1. 1 АНАЛИЗ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ ANALYSIS AND INTERPRETATION OF THE CLIMATIC CHANGES Shishlov V.I., Dyukarev E.A. Shishlov V.I., Dyukarev E.A. Institute for optical monitoring SB RAS, Tomsk Institute for optical monitoring SB RAS, Tomsk

2. 2 Annual mean temperature in the Northern Hemisphere [Kandlikar, McRae, 1995] Global temperature [Hansen et al, 2001, http://www.giss.nasa.gov/data/] Long-term climate changes

3. 3 Changes of annual mean temperature [Hansen et al, 2001, http://www.giss.nasa.gov/data/]

4. 4 SPACE SPACE Geosphere Global climate OCEAN OCEAN Macro ecosystem: Macro climate Macro ecosystem: Macro climate (Biosphere of continent) (Climate of continent) ATMOSPHERE ATMOSPHERE Biom Regional climate Biom Regional climate Troposphere Troposphere Ecosystem Local climate Anthropoecosystem Ecosystem Local climate Anthropoecosystem Soil Soil Hydrosphere Hydrosphere Earth's crust Earth's crust Lithosphere active layer Lithosphere active layer LITHOSPHERE LITHOSPHERE

5. 5 Changes of trajectories and areas of state ensembles of the climate

6. 6 Methodology and techniques of the system-evolutionary approach

7. 7 System-evolutionary paradigm of existence and evolution of the open composite-organized systems (OCOS) Открытая сложноорганизованная система (ОСС) с единым циклом согласованных процессов, удовлетворяющая принципу единой системы отношений элементов и процессов многоуровневой макросистемы, не эволюционирует при непрерывном обеспечении согласованности внутрисистемных и межсистемных отношений. Открытая сложноорганизованная система (ОСС) с единым циклом согласованных процессов, удовлетворяющая принципу единой системы отношений элементов и процессов многоуровневой макросистемы, не эволюционирует при непрерывном обеспечении согласованности внутрисистемных и межсистемных отношений. Нарушение согласованности внутрисистемных и межсистемных отношений приводит к реорганизации цикла согласованных процессов и структурным изменениям. При необратимых структурных изменениях и преобразованиях внутрисистемных отношений ОСС эволюционирует. Необходимыми условиями регулярности (ритмичности) процессов являются: обеспечение взаимообусловленного единства отношений процессов и функциональных элементов подсистем, в которых эти процессы протекают, синхронизация ритмов сопряженных процессов. Подсистема прекращает существование, если при изменении ее межсистемных отношений происходят необратимые структурные изменения, после которых не восстанавливаются согласованность внутрисистемных отношений и цикл согласованных процессов. OCOS with a single cycle of correlated processes, which satisfy to the principle of a single system of relations among elements and processes in a multilevel macrosystem, does not evolve at continuous maintenance of the correlation between intrasystem and intersystem relations. OCOS with a single cycle of correlated processes, which satisfy to the principle of a single system of relations among elements and processes in a multilevel macrosystem, does not evolve at continuous maintenance of the correlation between intrasystem and intersystem relations. Violation of correlation between intrasystem and intersystem relations leads to reorganization of the cycle of correlated processes and structure transformations. OCOCS evolve at irreversible structure transformations and intrasystem relations transformation. Necessary conditions for processes regularity (rhythm) existence are: a presence of correlated integrity between processes relation and functional elements of subsystems, where processes take place, rhythms synchronization for conjugate processes. Subsystem ceases to exist if at change of intersystem relations occurs irreversible structure transformations, after which the correlation of intrasystem relations and cycle of correlated processes does not restore.

8. 8 Conception of changes of open dynamic systems with regularly forced impacts Регулярность изменений обеспечивается при соблюдении принципа единого цикла согласованных процессов многоуровневой системы. Ситуационные (динамико-стохастической природы) нарушения регулярных изменений (аритмии) обусловлены неоднозначностью переходных процессов (при воздействии возмущений), перестроек в условиях взаимодействия компонентов, несинхронностью процессов. Колебания обусловлены реорганизацией цикла процессов на определенный срок при условно обратимых изменениях структурных элементов (преобразованиях отношений). Направленные изменения обусловлены необратимыми преобразованиями отношений, при которых формируется новый цикл условно согласованных процессов. Последовательность условно обратимых и частично обратимых преобразований отношений приводят к цепи разнонаправленных (хаотических) изменений с трендами на отдельных временных интервалах. Regularity of changes exists at compliance of the principle of a single cycle of correlated processes in a multilevel system. Situational violations of regular rhythms (or arrhythmias) caused by an ambiguity of transitional processes (at perturbation impact), a transformation at components interaction, and non-synchronism of processes. Oscillations caused by a reorganization of processes cycle for a certain time at conditionally reversible change of structure elements (relations transformation). Directional changes caused by irreversible transformations of relation, when forms a new cycle of conditionally correlated processes. Subsequence of conditionally reversible and partially reversible transformations of relations lead to a chain of differently directed (chaotic) changes with trends at some time intervals.

