Метеорологические и геофизические исследования

Средняя за зимние (ноябрь – март) и летние (июнь – август) месяцы приповерхностная температура воздуха (ПТВ) на станциях в морской Арктике показана, начиная с 1951 года, на рис. 6. Видно быстрое убывание отрицательных температур после 1991 года и быстрый рост положительных температур после 1996 года с абсолютным рекордом в 2007 году и понижением в 2008 году. При этом зимние температуры до 1991 года и летние до 1996 года имели слабые отрицательные тренды, которые сменились на значимые положительные тренды.

Рис. 6. а – средние зимние (ХI–III), б – летние (VI–VIII), в – число выходов среднемесячной ПТВ за 95 % уровень, суммированное по скользящим 9-летиям на 41 станции в морской Арктике в 1951–2008 гг.

Таким образом, потепление в морской Арктике развивалось неравномерно и, в основном, с середины 1990-х гг. Наибольшее число значительных положительных аномалий ПТВ отмечалось в теплую половину года с июня по октябрь в последнее десятилетие. Предшествующие относительно теплые летние сезоны отмечались в 1960-е годы.

При сравнении потепления в Арктике с глобальными потеплением или потеплением в низких широтах, отмечают его максимальное развитие, названное Арктическим усилением изменений климата. Арктическим усиление можно рассматривать и как усиление изменчивости характеристик климата (Алексеев, Священников, 1991), прежде всего ПТВ, и как усиление тренда ПТВ, например, на потепление (Polyakov et al., 2002). Между этими двумя определениями усиления можно записать зависимость в виде:

a1/a2 = (σ1/σ2)(R1/R2),

где а – коэффициент тренда, σ – среднее квадратическое отклонение, R – коэффициент детерминации, 1,2 – разные области.

При совпадении коэффициентов детерминации тренда в обеих областях усиление зависит только от изменчивости, которая в первом приближении зависит от интенсивности воздухообмена между широтными областями и объема атмосферы над ними (Алексеев, Священников, 1991). Основными причинами арктического усиления, помимо летнего сокращения площади льда, которое приводит к усилению тренда ПТВ в осенние месяцы с максимумом в ноябре, являются увеличение переноса тепла в высокие широты и изменение радиационных притоков тепла в сторону увеличения потока нисходящей длинноволновой радиации вследствие роста содержания водяного пара в арктической атмосфере (рис. 7).

Рис. 7. Общее содержание водяного пара в атмосфере к северу от 70° с.ш. в разные сезоны и в среднем за год в 1989–2009 гг. по данным (ERA-40, http://www.ecmwf.int). Цифры означают коэффициент тренда

Следует отметить, что первое наблюдавшееся потепление Арктики 1920–40-х гг. привлекло внимание исследователей еще в период своего развития в первой половине ХХ столетия. В работах В.Ю. Визе (1924, 1937, 1941) потепление Арктики в 1920–1930 гг. характеризуется как наиболее сильное по своим размерам климатическое колебание, зарегистрированное на тот момент метеорологическими летописями. Визе пришел к заключению, что потепление явилось следствием усиления общей циркуляции атмосферы на земном шаре, с которым связана акцентация всех центров действия атмосферы, в том числе исландского минимума и сибирского максимума, сопровождавшаяся усилением западных и юго-западных ветров над Северной Атлантикой и Норвежским морем и притока атлантических вод в Арктический океан с одновременным усилением обратного потока вод и льдов из Арктического бассейна в Гренландское море. Рассматривая развитие потепления, Визе отметил его максимальное проявление во всей приатлантической Арктике от западной Гренландии до Карского моря в зимний сезон. Вслед за Визе Дзердзеевский (1943) и Виттельс (1946) также рассматривали усиление атмосферной циркуляции и переносов тепла в Арктику как первопричину потепления арктического климата в 1920–30-е годы. Несомненно, что развитие наблюдаемого в настоящее время потепления климата Арктики также связано с изменениями в режиме циркуляции атмосферы над Северным полушарием (Алексеев, ред., 2004).

