Читать книгу Метеорологические и геофизические исследования - Г. В. Алексеев - Страница 3

Аннотация

Проведен обзор предварительных результатов выполнения трех крупных междисциплинарных кластеров Международного полярного года (МПГ) 2007–2009 гг. в Южной полярной области: COMPASS (Comprehensive Meteorological dataset of active IPY Antarctic measurement phase for Scientific and applied Studies), CLICOPEN (impact of CLImate induced glacial melting on marine and terrestric COastal communities on a gradient along the Western Antarctic PENinsula) и ANTPAS (Antarctic Permafrost And Soils).

В результате выполнения проекта МПГ COMPASS создана многопользовательская база срочных метеорологических и аэрологических данных всех длиннорядных антарктических станций, которые впервые стали доступны для антарктического сообщества. Указанные данные, прошедшие процедуру контроля качества, используются для информационного обеспечения климатических исследований в Антарктике, совершенствования региональных моделей и реанализа, поддержки прикладных разработок.

Воздействие потепления за последние десятилетия в районе Антарктического полуострова на местные экосистемы, проявившееся в сокращении покровного оледенения, морского льда, периода ледостава и, как следствие, в вымывании осадочных пород, изменении солености и содержания растворенного кислорода в морской воде, изменении видового состава, пищевых цепей и структуры биологических сообществ и т. п. стало предметом изучения в кластере CLICOPEN.

В проекте ANTPAS, направленном на обобщение исторических и современных данных о распространении, толщине, возрасте, физических и геохимических свойствах вечной мерзлоты и почвы Антарктиды и субантарктических островов, создана национальная сеть геокриологических полигонов.

Выполнены оценки трендов климатических параметров Южной полярной области за период инструментальных наблюдений с учетом данных МПГ. Расчеты показали, что, несмотря на заметные проявления потепления в Западной Антарктике, метеорологический режим Антарктиды в целом характеризуется естественной изменчивостью атмосферных процессов.

Изменения климата Антарктики: проект COMPASS

С момента открытия в 1820 году ледового континента Первой русской антарктической экспедицией работы нескольких поколений отечественных полярных исследователей определили ведущее положение России в антарктическом сообществе. Пионерские работы Астапенко П.Д., Буйницкого В.Х., Брязгина Н.Н., Воейкова А.И., Гайгерова С.С., Долгина И.М., Кричака О.Г., Маршуновой М.С., Петрова Л.С., Русина Н.П., Таубера Г.М, Шляхова В.И. и многих других заложили основы понимания механизмов формирования климата Антарктики. Южная полярная область, являясь регионом Земли с уникальной климатической системой, оказывает значительное влияние на формирование глобального климата, и в то же время является чутким индикатором климатических изменений, происходящих на планете (SCAR’s Antarctic Climate Change and the Environment, 2009).

Изучение климата Южной полярной области и его изменений началось более ста лет назад в связи с появлением первых годовых серий наблюдений на субантарктических островах (Воейков, 1906, 1910) и созданием стационарной метеорологической сети.

Проведение крупнейших международных геофизических проектов, таких как Международный геофизический год (МГГ, 1957–1959 гг.) и Первый глобальный эксперимент ПИГАП (ПГЭП, 1978–1979 гг.), создание современной наблюдательной сети в полярных областях, построение схемы глобального объективного анализа метеорологических данных и развитие систем спутникового зондирования с высоким разрешением открыли новые возможности в исследовании климатической изменчивости полярных областей, в построении и совершенствовании прогностических моделей общей циркуляции атмосферы. К настоящему времени наиболее известны архив Национального Центра по прогнозированию окружающей среды / Национального центра атмосферных исследований (NCEP/NCAR) для периода 1948–2009 гг. и архив Европейского Центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) для периода 1957–2009 гг., архив японского метеорологического агенства для периода 1979–2004 гг. (JRA-25). Указанные архивы данных имеют заметные погрешности восстановления метеорологических элементов в Южной полярной области, приводящие, например, к появлению ложных трендов в рядах атмосферного давления и геопотенциала (Marshall, 2003, http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter3.pdf).

Проект Научного комитета по исследованию Антарктики SCAR READER (Reference Antarctic Dataset for Environmental Research) Project (Turner et al., 2004) инициировал создание нового информационного ресурса высокого качества по метеорологии Антарктики, включающего данные о приземной температуре воздуха, приземном давлении, давлении на уровне моря, скорости и направлении приземного ветра и результаты радиозондирования на стандартных изобарических поверхностях. Все оценки параметров метеорологического режима Антарктики впервые выполнены с использованием исходных четырехразовых приземных данных и двухразовых данных высотного зондирования.

