CC BY
16
В исследуемую группу введены подгруппы переменных: гелиокосмические (брицентри-ческие движения Солнца (Baricentr) [15], солнечная активность (Sact) [16], многолетняя инсоляция Солнца (Insol), вулканические извержения (Vulkan), концентрации в атмосфере парниковых газов: метана (CH4), двуокиси углерода (CO2), оксида азота (N2O) [8, 9]; климатические переменные: солнечная радиация [17] (Sradl), разность радиации (Srad2), приходящей в экваториальную и полярные области Земли (относительно средних для периода 19611990 гг), аномалии температуры воздуха над сушей (PTV) [18] и над океаном (TPO) [19], уровень мирового океана (YMO) [20], приземная температура (Temp.prizemn) [21]; .обеспеченности уровня грунтовых вод [4]: на территории бывшего СССР (Grunt1), ЕТС (Grunt2), Казахстана и Средней Азии (Grunt3), США (Grunt4), обобщающей для континентов (Grunt5); уровня подземных вод [4]: обеспеченности (Podzemn1), прирашение его от года к году (Podzemn2), приращения общего объема подземных вод (Podzrm3).
На рисунке 1 приведены графики вейвлетных фазовых характеристик a1_Pf (a, b) и
a2 _pf (a,b), где a и b - знаки вычислений средних, усреднений по параметрам вейвлетного преобразования pf (a, b), - времени наблюдения b и масштабу вейвлета a=1:350.
Рисунок 1 - Графики изменений: а) и b) вейвлетных фазо-частотных a1 = р ^ (a, b ) и фазо-временных
a1 = pf (a, b) характеристик гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, CH4, CO2, N2 O) ,
климатических (Srad1, Srad2, PTV, TPO, YMO, Temp.prizemn) переменных и составляющих водного баланса грунтовых (Grunt1,...,Grunt5) и подземных вод (Podzemn1,...,Podzemn3): c) вейвлетных фазо-временных характеристик грунтовых и подземных вод и усредненной характеристики уровней грунтовых и подземных вод (mean(grunt_podzemn)) в интервале наблюдений 1929,3-1969,6 гг.
Изменения уровней грунтовых и подземных вод описываются в работах [22-24]. На графиках a и b рисунка 1 приведены закономерности изменений фаз сигналов при изменении их частотных составов и фаз переменных по времени в интервале наблюдений 1929,3-1969,6 трех групп переменных: гелиокосмических, климатических, уровней подземных и грунтовых вод на континентах. На графиках наблюдаются отличия и схожести изменений групп переменных в фазо-частотной и фазо-временной областях. Отметим, что близость изменений переменных в фазо-частотной области с высоким коэффициентом корреляции является признаком близости фазо-частотных изменений этих переменных в наблюдаемом интервале времени.
1) На гафиках a и b рисунка 1 отображаются закономерности распределений взаимодей-ствих группы переменных в фазо-частотной и фазо-временной областях в наблюдаемо-минтервале времени.
2) Выявляется, что изменения уровней грунтовых и подземных вод за исключением обеспеченности грунтовых вод Podzemn_1, происходят в противофазе с изменениями гелиокосмических переменных с высокой согласованностью k = 0,73-0,95 в фазо-частотной области и с k=|0,10-0,37| в фазо-временной области. 3) На изменчивость
уровней грунтовых и подземных вод существенны и влияния климатических переменных, в осoбенности PTV, TPO, YMO и приземной температуры f3 c k=|0,49-0,92| в фа-
зо-частотной области, характеризующее близость частотных составов переменных. 4) На изменения уровней грунтовых вод существенны изменения обеспеченности подземных вод с k = - (0,73-0,98) в фазо-частотной области. 5) На изменения гелиокосмиче-ских и климатических переменных более чувствительны изменения уровней грунтовых вод и обеспеченность грунтовых вод Podzemn_1 в фазо-чатотной области с k=|0,49-0,96| по сравнению с изменениями приращений подземных вод с k=|0,10-0,611. 6) Изменения грунтовых вод, значительно, с k = - 0,92 (0,03), изменения подземных вод с k=|0,10-0,96| согласованы с изменениями осадков, испарений и испаряемости на суше в фазо-частотной области; в фазо-временной области эти подгруппы согласованы с k = - 0,11 (0,03) и с k=|0,20-0,72| соответственно. 3) Графики с на рисунке 1 отражают цикличность изменений уровней грунтовых и подземных вод по наблюдениям за переменными в 1929,3-1969,6 годы с периодичностями: 24,2, 12,3 (0,8), 8,3 (1,6), 3,9 (0,6), 1,8 (0,4) лет. Периодичности переменных вычислены с построением изображения вейвлетной фазо-временной функции cpf (a, b) усредненной переменной mean (Grunt_podzemn); на
графиках c рисунка 1 (в скобках указаны стандартные отклонения а оценивания среднего), на которых наблюдаются переходы однонаправленных изменений переменных к разнонаправленным, временные интервалы перестроек всей группы переменных в изменении климата.
Изменения стока рек на континентах
В группу исследуемых переменных включены подгруппы: гелиокосмические (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, CH4, CO2, N2O), климатические (Srad1, Srad2, PTV, YMO, Temp.prizemn), стоки рек на континентах (Енисея (Enisey). Яны (Jana), Лены (Lena), Оби (Oby), Урала (Ural), Меконга (Mekong), Ориноко (Orinoco), Параны (Parana), Сан-Франсиску (S.Frantis)) [4].
На рисунке 2 представлены графики изменений вейвлетных фазо-частотных cpf (a, b ) и фазо-времнных cpf (a, b) характеристик группы взаимодействующих переменных, вычисленных при масштабах вейвлета a=1:400 по наблюдениям в интервале 1939-1983,6 гг.
