Морские, речные и озёрные льды
УДК 551.583.13+551.21
Региональные особенности климатических изменений морского ледяного покрова
в XX - начале XXI века и их причины
© 2011 г. И.Е. Фролов, З.М. Гудкович, В.П. Карклин, В.М. Смоляницкий
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург
gudkovich@aari.nw.ru
Статья принята к печати 2 марта 2011 г.
Изменение климата, зональный ветер, площадь ледяного покрова, полная энергия Солнца, солнечная активность, циркумполярный вихрь.
Climate change, polar vortex, sea ice extent, solar activity, total solar irradiance, zonal wind.
Рассмотрены пространственно-временные особенности климатических изменений площади ледяного покрова, температуры воздуха и циркуляции атмосферы в масштабе от десятилетий до столетий. К ним относятся циклические колебания составляющих климатической системы, увеличение их амплитуд с широтой и некоторые другие процессы. Эти особенности находят объяснение в предлагаемой концепции, которая служит альтернативой распространённой среди климатологов «парниковой теории». Согласно данной концепции, основная причина изменений климата связана с колебаниями потока полной энергии Солнца, поступающей к Земле. Решающее влияние на климат оказывает часть полной энергии, связанная с солнечной активностью и воздействующая на циркумполярные вихри, изменение состояния которых приводит к колебаниям средней скорости зональных ветров и смещениям по широте пояса западно-восточного переноса в нижней тропосфере. Возникающие при этом аномалии состояния центров действия атмосферы влияют на тепловой баланс подстилающей поверхности, определяя степень континентальности климата, а следовательно, и на распределение аномалий температуры воздуха зимой и летом. Прогностические соображения об изменении площади льдов в Арктике в течение XXI в. коренным образом отличаются от результатов модельных расчётов, основанных на «парниковой теории».
Введение
Морской ледяной покров — важная составляющая климатической системы Земли. Его состояние, зависящее от взаимодействия атмосферы и океана и оказывающее обратное воздействие на эти среды, отражает главные черты изменений климата. Основная масса морского ледяного покрова занимает высокие широты Северного и Южного полушарий Земли. Интерес к изменениям климата в высоких широтах в первую очередь объясняется тем, что такие изменения влияют на многие природные явления, среди которых — разрушение многолетней мерзлоты, затопление прибрежных территорий в результате таяния ледников Арктики и Антарктики и др.; они также затрагивают проблемы использования морских путей, добычи полезных ископаемых на морском шельфе и т.д. Кроме того, в высоких широтах климатические изменения выражены наиболее сильно. Именно здесь зарождаются основные процессы, влияющие на климат других областей планеты. Изучение климатических изменений в высоких широтах важно ещё и потому,
что для этих регионов можно исключить влияние больших городов — «островов искусственного тепла», где в XX в. потепление было интенсивнее, чем в малонаселённых регионах.
Пространственно-временные особенности изменений ледяного покрова и климата Земли
Совокупность материалов ледовых наблюдений с судов, самолётов, искусственных спутников Земли, дополненная реконструкциями за отдельные короткие периоды, позволила провести достаточно достоверный сравнительный анализ изменений площади ледяного покрова в разных морях огромного региона — от Гренландии до Аляски (около 5 млн км2) — на протяжении всего XX в. Полученные результаты приведены в монографиях [21, 29] и статьях, опубликованных в 2008—2010 гг. [8, 9, 22—24]. Установлено, что многолетние изменения ледовитости арктических морей имеют полициклический характер. Наиболее выражены циклы продолжительностью 2—3 года, 6—7 лет, около 10 и 20 лет, а также 60 лет. Такие колебания происходят
на фоне трендов, обусловленных, по-видимому, присутствием более продолжительных циклов (в основном, около 200 лет).
В упомянутых работах циклические составляющие климатических изменений ледовитости и температуры воздуха выделялись путём полиномиальной аппроксимации (до 6-й степени), позволяющей определить амплитуды и фазы колебаний, а также оценить их вклад в общую изменчивость. Кроме того, для анализа изменчивости спектральной структуры процессов во времени использовалась методика вейвлет-анализа, изложенная в работе [37]. Сам вейвлет-анализ не накладывает ограничений на временной шаг и длину выборки. Значимость составляющих спектра оценивалась путём сравнения выявленных амплитуд с амплитудами, полученными путём аналогичного преобразования для генерируемого случайного шума при уровне значимости 95%. Таким образом, вейвлет-анализ позволяет проследить изменчивость спектральной структуры практически по всей длине ряда, за исключением его краёв, где значимость полученных частот естественно стремится к нулю. Значимость линейных трендов определялась по методике оценки вероятностных характеристик случайных величин, изложенной в работе [19]. Величина тренда считалась значимой, если его знаки при доверительных интервалах ±95% одинаковы.