Расчеты трендов по периоду однородных наблюдений (1971–2000 гг.) показали сложную картину климатической изменчивости в Антарктике (Turner et al., 2005). Долгопериодные изменения приземной температуры воздуха в восточной и западной частях Антарктиды имеют различныe тенденции: потепление зафиксировано на станциях Западной Антарктиды (Фарадей, Беллинсгаузен и др.), а похолодание – на отдельных станциях Восточной (Халли и др.) и Центральной (Амундсен Скотт) Антарктиды (Monaghan at al., 2008, Данилов и др., 2003, Лагун и др., 2006, Kejna, 2003).

Например, субантарктическая островная станция Оркадас (60°45’ ю.ш., 44°43’ з.д.) имеет 107-летний однородный ряд приземных наблюдений (1903–2009 гг.), что позволяет оценить внутривековые вариации региональных климатических параметров, включая квазишестидесятилетние колебания (см. рис. 1). Данные станции Оркадас демонстрируют статистически значимый тренд приземной температуры воздуха для всех сезонов, всех месяцев года и среднегодовых значений (см. таблицу 1). Из анализа рис. 1 в следует, что в начале XXI века в Антарктике наблюдается аналог известного «полярного (арктического) усиления», причины которого требуют специального исследования.

Рис. 1. Межгодовые изменения среднегодовых значений приземной температуры воздуха (а) и давления на уровне моря (б) по данным станции Оркадас (Южные Оркнейские острова) за период 1903–2009 гг. и оценка связи аномалии средней глобальной температуры воздуха за период 1880–2009 гг. по данным архива GISS (США) с аномалией температуры воздуха на станции Оркадас (в). На рис. (в) кружками отмечены данные за последнее десятилетие (2000–2009 гг.)

Оценки трендов для остальных станций и регионов Южной полярной области существенно зависят от длительности анализируемого периода, источника данных (различные справочники, метеорологические телеграммы, архивы данных), полноты и контроля качества информации, методов расчета и осреднения. Указанные причины объясняют значительный разброс оценок и выводов о текущих изменениях климата Антарктиды, полученных в последние годы (Monaghan at al., 2008, Данилов и др., 2003, Лагун и др., 2006, Kejna, 2003, Turner et al., 2006).

Для получения надежных оценок трендов метеорологических параметров при изучении механизмов формирования климатической изменчивости в Антарктике в рамках проекта Международного Полярного Года COMPASS (Comprehensive Meteorological dataset of active IPY Antarctic measurement phase for Scientific and applied Studies, http://classic.ipy.org/) создана база данных по климату на основе оперативной информации российских и зарубежных антарктических станций (см. таблицу 1).

Таблица 1. Список антарктических метеорологических станций, данные которых включены в базу данных проекта МПГ COMPASS

Примечание. Временные ряды некоторых станций содержат пропуски измерений, жирным шрифтом выделены статистически значимые оценки трендов

При построении указанной базы данных собраны результаты срочных приземных и высотных измерений основных метеорологических параметров на станциях всех стран, проводящих исследования в Антарктике, с оценкой полноты исходных данных, с выполнением контроля качества данных и с учетом изменения характеристик измерительных комплексов (см. http://www.aari.aq), включая данные 45 метеорологических, 52 автоматических и 25 аэрологических станций. Организационная поддержка Научного комитета Антарктических исследований (SCAR) в рамках проекта READER впервые обеспечила доступ к национальным архивам данных стран-операторов в Антарктике и унификацию методики первичной обработки синоптической информации.

Продолжением проекта SCAR READER в период МПГ и стал международный проект COMPASS. Главными принципами проекта МПГ COMPASS были обозначены: междисциплинарный подход к метеорологическим исследованиям, возможность сопоставления с историческими данными, двухстороннее и многостороннее сотрудничество между полярными станциями, интеркалибрация методов измерений, комплексный контроль качества оперативных данных, доступность метеорологических данных через Интернет.

Основные участники проекта – полевые базы Аргентины, Австралии, Бразилии, Чили, Китая, Германии, Финляндии, Франции, Индии, Италии, Японии, Кореи, Новой Зеландии, Польши, России, Великобритании, Украины, Уругвая и США.

В соответствии с основными задачами МПГ, направленными на совершенствование и расширение существующей наблюдательной сети, на метеорологических площадках прежде законсервированных полярных антарктических станций Молодежная, Русская и Ленинградская были установлены автоматические метеорологические станции (АМС) MAWS-110, чему предшествовал детальный анализ параметров климатического режима на основе полного исторического набора данных (см., например, Лагун др. 2007, Иванов, Лагун, Луценко, 2008).

