Диагностика динамики климата в работах академика Мохова

Диагностика динамики климата – научное направление, развитое академиком И.И. Моховым в начале 1980-х годов для выявления физических механизмов и причинно-следственных связей в наблюдаемых изменениях климатической системы.

Одним из ключевых достижений стало получение первых количественных эмпирических оценок для важнейших климатических обратных связей — процессов, в которых изменение одного параметра (например, температуры) вызывает реакцию другого, что, в свою очередь, усиливает или ослабляет первоначальный импульс.

Например, на основе анализа годового хода данных Мохов показал, что для Северного полушария в целом связь между баллом облачности и приземной температурой положительна, но очень слаба.

Проведя сравнительный анализ различных глобальных климатологий облачности, Мохов выявил их кардинальные расхождения, особенно в полярных регионах. Он установил, что в глобальном осреднении изменения облачности слабо влияют на радиационный баланс на верхней границе атмосферы.

Применяя диагностический подход к проблеме чувствительности климата к антропогенным воздействиям, Игорь Иванович на основе анализа эмпирических данных оценил эффективную чувствительность системы к увеличению концентрации CO₂, показав, как эта оценка меняется при учёте таких факторов, как влияние стратосферы и запаздывание реакции альбедо (запаздывание реакции ледяного покрова на потепление).

Метод анализа амплитудно-фазовых характеристик лёг в основу сканер-модели для физической интерпретации сезонного хода температуры и был расширен для анализа механизмов межгодовой изменчивости (Эль-Ниньо, САК).
*Эль-Ниньо: Мощное потепление поверхностных вод в экваториальной части Тихого океана.
*САК (Северо-Атлантическое колебание): Разница давлений над северной Атлантикой, определяющая погоду в Европе.
Мохов установил, что Эль-Ниньо оказывает одностороннее влияние на САК, буквально «диктуя» условия погоды в Атлантическом секторе.

Для диагностики экстремальных явлений Мохов ввёл аналог понятия «действие», что на основе данных и модельных экспериментов дало первые оценки изменения характеристик внетропических циклонов и блокирующих антициклонов при потеплении, показав тенденцию к увеличению продолжительности зимних блокингов.
*Блокинги (блокирующие антициклоны) – огромные малоподвижные области высокого давления, которые «застревают» над регионом на недели, вызывая экстремальную жару летом (как в 2010 году) или лютые морозы зимой.

Важным этапом развития методологии стали работы по выявлению причинно-следственных связей в климатической системе. Совместно с Д.А. Смирновым был разработан и применен метод количественной оценки направленности и силы связи между различными компонентами климата. В основе этого подхода лежит математический аппарат анализа временных рядов, базирующийся на концепциях Грэнджера (оценка того, насколько предсказание будущего одной переменной улучшается при учете истории другой). Это позволяет решать фундаментальную задачу: определить, является ли одна переменная истинной причиной другой, или же зафиксированная связь опосредована влиянием третьего фактора. Такой метод позволяет строго определить «ведущую» и «ведомую» системы, разделяя причину и следствие в сложных петлях обратных связей. Анализ причинности по Грэйнджеру, проведенный с использованием как реконструкций, так и данных инструментальных наблюдений, позволил также выявить значимое влияние солнечной активности на глобальную приповерхностную температуру (ГПТ) Земли.

В исследовании Мохова и Смирнова 2009 г. с помощью методов причинного анализа установлено, что антропогенные факторы, в частности рост концентрации парниковых газов, являются определяющими в глобальном потеплении со второй половины XX века. Авторы установили причинно-следственную связь, согласно которой влияние человека существенно превышает воздействие естественных причин на долгосрочный температурный тренд.

В более поздней работе, 2022 г. Мохов с соавторами подтвердили доминирующую роль антропогенных факторов (в первую очередь концентрации парниковых газов) в долгосрочном потеплении, однако уточнили вклад естественных процессов на среднесрочных интервалах (около 10 лет).  Использованный метод оценки причинности позволил более точно отделить «отклик» климатической системы от случайных шумов и взаимных корреляций. Показано, что антропогенное воздействие является основным драйвером роста температуры: вклад в тренд ГПТ в последние десятилетия составляет около 0,1–0,2 °C за десятилетие. Такие факторы, как солнечная активность, вулканизм и океанические циклы (например, Атлантическая мультидекадная осцилляция — AMO), существенно модулируют тренд на масштабе 10–15 лет, что может приводить к временным ускорениям или замедлениям («паузам») потепления.

Разработанная И.И. Моховым методология диагностики предоставляет инструменты для анализа данных наблюдений и результатов модельных расчётов. Его подходы позволяют количественно оценивать роль различных факторов в изменениях климата, что составляет основу для физического понимания климатических процессов.

Подробнее читайте в публикациях:
1. Мохов И.И. Чувствительность и устойчивость зональных термодинамических моделей климата. Дисс. на соиск. уч. степ. кандидата физ.-мат. наук. М., ИФА АН СССР. 1979. 149 с.
2. Мохов И.И. О влиянии CO2 на термический режим земной климатической системы // Метеорология и гидрология. 1981. № 4. С. 24-34.
3. Мохов И.И. О связи количества облаков с температурой при большом пространственном осреднении // Метеорология и гидрология. 1982. № 10. С. 35-45.
4. Мохов И.И. О влиянии облачности на энергетический баланс климатической системы // Метеорология и гидрология. 1982. № 8. С. 13-18.
5. Мохов И.И. Диагностика динамики климатической системы. Л.: Гидрометеоиздат, 1993. 271 с. (опубликована в 1995 г.)
6. Мохов И.И. Диагностика структуры климатической системы и ее эволюции в годовом ходе и межгодовой изменчивости. Дисс. на соиск. уч. степ. доктора физ.-мат. наук. М., ИФА РАН. 1995. 64 с.
7. Мохов И.И. Действие как интегральная характеристика климатических структур: Оценки для атмосферных блокингов // Доклады АН. 2006. Т. 409. No. 3. С. 403-406.
8. Мохов И.И., Смирнов Д.А. Эмпирические оценки воздействия антропогенных и естественных факторов на глобальную приповерхностную температуру // Доклады АН. 2009. Т.426. С.679-684.
9. Mokhov I.I., Smirnov D.A. Contributions to surface air temperature trends estimated from climate time series: Medium-term causalities // Chaos. 2022. V. 32. P. 063128. https://doi.org/10.1063/5.0088042