УДК 550.36:551.581.1:551.583

PACS 91.35.Dc, 92.60.Ry, 92.70.Gt

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ОТКЛИК НА ВНЕШНЕЕ РАДИАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ: ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОСТОЙ МОДЕЛИ

© 2021 г. А.А. Горностаева*, Д.Ю. Демежко, А.Н. Антипин

Институт геофизики имени Ю.П. Булашевича УрО РАН (ИГФ УрО РАН),
г. Екатеринбург, Россия

* e-mail: free_ride_@mail.ru

Поступила в редакцию 23.06.2021 г.; после доработки 02.09.2021 г.
Принята к публикации 05.09.2021 г.

Аннотация. Предложена модель теплообмена на земной поверхности, позволяющая объяснить наблюдаемое запаздывание температурной реакции на изменение внешней радиации. Исходя из предложенной модели, значение фазового сдвига между потоком внешней радиации и температурой поверхности для однородного полупространства равно 45º. Фазовый сдвиг уменьшается при наличии на земной поверхности низкотеплопроводного слоя. Верификация модели проводилась с помощью метеоданных, данных актинометрии, температурного мониторинга почвы (для циклов от суточного до 11-летнего), а также эмпирических свидетельств величины запаздывания температурного отклика на долговременные изменения внешнего радиационного воздействия (орбитальные циклы). Результаты верификации показали, что предложенная модель позволяет описать бо́льшую часть наблюдаемых запаздываний для радиационных воздействий различного временно́го масштаба, т.е. является наиболее универсальной моделью, не отменяя существование иных, специфических для различных временны́х масштабов и географических обстановок механизмов.

Ключевые слова: климатическая система, солнечные циклы, внешнее радиационное воздействие, температура поверхности, тепловой поток через поверхность, фазовый сдвиг.

DOI: https://doi.org/10.21455/GPB2021.4-1

Цитирование: Горностаева А.А., Демежко Д.Ю., Антипин А.Н. Температурный отклик на внешнее радиационное воздействие: Верификация простой модели // Геофизические процессы и биосфера. 2021. Т. 20, № 4. С. 5–19. https://doi.org/10.21455/GPB2021.4-1

Финансирование

Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-05-00058 а – разработка модели, программного обеспечения, проведение температурного мониторинга и теплофизических исследований на ОГМС «Верхнее Дуброво», проведение расчетов, сравнительный анализ и обобщение данных) и госбюджетной темы НИР № 0394-2018-0002 (анализ данных температурного мониторинга, проведенного на геотермическом полигоне ИГФ УрО РАН).

Благодарности

Авторы выражают признательность сотрудникам Уральского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды И.А. Роговскому, В.А. Тыртышникову, А.В. Коробову за помощь и содействие при проведении температурного мониторинга на площадке ОГМС «Верхнее Дуброво» и предоставление данных актинометрии.

Литература

Богданов М.Б., Ефремова Т.Ю., Катрущенко А.В. Оценка характеристик земной климатической системы по ее реакции на изменение солнечной постоянной // Изв. Саратов. ун-та. Нов. сер. Сер. Науки о Земле. 2012. V. 12 (1). C. 3–8.

Богданов М.Б., Червяков М.Ю. Оценка времени реакции и чувствительности земной климатической системы к радиационному воздействию // Изв. Саратов. ун-та. Нов. сер. Сер. Науки о Земле. 2019. V. 19 (4). C. 216–223. https://doi.org/10.18500/1819-7663-2019-19-4-216-223

Горностаева А.А., Демежко Д.Ю., Антипин А.Н. Новая модель климатического отклика и ее применение для орбитальной настройки климатических реконструкций плейстоцена // Геофизические процессы и биосфера. 2019. Т. 18, № 4. С. 203–211. https://doi.org/10.21455/GPB2019.4-17 [Gornostaeva A.A., Demezhko D.Yu., Antipin A.N. A new climate response model for the orbital tuning of Pleistocene climate reconstructions // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2019. V. 55, N 11. P. 1766–1773. https://doi.org/10.1134/S0001433819110057].