9. 9 Conception of the energy- transforming systems

10. 10 Types of the climate changeability TypeScaleManifestation Centuries oscillations PlanetChanges in subsystems of the climate system Chrysies in the biosphere Interdecadal oscillations Hemisphere Continent Changes in cryosphere, hydrosphere Critical state of biota Directional changes (10s years) Climatic region Part of continent Trends of estimation characteristics Changes of biom states Vibrations (1-3 years) Part of continent Region Space non-homogeneous changes of estimation characteristics Changes of nature rhythms Arrhythmias А: Interseasonal circulation transformations HemisphereAnomaly air mass circulation Dangerous weather-climate phenomenas Critical state of biota В: Seasonal transformations of components and their relations Part of continentAnomaly in processes course Changes in biorhythms C: Weather-climate phenomenaRegionDroughts, hurricanes, tornados Critical state of biota D: Multiregime weather-formation process LocalAnomaly weather-climate conditions Changes in biorhythms

11. 11 Database structure Climate forming factors (CFF) Circulation factors (CF): South-West transfer (SWT), cyclone (C), anticyclone (A), atmospheric fronts movement (AFM). Phenomena (Ph): rain (  ), snow (  ), fog (F). Albedo variations (AV): +DA, -DA Weather forming regimes (WFR) Warm and moisture advection (WMA), cold advection (CA), cold advection with precipitation (CAP), radiative heating (RH), radiative heating with night cooling (RHC), equilibrium (Eq), radiative cooling (RC), cooling rain (CR), snowstorm (SS) Weather classes (WC) Overcast VI, rainy VII, cloudy VIII, clear IX, cold X, frosty XI-XV Main meteorological variables matrix Pressure (P), temperature (T), humidity (E), wind direction (WD), solar radiation (SR), radiative balance (RB) Climate portraits, maps Phase portraits, weather maps, climate maps

12. 12 Weather-formation process description where X(p) is the matrix of states in the stage p, where p = 0,1,2,3,...; Lj(p+1) is the operator of transformation of weather forming regime. NW NSW SNNW WW-NWWD 76739390809382757275808185E, % -14-11-3+5+3+7+2+4-6-14-10-2-5+2+5+13T, o C 740745738743738720750 748747743740730P, mm XIIXIXVIIVIVIIXIXIIXIX XVIIWC 12 10- 11 8-96-71-529-31282726252422-2320-21Date RCCAPEqWMARCCAPCRWFR +А+А-А-А+А+А AV  Ph NWTNTSWTCANWTCCF

13. 13 Temperature changes Estimation:

14. 14 Interdecadal oscillations of the climate. 1962-1974. Trajectories on the phase plane of the estimation characteristics Zw and Zs Synchronic oscillations Barents Sea ice contents increase from 27% to 50% (1969) [Davydov A.A., 2001] n – days, T i - daily temperature, Nw – days of cold part of the year, Ns – days of warm part of the year. П – profile,

15. 15 Scheme of formation of a peculiar climatic situation. Basic processes relations

16. 16 Climate vibrations Oct.1994 – Oct.1998 Space non-homogeny changes Changes are synchronic and have equal direction only on the restricted area Vibrations caused by an sequence of arrhythmias of the climate forming processes

17. 17 Maps of temperature, pressure, and snow depth in spring 1995

18. 18 Temperature and pressure changes in winter 1996

19. 19 Maps of temperature, pressure, and snow depth in spring 1997

20. 20 Drought forming in 1999 Rhythms of daily temperature, pressure and precipitations Zonal transfer Blocking by Azorean anticyclone

21. 21 Климатическая система Северного полушария характеризуется условно согласованными отношениями и может переходить в процессе эволюции в критические состояния с несогласованными климато-экологическими и биоклиматическими отношениями. Макромасштабные внутривековые колебания имеют место при реорганизации процессов энергопреобразования и энергомассопереноса между океаном и сушей, которые происходят при преобразовании отношений в системе атмосфера – океан – криосфера – суша, изменении ледового покрова северных морей и радиационного режима под влиянием сочетания множества факторов. Вибрации климатообразующих процессов и соответствующие многолетние пространственно-неоднородные изменения погодно-климатических условий в регионах - это проявление последовательности аритмий климатообразующих процессов в их различных сочетаниях и изменений энергомассообмена. The climate system of the Northern Hemisphere characterizes by the conditionally correlated relations and during evolution it can transforms into critical states with mismatch of climate- ecological and bioclimatic relations. Macro-scale interdecadal oscillations take place at reorganization of energy- transformation and energy-mass transfer processes between land and ocean, which occurs at reorganization of processes in the Atmosphere-Ocean- Cryosphere-Land system during change of the ice cover in northern seas and radiation regime under impact of many factors. Vibrations of climate forming processes and corresponding long-term space non- homogeneous changes of weather- climate states in regions are manifestation of subsequence of climate forming processes arrhythmias and energy-mass transfer changes. Data from National Climatic Data Center, Ashville, USA were used. http://www.ncdc.noaa.gov