Климатология

КЛИМАТОЛОГИЯ

А.В. КИСЛОВ
Г.В. СУРКОВА

Москва

ИНФРА-М

201УЧЕБНИК

3-е издание, дополненное

Рекомендовано

Учебно-методическим объединением

по классическому университетскому образованию

в качестве учебника для студентов 

высших учебных заведений, обучающихся 

по направлениям подготовки 05.03.02 «География»;

05.03.04 «Гидрометеорология»

(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 551.5(075.8)
ББК 26.237я73
 
К44

Кислов А.В.

Климатология : учебник / А.В. Кислов, Г.В. Суркова. — 3-е изд., 

доп. — М. : ИНФРА-М, 2018. — 324 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс; Режим доступа http://www.znanium.com]. — (Высшее 
образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/19028.

ISBN 978-5-16-011694-5 (print)
ISBN 978-5-16-104075-1 (online)
В учебнике содержатся сведения об особенностях современного климата, 

генезисе его формирования, механизмах изменения. Описаны свойства климатической системы, ее энергетика, свойства водяного пара и углекислого газа — 
важнейших субстанций для парникового эффекта. Кратко изложены прошлое 
и будущее состояния климата. География климатов рассматривается с позиций 
объяснения механизмов формирования региональных климатических особенностей.

Учебник создан в соответствии с Федеральным государственным образова
тельным стандартом высшего образования последнего поколения.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 

подготовки 05.03.02 «География» и 05.03.04 «Гидрометеорология».

УДК 551.5(075.8)

ББК 26.237я73

К44

ISBN 978-5-16-011694-5 (print)
ISBN 978-5-16-104075-1 (online)
© Кислов А.В., Суркова Г.В., 2016

А вт оры:
Александр Викторович Кислов, д-р геогр. наук, профессор кафедры метеорологии и климатологии географического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова;
Галина Вячеславовна Суркова, канд. геогр. наук, доцент кафедры метеорологии 
и климатологии географического факультета Московского государственного 
университета им. М.В. Ломоносова

Рец енз енты:
Р.М. Вильфанд, д-р техн. наук, директор Гидрометцентра Российской Федерации;
А.Б. Шмакин, д-р геогр. наук, зав. лабораторией климатологии Института географии РАН

Материалы, отмеченные знаком 
, 

доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

СпиСок принятых Сокращений

ВГА
— верхняя (внешняя) граница атмосферы

ВЗК
— внутритропическая зона конвергенции

ВКС — верхний квазиоднородный слой
ВМО — Всемирная метеорологическая организация
ВСП — внезапные стратосферные потепления
ГВ
— гравитационные волны

ГКЛ — галактические космические лучи
ГТК
— гидротермический коэффициент

ДМС — диметилсульфид
ЕОФ — естественные ортогональные функции
КДЦ — квазидвухлетняя цикличность
ОСО — общее содержание озона
ПКФ — пространственная корреляционная функция
ПСО — полярные стратосферные облака
ПЭ
— парниковый эффект

РП
— растительный покров

СА
— солнечная активность

СКЛ — солнечные космические лучи
СП
— солнечная постоянная

УДР — уходящая (на ВГА) длинноволновая радиация
УФ
— ультрафиолетовый

ФАР — фотосинтетически активная радиация
АМО (Atlantic Multidecadal Oscillation) — Атлантическое междекадное 

колебание

АО (Arctic Oscillation) — Арктическое колебание
DO
— события Дансгора — Оешгера

ENSO (ElNino — Southern Oscillation) — Эль-Ниньо — Южное колебание
LIA (Little Ice Age) — малая (маленькая) ледниковая эпоха
MWE (Medieval Warm Epoch) — средневековая теплая эпоха
NAO (North Atlantic Oscillation) — Североатлантическое колебание
NPI (North Pacific Index) — Северотихоокеанский индекс
NPP (Net Primary Productivity) — бюджет первичной продуктивности
PDO (Pacific Decadal Oscillation) — Тихоокеанское декадное колебание
PNA (Pacific-North America) — аномалия Тихого океана и Северной 

