Читать книгу Метеорологические и геофизические исследования - Г. В. Алексеев - Страница 2

Аннотация

Благодаря полученным в период МПГ 2007/08 данным, объединенным с ранее собранными данными о состоянии водных масс, морских льдов и атмосферы, оказалось возможным проследить развитие потепления в 1990–2000-х годах в морской Арктике, его связь с изменениями глобального климата и сравнить с потеплением в 1930–40-е годы. В статье анализируются особенности состояния климатической системы в первое десятилетие ХХI столетия и в период проведения МПГ 2007/08 в сравнении с состоянием атмосферы, морских льдов и океана в Арктике в предшествующий период. Рассматриваются изменения характеристик состояния атмосферы, морских льдов и океана, проводится сравнение с изменениями в других областях и с оценками по расчетам на глобальных моделях климата из ансамбля CMIP3.

Введение

Арктика составляет часть климатической системы Земли, тесно связанную с другими ее частями переносами тепла, влаги, соли и воды циркуляцией атмосферы и океана. Здесь формируются усиленные этими взаимосвязями изменения климата, среди которых особое внимание привлекает деградация морских льдов в Северном Ледовитом океане (СЛО), остро реагирующих на изменения климата. Одновременно Арктика является одним из районов, для которых пока не удается получить хорошего согласия между глобальными моделями и наблюдениями в воспроизведении происходящих изменений климата.

Потепление в Арктике, начавшееся в конце 1980-х годов, усилилось с середины 1990-х годов и достигло максимального развития к 2007 году. В этот период происходило резкое сокращение площади, занимаемой морскими льдами в конце летнего периода. В Арктическом бассейне распространялась обширная положительная аномалия температуры в подповерхностном слое воды атлантического происхождения (АВ) и изменилось распределение пресной воды в верхнем слое. На этот климатический сдвиг пришлось возрождение арктических экспедиционных исследований, увенчавшееся проведением Международного полярного года 2007/08.

По проекту ААНИИ «Комплексные исследования центральной части СЛО» в период МПГ 2007/08 проводились скоординированные широкомасштабные наблюдения в Арктическом бассейне с использованием научного судна ледокольного типа, вертолетов, дрейфующих станций «Северный Полюс». Одновременно выполнялись другие национальные и международные проекты, включавшие океанографические наблюдения с помощью стационарных и дрейфующих автономных устройств (WHOI) и измерения водообмена через проливы (Schauer et al., 2004). В рамках проекта ААНИИ был выполнен также комплекс измерений структуры атмосферного погранслоя надо льдом, газового состава и аэрозольных компонент, составляющих теплового баланса на поверхности Арктического бассейна (Ашик и др., 2010).

Сравнение полученных результатов с результатами крупномасштабных наблюдений в 1970-е годы, наиболее освещенные наблюдениями в СЛО, а также в другие периоды, для которых имеются наблюдения, проливает свет на особенности и причины различий между ними. Благодаря полученным данным, объединенным с ранее собранными данными о состоянии водных масс, морских льдов и атмосферы, оказалось возможным проследить развитие климатического феномена конца 1990 – начала 2000-х годов в морской Арктике, его связь с изменениями глобального климата и сравнить с потеплением в 1930–40-е годы.

Ниже анализируются особенности состояния климатической системы в первое десятилетие ХХI столетия и в период проведения МПГ 2007/08 в сравнении с состоянием атмосферы, морских льдов и океана в Арктике в предшествующий период. Рассматриваются изменения репрезентативных характеристик состояния атмосферы, морских льдов и океана в Арктике и Северной полярной области, проводится сравнение с изменениями в других областях и с оценками по расчетам на глобальных моделях климата из ансамбля CMIP3.

Температура воздуха

Результаты климатических исследований, основанные как на данных наблюдений и палеоклиматических реконструкций, так и на результатах численных экспериментов с климатическими моделями, указывают на потепление климата на Земле, по крайней мере, в течение последних 130 лет (IPCC, 2007). При этом на фоне глобального потепления сохраняются неопределенности в оценке согласованности с ним региональных изменений климата, во многом проистекающие из недостаточного количества климатических данных и сложных обратных связей. К таким регионам относится Арктика, оценки темпов потепления в которой не всегда подтверждали его усиление (Polyakov et al., 2002) по сравнению со средним по полушарию потеплением.

Для оценки изменений приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) в Арктике здесь использованы данные о среднемесячной температуре за столетний период на 30 станциях, расположенных севернее 60° с.ш. (рис. 1), собранные в базе метеорологических данных (Александров и др., 2007).

Рис. 1. Метеорологические станции в Северном полушарии севернее 60° с.ш. в разные периоды ХХ столетия

Такой выбор связан с тем, что существующие сеточные массивы данных о температуре с начала 20-го столетия основаны на меняющемся во времени количестве станций, что влияет на качество интерполяции в узлы сетки. Сравнения данных из сеточных массивов с данными на отдельных станциях показали существенные различия в средних значениях и в коэффициентах линейного тренда даже для современных массивов NCEP и ERA-40 (Кораблев и др., 2007).

Использование постоянного набора станций позволяет избежать проблем, связанных с интерполяцией, и применять при оценке изменений как простое осреднение исходных данных, так и построение распределений различных статистик постанционных временных рядов. Сеточный массив NCEP (Kalnay et al., 1996) использован для дополнительной верификации результатов анализа изменений температуры после 1950 года. Сравнение средних по соответствующей области по данным NCEP и по станциям за этот период показало, что коэффициенты корреляции между рядами среднемесячных ПТВ находятся в пределах 0.81–0.90.

Изменения средней по всем 30 станциям приповерхностной температуры воздуха, а также средней по станциям в приатлантической и тихоокеанской половинах области, разделенных по меридианам 90°–270° в.д., за столетний период в каждый сезон и в среднем за год представлены на рис. 2.

