Климатология

Категории Климатология | Под редакцией сообщества: Науки о Земле

Климатология – наука о географическом распределении климатов Земного шара в их временной динамике. Название происходит от греческих слов λογία (знание) и κλίμα (которое трактуется по-разному: "область, зона" или «наклон» - наклон солнечных лучей, то есть широта данного места).

В соответствии с определением самого объекта исследований менялось содержание науки. Сперва климат понимался как атмосферное понятие, характеризующее типичное состояние погоды определенного региона, а климатология представляла собой раздел науки об атмосфере. В таком плане давались определения А.Гумбольдтом (1859), который вводил в это физическое понятие аспект «самочувствия и душевного настроения человека, а также характеристику развития растений». Р.Фицрой (1865) определил климат как атмосферный процесс, характеризуемый средним течением (круговоротом) погоды. Позднее определение климата как «среднего состояния атмосферы» появилось в трудах А.И.Воейкова, В.Кеппена.

Во второй половине 20 века в работах, в частности, А.С.Монина, появилось представление о климате (глобальном климате), как режиме климатической системы, включающей не только атмосферу, но и океан, криосферу, сушу и биоту. Он же ввел в определение климата представление о его изменчивости, подчеркивая то, что климатической режим изменчив по самой своей природе. В этом случае климатология приняла современные черты синтетической науки, относящейся к науке о Земле.

Климатология - синтетическая наука, относящаяся к наукам о Земле, опирающаяся на фундаментальные представления термодинамики, статистической физики, гидромеханики, планетарной астрономии, географии, биогеохимии (ранее считалась частью атмосферных наук, предназначенной для характеристики географии климатов). Компьютерным воплощением знаний о состоянии климата являются математические модели климатической системы, включающие связанные между собой потоками энергии, массы, количества движения блоки атмосферы, океана, суши, криосферы, биоты.

Ее предметом является изучение географии климатов, диагноз современных изменений климата, изучение климатов прошлого, прогноз состояния климата в будущем (климат будущего). Теория климата направлена на изучение физики формирования глобального (планетарного) климата, и механизмов его изменений. Прикладная климатология изучает влияние изменений климата на состояние окружающей среды, экологию, экономику. Для характеристики используется понятие климатически обусловленные природные ресурсы (агроклиматические ресурсы, водные ресурсы, гидроэнергетические ресурсы, рекреационные ресурсы территорий и др.) и климатически зависимые отрасли экономики.

↑История науки

Климатология на протяжении столетий развивалась как географическая наука, призванная, вместе с другими географическими науками, дать описание территорий для дальнейшего их использования, для ведения военных действий и т.д. В основу знаний были положены регулярные летописи и гражданские записи, записки негоциантов, капитанов, путешественников. На этой основе уже древние египтяне составляли прогнозы водности Нила, а древние греки имели правильные представления о том, что климатические различия отдельных регионов обусловлены особенностями сезонного расположения Солнца на небосводе. В средние века, с расширением диапазона путешествий, данные о распределении температуры стали носить планетарный характер, и климатическая информация стала появляться на географических картах.

Кругосветные и межконтинентальные плавания привели к обогащению знаниями об особенностях общей циркуляции атмосферы: появились представления о господстве в Европе ветров западных направлений (западный перенос), о преимущественно восточных ветрах (пассатах) в значительной части тропиков, о сезонной смене ветров в Гвинейском заливе, Индийском океане и на западе Тихого океана (муссонах). Внедрение в науку глубоких представлений динамики твердого тела привело к созданию научной концепции, объясняющей наблюдаемое распределение ветров (западный перенос в умеренной зоне и восточный перенос в низких широтах), построенное английским ученым Ж. Хэдли (G.Hadley) на основе принципа сохранения углового момента атмосферы.

Однако по настоящему научной основой послужили данные всемирной сети метеорологических станций, которая постепенно, в несколько этапов, была организована Всемирной метеорологической организацией лишь в начале 20 века. Накопление данных наблюдений послужило основой получения эмпирических данных о состоянии климата и его изменениях.

Теоретические представления, развиваемые в климатологии, долгое время касались осмысления географического распределения климатов, оценки агроклиматических ресурсов и др. Обобщением этих работ явилось создание различных государственных стандартов, классификаций климатов (В.Кеппен, Б.П.Алисов, М.И.Будыко), климатических атласов (например, «Физико-географический атлас мира», 1964 г.).

Вопрос о изменениях климата долгое время находился, как ни странно, вне поля зрения климатологии. Первые научные представления о том, что климат меняется, получили геологи. Особенную роль сыграло изучение отложений четвертичного возраста, отразивших чередование ледниковых стадий и межледниковий. Первые конкретные результаты о масштабах изменений природной среды получены в середине 19 века. Затем на протяжении многих десятилетий проводились обширные исследования в разных регионах, показавшие масштабность происходивших изменений. Большую роль сыграли работы советских ученых (К.К.Марков, и др.) изучивших особенности ледникового периода на обширной территории СССР.

Развитие палеоклиматических исследований приводило к накоплению эмпирического материала, однако научных представлений о генезисе изменений климата не еще существовало. Единственным исключением явилась работа югославского астронома М.Миланковича, который в 30-40-х годах разработал теорию изменений климата, связав их с изменениями сезонного перераспределения солнечной энергии, поступающей от Солнца. Судьба этой теории поучительна. Ее появление, да еще в законченном виде, позволило сразу «привязать» реконструированные ряды данных к рассчитанным кривым аномалий солнечной радиации. Сначала казалось, что теория всеобъемлюще объясняет все особенности, однако этот период эйфории закончился через несколько лет, а в 50-60-х годах уже считалось, что имеющиеся совпадения случайны, и теория Миланковича не имеет отношение к реальности. Ренессанс теории наступил в 80-х годах, когда она была уточнена и проверена результатами компьютерных экспериментов с климатическими моделями. Так был установлен класс тех аномалий, происхождение которых может быть объяснено в ее рамках.

