Лёд и Снег • 2013 • № 2 (122)
Морские, речные и озёрные льды
УДК 551.581
Изменения распространения морских льдов в Арктике и связанные с ними климатические
эффекты: диагностика и моделирование
© 2013 г. И.И. Мохов, В.А. Семенов, В.Ч. Хон, Ф.А. Погарский
Институт физики атмосферы РАН имени А.М. Обухова mokhov@ifaran.ru
Статья принята к печати 28 февраля 2013 г.
Арктика, естественные и антропогенные изменения, климат, моделирование, морской лёд.
Arctic, climate, modeling, natural and anthropogenic changes, sea ice.
Рассматриваются результаты по моделированию влияния изменений температуры поверхности океана и границ распространения морского льда в последние десятилетия на формирование региональных погодно-климатических аномалий. Отмечена связь между сокращением площади морского льда и формированием антициклонических режимов атмосферной циркуляции, которые приводят к аномально холодным зимам, в том числе на Европейской территории России. Анализ результатов численных экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы позволил установить, что потепление в первой половине XX в. в зимний период должно было сопровождаться значительной отрицательной аномалией площади распространения арктических морских льдов. Полученные результаты свидетельствуют о существенной роли естественных долгопериодных колебаний климата в современных изменениях площади морских льдов. Приведены модельные оценки возможных изменений повторяемости опасных явлений с сильными ветрами и интенсивными волнами в Арктическом бассейне и благоприятных навигационных условий вдоль Северного морского пути в XXI в. Отмечен рост повторяемости экстремальных волн к середине XXI в. для акваторий Карского и Чукотского морей, что связано с увеличением длины разбега волн и региональным усилением приповерхностного ветра.
Особенности климатических изменений в последние десятилетия
Среднегодовая приповерхностная температура Северного полушария с начала XX в. выросла на 1 °С (рис. 1). Потепление было неравномерным, причём темпы его значительно увеличились в последние десятилетия. Так, после локального температурного минимума 1970-х годов, только за последние четыре десятилетия в Северном полушарии у поверхности потеплело на 0,7 °С. Наряду с современным потеплением, значительный рост приповерхностной температуры отмечался в первой половине XX в. (с некоторым последующим похолоданием). Темпы роста приповерхностной температуры в тот период были сравнимы с современными изменениями. Потепление первой половины XX в. связывается, в частности, с изменениями интенсивности океанической циркуляции в Северной Атлантике [см., например, 6, 13, 30]. Существенным считается и вклад внешних воздействий на климат, в том числе солнечной
активности и вариаций аэрозольной замутнён-ности атмосферы [23].
Важная особенность температурных изменений современного периода — замедление темпов потепления в первом десятилетии XXI в. Хотя все среднегодовые значения температурных аномалий для Северного полушария в XXI в., в частности по данным 0^8 [16], превышают предшествующие значения за весь период инструментальных наблюдений с середины XIX в., рост приповерхностной температуры Северного полушария за первое десятилетие XXI в. составил всего 0,1 °С (или 0,05 °С увеличения глобальной температуры). Пространственное распределение этих изменений (рис. 2) характеризовалось некоторым похолоданием над континентами Северного полушария преимущественно в зимний период, которое контрастировало с сильным потеплением в Арктике (0,55 °С для области севернее 60° с.ш.).
Среднее за десятилетие похолодание над континентами Северного полушария связано с
Рис. 1. Аномалии среднегодовой приповерхностной температуры Северного полушария (1) по данным GISS [16] и 5-летние скользящие средние (2) (°С) Fig. 1. Annual mean (1) and 5-yr running means (2) of the Northern Hemisphere surface air temperature anomalies (°С) according to GISS data [16]
несколькими сильными отрицательными аномалиями в зимние периоды, в том числе 2003, 2006 и 2010 гг. (отметим также аномалию 2012 г. с низкими январской и февральской температурами). Если зимняя аномалия 2003 г. ещё могла восприниматься как случайное событие на фоне общего потепления последних десятилетий, то особенности зимы 2005/06 г. заставили исследователей рассмотреть вопрос о механизмах формирования подобных отрицательных температурных аномалий на фоне продолжающегося потепления. Зимой 2005/06 г. среднемесячные аномалии приповерхностной температуры атмосферы достигали —4 °С в Европе и -10 °С в Центральной Сибири (данные реанализа NCEP/NCAR [17]). Эта зима была самой холодной за последние три десятилетия в разных европейских регионах. Аномальные холода и сильные снегопады отмечались также в Восточной Азии.