Рис. 2. Сверху вниз: средняя за год, за ноябрь – март, апрель – май, июнь – август и сентябрь – октябрь приповерхностная температура воздуха (°С), осреднённая по 30 станциям к северу от 60°с.ш. (левая колонка), по станциям в атлантической (в центре) и тихоокеанской (справа) половинах этой области. Прямая наклонная линия – тренд, точки – скользящие средние за 11 лет, жирная кривая линия – аппроксимация полиномом 4-й степени. Цифрами даны значения коэффициента тренда и его стандартной ошибки, °С/10 лет (жирным шрифтом выделены значимые на 95 % уровне тренды)

Коэффициенты тренда за весь период для всех рядов положительны и, за исключением 5 рядов, значимы на 95 % и более уровне. Для всех рассматриваемых областей осенние тренды минимальны и незначимы, а весенние все значимы. В целом тренды сильнее в тихоокеанской, чем в атлантической половине области. При этом оценки трендов неустойчивы к сдвигу начала ряда на более поздние годы. Коэффициенты тренда быстро убывают по мере приближения начала ряда к 1925 году вплоть до смены знака тренда для зимы.

Сравнение средних температур за десятилетие 1998–2007 гг. и за самое теплое десятилетие первого потепления показывает (рис. 3), что в среднем за год, весной и летом ПТВ в десятилетие 1998–2007 гг. лет выше во всех рассматриваемых районах (Алексеев и др., 2010б). Однако зимой соотношение обратное для всей области и ее атлантической половины. Осенью 1998–2007 гг. было теплее, при этом самые теплые осенние сезоны в период первого потепления отмечались в конце 1940-х – начале 1950-х годов.

Рис. 3. Средняя ПТВ в самое теплое десятилетия в первом потеплении (первый столбик) и в 1998–2007 гг. (второй столбик) в разные сезоны (слева на право – зима, весна, лето, осень, год) во всей области, в приатлантической и притихоокеанской ее половинах (соответственно, первая, вторая и третья пара столбиков в каждом сезоне)

Сравнение двух потеплений в терминах порядковых статистик рядов среднемесячных данных на 41 станции (с 1921 года) позволяет проследить эволюцию распределения наиболее теплых и холодных месяцев в 1921–2008 гг. Порядковая статистика x_(i) (i-тое значение вариационного ряда, где i=N(np+1) – наибольшее целое число в (np+1), n – длина ряда, N – оператор взятия целого числа, p – порядок квантиля) используется для определения года, в который ПТВ в данном месяце и на данной станции была ниже заданного квантиля x_p. Точно также x_(i), где i=N(n(1 – p)+1) используется для определения года, в который ПТВ выше x_1–p.

Суммирование отмеченных таким образом лет по всем станциям, состоящее в подсчете числа случаев, когда данный год попадал в выбранный полуинтервал (<x_p или >x_1–p), дает распределение повторяемости таких случаев на диаграмме год/месяц. Также подсчитывается число экстремумов, приходящихся на данный год в данном месяце суммарно по всем станциям. Чтобы повысить достоверность и наглядность представления получаемых таким образом значений повторяемости, проводилось их суммирование внутри скользящих интервалов по 9 лет с отнесением полученной суммы к середине или началу интервала. Представление полученных значений на диаграмме (год, месяц) показывает эволюцию температурных условий в арктическом регионе на протяжении рассматриваемого периода в зависимости от месяца года. Если просуммировать повторяемости по сезонам и за год, то можно увидеть (рис. 4), что число теплых месяцев увеличилось в последнее десятилетие, причем быстрее всего летом и за год в целом.

Рис. 4. Количество очень теплых (>95 %-уровня) и холодных (<5 %-уровня) месяцев, просуммированное по сезонам, за год и по 9-летним скользящим интервалам 1921–2008 гг. Год на шкале времени относится к началу 9-летнего интервала. Отрицательные значения на вертикальной оси относятся к очень холодным месяцам. Более темный цвет соответствует распределению экстремумов

Указанные особенности потеплений подтверждаются распределением рангов отдельных месяцев за 1901–2009 гг. (таблица 1). С апреля по декабрь все самые «теплые» месяцы приходятся на период с 2003 по 2009 год. Лишь самый «теплый» январь был в 1930 году, а февраль и март – в 1995 и 1996 гг. Наибольшее число самых «теплых» месяцев (по 3) отмечено в 2003 и 2007 гг., самым «теплым» годом стал 2005-й, самое теплое лето пришлось на 2003 год, зима – на 2008 год, весна – на 2007 г., осень – на 2005 год.

Таблица 1. Годы, на которые пришлись самые тёплые месяц, сезон и год, соответствующие 1, 2 и 3 рангам в рядах средней ПТВ в области севернее 60° с.ш. за 1901–2009 гг.

На рис. 2 помимо положительного тренда в изменениях средней ПТВ хорошо выражено долгопериодное колебание, формируемое потеплениями 1930–40-х и 1990–2000-х годов и понижением температуры в 1970-е годы. Предполагается, что это проявление низкочастотного колебания естественного происхождения с периодом 60–70 лет (Schlesinger and Ramankutty, 1994; Delworth et al., 1997; Polyakov and Johnson, 2000), которое обычно называется атлантическим междесятилетним колебанием (осцилляцией (АМО)).

Дисперсионный анализ ряда среднегодовой ПТВ для рассматриваемой области показывает, что на долю этого низкочастотного колебания, аппроксимированного суммой трех (k = 2–4) членов разложения по полиномам Чебышева, приходится 37 % изменчивости среднегодовой ПТВ, в то время как на долю линейного тренда 11 % и на долю остатка, соответственно, 52 %.

Распределение вклада определенного таким образом АМО в изменчивость среднегодовой ПТВ весьма неравномерно (рис. 5). Наибольший вклад (от 22 до 45 %) отмечается на 7 станциях в Гренландско/Исландском районе, который и формирует в значительной степени вклад АМО в изменения средней температуры в Арктике. Разложение АМО в ряд Фурье показывает, что в распределении вклада первой его гармоники также выделяется Гренландско/Исландский регион. Время наступления ее первого максимума здесь приходится на 1940-е годы (рис. 5). Следует отметить, что изменения среднегодовой ПТВ в этом районе отличается необычайно быстрым ростом в течение десятилетия 1920-х годов, не имеющим аналогов ни в одном другом регионе.

