СПОСОБ УЧЕТА АКТИВНОСТИ СОЛНЦА В СРЕДНЕСРОЧНЫХ ПРОГНОЗАХ ПОГОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
METHOD OF MEASURING SOLAR ACTIVITY IN MEDIUM-TERM WEATHER-CLIMATE FORECASTS

Область техники: метеорология, солнечно-земная физика.
Изобретение относится к способам среднесрочного (от 1-2 недель до 1-3 месяцев) предсказания погодно-климатических характеристик с учетом вариабельности солнечной активности и может быть использовано при определении характера изменения площади (распространенности) облачного покрова (балльности полной (общей) облачности) и аномалий в температурах приземного воздуха на больших территориях.
Эволюция погоды определяется нелинейными хаотическими динамическими процессами. Поэтому метеорологи уверенно говорят об объективности существования так называемого "горизонта" в своих прогнозах, который составляет около двух недель. Однако динамика атмосферной физикохимии может критически зависеть от очень малых изменений в начальных условиях. Среди очень и не очень малых воздействий на тропосферу следует, как это показано нами в ряде публикаций (см., например, [1-4]), учитывать сигналы изменения активности Солнца как в основном, 11-летнем цикле, так и в вековых вариациях.
В [2-4] показано, что "солнечный сигнал" действительно прослеживается в вариациях основных погодно-климатических характеристик, в том числе на временной шкале до нескольких месяцев, где выявляется зависимость корреляции распространенности полной (общей) облачности с пятенной и факельной активностью (числами Вольфа и величиной солнечной постоянной). По количеству пятен и факельным полям можно прогнозировать изменение площади облачного покрова (балльности облачности), а следовательно, и теплорадиационный баланс Земли с заблаговременностью до нескольких месяцев (исходя из известной статистики времени жизни таких образований в фотосфере Солнца). Важно отметить, что регистрация как пятенной, так и факельной активности Солнца доступна для наземных обсерваторий, в том числе в рамках Службы Солнца (www.solarstation.ru), при этом факельные эффекты при всплесках величины солнечной постоянной определяются по индексам активности, связанным с флоккулами.
Известны традиционные способы прогноза метеорологических характеристик, в которых на шкале в несколько месяцев обычно прогнозируют среднемесячные величины, а в предлагаемом Способе возможно прогнозировать значения для пятидневок аномалий температуры приземного воздуха на сроки от недели до месяцев (на сезон) с заблаговременностью до двух месяцев.
Известен способ составления долгосрочного прогноза погоды М.В. Бухарова и В.М. Алимова (RU №2002282 C1, G01W 1/00 от 30.10.93), где предлагается учет гравитационного влияния планет на активность Солнца в качестве возможной причины стимулирования возникновения солнечных пятен, а следовательно, и вариаций величины потока энергии Солнца. Но такой физический механизм до сих пор не получил общепризнанного обоснования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ составления комплексного долгосрочного регионального прогноза погоды В.П. Громова, Д.А. Безуглова, Л.А. Гончарова и Е.Н. Мищенко (RU №2036484 C1, G01W 1/10 от 27.05.1995). Способ предполагает для составления прогноза температуры проведение предварительных метеонаблюдений, составление банка данных, проведение метеонаблюдений в начальный момент времени, предшествующий моменту прогноза, и обработку результатов наблюдений с учетом информации банка данных. При проведении предварительных метеонаблюдений и метеонаблюдений в начальный момент времени (путем проведения текущих измерений минимальной и максимальной суточной температуры, наблюдения явлений погоды и дополнительного измерения средней оптической плотности облачности в световое время суток и солнечной активности) производят определение совокупностей форм облачности с учетом конвективной облачности и форм облаков на трех ярусах, при составлении банка данных определяют вероятности перехода каждой из совокупностей форм облачности в другие совокупности, а при обработке результатов наблюдений учитывают вероятности перехода форм облачности соответствующей совокупности, которая определена в начальный момент времени. Недостатком прототипа является ограниченная длительность прогноза при расширенном числе контролируемых (измеряемых) параметров атмосферы.