Параллельно с палеоданными, представления о нестабильности климата (но иного масштаба) получались и по данным глобальной метеорологической сети – обобщая информацию за десятки лет наблюдений появились представления о межгодовой динамике климата. Однако высказываемые объяснения этого феномена не носили научного характера до конца 60-х годов.

Принципиальную роль в становлении теории климата сыграли работы советского ученого М.И.Будыко и японского ученого С.Манабе, работавшего в США. М.И.Будыко разработал так называемую энергобалансовую модель (известную как модель Будыко-Селлерса), с помощью которой он получил, в виде аналитического решения простого уравнения, распределение аномалий температуры по Земле в зависимости от физических факторов (аномалий солнечной энергии, интенсивности парникового эффекта, определяемой вариациями в атмосфере парниковых газов, выбросами вулканов и др.). С.Манабе стал лидером в климатических исследованиях коллектива лаборатории геофизической гидродинамики принстонского университета (США). Он проводил исследования с помощью компьютерных экспериментов на созданной в этой лаборатории климатической модели. В следующее десятилетие компьютерные эксперименты стали проводиться во многих странах, и их результаты стали использоваться для приблизительных оценок будущих изменений климата, для воспроизведения климатов прошлого и для диагноза современного состояния.

Концепция происходящих в современную эпоху изменений климата базировалась на идее о том, что сжигаемое топливо способствует обогащению атмосферы так называемыми парниковыми газами (СО₂, СН₄, О₃, N₂O, фреоны и др., газами, влияющими на прозрачность атмосферы в диапазоне электромагнитного излучения, испускаемого поверхностью Земли и атмосферой). Идеи о климатически важном значении этого воздействия высказывались и в первой половине 20 века, однако подлинно количественные заключения стали делаться тогда, когда были развиты наблюдения «in situ” за парниковыми газами, и появились теоретические инструменты для анализа. Именно М.И.Будыко и С.Манабе развили данное направление и были лидерами концепции антропогенного потепления климата на протяжении последующих нескольких десятков лет.

В осмыслении механизмов динамики климата важную роль сыграли работы К.Хассельмана (C.Hasselman), который продемонстрировал возможность применения теории броуновского движения для описания динамики климата, показав, что многие наблюдаемые тренды климатических (природных) показателей могут связаны не с влиянием внешних факторов, а происходить как следствие накопления не погашающих друг друга короткопериодных аномалий.

Огромным организационным достижением современной климатологии стало создание Межправительственной группы экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change), в рамках которой происходит координация изучения динамики климата, изучается адаптация хозяйства и общества к происходящим изменениям.

↑Методы

Задачи климатологии – это изучение географии климатов (от глобального распределения климатов по Земному шару до микроклиматических особенностей), диагноз современных изменений климата и прогноз состояния климата в будущем – определяют методы исследований.

Кроме этого, климатологи работают над проблемой восстановления климатов прошлого (эта работа стала актуальной в связи с идеей использования климатических аномалий, реконструированных в прошлом, в качестве аналогов будущего состояния климата), начинают работы в области планетарной климатологии, применительно к изучению планет солнечной системы и экстрасолнечных планет.

Широкий диапазон климатических исследований разделяется на теоретические и прикладные исследования. Теория климата направлена на изучение физики формирования планетарного климата и механизмов его изменений. Прикладная климатология изучает влияние изменений климата на состояние окружающей среды, экологию, экономику. Для характеристики используется понятие климатически обусловленных природных ресурсов (агроклиматические ресурсы, водные ресурсы, гидроэнергетические ресурсы, рекреационные ресурсы территорий и др.) и климатически зависимых отраслей экономики (сельское хозяйство, энергетика, транспорт, туризм и др.).

Методы исследований опираются на данные наблюдений и математическое (компьютерное) моделирование. Данные наблюдений включают результаты гидрометеорологических (аэрологических, гидрометрических и др.) наблюдений, осуществляемых глобальной сетью метеорологических станций. В последнее десятилетие активным средством получения климатической информации стали спутниковые системы. Огромные объемы информации структурируются и заносятся в специальные базы данных. Моделирование климата базируется на математических моделях климатической системы.

↑Современное состояние

Представить современное состояние науки проще всего с позиций достижений и конкретных нерешенных задач. Основные научные достижения климатологии это:

Создание «инструмента» исследований климата – математических моделей климата.

Создание теории климата, объясняющей колебания климата в прошлом и современные изменения климата.

Создание концепции современного потепления климата, понимаемого как синтез природных (естественных) факторов и антропогенно обусловленных влияний.

Разработка методики прогноза изменений климата на 21 век.

Разработка методики прогноза состояния климатически обусловленных природных ресурсов и выработка рекомендаций по адаптации к изменениям.

Перечислим главные нерешенные проблемы. Это, прежде всего, недостаточная достоверность выводов о неизбежности глобального потепления, связанная во многом с тем, что эмпирические ряды наблюдений слишком короткие для достоверного определения длительных климатических изменений.

К проблемам относится и возможная неполнота физических представлений о природе климатических изменений, а также несовершенство климатических моделей.