также линейные тренды.
Мы считаем (хотя это, несомненно, требует специального исследования),
что это объясняется выраженным отрицательным радиационным балансом на
земной поверхности в Заполярье, доминирующей ролью адвекции тепла.
Связь амплитуды колебаний температуры с продолжительностью солнеч-
ного сияния выявляется и в суточном масштабе времени при анализе данных
наблюдений по Москве и Казани (Сидоренков и др., 2013). Для каждого пун-
кта мы подготовили временные ряды разностей суточной максимальной и
минимальной температуры (размах или удвоенная амплитуда) за 1966–
2011 гг. Затем для каждого из рядов были вычислены скользящие среднегодо-
вые значения с суточной дискретностью. Эта же операция была проведена для
временных рядов продолжительности солнечного сияния за сутки. Далее, дол-
говременный линейный тренд исключен из хода обеих величин. Результаты
для Москвы — отклонения от линейного тренда — приведены на рис. 4.
На рис. 4 видно, что между рассматриваемыми двумя рядами есть
довольно высокая корреляция — коэффициент корреляции r = 0,65. Прираще-
нию ПСС на 1 час примерно соответствует увеличение размаха Т на 1°.
Заметим, что размахи температуры и ПСС в Казани и Москве хорошо кор-
релируют друг с другом (коэффициенты корреляции равны соответственно
0,66 и 0,70) (Сидоренков и др., 2013).
Фундаментальная и прикладная климатология 2/2015
98
Рисунок 4 — Отклонения от линейного тренда скользящих среднегодовых значений суточной
продолжительности солнечного сияния (розовый пунктир) и суточного размаха температуры
воздуха Т (сплошная линия) в Москве с 1966 г. по 2011 г.
Дискуссия
Среди «земных», внутренних естественных факторов затруднительно, а,
может быть, и нельзя выделить ведущий или ведущие. Ведь климат — про-
дукт деятельности климатической системы, где существуют множество пря-
мых и обратных связей. Однако мы полагаем, что среди внешних,
«внеземных» факторов есть все же такие, что оказывают заметное влияние на
земной климат, в частности, на облачность. Есть основания полагать, что
такие воздействия могут быть связаны с гравитационными взаимодействиями
планет (Земли, Луны и Солнца), модулирующими температурные условия на
Земле на временном масштабе от недели до нескольких лет и десятилетий
(Сидоренков, Сумерова, 2012а; Sidorenkov, 2009).
На это косвенно указывает близкое соответствие между спектральными
характеристиками лунно-солнечных приливов и вариаций метеорологических
характеристик. Например, проведенный нами спектральный анализ ряда ано-
малий температуры воздуха в Москве за 1960–2003 гг. обнаружил хорошо
выраженные составляющие с периодами приливного года 355 сут, лунного
периода 206 сут, четверти лунного года 87 сут и лунного сидерического
месяца 27 сут (рис. 5) (Sidorenkov, 2009).
Сингулярный спектральный анализ (разложение по эмпирическим орто-
гональным функциям времени) рядов скорости вращения Земли, глобальных
аномалий температуры воздуха и уровня моря указывает на присутствие в
них периодов близких к лунным периодам 18,6 года и 8,85 года (Zotov et al.,
2014).
Сидоренков Н.С.
Фундаментальная и прикладная климатология 2/2015
99
Рисунок 5 — Периодограмма аномалий температуры воздуха в г. Москве.
Из-за взаимодействия солнечно обусловленных годовых колебаний гидро-
метеорологических элементов с лунными циклами возникают биения. Анализ
сложения двух гармонических колебаний показывает, что при сложении сол-
нечного 365 суточного колебания с лунным 355 суточным колебанием
(13 тропических месяцев) возникают биения амплитуд метеорологических
элементов с периодом 35,2 лет. Этот цикл называют брикнеровским циклом.
Качественное сопоставление биений солнечного и лунного цикла (около
35 лет) указывает на целый ряд совпадений экстремальных фаз биений с круп-
номасштабными аномальными погодными условиями. Мы проанализировали
столетние ряды наблюдений температуры воздуха на метеостанциях Европей-
ской части России с суточной дискретностью (по данным ВНИИГМИ МЦД
(http://aisori.meteo.ru/ClimateR) и нашли, что холодные зимы и жаркие летние
сезоны наблюдались в центре этой области пространства в годы близкие к
2002/2010 г., 1972 г., 1936/1938 г. и 1901 г. Найденная последовательность
аномально жарких летних сезонов и холодных зим, соответствует представле-
нию о существовании квази-35-летних биений температуры воздуха (Сидо-
ренков, Сумерова, 2012а).
Следует отметить, что существуют и иные представления о причинах
изменчивости климата на Земле. Так, в 1990–2000х годах Х. Свенсмарк
(Svensmark, 2007), Н. Шавив (Shaviv, 2005) и ряд других исследователей
высказали и развили идею о космических причинах изменчивости облачности
на Земле — о влиянии галактических космических лучей. Это направление
мысли связано с термином «космоклиматология». В отношении облачности,
эти представления кратко сводятся к следующей последовательности положе-
ний см. http://www.sciencebits.com/HUdebate:
увеличение солнечной активности →
уменьшение потока космических лучей →
уменьшение ионизации атмосферы →
уменьшение количества ядер конденсации →
Фундаментальная и прикладная климатология 2/2015
100
уменьшение облачности →
увеличение приземного потока солнечного излучения →
увеличение температуры земной поверхности.
