Метеорологические и геофизические исследования - Г. Алексеев

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.

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 xp. Точно также x(i), где i=N(n(1 – p)+1) используется для определения года, в который ПТВ выше x1–p.

Суммирование отмеченных таким образом лет по всем станциям, состоящее в подсчете числа случаев, когда данный год попадал в выбранный полуинтервал (<xp или >x1–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.