Характеристик групп гелиокосмических (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, CH4, CO2, N2O), климатических (Srad1, Srad2, PTV, YMO, Temp.prizemn) переменных и стоков рек на континентах (Енисея (Enisey). Яны (Jana), Лены (Lena), Оби (Oby), Урала (Ural), Меконга (Mekong), Ориноко (Orinoco), Параны (Parana), Сан-Франсиску (S.Frantis)) по наблюдениям в
1939-1983,6 гг; с) вейвлетных фазо-временных характеристик стоков рек и их усредненных изменений mean (Stok_Rek) в интервале наблюдений 1939-1983,6 гг.
Рисунок 2 - Графики изменений: a) и b) вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных
В работах [25-28] приводятся характеристики изменчивости речных русел, использований водных ресурсов и проблемах их доступности в мире. На графиках a и b рисунка 2 отражаются высокие согласованности изменений стоков рек на континентах с изменениями гелиокосмических факторв f и f2, - барицентрических движений Солнца Rbar и солнечной активности Sact, многолетней инсоляции Insl, вулканических извержений Vulkan и парниковых газов CH4, CO2, N2O ; глобальных климатических переменных: солнечной радиации Srad1 и Srad2, приповерхностной температуры воздуха PTV, уровня мирового океана YMO, приземной глобальной температуры f3. 1) На графиках a и b рисунка 2 отражаются особенности изменений фаз переменных при изменениях их частотных составов, изменений фаз переменных по времени по наблюдениям за переменными в 1939-1983,6 годы. На графиках четко проявляются распределения изменений переменных на две группы, отличающиеся по спектрам частот. К одной группе относятся изменения солнечной радиации Srad1, Srad2 и изменение приповерхностной температуры воздуха PTV, ко второй группе относятся изменения гелиокосмических переменных f15 f2, Insol, Vulkan, CH4, CO2, N2O, уровень мирового океана YMO, приземная температура f3 и стоки рек; спектры частот групп переменных смещены относительно друг от друга. 2) На графиках b фазо-временных характеристиках
наблюдается значительная согласованность изменений солнечной радиации Srad1 и приповерхностной температуры воздуха PTV на всем интервале наблюдений с k = 0,94. При этом изменения составляющих второй группы в фазо-частотной области согласованы в среднем с k = 0,74-0,97, в фазо-временной области с k=|0,10-0,88|; изменения составляющих первой группы в фазо-частотной области согласованы с k=|0,10-0,86|, в фазо-временной области согласованы с k=|0,23-0,54|. Изменения стоков рек на континентах согласованы также с изменениями климатической переменной Srad2, - разности солнечной радиации, приходящей в экваториальную и полярные области Земли [17], приповерхностной температуры воздуха PTV, уровня мирового океана УМО и приземной глобальной температуры f3 с k=|0,42-0,98^
фазо-частотной области и с k=|0,34-0,84^ фазо-временной области.
3) На графиках фазовых изменений переменных наблюдается значительная обусловленность изменений стоков крупных рек на континентах изменениями гелиокосмических факторов, изменениями барицентрических движений Солнца с k = 0,89 - 0,96 в фазо-частотной области, характеризующие согласованность изиенений частотного состава стоков крупных рек на континентах и барицентрических движений Солнца; 4) Изменения стоков крупных рек, значительно, с k = 0,95 (0,02) в фазо-частотной области и с k = 0,74 (0,23) в фазо-временной области, согласованы с изменениями испарений, испаряемости и осадков на суше по наблюдениям в 1936,5-1975 годы.
На графиках b рисунка 2 наблюдаются структуры разно и однонаправленных изменений фазо-временных характеристик переменных, характеризующие цикличность согласованно-стей изменений переменных, перестройку в климатических изменениях с изменениями барицентрических движений Солнца; на графиках с рисунка 2 приводятся кривые изменений стоков рек на континентах и их усредненных значений в интервале времени наблюдений 19391983,6 годы, на которых наблюдается значительная согласованность изменений стоков рек, расположенных на разных континентах и отличающиеся по фазам, указанных и в [1]; периодичности изменений составляющих усредненной кривой: 30,3, 27,9, 14,1, 8,9 (1,6), 6,6 (1,7), 2,7 (0,7) лет, вычисленные по изображению фазо-временной характеристики pf (a, b) усредненной переменной mean(Stok Rek), приведенной на графиках с рисунка 2.
Изменение стока воды на суше
В группу исследуемых переменных включены подгруппы: гелиокосмические (Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, CH4, CO2, N2O), климатические (Srad1, Srad2, PTV, YMO, явление Эль-Ниньо (E/N),Temp.prizemn), стоки вод на суше [4] (поверхностный сток в целом (Stok1), стоки внутренних областей (Stok2), поверхностный и подземный сток континентов (Stok3), сток с островов в океан (Stok4) по наблюдениям в 1900-1974,3 гг.
На рисунке 3 приведены графики изменений вейвлетных фазо-частотных pf (a, b ) и фа-
зо-времнных pf (a, b) характеристики группы переменных, вычисленных при масштабе
вейвлета a=1:700 по наблюдениям в интервале 1900-1974,3 гг.
На графиках a и b рисунка 3 приведены вейвлетные фазо-частотные и фазо-временные характеристики группы, состоящей из гелиокосмических факторов, климатических переменных, содержащих составляющие стока рек на суше: поверхностного стока в целом, стоков внутренних областей, поверхностного и подземного стока континентов и стока с островов в океан [1]. Фазо-частотные характеристики каждого из переменных на графике характеризуют частотный состав переменных в наблюдаемом интервале времени и их изменения по фазе в интервале ± п ; такие характеристики группы переменных в одной системе координат: масштабы вейвлета (по абсциссе) и фазы (по ординате) отражают относительные изменения частот сигналов и фаз составляющих группы, их отличительные особенности, закономерности изменений подгрупп на действующие факторы. 1) По графикам a и b изменения переменных удобно разделить на подгруппы; к первой относятся изменения: Baricentr, Sact, Insol, Vulkan, CH4, CO2, N2O - гелиокосмические переменные, к второй относятся: Srad1, Srad2,
PTV, YMO, E/N, Temp.prizemn, Stokl,..,,Stok4 - климатические переменные, обусловленные изменениями переменных первой группы, - гелиокосмических переменных.