В результате восстановлена российская циркумполярная сеть наблюдений за состоянием природной среды (см. рис. 2). Данные вновь открытых станций в обобщенном виде представлены на Интернет-сайте национального центра антарктических данных http://www.aari.aq.

Рис. 2. Размещение российских антарктических станций до МПГ (а) и в период МПГ (б). Обозначения: 89050 – Беллинсгаузен, 89512 – Новолазаревская, 89774 – Прогресс, 89592 – Мирный, 89606 – Восток, 89542 АМС – Молодежная, 89657 АМС – Ленинградская, 89132 АМС – Русская

Средние месячные значения основных параметров климатического режима Антарктики и важнейшие статистики размещены на Интернет-сайте ГУ ААНИИ (http://www.aari.aq), обновляются ежемесячно и доступны для антарктического сообщества.

На острове Кинг Джордж (Ватерлоо) опробована система оперативного сбора текущей метеорологической информации в максимально возможном объеме (по сравнению с глобальной телекоммуникационной системой). В обмене информацией в период МПГ участвовали специалисты России, Чили, Польши, Бразилии, Германии, Аргентины, Уругвая, Испании, Болгарии, Чехии и Китая. Результаты наблюдений после проведения комплексного контроля качества данных используются в прогностической практике, например, в региональной модели прогноза погоды метеослужбы республики Чили. По результатам сравнительного анализа исторических данных российской станции Беллинсгаузен и польской станции Арцтовский (Kejna, Lagun, 2004) восстановлена программа стандартных метеорологических наблюдений на станции Арцтовский, где вследствие особых микроклиматических условий зарегистрированы максимальные значения приземной температуры воздуха на острове Кинг Джордж (Ватерлоо) за весь период наблюдений.

Аналогичные годовые серии сравнительных наблюдений выполнены в период МПГ (2007–2008 гг.) на российской станции Новолазаревская, индийской станции Майтри и вновь построенной суперсовременной бельгийской станции Принцесса Елизавета.

Антарктическая наблюдательная сеть крайне редка, и обширные области внутри континента не обеспечены репрезентативными климатическими данными. Ряды ключевых метеорологических элементов в Антарктиде характеризуются высокой внутригодовой и межгодовой изменчивостью, что делает процедуру оценивания трендов для коротких рядов, содержащих пропуски измерений весьма проблематичной. В рамках подготовки проекта МПГ COMPASS разработан и испытан метод расчета оценок трендов по временным рядам срочных данных, имеющих пропуски измерений, с учетом внутрирядной корреляции (Алдухов и др., 2006).

Для большинства антарктических станций тренды приземной температуры малы и, как правило, статистически незначимы. Поэтому в настоящий момент нельзя определенно сказать, что характерно для Антарктиды в целом – потепление или похолодание. Наблюдаемые изменения приземной температуры находятся в пределах естественной климатической изменчивости.

Оценки трендов приземной температуры воздуха показывают, что на большинстве прибрежных антарктических станций наибольшее потепление происходит зимой (за исключением станции Эсперанса). В этот сезон механизмы обратной связи «атмосфера – морской лед» наиболее эффективны, т. е. даже небольшое сокращение морского ледяного покрова приводит к формированию тепловых аномалий в атмосфере. По данным спутниковых наблюдений за сплоченностью морского льда (см., например, http://www.aari.aq), начатых в середине 1970-х годов, суммарная площадь морского льда увеличилась за этот период, за исключением района моря Беллинсгаузена, на 4–10 %.

Большинство континентальных полярных станций за период 1961–1990 гг. характеризуются большей тенденцией потепления или меньшим трендом похолодания по сравнению с периодом 1971–2000 гг. Это обусловлено более суровыми ледовыми условиями в 1960-х годах, когда количество холодных лет было особенно велико (см., например, рис. 3).

Рис. 3. Распределение средних годовых значений температуры воздуха на станциях Новолазаревская (а) и Мирный (б) за период инструментальных наблюдений по убыванию величины. Заштрихованы значения последнего десятилетия

В Центральной Антарктиде есть только две станции, имеющие длительные ряды наблюдений, что не дает возможности сделать окончательное заключение об изменениях климата в этой обширной области. Наблюдения на станции Восток не показывают статистически значимых изменений за период более 50 лет. Данные станции Амундсен-Скотт демонстрируют похолодание во все сезоны, скорость которого уменьшилась в последнее десятилетие (см. рис. 4, 5). Временной ряд станции Амундсен-Скотт является неоднородным из-за переноса метеоплощадки в декабре 1974 г., поэтому ряд наблюдений на Южном полюсе нуждается в специальном исследовании.