Демежко Д.Ю. Геотермический метод реконструкции палеоклимата (на примере Урала). Екатеринбург: УрО РАН, 2001. 144 с.

Демежко Д.Ю., Горностаева А.А. Реконструкция изменений теплового потока через земную поверхность на Урале по геотермическим и метеоданным // Геофизические процессы и биосфера. 2014. Т. 13, № 4. С. 21–40.

Демежко Д.Ю., Рывкин Д.Г. Математическая модель теплопереноса в снежном покрове / ИГФ УрО РАН, Екатеринбург, 2000. Деп. ВИНИТИ 25.02.00. № 500-В00. 10 с.

Казанцев С.А., Дучков А.Д. Аппаратура для мониторинга температуры и измерения теплофизических свойств мерзлых и талых пород // Материалы Междунар. конф. «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов: Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения». Тюмень: ИКЗ СО РАН, 2008. С. 236–239.

Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. 488 с.

Тимофеев А.М., Кравцова О., Малышев А.В., Протодьяконова Н.А. Теплофизические свойства талых и мерзлых грунтов, загрязненных дизельным топливом // Вестн. Сев.-Вост. фед. ун-та им. М.К. Амосова. 2011. Т. 8 (2). С. 15–19.

Федоров В.М. Голоценовый парадокс в астрономической теории климата и проблемы орбитальной настройки // Геофизические процессы и биосфера. 2021. Т. 20, № 1. С. 95–104. https://doi.org/10.21455/GPB2021.1-9

Andreae M.O., Jones C.D., Cox P.M. Strong present-day aerosol cooling implies a hot future // Nature. 2005. V. 435 (7046). P. 1187–1190.

Beltrami H., Wang J., Bras R.L. Energy balance at the Earth’s surface: Heat flux history in Eastern Canada // Geophys. Res. Let. 2000. V. 27, N. 20. P. 3385–3388.

Bender M.L. Orbital tuning chronology for the Vostok climate record supported by trapped gas composition // Earth and Planet. Sci. Let. 2002. V. 204. P. 275–289.

Bennet W.B., Wang J., Bras R.L. Estimation of global ground heat flux // J. Hydrometeorol. 2008. V. 9. P. 744–759.

Berger A., Loutre M.F. Insolation values for the climate of the last 10 million of years // Quatern. Sci. Rev. 1991. V. 10, N 4. P. 297–317. URL: http://gcmd.nasa.gov/records/GCMD_EARTH_LAND_NGDC_PALEOCLIM_INSOL.html

Blunier T., Chappellaz J., Schwander J., Dällenbach A., Stauffer B., Stocker T., Raynaud D., Jouzel J., Clausen H., Hammer C., Johnsen S. Asynchrony of Antarctic and Greenland climate change during the last glacial period // Nature. 1998. V. 394, N 6695. P. 739–743.

Boer G.J., Stowasser M., Hamilton K. Inferring climate sensitivity from volcanic events // Climate Dynamics. 2007. V. 28 (5). P. 481–502. https://doi.org/10.1007/s00382-00006-00193-x

Demezhko D.Y., Gornostaeva A.A. Late Pleistocene–Holocene ground surface heat flux changes reconstructed from borehole temperature data (the Urals, Russia) // Climate of the Past. 2015. V. 11. P. 647–652. https://doi.org/10.5194/cp-11-647-2015

Demezhko D., Gornostaeva A., Majorowicz J., Šafanda J. Temperature and heat flux changes at the base of Laurentide ice sheet inferred from geothermal data (evidence from province of Alberta, Canada) // Inter. J. Earth Sci. (Geol. Rundsch.). 2018. V. 107. P. 113–121. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s00531-017-1464-y; https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2Fs00531-017-1464-y.pdf

Demezhko D.Yu., Gornostaeva A.A., Antipin A.N. The Fennoscandian ice sheet during the Late Weichselian: Geothermal evidence // Inter. J. Earth Sci. (Geol. Rundsch.). 2020. V. 109. P. 1941–1955. https://doi.org/10.1007/s00531-020-01881-1

Dickinson R.E. Modeling climate changes due to carbon dioxide increases // Carbon dioxide review / Ed. W.C. Clark. N.Y.: Oxford Univ. Press, 1982. P. 101–133.

