научная статья по теме О СВЯЗИ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ КАСПИЙСКОГО МОРЯ И КЛИМАТА СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «О СВЯЗИ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ КАСПИЙСКОГО МОРЯ И КЛИМАТА СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКИ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 3, с. 304-316

УДК 551.551

О СВЯЗИ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ КАСПИЙСКОГО МОРЯ И КЛИМАТА СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКИ

© 2014 г. Г. Н. Панин*, Н. А. Дианский**

*Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: panin@aqua.laser.ru **Институт вычислительной математики РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 8 Поступила в редакцию 30.01.2013 г., после доработки 13.03.2013 г.

Исследуются связи изменений климата в регионе Каспийского моря и его уровня с процессами климатических изменений в Северной Атлантике. В качестве основных индикаторов климатических изменений, влияющих на Каспийское море, используются индексы Североатлантического колебания (САК), Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО), интенсивности Атлантической термоха-линной циркуляции (АТХЦ), влажности воздуха над Северной Атлантикой. Результаты эксперимента по воспроизведению циркуляции Мирового океана и параметризация циклических особенностей климата позволили выявить их влияние на формирование климатической изменчивости Евразии и уровенный режим Каспийского моря. Это влияние изучалось через изменчивость АТХЦ, индекса САК, а также сводного индекса переноса влаги (СИПВ), предложенного в результате исследований.

Ключевые слова: изменение климата, Каспийское море, Северная Атлантика, термохалинная циркуляция, перенос влаги.

Б01: 10.7868/80002351514020084

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее важных проблем, стоящих перед наукой в XXI столетии, является проблема предсказуемости климатических изменений, в том числе связанных с человеческой деятельностью. Многочисленные исследования указывают на возможность будущего потепления климата, вызванного антропогенным ростом парниковых газов. Однако существует некоторая неопределенность в отношении региональных изменений и, в частности, изменений климата Евразии, характеризующегося чрезвычайно большим разнообразием вследствие большой протяженности территории. Данные наблюдений, кроме того, показывают, что глобальный и региональный климат может претерпевать заметные вариации [1—9], вызванные, в частности, обратными связями в системе атмосфера—полярные льды—океан. Отмечается [9], что оценки колебания земного климата, вызванные этими обратными связями, указывают на возможность существенной переоценки чувствительности глобальных климатических моделей к увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере.

Анализ современных изменений климата на территории Северной Евразии, выполненный по

данным станционных наблюдений [10—14] показал значимые региональные различия климата, связанные с климатом Северной Атлантики. Оценки влияния Северной Атлантики на изменение регионального климата в Евразии [9, 15, 16] показали, что примерно половину потепления в Северном полушарии за последние 30 лет вызвали изменения в Северной Атлантике. Для исследования колебания уровня Каспийского моря этот результат представляется исключительно важным, так как обширная водосборная территория моря находится в зоне влияния Атлантики. Возможно, что именно пренебрежение влиянием Атлантики на климат Каспийского моря не позволило раскрыть природу длительных направленных изменений уровня Каспия.

В связи с этим в настоящей работе анализируется климат Каспийского моря, его связь с процессами глобального характера, и прежде всего в Северной Атлантике. В качестве основных индикаторов климатических изменений, влияющих на изменение уровня Каспийского моря, использовались индексы Североатлантического колебания (САК), Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО), интенсивности Атлантической термохалинной циркуляции (АТХЦ) и влажности

над Северной Атлантикой. Результаты эксперимента [17] по воспроизведению циркуляции Мирового океана в период с 1948 по 2007 гг. и параметризация циклических особенностей климата [4] позволили по-новому исследовать климатическую изменчивость Каспийского моря. Необходимость привлечения климатических изменений в Северной Атлантике обусловлена тем, что до сих пор без этого не удавалось получить физически полное объяснение изменения уровня Каспийского моря и, следовательно, сформировать его прогноз.

ВАРИАЦИИ КОЛЕБАНИЯ УРОВНЯ КАСПИЙСКОГО МОРЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

Многолетние изменения уровня Каспийского моря и составляющих его водного баланса исследуются на основе различных подходов. В большинстве случаев принимается гипотеза о стационарности климата на протяжении последних десятилетий. Используется вероятностная методика, линейные и нелинейные стохастические модели и т.д. Так, согласно исследованиям [18] уровень Каспийского моря в период, начиная с конца XX века, должен понижаться, а в работе [19], использующей аналогичный подход к водному балансу, прогнозируется подъем уровня моря. В [20] прогнозируется еще более интенсивный подъем уровня моря в этот же период. В то время как данные наблюдений свидетельствуют о том, что окончание XX века характеризовалось ростом уровня моря, а начало XXI века снижением, достигшим к 2012 г. почти одного метра (рис. 1).

Попытки прогноза уровня Каспия, основанные на работах Будыко [21] с учетом прогноза антропогенных изменений климата, также нельзя признать успешными.