Задачей предлагаемого технического решения является прогнозирование изменений наиболее важных погодно-климатических характеристик - полной облачности и аномалий температуры приземного воздуха - с учетом воздействия вариаций общепризнанных параметров активности Солнца: числа солнечных пятен и всплесков в величине солнечной постоянной.
Поставленная задача в Способе учета активности Солнца в среднесрочных прогнозах погодно-климатических характеристик, включающем выполнение, на основе наблюдений за текущей активностью Солнца, прогноза изменений площади облачного покрова (балльности облачности), находящегося в антикорреляции с числом солнечных пятен и в корреляции с всплесками полного потока лучистой энергии Солнца (величиной солнечной постоянной), решается тем, что эти солнечные данные (в том числе - спрогнозированные) используются для прогноза на шкале до нескольких месяцев факта отклонения температур приземного воздуха от номинальной с принятием во внимание известных данных о влиянии изменений в балльности облачности на вариации величины отклонений (аномалий) температуры приземного воздуха от номинальных значений.
Существенным отличительным признаком заявленного нами технического решения является целенаправленное использование как банка данных по температурным аномалиям, созданным ВНИИ Гидрометеорологической информации - Мировым центром данных [5] по совокупности измерений всеми метеорологическими станциями Российской Федерации с 1966 г., так и информации по основным физическим параметрам солнечной активности, предоставляемым Главной (Пулковской) астрономической обсерваторией РАН в рамках проекта «Служба Солнца» - (www.solarstation.ru).
Это обеспечивает достижение целей Способа - улучшение точности и увеличение заблаговременности предсказания аномалий температуры приземного воздуха на больших территориях.
Вышеприведенный существенный отличительный признак нам был неизвестен из общедоступных источников патентной и научно-технической информации, более того, о необходимости учета активности Солнца при среднесрочных прогнозах погодно-климатических характеристик (вариаций площади полной облачности и соответствующих аномалий температуры приземного воздуха) нет упоминания в руководящих документах. Поэтому мы считаем, что заявленное нами техническое решение соответствует условию патентоспособности "Новизна".
Приведенный выше существенный отличительный признак для специалистов в данной области явным образом не следует из уровня техники, поэтому мы считаем, что заявленное нами техническое решение соответствует условию патентоспособности "Изобретательский уровень".
Учитывая общепризнанность полезности учета дополнительных физических параметров окружающей среды для улучшения точности и увеличения заблаговременности предсказания аномалий температуры приземного воздуха на сроки от недели до месяцев (на сезон), мы можем утверждать, что описываемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "Промышленная применимость".
Сущность заявленного изобретения поясняется материалами в нижеследующем тексте, частично опубликованном в статьях [2-4].
1) На рис.1 представлено изменение площади глобальной полной (общей) облачности по наблюдениям со спутников по данным сайта [http://isccp.giss.nasa.gov/climanal7.html] (нижний график с месячным усреднением). Средняя кривая - усредненное за месяц число солнечных пятен - R, и верхняя кривая - текущий ход величины солнечной постоянной - Total Solar Irradiance - TSI [http://www.ngdc.noaa.gov/stp/solar/solarirrad.html]. Предложенная линейная аппроксимация [2-4] подтверждает влияние вековых трендов отдельных ионизирующих факторов солнечно-геомагнитной активности: - потока крайнего УФ (КУФ) и мягкого рентгеновского излучения Солнца, величин aa-индекса и числа геомагнитных бурь, и воздействия их совместного падения после конца 2003 года. На рис.1 обозначено: 1 - период с 1983 по 1985/87 годы: рост облачности в связи с возрастанием коротковолновой активности Солнца и возрастанием геомагнитной активности (aa-индекса и числа мировых магнитных бурь); 2 - период с 1987 по 2000 годы: падение потока КУФ-излучения Солнца и числа вспышек на Солнце; 3 - период с 2000 по 2003 годы: вековой рост геомагнитной активности, продолжающийся вплоть до конца 2003 года; 4 - период с 2004 года: общее падение числа мировых магнитных бурь и коротковолновой электромагнитной активности Солнца. Наконец, из рис.1 следует, что на временной шкале в несколько месяцев выявляется положительная корреляция между площадью облачности и всплесками величины солнечной постоянной и отрицательная корреляция с числом солнечных пятен.
