УДК [551,513+551.326.7] 001.57(98)
Моделирование отклика атмосферы на таяние арктических льдов
В. Я. Галин*, Е. М. Володин*
С помощью атмосферной модели Института вычислительной математики (ИВМ) Российской академии наук изучается отклик атмосферы на таяние арктических льдов. Возмущение арктической приземной температуры от изменений сплоченности льдов формируется в зимнее время, однако влияние его на внеарктическую циркуляцию слабое. Даже нереально большие возмущения температуры у поверхности остаются над Арктикой, не вызывая существенных изменений циркуляции над материками.
Введение
Хорошо известно, что "кухня погоды" — Арктика — интенсивно теряет свои льды. По материалам наблюдений, за последние 30 лет Северный Ледовитый океан уже потерял около 40% объема дрейфующих льдов [9]. Уменьшается не только площадь поверхности льдов, но и более значительно уменьшается их толщина. За указанное время толщина льдов уменьшилась почти вдвое и составляет сейчас в среднем по Арктическому бассейну менее 2 м. Лед более интенсивно разрушается вдоль северного побережья России, чем вдоль берегов Канады, Аляски и Гренландии. Зимой на многие месяцы почти вся поверхность Северного Ледовитого океана замерзает. В летние месяцы открываются все более увеличивающиеся участки чистой воды, особенно в районе моря Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского морей, т. е. вдоль Северного морского пути. Если построить карту разности распределения количества льдов за последние и предыдущие 10 лет, начиная с 1979 г., то в указанных районах можно увидеть дефицит количества льда до 40%. Можно предположить, что продолжение этой тенденции через несколько десятилетий может привести к полному исчезновению льдов в этих районах в летнее время. Причиной этого явления одни исследователи считают влияние роста концентрации парниковых газов [8], другие — естественную арктическую осцилляцию [6, 7]. Результаты работы [9], основанные на материалах наблюдений и моделирования, указывают на постепенное ослабление антициклонической циркуляции над морем Бофорта (канадское побережье), вследствие чего вынос новых порций льда из канадско-аляскинского бассейна в Российскую Арктику уменьшается. Лед накапливается в районе зарождения, а у российского побережья тает. Не вдаваясь в действительные причины этого явления, можно задаться вопросом о климатических последствиях уменьше-
* Институт вычислительной математики Российской академии наук.
ния площади и толщины арктических льдов. Скажется ли оно, например, на термическом режиме вдали от Арктики, скажем, в Европе или Сибири? Что станет с зоной вечной мерзлоты, насколько изменится климатическая ситуация на Дальнем Востоке России?
Для ответа на поставленные вопросы были проведены численные эксперименты с моделью ИВМ РАН [1]. Уже в ходе обсуждения результатов моделирования авторы узнали о существовании ряда работ по этому вопросу. Подробный обзор их и детальное описание собственных экспериментов приведены в работах [2, 3] коллектива авторов из ГГО им. Воейкова, выполненных еще в 1993—1997 гг. Это обстоятельство несколько охладило нас, однако из-за некоторых различий в условиях экспериментов мы все же решили предложить нашу работу к опубликованию, но без больших подробностей, а только в рамках подтверждения выводов работ [2, 3].
Краткое описание модели и условий экспериментов
Трехмерная глобальная модель атмосферы ИВМ РАН является конечно-разностной, охватывающей атмосферу до изобарической поверхности 10 гПа и почву до глубины 10 м с заданными распределениями температуры поверхности океанов и морских льдов. Ежемесячные значения температуры поверхности океанов и распределение льдов с 1979 по 1996 г. подготовлены по данным наблюдений для проекта АМ1Р-Н [4, 5]. В модели ИВМ РАН они представлены на сетке с горизонтальным разрешением 5° по долготе и 4° по широте. Внутри каждой горизонтальной ячейки количество льда задано в процентах занимаемой площади. Известна также толщина льдов, которая в штатной версии модели равна 3 м. Потоки тепла и другие характеристики ячейки со льдом вычисляются как средние по площадям с чистой водой и льдами. Если в ячейке имеется лед, то температура полыньи в этой ячейке принимается равной -1,8°С. Температура льда рассчитывается с помощью модели. При этом учитываются толщина льда, альбедо, излучательная способность и скорость ветра. Наличие снега на льду не учитывается. Нет в модели и процессов возникновения и развития льда. По типам льды также не разделены. При отсутствии льда температура воды задана по материалам АМ1Р-П, а в наших экспериментах взята как средняя с годовым ходом за каждый месяц с 1979 по 1996 г. В качестве климатической ледовитости взято среднее распределение льдов за каждый месяц этого периода. За исключением Норвежского и Баренцева морей вся поверхность Северного Ледовитого океана на 100% покрывается льдом в ноябре, декабре, январе, феврале, марте, апреле и даже в мае. Частичная ледовитость имеет место в июне, июле, августе, сентябре и октябре. Так, в октябре еще до 80° с. ш. существует частичная ледовитость. Для краткости зимними месяцами назовем период с ноября по март, летними — с мая по сентябрь. В летнее время частичная ледовитость наблюдается практически до самого полюса. Карты распределения льдов для любого месяца можно увидеть на сайте АМ1Р по адресу в Интернете http;//www-pcmdiЛlnl,gov/amip/,
В первом нашем эксперименте (контрольном) в качестве аномалий распределения льда взята разность между средней ледовитостью за
1988—1996 гг. и 1979—1987 гг. Эта разность невелика. Она существенна только в некоторое летние месяцы вдоль Северного морского пути и составляет там в среднем 20—30%. Вместе с тем толщина льда в первом аномальном эксперименте для всей акватории Северного Ледовитого океана была уменьшена вдвое и составила 1,5 м. Были проведены расчеты на 10 лет с климатическим распределением льдов и с аномальным. В качестве исходного распределения характеристик атмосферы во всех экспериментах взяты данные АМ1Р-И за 1 января 1979 г.
