ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 6, с. 744-753
УДК 551.581.21
СТРУКТУРА ИЗМЕНЧИВОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ
© 2007 г. В. А. Семенов
Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: vasemenov@mail.ru Институт морских наук им. Лейбница при Университете г. Киль Дюстернброкер Вег 20, 24105, Киль, Германия Поступила в редакцию 29.12.2006 г., после доработки 29.06.2007 г.
Исследуется пространственная структура аномалий приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) во внетропических широтах Северного полушария (СП) в XX веке с использованием данных за период 1892-1999 гг. Для анализа применялось разложение средних за зимний и летний периоды аномалий поля ПТВ на эмпирические ортогональные функции (ЭОФ). Показано, что вариации среднеарктиче-ской (в широтном поясе 60°-90°N) температуры, как в зимний, так и в летний периоды могут быть с хорошей точностью описаны двумя пространственными ортогональными модами изменчивости. Для зимнего периода, это ЭОФ, связанная с ведущей модой изменчивости крупномасштабной атмосферной циркуляции в СП, Северо-Атлантическим колебанием, а также пространственно-локализованная в Арктике ЭОФ, которая описывает арктическое потепление середины XX века. Коэффициент разложения при этой ЭОФ не коррелирует с индексами атмосферной циркуляции и, как предполагается, связан с колебаниями площади арктического ледового покрова, вызванными долгопериодным колебаниями притока океанического тепла из Атлантики. Для летнего периода характерна в целом значительно меньшая связь с атмосферной циркуляцией. Первая ведущая мода изменчивости описывает положительный температурный тренд последних десятилетий, предположительно связанный с глобальным потеплением, в то время как вторая ведущая ЭОФ описывает долгопериодную осцилляцию. В целом, результаты анализа говорят о значительном влиянии естественной климатической изменчивости на температурные аномалии в высоких широтах СП и возможной трудности в выделении антропогенной составляющей климатических изменений.
1. ВВЕДЕНИЕ
В течение последних трех десятилетий наиболее сильный рост приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) наблюдается во внетропических широтах Северного полушария [1, 2] (рис. 1а). Повышение ПТВ сопровождается значительными изменениями площади ледового покрова [3, 4] и режимов атмосферной циркуляции [5]. Более быстрые темпы потепления в Арктике и его сезонные особенности (наиболее сильное потепление в зимний период) соответствуют оценкам климатических изменений вызванных антропогенным воздействием, полученным с помощью глобальных климатических моделей [6]. Подобные особенности, в частности, объясняются положительной обратной связью между снежно-ледовым покровом и приповерхностной температурой и получили название "полярного (или арктического) усиления" при глобальном потеплении [7, 8]. Наряду с потеплением последних десятилетий, в первой половине XX века также наблюдалось сильное потепление в Арктике (рис. 1а). Аномально теплые зимние температуры в Арктике в середине XX века были превышены лишь в последние несколько
лет после относительно холодного периода 19601970-х гг. (или даже еще не превышены, в зависимости от используемых данных и региона осреднения [9]). За потеплением 40-х годов XX века последовало длительное похолодание вплоть до начала 1970-х годов. Такое похолодание не соответствует концепции "полярного усиления" глобального потепления и приводит к различным значениям долгопериодного тренда арктической температуры в зависимости от длительности анализируемого ряда [9]. Положительная температурная аномалия в середине XX века обладает рядом особенностей. Прежде всего, это арктическая локализация соответствующих среднезональных аномалий ПТВ. Этот факт проиллюстрирован на рис. 1а и 16, где представлены пространственно осредненные аномалии ПТВ для широтных поясов 60°-90°N и 45°-55°N (занимающих примерно одинаковую площадь). Видно, что значительное потепление в высоких широтах не сопровождалось заметными аномалиями ПТВ в средних широтах, где как зимняя, так и летняя температуры демонстрируют схожую динамику. В то же время в высоких широ-
тах потепление было наиболее сильным в зимний период.
Высокие широты Северного полушария характеризуются повышенным уровнем естественной изменчивости, наиболее сильной в зимний период. Значительная часть зимней изменчивости ПТВ во внетропических широтах СП, включая долгопериодную изменчивость (от десятилетия и более), связана с режимами атмосферной циркуляции, главным образом, с Северо-Атлантическим колебанием (САК), ведущей модой межгодовой изменчивости атмосферной циркуляции в зимний период в СП, а также явлением Эль-Ниньо/Южное Колебание (ЭНЮК) [10-12]. Положительный тренд САК мог вызвать, в частности, потепление в Арктике в последние десятилетия [13]. Причина потепления середины XX века окончательно не определена. Хотя полностью исключить внешние воздействия, такие как эффект вулканических извержений или солнечной активности, нельзя, наиболее вероятной представляется гипотеза, объясняющая это потепление естественной изменчивостью [14, 15]. Глобальные климатические модели воспроизводят подобные аномалии как в контрольных экспериментах (без внешнего воздействия), так и в экспериментах с антропогенным увеличением парниковых газов в атмосфере [4, 14]. Также было предположено, что потепление 1940-х годов могло быть частью долгопериодного колебания, связанного с изменчивостью океанической циркуляции в Северной Атлантике и Северном Ледовитом океане и соответствующими аномалиями температуры поверхности океана (ТПО) [16, 17]. Тем не менее механизм влияния аномалий ТПО на температуру в Арктическом регионе не определен, и продолжительность временны х рядов не позволяет статистически значимо установить связь между многолетними колебаниями температуры в Арктике и ТПО в Северной Атлантике. Для выявления того или иного физического механизма колебаний климата в Арктике необходима информация о пространственной структуре соответствующей температурной изменчивости в высоких широтах СП. Характерные пространственные структуры ПТВ, связанные с атмосферной циркуляцией, анализировались во многих работах (например, [11, 12]). Такой анализ, как правило, ограничен по времени последними 50 годами, периодом достоверных данных с достаточным пространственным разрешением (например, данные реанализов). Этот период, однако, не включает в себя потепление 1940-х годов.