Нижний график на рис.1 и выполненная нами его линейная аппроксимация по четырем периодам вариаций различных факторов солнечно-геомагнитной активности в вековом цикле подтвердили выводы [1-4] по физике проявлений воздействия "солнечного сигнала" на тропосферу, связываемой с действием введенного нами ранее [1] радиооптического трехступенчатого триггерного механизма, когда микроволновое излучение, генерируемое ионосферой при воздействии факторов усиленной солнечной активности (повышенных потоков ионизирующего излучения Солнца), регулирует конденсационно-кластерный процесс зарождения и дальнейшей эволюции облачности.
Тогда следует констатировать, что по количеству пятен, появляющихся на диске Солнца, и факельным полям в солнечной фотосфере можно прогнозировать изменение площади облачного покрова (балльности облачности), а следовательно, и теплорадиационный баланс Земли с заблаговременностью до нескольких месяцев (исходя из известной статистики времени жизни этих образований в фотосфере Солнца).
2) Сведения о связи всплесков в величине солнечной постоянной с факельными полями (всплески величины TSI связаны с факельным УФ-излучением атмосферы Солнца) и роль пятенной активности в фотосфере Солнца обсуждались в [6]. Известно двойственное проявление пятен в вариациях TSI. Долговременные изменения TSI в течение цикла активности Солнца имеют тот же знак, что и изменения числа пятен: чем меньше пятен, тем меньше TSI. Наоборот, кратковременные и хорошо понятные корреляции TSI с прохождением пятен - противоположного знака, т.е. - чем больше пятен, тем меньше величина TSI. Отдельные большие пятна (группы) уменьшают мгновенные значение TSI, особенно при появлении этих групп. В [6] получено наличие примерного баланса избытка и недостатка излучения объектов: факелы - пятна, хотя время жизни факельной составляющей - более двух оборотов Солнца, тогда как пятна, в среднем существуют около одного оборота. Таким образом, факельная составляющая генерируется структурами со временем жизни гораздо больше, чем типичное время жизни пятна. В целом пятна не блокируют УФ-излучение факелов так, как они блокируют видимое и ИК-излучения диска Солнца.
Статистические данные по продолжительности пятенной и факельной активности Солнца приведены в [7]. Время жизни средней группы пятен - 6 сут, а для больших групп, определяющих изменение солнечной активности - 1,5 месяца. Для большого пятна время уменьшения площади в е-раз примерно 11 сут. Время жизни среднего факела - 15 сут, а время жизни больших факелов, определяющих изменения солнечной активности, - 2,7 месяцев. Т.е., действительно, факельная составляющая генерируется структурами со временем жизни гораздо больше, чем типичное время жизни пятна. Приведенные данные о временах релаксации пятенной и факельной структур на Солнце определяют, в рамках предложенного нами способа учета активности Солнца в среднесрочных прогнозах погодно-климатических характеристик, те минимальные - от недели и те максимальные - до 2,7 месяца периоды прогнозирования вариаций площади полного облачного покрова, в той части, которая связана с проявлением пятенной (дающей уменьшение площади облачности, что равносильно уменьшению балльности облачности) и факельной (приводящей к приросту балльности облачного покрова) активности Солнца.