Douglass D.H., Blackman E.G., Knox R.S. Temperature response of Earth to the annual solar irradiance cycle // Phys. Let. A. 2004. V. 323 (3–4). P. 315–322.

Eichler A., Olivier S., Henderson K., Laube A., Beer J., Papina T., Heinz W., Gaggeler H.W., Schwikowski M. Temperature response in the Altai region lags solar forcing // Geophys. Res. Let. 2009. V. 36 (1). L01808. https://doi.org/10.1029/2008GL035930

Gonzalez-Rouco J.F., Beltrami H., Zorita E., Stevens M.B. Borehole climatology: A discussion based on contributions from climate modeling // Climate of the Past. 2009. V. 5. P. 97–127.

Gornostaeva A.A., Demezhko D.Yu. Quasi-temperature data sets // Researchgate [Internet resourse]. December, 2020. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.34429.18401

Gray L.J., Ball W., Misios S. Solar influences on climate over the Atlantic: European sector // Radiation processes in the atmosphere and ocean (IRS 2016): Proc. of the International radiation symposium (IRC/IAMAS), 16–22 April 2016, Auckland, New Zealand / Eds R. Davies, L. Egli, W. Schmulz. Publ. by AIP Publ., February 22, 2017. 020002. (AIP conf. proc. [Internet resourse]. V. 1810 (1)). https://doi.org/10.1063/1.4975498

Hansen J., Russell G., Lacis A., Fung I., Rind D., Stone P. Climate response times: Dependence on climate sensitivity and ocean mixing // Science. 1985. V. 229 (4716). P. 857–859.

Hays J.D., Imbrie J., Shackleton N.J. Variations in the Earth’s orbit: Pacemaker of the Ice ages // Science. 1976. V. 194. 1121.

Honsberg C.B., Bowden S.G. Calculation of Solar insolation // Photovoltaics Education Website [Internet resourse]. URL: www.pveducation.org. Дата обращения: 7 сентября 2021 г.

Imbrie J., Imbrie J.Z. Modeling the climatic response to orbital variations // Science. 1980. V. 207, N 4434. P. 943–953.

Imbrie J., Boyle E.A., Clemens S.C., Duffy A., Howard W.R., Kukla G., Kutzbach J., Martinsson D.G., McIntyre A., Mix A.C., Molfino B., Morley J.J., Peterson L.C., Pisias N.G., Prell W.L., Raymo M.E., Shackleton N.J., Toggweiler J.R. On the structure and origin of major glaciation cycles. 1. Linear responses to Milankovitch forcing // Paleoceanography. 1992. V. 7. P. 701–738.

Kutzbach J.E., Liu X., Liu Z., Chen G. Simulation of the evolutionary response of global summer monsoons to orbital forcing over the past 280,000 years // Climate Dynamics. 2008. V. 30. P. 567–579. https://doi.org/10.1007/s00382-007-0308-z

Laepple T., Werner M., Lohmann G. Synchronicity of Antarctic temperatures and local solar insolation on orbital timescales // Nature Let. 2011. V. 471. P. 91–94. https://doi.org/10.1038/nature09825

Lisiecki L.E., Raymo M.E. A Pliocene–Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ¹⁸O records // Paleoceanography. 2005. V. 20, is. 1. PA1003. https://doi.org/10.1029/2004PA001071

Lourens L.J., Antonarakou A., Hilgen F.J., van Hoof A.A.M., Vergnaud-Grazzini C., Zachariasse W.J. Evaluation of the Plio-Pleistocene astronomical timescale // Paleoceanography. 1996. V. 11. P. 391–413.