лг_Вагк-е m щbid
&JB.9
¿SUC ai PTV
îûIÏMO
iî_Twp_pfiiHnn й'аом
a2_Stok1 32_3tOK2 a2_Stok3 32_StQli4 nneanfStok sushy)
Рисунок 3 - Графики изменений вейвлетных: a) и b) фазо-частотных и фазо-временных характеристик группы переменных: f, f2 ? Insol, Vulkan, CH4, C°2, N2O, S.radl, S.rad2, PTV, YMO, El - Nino (E/N), f3 ; с) фазо-временных характеристик изменений стоков рек на суше: Stokl,
Stok2, Stok3, Stok4 и усредненных значений этих переменных mean(stok sushy) в интервале
наблюдений 1900-1974,3 гг.
2) Изменения стоков вод на суше в фазо-частотной области согласованы с изменениями гелиокосмических переменных с k = |0,41 -0,731, с изменениями климатических переменных, - с k = |0,10-0,82|; в фазо-временной области изменения стоков вод на суше согласованы с изменениями гелиокосмических переменных с k = |0,10-0,66|, с изменениями климатических переменных с k = |0,10-0,87|. 3) Изменения стоков вод на суше в фазо-частотной области взаимосогласованы с k = |0,66-0,95|, в фазо-временной области, с k = |0,36-0,99|. 4) Установлено, что изменения поверхностного стока вод на суше в целом, поверхностного и подземного стока вод на суше континентов в фазовых областях изменений почти идентичны, графики изменений фазовых характеристик переменных на всем интервале наблюдений почти совпадают, наблюдаемые на графиках a и b рисунка 3 с k = 0,95. Наблюдается, что на изменения стоков вод на суше большее влияние оказывают изменения климатических переменных: изменения приземной глобальной температуры, уровня и энергетических характеристик океана, обусловленные изменениями гелиокосмических переменных, барицентрического движения Солнца. На изменчивость стоков рек на суше существенны влияния испарений, испаряемости и осадков на суше с k = -0,62 (0,07) в фазо-временной области, при этом
129
стоки с островов в океан происходят в фазе с изменениями испарений, испаряемости и осадков на суше; наблюдается разнонаправленная изменчивость стоков рек на суше изменениями облачностей на континентах с k = |0,10-0,731 в фазо-частотной и с k = |0,10-0,45| в фазо-временной областях. 5) На графиках b рисунков 2 и 3 изменений фазо-временных характеристик стоков рек на континентах и стока воды на суше наблюдаются существенные отличия в разбросанности изменений кривых относительно условного среднего, обусловленное с преимущественным влиянием гелиокосмических факторов в изменении стоков рек и преиуще-ственным влиянием климатияесуких факторов в изменении стоков вод на суше.
Установлено, что периодичности изменений стоков воды на суше по наблюдениям за переменными в 1900-1974,3 годы влияниями гелиокосмических и климатических факторов составляют: 35,7, 21,2 (2,3), 11,2 (0,9), 6,0 (1,3), 3,6 (0,9), 1,8 (0,5) лет; в скобках указаны стандартные отклонения оценок средних. Периодичности усредненной переменной mean(Stok sushy), приведенной на графиках с рисунка 3, получены с использованием ее фазо-временного изображения < (a, b). [8].
Изменения составляющих водного баланса Мирового океана в аномалиях В группе исследованы гелиокосмические, климатические переменные и составляющие водного баланса Мирового океана в аномалиях: испарений (dZ_ocn), осадков (dX^cn), речного и ледникового стоков (dY_ocn), годового прирашения вод океана (dQ^cn) [4].
На рисунке 4 приведены изменения вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик группы переменных по наблюдениям в 1881,1-1975 гг
Рисунок 4 - Графики изменений вейвлетных: a) и b) фазо-частотных и фазо-временных характеристик гелиокосмических (Baricentr, Sact, Vulkan, CH4, CO2, N2 O) , климатических (Srad1, Srad2, PTV, TPO, YMO, Temp.prizemn), составляющих Мирового водного баланса океана в аномалиях (dQ_ocn, dX_ocn, dY_ocn, dZ_ocn); c) вейвлетных фазо-временных характеристик
составляющих водного баланса Мирового океана в аномалиях dQ, dX, dY, dZ и их усредненной кривой mean(d.okean) в интервале наблюдений 1881,1-1975 годы
В работе [28] дается описание проблемы загрязнения Мирового океана. Отклики составляющих водного баланса Мирового океана на изменения гелиокосмических и климатических переменных в интервале времени 1881,1-1975 гг. в виде графиков фазо-частотных и фазо-временных характеристик, представлены на рисунках a и b и таблицами корреляций вейвлет-ных фазовых характеристик переменных. Из них следуют такие особенности и закономерности: 1) в фазо-частотной области изменения составляющих водного баланса Мирового океана с широкой полосой частот в области верхних частот смещены относительно компактно изменяющихся составляющих гелиокосмических переменных в меньшую сторону в противофазе; изменения этих переменных согласованы в среднем с k = 0,41; 2) в фазо-временной области, на графике b, изменения этих групп переменных происходят в среднем в противофазах и согласованы с k = -0,36; характерно то, при изменении двух групп переменных, гелиокосмических переменных и составляющих водного баланса Мирового океана, наблюдаются циклические структуры ромбовидной формы, уменьшающиеся по площади, характеризующие закономерность изменения климата; 3) в фазовых областях группы климатических переменных Srar1, Srad2,TPV,TPO,YMO, f3 и составляющих водного баланса Мирового океана dQ, dX, dY, dZ, представленных на графиках, изменяются в среднем в противофазах с согласованностью k = 0,02 в фазо-частотной области и с k = 0,12 в фазо-временной области; в изменениях этих групп переменных в фазо-временной области в наблюдаемом интервале времени также наблюдаются ромбовидные структуры; 4) изменения составляющих водного баланса Мирового океана в фа-зо-частотной области взаимосогласованы с k= |0,66-0,95|, в фазо-временной области с k = |0,36-0,99|, т.е. составляющие группы в некоторых интервалах времени изменяются в противофазах; в этой группе изменения составляющих dX и dZ (осадков и испарений) в фазовых областях согласованы с k = 0,94-0,95; 5) в изменениях составляющих водного баланса Мирового океана наблюдается преимущественная направленность влияния гелиокосмических переменных с k= 0,41в фазо-частотной области и с k = -0,36 в фазо-временной области по сравнению с влиянием климатических переменных с k = 0,02 в фазо-частотной области и с k = 0,12 в фазо-временной области. 6) цикличнчность изменений водного баланса Мирового океана в среднем происходит с периодичностями: 41,4, 26,7 (2,3), 15,3 (1,9), 12,0 (2,6), 7,0 (1,8), 1,7 (0,4) лет, вычисленные на фазо-временном изображении усредненной переменной mean, приведенной на графике с рисунка 4; 7) на гафиках b рисунка 4 изменений фазо-временных характеристик группы переменных наблюдаются временные интервалы перестроек изменений климата на Земле.