Америки

SOI (Southern Oscillation Index) — индекс Южного колебания

предиСловие

Интерес к изменению климата, прогнозу климата, отклику окру
жающей среды на его изменения в настоящее время огромен. Это 
объясняется происходящей «на глазах» перестройкой климатического режима. Развитие мониторинга окружающей среды, позволившего фиксировать изменения планетарного масштаба, становление 
математического моделирования климата, исследования климатов 
прошлого способствовали тому, что наука о климате приняла вызов 
времени и готова к тому, чтобы обеспечить научно обоснованный 
прогноз. Успехи климатологии были отмечены присуждением 
в 2007 г. сообществу климатологов (Межправительственной группе 
экспертов) Нобелевской премии мира.

Содержание данного учебника соответствует одноименному курсу 

лекций, который авторы читают на протяжении более 30 лет на кафедре метеорологии и климатологии географического факультета 
Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и который предназначен студентам вузов, обучающимся по 
таким направлениям, как гидрометеорология, метеорология и климатология, экологическая климатология и др. в рамках программ 
бакалавриата, магистерского образования и специального пятилетнего образования. Книга содержит сведения об особенностях современного климата, генезисе его формирования, механизмах изменения и полезна лицам, занимающимся вопросами формирования 
климата и климатически обусловленными изменениями состояния 
окружающей среды.

В соответствии с учебными планами предполагается, что, при
ступая к изучению указанного предмета, студенты владеют основами 
математики, физики и химии. Материал базируется на общих представлениях, излагаемых в курсах «Физическая метеорология», 
«Химия атмосферы», «Гидромеханика», «Динамическая метеорология», комплексе физико-географических и геоэкологических дисциплин.

Основная задача учебника — дать фундаментальное представ
ление о физике планетарного климата, о том, каким образом создается географическое распределение климатов земного шара, каковы 
основные механизмы изменений климата. В книге рассматриваются 
свойства климатической системы, планетарные циклы водяного пара 
и углекислого газа как важнейших для парникового эффекта субстанций. Поскольку формирование климата происходит на вращающейся планете, то наряду с энергетикой климатической системы 
изучается угловой момент атмосферы и соответствующие моменты 
сил. Кратко излагается история климата (с акцентом на события последних столетий) и его будущее состояние.

Авторы считают, что от студента не следует скрывать сложность 

предмета. Поэтому изложение проводится на том уровне знаний, 
который достигнут в мире к настоящему времени. В то же время 
в учебнике не может быть места для спекулятивных теорий, поэтому 
в книгу включены только те концепции, которые прошли апробацию 
и приняты мировым сообществом климатологов. Некоторые задачи 
трудно изложить неподготовленному читателю, и чтобы не ставить 
неразрешимые проблемы, авторы прибегают к способу изложения 
сложных конструкций «на пальцах», часто демонстрируя только 
связность математических утверждений или рассматривая простые 
аналогии сложных явлений.

Данная книга представляет собой необходимое звено получения 

конкретных профессиональных компетенций. В результате изучения 
материала студент должен:
• знать

– механизмы формирования глобального климата и их реали
зацию в отдельных регионах (в том числе при формировании 
микроклимата);

– что такое климатообразующие факторы, изменчивость и изме
нения климата, классификация климатов, климатически обусловленные природные ресурсы и климатически зависимые 
отрасли экономики;

– механизм воздействия климата на экологию человека;

• уметь

– использовать знания о состоянии климата при решении фун
даментальных задач (диагноз современных изменений климата 
и прогноз климата);

– применять знания к широкому спектру прикладных задач 

(районирование территорий, оценка природных ресурсов 
и др.);

• владеть

– навыками получения информации по климатологии и ис
пользования ее в научной деятельности и образовательном
процессе, при решении прикладных задач в сфере гидрометеорологического прогнозирования, природопользования, 
экологии, планирования, безопасности, реализации программ
развития природно-социально-экономических систем.

