Лёд и Снег • 2014 • № 1 (725)
Морские, речные и озёрные льды
УДК 551.515.8 (589.1)
Климатические вариации арктического фронта и ледовитости Баренцева моря зимой
© 2014 г. А.Н. Золотокрылин, Т.Б. Титкова, А.Ю. Михайлов
Институт географии РАН, Москва azolotokrylin1938@yandex.ru
Статья принята к печати 18 декабря 2013 г.
Арктика, Арктический фронт, Баренцево море, ледовитость, приземная температура воздуха, Субарктика, центры циклонов, циклоническая активность.
Arctic, Arctic Front, Barents Sea, cyclone center, cyclonic activity, ice coverage, Subarctic, surface air temperature.
По данным реанализа (UEA CRU и NCEP/NCAR) исследованы размещение климатического арктического фронта в Атлантико-Европейском секторе и изменение ледовитости Баренцева моря зимой в периоды современного потепления (1981-2010 гг.) и похолодания (1948-1980 гг.) Арктики. Установлено, что арктический фронт имеет двойственную структуру и состоит из основного (над морями Северной Атлантики) и вторичного (в северной части континента). В рассмотренные периоды похолодания и потепления Арктики размещение основной и вторичной ветвей этого фронта квазистационарно. Рост локализации центров циклонов в западных секторах Баренцева моря в 1991-2007 гг. подтверждает модельные оценки увеличения возникновения циклонических возмущений в атмосфере над свободной ото льда поверхностью Баренцева моря, что вызывает положительную обратную связь и способствует уменьшению площади ледяного покрова.
Введение
Гидрометеорологические и ледовые условия в Арктике в 1930-40-х годах формировались на повышенном температурном фоне. За ним последовал холодный период, охватывающий 1950— 1984 гг. С середины 1980-х годов началось новое повышение температуры, которое продолжается и в настоящее время [2, 9, 11]. Потепление в Арктике сопровождается уменьшением площади ледяного покрова, значительно ускорившимся во второй половине первого десятилетия XXI в. [3, 12]. Пока точные причины этого процесса окончательно не выяснены. В данной статье наблюдаемое потепление Арктики рассматривается на основе концепции расположения климатических фронтов [13], так как вопрос о размещении арктического фронта в периоды похолодания и потепления Арктики важен как в климатическом, так и в общегеографическом плане.
Цель работы — исследовать положение климатического арктического фронта в Атлантико-Европейском секторе и изменение ледовитости Баренцева моря зимой в периоды современного похолодания (1948—1980 гг.) и потепления Арктики (1981—2010 гг.). С одной стороны, она состоит в подтверждении квазистационарности положе-
ния арктического фронта в условиях меняющейся циклонической активности в высоких широтах; с другой стороны, исследование направлено на понимание механизма так называемого «арктического усиления», когда наиболее сильное потепление в последние десятилетия отмечается в арктическом регионе. Среди возможных причин потепления — изменение атмосферной циркуляции с аномально сильной адвекцией тепла в высокие широты и перенос океанического тепла в атлантический сектор Арктики [1, 5, 16, 17]. Возможна и положительная обратная связь между притоком тёплых атлантических вод в Баренцево море и площадью его ледяного покрова [10, 18]. Допускается, что ветры, вызванные циклонами над свободной ото льда поверхностью Баренцева моря, могут усиливать приток тёплых атлантических вод и способствовать ещё большему сокращению площади ледяного покрова моря. Однако ветры в Баренцевом море зависят от положения и формы циклонов, поэтому обратная связь может быть как положительная, так и отрицательная. Сравнение размещения арктического фронта и его вариаций в синоптическом масштабе с изменением ледови-тости Баренцева моря может помочь решить ряд дискуссионных вопросов.
Методика исследования
Термин «климатический фронт» означает среднее положение фронтов определённого географического типа в определённом районе [13, 14]. Арктический фронт разделяет арктические воздушные массы и воздушные массы умеренных широт. Для получения объективных оценок положения арктического фронта рассматривается Атлантико-Евро-пейский сектор (40—90° с.ш., 40° з.д. — 90° в.д.). Периоды исследования — 1948—1980 и 1981—2010 гг. При рассмотрении вопроса о географическом положении арктического фронта мы исходили из того, что этот фронт проходит в районе наиболее часто повторяющихся синоптических фронтов, а следовательно, и в районе максимальных значений модуля горизонтального градиента приземной температуры. Синоптические фронты формируются в зонах пониженного давления, поэтому район с повышенной повторяемостью центров циклонов может также указывать на климатический фронт. Расположение фронтов может также соответствовать «ведущему потоку» в средней тропосфере (областям повышенных скоростей зонального ветра).
Для определения положения арктического фронта выполняется ряд операций.
