УДК 551.581.21
РОЛЬ МОРСКИХ ЛЬДОВ В ФОРМИРОВАНИИ ЗИМНИХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ АНОМАЛИЙ В АРКТИКЕ
© 2014 г. В. А. Семёнов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: vasemenov@mail.ru Институт океанологии им. П.П. Ширшова 117997Москва, Нахимовский проспект, 36 Центр морских исследований Гельмгольца г. Киль, Дюстернброкер Вег 20, 24105, Киль, Германия (Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel (GEOMAR), Düsternbrooker Weg 20, 24105 Kiel, Germany)
Поступила в редакцию 09.10.2013 г., после доработки 19.11.2013 г.
Проведен анализ численных экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы (МОЦА) ECHAM5 с использованием эмпирических данных HadISST1.1 по температуре поверхности океана (ТПО) и концентрации морского льда (КМЛ) в ХХ веке в качестве граничных условий. Эксперименты показывают, что модель хорошо воспроизводит потепление последних 30 лет ХХ века в Арктике в зимний период, но не способна воспроизвести потепление середины ХХ века. Поскольку изменения ПТВ в Арктике в зимний период тесно связаны с аномалиями КМЛ, предполагается, что причиной расхождения является отсутствие отрицательной аномалии КМЛ в заданных граничных условиях в период потепления середины ХХ века. Также показано, что без заданных изменений площади ледяного покрова модель не воспроизводит температурный тренд в Артике в последние 30 лет XX века. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что потепление середины ХХ века сопровождалось значительной отрицательной аномалией площади льда в Арктике в зимний период, сравнимой с современными трендами, а также указывают на значительный вклад естественной изменчивости в современные климатические изменения.
Ключевые слова: климат Арктики, климатические модели, ледяной покров, климатическая изменчивость.
Б01: 10.7868/80002351514040129
ВВЕДЕНИЕ
Характер изменений приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) в высоких широтах Северного полушария в зимний период [1—3] указывает на возможную связь между долгопериодной положительной аномалией ПТВ в середине ХХвека (потепление середины XX века) и распространением морских льдов в Арктике. Связь между вариациями ПТВ в Арктике и аномалиями ледяного покрова на временных масштабах от межгодового до декадного была выявлена как по данным инструментальных наблюдений за последние 50 лет [4, 5], так и по результатам продолжительных численных экспериментов с климатическими моделями [4, 6]. Начиная с конца 1960-х гг. отмечается значительное сокращение площади ледяного покрова в Арктике, ускорившееся в по-
следние годы [7—9], которое согласно некоторым оценкам может привести к полному отсутствию льда в сентябре уже через 30 лет [10]. Климатические модели в экспериментах с антропогенным воздействием на климат воспроизводят наблюдаемое таяние льда, хотя, в целом, и с несколько меньшими темпами [11—13]. Недооценку наблюдаемых трендов моделями объясняют как недостаточной чувствительностью моделей к антропогенному воздействию [12], так и воздействием флуктуаций и долгопериодных трендов атмосферной циркуляции [14—17]. В то же время потепление середины ХХ века в Арктике в зимний период было превышено современным потеплением лишь в последнее десятилетие, а темпы потепления в 1920-1930-е гг. не уступают современным [1, 3, 18]. До сих пор остается открытым во-
прос, сопровождалось ли потепление в начале ХХ века значительным уменьшением площади ледяного покрова в целом в Арктике? При этом наибольшей неопределенностью характеризуются сведения об арктических морских льдах для зимнего периода. Проблема заключается в отсутствии систематических наблюдений до 1950-х гг. и использовании данных из различных источников до конца 1970-х гг., когда в 1978 г. начались спутниковые наблюдения с помощью микроволнового радиометра [7, 19]. Обзор и сравнение данных по арктическому ледяному покрову приводятся в работах [13, 20].
Для оценок исторических изменений арктического ледяного покрова в целом, как правило, используются данные Национального центра данных по льду и снежному покрову (К8ГОС, США) [21—23]. Эти данные лежат в основе сеточного архива данных по концентрации морского льда (КМЛ) и температуре поверхности океана (ТПО) Иаё188Т1.1 (Центр Гадлея, Великобритания) [24], а также других сеточных данных, которые используются как граничные условия в экспериментах с МОЦА. Данные [21—23] использованы в последнем, пятом, Оценочном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК - 1РСС AR5 http://www.ip-сс.с^герш1/аг5^§1/) для иллюстрации изменений площади ледяного покрова с конца XIX века по настоящее время. При этом в середине XX века в приведенных данных отсутствует заметная отрицательная аномалия площади ледяного покрова, соответствующая положительной температурной аномалии.