Изменения в режиме атмосферы
В группе взаимодействующих переменных использованы гелиокосмические, климатические факторы и составляющие водного баланса в режиме атмосферы: колебания площади Алеутской депрессии (Atm1), возникновение тропических штормов в Северной Атлантике (Atm2), развитие глубоких циклонов в Европе (Atm3), увеличение тропических штормов на севере Тихого океана (Atm4) [29-31].
На рисунке 5 приведены графики откликов составляющих режима атмосферы в виде изменений фазо-частотных и фазо-временных характеристик на воздействия гелиокосмических и климатических переменных в наблюдаемых интервалах времени 1908,5-1988,5 и 1963,31988,5 годы.
Рисунок 5 - Графики изменений в режиме атмосферы: а) и b) вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик гелиокосмических, климатических переменных и составляющих режимов атмосферных процессов (Atm1,...,Atm4) в интервале времени 1908,5-1988,5 годы; с) и d) фазо-временные характеристики изменений режимов атмосферных процессов и их усредненные кривые в интервалах времени 1908,5-1988,5 и 1963,3-1988,5 годы
Примечание: приведенные в работе коэффициенты корреляции r>|0,10| значимы по критерию Стьюдента [13] с уровнем доверия 0,95 при объеме выборки n>400, при п>200значимы r>|0,15|.
Режимы изменений динамики атмосферы сопровождаются циклонами, штормами, ураганами в разных частях земного шара, рост числа этих явлений указаны в работах. Графики a и b вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик действующих факторов, гелио-космических и климатических переменных и откликов атмосферных процессов на эти воздействия, характеризуют относительные изменения, смещенности переменных в частотной и временной областях в наблюдаемом интервале времени. При этом проявляются следующие закономерности: 1) в фазо-частотной области составляющие атмосферных процессов откликаются на согласованные изменения гелиокосмических переменных с вероятностью k = 0,80, в фазо-временной области с k = 0,43; 2) эти же атмосферные процессы согласованы с изменениями климатических переменных Srad1, S.rad2, PTV, YMO, f3 с k = 0,10 в фазо-частотной области и с
k = 0,21в фазо-временной области; 3) изменения атмосферных процессов взаимосогласованы с вероятностью с k = 0,65-0,82 в фазо-частотной области и с k = 0,54-0,70 в фазо-временной области; 4) наблюдается управление изменениями атмосферных процессов гелиокосмическими переменными fj, f2, Insol, Vulkan, CH4, CO2, N2O в наблюдаемом интервале времени 1908,7-1988,5 гг; 5) установлена значительная однонаправленная изменчивость атмосферных процессов на континентах с изменениями испарений, испаряемости и осадков на суше с k = 0,83 (0,10) в фазо-частотной области и с k = 0,39 (0,23) в фазо-временной области; атмосферные процессы разнонаправленно изменяются с изменениями облачностей с k = |0,16—0,531 в
фазо-частотной области и с k = |0,01-0,65| в фазо-частотной области; 5) циклические изменения атмосферных процессов, представленные на графиках с рисунка 5 происходят в среднем с пе-риодичностями: 66,9, 53,3, 48,8, 45, 17,0 (0,8), 11,8 (3,2), 8,8 (1,2), 4,1 (1,0), 2,3 (0,6) лет.
Заключение и выводы
В изменении климата на Земле, составляющих мирового водного баланса, участвуют две группы факторов: гелиокосмические и климатические. В работе в составе гелиокосмических факторов использованы изменения: барицентрических движения Солнца fj, солнечной активности f2, многолетней солнечной инсоляции Insol, вулканических извержений Vulkan, парниковых газов CH4, CO2, N2O, изменения магнитных полей Солнца и Земли, в составе климатических переменных использованы изменения переменных: солнечной радиации Srad1, Srad2, приповерхностной температуры воздуха PTV, температуры на поверхности океана TPO, уровня Мирового океана YMO, глобальной температуры f3, зависящие от изменений гелиокосмических факторов.