3) На основе банка данных по температурным аномалиям, созданным ГУ ВНИИ Гидрометеорологической информации - Мировым центром данных по совокупности измерений всеми метеорологическими станциями Российской Федерации с 1966 г. получено [5], что в холодное полугодие отепляющий эффект облачности определяет около 50% общей изменчивости температуры. В теплое полугодие охлаждающий эффект облачности определяет около 25% общей изменчивости. А в апреле и октябре (месяцах смены полугодий) доля объясненной вариации температуры облачностью составляет только около 5%. Там же приведены, на основе обобщения по всем метеостанциям России в широтной зоне 50-70° с.ш. по восьмисрочным (т.е. через каждые три часа) суточным наблюдениям с 1966 года соотношения между изменениями количества полной (общей) облачности (в виде вариаций балльности облачности) и температурой в абсолютных значениях по аномалиям. В качестве норм взяты средние за 1966-1990 гг., а аномалии температуры и количества облачности по пятидневкам вычислялись за 1991-2004 гг. В среднем во всех случаях изменение количества облачности на 0,1 балла сопровождалось изменением температуры приземного воздуха примерно на 0,4-0,5°C. Из рис.1 следует, что вариации площади полной облачности, обусловленные заметными изменениями пятенной и факельной солнечной активностью (в величинах R и TSI), составляют не более 2-3%, что меняет балльность облачного покрова на 0,2-0,3 балла (поскольку по определению стопроцентное покрытие небосвода облачным покровом соответствует десяти баллам облачности), а соответственно, в среднем такое изменение площади облаков сопровождается вариациями в температуре воздуха примерно на 0,8-1,5°C. В отдельные месяцы и пятидневки изменения температуры (в градусах Цельсия), связываемые с вариациями площади облачного покрова (в баллах облачности), оказываются в несколько раз выше и соответствующие коэффициенты пересчета можно получать из графиков ВНИИГМИ, рис.2 и 3 [5]. На рис.2 представлен Годовой ход (по пятидневкам) аномалий температуры воздуха (dT) и количества полной (общей) облачности (dCl) в 1991-2004 гг. относительно средних за 1966-1990 гг. [5], а на рис.3 - Изменение в теплую часть года (по пятидневкам) аномалий температуры воздуха (dT) и количества полной (общей) облачности (dCl) в 1991-2004 гг. относительно средних за 1966-1990 гг. по станциям России в широтной зоне 50-70° [5]. (Эти графики позволяют определять по изменениям в балльности полной (общей) облачности аномалии температуры с увеличением скважности до пяти суток.) В январе-феврале за 1991-2004 гг. сравнительно большое увеличение количества облачности на 0,5-1,0 баллов сопровождалось повышением температуры воздуха над Россией в эти же месяцы на 3-5°C, а в октябре, начале ноября и во второй половине декабря на 0,3-0,4 балла (с повышением температуры на 1-2°). Уменьшение количества облачности во второй половине ноября и начале декабря на 0,4 балла сопровождалось понижением температуры воздуха над Россией на 2°C.
В теплую часть года (с 21 по 59 пятидневку) отрицательные аномалии количества облачности сопровождаются повышением температуры, а положительные - понижением. При отрицательных аномалиях количества облачности от -0,21 до -0,26 баллов наблюдаются положительные аномалии температуры от +1,1 до +1,4°C, а отрицательная аномалия температуры (-0,2°C) наблюдается только в 52-ю пятидневку (сентябрь) при самой большой положительной аномалии количества облачности (0,51 балла).
Выводы
Приведенные результаты исследований в рамках новейшей солнечно-земной физики [1] подтверждают необходимость и современные возможности учета активности Солнца в прогнозировании таких основных погодно-климатических характеристик, как площадь (балльность) полного (общего) облачного покрова и аномалии температуры приземного воздуха. При этом в предлагаемом нами Способе учета активности Солнца в среднесрочных (недельно-месячных) прогнозах погодно-климатических характеристик используются в качестве предикторов наиболее известные и надежно определяемые параметры текущей активности Солнца, а именно число солнечных пятен и всплески солнечной постоянной [2-4].
Литература
1. Авакян С.В. Физика солнечно-земных связей: результаты, проблемы и новые подходы // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т.48. №4. С.1-8.
2. Авакян С.В. Роль активности Солнца в глобальном потеплении // Вестник Российской Академии наук. 2013. Т.83. №5. С.41-52. Avakyan S.V. The role of solar activity in global warming // Herald of the Russian Academy of Sciences. 2013. V.83. N.3. P.275-285.
3. Авакян С.В. Проблемы климата как задача оптики // Оптический журнал. 2013. Т.80. №11.
4. Авакян С.В., Баранова Л.А., Воронин Н.А. Оптика облачности и современные изменения климата // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т.49. №12.
5. Шерстюков Б.Г. Региональные и сезонные закономерности изменений современного климата. Обнинск, ГУ «ВНИИГМИ-МЦД». 2008. 246 с.
6. Макарова Е.А., Харитонов А.В., Казачевская Т.В. Поток солнечного излучения. М.: Физматгиз, 1991. 400 с.
7. Аллен К.У. Астрофизические величины. М.: Мир, 1977. С.265-266.