введение

Термин «климат» используют для характеристики двух несколько 

различных и несводимых друг к другу понятий. Во-первых, это характеристика гидрометеорологического режима определенной 
территории в ряду других ее физико-географических показателей. 
Действительно, наряду с типичными особенностями рельефа, растительности, почвенного покрова региона можно говорить о его характерных гидрометеорологических условиях, т.е. о климате данной 
территории.

Во-вторых, понятием «климат» определяют состояние гидроме
теорологического режима планетарного масштаба. В этом случае 
говорят о глобальном климате, который характеризует температурный 
режим атмосферы, океана и материков, общую циркуляцию океана 
и атмосферы, закономерности влагооборота, состояние криосферы 
и в какой-то степени газообмен, определяющий содержание парниковых газов в атмосфере. Появление и использование этого понятия 
вызваны к жизни представлениями о процессах планетарного масштаба (ледниковые периоды и межледниковья в истории Земли, современное глобальное потепление и др.), проявляющихся, так или 
иначе, в каждой точке земного шара и имеющих единую природу.

Состояние современного климата оценивают по данным наблю
дений, выполняемых глобальной гидрометеорологической сетью 
(в последнее десятилетие и по материалам спутникового зондирования, самолетного зондирования и морских буев). Эта разнородная 
информация проходит процедуру усвоения, в результате получаются 
гриддированные данные, покрывающие, с определенным пространственным разрешением, весь земной шар.

Информацию о состоянии климатов прошлого обеспечивают ре
конструкции климата. Для их успешного выполнения необходимо 
совместное решение двух задач. Первая — это проблема климатической интерпретации палеоиндикаторов различного происхождения. 
Вторая — датирование информации в единицах абсолютного (календарного) времени.

Представление о климате будущего создается на основе представ
лений о климатообразующих механизмах и обеспечивается с помощью математического моделирования планетарной циркуляции 
атмосферы и океана, термического режима и состояния увлажнения, 
биогеохимических циклов. Для этой цели используются математические модели климата, а также модели Земной системы. Они 
основаны на уравнениях, решение которых возможно только численными методами. Данная задача требует математического и физического обоснования, а также развития технологии компьютерного 
эксперимента.

Характерной особенностью климата является его временная из
менчивость, спектр которой создается одновременно существующими 
флуктуациями, с периодом от долей секунды (микромасштабная 
турбулентность) до нескольких миллиардов лет (возраст планеты). 
Принято считать, что из этого диапазона к климатическим относятся 
межгодовые флуктуации, начиная от периодов в 30–40 лет и заканчивая самыми низкочастотными колебаниями. Осреднение в 30–
40 лет — интервал, в который укладывается несколько межгодовых 
вариаций; кроме того, подобную статистику можно надежно получать по данным гидрометеорологических наблюдений мировой сети. 
Наконец, указанный интервал соизмерим с продолжительностью
жизни человека — последнее отражает тот факт, что к климатическим изменениям традиционно относились те, которые происходили 
«во времена, превышающие память одного поколения».

Отнесение процессов к климатическим изменениям осуще
ствляется произвольно в том смысле, что не базируется на какой-то 
ясной физической идее. В самом деле, спектр изменчивости гидрометеорологических полей представляет собой непрерывно меняющуюся функцию, осложненную пиками годового хода и его гармоник, а также слабо проявляющимися на фоне «шума» квазиритмическими флуктуациями типа 40–60-суточных колебаний, 
межгодовых вариаций, таких как квазидвухлетняя цикличность 
и Эль-Ниньо — Южное колебание, и некоторых других.При таком 
характере спектра выбор масштаба осреднения всегда будет произволен и средние значения будут функциями более «медленного» времени. Это же касается и выбора контрольного фонового климата, 
при сравнении с которым можно составить представление об изменениях климата. Таким эталоном, характеризующим «современный 
климат», Всемирной метеорологической организацией (ВМО) долгое 
время был определен набор статистических характеристик климатических переменных за 1961–1990 гг. В 2015 г. ВМО утвердило в качестве эталонного 1981–2010 гг.