Морской лед

Во взаимодействии между Арктикой и остальной частью глобальной климатической системы важная роль принадлежит морскому ледяному покрову, который в то же время является индикатором изменений арктического климата. Наблюдаемое с начала 1980-х годов постепенное сокращение летней площади морского льда (ПМЛ) в Арктике резко ускорилось в конце 1990-х годов и достигло абсолютного минимума в сентябре 2007 года (4,28 млн км2). В сентябре 2008 года ПМЛ по данным NSIDC возросла до 4,70 млн км2, в сентябре 2009 года до 5,20 млн км2, а в сентябре 2010 года вновь уменьшилась до 4.90 млн км2 (рис. 8).

Рис. 8. Арктический морской лед в сентябре: а – в Арктике по данным (NSIDC), б – в Сибирских морях по данным ААНИИ (ААНИИ, http://www.aari.nw.ru/)

В зимний период морские льды покрывают большую часть Северного Ледовитого океана и распространяются к югу на опресненные акватории морей на континентальном шельфе (Захаров, 1996). В Сибирских арктических морях (моря Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское) зимой лед занимает практически всю акваторию. К сентябрю он отступает на наибольшее расстояние от побережья. Многолетние изменения в этот период дают наиболее полное представление о воздействии потепления на ПМЛ в этом районе (рис. 8 б).

Сопоставление трендов ПМЛ в арктических морях за полный период наблюдений, за 30-летние периоды потеплений в Арктике и за последние десять лет указывают на однозначную тенденцию к сокращению ПМЛ во все рассматриваемые периоды с ее усилением к последнему десятилетию для Сибирских морей в целом (таблица 4). Отдельные моря также показывают ускорение сокращения ПМЛ в последнее десятилетие. В 30-летие 1924–1954 гг. ПМЛ сокращалась сильнее по сравнению с 30-летием 1977–2007 в Карском море и в меньшей степени в Чукотском море.

Таблица 4. Коэффициенты тренда площади (103 км2/год), занятой льдами в арктических морях в сентябре

Особенно значительное сокращение ПМЛ в Сибирских морях, также как и всего ледяного покрова в Арктике, происходило за последнее десятилетие. С 1997 по 2007 год ПМЛ в сентябре сократилась в соответствии с линейными трендами на 26 % во всей Арктике и на 79 % в Сибирских морях. В то время как за весь период спутниковых наблюдений с 1979 по 2007 год сокращение составило 26.6 % или 9.5 % за 10-летие для всей Арктики и 63 % или 16.6 % за 10-летие для Сибирских морей. Таким образом, в 1997–2007 гг. площадь морского льда в сентябре как в Арктике в целом, так и в Сибирских арктических морях быстро сокращалась. Однако в 2008–2009 гг. дальнейшего сокращения не произошло.

Очевидно, что причина столь резкого сокращения количества арктических льдов в конце летнего периода связана с потеплением климата. Чтобы количественно оценить эту связь рассмотрим зависимость между изменениями приповерхностной температуры воздуха и площадью, занятой морским льдом в разные месяцы и в целом за год. Корреляция между аномалиями ПТВ и ПМЛ в Северном полушарии в разные месяцы года указывает на наиболее тесную связь между ними в июне (Алексеев и др., 2005; 2009а; Alekseev et al.,2007). Эта связь остается 95 %-значимой и после исключения тренда из обоих рядов (таблица 5). Второй максимум корреляции между ПТВ в Северной полярной области и ПМЛ обнаруживается в сентябре, когда ПМЛ сокращается до минимума и морские льды отступают на акваторию СЛО. После удаления трендов этот максимум также сохраняется.

Таблица 5. Коэффициенты корреляции между ПМЛ в Северном полушарии (по данным Chapman and Walsh, 2003) и ПТВ в широтных зонах по данным из ERA-40 (Rayner et al., 2003) в разные месяцы (1–12) и за год за период 1958–1998 гг. 95 %-уровень значимости коэффициентов равен 0.31

Особый интерес представляет связь между летним потеплением в Арктике и сокращением ПМЛ в сентябре. В качестве индекса летнего потепления в работах (Alekseev et al., 2007; Алексеев и др., 2009а) использована средняя летняя температура воздуха на станциях, расположенных на побережье и островах в морской Арктике, к которой относится акватория Северного Ледовитого океана, покрываемая льдом зимой.

