научные соошжт
О климатической изменчивости генерального дрейфа льда в Арктическом бассейне
З.М. Гудкович, Р.Б. Гузенко, В.П. Карклин, С.В. Клячкин
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург
Статья поступила в редакцию 21 июля 2006 г. Представлена членом редколлегии С.Р. Веркуличем
Обсуждаются основные изменения поля дрейфа льда в Арктическом бассейне, происшедшие при переходе климатической системы от эпохи похолодания к эпохе потепления.
Ф- -Ф-
Взаимосвязь состояния морских льдов (их толщины, площади распространения и других параметров) и климата установлена давно [4, 11]. Менее известна зависимость крупномасштабного движения морского ледяного покрова (генерального дрейфа льдов) от климатических изменений и влияние этого движения на климат.
В последние годы широкое распространение получили совместные динамико-термодинамические модели «океан-ледяной покров-атмосфера», которые используются для объяснения наблюдаемых климатических изменений и их прогноза на будущее [13, 20, 22, 25]. В [12] отмечено, что весьма уязвимы с точки зрения адекватности воспроизведения изменений климата в современных глобальных климатических моделях оценки движения и основных свойств морских льдов. Это позволяет считать по меньшей мере некорректными модельные расчеты долговременных (низкочастотных) изменений распространения и движения льдов в Арктическом бассейне, полученные некоторыми авторами [20, 25].
Цель настоящей работы заключается в выявлении реальных изменений в схеме генерального дрейфа льда Арктического бассейна, происшедших вследствие потепления климата, начавшегося в конце 1970-х — начале 1980-х годов и сменившего период похолодания. Чередование таких периодов в основном обуслов-
лено астрономическими причинами — наличием циклов продолжительностью около 60 лет, связанных с изменением расстояния между Землей и Солнцем под влиянием сил тяготения крупных планет Солнечной системы (главным образом, Юпитера и Сатурна) [8].
Изменения в схемах дрейфа льда
В [2, 6] анализ дрейфа льда выполнен по разным данным (дрейф судовых экспедиций, станций «Северный полюс», автоматических станций и радиобуев), полученных до 1976 г. Большая часть наблюдений проведена в 1954—1975 гг., т.е. относится к периоду похолодания, сменившему известный период потепления Арктики в 1920-1940-х годах [10]. В указанных работах для построения среднемноголетней схемы дрейфа льда в Арктическом бассейне, отражающей наиболее вероятное перемещение льда в течение заданного промежутка времени, использована аппроксимация поля ортогональных составляющих векторов дрейфа льда двумерным многочленом вида:
Ух,у = ^
д=0 p=0
^рдП"
(1)
где х, у — координаты начала векторов дрейфа V ; т — степень многочлена по аргументу р; ^ — степень многочлена по аргументу д; а
рд
коэффици-
ент полинома.
- 187 -
Материалы гляциологических исследований, вып. 102
Ортогональные составляющие полученных на основе наблюдений векторов дрейфа льда принятого масштаба и включенные в формулу (1) образуют системы условных уравнений, которые объединяются в расширенные матрицы нормальных уравнений. Их решение по методу наименьших квадратов позволяет получить для каждой составляющей коэффициенты полинома. При m=t=3 количество коэффициентов равно 16. Эти уравнения используются для расчета векторов дрейфа по любой регулярной сетке, не выходящей за пределы региона, охваченного наблюдениями. Достоинство схем дрейфа льда, построенных таким методом, — детальность, которая свойственна расчетам по гидродинамическим моделям, при сохранении достоверности, присущей обычно схемам, в основе которых лежат материалы натурных наблюдений.
Для анализа изменений дрейфа льда, произошедших в Арктическом бассейне в период потепления, по данным дрейфующих станций и автоматических буев мы рассчитали схемы дрейфа льда за 1980—2004 гг. При этом также были использованы уравнения (1). Как и в предыдущих работах, поля векторов дрейфа льда рассчитывались за полугодовые периоды (октябрь-март и апрель-сентябрь). Начало координат находилось в точке 82°30' с.ш. и 180° в.д. Ось абсцисс направлена вдоль меридиана 180° на юг, ось ординат — параллельно меридиану 270° в.д. Общее количество векторов дрейфа льда, послуживших
Рис. 1. Схема среднего результирующего дрейфа льда для летнего (а) и зимнего (б) полугодий при потеплении и разность векторов дрейфа при потеплении и похолодании в летнее (в) и зимнее (г) полугодия Fig. 1. The scheme of mean resulting ice drift in summer (a) and winter (б) half-year periods for the warm epoch and the differences of ice drift vectors between warm and cold epochs for summer (в) and winter (г) half-year periods
базой для расчетов, составило для летнего полугодия 233, для зимнего 270. При расчетах схем дрейфа льда в период похолодания было использовано соответственно 189 и 115 векторов [2, 6].