Рис. 5. Cлева направо: вклад АМО в изменения среднегодовой ПТВ, вклад первой гармоники Фурье-разложения АМО, год максимума первой гармоники (две последние цифры после 19)

Другая особенность выделенного АМО в том, что рост ПТВ во втором его полупериоде (после 1970-х гг.) отличается от такового в первом полупериоде. Эту особенность можно использовать для приближенной оценки усиления (ослабления) амплитуды колебания вследствие дополнительного внешнего воздействия, предположительно, антропогенного. В пользу предположения об антропогенном усилении АМО после 1970-х годов свидетельствуют результаты экспериментов с глобальными моделями климата при неизменном и растущем содержании СО₂ в атмосфере (IPCC, 2007). Расхождения между средней (глобальной, полушарной, региональной) ПТВ при постоянной концентрации и при растущем содержании СО₂ начинаются как раз в середине 1970-х годов. Исходя из этого, усиление АМО оценим как разность между 31-летними трендами, аппроксимирующими рост ПТВ на стадии развития обоих потеплений. Будем оценивать разность вкладов тренда за 1978–2007 годы и за 31-летие в период развития первого потепления с максимальным вкладом тренда.

В таблице 2 приведены результаты расчета усиления тренда в период с 1978 по 2007 год в сравнении с наиболее быстрым ростом ПТВ за 31-летний период первого потепления для каждого сезона и среднегодовой ПТВ.

Таблица 2. Сравнение вклада трендов за 31-летние периоды роста ПТВ в первом и втором потеплениях в области севернее 60° с.ш.

В соответствии с полученными оценками зимой нет усиления роста, а наоборот, рост замедляется. В теплые сезоны с апреля по октябрь усиление потепления весьма значительно как в целом в рассматриваемой области, так и в обеих ее половинах и оно наибольшее в летние месяцы. В среднем за год усиление потепления заметно в тихоокеанской половине области и незначительно в приатлантической части и во всей области. Заключение об усилении тренда ПТВ в последнее 31-летие в теплую часть года по сравнению с трендом в зимние месяцы подтверждается сравнением рангов коэффициентов тренда за оба 31-летних периода (таблица 3).

Таблица 3. Ранг максимального тренда за 31 год в период развития двух потеплений. Год относится к середине 31-летнего периода. В скобках указан ранг

В ноябре, декабре и январе первое потепление развивалось значительно интенсивнее по сравнению с последним потеплением, а в остальные месяцы тренд во второй период был намного сильнее. Особенно велико различие в скорости потепления в июне. Изменение числа «теплых» (Т>95 % уровня) месяцев в 9-летних скользящих интервалах показывает, что в последние 20 лет число «теплых» июней на 41 станции севернее 60° с.ш. увеличилось почти вдвое.

Особый интерес представляют изменения температуры воздуха над областью морской Арктики, включающей покрытую льдами в зимний период акваторию Северного Ледовитого океана (СЛО). Изменения температуры в этой области в первую очередь влияют на зимнее разрастание и летнее таяние ледяного покрова в СЛО. С этой точки зрения оценим изменения положительных летних температур как индикатора летнего теплового воздействия на лед и отрицательных температур за холодный период года, влияющих на максимальное увеличение объема льда зимой. Для этого используем данные 41 станции, расположенных на островах и побережье Северного Ледовитого океана (см. рис. 1), откуда начинается летнее отступление морских арктических льдов.

Средняя за зимние (ноябрь – март) и летние (июнь – август) месяцы приповерхностная температура воздуха (ПТВ) на станциях в морской Арктике показана, начиная с 1951 года, на рис. 6. Видно быстрое убывание отрицательных температур после 1991 года и быстрый рост положительных температур после 1996 года с абсолютным рекордом в 2007 году и понижением в 2008 году. При этом зимние температуры до 1991 года и летние до 1996 года имели слабые отрицательные тренды, которые сменились на значимые положительные тренды.

Рис. 6. а – средние зимние (ХI–III), б – летние (VI–VIII), в – число выходов среднемесячной ПТВ за 95 % уровень, суммированное по скользящим 9-летиям на 41 станции в морской Арктике в 1951–2008 гг.

Таким образом, потепление в морской Арктике развивалось неравномерно и, в основном, с середины 1990-х гг. Наибольшее число значительных положительных аномалий ПТВ отмечалось в теплую половину года с июня по октябрь в последнее десятилетие. Предшествующие относительно теплые летние сезоны отмечались в 1960-е годы.

При сравнении потепления в Арктике с глобальными потеплением или потеплением в низких широтах, отмечают его максимальное развитие, названное Арктическим усилением изменений климата. Арктическим усиление можно рассматривать и как усиление изменчивости характеристик климата (Алексеев, Священников, 1991), прежде всего ПТВ, и как усиление тренда ПТВ, например, на потепление (Polyakov et al., 2002). Между этими двумя определениями усиления можно записать зависимость в виде:

a₁/a₂ = (σ₁/σ₂)(R₁/R₂),

где а – коэффициент тренда, σ – среднее квадратическое отклонение, R – коэффициент детерминации, 1,2 – разные области.

При совпадении коэффициентов детерминации тренда в обеих областях усиление зависит только от изменчивости, которая в первом приближении зависит от интенсивности воздухообмена между широтными областями и объема атмосферы над ними (Алексеев, Священников, 1991). Основными причинами арктического усиления, помимо летнего сокращения площади льда, которое приводит к усилению тренда ПТВ в осенние месяцы с максимумом в ноябре, являются увеличение переноса тепла в высокие широты и изменение радиационных притоков тепла в сторону увеличения потока нисходящей длинноволновой радиации вследствие роста содержания водяного пара в арктической атмосфере (рис. 7).

Рис. 7. Общее содержание водяного пара в атмосфере к северу от 70° с.ш. в разные сезоны и в среднем за год в 1989–2009 гг. по данным (ERA-40, http://www.ecmwf.int). Цифры означают коэффициент тренда

Следует отметить, что первое наблюдавшееся потепление Арктики 1920–40-х гг. привлекло внимание исследователей еще в период своего развития в первой половине ХХ столетия. В работах В.Ю. Визе (1924, 1937, 1941) потепление Арктики в 1920–1930 гг. характеризуется как наиболее сильное по своим размерам климатическое колебание, зарегистрированное на тот момент метеорологическими летописями. Визе пришел к заключению, что потепление явилось следствием усиления общей циркуляции атмосферы на земном шаре, с которым связана акцентация всех центров действия атмосферы, в том числе исландского минимума и сибирского максимума, сопровождавшаяся усилением западных и юго-западных ветров над Северной Атлантикой и Норвежским морем и притока атлантических вод в Арктический океан с одновременным усилением обратного потока вод и льдов из Арктического бассейна в Гренландское море. Рассматривая развитие потепления, Визе отметил его максимальное проявление во всей приатлантической Арктике от западной Гренландии до Карского моря в зимний сезон. Вслед за Визе Дзердзеевский (1943) и Виттельс (1946) также рассматривали усиление атмосферной циркуляции и переносов тепла в Арктику как первопричину потепления арктического климата в 1920–30-е годы. Несомненно, что развитие наблюдаемого в настоящее время потепления климата Арктики также связано с изменениями в режиме циркуляции атмосферы над Северным полушарием (Алексеев, ред., 2004).