Связь между изменениями этого индекса и ПМЛ в сентябре усиливается по мере развития потепления и характеризуется наибольшей корреляцией –0.90 для ряда ПМЛ по спутниковым данным за 1979–2010 гг. (рис. 9). Корреляция между суммой отрицательных зимних температур воздуха и ПМЛ в марте слабее, поскольку разрастание площади льдов зимой ограничено областью распространения слоя опресненной воды в высоких и умеренных широтах Северного полушария (Захаров, 1996; 2004).

Рис. 9. Площадь, занятая морским льдом в Арктике в сентябре по данным NSIDC (1), и средняя температура воздуха в июне – сентябре в морской Арктике на 41 станции (2). Шкала температуры повернута на 180°

Результаты расчетов будущего арктических морских льдов на глобальных моделях климата представлены во многих публикациях, включая четвертый оценочный доклад МГЭИК (IPCC, 2007). Характерной чертой ансамбля проекций по разным моделям является значительный разброс, возрастающий к концу 21-го века. На рис. 10 а приведены среднее по ансамблю из 16 моделей и крайние члены ансамбля, соответствующие наиболее быстрому (1) и наиболее медленному (2) сокращению ПМЛ в сентябре. Видно, что наблюдаемое сокращение площади льда значительно опережает модельные реализации.

Рис. 10. Средняя ПМЛ по ансамблю из 16 модельных проекций из CMIP3 в сентябре (1) и крайние проекции (2,3). 4 – ПМЛ по данным NSIDC

Основная причина расхождений в оценке изменений площади льда между моделями и наблюдениями в том, что модели значительно занижают летнюю температуру воздуха (рис. 11) вследствие, по-видимому, недостаточной чувствительности к изменениям радиационного воздействия и с занижением собственной изменчивости климатической системы в Арктике.

Рис. 11. Средняя летняя ПТВ по данным 32 станций и по расчетам на 16 моделях из ансамбля CMIP3 в области к северу от 60° с.ш.

Другой важный параметр морского ледяного покрова – его толщина – также уменьшилась значительно (почти вдвое по оценке в работе (Kwok and Rothrock, 2009)) за период с 1980 по 2008 год. Измерения с борта атомных ледоколов, выполненные сотрудниками ААНИИ в 1977–2009 гг., (Фролов и др., 2009) также показали значительные изменения толщины льдов по маршрутам их плавания. Причем изменения произошли после 1987 года за счет сокращения количества многолетних льдов (таблица 6).

Таблица 6. Количество и средняя толщина льдов различного возраста на пути плавания а/л «Арктика» в августе 1977 г. и НЭС «Академик Федоров» в августе 2005 г (Фролов и др., 2009)

Роль морского льда в годовом цикле двуокиси углерода в атмосфере морской Арктики

Исследования в Арктике выявили ряд особенностей в распределении концентрации СО2 над морскими льдами (Semiletov et al., 2004; Голубев и др. 2006). Сезонные колебания концентрации СО2 в атмосфере по данным глобальной сети мониторинга показывают зависимость амплитуд годового хода от широты с явной тенденцией к их возрастанию в направлении высоких широт Северного полушария (рис. 12). Это арктическое усиление амплитуды годовых колебаний концентрации СО2 над Северным Ледовитым океаном было связано (Алексеев, Нагурный, 2005; 2007;. Алексеев и др., 2007а) с активным с влиянием морского льда на формирование сезонного цикла концентрации СО2 в атмосфере над морским льдом. Было показано, что амплитуда растет в основном за счет роста зимней концентрации СО2, который согласуется с ростом амплитуды сезонных колебаний ПМЛ за счет увеличения летнего сокращения. Было выдвинуто предположение, что образование, нарастание и изменение структуры льда в зимний сезон на все большей акватории должно сопровождаться увеличением выделения СО2 в атмосферу и в подледный слой воды. Летом СО2 из атмосферы над Арктическим бассейном должен поглощаться опресненной водой на поверхности льда, в разводьях, трещинах и каналах, а также расходоваться на фотосинтез в верхнем слое воды и во льду (Semiletov et al., 2004; Rysgaard et al., 2007).