Вейвлетные фазо-частотные и фазо-временные характеристики составляющих Мирового водного баланса, как отклики на воздействия гелиокосмических и глобальных климатических переменных, представленные на графиках рисунков c их отличительными признаками, характеризуются следующими закономерностями изменений в наблюдаемых интервалах времени:
1) В изменении грунтовых и подземных вод в 1929,3-1969,5 гг. наблюдается преимущественное влияние гелиокосмических переменных с k=|0,73-0,96| в фазо-частотной области по сравнению с влиянием климатических факторов с k=|0,10-0,92|;
при этом в фазовых областях изменений переменных изменения грунтовых вод и составляющая обеспеченности подземных вод происходят в противофазе с изменениями гелиокосмических переменных за исключением интервала времени 1943,8-1954,2 гг., в которой переменные изменяются преимущественно однонаправлено; значительны взаимные корреляции изменений грунтовых вод и обеспеченность подземных вод с k=|0,91-0,99| в фазо-частотной области и с k=|0,12-0,97| в фазо-временной.
2) По наблюдениям за переменными в 1900-1974,3 гг. на изменения стоков рек на континентах преимущественное влияние оказывают изменения гелиокосмических факторов с k = 0,77 - 0,95 в фазо-частотной области и с k=|0,15-0,93| в фазо-временной; влияния глобальных климатических переменных, соответственно, имеют коэффициенты согласий k=|0,10-0,87| и k=|0,10-0,78| в фазовых областях. В фазовых областях взаимные корреляции стоков рек на континентах влиянием общих факторов составляют: k = 0,840,98 и k = 0,61-0,94.
3) В изменении стоков рек на суше наблюдается преимущественное влияние изменений климатических переменных с k=|0,10-0,82| в фазо-частотной области и с k=|0,10-0,87| в фазо-временной области по сравнению с влиянием гелиокосмических факторов с k=|0,41 -0,731 в фазо-частотной области и с k=|0,10-0,66|в фазо-временной; значительны взаимосогласованности изменений стоков рек на суше влиянием общих факторов с k=|0,66-0,95| в фазо-частотной области и с k=|0,36-0,99| в фазо-временной; фазы изменений поверхностного и подземного стока противоположны фазам изменений других составляющих стока воды на суше, обусловленные сложной природой взаимодействий этих процессов.
4) В изменении составляющих водного баланса Мирового океана по наблюдениям в 1881,1-1975 гг. более интенсивны влияния гелиокосмических факторов с k=0,41 в фазо-частотной области и с k=-0,36 в фазо-временной области по сравнению с влиянием климатических переменных с k=0,02 в фазо-частотной области и с k=0,12 в фазо-временной области; изменения составляющих водного баланса Мирового океана в фа-
зо-частотной области взаимосогласованы с k = 0,66 - 0,95|, в фазо-временной области, с k = |0,36 - 0,99, т.е. составляющие группы в некоторых интервалах времени изменяются в противофазах; в этой группе изменения составляющих dX и dZ (осадков и испарений) в фазовых областях согласованы с k = 0,94 - 0,98.
5) В фазо-частотной области составляющие атмосферных процессов откликаются на согласованные изменения гелиокосмических переменных с вероятностью k = 0,80, в фа-зо-временной области, - с k = 0,43; эти же атмосферные процессы согласованы с изменениями климатических переменных с k = 0,10 в фазо-частотной области и с k = 0,21в фазо-временной области; изменения атмосферных процессов взаимосогласованы с вероятностью с k = 0,65-0,82 в фазо-частотной области и с k = 0,54-0,70 в фазо-временной области.
6) Наблюдаются разнонаправленные изменения фазовых характеристик гелиокосмиче-ских и климатических переменных с образованием циклически изменяющихся ромбовидных структур на графиках фазо-временных характеристик переменных, определяющие циклическую изменчивость составлябщих мирового водного баланса и перестройку климатических изменений на Земле.
7) На графиках фазо-частотных характеристик групп переменных наблюдается значительная согласованность изменений гелиокосмических факторов с изменениями барицентрических движений Солнца с k = 0,61-0,97 и составляющих мирового водного баланса с барицентрическими движениями Солнца с k=|0,47-0,93| в наблюдаемых интервалах времени, характеризующие близость частотных составов переменных и их изменчивость по фазе.
8) Показано, что используемый вейвлетный фазовый метод с вычислением фазо-частотных и фазо-временных характеристик исследованных групп переменных позволяет утверждать, что основной движущей силой изменений составляющих гидрометрических характеристик мирового водного баланса являются изменения гелиокосмиче-ских и климатических переменных, лучистая энергия Солнца и гравитационные силы, обусловленные изменениями барицентрических движений Солнца.
Литература
1. Современные глобальные изменения природной среды : в 2 томах / под редакцией Н. С. Касимова, Р. К. Клиге. - Москва : Научный мир, 2006. - Т. 1. - 696 с. - Текст : непосредственный.
2. Клиге, Р. К. Особенности формирования вод Земли / Р. К. Клиге. - Текст : непосредственный // Современные глобальные изменения природной среды : в 2 томах. - Москва : Научный мир, 2006. - Т. 1. - С. 210-222.
3. Клиге, Р. К. Уровень океана в геологическом прошлом / Р. К. Клиге. - Москва : Наука, 1980. - 110 с. - Текст : непосредственный.
4. Клиге, Р. К. Аномалия режима вод на суше / В. К. Клиге, Л. С. Евсеева. - Текст : непосредственный // Современные глобальные изменения природной среды : в 2 томах. -Москва : Научный мир, 2006. Т. 1. - С. 246-269.
5. Lindsey, R. Climate Change: Global Sea / R. Lindsey // NOAA Climate.gov. - 2021. -URL: https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-global-sea-level (data of application: 10.03.2022).
6. Pippa, S. Climate change is fueling wildfires in the West, ravaging local economies / S. Pippa // СКБС - 2020. - URL: https://www.cnbc.com/2020/09/17/climate-change-fuels-wildfires-in-the-west-ravaging-local-economies.html (data of application: 10.03.2022).
