ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2009, том 36, № 1, с. 15-28
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 551.465
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ГЛОБАЛЬНОГО ВОДООБМЕНА В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ КЛИМАТА
© 2009 г. В. Н. Малинин
Российский государственный гидрометеорологический университет 195196 Санкт-Петербург, Малоохтинский просп., 98 Поступила в редакцию 20.05.2008 г.
Колебания уровня Мирового океана рассмотрены как интегральный индикатор глобального водообмена. Приведены результаты анализа изменчивости уровня Мирового океана за последние 140 лет, рассчитанного по данным футшточных наблюдений. Показано, что тренд уровня в XX в. составлял 1.8 мм/год. Обсужден вклад различных факторов в формирование тренда уровня Мирового океана. Впервые выполнена оценка межгодовых колебаний испарения и осадков над Мировым океаном и показано, что их разность дает существенный вклад в величину тренда уровня, особенно в последнее десятилетие. Кроме того, значительный рост уровня Мирового океана связан с термостерическими колебаниями уровня и, возможно, с придонным таянием шельфовых ледников в Антарктиде.
Г.П. Калинина, светлой памяти которого посвящается данная статья, можно считать основоположником нового научного направления - глобальной гидрологии, изучающей общие закономерности глобального водообмена на земном шаре как совокупности процессов перераспределения влаги во всех взаимодействующих оболочках планеты: океан-ат-мосфера-суша-криосфера. Итогом его работы стала фундаментальная монография "Проблемы глобальной гидрологии" [3], а также серия последующих статей в соавторстве с сотрудниками отдела регионального и глобального водообмена основанного им Института водных проблем АН СССР. Среди них можно отметить пионерскую работу по изучению горизонтального переноса влаги над территорией СССР [4], а также раздел Изменение уровня Мирового океана (УМО) в монографии "Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли" [14], в котором впервые приведены результаты влияния вод в различных резервуарах на глобальный уровень и показано, что рост уровня в течение 1900-1964 гг. составлял 1.5 мм/год. Настоящая работа по существу представляет собой дальнейшее развитие идей Г.П. Калинина в данном направлении.
К концу XX в. состояние проблемы колебаний уровня Мирового океана (УМО) с учетом вклада в них различных факторов изложено в докладе Межправительственной группы экспертов по изменениям климата (МГЭИК, или Intergovernmental Panel on Climate Change) в 2001 г. [32]. Как следует из этого доклада, в соответствии с некоторыми сценариями изменений климата, основанными на результатах его численного моделирования, при удвоении содержания СО2 и соответствующего увеличения средней глобальной температуры приповерхностного слоя УМО может повыситься на 10-30 см к 2030 г. и в пределах 30-100 см (наиболее вероятно 65 см) к кон-
цу столетия. Естественно, если такое развитие изменений климата станет реальностью, то это грозит катастрофическим ущербом для инфраструктуры прибрежных территорий, где проживает около миллиарда жителей Земли. Поэтому проблема возможных изменений УМО в связи с потеплением климата приобретает исключительную актуальность.
В 2007 г. подготовлен новый отчет МГЭИК по изменениям глобального климата, в котором есть специальный раздел "Изменения климата океана и морского уровня" [33]. В данном разделе в основном синтезированы новые результаты, полученные зарубежными исследователями преимущественно после 2000 г., причем почти исключительно на английском языке. К сожалению, в обоих отчетах практически отсутствуют результаты отечественных исследований.
Представим межгодовые изменения УМО ММ в виде суммы эвстатической МЭ, стерической Мс и деформационной Мд компонент, т.е.
АйМ = МЭ + МС+ Айд.
(1)
К эвстатическим компонентам относятся составляющие водного и ледового балансов: испарение, осадки, приток речных вод, айсберговый сток и т.д. Стерические колебания обусловлены изменениями плотности морской воды за счет соответствующих изменений температуры и солености. деформационными называются такие колебания, при которых происходит перераспределение массы воды в границах бассейна (моря, океана) при неизменном объеме воды таким образом, что уровень повышается в одних районах и понижается в других. Очевидно, что глобальные деформационные изменения уровня составляют, прежде всего, вертикальные движения земной коры и донное осадконакопление. Есть основания полагать, что в современных климатиче-
ских условиях при глобальном осреднении тектонические движения земной коры имеют разный знак в различных регионах Земли, вследствие чего нивелируют друг друга, а донным осадконакоплением можно пренебречь.
Принято считать, что в течение довольно длительного периода в развитии гидросферы, превышающего, по крайней мере, несколько тысячелетий, общий объем ее вод, состоящий из вод Мирового океана Уо, криосферы Ук, литосферы Ул и атмосферы Уд, является практически постоянным. 0тсюда следует
АУд + ДУ0 + ДУк + ДУл = 0. (2)
В уравнении (2) величина АУ0 обозначает изменения объема только за счет эвстатических факторов. Поскольку атмосфера является неинерционной средой, то в ней можно пренебречь изменениями запасов влаги. Тогда уравнение (2) примет вид
Дйэ = АМ АУо = АМ (-ДУк - ДУл), (3)
где АМ - площадь Мирового океана. Если принять, например, что АМ = 362 млн. км2, то при изменении УМО на 1 мм объем Мирового океана изменится на 362 км3.