Морской лед

Во взаимодействии между Арктикой и остальной частью глобальной климатической системы важная роль принадлежит морскому ледяному покрову, который в то же время является индикатором изменений арктического климата. Наблюдаемое с начала 1980-х годов постепенное сокращение летней площади морского льда (ПМЛ) в Арктике резко ускорилось в конце 1990-х годов и достигло абсолютного минимума в сентябре 2007 года (4,28 млн км²). В сентябре 2008 года ПМЛ по данным NSIDC возросла до 4,70 млн км², в сентябре 2009 года до 5,20 млн км², а в сентябре 2010 года вновь уменьшилась до 4.90 млн км² (рис. 8).

Рис. 8. Арктический морской лед в сентябре: а – в Арктике по данным (NSIDC), б – в Сибирских морях по данным ААНИИ (ААНИИ, http://www.aari.nw.ru/)

В зимний период морские льды покрывают большую часть Северного Ледовитого океана и распространяются к югу на опресненные акватории морей на континентальном шельфе (Захаров, 1996). В Сибирских арктических морях (моря Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское) зимой лед занимает практически всю акваторию. К сентябрю он отступает на наибольшее расстояние от побережья. Многолетние изменения в этот период дают наиболее полное представление о воздействии потепления на ПМЛ в этом районе (рис. 8 б).

Сопоставление трендов ПМЛ в арктических морях за полный период наблюдений, за 30-летние периоды потеплений в Арктике и за последние десять лет указывают на однозначную тенденцию к сокращению ПМЛ во все рассматриваемые периоды с ее усилением к последнему десятилетию для Сибирских морей в целом (таблица 4). Отдельные моря также показывают ускорение сокращения ПМЛ в последнее десятилетие. В 30-летие 1924–1954 гг. ПМЛ сокращалась сильнее по сравнению с 30-летием 1977–2007 в Карском море и в меньшей степени в Чукотском море.

Таблица 4. Коэффициенты тренда площади (10³ км²/год), занятой льдами в арктических морях в сентябре

Особенно значительное сокращение ПМЛ в Сибирских морях, также как и всего ледяного покрова в Арктике, происходило за последнее десятилетие. С 1997 по 2007 год ПМЛ в сентябре сократилась в соответствии с линейными трендами на 26 % во всей Арктике и на 79 % в Сибирских морях. В то время как за весь период спутниковых наблюдений с 1979 по 2007 год сокращение составило 26.6 % или 9.5 % за 10-летие для всей Арктики и 63 % или 16.6 % за 10-летие для Сибирских морей. Таким образом, в 1997–2007 гг. площадь морского льда в сентябре как в Арктике в целом, так и в Сибирских арктических морях быстро сокращалась. Однако в 2008–2009 гг. дальнейшего сокращения не произошло.

Очевидно, что причина столь резкого сокращения количества арктических льдов в конце летнего периода связана с потеплением климата. Чтобы количественно оценить эту связь рассмотрим зависимость между изменениями приповерхностной температуры воздуха и площадью, занятой морским льдом в разные месяцы и в целом за год. Корреляция между аномалиями ПТВ и ПМЛ в Северном полушарии в разные месяцы года указывает на наиболее тесную связь между ними в июне (Алексеев и др., 2005; 2009а; Alekseev et al.,2007). Эта связь остается 95 %-значимой и после исключения тренда из обоих рядов (таблица 5). Второй максимум корреляции между ПТВ в Северной полярной области и ПМЛ обнаруживается в сентябре, когда ПМЛ сокращается до минимума и морские льды отступают на акваторию СЛО. После удаления трендов этот максимум также сохраняется.

Таблица 5. Коэффициенты корреляции между ПМЛ в Северном полушарии (по данным Chapman and Walsh, 2003) и ПТВ в широтных зонах по данным из ERA-40 (Rayner et al., 2003) в разные месяцы (1–12) и за год за период 1958–1998 гг. 95 %-уровень значимости коэффициентов равен 0.31

Особый интерес представляет связь между летним потеплением в Арктике и сокращением ПМЛ в сентябре. В качестве индекса летнего потепления в работах (Alekseev et al., 2007; Алексеев и др., 2009а) использована средняя летняя температура воздуха на станциях, расположенных на побережье и островах в морской Арктике, к которой относится акватория Северного Ледовитого океана, покрываемая льдом зимой.

Связь между изменениями этого индекса и ПМЛ в сентябре усиливается по мере развития потепления и характеризуется наибольшей корреляцией –0.90 для ряда ПМЛ по спутниковым данным за 1979–2010 гг. (рис. 9). Корреляция между суммой отрицательных зимних температур воздуха и ПМЛ в марте слабее, поскольку разрастание площади льдов зимой ограничено областью распространения слоя опресненной воды в высоких и умеренных широтах Северного полушария (Захаров, 1996; 2004).

Рис. 9. Площадь, занятая морским льдом в Арктике в сентябре по данным NSIDC (1), и средняя температура воздуха в июне – сентябре в морской Арктике на 41 станции (2). Шкала температуры повернута на 180°

Результаты расчетов будущего арктических морских льдов на глобальных моделях климата представлены во многих публикациях, включая четвертый оценочный доклад МГЭИК (IPCC, 2007). Характерной чертой ансамбля проекций по разным моделям является значительный разброс, возрастающий к концу 21-го века. На рис. 10 а приведены среднее по ансамблю из 16 моделей и крайние члены ансамбля, соответствующие наиболее быстрому (1) и наиболее медленному (2) сокращению ПМЛ в сентябре. Видно, что наблюдаемое сокращение площади льда значительно опережает модельные реализации.