Martinson D.G., Pisias N.G., Hays J.D., Imbrie J., Moore T.C., Jr., Shackleton N.J. Age dating and the orbital theory of the Ice Ages: Development of a high-resolution 0 to 300,000-year chronostratigraphy // Quatern. Res. 1987. V. 27. P. 1–29.

Matheny A.M., Bohrer G., Stoy P.C., Baker I.T., Black A.T., Desai A.R., Dietze M.C., Gough C.M., Ivanov V.Y., Jassal R.S., Novick K.A., Schäfer K.V.R., Verbeeck H. Characterizing the diurnal patterns of errors in the prediction of evapotranspiration by several land-surface models: An NACP analysis // J. Geophys. Res. Biogeo. 2014. V. 119. P. 1458–1473. https://doi.org/10.1002/2014JG002623

McKinnon K.A., Stine A.R., Huybers P. The spatial structure of the annual cycle in surface temperature: amplitude, phase, and Lagrangian history // J. Climate. 2013. V. 26. P. 7852–7862. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-13-00021.1

Misios S., Mitchell D.M., Gray L.J., Tourpali K., Matthes K., Hood L., Schmidt H., Chiodo G., Thiéblemont R., Rozanov E., Krivolutsky A. Solar signals in CMIP-5 simulations: Effects of atmosphere–ocean coupling // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 2016. V. 142. P. 928–941. https://doi.org/10.1002/qj.2695

Muryshev K.E., Eliseev A.V., Mokhov I.I., Timazhev A.V. Lead-lag relationships between global mean temperature and the atmospheric CO₂ content in dependence of the type and time scale of the forcing // Glob. and Planet. Change. 2017. V. 148. P. 29–41. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2016.11.005

Muryshev K.E., Eliseev A.V., Denisov S.N., Mokhov I.I., Arzhanov M.M., Timazhev A.V. Time lag between changes in global temperature and atmospheric CO₂ content under anthropogenic emissions of CO₂ and CH₄ into the atmosphere // IOP Conf. Ser. Earth and Environmental Sci. 2019. V. 231, N 1. P. 012039.

North G.R., Cahalan R.F., Coakley Jr. J.A. Energy balance climate models // Rev. of Geophys. 1981. V. 19 (1). P. 91–121.

Nowaczyk N.R., Haltia E.M., Ulbricht D., Wennrich V., Sauerbrey M.A., Rosén P., Vogel H., Francke A., Meyer-Jacob C., Andreev A.A., Lozhkin A.V. Chronology of Lake El'gygytgyn sediments – a combined magnetostratigraphic, palaeoclimatic and orbital tuning study based on multi-parameter analyses // Climate of the Past. 2013. V. 9. N. 6. P. 2413–2432.

Parrenin F., Barnola J.-M., Beer J., Blunier T., Castellano E., Chappellaz J., Dreyfus G., Fischer H., Fujita S., Jouzel J., Kawamura K., Lemieux-Dudon B., Loulergue L., Masson-Delmotte V., Narcisi B., Petit J.-R., Raisbeck G., Raynaud D., Ruth U., Schwander J., Severi M., Spahni R., Steffensen J.P., Svensson A., Udisti R., Waelbroeck C., Wolff E. The EDC3 chronology for the EPICA Dome C ice core // Climate of the Past. 2007. V. 3, N 3. P. 485–497.