Второй аномальный эксперимент представлял собой 10-летний расчет, как и в первом аномальном эксперименте, но с дополнительным учетом изменения температуры поверхности океана (ТПО) в среднем за период с 1979—1987 гг. по 1988—1996 гг. (за это время в Северной Атлантике и на севере Тихого океана произошло небольшое (~0,5°С) повышение ТПО).
В дальнейшем был проведен и третий аномальный эксперимент с расчетом на те же 10 лет, но аномальное распределение льдов было получено произвольным уменьшением количества льдов в ячейке интегрирования вдвое во все месяцы, включая даже и зимние. Таким образом, результаты первых аномальных экспериментов характеризуют изменение толщины льда, но имеют реальный характер, а третий аномальный эксперимент характеризует изменение как толщины льда, так и площади его распространения, однако он нереалистичен.
Результаты моделирования
В качестве возмущения в аномальном эксперименте можно рассмотреть изменение приповерхностной температуры в среднем за 10-летний период (рис. 1а,б). Интересно, что в летний период значимых изменений температуры воздуха не наблюдается. Этого можно было ожидать, поскольку летом температура тающего льда 0°С и фактически возмущение не формируется. В зимний период температура воздуха на высоте 2 м в первых двух аномальных экспериментах повышается на 4—5°С. Заметно вырастают при этом и потоки явного и скрытого тепла из океана в атмосферу. Однако температурное возмущение над Северным Ледовитым океаном так и остается над полюсом и не распространяется на районы вне Арктики. Всюду над материками Северного полушария изменения температуры воздуха малы. Малы и изменения приземного давления (рис. 1в, г). Все это хорошо согласуется с результатами работы [3]. Как и в [3], давление над полярной областью в этих экспериментах возрастает на 0,5—1,0 гПа. Но значимость этого повышения невелика.
Полным подтверждением выводов [3] является то, что высокочастотная изменчивость циркуляции атмосферы уменьшается. Однако значимых изменений низкочастотной изменчивости мы не получили. Сам зональный перенос несколько ослабевает, но не существенно. Второй аномальный эксперимент не привел к сколь-либо заметным изменениям, так как вариации ТПО в 0,5°С в высоких широтах слишком малы, чтобы вызвать значимый отклик атмосферной циркуляции. Как показывают расчеты по модели, для этого необходимо иметь вариации ТПО в этих широтах не менее 3,0°С. 16
Рис. 1. Распределение аномалий температуры воздуха (°С) на высоте 2 м (а, б) и изменение приземного давления (гПа; в, г) зимой (о, в) и летом (б, г) в первом аномальном эксперименте.
По материалам работы [7], начиная с 1988 г., наблюдаемое давление над Арктическим бассейном растет. Растет и температура воздуха. Однако в среднем за период от 1979—1987 гг. к 1988—1996 гг. давление падает примерно на 1,0—1,5 гПа. Согласно моделированию в [9], давление над Арктическим бассейном также падает, примерно на 4—5 гПа над морем Бофорта, что приводит к некоторому ослаблению антициклонической циркуляции в этом регионе. Наша модель в зимний период этого не воспроизводит, однако летом ослабление антициклонической циркуляции проявляется незначительно. Возможно, ее летнее уменьшение и является наиболее важным.
Третий аномальный эксперимент был вызван желанием увеличить формируемое над полюсом возмущение, с тем чтобы проследить некоторые тенденции отклика атмосферы на большое возмущение. В этом варианте аномалии количества льда задавались искусственно, делением пополам количества льда в контрольном эксперименте. Толщина льда, как и в первом аномальном эксперименте, была равна 1,5 -и. Результаты подтвердили вы-
Рис. 2, Распределение аномалий температуры воздуха (°С) на высоте 2 м (а, 6) и изменение приземного давления (гПа\ в, г) зимой {а, в) и летом (б, г) в третьем аномальном эксперименте.
воды первых аномальных экспериментов. В летнее время значительная аномалия температуры над полюсом так и не возникла. Но зимой температура повысилась почти на 15—20°С (рис. 2а). Существенно увеличились при этом пот
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.