Однако в этой последовательности положений только первый элемент при-
чина→следствие установлен достаточно надежно. Остальные — лишь гипо-
тезы.
Следует отметить, что причинно-следственная связь между облачностью и
температурой в приповерхностном слое еще недостаточно исследована. Так,
например, в работе (Wagner et al, 2007) на основе данных метеорологических
измерений температуры и спутниковых данных об облачности показано, что в
тропиках на обширных пространствах наблюдается положительная корреля-
ция между температурой и облачностью, в то время как в других работах эта
корреляция оценивается как отрицательная.
Кроме того, роль фактора облачности в изменении температуры в припо-
верхностном слое (которая несомненно реальна) не следует считать домини-
рующей. Например, в работе (Norris et al, 2009) приводятся данные о том, что
примерно с 2000 г., в условиях продолжающегося глобального потепления,
облачность в глобальном масштабе уменьшается. Эта тенденция хорошо
видна на графике, приведенном на рис. 6.
Рисунок 6 — Отклонение среднемесячной глобальной доли облачного покрытия (%)
от среднего за 1983–2012 гг. (зеленая кривая) и то же с удаленным годовым ходом
(синий пунктир) (http://isccp.giss.nasa.gov/zD2BASICS/B8glbp.anomdevs.jpg).
Заключение
В настоящее время при исследовании изменений глобального климата в
мировой научной литературе в основном уделяется внимание антропогенным
воздействиям на климатическую систему — обогащению атмосферы парнико-
выми газами, изменению альбедо земной поверхности и атмосферы (Второй
оценочный доклад Росгидромета….., 2014). При этом естественные факторы
Сидоренков Н.С.
Фундаментальная и прикладная климатология 2/2015
101
изменчивости климата в масштабе десятилетий исследованы еще не в полной
мере. Это служит определенным препятствием для прогнозов климата. Ведь
тот будущий климат, который реализуется в ближайшие века, зависит не
только от антропогенной деятельности, но и от действия естественных факто-
ров.
В данной работе обсуждается один из таких естественных факторов – коли-
чество облачности. Он непосредственно влияет на радиационный баланс зем-
ной поверхности, который в очень большой степени определяет климат
приповерхностного слоя, где обитает человечество. Показано, что фактор
облачности, количественно измеряемый через продолжительности солнеч-
ного сияния, в значительной мере связан с изменением температурного
режима в приповерхностном слое.
Благодарности
Автор выражает благодарность А. И. Неушкину, Б. Г. Шерстюкову и
Ю. П. Переведенцеву за помощь в сборе данных о продолжительности сол-
нечного сияния и температуре на ряде метеостанций.
Список литературы
Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их
последствиях на территории Российской Федерации. Общее резюме.
Москва, Ниц «ПЛАНЕТА», 2014, 58 с.
Сидоренков Н.С., Сумерова К.А. 2012а. Геодинамические причины
декадных изменений климата. Труды Гидрометцентра России. —
2012. — Вып. 348, с. 195–214.
Сидоренков Н.С., Переведенцев Ю.П., Горбаренко Е.В., Неушкин А.И.,
Сумерова К.А., Шарипова М.М., Шерстюков Б.Г. 2012б Брикнеров цикл
в изменении облачности и продолжительности солнечного сияния в
Москве и Казани. Труды Гидрометцентра России. — Вып. 347, с. 35–43.
Сидоренков Н.С., Переведенцев Ю.П., Шарипова М.М., Гимранова
А.Б., Петров В.Н. 2013. О квазичетырехлетних и квазитридцатипятилет-
них биениях амплитуды суточных колебаний температуры. Учёные
записки Казанского университета. Серия: Естественные науки, том 155,
книга 1, 2013, С. 171–179.
Norris J. R., Slingo A. Trends in Observed Cloudiness and Earth’s Radiation
Budget. From the Strüngmann Forum Report, Clouds in the Perturbed Climate
System: Their Relationship to Energy Balance, Atmospheric Dynamics,
and Precipitation Edited by Jost Heintzenberg and Robert J. Charlson. MIT
Press, 2009, p. 17–36. ISBN 978-0-262-01287-4
Shaviv N. J. On climate response to changes in the cosmic ray flux and radiative
budget, J. Geophys. Res, 110, A08105, 2005.
Фундаментальная и прикладная климатология 2/2015
102
Sidorenkov N. S. 2009. The interaction between Earth’s rotation and geophysical
processes. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim,
2009. 317 pp.
Svensmark, H., Cosmoclimatology: A New Theory Emerges, Astron. Geophys.,
58, 1.19-1.24., 2007.
Wagner T., Beirle S., Deutschmann T., Grzegorski M., Platt U. Estimating
climate feedback through water vapor and cloud cover from GOME satellite
observations. A contribution to the ACCENT subproject TROPOSAT-2. Proceedings
of the second ACCENT symposium, Urbino, Italy, July 23–26,
2007.
Zotov L.V., Bizouard Christian, and Sidorenkov N.S.. 2014. Common oscillations
in Global Earth Temperature, Sea Level, and Earth rotation Poster at
EGU General Assembly 2014. Geophysical Research Abstracts Vol. 16,
EGU2014-5683, 2014
↧