ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 452, № 4, с. 445-448
ГЕОФИЗИКА
УДК 551.581:551.465:551.583
ОЦЕНКИ ВЕТРОВОЛНОВОИ АКТИВНОСТИ В АРКТИЧЕСКОМ БАССЕЙНЕ ПРИ ВОЗМОЖНЫХ ИЗМЕНЕНИЯХ КЛИМАТА В XXI ВЕКЕ ПО МОДЕЛЬНЫМ РАСЧЕТАМ
© 2013 г. В. Ч. Хон, член-корреспондент РАН И. И. Мохов, Ф. А. Погарский
Поступило 01.04.2013 г.
БО1: 10.7868/8086956521329015Х
В работе проведен анализ возможных изменений ветроволновой активности в Арктическом бассейне в XXI веке с использованием модели ветрового волнения и расчетов климатических изменений с учетом антропогенных воздействий. Получены оценки возможного увеличения повторяемости экстремальных морских волн в различных акваториях на фоне общего усиления морского волнения в Арктическом бассейне [1], а также сравнительные оценки роли уменьшения протяженности морских льдов с соответствующим увеличением длины разгона волн и изменения приповерхностного ветра в формировании изменений морского волнения в арктических морях.
По спутниковым данным с конца 1970-х годов отмечается значительное сокращение площади арктических морских льдов (http://nsidc.org/). Минимальная площадь арктических морских льдов отмечается в сентябре, при этом она сокращалась в 1979—2012 гг. со скоростью 13% за десятилетие. При подобных темпах уже менее чем через полвека морской лед в Арктике в сентябре может практически отсутствовать. В сентябре 2012 г. был достигнут абсолютный минимум общей протяженности морских льдов в Арктике — 3.4 млн км2. Это вдвое меньше минимальной площади арктических морских льдов в сентябре в среднем для периода 1979—2000 гг. в конце XX века — 6.7 млн км2.
От тенденций изменений для морских льдов зависят перспективы использования основных арктических транспортных систем, в частности Северного морского пути, эффективность рыболовства и шельфовых разработок [2—4]. С другой стороны, волновая активность ослабевает при вхождении волн в акваторию с морскими льдами [5], и при уменьшении покрытия Арктического
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской Академии наук, Москва
бассейна морскими льдами следует ожидать усиления интенсивности морского волнения в связи с увеличением длины разгона волн. Уровень волнообразования зависит от ветровой активности в атмосфере, длины волны, сплоченности льда, размера ледовых полей. Необходимо оценивать риски изменения ветровой и волновой активности при изменениях климата, в частности в Арктике, с очень быстрым уменьшением протяженности морских льдов [6].
Расчеты проводили с версией 3.14 двумерной спектральной численной модели ветрового волнения третьего поколения WAWEWATCH III [7] на пространственной сетке 1° по долготе и 0.25° по широте в поясе широт от 67° до 87° с.ш. В модели использовали параметризацию [8] для передачи энергии от ветра к волнам и диссипации волновой энергии. При определении переноса энергии по спектру с учетом нелинейных межволновых взаимодействий применяли метод дискретных приближений [9]. В качестве входных данных для модели ветрового волнения использовали результаты расчетов с адаптированной для Арктики региональной климатической моделью HIRHAM/NAOSIM.
Совместная региональная модель атмосферы и океана HIRHAM/NAOSIM состоит из региональной атмосферной модели HIRHAM [10] и высокоразрешающей версии региональной модели океана и морского льда NAOSIM [11]. Обе модели были специально адаптированы для Арктического региона [12]. Расчеты с атмосферным блоком модели (HIrHAM) проводили для Арктического региона севернее 60° с.ш. Горизонтальное разрешение модели 0.5° (около 50 км).
Использовавшаяся в качестве характеристики волновой активности значительная высота волн HS, определяемая в волновой модели WAVE-WATCH четырьмя стандартными отклонениями возвышения морской поверхности [7], рассчитывалась в каждой точке модельной сетки с интервалом в 6 ч. Значительная высота волны характе-
-5 0 5 15
-5 0 10 15
Рис. 1. Модельные оценки изменения (%) для Арктического бассейна в сентябре к середине XXI века (2045—2065 гг.) по сравнению с концом XX века (1980—1999 гг.) повторяемости сильного ветра со скоростью более 8 м/с (а) и интенсивных волн с высотой более 2 м (б). На рис. 1б отмечены также соответствующие средние значения для конца XX века (1980— 1999 гг.).
ризуется так же как средняя высота трети самых высоких волн [13].
Для оценки возможных изменений арктического климата использовали результаты расчетов с региональной климатической моделью ШЯНАМ/МАО-81М при сценарии умеренных антропогенных воздействий 8ЯЕ8-А1В для XXI века. Соответствующие оценки изменений морского волнения, полученные на основе модели ^АУЕ^АТСН с входными данными по расчетам с климатической моделью, включая изменения протяженности морских льдов и приповерхностного ветра в атмосфере, представлены на рис.1.
На рис. 1 показаны изменения в сентябре по модельным расчетам для Арктического бассейна к середине XXI века (2045—2065 гг.) по сравнению с концом XX века (1980—1999 гг.) повторяемости скорости ветра у поверхности более 8 м/с (а) и повторяемости интенсивных (со значительной высотой волн более 2 м) волн (б). На рис. 1б отмечены также средние значения повторяемости интенсивных волн в конце XX века (для периода 1980—1999 гг.). Соответствующие оценки получены и для других месяцев.