Факт наличия хаоса, порожденного внутренней динамикой 

системы, определяет неединственность состояния климата, отвечающего конкретному набору внешних факторов. В этом случае надежная оценка «среднего климата» могла быть сделана путем осреднения отдельных траекторий, проходимых климатической системой 
при некотором неизменном наборе внешних факторов. Однако это 
условие реализовано быть не может — история климата неповторима, она представляет собой всего лишь одну из возможного набора 
таких временных траекторий, и определение средних характеристик 
требует выполнения гипотезы об эргодичности поведения системы 
на аттракторе. Однако если мы лишены возможности применить 

данный принцип в полном объеме к реальной климатической 
системе, он может быть эффективно использован в методике математического моделирования климата. Здесь состояние климата моделируется путем генерирования нескольких модельных реализаций, 
которые затем осредняются по ансамблю численных экспериментов.

Для характеристики глобального климата удобно выделить кли
матическую систему, состоящую из элементов, взаимодействие которых определяет главные особенности климатического режима. 
При этом функции, конкретно исполняемые отдельными элементами, могут быть различны: одни могут быть ответственны за 
усвоение энергии, идущей извне, другие — за ее внутреннее перераспределение и т.д. Внутренняя система находится под контролем 
внешних факторов. Естественно считать какой-то фактор внешним, 
если исходить из предположения отсутствия на него обратного 
влияния со стороны системы, т.е. он оказывает влияние на состояние 
системы, но сам от него не зависит.

Важно отметить, что набор внутренних и внешних элементов не 

может быть одинаковым при рассмотрении процессов с различным 
характерным временем — во внимание принимаются только те, 
влияние которых на данном временном масштабе наиболее климатически значимо. При этом гораздо более быстро протекающие процессы не включаются в систему индивидуально, а учитывается их 
интегральный эффект. Более медленные процессы выступают в качестве граничных условий или констант, т.е. создают то внешнее воздействие, на фоне которого осуществляются изменения данного 
масштаба. При переходе к другому временному масштабу состав 
внутренних элементов может изменяться — тот или иной внешний 
фактор приобретает характер внутреннего элемента или наоборот.

Так, при изучении колебаний климата на масштабах, продолжи
тельностью порядка сотен лет, климатическая система должна быть 
составлена из атмосферы, океана, части криосферы (сезонного снежного покрова и морского льда), биоты. Требуется также явное описание короткопериодной части глобальной карбонатной системы 
(потоки углерода между атмосферой и океаном, а также между атмосферой и биотой, определяющие содержание СО2 в атмосфере). Состояние климата контролируется притоком солнечной энергии, 
угловой скоростью вращения планеты, распределением океанов 
и материков, поведением «медленных» элементов криосферы, таких 
как ледниковые щиты, и др.

Важнейшие элементы климатической системы — атмосфера 

и Мировой океан. Теоретической основой описания их динамики 
являются основанные на «первых принципах» уравнения сохранения 
массы, сохранения энергии и сохранения импульса. В последнем

соотношении содержится большое количество неизвестных величин, 
поэтому его дополняют задаваемой связью тензора напряжений 
с тензором скоростей деформации (закон вязкости Навье — Стокса). 
В результате получается уравнение Навье — Стокса. При ином подходе, основанном на соображениях молекулярно-кинетической 
теории, движение газа в шестимерном пространстве (три координаты 
и три компонента скорости) описывается так называемым уравнением Больцмана. В результате сложных преобразований можно показать, что его простейшим следствием, соответствующим ситуации, 
когда характерное время течения на несколько порядков превосходит 
время между столкновениями молекул, оказывается математическое 
выражение, совпадающее с уравнением Навье — Стокса.