Аномально холодные зимы связаны с формированием атмосферных блокирующих антициклонов — блокингов. Согласно модельным и эмпирическим оценкам, следует ожидать усиления их климатических эффектов при глобальном и высокоширотном потеплении [3—5, 7, 22]. В работе [22] отмечена тенденция увеличения времени жизни блокингов и числа блоко-дней в году в Северном полушарии, которая установлена по расчётам на базе модели общей цир-
куляции при глобальном потеплении в связи с ростом содержания в атмосфере углекислого газа. Наиболее значимо увеличилась общая продолжительность явлений блокирования при потеплении для зимних и весенне-летних месяцев, особенно над континентами, а также в Евро-Атлантическом регионе. В зимние месяцы подобная тенденция способствует формированию продолжительных морозов на фоне общего потепления, а в весенне-летние — засух. Отмечена тенденция роста интегрального действия блокингов Северного полушария при общем потеплении [3]. Такие тенденции объяснить достаточно просто. В частности, в более тёплой тропосфере, при более слабой в целом зональной циркуляции, следует ожидать увеличения времени жизни атмосферных блокингов [3, 5, 7]. Проявление климатических аномалий последних лет, включая зимние и летние экстремальные режимы для евроазиатских регионов в средних широтах, согласуется с отмеченными тенденциями блокинговой активности. Холодные зимы, в том числе, могут быть связаны с уменьшением площади ледяного покрова в Арктике в результате нелинейного отклика атмосферной циркуляции на нагрев нижней атмосферы зимой в высоких широтах [8, 24].
Продолжающийся быстрый рост температуры в Арктике в XXI в., при замедлении глобального потепления и потепления в Северном полушарии, усиливает контраст температурных изменений в средних и высоких широтах. Возможные механизмы этих процессов связаны с изменениями атмосферной циркуляции, сопровождающимися аномально сильной адвекцией тепла в высокие широты [15], а также переносом океанического тепла в Атлантическом секторе Арктики [29]. В результате потепления в Арктике отмечается быстрое сокращение площади морских льдов, которое в сентябре 2012 г. достигло рекордного минимума за период спутниковых наблюдений с конца 1970-х годов. Сокращение площади арктических морских льдов — одно из ярчайших свидетельств глобальных изменений климата, которое имеет огромное значение для социо-экономического развития России, в частности для морской навигации по трассе Северного морского пути [18]. При этом в Антарктике на протяжении последних трёх десятилетий наблюдается общий рост площади морских льдов (хотя и не столь значимый), достигший
Рис. 2. Аномалии среднегодовой приповерхностной температуры (°С) по данным GISS [16] для первого десятилетия XXI в. относительно последнего десятилетия XX в. (а) и тренд приповерхностной температуры (°С/10 лет) для периода 2001-2010 гг. (б) Fig. 2. Annual mean surface air temperature anomalies averaged for the first decade of the 21st century relative to the last decade of the 20th century (°С) according to GISS data [16] (a), and temperature trend (°С/10 yr) for the 20012010 period (б)
абсолютного максимума в 2012 г. Объяснить причины столь разных тенденций — важнейшая задача. В этой работе рассматриваются результаты оценки климатических изменений в высоких широтах Северного полушария и их возможные последствия на основе данных наблюдений и модельных расчётов.
Связь региональных климатических изменений с аномалиями температуры поверхности океана и границами распространения морских льдов
Для понимания причин современных изменений климата, в том числе в высоких широтах на территории России, необходимо, в частности, определить пространственные характеристики и амплитуды изменений климатических пара-
метров, связанных с изменениями как глобального поля температуры поверхности океана, так и аномалий в Северной Атлантике по сравнению с естественной внутренней изменчивостью атмосферной циркуляции. Существенную роль в формировании региональных климатических аномалий играет быстрое таяние арктических льдов. В работе [9] рассмотрены результаты численных экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы для оценки воздействия изменений температуры поверхности океана и концентрации морских льдов на региональные характеристики климата в западной части Евразии. Использована модель общей циркуляции атмосферы БСИЛМ5 [28] со спектральным горизонтальным разрешением Т42 (примерно
Рис. 3. Изменения вероятности (%) январских температурных аномалий, меньших —1,5о, по модельным расчётам [9] при соответствующем уменьшении концентрации морских льдов в Арктике в 1998—2006 гг. относительно 1968-1976 гг.
Fig. 3. Changes in probability (%) of January temperature to be lower than 1.5 standard deviation due to the Arctic sea ice reduction from 1968-1976 to 19982006 periods as obtained from model simulations [9]
2,8° по широте и долготе) и 19 вертикальными уровнями. Анализировались чувствительности зимнего и летнего климата к изменениям температуры поверхности океана и концентрации морских льдов (по данным Иа<И88Т1.1 [26]) в 1998—2006 гг. относительно 1968—1976 гг. Эти два периода соответствуют максимальной и минимальной фазам индекса Атлантического долгопериодного колебания. Помимо численных экспериментов с изменением глобального
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.