Рис. 10. Средняя ПМЛ по ансамблю из 16 модельных проекций из CMIP3 в сентябре (1) и крайние проекции (2,3). 4 – ПМЛ по данным NSIDC

Основная причина расхождений в оценке изменений площади льда между моделями и наблюдениями в том, что модели значительно занижают летнюю температуру воздуха (рис. 11) вследствие, по-видимому, недостаточной чувствительности к изменениям радиационного воздействия и с занижением собственной изменчивости климатической системы в Арктике.

Рис. 11. Средняя летняя ПТВ по данным 32 станций и по расчетам на 16 моделях из ансамбля CMIP3 в области к северу от 60° с.ш.

Другой важный параметр морского ледяного покрова – его толщина – также уменьшилась значительно (почти вдвое по оценке в работе (Kwok and Rothrock, 2009)) за период с 1980 по 2008 год. Измерения с борта атомных ледоколов, выполненные сотрудниками ААНИИ в 1977–2009 гг., (Фролов и др., 2009) также показали значительные изменения толщины льдов по маршрутам их плавания. Причем изменения произошли после 1987 года за счет сокращения количества многолетних льдов (таблица 6).

Таблица 6. Количество и средняя толщина льдов различного возраста на пути плавания а/л «Арктика» в августе 1977 г. и НЭС «Академик Федоров» в августе 2005 г (Фролов и др., 2009)

Роль морского льда в годовом цикле двуокиси углерода в атмосфере морской Арктики

Исследования в Арктике выявили ряд особенностей в распределении концентрации СО₂ над морскими льдами (Semiletov et al., 2004; Голубев и др. 2006). Сезонные колебания концентрации СО₂ в атмосфере по данным глобальной сети мониторинга показывают зависимость амплитуд годового хода от широты с явной тенденцией к их возрастанию в направлении высоких широт Северного полушария (рис. 12). Это арктическое усиление амплитуды годовых колебаний концентрации СО₂ над Северным Ледовитым океаном было связано (Алексеев, Нагурный, 2005; 2007;. Алексеев и др., 2007а) с активным с влиянием морского льда на формирование сезонного цикла концентрации СО₂ в атмосфере над морским льдом. Было показано, что амплитуда растет в основном за счет роста зимней концентрации СО₂, который согласуется с ростом амплитуды сезонных колебаний ПМЛ за счет увеличения летнего сокращения. Было выдвинуто предположение, что образование, нарастание и изменение структуры льда в зимний сезон на все большей акватории должно сопровождаться увеличением выделения СО₂ в атмосферу и в подледный слой воды. Летом СО₂ из атмосферы над Арктическим бассейном должен поглощаться опресненной водой на поверхности льда, в разводьях, трещинах и каналах, а также расходоваться на фотосинтез в верхнем слое воды и во льду (Semiletov et al., 2004; Rysgaard et al., 2007).

Рис. 12. Размах годового колебания среднемесячной концентрации СО₂ (точки) на береговых и островных станциях, расположенных на разных широтах в океанических областях Северного и Южного полушарий. Использованы среднемесячные значения концентрации за 2004 год по данным ВМО (WMO, 2006)

Исследования, выполненные на дрейфующей станции СП-35 в 2007/08 годах позволили обнаружить и измерить эмиссию СО₂ в атмосферу с поверхности нарастающего льда и оценить ее годовой поток величиной 310¹⁰ моль/год с поверхности СЛО (Недашковский, Макштас, 2010). Плотность потока эмиссии СО₂ составляет согласно этой работе 20±4 ммоль/м². Эти результаты подтвердили выводы (Алексеев, Нагурный, 2005; 2007;. Алексеев и др., 2007а) о зимнем повышении концентрации СО₂ в приледном слое атмосферы над СЛО.

Арктический бассейн

Для формирования климата морской Арктики важным процессом является поступление теплой и соленой воды из Северной Атлантики. Приток атлантической воды (АВ) в Арктику составляет часть глобального океанического конвейера, связывающего океаны транспортом тепла, соли и пресной воды. Поступая из Северной Атлантики, АВ распространяются по акватории Норвежского, Гренландского и Баренцева морей и проникают в Арктический бассейн, где занимают промежуточный слой на глубинах от 100 до 800 метров (Тимофеев, 1960; Трешников, Баранов, 1972). Атлантическая вода является важным источником тепла в приатлантическом секторе Арктики и источником соли для арктических вод, подвергающихся постоянному опреснению. Постоянный приток тепла от слоя АВ в верхний слой Арктического бассейна ограничивает зимнее нарастание льда, хотя о величине и распределении этого притока нет единого мнения. Все это указывает на то, что поступление АВ является важным климатообразующим процессом в арктической климатической системе и его мониторинг должен быть составной частью слежения за изменениями климата (Alekseev et al., 2003; Polyakov et al., 2003; 2004; Алексеев и др. 2007б).

Поток атлантической воды на протяжении от пролива Фрама до моря Лаптевых включительно сконцентрирован в сравнительно узкой зоне вдоль материкового склона и доступен для мониторинга с помощью современных судов ледокольного типа и небольшого числа длительных заякоренных подводных (и подледных) измерителей течений, температуры и солености воды. Обобщение океанографических данных, собранных в Арктическом бассейне с начала наблюдений, позволило выбрать районы, наиболее освещенные наблюдениями и сформировать климатические ряды характеристик АВ по 2009 год включительно. Одной из таких характеристик является максимальная температура в слое АВ в шести районах Арктического бассейна (рис. 13).

Рис. 13. Изменения максимальной температуры в слое АВ по данным измерений в шести районах Арктического бассейна (на карте слева) по данным 1920–2009 гг.

Приведенные на рис. 13 изменения максимальной температуры АВ показывают начало современного повышения температуры АВ в проливе Фрама в 1987 году, которое разделяется на два этапа. Второй этап повышения температуры начался в 1997 году. Его начало прослеживается и в других рассматриваемых районах с запаздыванием до 8 лет в районе Северного Полюса. В последние годы повышенные значения температуры АВ сохраняются, однако наметилась тенденция к их уменьшению.

