ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 3, с. 20-33
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
УДК 528.88
ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА, ЛЕДОВОГО ПОКРОВА И АТМОСФЕРЫ В АРКТИКЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕНДЕНЦИЙ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА РОССИИ
© 2007 г. О. М. Покровский
Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, Санкт-Петербург E-mail: pokrov@main.mgo.rssi.ru Поступила в редакцию 19.04.2006 г.
Исследование трендов температуры поверхности океана (ТПО) и площади ледового покрытия в восточном секторе Арктики по данным дистанционных измерений обнаружили потепление поверхностных атлантических вод, начиная с 1990-х, а глубинных вод - с середины 1970-х годов. Наибольшее потепление обнаруживается в теплый период года в Карском море и к северу от него. Обнаружен феномен Северного Сибирского колебания (ССК), сходного с Северо-Атлантическим и Арктическим колебанием (САК и АК), но сдвинутого по фазе на несколько лет. ССК демонстрирует новые аномалии атмосферного давления: отрицательную в теплый период и положительную в холодный период года. Введено понятие индекса ССК. Проведен сравнительный анализ трендов ССК, САК и АК. Исследованы взаимосвязи полей ТПО, атмосферного давления, температуры воздуха, и ветра, а также механизмы, ведущие к климатическим изменениям: сдвигам сезонов и похолоданием в зимний сезон. Показано, что изменения поля ветра, построенные исключительно по спутниковым данным, ведут себя согласованно с тенденциями климатических изменений ТПО и площади ледового покрова в восточном секторе Арктики.
ВВЕДЕНИЕ
Глобальные климатические изменения привели к учащению опасных и особо опасных явлений во многих районах земного шара (ураганы, наводнения, экстремальные значения температур воздуха, скоростей ветра и количеств выпадающих осадков). Погодные аномалии не обошли стороной и территорию России. При анализе причин, вызывающих климатические изменения, до сих пор в качестве основного механизма называется "парниковый эффект", имеющий антропогенную природу. Важная роль увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере при оценке изменений глобального климата как сейчас, так и в прошлые исторические эпохи не вызывает сомнений ввиду новых палеоклиматических данных [1, 2].
Авторы ряда работ (см., например, [3]) обнаружили "неучтенный" сток в глобальном углеродном цикле. Его величина сопоставима с вкладом антропогенного компонента в годовой баланс углекислого газа. Наиболее подходящей средой для указанного стока углекислого газа считается Мировой океан [4, 5]. Поэтому в последнее время развернуты научные программы по спутниковому мониторингу фитопланктона и хлорофилла в океане, изучающие их рост за счет механизма фотосинтеза, обеспечивающего дополнительный сток углекислого газа [6]. Кроме того, растворе-
ние углекислого газа в океане в высоких широтах и его последующая эмиссия в атмосферу при переносе вод за счет термохалинной циркуляции в тропическую зону является другим предметом исследования специалистов при изучении глобального цикла углерода [3, 7].
Мировой океан играет ключевую роль непосредственно в тепловом балансе на Земле. Теплоемкость всей толщи атмосферы равна теплоемкости верхнего трехметрового слоя океана [8]. Атмосфера получает от Солнца количество тепловой энергии, сопоставимое с той, которое она получает от Мирового океана [8]. Теория глобального конвейерного течения (ГКТ) в Мировом океане [9, 10], утверждающая, что региональные океанические течения завязаны на одну общую систему, получает все большее подтверждение в последние годы. Эта теория указывает, в частности, на то, что, если характерный временной масштаб изменений температуры поверхности океана (ТПО) в поверхностной ветви ГКТ составляет 50-60 лет, то для ее глубинной ветви соответствующий масштаб колебаний температуры океанических вод составляет уже 700-1000 лет. Таким образом, если предположить, что, например, тысяча лет назад в течение нескольких лет или десятилетий доминировали положительные аномалии ТПО в Северной Атлантике, где берет начало нис-
ходящая ветвь циркуляции вод ГКТ, то неудивительно, что в течение последних 40-50 лет наблюдается повышение средних глобальных значений ТПО за счет появления возвратных теплых вод ГКТ на поверхности океана. Таким образом, Мировой океан играет ключевую роль в анализе причин происходящих климатических изменений.
Данные дистанционного зондирования (ДЗ) обеспечивают основной вклад в мониторинг не только поверхности океана [11], ледового покрова Арктики, а также основных параметров состояния атмосферы (вертикальные профили температуры, геопотенциала и влагосодержания) в высоких широтах ввиду наметившейся тенденции сокращения наземных и судовых наблюдательных сетей [12]. Данные спутниковых измерений ТПО и ледового покрытия являются фундаментальным источником информации для климатических исследований [11, 13]. В работах [14, 15] на основе использования композиционных данных судовых и спутниковых наблюдений был выполнен анализ временных рядов ТПО для Атлантического океана, который позволил связать их изменчивость с климатическими изменениями, происходящими в средних и высоких широтах Северного полушария. В частности, была обнаружена фазовая модуляция вариаций ТПО вдоль ГКТ в Северной Атлантике, которая позволила оценить скорость распространения положительной аномалии ТПО в указанном районе.