Рис. 12. Размах годового колебания среднемесячной концентрации СО2 (точки) на береговых и островных станциях, расположенных на разных широтах в океанических областях Северного и Южного полушарий. Использованы среднемесячные значения концентрации за 2004 год по данным ВМО (WMO, 2006)

Исследования, выполненные на дрейфующей станции СП-35 в 2007/08 годах позволили обнаружить и измерить эмиссию СО2 в атмосферу с поверхности нарастающего льда и оценить ее годовой поток величиной 31010 моль/год с поверхности СЛО (Недашковский, Макштас, 2010). Плотность потока эмиссии СО2 составляет согласно этой работе 20±4 ммоль/м2. Эти результаты подтвердили выводы (Алексеев, Нагурный, 2005; 2007;. Алексеев и др., 2007а) о зимнем повышении концентрации СО2 в приледном слое атмосферы над СЛО.

Арктический бассейн

Для формирования климата морской Арктики важным процессом является поступление теплой и соленой воды из Северной Атлантики. Приток атлантической воды (АВ) в Арктику составляет часть глобального океанического конвейера, связывающего океаны транспортом тепла, соли и пресной воды. Поступая из Северной Атлантики, АВ распространяются по акватории Норвежского, Гренландского и Баренцева морей и проникают в Арктический бассейн, где занимают промежуточный слой на глубинах от 100 до 800 метров (Тимофеев, 1960; Трешников, Баранов, 1972). Атлантическая вода является важным источником тепла в приатлантическом секторе Арктики и источником соли для арктических вод, подвергающихся постоянному опреснению. Постоянный приток тепла от слоя АВ в верхний слой Арктического бассейна ограничивает зимнее нарастание льда, хотя о величине и распределении этого притока нет единого мнения. Все это указывает на то, что поступление АВ является важным климатообразующим процессом в арктической климатической системе и его мониторинг должен быть составной частью слежения за изменениями климата (Alekseev et al., 2003; Polyakov et al., 2003; 2004; Алексеев и др. 2007б).

Поток атлантической воды на протяжении от пролива Фрама до моря Лаптевых включительно сконцентрирован в сравнительно узкой зоне вдоль материкового склона и доступен для мониторинга с помощью современных судов ледокольного типа и небольшого числа длительных заякоренных подводных (и подледных) измерителей течений, температуры и солености воды. Обобщение океанографических данных, собранных в Арктическом бассейне с начала наблюдений, позволило выбрать районы, наиболее освещенные наблюдениями и сформировать климатические ряды характеристик АВ по 2009 год включительно. Одной из таких характеристик является максимальная температура в слое АВ в шести районах Арктического бассейна (рис. 13).

Рис. 13. Изменения максимальной температуры в слое АВ по данным измерений в шести районах Арктического бассейна (на карте слева) по данным 1920–2009 гг.

Приведенные на рис. 13 изменения максимальной температуры АВ показывают начало современного повышения температуры АВ в проливе Фрама в 1987 году, которое разделяется на два этапа. Второй этап повышения температуры начался в 1997 году. Его начало прослеживается и в других рассматриваемых районах с запаздыванием до 8 лет в районе Северного Полюса. В последние годы повышенные значения температуры АВ сохраняются, однако наметилась тенденция к их уменьшению.

Обобщение характеристик слоя АВ по пяти районам в Арктическом бассейне (без пролива Фрама) путем нормирования (на СКО) их аномалий (относительно соответствующих средних за период наблюдений) позволило выявить крупномасштабные изменения максимальной температуры в слое АВ, глубины максимальной температуры и положения верхней границы слоя (рис. 14).