Обобщение характеристик слоя АВ по пяти районам в Арктическом бассейне (без пролива Фрама) путем нормирования (на СКО) их аномалий (относительно соответствующих средних за период наблюдений) позволило выявить крупномасштабные изменения максимальной температуры в слое АВ, глубины максимальной температуры и положения верхней границы слоя (рис. 14).

Рис. 14. Нормированные аномалии характеристик слоя АВ, обобщенные по 5 районам Арктического бассейна (без пролива Фрама). Слева направо: максимальная температура воды, глубина максимума температуры, глубина верхней границы слоя (нулевой изотермы)

Несмотря на значительный разброс нормированных аномалий, аппроксимация ортогональными полиномами выделяет междесятилетние колебания характеристик с соответствующими экстремумами. Максимумы температуры АВ приходятся на 1930-е, 1950-е и 1990–2000-е гг. Соответствующие им минимумы глубины максимальной температуры и глубины верхней границы слоя АВ приходятся на эти же периоды.

Сопоставление изменений температуры АВ в Арктическом бассейне и в Cеверной Атлантике, начиная от тропической области (рис. 15), показывает присутствие во всех рассматриваемых рядах сходных междесятилетних изменений с преобладанием роста температуры в последние 30 лет. Исключение составляет район 40°–60° с.ш., где имеет место оппозиция аномалий температуры между восточной и западной частями района.

Рис. 15. Аномалии среднегодовой температуры воды на поверхности Северной Атлантики по данным массива HadSST (слева направо: 10° ю.ш.–10° с.ш.; 20°–40° с.ш.; 40°–60° с.ш.) и нормированные аномалии максимальной температуры АВ. Жирные линии – сглаженные по 11 лет, а для Т_АВ – аппроксимированные полиномом

Благодаря активным международным экспедиционным исследованиям в 1990-е и особенно в 2000-е годы, получившим особый размах в период МПГ 2007/08 гг., были получены обширные океанографические данные в разных районах Арктического бассейна. В этот же период стала поступать океанографическая информация с дрейфующих океанографических буев (WHOI). В итоге значительное число океанографических станций покрыло почти всю акваторию Арктического бассейна, что позволило построить средние поля характеристик слоя АВ за десятилетия 1990-х, 2000-х гг. (Алексеев и др., 2009б; 2010а) и сравнить их с полями 1970-х гг., наиболее полно освещенными данными наблюдений в прошлом (Константинов, Грачев, 2000). Метод построения полей представлены в статье (Алексеев и др., 2009б). Аномалии относительно средних за 1970-е годы показаны на рис. 16.

Рис. 16. Аномалии средних за 1990–1999 гг. (верхний ряд) и за 2000–2009 гг. (нижний ряд) относительно 1970-х гг. Слева направо: содержания пресной соды в слое выше изохалины 34.80 (эквивалентный слой, м), глубины верхней границы слоя АВ (м) и максимальной температуры в слое АВ

Наибольшее потепление в слое АВ в рассматриваемый период произошло в основном потоке АВ вдоль материкового склона, а верхняя граница слоя поднялась повсеместно, но более всего (на 60–80 м.) в центральной части Арктического бассейна. Вследствие этих изменений в вертикальной структуре водных масс толщина верхнего опресненного слоя арктической воды уменьшилась над областями максимального потепления и подъема верхней границы слоя АВ и, как следствие, здесь уменьшилось содержание пресной воды в слое над изохалиной 34.80 psu. Произошло перераспределение «избытка» пресной воды в верхнем слое Арктического бассейна, в результате которого увеличилось ее количество в акватории, прилегающей к островам Канадского архипелага и Аляски, что ведет к увеличению стока пресной воды через проливы в Канадском архипелаге. Причем отмеченные изменения усиливались от 1990-х к 2000-м годам.

Обсуждение и выводы

Сравнение ПТВ в области севернее 60° с.ш. в периоды современного потепления и потепления 1920–1940-х гг. показало, что средняя температура за десятилетие 1998–2007 гг. в среднем за год, весной и летом выше, чем в самое теплое десятилетие первого потепления, но зимой соотношение обратное. Тренд средней ПТВ за 31-летний период развития современного потепления (1978–2008 гг.) превышает тренд за такой же период развития первого потепления в теплую половину года, особенно летом. Зимой современный тренд значительно слабее.

В морской Арктике наиболее значительные климатические изменения произошли за последние 15 лет. Средняя за зимние (ноябрь – март) месяцы ПТВ повышалась здесь после 1991 года, а летняя – после 1996 года. До этого времени, начиная с 1951 года, ПТВ не повышалась. Наибольшее число значительных положительных аномалий ПТВ отмечено в последнее десятилетие, причем в теплую половину года с июня по октябрь.

В изменчивости температуры воздуха в атлантической части Арктики более 30 % составляет вклад 60-летнего колебания (АМО). Увеличение средней ПТВ в области к северу от 60 на фазе роста АМО в последние три десятилетия по сравнению увеличением в аналогичной фазе во время первого потепления максимально летом и отсутствует зимой.

Потепление особенно проявилось в быстром сокращении площади морских льдов, начавшемся в конце 1990-х годов. Связь между летним потеплением в Арктике и сокращением распространения морских льдов в сентябре усиливается по мере развития потепления и характеризуется корреляцией –0.90 между рядами летних ПМЛ и ПТВ за 1979–2010 гг.

Исследования, выполненные А.П. Недашковским на дрейфующей станции СП-35 в 2007/08 годах, обнаружили эмиссию СО₂ в атмосферу с поверхности нарастающего льда и подтвердили активную роль морского льда в формировании сезонного максимума концентрации СО₂ в атмосфере над Арктическим океаном.

Изменения в состоянии водных масс в Арктическом бассейне стали заметными с конца 1980-х – начала 1990-х годов, когда температура в слое АВ стала повышаться и достигла максимума в 2000-е годы. Предыдущие более слабые повышения приходятся на 1930-е и 1950-е гг. Минимумы глубины максимальной температуры в слое АВ и глубины верхней границы слоя АВ приходятся на эти же периоды. При этом междесятилетние изменения температуры в подповерхностном слое воды в Арктическом бассейне согласуются с изменениями температуры воды на поверхности в Северной Атлантике от тропиков до умеренных широт.

