Лёд и Снег • 2015 • Т. 55 • № 3
Морские, речные и озёрные льды
УДК 551.515.(8) (589.1) doi:10.15356/2076-6734-2015-3-73-82
Влияние притока тёплых атлантических вод на аномалии климата в атлантическом
секторе Арктики
© 2015 г. А.Н. Золотокрылин, А.Ю. Михайлов, Т.Б. Титкова
Институт географии РАН, Москва azolotokrylin1938@yandex.ru
Effect of Warm Atlantic Waters on the Climate Anomalies in the West Arctic
A.N. Zolotokrylin, A.Yu. Mikhaylov, T.B. Titkova
Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow
Статья принята к печати 4 марта 2015 г. Аномалии температуры поверхности океана, атлантический сектор Арктики, глубокие циклоны, обратные связи, площадь морского льда, потепление Арктики, температура воздуха.
Air temperature, anomalies of sea surface temperature (SST anomalies), Arctic amplification (Arctic warming), Atlantic sector of Arctic, deep cyclones, feedbacks, see ice concentration.
Исследованы значимые климатические изменения океанических и атмосферных переменных в атлантическом секторе Арктике, определяемые аномалиями температуры поверхности океана зимой. Определены периоды «тёплого» (2002-2012 гг.) и «холодного» (1960-70-е годы) океана. Положительная аномалия температуры поверхности океана вызывает увеличение площади свободной ото льда воды и сокращение площади сплошных льдов. В результате такого изменения свойств подстилающей поверхности (открытая вода и лёд) растёт приземная температура воздуха и, как следствие, понижается давление в центральной области заданного сектора Арктики.
Significant climatic changes of oceanic and atmospheric elements and a relation of them to the ocean surface winter anomalies in North Atlantic are analyzed in the paper. Periods of «warm» ocean (2002-2012) and «cold» ocean (1960-1970) were determined. Positive anomalies of the ocean surface temperature increase the ice-free water area and, correspondingly, decrease the ice-field area. As a result of such changes in a state of the ocean surface (open water and ice), surface air temperature rises, and, consequently, atmospheric pressure in central part of a given Arctic sector drops.
Введение
Температура поверхности Атлантики испытывает квазипериодические колебания с характерным временным масштабом порядка нескольких десятилетий. Они известны как Атлантическая мультидекадная осцилляция (Atlantic Multidekadal Oscillation, АМО) [9]. Для индексации АМО используется температура поверхности всей Северной Атлантики или в её заданных районах [5, 10]. Мультидекадная квазипериодичность АМО вызывает изменение давления в Северной Атлантике, которое можно проследить с помощью индекса Северо-Атлантического колебания (North Atlantic Oscillation, NAO). Индексом NAO служит первый главный компонент давления в атлантическом секторе Арктики. NAO влияет на траектории, интенсивность атлантических циклонов и, следовательно, на климат. Важность влияния АМО на климатическую изменчивость Северной Атлантики и потепление Арктики подтверждена в рабо-
те [7]. NAO также определяет перенос атлантических вод в Северный Ледовитый океан [8]. Таким образом, АМО и NAO вовлечены в наблюдаемое за последние десятилетия региональное потепление Арктики, сопровождаемое значительным сокращением площади морского льда [2, 6, 11].
Современное потепление Арктики часто обозначают термином «арктическое усиление» (Arctic amplification), чтобы подчеркнуть более высокую интенсивность потепления в Арктике по отношению к глобальному потеплению. В строгом понимании арктическое усиление есть часть более широкого понятия — «полярное усиление» (Polar amplification) [13]. Оно означает, что изменения радиационного баланса Земли в результате повышения концентрации парниковых газов могут привести к большим изменениям приповерхностной температуры вблизи полюсов, чем в среднем на планете. Существующие расхождения в трактовке арктического усиления связаны с динамическими и радиационными положительными об-
ратными связями в арктической климатической системе, включая изменения площади арктических льдов, которые часто считаются основными при объяснении причин усиления [2].
По схеме Г.В. Алексеева [2], арктическое усиление — это результат роста меридионального переноса тепла из низких широт и возникающих обратных связей в арктической климатической системе. Более детальное объяснение усиления потепления на примере Баренцева моря дано в работе [12], авторы которой подчёркивают важность влияния увеличения переноса океанического тепла в комбинации с возможными крупномасштабными изменениями атмосферной циркуляции.
Долгопериодные вариации океанического притока тепла в Баренцево море воздействуют на региональную климатическую изменчивость с помощью положительной ветровой обратной связи (wind feedback) [12]. Согласно этой связи, в период положительной аномалии температуры поверхности океана повышается приводная температура воздуха и ускоряется таяние льда. При этом усиление передачи тепла нижней атмосфере вызывает локальное уменьшение давления, рост сходимости ветра (циклоничности) и усиление западных ветров. В итоге приток тёплых океанических вод возрастает.
