ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 6, с. 723-735
УДК 551.583:551.46
ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩАДИ МОРСКИХ ЛЬДОВ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ В XX И XXI ВЕКАХ ПО ДАННЫМ НАБЛЮДЕНИЙ
И МОДЕЛИРОВАНИЯ
© 2009 г. Г. В. Алексеев*, А. И. Данилов*, В. М. Катцов**, С. И. Кузьмина***, Н. Е. Иванов*
*Арктический и антарктический научно-исследовательский институт 199397 Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38
E-mail: alexgv@aari.nw.ru **Главная геофизическая обсерватория 194021 Санкт-Петербург, ул. Карбышева, 7
E-mail: kattsov@main.mgo.rssi.ru ***Нансен центр 199034 Санкт-Петербург, В О, 14 -fl линия, 7, офис 49 E-mail: svetlana.kuzmina@niersc.spb.ru Поступила в редакцию 25.06.2008 г., после доработки 26.11.2008 г.
Сокращение площади, занимаемой морскими льдами в Северном полушарии, ускорилось в конце 1990-х годов, когда стали отмечаться последовательно рекордные минимумы летней площади с абсолютным минимумом в сентябре 2007 г. Столь радикальное сокращение опережает проекции глобальных моделей и вызывает интерес к достоверности модельных расчетов будущего морских арктических льдов. В статье приводятся результаты анализа связи между потеплением в Арктике и сокращением площади льдов по данным наблюдений и моделирования ансамблем глобальных моделей климата.
ВВЕДЕНИЕ
Наблюдаемое с начала 1980-х годов сокращение площади, занимаемой морскими льдами в Северном полушарии (протяженность морских льдов (ПМЛ)), является одним из важных индикаторов потепления в высоких широтах [1]. Другой не менее важный и распространенный индикатор - приповерхностная температура воздуха (ПТВ), которая повышается в высоких широтах с некоторым ускорением относительно средней ПТВ по полушарию. Величина этого ускорения, называемая полярным усилением, зависит от рассматриваемого периода и достигает наибольшей величины для последнего двадцатилетия [2]. В этот же период начинается заметное сокращение ПМЛ, ускорившееся в конце 1990-х годов, когда стали отмечаться последовательно рекордные минимумы летней (сентябрьской) ПМЛ в 1995 г. (6.13 млн. км2), в 2002 г. (5.96 млн. км2), в 2005 г. (5.57 млн. км2) и, наконец, абсолютный минимум с начала регулярных изменений со спутников в 1978 г. был зафиксирован в сентябре 2007 г. (4.28 млн. км2) [3-5].
Столь значительное сокращение ПМЛ превышает оценки глобальных моделей [6] и вызывает интерес к достоверности модельных расчетов будущего морских арктических льдов [7]. Хотя модели в целом удовлетворительно воспроизводят сезонные
изменения параметров ледяного покрова в Северном полушарии, все же разброс между отдельными моделями велик [8]. Обнаружились значительные расхождения между глобальными моделями и термодинамическими моделями льда в оценках влияния облачности в высоких широтах на изменения толщины льдов [9], а также повышенная чувствительность температуры воздуха в глобальных моделях к изменениям ПМЛ [10] и расхождения в трендах объема льда в глобальных моделях и моделях океан-лед [11].
Ввиду важности проблемы будущего состояния морского льда в Арктике, необходимо продолжение исследований качества воспроизведения его эволюции глобальными моделями климата и выяснение причин расхождений между наблюденными и смоделированными изменениями. Одна из возможностей в этом направлении связана с анализом связи изменений температуры воздуха и характеристик льда по данным наблюдений и моделирования.
В работах [12-14] установлен ряд особенностей такой связи по данным наблюдений, в частности, ее сезонная неоднородность. Показано, что наибольшее влияние на ускоряющееся сокращение площади морского льда оказывают летние температуры воздуха [14], а связь колебаний зимней температуры воздуха и площади льдов слабее, поскольку про-
тяженность льдов зимой зависит также и от распространения опресненного слоя воды [12]. В данной работе представлены результаты дальнейшего анализа наблюдаемых изменений ПМЛ в Северном полушарии и их связи с изменениями ПТВ в разные сезоны и результаты сопоставлений с модельными расчетами анализируемых параметров.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ
Для исследования привлечены имеющиеся на сегодня оценки протяженности морских льдов в Северном полушарии [5, 15-18], в Северном Ледовитом океане и арктических морях [19, 20]. Сравнение рядов ПМЛ, полученных из разных источников и для разных районов Северного полушария, показывает значительные расхождения между ними в отдельные месяцы, особенно до 1958 г. [14]. После 1979 г. ряды становятся близкими между собой, поскольку все они основаны на спутниковых наблюдениях. В работе использовались ряды ПМЛ в Северном полушарии, начиная с 1958 г., а по данным измерений со спутников, начиная с 1979 г. Данные о площади, занимаемой льдами в российских арктических морях, имеются с 1924 г. и были использованы за весь период наблюдений.
Данные о приповерхностной температуре воздуха включают ряды среднемесячных значений ПТВ на станциях, расположенных к северу от 60° N за 1951-2007 гг., из которых выбирались ряды для отдельных районов рассматриваемой области. Для расчетов средних значений ПТВ по широтным областям Северного полушария использованы сеточные массивы данных реанализа ERA-40 за 19581999 гг. [18].