Причинами арктического усиления потепления помимо летнего сокращения площади льда, которое приводит к усилению тренда ПТВ в осенние месяцы с максимумом в ноябре, являются увеличение переноса тепла в высокие широты атмосферной циркуляцией и изменение радиационных притоков тепла в сторону увеличения потока нисходящей длинноволновой радиации вследствие роста содержания водяного пара в арктической атмосфере.

Сравнение части отмеченных изменений с результатами расчетов по ансамблю глобальных моделей климата показало существенную недооценку моделями наблюдаемого повышения летней температуры воздуха в Арктике и, как следствие, летнего сокращения площади морских льдов. Причина этих расхождений может быть связана с изменениями радиационного воздействия, вызванного увеличением доли приходящей длинноволновой радиации, которые не учтены в моделях.

Благодарности. Исследования проводились в рамках кластера проектов ААНИИ по программе МПГ 2007/08, целевой научно – технической программы Росгидромета на 2008–2010 гг. и при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 06–05–64054, 07–05–13358 офиц, 09–05–00232). Метеорологические данные арктических станций собраны Е.И. Александровым, массивы реанализа ERA-40 и Interim получены с сайта ECMWF. Данные реанализа NCEP обеспечены NOAA/OAR/ESRL PSD, Boulder, Colorado, USA, на сайте http://www.esrl.noaa.gov/psd/. Данные о площади льдов в Арктических морях предоставлены В.Ф. Захаровым, В.П. Карклиным и А.В. Юлиным, данные о льдах в Северном полушарии получены с сайта NSIDС. Океанографические данные в Арктическом бассейне были собраны многими экспедициями, в том числе по проектам МПГ 2007/08. Данные климатических моделей созданы разработчиками моделей и собраны участниками Программы диагноза и сравнения климатических моделей (PCMDI) в архиве CMIP3, который поддерживается управлением науки Министерства энергетики США.

Литература

ААНИИ http://www.aari.nw.ru/

Александров Е.И., Брязгин Н.Н., Дементьев А.А., Радионов В.Ф. Мониторинг климата приземной атмосферы северной полярной области // Тр. ААНИИ. 2007. Т. 447. С. 18–32.

Алексеев Г.В. Роль циркуляции атмосферы и других факторов в формировании климата Арктики / В кн.: Формирование и динамика современного климата Арктики. Под ред. проф. Г.В. Алексеева. СПб., Гидрометеоиздат, 2004. С. 27–46.

Алексеев Г.В., Данилов А.И., Катцов В.М., Кузьмина С.И., Иванов Н.Е. Морские льды Северного полушария в связи с изменениями климата в ХХ и ХХ1 веках по данным наблюдений и моделирования // Известия АН, сер. ФАО. 2009 а. Т. 45. № 6. С. 723–735.

Алексеев Г.В., Захаров В.Ф., Иванов Н.Е., Кузмина С.И. Зависимость между изменениями протяженности морского ледяного покрова и температурой воздуха на Северном полушарии // Материалы гляциологических исследований. 2005. Т. 99. С. 62–70.

Алексеев Г.В., Иванов Н.Е., Пнюшков А.В., Балакин А.А. Изменения климата в морской Арктике в начале XXI века // Проблемы Арктики и Антарктики. 2010а. № 3(86). С. 22–34.

Алексеев Г.В., Пнюшков А.В., Иванов Н.Е., Ашик И.М., Соколов В.Т., Головин П.Н., Богородский П.В. Комплексная оценка климатических изменений в морской Арктике с использованием данных МПГ 2007/08 // Проблемы Арктики и Антарктики. 2009б. № 1(81). С. 7–14.

Алексеев Г.В., Нагурный А.П. Влияние морского ледяного покрова на концентрацию двуокиси углерода в атмосфере Арктики в зимний период // Доклады РАН. 2005. T. 401, № 6. C. 817–820.

Алексеев Г.В., Нагурный А.П. Роль морского льда в формировании годового цикла двуокиси углерода в Арктике. // Доклады РАН. 2007. T. 417. № 4. C. 541–544.

Алексеев Г.В., Нагурный А.П., Макштас А.П., Иванов Н.Е., Шутилин С.В. Роль морского льда в формировании годового цикла двуокиси углерода в высокоширотной морской Арктике. Проблемы Арктики и Антарктики. 2007а. Вып. 77. С. 28–36.

Алексеев Г.В., Радионов В.Ф., Александров Е.И., Иванов Н.Е., Харланенкова Н.Е. Климатические изменения в Арктике и северной полярной области // Проблемы Арктики и Антарктики. 2010б. № 1(84). С. 67–80.

Алексеев Г.В., Священников П.Н. Естественная изменчивость характеристик климата Северной полярной области и северного полушария. Л., ГМИ, 1991. 159 с.

Алексеев Г.В., Фролов И.Е., Соколов В.Т. Наблюдения в Арктике не подтверждают ослабление термохалинной циркуляции в Северной Атлантике // ДАН. 2007б. Т. 413. № 2. С. 277–280.

Ашик И.М., Кириллов С.А., Макштас А.П., Смирнов В.Н., Соколов В.Т., Тимохов Л.А. Основные результаты морских исследований Арктики в ХХI веке // Проблемы Арктики и Антарктики. 2010. № 1(84). С.100–115.

Визе В.Ю. Льды в полярных морях и общая циркуляция атмосферы // Журнал геофизики и метеорологии. 1924. Т.1. Вып.1.

Визе В.Ю. О потеплении климата полярного бассейна // Проблемы Арктики. 1941. № 4.

Визе В.Ю. Причины потепления Арктики // Сов. Арктика. 1937. № 1.

Виттельс Л.А. Циклоны северных морей и потепление Арктики // Метеорология и Гидрология. 1946. № 5. С. 32–40.

Голубев В.Н., Гребенников П.Б., Ржаницын Г.А., Сократов С.А., Фролов Д.А., Шишков А.В. Влияние арктического ледяного покрова на внутригодовые колебания содержания СО₂ в атмосфере Северного полушария. // Материалы гляциологических исследований. 2006. Вып.101. С. 49–54.

Дзердзеевский Б.Л. К вопросу о потеплении Арктики // Изв. АН СССР., сер. геофизическая и географическая. 1943. № 2. С. 60–69.

