Наиболее важными и популярными климатическими переменными, часто используемыми как индикаторы состояния и изменения климата, являются температура воздуха у поверхности земли и атмосферные осадки.
В современных исследованиях термин «климат» используется также вместо термина Глобальный Климат, который характеризуется набором состояний Глобальной Климатической Системы в течение заданного интервала времени. Глобальная климатическая система состоит из пяти основных компонентов: атмосферы, гидросферы, криосферы, поверхности континентов и биосферы, взаимодействие которых существенно влияет на колебания погоды за длительные промежутки времени.
Спектр изменений метеорологических и океанологических величин является непрерывным; как для большинства непериодических процессов, плотность его стремится к бесконечности лишь для периодических составляющих и их гармоник — годовой и суточной компонент.
В настоящее время используется предложенная академиком А.С. Мониным классификация колебаний метеорологических и океанографических параметров в зависимости от их масштабов. Она включает следующую классификацию масштабов изменчивости характеристик климатической системы.
- Микрометеорологическая изменчивость — от долей секунды до минут.
- Мезометеорологическая изменчивость — от нескольких минут до часов.
- Изменчивость, соответствующая синоптическим процессам, — от нескольких часов до двух-трех недель. Внутри этого интервала масштабов возможно индивидуальное прогнозирование и описание основных синоптических объектов, которые характеризуют погоду и ее изменения. За верхнюю границу интервала часто принимают масштаб предсказуемости индивидуальных синоптических процессов, который оценивается в две-три недели.
- Климатическая изменчивость — от трех недель до нескольких десятилетий. Изменчивость этого масштаба, принятого нами за внутренний временной масштаб климатической системы, характеризует внутриклиматические колебания, или климатическую изменчивость, или флуктуации климата.
- Межвековая изменчивость.
- Изменчивость в масштабах тысячелетий.
- Изменчивость, соответствующая ледниковым периодам.
Предложенное выше определение климата позволяет использовать в качестве климатических переменных любые статистические характеристики любых параметров состояния климатической системы для некоторого заданного интервала времени. Необходимо только точно указывать, какая характеристика и для какого интервала рассматривается.
Под «изменением климата», или «климатическими изменениями» понимается:
1. Изменения климатических условий от одного многолетнего периода к другому на Земле в целом или в отдельных её частях на протяжении геологических эпох, исторического времени или за ряд последних десятилетий или столетий. Различают прогрессивные изменения климата (изменения в одном направлении за очень длительные периоды) и колебания климата (периодические или ритмические), не имеющие прогрессивного характера и связанные с колебаниями интенсивности общей циркуляции атмосферы. За несколько последних тысячелетий, как и в настоящую эпоху, изменения климата имеют характер колебаний. В первой половине ХХ в. наблюдалось так называемое современное потепление в большей части Земли (Энциклопедический словарь…, 1968);
2. Процесс, который неоднократно происходили в геологическом прошлом Земли, имея характер либо общих для всего земного шара изменений (например, в сторону потепления или похолодания), либо изменений климатических контрастов между различными зонами Земли. Об этих изменениях климата можно судить по ряду геологических показателей. Несомненно, связаны с изменениями климата оледенения на севере Европы, Западной Сибири и Северной Америки на протяжении четвертичного периода. В историческом периоде, по-видимому, нет прогрессивных изменений климата в определенном направлении; однако мнения по этому поводу расходятся. Во всяком случае, на протяжении последних тысячелетий происходили некоторые колебания климата; одно из наиболее сильных таких колебаний (в сторону потепления) происходит за последнее столетие и особенно — за последние полвека. Существует ряд гипотез о возможных причинах изменения климата. Они объясняются космическими и астрономическими факторами, такими как изменения интенсивности солнечного излучения или прозрачности межпланетного пространства для солнечной радиации, изменения наклона эклиптики и эксцентриситета земной орбиты, перемещения земной оси, а также изменениями в составе атмосферы и в распределении суши и моря по земной поверхности. В последнее время выдвигается гипотеза о связи изменений климата с вековыми и сверхвековыми изменениями солнечной активности, которые могли изменять интенсивность атмосферной циркуляции и, следовательно, увеличивать или уменьшать температурные контрасты между низкими и высокими широтами Земли.