1. Рассчитывается повторяемость вдоль отрезка меридиана максимума величины горизонтального температурного градиента на изобарических поверхностях АТ1000 и АТ850; на каждом отрезке меридиана (расстояние между меридианами 2,5° долготы) за каждые сутки определяется широта положения (средняя для отрезка 2,5° широты) максимального градиента температуры. Далее эти случаи суммируются за весь климатический период и нормируются на длину всей выборки (^М, где N — число лет, М — число дней в месяце). В результате таких расчётов получается поле относительной частоты образования максимального горизонтального градиента температуры в ячейке 2,5° х 2,5°. Модуль температурного градиента Gt на высоте изобарической поверхности АТ1000 имеет размерность °С/2,5° широты и рассчитывается по формуле:
Gt=(Gx2 + &У2)0,5;
Gx = (^ +1 + ^ +и +1 - ^ - ^ + и)Д2ш5ф);
^ = ^и +1 + Ь+и +1- ^ - Ь + иУ2, где г — индекс ячейки по долготе (увеличивается в восточном направлении); ] — индекс ячейки по широте (увеличивается в северном направлении); ф — широта ячейки.
2. Исследуются поля повторяемости центров циклонов. Под повторяемостью центров циклонов по данным о геопотенциальной высоте АТ1000 подразумевается частота попадания центров циклонов в ромбовидную область с вершинами в точках (i - 1,j), (i + 1,j), (i,j - 1), (i,j + 1), где расстояние между двумя первыми точками равно 5° долготы, а между двумя последними — 5° широты. При этом критерием такого попадания служит условие (логическое выражение)
(hij<hi-lj)&(hiJ<hi+ lj)&(hij<hij- D&(h,j<hlj+1),
где h — геопотенциальная высота АТ1000. Физический смысл критерия — «центральная точка должна быть меньше величины h для всех четырёх ближайших точек». Длина выборки при определении средней частоты событий в нашем случае равна 4m (4 — число сроков в сутках, m — число дней в месяце).
Исходные данные включают в себя два реана-лиза. Первый подготовлен в Университете Восточной Англии (UEA CRU) (http://www.cru.uea.ac.uk/ cru/data/ncep/). Он состоит из двухмерного массива значений различных метеоэлементов в узлах географической сетки, размером 2,5° по широте и 2,5° по долготе (четыре метеорологических срока для Н1000 и суточные значения для температуры на изобарических поверхностях), за все дни в период с 1948 по 2007 г. Второй реанализ (NCEP/ NCAR) представлен месячными полями давления, направления и скорости ветра на поверхностях 850 и 700 гПа. Единица измерения в таблицах и на соответствующих картах — среднее количество центров циклонов за сезон (три месяца) в данной ячейке, т.е. результат не зависит от величины выборки. Учитывается уменьшение площади ячейки, для которой считаются центры циклонов, с широтой. В качестве независимого материала для сравнения использовались данные о траекториях вне-тропических циклонов из http://stratus.ssec.wisc. edu/products/cyclones/cyclones.html и http://nsidc. org/data/docs/daac/nsidc0 423_cyclone/.
Результаты исследования
Первый результат относится к детализации географического размещения арктического фронта. На рис. 1 показано положение этого фронта зимой в периоды похолодания и потепления Арктики. Видно, что арктический фронт от исландского минимума сдвигается к северу в восточном направлении и над морями Арктики принимает уже широтное положение. Другое широтное образование повышенных повторяемостей центров ци-
клонов формируется южнее арктического фронта над Скандинавией и севером Восточной Европы (см. рис. 1). Его возникновение можно объяснить термическими различиями подстилающей поверхности (тёплый океан — холодная суша), что может быть причиной развития здесь циклогенеза. Следующая причина повышения повторяемости центров циклонов над материком — проникновение в Северную Европу циклонов из средних широт. Независимо друг от друга и арктический фронт, и рассмотренное выше образование отличаются резко увеличенными горизонтальными градиентами температуры на высоте поверхности 850 мб, что характерно при переходе от одной воздушной массы к другой. Это обстоятельство позволяет рассматривать две ветви арктического фронта: основную и вторичную. Арктический фронт разделяет морские арктические и умеренные массы воздуха над Северной Атлантикой, а над Норвежским и Баренцевым морями его основная ветвь отделяет морской арктический воздух от трансформированных над сушей умеренных масс. При трансформации над сушей умеренный воздух охлаждается и приобретает новые свойства (субарктические), которые отличаются от свойств как умеренного, так и арктического воздуха. Вторичный арктический фронт (его можно назвать тогда субарктическим) представляет собой границу между субарктическими массами и умеренными. Отметим, что средиземноморская ветвь полярного фронта, разделяющая умеренные и тропические массы, проходит в это время года вблизи 40° с.ш. (см. рис. 1).
Несмотря на отличия методик и разнесённых по времени исходных данных, показанные Т. Бержероном [14] и С.П. Хромовым [13] на карте арктические фронты в Атлантико-Европейском секторе незначительно отличаются от размещения главного арктического фронта, проведённого нами (см. рис. 1). Сравнение положения арктического фронта в 1951—1980 и 1981—2007 гг. показывает, что его климатические ва
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.