В масштабе десятков лет наиболее энергоёмки — циклы продолжительностью около 60 и 200 лет. С первым связана смена тёплых и холодных эпох в полярных и умеренных широтах. Второй определяет наличие вековых трендов (относительно долговременных и однонаправленных изменений), особенно заметных в умеренных и низких широтах.
Сходные климатические изменения находят выражение в суммарной ледовитости арктических морей, средней приповерхностной температуре воздуха и некоторых других составляющих климатической системы. На фоне долговременных климатических изменений морского ледяного покрова отмечаются непродолжительные межгодовые колебания («погодный шум»), которые соизмеримы с изменениями климата. В изменениях ледовитости выявлены региональные различия между приатлантически-ми морями (Гренландским, Баренцевым и Карским) и морями, расположенными восточнее (Лаптевых, Восточно-Сибирским и Чукотским). В первой группе лучше выражены низкочастотные колебания (около 20, 60 лет и более), во второй — высокочастотные (с периодами до 10 лет). Необходимо отметить, что в приатлантическом регионе скорость сокращения площади ледяного покрова в XX в. была максимальна в начале века и заметно снизилась к его концу [21, 39]. Это обстоятельство может служить
дополнительным аргументом в пользу отождествления вековых климатических трендов с влиянием 200-летнего цикла.
Данные ледовых наблюдений в Антарктике более ограничены по времени, чем в Арктике. В работах [8, 24] показано, что, в отличие от Арктики, общая ледовитость антарктических морей в последние 30 лет постепенно увеличивалась и достигла максимума в 2008 г.
Похолодание в конце XX в. характерно не только для Антарктики, но и для довольно большой площади арктического региона, где оно заметнее всего было в зимнее время. В работах [21, 27] отмечается наличие за последние 60—80 лет положительного тренда ледовитости Баренцева моря в зимние месяцы (с октября по февраль). При этом тренд ледовитости этого моря в летний период сохранил отрицательный знак.
Изменения приповерхностной температуры воздуха между тёплыми эпохами 1980—2000 и 1930— 50 годов показывают, что на значительной площади Северного полушария во второй половине ХХ в. отмечалось относительное похолодание, которое в зимнее полугодие охватило Северную Атлантику и часть Северного Ледовитого океана, включая области, прилежащие к морю Баффина, и арктические моря евразийского шельфа — от Баренцева моря до Восточно-Сибирского. Значительно повысилась приповерхностная температура воздуха в это время над Гренландией, умеренными широтами Евразии и Северной Америки, над притихоокеанской Арктикой и северной частью Тихого океана, т.е. в основном над регионами, где расположены климатические антициклоны: Гренландский, Сибирский, Канадский и Арктический [22]. Ранее на это обратили внимание авторы работы [40], установившие противоположный характер аномалий температуры над материками и океанами и объяснившие это явление усилением западно-восточного переноса в атмосфере в эпохи потепления и его ослаблением в эпохи похолодания. В работе [20] приведены карты распределения аномалий температуры воздуха в Северном полушарии (январь) в тёплые и холодные периоды и показано, что наиболее значительные аномалии отмечались в северных областях континентов Азии и Северной Америки, что не противоречит изложенным ранее результатам.
Понижение приповерхностной температуры воздуха в эпоху второго потепления Арктики наблюдалось и в летнее полугодие, хотя его величина была меньше, чем зимой. В работе [22] показано также, что понижение этой температуры в летнее полугодие отмечалось в регионе к западу от Гренландии, над Северной Атлантикой, Западной Европой и отчасти севером азиатского материка. При этом над Аркти-
ческим бассейном, морями Бофорта и Чукотским, а также над Аляской и северо-западом Тихого океана температура повысилась. Наряду с влиянием особенностей барического поля, повышение приповерхностной температуры воздуха в указанном регионе может быть связано с изменениями притока тихоокеанских вод через Берингов пролив, зависящими от разности уровней между Тихим и Атлантическим океанами. Влиянию этого фактора на водообмен между океанами посвящено много исследований [26 и др.]. Точные нивелировки через материк Северной Америки показали, что превышение уровня Тихого океана над Атлантическим составляет 40—60 см [31].
Всё это показывает, что «глобальное потепление» на нашей планете в XX в. имело своеобразные черты. Во-первых, размах изменений приповерхностной температуры воздуха в высоких и умеренных широтах Северного полушария оказался в несколько раз больше, чем в низких широтах [23, 24]; во-вторых, темпы потепления в Арктике заметно снизились от начала к концу XX в., когда на значительных пространствах Земли (в Арктике и Антарктике) произошло относительное понижение температуры и увеличение площади морских льдов.
Основные причины изменения климата и формирова
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.