Потепление атлантических вод привело к заметному смягчению зим не только на европейской, но и на значительной части азиатской территории России в девяностые годы. Теплые атлантические воды поступают в Северный Ледовитый океан (СЛО) через Норвежское, Исландское и Гренландское моря и совершают полный циркуляционный оборот вокруг северного полюса, возвращаясь в Северную Атлантику через 26-28 лет [16]. Прибытие аномально теплых атлантических вод на протяжении последних 10-15 лет привело к тому, что по данным спутниковых наблюдений [13, 17] значительная часть российского сектора Арктики освобождается от ледового покрова в теплый период года. Некоторое уменьшение полярной шапки льда происходит так же и в западном секторе Арктики [17].
Цель данной работы состоит в том, чтобы проанализировать количественные изменения ТПО в СЛО и выяснить, к каким изменениям в атмосферной циркуляции и энергообмене атмосфера -океан это привело. В первой части рассматриваются изменения ТПО. Вторая часть посвящена исследованию изменений климатических индексов (Северо-Атлантического и Арктического колебания), а также трендов приземного атмосферного давления. Произошедшие изменения полей ТПО, атмосферного давления, температуры и
ветра рассматриваются в третьей части. Последняя часть посвящена обсуждению нового феномена - Северного Сибирского колебания.
КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩАДИ ЛЕДОВОГО ПОКРОВА И ТПО В РОССИЙСКОМ СЕКТОРЕ АРКТИКИ
Глобальное потепление климата послужило причиной того, что значительная часть восточного сектора СЛО в течение теплого периода года, начиная с конца 1990-х годов, освободилась от традиционного ледового покрова. Сокращение поверхности льдов в российском секторе СЛО подтверждено данными спутниковых измерений, полученными, как в видимом, так и в СВЧ-диапа-зоне [13, 17]. Благодаря длительному сезонному отсутствию ледового покрова в ряде шельфовых морей заметно расширился период дистанционных измерений ТПО не только в Баренцевом море, но и в других морях России [11]. Указанное обстоятельство оказалось весьма благоприятным для исследования климатических рядов ТПО в акватории СЛО. Для их анализа нами использовался метод расчета нелинейного тренда, изложенный в предыдущих работах [12, 14].
Недавно в Метеорологической службе Великобритании [18] была создана глобальная база данных ТПО. Эта база имеет месячное разрешение и покрывает период, начиная с 1870 г. и по настоящее время. В этом разделе мы использовали указанные данные для анализа климатических рядов ТПО. Основное внимание было уделено осенне-зимнему сезону, когда влияние нагрева поверхностных вод от Солнца практически отсутствует и ТПО полностью определяется температурой пришедших глубинных и поверхностных атлантических вод. В данной работе наряду с указанными данными нами использовался также архив ре-анализа NCEP/NCAR (США) [19].
Результаты сглаживания климатических рядов ТПО в Норвежском море показывают, что потепление поверхностных вод в зимний сезон наблюдалось в 1920-1950 гг. Этот период соответствует первому потеплению, произошедшему в высоких широтах Северного полушария в середине прошлого века [20]. Линейный тренд характеризует общую тенденцию к повышению ТПО. Нелинейное сглаживание позволяет выделить ко-роткопериодные изменения ТПО (рис.1я). В начале 1950-х годов началось похолодание, сменившееся постоянством в конце 1970-х и начале 1980-х гг., а затем медленным повышением сглаженных значений ТПО.
В незамерзающем Баренцевом море ТПО медленно возрастала на протяжении почти всего про-
июль (слева) 4 ч сентябрь (справа)
9°
□ °п ° п ••□
" г, □
П *У0 О. ................□ г-1 □
.л...... .й^-з'-^-и-^-дп ° °з .
ТПО 12.5 12.0 11.5 11.0 10.5 10.0 9.5 9.0 8.5
б 70° с.ш.; 40° в.д., Баренцево море
10 июль (слева) 9 сентябрь (справа) 8 7 6 5 4 3 2 1 0
° .....■.. ° □
О °
2.0 1.5 1.0
0.5 0
-0.5 -1.0 -1.5
-2.0
в 75° с.ш.; 75° в.д., Карское море
'*».. июль (слева) •
4 ч сентябрь (справа)
ЧайЬЪ
□ □ •.••□ □ п ° ° п • . ..
................
•.....ч .
•••
7.0 6.6 6.2 5.8
5.4 5.0 4.6
9.0
8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0
6 4 2 0 -2 -4 -6
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Год
Рис. 1. Сглаженные ряды ТПО в разных регионах Арктики: а - Норвежское море; б - Баренцево море; в - Карское море.
шлого века. Периоды краткого похолодания в 1900-1920 гг. и 1950-1960 гг., а также середины 1970-х годов составляли исключение. Линейный тренд ТПО, рассчитанный за последние 50 лет, близок к нулевому значению. Поэтому представляет интерес нелинейный тренд (рис. 16), который показывает потепление вод в 1950-е годы, постоянство - в 1960-1980-е и заметное изменение ТПО после 1995 г. О
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.