Raisbeck G.M., Yiou F., Jouzel J., Stocker T.F. Direct north-south synchronization of abrupt climate change record in ice cores using beryllium 10 // Climate of the Past. 2007. V. 3, N 3. P. 541–547. https://doi.org/10.5194/cp-3-541-2007

Renner M., Brenner C., Mallick K., Wizemann H.D., Conte L., Trebs I., Wei J., Wulfmeyer V., Schulz K., Kleidon A. Using phase lags to evaluate model biases in simulating the diurnal cycle of evapotranspiration: A case study in Luxembourg // Hydrology and Earth System Sci. 2019. V. 23(1). P. 515–535. https://doi.org/10.5194/hess-23-515-2019

Ruddiman W.F. Orbital change and climate // Quatern. Sci. Rev. 2006. V. 25. P. 3092–3112. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2006.09.001

Rypdal K. Global temperature response to radiative forcing: Solar cycle versus volcanic eruptions // J. Geophys. Res. Atmospheres. 2012. V. 117 (D6). P. 1–14. https://doi.org/10.1029/2011JD017283

Schwartz S.E. Heat capacity, time constant, and sensitivity of Earth’s climate system // J. Geophys. Res. Atmospheres. 2007. V. 112. D24S05. https://doi.org/10.1029/2007JD008746

Shackleton N.J. The 100,000-year ice-age cycle identified and found to lag temperature, carbon dioxide, and orbital eccentricity // Science. 2000. V. 289, N 5486. P. 1897–1902.

Shackleton N.J., Berger A., Peltier W.R. An alternative astronomical calibration of the Lower Pleistocene timescale based on ODP Site 677 // Trans. Roy. Soc. Edinburgh Earth Sci. 1990. V. 81. P. 251–261.

Spencer R.W., Braswell W.D. On the misdiagnosis of surface temperature feedbacks from variations in Earth’s radiant energy balance // Remote Sensing. 2011. V. 3 (8). P. 1603–1613. https://doi.org/10.3390/rs3081603

Stine A.R., Peter J.H., Inez Y.F. Changes in the phase of the annual cycle of surface temperature // Nature. 2009. V. 457. P. 435–440. http://doi.org/10.1038/nature07675

Sun T., Wang Z.H., Ni G.H. Revisiting the hysteresis effect in surface energy budgets // Geophys. Res. Let. 2013. V. 40 (9). P. 1741–1747. https://doi.org/10.1002/grl.50385

van Nes E.H., Scheffer M., Brovkin V., Lenton T.M., Ye H., Deyle E., Sugihara G. Causal feedbacks in climate change // Nature Climate Change. 2015. V. 5. P. 445–448. https://doi.org/10.1038/NCLIMATE2568

Waelbroeck C., Jouzel J., Labeyrie L., Lorius C., Labracherie M., Stiévenard M. A comparison of the Vostok ice deuterium record and series from Southern Ocean core MD 88–770 over the last two glacial-interglacial cycles // Clim. Dyn. 1995. V. 12, N 2. P. 113–123.

White W.B., Lean J., Cayan D.R., Dettinger M.D. Response of global upper ocean temperature to changing solar irradiance // J. Geophys. Res. Oceans. 1997. V. 102, N C2. P. 3255–3266.

Zachos J.C., Shackleton N.J., Revenaugh J.S., Pälike H., Flower B.P. Climate response to orbital forcing across the Oligocene–Miocene boundary // Science. 2001. V. 292, N 5515. P. 274–278.

Zhang Q., Manzoni S., Katul G., Porporato A., Yang D. The hysteretic evapotranspiration – Vapor pressure deficit relation: ET-VPD hysteresis // J. Geophys. Res. Biogeo. 2014. V. 119. P. 125–140. https://doi.org/10.1002/2013JG002484

Сведения об авторах

ГОРНОСТАЕВА Анастасия Александровна – Институт геофизики имени Ю.П. Булашевича УрО РАН. Россия, 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 100. E-mail: free_ride_@mail.ru

ДЕМЕЖКО Дмитрий Юрьевич – Институт геофизики имени Ю.П. Булашевича УрО РАН. Россия, 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 100. E-mail: ddem54@inbox.ru

АНТИПИН Александр Николаевич – Институт геофизики имени Ю.П. Булашевича УрО РАН. Россия, 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 100. E-mail: anantipin@rambler.ru