По модельным расчетам для середины XXI века отмечено усиление образования волн свыше 2 м в различных областях Арктического бассейна, что связано с увеличением длины разгона волн в результате расширения площади открытой воды (и регионального усиления приповерхностного ветра). При этом отмечен рост повторяемости дней с сильным ветром (и > 8 м/с) и интенсивными волнами (Н5 > 2 м) для регионов российских арктических морей с наибольшим усилением на акватории Карского моря в октябре—декабре. Противоположная тенденция (с общим ослаблением морского волнения) выявлена для середины XXI века в бассейне Баренцева моря. Это связано с региональным ослаблением скорости ветра.
На рис. 2 приведены оценки изменения повторяемости (в %) экстремальных волн с И3 > 3 м в Арктическом бассейне к середине XXI века для сентября. Соответствующие оценки получены и для других месяцев. В целом на фоне общего усиления волновой активности в Арктическом бассейне можно ожидать увеличения относительной доли экстремальных волн в различных регионах Арктического бассейна. В частности, согласно модельным расчетам наибольший рост в середине XXI века повторяемости экстремальных волн (со значительной высотой выше 3 м) ожидается в северной части Баренцева моря, в Карском и Чукотском морях, а также вблизи Гренландии в Гренландском море в период с октября по декабрь.
Сделаны оценки относительного вклада в изменения морского волнения вариаций площади покрытия Арктического бассейна морскими льдами и ветрового режима в арктической атмо-
-3 0 3 6
Рис. 2. Модельные оценки изменений в Арктическом бассейне к середине XXI века повторяемости (%) наиболее интенсивных волн (со значительной высотой волн более 3 м) для сентября.
сфере. Учитывалась зависимость Н3 ~ V2 для значительной высоты развитого волнения Н3 от скорости приповерхностного ветра V [8]. На рис. 3 представлена относительная доля (в %) изменения к середине XXI века средней величины значительной высоты волн для сентября, связанная с соответствующими изменениями приповерхностного ветра.
Области, покрытые льдом более 90% времени на протяжении базового периода 1980—1999 гг., при анализе не учитывались. Отрицательные значения на рис. 3 означают, что изменения приповерхностной скорости ветра и значительной высоты волн имеют противоположные знаки.
Согласно полученным модельным результатам, изменение морского волнения в Арктическом бассейне связано в основном с изменением площади открытой воды, при этом роль изменения скорости приповерхностного ветра относительно невелика. Исключение — регион к востоку от Гренландии, где с увеличением скорости ветра можно связать до половины эффекта усиления морского волнения.
Следует отметить, что при количественной оценке возможных климатических изменений в Арктике в ближайшие десятилетия необходим более детальный анализ эффектов естественной климатической изменчивости. В связи с общей
-10 0 10 20
Рис. 3. Относительная доля изменений (%) к середине XXI века средней величины значительной высоты волн для сентября, связанная с соответствующими изменениями приповерхностного ветра.
недооценкой в климатических моделях скорости современного уменьшения протяженности морских льдов в Арктике (см., например, [12]) возможно более значимое региональное проявление отмеченных в данной работе эффектов. Естественные климатические циклы, в частности Атлантическая мультидесятилетняя осцилляция (АМО), значимо влияют на относительно быстрые климатические изменения в пределах нескольких десятилетий [14]. Согласно [15], с АМО связаны существенные климатические вариации в Арктике, особенно в атлантическом секторе.
Авторы выражают благодарность А.В. Бабанину, К. Детлоффу, В.Г. Полникову и А. Ринке за помощь при подготовке статьи.
Работа выполнена в рамках проектов РФФИ (12—05—91323-СИГ, 11-05-01139), Минобрнауки (14.740.11.1043) и программ РАН, а также при поддержке гранта Президента РФ НШ-5467.2012.5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Khon V.C., Mokhov I.I., Pogarsky F.A. Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling. Rept. 42. WGNE, WMO. Geneva: WCPR, 2012. S. 7. P. 9-10.
2. Мохов И.И., Хон В.Ч., Рекнер Э. // ДАН. 2007. Т. 414. №6. С. 814-818.
3. Хон В.Ч., Мохов И.И. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 1. С. 19-25.
ОЦЕНКИ ВЕТРОВОЛНОВОИ АКТИВНОСТИ 447
4. Khon V.C., Mokhov I.I., Latif M, et al. // Climatic Change. 2010. P. 757-768.
5. Wadhams P., Squire V.A., Goodman D.J., et al. // J. Geophys. Res. 1988. V. 93. P. 6799-6818.
6. Мохов И.И., Семенов В.А., Хон В.Ч., Погарский Ф.А. // Лед и снег. 2013. № 2 (122).
7. Tolman H.L. User Manual and System Documentation of WAVEWATCH III vers. 3.14. NOAA/NWS/NCEP/ MMAB Techn. Note 276. 2009. 194 pp. http: //po-lar.ncep.noaa.gov/mmab/papers/tn276/MMAB_ 276.pdf на сайте NOAA Environmental Modeling Center.
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.