7. Фрейдин, Я. Современные датчики : справочник / Я. Фрейдин. - Москва : ТЕХНОСФЕРА, 2021. - 800 с. - Текст : непосредственный.
8. Алексеев, В. И. Исследование изменений глобального климата как сложной системы с использованием вейвлетных фазо-частотных функций, фазо-частотных и фазо-временных харатеристик гелиокосмических и климатических переменных. Часть 1 / В. И. Алексеев. -Текст : непосредственный // Известия Томского политехнического университета. Инжини-иринг георесурсов. - 2020. - Т. 331, № 7. - С. 238-250.
9. Алексеев, В. И. Исследование изменений глобального климата как сложной системы с использованием вейвлетных фазо-частотных функций, фазо-частотных и фазо-временных харатеристик гелиокосмических и климатических переменных. Часть 2 / В. И. Алексеев. -Текст : непосредственный // Известия Томского политехнического университета. Инжини-иринг георесурсов. - 2020. - Т. 331, № 8. - С. 99-111.
10. Алексеев, В. И. Применение вейвлетного фазового метода исследований сигналов к анализу асимметричных барицентрических движений Солнца и изменений процессов, происходящих на Солнце, околоземном пространстве и в недрах Земли / В. И. Алексеев. -Текст : непосредственный // Вестник Югорского университета. - 2020. - № 3 (58). - С. 7-35.
11. Дьяконов, В. П. Вейвлеты. От теории к практике / В. П. Дьяконов. - Москва : Солон-Пресс. 2010. - 400 с. - Текст : непосредственный.
12. Кремер, Н. Ш. Теория вероятностей и математическая статистика / Н. Ш. Кремер. -Москва : Юрайт, 2018. - 259 с. - Текст : непосредственный.
13. Luman, R. An Introduction to Statistical Methods & Data Analisis / R. Luman, M. Longnecker. - 7th Edition. - Amazon book clubs, 2021. - 1157 p.
14. Meyer, M. C. Probability and Mathematical Statistics: Theory, Applications, and Practice in R / R. Luman. - SIAM (Society for Industrial and Applied Mathematics), 2019. - 719 p.
15. Охлопков, В. П. Основные периодичности движения Солнца относительно центра масс Солнечной системы и солнечная активность / В. П. Охлопков. - Текст : непосредственный // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. - 2011. - № 6. -С.138-142.
16. Hady A. A. Solar Magnetic Cycles 1700-2024 // ResearchGate. - 2020. - URL: https://www.researchGate.net/figure/Time-series-of-the-sunspot-nmber-illustrating-the-weak-solar-cycles-series (data of application: 10.03.2022).
17. ]17. Fedorov, V. M. Trends of the changes in sea ice extent in the northern hemisphere and their causes / V. M. Fedorov // Kriosphera Zemli. - 2015. - Vol. XIX, № 3. - P. 46-57.
18. Федоров, В. М. Анализ пространственных откликов приповерхностной температуры воздуха на многолетнюю изменчивость инсоляции Земли / В. М. Федоров. - Текст : непосредственный // Жизнь Земли. - 2017. - № 39 (3). - С. 245-262.
19. Федоров, В. М. Тенденции изменения температуры поверхности мирового океана и их причины / В. М, Федоров. - Текст : непосредственный // Сложные системы. - 2015. -№ 2 (15). - С. 45-56.
20. Sea Level // Global climate change. - 2020. - URL: https://climate.nasa.gov/vital-signs/sea-level/ (data of application: 10.03.2022).
21. Rohde, R. Global Temperature Report for 2018 / R. Rohde // Berkeley Earth. - 2019. -URL: https://berkeleyearth.org/2018-temperatures-new (data of application: 10.03.2022).
22. Coseismic changes in groundwater level during the 2018. Hokkaido Eastern Iburi earthquake Earth / T. Shibata, R. Takahashi, H. Takahashi, T. Kagoshima [et al.]. -D0I:10.1186/s40623-020-01152-y // Planets and Space. - 2020. - Vol. 72, № 23. - URL: https://earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/s40623-020-01152-y (data of application: 10.03.2022).
23. Characterizing groundwater/surface-water interaction using hydrograph-separation techniques and groundwater-level data throughout the Mississippi Delta, USA / C. D. Killian, W. H. Asquith, J. R. Barlow [et al.] // Hydrogeology Journal. - 2019. - Vol. 27, № 6. - P. 2167-2179.
B. H. ArnKceee
24. Multi-model approach to quantify groundwater-level prediction uncertainty using an ensemble of global climate models and multiple abstraction scenarios / S. M. Mustafa, M. M. Hasan, A. K. Saha [et al.] // Hydrology And Earth System Sciences. - 2019. - Vol. 23, № 5. - P. 2279-2303.
25. Lessons learnt from checking the quality of openly accessible river flow data worldwide / L. Crochemore, K. Isberg, R. I. Pimentel [et al.] // Journal des Sciences Hydrologiques. - 2019. -Vol. 65, № 5. - URL: https://www.tandfonline.com/doi/full/1080/02626667.2019.1659509 (data of application: 10.03.2022).
26. Slater, L. J. River channel conveyance capacity adjusts to modes of climate variability / L. J. Slater, A. Khouakhi, R. L.Wilby // Scientific Reports. - 2019. - Vol. 9, № 12619. - URL: https://www.nature.com/articles/s41598-019-48782-1 (data of application: 10.03.2022).
27. Msofe, K. Land Use Change Trends and Their Driving Forces in the Kilombero Valley Floodplain, Southeastern Tanzania / K. Msofe, L. Sheng, J. Lyimo // Open Access Journal. -2019. - Vol. 11, № 2. - P. 1-25.
28. The United Nations world water development report 2018: nature-based solutions for water / Word Water Assessment Programme (UNESCO WWAP). - 2018. - 139 p.