Независимым источником информации о состоянии арктического ледяного покрова до начала спутниковых наблюдений являются данные, собранные и проанализированные в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ, Санкт-Петербург) [13, 25-29]. Интересно, что использование различных данных приводит к принципиально различным оценкам долгопериодных трендов ледяного покрова в период до 1960-х гг. [30]. Тренды площади ледяного покрова по данным ААНИИ и Иаё188Т1.1 за период 1960-2000 гг. хорошо согласуются. В то же время данные ААНИИ свидетельствуют о значительном сокращении ледяного покрова в середине 1920-х-1930-х гг., за которым последовал рост до 1960-х гг. Такие аномалии (также как и увеличение площади ледяного покрова в 1910-х до середины 1920-х гг.) отсутствуют в данных Иаё188Т1.1. Для летнего периода долгопериодное колебание распространения ледяного покрова хорошо прослеживается в данных для отдельных морей восточной Арктики [13, 26, 31]. В предыдущем оценочном докладе МГЭИК
О
- Т ^ШЕМ3) -^ (ИааКЯТ!)
1.5 1.0
0.5 *
0.5 1.0
1900 1920 1940 1960 1980 2000 Год
Рис. 1. Аномалии приповерхностной температуры воздуха Т (°С) над сушей в Арктике (60-90° К) по данным CRUTEM3 (шкала слева, прерывистая линия) и аномалии площади ледяного покрова S (млн км2) в Северном полушарии по данным Иа(И88Т1.1 (шкала справа, сплошная линия) в холодный период года (ноябрь-апрель), скользящие 5-летние средние.
(1РСС AR4) [32] отмечается, что отрицательная аномалия площади ледяного покрова в восточной Арктике в середине XX века [31] сопровождалась положительной аномалией в Гренландском и Норвежском морях [33], предполагая, что отсутствие аномалии общей площади арктических морских льдов в указанный период связано с компенсацией региональных аномалий.
Сравнение данных по площади ледяного покрова Иаё188Т1.1 [24] с температурой над сушей в высоких широтах СП (севернее 60° К) по данным CRUTEM3 [34] показывает, что, начиная с 1960-х гг., аномалии ПТВ и площади ледяного покрова в зимний период антикоррелированны (рис. 1). В предшествующий же период резкий рост температуры в 1920-х и 1930-х гг. не сопровождается аномалиями ледяного покрова согласно данным ИаёГ58Т1.1. Существует два возможных объяснения таким расхождениям в данных по температуре и ледяному покрову в различные периоды. Либо изменения температуры в зимний период не связаны с аномалиями ледяного покрова, а определяются аномалиями атмосферной циркуляции, температуры поверхности океана, комбинацией изменчивости атмосферы и радиационных факторов [35]. Либо в данных ИаёК8Т1.1 в период до 1960-х гг. отсутствует существенная отрицательная аномалия в зимний период. Для исследования вклада перечисленных механизмов можно использовать численные эксперименты с моделью общей циркуляции атмосферы (МОЦА) с предписанными граничными условиями на нижней границе атмосферы (ТПО и КМЛ), используя данные ИаёГЗБТ!.!. Сравнение изменений тем-
2
1
0
0
1.0
0.5
О
о
0
-0.5
1900 1920 1940 1960 1980 2000
Год
Рис. 2. Аномалии приповерхностной температуры воздуха Т (°С) над сушей Северного полушария по данным наблюдений CRUTEM3 (прерывистая линия) и результатам экспериментов с моделью ЕСНАМ5 (сплошная линия). Тонкие линии — среднегодовые значения. Жирные линии — 5-летние скользящие средние.
пературы по данным экспериментов и инструментальных наблюдений позволяет оценить влияние граничных условий на изменения температуры, а также вклад случайных флуктуаций атмосферной циркуляции (используя результаты ансамблевых расчетов, с одинаковыми граничными, но различными начальными условиями).
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
И ПРОВЕДЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Численные эксперименты проводились с моделью общей циркуляции атмосферы (МОЦА) ЕСНАМ5, разработанной в Метеорологическом институте им. Макса Планка (Германия) [36]. Данная модель является климатической версией МОЦА, основанной на спектральной модели прогноза погоды Европейского среднесрочного Центра прогноза погоды (ECMWF). Используемая для экспериментов модель имеет спектральное горизонтальное разрешение Т31 (примерно 3.85° х 3.85° по широте и долготе) и 19 вертикальных уровней. Граничными условиями модели являются температура поверхности океана и границы морского льда (данные Наё188Т1.1). Концентрации парниковых газов в модели постоянны для всех экспериментов и примерно соответствуют современным значениям (концентрация СО2 348 ррт, метана 1.64 ррт).
С целью исследования влияния граничных условий на изменения температуры в Арктике были выполнены шесть ансамблевых численных экспериментов с МОЦА ЕСНАМ5 по моделированию климата ХХ века с использованием ТПО и КМЛ по данным Наё^ТЫ за период 1900—1998 гг. Во всех шести экспериментах использовались иден-
тичные граничные условия и различные начальные условия.
Для оценки вклада изменений ТПО и КМЛ в изменения ПТВ в Арктике с 1966 г. по 1998 г. (период достоверных данных по КМЛ) также были выполнены ансамблевые эксперименты (по четыре эксперимента в каждом ансамбле) с "замороженным" полем ТПО (для всего периода 1966— 1998 гг. использовался повторяющийся годовой ход 1966 г.) при изменениях КМЛ согласно данным Наё188Т1.1 и наоборот: с "замороженным" полем КМЛ (на уровне 1966 г., когда, согласно данным Наё1!58Т1.1, наблюдался максимум площади ледян
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.