Колебания климата — его изменения, не имеющие прогрессивного характера, периодические или ритмические. На протяжении исторического периода, по косвенным данным и по свидетельствам летописей, происходили колебания климата с многолетними периодами порядка десятилетий и столетий. Так, в раннем средневековье, до XIII столетия, в европейском секторе северного полушария наблюдалось значительное потепление. Новое потепление, особенно в высоких широтах, наблюдается в наше время, резко усилившись за последние полвека. Непосредственной причиной колебания климата являются колебания интенсивности общей циркуляции атмосферы, в свою очередь, по-видимому, связанные с колебаниями солнечной активности (Хромов, Мамонтова, 1974).
3. Изменения климатических условий на Земле в целом или в отдельных регионах. К климатическим изменениям относятся: колебания климата на протяжении геологического времени (связанные, как правило, с покровными оледенениями); исторические (охватывающие периоды времени в несколько тысячелетий) и современные (в десятки и сотни лет). Климатические изменения обусловлены космическими, астрономическими, геологическими и другими факторами, а современные изменения также и деятельностью человека (Щукин, 1980).
4. Длительные (свыше 10 лет) направленные или ритмические изменения климатических условий на Земле в целом или в ее крупных регионах. Различают геологические, исторические и современные изменения климата. Намечаются вызванные различными причинами климатические ритмы протяженностью 11, 35, 80-90 лет, а также сверхвековые (1800-1900-летний ритм увлажнения) и др. Колебания климата — циклические или квазициклические изменения климата с периодом порядка десятков и сотен лет (Хрусталев, 2000).
Изменения климата с точки зрения временного промежутка подразделяются на геологические, исторические и современные. Наибольшую дискуссию вызывают причины изменения климата, особенно последнего времени. Наряду с астрономическими и физическими причинами, которые связаны с положением Земли в составе Солнечной системы относительно центра Галактики, Солнца как источника излучения, прецессии земной оси и др., в последнее время потепление климата связано с антропогенной деятельностью. Основной причиной, приводящей к потеплению, признается увеличение выбросов углекислого газа.
Н.Ф. Реймерс (1990) отмечает, что изменение климата антропогенное (техногенное) — длительное (более 10 лет) изменение климатических показателей (температуры воздуха, закономерностей его движения и т.п.) под влиянием возрастающего антропогенного воздействия на природную среду (главным образом ее загрязнения). Предполагается, что увеличение концентрации СО2 и др. факторы увеличат в начале XXI в. среднемировую температуру приземного слоя воздуха на 1-3°С (в полярных широтах — до 10°С) и резко снизят стационарность атмосферных процессов. Этот прогноз оспаривается некоторыми исследователями, поскольку буферность природных систем весьма высока. Усиление климатических аномалий — объективно наблюдаемый факт.
Изменение климата для заданной области или для Земного шара в целом характеризуется разностью между некоторыми климатическими переменными для двух заданных интервалов времени. Это изменение может считаться реальным, если оно превосходит вероятную ошибку вычисления соответствующих климатических переменных (Абрамова и др., 1982).
Изменения климата могут быть следствием как естественных внутренних и внешних причин, так и следствием человеческой деятельности. В Статье 1 Рамочной Конвенции по Изменению Климата (РКИК) ООН «изменение климата» определяется более узко как «изменение климата, которое прямо или косвенно приписывается человеческой деятельности, меняющей состав глобальной атмосферы, и является добавкой к естественной климатической изменчивости для сравниваемых периодов времени». Таким образом, РКИК ООН делает различие между «изменениями климата», приписываемыми человеческой деятельности, меняющей состав атмосферы, и «климатической изменчивостью», приписываемой влиянию естественных причин. Данные наблюдений позволяют оценивать только суммарные изменения климата вследствие как естественных, так и антропогенных причин. Выявление этих причин является сложной задачей, решаемой в настоящее время с помощью климатических моделей. Рекомендуется использовать данное выше более общее определение изменений климата, как это делается в научных исследованиях.
Таким образом, для научного анализа климатической изменчивости и изменений климата могут использоваться любые климатические переменные, а для оценки отклонений от средних любые базовые периоды.