29. Breitburg, D. The Ocean is losing its breath: declining oxygen in the world's ocean and coastal waters-summary for policy makers / D. Breitburg, M. Gregore, K. Isensee // UNESCO intergovernmental Oceanographic Comission. - 2018. - № 137. - URL: https://www.oceanactionhub.org/ocean-losing-its-breath-declining-oxigen-world's-ocean-and-coastal-waters--summaru-policy-makes (data of application: 10.03.2022).
30. Halpert, M. S. Climate Assessment for 1996 / M. S. Halpert, G. D. Bell // Bulletin American Meteorological Society. - 1997. - Vol. 78, № 5. - P. 1-50.
31. Whitney, L. D. The Relationship Between Sea Surface Tmperatures and Maximum Intensities of Tropical Cyclones in the Eastern North Pacific Ocean / L. D. Whitney, J. S. Hobgood // Journal Climate. - 1997. - Vol. 10. - P. 2921-2930.
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
_2022 г. Выпуск 3 (66). С. 137-144_
УДК 551.345:528.88 DOI: 10.18822/byusu202203137-144
ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЕР ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ АРКТИКИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Полищук Юрий Михайлович
доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Центра космических услуг, А У «Югорский НИИ информационных технологий»
Ханты-Мансийск, Россия E-mail: yupolishchuk@gmail.com
Куприянов Матвей Андреевич
главный специалист Центра космических услуг, А У «Югорский НИИ информационных технологий»
Ханты-Мансийск, Россия
Работа проводилась при поддержке гранта РНФ (проект 22-11-20023)
Предмет исследования: временные ряды изменений площадей термокарстовых озер в Арктике в условиях современных климатических изменений.
Цель работы: проведение анализа временных рядов спутниковых измерений площадей озер для изучения динамики озер Западно-Сибирской Арктики.
Методы и объекты исследования: представлены результаты формирования и анализа временных рядов площадей озер, предназначенных для изучения динамики термокарстовых озер в арктической зоне Западной Сибири за 36-летний период. Временные ряды получены по результатам дистанционных измерений площадей озер на территории площадью 627 тыс. км2 с использованием 688 спутниковых снимков Landsat, отобранных в период 19852021 гг. Исследуемая территория разделена на три экорегиона для анализа территориальных особенностей обширной арктической зоны Западной Сибири. Анализ временных рядов показал, что изменение средней площади озер на территории арктической зоны Западной Сибири проявляет заметный отрицательный линейный тренд.
Основные результаты исследования: на основе сравнения трендов временных рядов площадей озер на территориях трех экорегионов Западно-Сибирской Арктики установлено, что наибольшую скорость изменений площадей проявляют термокарстовые озера Ямала по сравнению с другими арктическими экорегионами.
Ключевые слова: анализ временных рядов, дистанционные методы, космические снимки, термокарстовые озера, арктические территории, Западная Сибирь
STUDYING THE DYNAMICS OF THERMOKARST LAKES IN THE WEST SIBERIAN ARCTIC BASED ON THE ANALYSIS OF TIME SERIES
OF SATELLITE MEASUREMENTS
Yury M. Polishchuk
Doctor in Physical and Mathematical Sciences, Professor Principal Researcher of the Space Service Center, Ugra Research Institute of Information Technologies
Khanty-Mansiysk, Russia E-mail: yupolishchuk@gmail.com
Matvey A. Kupriyanov
Chief Specialist of the Space Service Center, Ugra Research Institute of Information Technologies
Khanty-Mansiysk, Russia
Supported by grants: Russian Science Foundation (project 22-11-20023).
Subject of research: article is the time series of changes in the area of thermokarst lakes in the Arctic under the conditions of modern climatic changes.
Purpose of research: to analyze the time series of satellite measurements of lake areas for studying the dynamics of lakes in the West Siberian Arctic.
Methods and objects of research: we present the results of formation and analysis of time series of lake areas intended for studying the dynamics of thermokarst lakes in the Arctic zone of Western Siberia over a 36-year period. The time series were obtained based on the results of remote measurements of the lake areas on the territory of 627 thousand km using 688 Landsat satellite images, sampled in the period 1985-2021. The study area was divided into three ecoregions to analyze the territorial features of the vast Arctic zone of Western Siberia. The analysis of the time series showed that the change in the average lake area in the territory of the Arctic zone of Western Siberia exhibits a marked negative linear trend.
Main results of research: based on the comparison of the trends in the time series of lake areas in the territories of the three ecoregions of the West Siberian Arctic, it was found that the thermo-karst lakes of Yamal exhibit the highest rate of change in the areas compared to the other Arctic ecoregions.
Keywords: time series analysis, remote sensing methods, satellite images, thermokarst lakes, Arctic territories, Western Siberia.
Введение
Повышение среднегодовой температуры земной поверхности в последние десятилетия приводит к деградации мерзлотных ландшафтов арктических территорий России, перспективных для хозяйственного освоения месторождений углеводородов в ближайшие годы. По оценке экспертов, потепление климата сопровождается ростом экономических и экологических ущербов предприятий российского нефтегазового комплекса, расположенных в зоне многолетней мерзлоты. Для разработки мероприятий по снижению ущербов необходимо изучение свойств мерзлотных ландшафтов в условиях глобального потепления. Наиболее чувствительными к температурным изменениям на территории многолетней мерзлоты оказываются термокарстовые озерные ландшафты.
Для дистанционного изучения геокриологических изменений на территориях многолетней мерзлоты по космическим снимкам в качестве индикаторов геокриологических изменений обычно используются термокарстовые озёра, хорошо дешифрируемые на космических изображениях. Традиционно в исследованиях динамики термокарстовых озер используют данные о свойствах озер, полученные в дистанционных исследованиях по снимкам Landsat (пространственное разрешение 30 м), по которым накоплены многолетние архивы, удобные для исследования многолетней динамики озер.