Рис. 4. Распределение средних годовых значений температуры воздуха на станции Амундсен-Скотт (а) и Восток (б) за период инструментальных наблюдений по убыванию величины

Рис. 5. Межгодовые изменения средних годовых значений приземной температуры воздуха на российских антарктических станциях (°С) за период 1957–2008 гг. – а) и внутригодовые изменения приземной температуры воздуха на российских антарктических станциях за период МПГ 2007–2009 гг. – б)

Оценки годовых и сезонных трендов атмосферного давления демонстрируют падение давления на уровне моря (приземного давления на внутриконтинентальных станциях) за период инструментальных наблюдений, кроме островной субантарктической станции Оркадас (см. рис. 1, б). Падение давления характерно для всех секторов Антарктики, а наибольшие отрицательные статистически значимые значения зафиксированы на станциях Молодежная и Мирный. Рост циклоничности над островом Кинг Джордж (Ватерлоо) подтверждается заметным падением давления на станции Беллинсгаузен (–0,6 гПа/десятилетие).

Оценки трендов скорости приземного ветра на большинстве антарктических станций, имеющих представительные однородные ряды наблюдений, показали увеличение скорости ветра за период наблюдений. Уменьшение скорости ветра наблюдается на береговых станциях Мирный и Халли. Рост скорости ветра на большинстве станций соответствует изменению индекса Южного колебания за последние десятилетия и увеличению повторяемости мощных циклонов.

Одним из регионов Антарктики, где зарегистрированы изменения климата, является район Антарктического полуострова. Длина климатических рядов здесь превышает 50 лет, и за этот период среднегодовая температура выросла здесь почти на 3 °С, что намного превышает аналогичные величины для других районов Южного полушария. Установлена связь региональных климатических условий с изменениями, происходящими в тропической части Тихого океана, например, связанных с явлением Эль-Ниньо – Южное колебание. Указанные «телесвязи» ответственны за формирование значительной короткопериодной изменчивости климата. Анализ данных проекта МПГ COMPASS позволил количественно показать доминирующую роль крупномасштабных атмосферных процессов (Антарктической моды) в поддержании выраженного очага потепления как в приземном слое, так и в свободной атмосфере (Lagun et al., 2009). Статистический анализ ключевых параметров климата в районе Антарктического полуострова показал необходимость расчета параметров климатической изменчивости на основе срочных данных для учета вклада процессов различного масштаба, например, внутримесячной изменчивости, для определения возможных причин текущих климатических изменений.

Из анализа распределения ранга теплых лет для станций, расположенных в различных частях Антарктики, следует, что последнее десятилетие, включающее период МПГ, является наиболее теплым для станций, характеризующихся выраженной тенденцией к потеплению (ср. данные таблицы 1 и рис. 3, 4, 6). Этот вывод совпадает с оценками изменения средней глобальной температуры (http://www.ncdc.noaa.gov/), согласно которым период 2001–2008 гг. был самым теплым на планете за все 130 лет инструментальных наблюдений (1880–2009 гг.).

Рис. 6. Распределение средних годовых значений температуры воздуха на станциях Беллинсгаузен (а) и Фарадей (б) за период инструментальных наблюдений по убыванию величины

Климатический режим свободной атмосферы Южной полярной области характеризуется рядом специфических особенностей по сравнению с состоянием тропосферы и стратосферы других климатических зон. К таким особенностям относятся мощные весенние стратосферные потепления, уникальный динамический режим мощного циркумполярного вихря, максимальные на планете запасы доступной потенциальной энергии, особые условия радиационного энергообмена и физико-химических превращений в атмосфере. Тогда как нижняя атмосфера нагревается в ответ на увеличение концентрации парниковых газов, верхняя атмосфера выхолаживается в условиях сокращения общего содержания озона в атмосфере и вышеуказанного роста содержания парниковых газов (Marshall, Lagun, Lachlan-Cope, 2002, Jagovkina, Lagun, 2004).

Рис. 7. Межгодовые изменения средних годовых значений температуры воздуха (°С) на уровнях 500 гПа (а) и 100 гПа (б) на российских антарктических станциях за период 1957–2009 гг.

Основными источниками данных (таблица 2) о состоянии свободной атмосферы над Антарктидой в ГИС «Антарктика» являются (по степени уменьшения приоритета):

• фонды ААНИИ (после преобразования данных в электронную форму и выполнения контроля качества данных) за период 1956–2009 гг., http://www.aari.aq;

• архив АЭРОСТАБ, подготовленный во ВНИИГМИ-МЦД, за период 1978–2009 гг.;

• национальные архивы стран-операторов в Антарктике;

• данные, распространяемые по глобальной телекоммуникационной сети (GTS) в виде телеграмм, за период 1973–2009 гг.;

• исчерпывающий архив аэрологических данных CARDS (Comprehensive Aerological Reference Data Set, США);