Учет нелинейности системы уравнений водного и теплового баланса [22] показал, что характер ее решения для прогнозирования может меняться, возникают неединственные и неустойчивые решения для описания изменения уровня моря на перспективу.

В [23] предлагаются результаты расчетов уро-венного режима Каспийского моря на долговременную перспективу (например, 20 лет) время от времени пересматривать с учетом фактического положения и тенденции изменения уровня моря и климатических параметров, определяющих формирование водного баланса моря, а также последствий антропогенной деятельности в бассейне моря. Прогноз уровенных колебаний при этом приобретает адаптивный характер, учитывающий происходящие и уточняющие перспективные изменения параметров природных и антропогенных процессов, формирующих уровенный режим.

-25 г

1820 1860 1900 1940 1980 2020 1840 1880 1920 1960 2000 Годы

Рис. 1. Временной ход среднегодовых значений уровня Каспийского моря с 1840 по 2012 гг.

Использование моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) на региональном уровне также часто приводит к противоречивым результатам. Например, немецкие ученые Арпе и Рокнер совместно с сотрудниками Института физики атмосферы РАН [24], проанализировав изменения в гидрологическом цикле нескольких бассейнов, включая Каспийское море, отметили увеличение атмосферных осадков и поверхностного стока. Полученные результаты свидетельствуют о подъеме уровня Каспийского моря в XXI в. Несколько позже [25] с использованием трех моделей МОЦАО получен новый результат, согласно которому прогнозируется постоянство уровня моря вплоть до окончания XXI века.

Исследования этого региона, выполненные в это же время итальянскими учеными [26] для разных сценариев (1РСС А2 и А1Ь), показали, что в течение XXI века по большинству моделей, наоборот, ожидается устойчивое снижение уровня Каспийского моря.

Еще более поздние исследования этого региона, проведенные в Главной геофизической обсерватории [27] с помощью семи моделей (№СС) показали, что уровень моря в XXI веке не будет значимо изменяться.

Итак, видно, что использование как стохастических моделей, так и современных моделей МОЦАО не приводит к согласованным результатам в прогнозировании изменений уровня моря на перспективу. Модели дают результаты, согласно которым можно ожидать как снижение уровня Каспийского моря, так и его повышение или стабилизацию в XXI веке. По-видимому, одна из причин отмеченных противоречий связана с использованием разных параметризаций для испарения (модели, использующие более сильную зависимость испарения от температуры воздуха, приводят к более сильному снижению уровня Каспия).

Это обстоятельство указывает, в частности, на необходимость проведения дополнительных исследований испарения как с водной поверхности, так и с поверхности суши. Эта работа ведется, и наши результаты [28—30] показали обнадеживающие возможности для более достоверной оценки испарения Каспийского моря, что особенно важно учитывать при прогнозировании уровня моря.

Наряду с этим следует отметить и недостаточную изученность связи региональных изменений составляющих водного баланса Каспия с глобальными процессами и прежде всего с динамикой Северной Атлантики. Исследование это представляется особенно важным, так как до сих пор нет единого мнения о будущих тенденциях изменения уровня Каспийского моря.

СВЯЗЬ КЛИМАТА КАСПИЙСКОГО МОРЯ С ПРОЦЕССАМИ ГЛОБАЛЬНОГО ХАРАКТЕРА

Покажем, как изменчивость гидрологического режима Каспийского моря может быть описана с привлечением уравнений водного баланса моря и баланса влаги его бассейна. Выпишем уравнение водного баланса замкнутого водоема применительно к Каспийскому морю:

йк/М = ВЕ/Б(к) + Д - Еь + ОЕ/Б(к), (1)

где ЕЕ — речной сток, ОЕ — подземный сток, Б(к) — площадь зеркала моря при определенном уровне моря к, Рь и Еь — атмосферные осадки и испарение соответственно над зеркалом моря.

Далее запишем уравнение баланса влаги над регионом, включающим водоем и его бассейн, в следующем виде:

йЖ/Я + ЕЖГ = Р - Е, (2)

где Ж — интегральное влагосодержание атмосферы над регионом, ЕЖГ — суммарный поток влаги через боковую границу Г рассматриваемого региона, Р и Е — атмосферные осадки и испарение соответственно, проинтегрированные по площади региона. Уравнение (2) легко получается путем интегрирования уравнения для влажности атмосферы (см., например, [31]) по площади рассматриваемого региона и от поверхности земли до некоторой большой высоты, на которой содержание влаги пренебрежимо мало по сравнению с нижележащими слоями. В уравнениях (1) и (2) будем полагать, что все переменные являются среднегодовыми величинами, и производные по времени характеризуют межгодовую изменчивость.

В случае Каспийского моря слагаемым ОБ/ Б(к) можно пренебречь, поскольку ОЕ/Б(к) « (0.01— 0.02)Е£ [32]. Учитывая также, что среднегодовой речной сток определяется в основном разностью осадков и

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.

Показать целиком