Авторы работы [12] рассматривают ветровую обратную связь в качестве гипотезы и подчёркивают отсутствие прямого доказательства её существования. Отметим, что ветровая обратная связь анализируется в комбинации с океанической обратной связью (ocean feedback), ответственной за регулирование обмена водами Атлантики и Арктики [12]. Независимо система океанических обратных связей в водах Арктики и Атлантики выявлена по результатам численных экспериментов с помощью модели совместной циркуляции Атлантики, Северного Ледовитого океана и Берингова моря [4].
В настоящей статье дан эмпирический анализ реакции приземной атмосферы на повышение температуры поверхности атлантического сектора Арктики зимой. Задачи настоящего исследования заключаются в следующем: 1) обнаружить значимые связи между аномалиями температуры океана и изменением повторяемости глубоких циклонов;
2) оценить вклад изменчивости площадей сплошного льда и свободной ото льда воды в межгодовую изменчивость средней температуры поверхности океана для всего сектора; 3) изучить влияние снижения приводного давления на увеличение сходимости ветра и оценить изменение меридиональной составляющей скорости ветра.
Методика исследований
Территория исследования — океанический арктический сектор (70°— 88°45' с.ш., 10°—60° в.д.) с сеткой 2,5° х 2,5°. Анализ охватывает зимний (декабрь—февраль) 64-летний период — 1949— 2012 гг. Список наблюдаемых и вычисляемых атмосферно-океанических переменных дан в табл. 1. Анализировались осреднённые по сектору переменные. Осреднение по площади выполнялось интегрированием в сферической системе координат и нормированием на соответствующую площадь с учётом маски «океан—суша». Все горизонтальные операторы также вычислялись в сферической системе. Месячное и сезонное осреднения выполняли по срочным данным (четыре срока в сутки). Понятие «все циклоны» соответствует событиям, при которых давление в центре ячейки меньше давления во всех четырёх соседних ячейках [3], а понятие «глубокие циклоны» — при давлении в центре, меньшем на 1 гПа по сравнению с соседними четырьмя ячейками (ограничение по величине геострофического вихря в центре всех циклонов, ^го1_сс). При таком ограничении глубокие циклоны в среднем составляют половину общего числа циклонов.
Данные по температуре сетки (2° х 2°) получены из архива КСБС ШАА ЕБ^Т уегаопЗЪ зб! ; в этом архиве ББТ = -1,8 °С соответствует сплошному льду в ячейке2. В нашем случае наличие сплошного льда в ячейке принималось по условию ББТ < —1 °С, что примерно соответствует концентрации льда большей 0,9. Изотерма ББТ = +1 °С в среднем ограничивает с севера область с концентрацией льда меньше 0,05, поэтому эту область назвали зоной свободного ото льда океана. Величина доли площади океана между изотермами ББТ < +1 °С и ББТ > —1 °С (^_/сё) соответствует области несплошного льда (боль-
1 Extended reconstructed sea surface temperature data
2http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.NOAA/.NCDC/.ERSST/.version3b/.sst/
Таблица 1. Обозначение используемых характеристик
По месячным данным [1]
ice_c Доля сплошного льда от площади океана (сплошной лёд при SST < —1 °С)
SST > 1, °C Температура поверхности свободного ото льда океана при SST > +1 °С
sqw Доля площади свободного ото льда океана (для SST > +1 °С)
sqwice* Доля площади океана между изотермами SST < +1 °С и SST > —1 °С
По срочным данным [3] на уровне sigma = 0,995 (h = 40 м)
vh, м/с Меридиональная составляющая скорости ветра, положительная — южная
th, °С Температура воздуха
mvh, м/с Скорость ветра
mad, Вт/м2 Модуль адвекции тепла в слое h
adv, Вт/м2 Адвекция тепла в слое h (минус — адвекция холода)
rot, 1/сут Вертикальная составляющая вихря скорости (положительный — против часовой стрелки)
div, 1/сут Горизонтальная часть дивергенции скорости (положительная — конвергенция или сходимость)
Ps, гПа Давление на уровне моря, вычисленное по высоте H1000
По срочным данным [3] на АТ1000
grotcc, 1/сут Геострофический вихрь в центре всех циклонов
Pcc, гПа Давление в центре всех циклонов
Nccd Среднее число центров глубоких циклонов над выбранным регионом
Pccd, гПа Давление в центре глубокого циклона
sdT, °С Стандартное отклонение температуры (междусрочная)
Данные [2] на 2 м
Tz, °С/м Вертикальный градиент температуры в слое 2—40 м (sigma = 0,995); положительные значения — инверсия
*sqw_ice = 1 — ice_c — sqw.
ше 0,05 и меньше 0,9). Эти оценки сделаны путём сравнения средних за весь период полей температуры поверхности океана и концентрации льда, полученной из архива КСЕР/КСАЯ Кеапа1уз183. Все остальные данные табл. 1 получены из архива КСЕР/КСАЯ Яеапа^Б4 по данным сетки 2,5° х 2,5° за период 1949—2012 гг.
Для решения задачи: 1) выделены 11-летние интервалы с максимальными и минимальными температурами поверхности океана для всего сектора; 2) рассчитаны статистические характеристики и оценена значимость линейного тренда всех переменных за весь период межд
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.