Введение

Научное изучение климата, определяемое как средние погодные условия за определенный период времени.

Климатология (от греческого κλίμα, klima, "наклон"; и λογία, logia) или климатическая наука – это научное изучение климата Земли, обычно определяемое как средние погодные условия в течение периода не менее 30 лет. Климат относится к состоянию атмосферы в течение продолжительного или неопределенного периода времени, в то время как погода – это состояние атмосферы в течение относительно короткого периода времени. Основными темами исследований являются изучение изменчивости климата, механизмы изменений климата и современное изменение климата. Данная область знаний рассматривается как часть атмосферных наук и подразделение физической географии, являющейся одной из наук о Земле. Климатология включает в себя некоторые аспекты океанографии и биогеохимии. Основными методами, используемыми климатологами, являются анализ наблюдений и моделирование физических процессов, определяющих климат. Краткосрочный прогноз погоды может быть интерпретирован с учетом знаний о долгосрочных климатических явлениях, таких как климатические циклы: Эль-Ниньо – Южная осцилляция (ENSO), Мадден – Юлианская осцилляция (MJO), Североатлантическая осцилляция (NAO), Арктическая осцилляция (AO), Тихоокеанская десятилетняя осцилляция (PDO) и Междесятилетняя тихоокеанская осцилляция (IPO). Климатические модели используются для различных целей – от изучения динамики погодной и климатической системы до прогнозирования будущего климата.

История

Греки начали формальное изучение климата; фактически, слово «климат» происходит от греческого слова klima, означающего «склон», относящегося к наклону земной оси. Вероятно, самым влиятельным классическим текстом, касающимся климата, была работа Гиппократа «О воздухе, воде и местностях», написанная около 400 г. до н.э. В этой работе комментировалось влияние климата на здоровье человека и культурные различия между Азией и Европой. Изобретение термометров и барометров во время научной революции позволило вести систематические записи, которые начались еще в 1640–1642 годах в Англии. Гельмут Ландсберг (1906–1985) способствовал применению статистического анализа в климатологии. В начале XX века климатология в основном была сосредоточена на описании региональных климатов. Эта описательная климатология в значительной степени являлась прикладной наукой, предоставляя фермерам и другим заинтересованным лицам статистику о нормальных погодных условиях и вероятности экстремальных явлений. Для этого климатологам приходилось определять климатическую норму, то есть среднее значение погоды и погодных экстремумов за период, обычно составляющий 30 лет. Хотя ученые знали о прошлых изменениях климата, таких как ледниковые периоды, представление о климате как о медленно изменяющейся системе было полезно для описательной климатологии. Это начало меняться в последующие десятилетия, и хотя история изучения изменения климата началась раньше, изменение климата стало одной из основных тем исследований для климатологов в 1970-х годах и позднее.

Подполя

Различные подтемы климатологии изучают различные аспекты климата. Существуют различные классификации подтем климатологии. Например, Американское метеорологическое общество выделяет описательную климатологию, научную климатологию и прикладную климатологию как три подкатегории климатологии, классификацию, основанную на сложности и целях исследования. Специалисты в области прикладной климатологии применяют свои знания в различных отраслях, таких как производство и сельское хозяйство. Палеоклиматология – это попытка реконструировать и понять климаты прошлого, изучая данные, такие как керны льда и годичные кольца деревьев (дендроклиматология). Палеотемпестология использует те же данные для определения частоты ураганов на протяжении тысячелетий. Историческая климатология изучает климат в связи с историей человечества и, следовательно, в основном касается последних нескольких тысяч лет. Климатология приземного слоя изучает обмен водой, энергией и импульсом вблизи земной поверхности. К другим выделяемым подтемам относятся физическая климатология, динамическая климатология, климатология торнадо, региональная климатология, биоклиматология и синоптическая климатология. Изучение гидрологического цикла в долгосрочной перспективе иногда называют гидроклиматологией, особенно при исследовании влияния изменения климата на водный цикл. Ученые используют как прямые, так и косвенные наблюдения за климатом – от спутников наблюдения за Землей и научных приборов, таких как глобальная сеть термометров, до древнего льда, извлеченного из ледников. Поскольку измерительные технологии меняются со временем, записи данных часто нельзя напрямую сравнивать. Поскольку города обычно теплее, чем окружающие их районы, урбанизация требует постоянной корректировки данных с учетом эффекта городского теплового острова.

Темы исследований

Темы, изучаемые климатологами, охватывают три основные категории: изменчивость климата, механизмы климатических изменений и современные изменения климата.

Климатологические процессы

Различные факторы влияют на среднее состояние атмосферы в определенном месте. Например, в умеренных широтах наблюдается ярко выраженный сезонный цикл температуры, в то время как в тропических регионах годовые колебания температуры незначительны. Важным фактором, определяющим климат, является континентальность – удаленность от крупных водных объектов, таких как океаны. Океаны оказывают смягчающее воздействие, поэтому на территориях, расположенных вблизи них, разница температур между зимой и летом обычно меньше, чем в удаленных районах. Атмосфера взаимодействует с другими компонентами климатической системы: ветры генерируют океанические течения, переносящие тепло по всей планете.