Применимость этих уравнений к описанию динамики атмосферы 

и океана можно обосновать следующим образом. Введем в рассмотрение внутренний масштаб турбулентности (l), представляющий 
собой масштаб наименьших вихрей, возникающих в движущейся
вязкой среде. Принимая во внимание величину скорости диссипации (e) кинетической энергии в тепло за счет молекулярной вязкости (n — коэффициент кинематической вязкости), можно построить их комбинацию, имеющую размерность длины l = (n3/e)1/4, 
которая и даст оценку l. Для атмосферы и океана типичные значения 
этой величины оказываются порядка миллиметра. Сопоставим l
с длиной среднего пробега молекул, которая определяется, как 1/(ns),
где n — число молекул в единице объема, а s — эффективное сечение 
столкновений молекул. Для воздуха при давлении у поверхности
Земли длина среднего пробега получается порядка 10-4 мм, так что 
l на четыре порядка больше, чем данная величина. Это позволяет 
считать, что атмосфера и океан, по выражению А.М. Обухова, «достаточно макроскопичны» и уравнения Навье — Стокса обоснованно 
могут применяться для описания мгновенного состояния турбулентных движений. Причем эти условия выполняются не только 
у поверхности, но и в атмосфере на высотах в 100 км и более.

Система уравнений имеет следующий вид. Уравнение сохранения 

массы:

r
r
+ ∇⋅
=
1
0
d
dt
u
/
,
где r — плотность, u — трехмерный вектор скорости. Уравнение 
движения:

du dt
u
p
g
v
u
/
,
+
×
=
∇ + ∇
2
1
2
w
r

где р — давление, w — угловая скорость вращения Земли, g — уско
рение силы тяжести. Уравнение сохранения энергии (математическая 
форма первого начала термодинамики) дается выражением

r
r
r
de dt
p
d
dt
FR
/
/
,
=
- ∇⋅
-1
X

в котором е — внутренняя энергия, 

FR — трехмерный вектор плот
ности потока энергии за счет действия радиации, X — характеризует 
нерадиационные притоки тепла.

Эти уравнения дополняются уравнением состояния r = r(p, T, s). 

Для океана оно имеет сложную запись, а для воздуха, представляющего собой идеальный газ, r = p/RT, в котором R — газовая постоянная. Кроме того, в системы уравнений для океана и атмосферы
добавляются уравнения бюджета солености и бюджета водяного 
пара.

Отметим важное тождество, применяемое при преобразовании 

уравнений: для любой скалярной функции B справедливо выражение

r
r
r
dB
dt

B
t
Bu
= ∂

∂
+ ∇⋅(
).

Далее в уравнениях, представленных в общем виде, учитывается 

то, что атмосфера и океан представляют собой тонкие пленки газа 
(жидкости) на поверхности массивной планеты. При этом получается, что вертикальные движения много медленнее горизонтальных 
движений (квазигидростатика) и характер движения квазидвумерный. Учет этого обстоятельства позволяет несколько упростить 
уравнения Навье — Стокса, и в новом представлении уравнения теперь называют примитивными (в смысле — первоначальными). 
Впервые они были сформулированы В. Бьеркнесом.

При численном решении уравнений всегда приходится иметь 

дело с их конечномерной аппроксимацией, в результате использования которой фактически задается пространственная разрешающая 
способность модели (L). В лучших глобальных моделях краткосрочного прогноза погоды о(L) = 10–20 км; в моделях, используемых 
для климатических экспериментов (которым требуется гораздо 
больше вычислений), о(L) = 100–200 км. Однако всегда L
l
≫ .  Сле
довательно, фактически приходится применять уравнения, осредненные по масштабу L (уравнения Рейнольдса). В них появляются 
слагаемые, относящиеся к процессам меньшего, чем сеточный (L) 
масштаба (так называемые «подсеточные» процессы). Они не могут 
быть воспроизведены уравнениями Рейнольдса (О. Reynolds), и для 
их описания необходимо привлечение дополнительных соотношений (так возникает необходимость параметризации процессов 
подсеточного масштаба).

Функционирование климатической системы зависит от того, 

сколько энергии поступает в систему. Мощность различных источ