К настоящему времени обширные дистанционные исследования свойств озер в Арктической зоне проведены на территории Аляски, в Сибири, в Скандинавии и в других регионах [1-5], которые показали некоторые особенности динамики полей термокарстовых озер в различных северных регионах. Проведенные ранее исследования динамики озер Западной Сибири относятся к периоду 1973-2008 гг. [6]. Поэтому важной задачей современных исследований динамики озер в условиях климатических изменений на этой территории становится
проведение дистанционных исследований, направленных на получение новых данных о динамике площадей озер с использованием спутниковых снимков последнего десятилетия.
В связи с изложенным выше, целью настоящей работы явилось дистанционное изучение динамики термокарстовых озер в Арктической зоне Западной Сибири с использованием спутниковых снимков Landsat, полученных в период 1985-2021 гг.
Результаты и обсуждение
Спутниковые измерения площадей термокарстовых озер в арктической зоне Западной Сибири в настоящей работе проводились на территории исследований на площади 627 тыс. км2, на которой были выбраны 29 тестовых участков (ТУ). Схема расположения ТУ на территории исследований представлена на рисунке 1. Как видно на рисунке, исследуемая территория разделена на три однородных по природным условиям свойствам области, называемые далее, в соответствии с [7], арктическими экорегионами, к которым будем относить территории на полуостровах Ямал и Гыдан и в южной части Западно-Сибирской Арктики. Площадь
22 первой из них составляет 99 тыс. км , площади второй и третьей - 160 и 368 тыс. км соответственно.
Рисунок 1 - Карта размещения тестовых участков на исследуемой территории в арктической зоне Западной Сибири. Обозначено: 1 - Ямальская тундра, 2 - Гыданская тундра, 3 - южная часть Западно-Сибирской Арктики, 4 - местоположение тестовых участков
Приведём далее краткое описание природных условий исследуемой территории ЗападноСибирской Арктики (ЗСА) на основе [8]. Территории исследований на Ямале и Гыдане, расположенные в Ямало-Ненецком автономном округе в основном за Северным полярным кругом, находятся в зоне сплошного распространения мерзлоты. Поэтому здесь повсеместно
139
распространена многолетняя мерзлота с множеством термокарстовых озёр и болот. На территории этих экорегионов преобладают арктические, мохово-лишайниковые и кустарничко-вые тундры, которые сменяются к югу лесотундровым редколесьем [8].
Протяженность исследованной территории на Ямале составляет около 700 км в направлении с севера на юг и 240 км с запада на восток, а в Гыданском экорегионе приблизительно 400 км в обоих направлениях. Поверхность в экорегионе Ямала равнинная (высота от 50 до 85 м) и подстилается в основном песчано-глинистыми, моренными и ледниковыми отложениями. А на Гыдане преобладают плоские заболоченные холмисто-моренные низменности и равнины, которые поднимаются к западу (Юрибейская возвышенность) и к югу (Танамская возвышенность) до 150 м в высоту.
Территория исследований в экорегионе южной части Западно-Сибирской Арктики (далее ЮгЗСА) имеет преимущественно равнинный характер и располагается в зонах прерывистой и островной мерзлоты с большой численностью термокарстовых озер. На севере этой территории преобладают ландшафты лиственничной лесотундры, переходящие к югу в северную тайгу.
Для проведения исследования использовались данные, полученные с космических аппаратов Landsat 4, 5, 7 и 8. При разрешающей способности спутниковых снимков этих аппаратов 30 м размер пикселя на снимках составляет 900 м , что позволяют достаточно уверенно дешифрировать озера с минимальными размерами приблизительно 0,5 га. Всего было использовано 688 космических снимков Landsat, в том числе 100 и 182 в экорегионах Ямала и Гыдана соответственно и 443 в экорегионе ЮгЗСА, полученных в период с 1985 по 2021 гг. Обработка космических снимков, проведенная с использованием стандартных средств геоинформационной системы QGIS 3.22 [9], была направлена на получение данных о площадях и количестве озер на исследуемой территории. Пространственный охват каждого снимка составляет приблизительно 10 тыс. км . Все снимки выбирались в достаточно короткий период летнего сезона (июль - август) для минимизации влияния сезонных колебаний уровня воды в озерах. В этот период на исследуемой территории исчезает ледовый покров на озерах, мешающий их выделению при автоматическом дешифрировании снимков.
В работе использовались снимки со спутника Landsat уровня обработки L1TP с разрешением 30 м. Определение озер на снимках производилось с использованием индекса NDWI [10], который рассчитывается путем комбинирования данных видимого и инфракрасного диапазонов по формуле:
NDWI = fgreen - NIR + green - SWIR1) х 1 (1)
Vgreen + NIR green + SWIR1 / 2' v '
где green - 3-й канал Landsat 8 и 2-й канал Landsat 4, 5, 7;
NIR - 5-й канал Landsat 8 и 4-й канал Landsat 4, 5, 7;
SWIR1 - 6-й канал Landsat 8 и 5-й канал Landsat 4, 5, 7.
Процедура получения данных о пространственных характеристиках озер выполняется в виде последовательности этапов, представленных в виде схемы на рисунке 2. На схеме также показаны информационные ресурсы и программные средства, используемые при выполнении разных этапов. На территорию исследования сформирована коллекция безоблачных космических снимков Landsat 4, 5, 7, 8 за 36-летний период. Для каждого снимка производилась предварительная обработка, как указано в [11], рассчитывался индекс NDWI. В результате было получено новое растровое изображение (растр), каждая ячейка которого содержала значение индекса. Путём визуального анализа определялось пороговое значение индекса, позволяющее разделять водные объекты и объекты суши. С использованием порогового значения проводилась бинарная классификация растра, в ходе которой все значения, лежащие выше порогового (водные объекты), получали значение 1, а объекты ниже порогового уровня получали значение 0. В результате получался новый растр, ячейки которого содержали информацию только о водных объектах.