Классификация климата

Классификация – важный метод упрощения сложных процессов. На протяжении веков разрабатывались различные классификации климата, первые из которых появились в Древней Греции. То, как классифицируются климаты, зависит от цели использования. Производителю ветровой энергии потребуются одни данные (ветер) в классификации, а человеку, больше заинтересованному в сельском хозяйстве, – другие, для которого важнее осадки и температура. Наиболее широко используемая классификация, классификация климатов Кёппена, была разработана в конце XIX века и основана на растительности. Она использует ежемесячные данные о температуре и осадках.

Изменчивость климата

Существуют различные типы изменчивости: повторяющиеся закономерности температуры или других климатических переменных. Они количественно оцениваются с помощью различных индексов. Подобно тому, как индекс Dow Jones Industrial Average, основанный на ценах акций 30 компаний, используется для представления общих колебаний фондового рынка, климатические индексы используются для представления ключевых элементов климата. Климатические индексы обычно разрабатываются с двумя основными целями – простотой и полнотой, и каждый индекс, как правило, отражает состояние и временные рамки климатического фактора, который он характеризует. По своей сути индексы просты и объединяют множество деталей в обобщенное представление об атмосфере или океане, которое можно использовать для описания факторов, влияющих на глобальную климатическую систему. Эль-Ниньо – Южное колебание (ENSO) – это взаимосвязанное явление океана и атмосферы в Тихом океане, которое отвечает за значительную часть глобальной изменчивости температуры и имеет цикл продолжительностью от двух до семи лет. Североатлантическое колебание – это один из видов изменчивости, который в основном проявляется в нижней части атмосферы, в тропосфере. Расположенный выше слой атмосферы, стратосфера, также способен создавать собственную изменчивость, наиболее важным проявлением которой является колебание Маддена – Джулиана (MJO) с циклом примерно от 30 до 60 дней. Интердекадальное тихоокеанское колебание может вызывать изменения в Тихом океане и нижней атмосфере в течение десятилетий.

Изменение климата

Изменение климата происходит, когда изменения в климатической системе Земли приводят к формированию новых погодных условий, сохраняющихся в течение продолжительного времени. Этот период времени может составлять от нескольких десятилетий до миллионов лет. Климатическая система получает почти всю свою энергию от Солнца. Климатическая система также излучает энергию в космическое пространство. Баланс между поступающей и исходящей энергией, а также прохождение энергии через климатическую систему, определяет энергетический бюджет Земли. Когда поступающая энергия превышает исходящую, энергетический бюджет Земли становится положительным, и климатическая система нагревается. Если исходящая энергия больше, энергетический бюджет становится отрицательным, и Земля охлаждается. Изменение климата также оказывает влияние на средний уровень моря. Современное изменение климата в основном вызвано антропогенными выбросами парниковых газов в результате сжигания ископаемого топлива, что приводит к повышению средней глобальной температуры поверхности. Повышение температуры – это лишь один из аспектов современного изменения климата, который также включает наблюдаемые изменения в количестве осадков, траекториях штормов и облачности. Повышение температуры вызывает дальнейшие изменения в климатической системе, такие как широкомасштабное таяние ледников, повышение уровня моря и изменения в распространении флоры и фауны.

Различия с метеорологией

В отличие от метеорологии, которая делает акцент на краткосрочных погодных системах, длящихся не более нескольких недель, климатология изучает частоту и тенденции этих систем. Она изучает периодичность погодных явлений на протяжении лет и тысячелетий, а также изменения долгосрочных средних погодных условий в связи с атмосферными условиями. Климатологи изучают как природу климатов – местных, региональных или глобальных – так и естественные или антропогенные факторы, вызывающие изменения климата. Климатология рассматривает прошлое и может помочь предсказать будущие изменения климата. К явлениям, представляющим интерес для климатологии, относятся пограничный слой атмосферы, схемы циркуляции, передача тепла (радиационная, конвективная и скрытая), взаимодействие атмосферы с океанами и поверхностью суши (особенно растительность, землепользование и топография), а также химический и физический состав атмосферы.

Использование в прогнозировании погоды

Аналоговый метод – относительно сложный метод прогнозирования, требующий вспомнить предыдущее погодное явление, которое, как ожидается, повторится в будущем. Сложность заключается в том, что редко удается найти идеальный аналог для будущего события. Некоторые называют этот тип прогнозирования распознаванием образов, который остается полезным методом оценки количества осадков в районах с недостатком данных, таких как океаны, используя знания о связи между спутниковыми изображениями и интенсивностью осадков над сушей, а также для прогнозирования количества и распределения будущих осадков. Разновидностью этого подхода, используемой для среднесрочного прогнозирования, является использование телесвязей, когда системы, расположенные в других регионах, помогают определить положение системы в текущем режиме. Одним из способов использования телесвязей является применение климатических индексов, таких как явления, связанные с Эль-Ниньо – Южным колебанием (ЭНЮК).