Для сравнения расчетов характеристик изменчивости ПМЛ, ПТВ и их взаимосвязей по данным наблюдений с аналогичными характеристиками, рассчитанными по данным экспериментов с глобальными моделями климата, использованы результаты расчетов на моделях из ансамбля CMIP31 (http://www-pcmdi.llnl.gov/about/index.php), которые ранее использовались в работе [8].
ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩАДИ МОРСКОГО
ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ПО ДАННЫМ НАБЛЮДЕНИЙ
В зимний период морские льды покрывают большую часть Северного Ледовитого океана и распространяются к югу на опресненные акватории морей на континентальном шельфе [12]. Летом льды сохраняются в Арктике на акватории Аркти-
1 По сокращенному названию третьей фазы международного проекта сравнения объединенных моделей общей циркуляции атмосферы и океана. Расчеты с этими моделями легли в основу Четвертого оценочного доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата (2007 г.).
ческого бассейна и в прилегающих районах арктических морей. Среднемноголетние значения площади, занимаемой льдами в каждый месяц, минимальны в августе-сентябре и максимальны в феврале-марте (рис. 1а), а межгодовая изменчивость максимальна в летние месяцы с июля по сентябрь и минимальна зимой (рис. 16).
Многолетние изменения ПМЛ в Северном полушарии характеризуются отрицательными линейными трендами во все месяцы и в среднем за год с максимальными по абсолютной величине коэффициентами в июле-августе (рис. 1в). Исключение составляет ряд [16] за 1958-1998 гг., который показывает положительный тренд во все месяцы. Однако за период спутниковых наблюдений после 1979 г. тренд становится отрицательным и по данным этого ряда.
Заметим, что с формальной точки зрения все коэффициенты, за исключением ряда спутниковых данных в июне и в среднем за год, не достигают 95%-ного уровня значимости из-за значительной межгодовой изменчивости. Вместе с тем, одинаковый отрицательный тренд во все месяцы и за год по данным всех рядов указывает на достоверность многолетней тенденции к сокращению ПМЛ.
Особый интерес представляет оценка темпов сокращения ПМЛ за период развития современного потепления и их сравнение с отмечавшимся ранее сокращением в период потепления в Арктике в 1930-1940-е годы. Такую возможность дают данные о площади, занятой льдами в арктических морях, которые охватывают период с 1920-х годов и по настоящее время [19, 20]. Статистические характеристики рядов ПМЛ в морях, прилегающих к арктическому побережью России, показывают минимум льда в сентябре, наибольшую межгодовую изменчивость и максимальные по абсолютной величине тренды на сокращение ПМЛ в сентябре (рис. 2). В Баренцевом и Гренландском морях максимум изменчивости и тренда ПМЛ смещен на май-июнь и февраль соответственно из-за большого вклада адвекции льдов из Арктического бассейна в формирование ледяного покрова в этих морях.
Зимой в сибирских арктических морях (моря Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское) лед занимает практически всю акваторию. К сентябрю он отступает на наибольшее расстояние от побережья. Многолетние изменения в этот период (рис. 2) дают наиболее полное представление о воздействии потепления на ПМЛ. Сопоставление трендов ПМЛ в арктических морях за полный период наблюдений, за 30-летние периоды потеплений в Арктике и за последние десять лет указывают на однозначную тенденцию к сокращению ПМЛ во все рассматриваемые периоды с ее усилением к последнему десятилетию для Сибирских морей в целом (табл. 1). Отдельные моря также показывают ускорение сокращения ПМЛ в последнее десятилетие. В
16
S12
\D О
1
х 8
п 2 „
С 4
ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩАДИ МОРСКИХ ЛЬДОВ (a) 1.2 г
1234
ИИ
2 3 4 5 0.02 0.01 0
м -0.01
ЧО
* -0.02
М
щ
gf^-0.03
-0.04 -0.05 -0.06 -0.07 -0.08
6 7 8 9 10 11 12 13 Месяц Год
1.0
с-1 § 0.8
6 0.6
X
О 0.4 о 0.2 0
(б)
2
1 2 3 4 5
1
6 7 8 9 10 11 12 13 Месяц Год
(в)
7 8 Месяц
10
11 12 13
Год
Рис. 1. Средние значения (а), среднеквадратичные отклонения (б) и коэффициенты линейного тренда (в) ПМЛ по данным: 1 - Chapman and Walsh [15] (chW) за 1958-1998 гг.; 2 - Hadley [18] (Had) за 1958-2003 гг.; 3 - по спутниковым измерениям [5, 17] (Спт) за 1979-2004 гг.; 4 - ААНИИ [16] за 1958-1998 гг.; 5 - ААНИИ [16] за 1979-1998 гг.
4
1
3
0
2
4
3
30-летие 1924-1954 гг. ПМЛ сокращалась сильнее по сравнению с 30-летием 1977-2007 гг. в Карском море и в меньшей степени - в Чукотском море.
Особенно значительное сокращение ПМЛ в Сибирских морях, так же как и всего ледяного покрова в Арктике, происходило за последнее десятилетие (рис. 2, табл. 1). С 1997 по 2007 гг. ПМЛ в сентябре сократилась в соответствии с линейными трендами на 26% во всей Арктике и на 79% в Сибирских морях. В то время как за весь период спутниковых наблюдений с 1979 по 2007 гг. сокращение составило 26.6% или 9.5% за 10-летие для всей Арктики и 63% или 16.6% за 10-летие для Сибирских морей. Таким образом, в 1997-2007 гг. произ
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.