С учетом уравнения пресноводного баланса МО [8] запишем уравнение (3) как
Мэ = АМ ДУо = Ам1 (^мо - Емо + М + I ± ДУшл), (4)
где Рмо - суммарный объем выпавших осадков, Емо - суммарное испарение, М - материковый сток, состоящий из поверхностных и подземных вод, I - твердый (айсберговый) сток, ДУшл - изменения объема вод Мирового океана за счет таяния (намерзания) шельфовых ледников Антарктиды. В работах [8, 32] показано, что учет ДУшл в условиях современного потепления климата необходим, поскольку это может дать заметную поправку в изменения УМо.
Как следует из приведенных выше уравнений, УМо - отражение процессов перераспределения природных вод в гидросфере, представляющей сплошную оболочку Земли, содержащую воду во всех агрегатных состояниях в пределах Мирового океана, криосферы, литосферы и атмосферы и принимающую непосредственное участие в планетарном круговороте влаги [2]. Поэтому колебания УМо можно рассматривать как интегральный индикатор глобального водообмена.
Известно, что систематические наблюдения за уровнем моря имеют довольно длительную историю. Так, регулярные футшточные измерения уровня начались в Амстердаме в 1765 г., причем эпизодические наблюдения здесь выполнялись еще вначале XVIII в. В настоящее время сеть береговых станций насчитывает более 1700 станций, которые Межправительственной океанографической комиссией при
ЮНЕСКО объединены в единую международную систему Global Sea Level Observing System (GLOSS) -глобальную систему наблюдений за уровнем моря. Основной частью этой системы служат среднемесячные данные по уровню, хранящиеся в базе данных Permanent Service for Mean Sea Level (PSMSL). Безусловное достоинство береговых наблюдений -наличие длительных серий наблюдений, а принципиальный недостаток - невозможность измерения уровня вне береговой черты.
Этого недостатка лишен метод спутниковой альтиметрии, который позволяет получить оценки уровенной поверхности океана практически на всей его акватории, а не только вдоль береговой черты. Спутниковая альтиметрия осуществляет измерение расстояния между спутником и поверхностью отражения по времени прохождения сигнала бортового радарного высотомера, передающего со скоростью света высокочастотные радиосигналы и получающего отраженный от морской поверхности сигнал. Независимое определение параметров орбиты спутника (широта, долгота, высота) относительно земного эллипсоида позволяет найти высоту уровня океана. При этом альтиметрические измерения, отсчитываемые от поверхности геоида, показывают возмущения относительно среднего стационарного состояния уровенной поверхности океана. В настоящее время доступны альтиметрические оценки уровня со спутников TOPEX/POSEIDON и JASON, начиная с 1993 г.
Естественно, что в течение длительного времени колебания уровня Мирового океана изучались на основе данных береговых станций. Можно перечислить целый ряд работ [6, 20, 27, 28, 30], в которых осуществлен расчет УМО за различные продолжительные промежутки времени. Отметим, что оценка УМО в указанных работах осуществлялась простым арифметическим осреднением. Это вполне правомерно, ибо эффекты сгонно-нагонных колебаний, ветровых денивеляций, приливо-отливных колебаний и других локальных явлений, которые носят кратковременный характер, устраняются при большом временшм (в данном случае 1 год) и пространственном (площадь Мирового океана) осреднении.
По мнению автора, хотя межгодовая изменчивость УМО наиболее детально была рассмотрена в работе [6], следует учитывать и другие работы. Перед осреднением проводилось сравнение рядов. Было выяснено, что они обладают почти одинаковыми средними значениями, близкими дисперсиями и имеют очень высокую корреляцию друг с другом. К сожалению, погрешности каждого ряда неизвестны, поскольку авторами они в их работах не приводились. Поэтому было выполнено арифметическое осреднение рядов УМО за 1901-1958 гг., которые являлись общим периодом для указанных рядов. Отметим, что предварительно все ряды были приведены к единой системе отсчета, за начало которой с
целью удобства была принята величина 100 мм в 1901 г. Возможно, в результате такого осреднения происходит некоторое занижение дисперсии межгодовых колебаний Умо, зато исключаются случайные ошибки и более явно проявляются долговременные тенденции в их колебаниях.
Полученный таким образом ряд УМо будем считать базовым. Поскольку данный ряд имеет довольно короткую длину, то вполне естественно возникает задача его удлиннения настолько, насколько это может позволить архив Р8М8Е. По-видимому, для решения данной задачи может быть использован пошаговый метод множественной регрессии, который позволяет последовательно отбирать наиболее знач
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.