На рис. 1 показаны полученные с помощью описанного метода схемы дрейфа льда в летнее и зимнее полугодия периода потепления климата конца XX — начала XXI вв. Схемы дрейфа льда, рассчитанные для периода потепления климата (см. рис. 1а, б), на первый взгляд, не отличается от ранее опубликованных схем [2, 6] для периода похолодания. В них отмечается увеличение скорости дрейфа льда на подходах к проливу Фрама зимой, а также смещение стрежня Трансарктического потока от Евразии к Америке и сокращение площади антициклонического круговорота Бофорта от зимы к лету. Практически совпадают и средние модули скорости дрейфа льда за месячные и полугодовые отрезки времени (3,5 и 2,5 см/с, соответственно). Существенные различия обнаруживаются на схемах, представляющих разности векторов результирующего дрейфа льда в периоды потепления и похолодания (см. рис. 1в, г). На обеих схемах, относящихся к летнему и зимнему полугодиям, обнаруживается циклонический характер полей разности векторов, что указывает на усиление циклоничности при переходе от похолодания к потеплению. Эта закономерность выражена лучше для летнего полугодия, чем для зимнего.
Как видно на рис. 1в, г, разности векторов дрейфа льда в районе пролива Фрама направлены из Гренландского моря в Арктический бассейн. Следовательно, вынос льдов из Арктического бассейна в Гренландское море в период потепления ослаблен по сравнению с периодом похолодания. Эта закономерность была обнаружена ранее в [7, 16, 18] и опровергает выводы некоторых ученых о том, что вынос льдов в Гренландское море возрастает во время пониженной ледовитости арктических морей (т.е. при потеплении) [17, 21, 23].
Вывод об увеличении выноса льдов через пролив Фрама при похолодании подтверждается и результатами расчетов по методике, изложенной в [9]. На рис. 2а показаны изменения суммарной площади выноса льдов через пролив Фрама за год (октябрь-сентябрь) за 1935—2000 гг. Аппроксимация данных многочленом шестой степени (жирная кривая) указывает на квазипериодический (циклический) характер этих изменений. Продолжительность цикла составляет приблизительно 60 лет. Сходный характер имеют колебания суммарной ледовитости арктических морей сибирского шельфа (от Карского до Чукотского): усилению выноса льдов соответствует повышение ледовитости. При этом колебания выноса льдов несколько опережают по времени соответствующие изменения ледо-витости арктических морей (см. рис. 2б). Взаимная корреляционная функция между сглаженными величинами выноса льда и суммарной ледовитости обнаруживает наиболее высокий коэффициент корреляции (0,81) при сдвиге (ледовитость после выноса) на 5 лет (значение случайного коэффициента при 95%-ном уровне значимости составляет 0,23).
- 188 -
З.М. Гудкович и др.
1935
1945
1955
1965
1975
1985
1995
Рис. 2. Межгодовые колебания площади льдов, выносимых из Арктического бассейна через пролив Фрама (а) и суммарной площади льдов морей сибирского шельфа в августе (б), жирные кривые — их значения, сглаженные полиномом шестой степени Fig. 2. The inter-annual oscillations of ice area brought out from the Arctic Basin through the Fram Strait (a) and ice cover extent in the seas of the Siberian Shelf (б); bold line is ice area smoothed by the polynomial of the 6th power
Из рис. 2 следует, что в начале 1990-х годов после периода ослабленного выноса льдов через пролив Фрама наметилась тенденция к его усилению. С учетом отмеченного сдвига фаз на основе этого можно ожидать перехода к фазе повышения ледовитости арктических морей в начале XXI в., что находит подтверждение и на рис. 2б.
Дивергенция скорости дрейфа льда
Понижение атмосферного давления в Арктике при потеплении подтверждают барические карты, ос-редненные за соответствующие периоды. Особенно наглядно указанное явление выражает индекс зонального переноса в атмосфере умеренных широт (от 40 до 65° с.ш.), аналогичный индексу Е.Н. Блиновой [3]. На рис. 3 представлено изменение среднегодовых анома-
1900
1920
1940
1960
1980
2000
Рис. 3. Изменение среднегодовых аномалий индекса зональной циркуляции атмосферы в ХХ в. Жирная кривая — аппроксимация полиномом 6-й степени Fig. 3. The variations of the mean annual anomalies of the atmospheric circulation zoning index in the XX century; smoothed line is an approximation by the polynomial of the 6th power
лий этого индекса, рассчитанного нами по картам атмосферного давления на уровне моря, на протяжении XX в. На рисунке хорошо выражен 60-летний цикл изменений интенсивности зонального (западно-восточного) потока в области, окружающей Арктику. Поток усиливается в периоды потепления и ослабевает в периоды похолодания. Усиление его при потеплении Арктики в 1930-1940-х годах было заметно меньше, чем при потеплении в конце ХХ в.
Увеличение повторяемости циклонических барических полей над Арктическим бассейном при переходе от похолодания к потеплению приводит к изменениям деформационных процессов в ледяном покрове. Циклонические системы дрейфа многолетних льдов способствуют разрежению ледяного покрова. Наиболее заметно проявляется такой процесс в летнее время, тогда как зимой, особенно в относительно тонких льдах при этом обычно происходит сплочение
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.