Захаров В.Ф. Внутривековые изменения в распространении морских арктических льдов в ХХ столетии. В кн.: Формирование и динамика современного климата Арктики / Под. ред. Алексеева Г.В. СПб, Гидрометеоиздат, 2004. С. 112–159.

Захаров В.Ф. Морские льды в климатической системе. СПб., Гидрометеоиздат, 1996. 214 с.

Константинов Ю.Б., Грачев К.И. Высокоширотные воздушные экспедиции «Север» (1937, 1941–1993 гг.) / Под ред. В.Т.Соколова. СПб., Гидрометеоиздат, 2000. 176 с.

Кораблев А.А., Пнюшков А.В., Смирнов А.В. К вопросу о возможности использования данных реанализов ERA-40 и NCEP/NCAR для оценки изменений климата в Северной полярной области // Труды ААНИИ. 2007. Т.447. С. 44–67.

Недашковский А.П., Макштас А.П. Эмиссия СО₂ в атмосферу при образовании арктического морского льда // Проблемы Арктики и Антарктики. 2010. № 3(86). С. 35–44.

Тимофеев В.Т. Водные массы Арктического бассейна. Л., Гидрометеоиздат, 1960. 190 с.

Трешников А.Ф., Баранов Г.И. Структура циркуляции вод в Арктическом бассейне. Л.: Гидрометеоиздат, 1972, 158 с.

Фролов С.В., Федяков В.Е., Третьяков В.Ю., Клейн А.Э., Алексеев Г.В. Новые данные об изменении толщины льда в Арктическом бассейне // Доклады АН. 2009. Т. 425. № 1. С. 104–108.

Alekseev G.V., Johannessen O.M., A.A. Korablev, A.Y. Proshutinsky. Ocean and sea ice. In: Arctic Environment Variability in the Context of the Global Change / Edited by L.P.Bobylev, K.A. Kondratyev and O.M. Johannessen. Springer – Praxis, 2003. P.107–236.

Alekseev G.V., S.I. Kuzmina, A.P. Nagurny, N.E. Ivanov. Arctic sea ice data sets in the context of the climate change during the 20th century / In «Climate variability and extremes during the past 100 years». Series: Advances in Global Change Research, 2007. Vol.33. P. 47–63.

Arctic Climatology Project. Environmental Working Group joint U.S. – Russian atlas of the Arctic Ocean – winter period / Edited by L. Timokhov and F. Tanis. Ann Arbor, MI: Environmental Research Institute of Michigan in association with the Natrional Snow and Ice Data Center, 1998. CD – ROM.

Delworth, T.L.,S. Manabe, and R.L. Stouffer, Multidecadal climate variability in the Greenland Sea and surrounding regions: a coupled model simulation // Geophys. Res. Letters. 1997. 24. P. 257–260.

ERA-40: http://www.ecmwf.int/research/era/ERA-40

Interim: http://data-portal.ecmwf.int/data/d/interim_daily/

IPCC. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Solomon, S., D. Quin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor and H. L. Miller (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York. NY, USA, 2007. 996 p.

Kalnay et al. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project // Bull. Amer. Meteor. Soc. 1996. 77. P. 437–470.

Kwok, R., and D. A. Rothrock. Decline in Arctic sea ice thickness from submarine and ICESat records: 1958–2008 // Geophys. Res. Lett. 2009. 36. (L15501, doi:10.1029/2009GL039035).

NCEP: http://www.esrl.noaa.gov/psd/

NSIDC 2010 http://nsidc.org/data/seaice_index/index.html

Polyakov I. V., Alekseev G. V., Timokhov L. A., et al. Variability of the Intermediate Atlantic Water of the Arctic Ocean over the Last 100 Years // J. Climate. 2004. 17. P.4485–4497.

Polyakov I., Alekseev G.V., Bekryaev R.V., et al. Observationally based assessment of polar amplification of global warming // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29. 1878. (doi: 1029/2001GL011111).

Polyakov, I., M. A. Johnson. Arctic decadal and interdecadal variability // Geophys. Res. Lett. 2000. 27. P. 4097–4100.

Polyakov, I.V., L. Timokhov, D. Walsh, I. Dmitrenko, R.L. Colony, M. Johnson, E. Carmack, J.K. Hutchings. A long-term circulation and water mass monitoring program for the Arctic Ocean // EOS Transactions. 2003. 84. P. 281–285.

Rysgaard S., Glud R.N., Sejr M.N, Bendtsen J., Christensen P.B. Inorganic carbon transport during sea ice growth and decay: A carbon pump in polar seas // J. Geophys. Res. 2007. 112. C03016. (doi:10.1029/2006JC003572).

Schauer, U., E. Fahrbach, S. Osterhus, and G. Rohardt (2004), Arctic warming through the Fram Strait – Oceanic heat transport from three years of measurements // J. Geophys. Res. 109(C6). C06026. (doi:10.1029/2003JC001823).

Schlesinger M. E., and N. Ramankutty, An oscillation in the global climate system of period 65–70 years // Nature. 1994. 367. P. 723–726.

Semiletov I., Makshtas A., Akasofu S., Andreas E.L. 2004: Atmospheric CO₂ balance: The role of Arctic sea ice // Geophys. Res. Lett. 2004. 31, L05121.

WMO WDCGG Data Summary. WDCGG No. 30. GAW Data. Vol. 4: Greenhouse Gases and Other Atmospheric Gases. Japan Meterol. Agency, Tokyo, 2006.

G.V. Alekseev, N.E. Ivanov, A.V. Pnyushkov, N.E. Kharlanenkova. Climate change in the marine Arctic in the beginning of 21s century (Arctic and Antarctic Research Institute, St-Petersburg, Russia)

Аbstract

The data on water mass, sea ice and atmosphere collected during the IPY 2007–08 period and a combination of these new data with the data collected earlier made it possible to follow the development of the climatic phenomenon of the end 1990s – beginning 2000s in the sea Arctic, to deduce its relationship with the global climate change and to compare it with the warming of 1930–40s. In the present paper the features of the climate system during the first decade of XXI century and during the IPY 2007–08 are compared with state of the atmosphere, sea ice and ocean in the Arctic during the previous periods. Changes in the atmospheric, sea ice and ocean parameters are considered. Comparison with changes in other fields and with estimates of the global climate models from the CMIP3 assembly is made.