В данной работе исследуется пространственная структура изменчивости зимней ПТВ севернее 40°N с использованием сеточных данных, покрывающих весь Арктический регион. Продолжительность и пространственное разрешение данных позволяют идентифицировать долгопериодную изменчивость, а также оценить вклад различных
Год
Рис. 1. Аномалии приповерхностной температуры воздуха (в °С ) для зимнего (ноябрь-апрель, толстая кривая) и летнего (май-октябрь, тонкая кривая) периодов. В Арктическом регионе (а), 60°-90° в широтной зоне 45°-55°(б). Исходные данные сглажены скользящим 5-летним осреднением.
мод изменчивости температуры в осредненную температуру в Арктике. Отдельно анализировались зимнее и летнее полугодия.
2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ
Эмпирические данные по приземной температуре в Арктике и прилегающих регионах состоят из измерений на метеорологических станциях, с несколькими рядами, начинающимися в 19 столетии (см. обзор [18]). Начиная с 1930-х годов появляются регулярные наблюдения над арктическим ледовым покровом (на дрейфующих станциях "Северный Полюс"). С 1950-х годов к этим данным добавляются измерения с дрейфующих буев и сбрасываемых с самолетов зондов [19-21]. Из-за различного пространственного покрытия и техники измерений анализ данных проводился обычно лишь для последних десятилетий и приводил иногда даже к качественно различным выводам относительно температурных трендов [19, 22].
Глобальные сеточные массивы данных по ПТВ [1, 2], широко используемые в климатических исследованиях, имеют значительные пропуски данных в высоких широтах СП, в частности, над ледо-
Доля изменчивости зимних (ноябрь-апрель) аномалий ПТВ, описываемая анализировавшимися ЭОФ и корреляции главных компонент (ГК) с индексами атмосферных телеконнекций (ИАТ) за период 1950-1999 гг., а также с ГК аномалий давления воздуха на уровне моря (ДВУМ) средних за ноябрь-апрель, в зоне 25°-80°К за период 1900-1999 гг.
Описываемая доля изменчивости Наиболее сильные корреляции с ИАТ (1950-1999) Наиболее сильные корреляции с ГК ДВУМ (1900-1999)
ЭОФ 1 21.2% ПЕК, 0.58; САК, 0.51 ГК1, 0.77; ГК2, -0.32
ЭОФ 2 12.3% ТСАК, -0.49; ЗТК, -0.44 ГК2, -0.57; ГК 1, 0.34
ЭОФ3 11.7% Среднеарктическая ПТВ, 0.79 (1892-1999)
ЭОФ 4 9.1% СК, 0.33; ГК5, -0.45
Примечание. Показаны только наиболее сильные корреляции. Сокращения: ПЕК - Полярно-Евразийское колебание, ТСАК -Тихоокеанско-Североамериканское колебание, ЗТК - Западно-Тихоокеанское колебание, СК - Скандинавское колебание.
вым покровом. Это делает их малопригодными для анализа структуры изменчивости ПТВ в Арктике, особенно в первой половине XX века.
В данной работе анализируется массив сеточных данных по ПТВ, составленный в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ, Санкт-Петербург), включающий в себя данные измерений над ледовым покровом [23] и состоящий из среднемесячных значений ПТВ на сетке 5° х 10° широты/долготы (севернее 20°К) за период 1892-1999 гг. Массив включает в себя данные 1486 метеорологических станций, как наземных, так и дрейфующих ледовых станций "Северный Полюс". Сеточные данные основаны на среднемесячных картах аномалий ПТВ за период 1892-1969 гг., составленных в Главной геофизической обсерватории (Санкт-Петербург) и позднее, до 1995 г., в Гидрометцентре (Москва). С 1995 г. массив был дополнен в ААНИИ с использованием данных реанализа Европейского центра стреднесрочного прогноза (ECMWF). Более детальное описание массива, использовавшихся при его составлении данных, применявшейся методики визуальной интерполяции, а также валидация данных массива
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.