Рис. 14. Нормированные аномалии характеристик слоя АВ, обобщенные по 5 районам Арктического бассейна (без пролива Фрама). Слева направо: максимальная температура воды, глубина максимума температуры, глубина верхней границы слоя (нулевой изотермы)

Несмотря на значительный разброс нормированных аномалий, аппроксимация ортогональными полиномами выделяет междесятилетние колебания характеристик с соответствующими экстремумами. Максимумы температуры АВ приходятся на 1930-е, 1950-е и 1990–2000-е гг. Соответствующие им минимумы глубины максимальной температуры и глубины верхней границы слоя АВ приходятся на эти же периоды.

Сопоставление изменений температуры АВ в Арктическом бассейне и в Cеверной Атлантике, начиная от тропической области (рис. 15), показывает присутствие во всех рассматриваемых рядах сходных междесятилетних изменений с преобладанием роста температуры в последние 30 лет. Исключение составляет район 40°–60° с.ш., где имеет место оппозиция аномалий температуры между восточной и западной частями района.

Рис. 15. Аномалии среднегодовой температуры воды на поверхности Северной Атлантики по данным массива HadSST (слева направо: 10° ю.ш.–10° с.ш.; 20°–40° с.ш.; 40°–60° с.ш.) и нормированные аномалии максимальной температуры АВ. Жирные линии – сглаженные по 11 лет, а для ТАВ – аппроксимированные полиномом

Благодаря активным международным экспедиционным исследованиям в 1990-е и особенно в 2000-е годы, получившим особый размах в период МПГ 2007/08 гг., были получены обширные океанографические данные в разных районах Арктического бассейна. В этот же период стала поступать океанографическая информация с дрейфующих океанографических буев (WHOI). В итоге значительное число океанографических станций покрыло почти всю акваторию Арктического бассейна, что позволило построить средние поля характеристик слоя АВ за десятилетия 1990-х, 2000-х гг. (Алексеев и др., 2009б; 2010а) и сравнить их с полями 1970-х гг., наиболее полно освещенными данными наблюдений в прошлом (Константинов, Грачев, 2000). Метод построения полей представлены в статье (Алексеев и др., 2009б). Аномалии относительно средних за 1970-е годы показаны на рис. 16.

Рис. 16. Аномалии средних за 1990–1999 гг. (верхний ряд) и за 2000–2009 гг. (нижний ряд) относительно 1970-х гг. Слева направо: содержания пресной соды в слое выше изохалины 34.80 (эквивалентный слой, м), глубины верхней границы слоя АВ (м) и максимальной температуры в слое АВ

Наибольшее потепление в слое АВ в рассматриваемый период произошло в основном потоке АВ вдоль материкового склона, а верхняя граница слоя поднялась повсеместно, но более всего (на 60–80 м.) в центральной части Арктического бассейна. Вследствие этих изменений в вертикальной структуре водных масс толщина верхнего опресненного слоя арктической воды уменьшилась над областями максимального потепления и подъема верхней границы слоя АВ и, как следствие, здесь уменьшилось содержание пресной воды в слое над изохалиной 34.80 psu. Произошло перераспределение «избытка» пресной воды в верхнем слое Арктического бассейна, в результате которого увеличилось ее количество в акватории, прилегающей к островам Канадского архипелага и Аляски, что ведет к увеличению стока пресной воды через проливы в Канадском архипелаге. Причем отмеченные изменения усиливались от 1990-х к 2000-м годам.

Обсуждение и выводы

Сравнение ПТВ в области севернее 60° с.ш. в периоды современного потепления и потепления 1920–1940-х гг. показало, что средняя температура за десятилетие 1998–2007 гг. в среднем за год, весной и летом выше, чем в самое теплое десятилетие первого потепления, но зимой соотношение обратное. Тренд средней ПТВ за 31-летний период развития современного потепления (1978–2008 гг.) превышает тренд за такой же период развития первого потепления в теплую половину года, особенно летом. Зимой современный тренд значительно слабее.

В морской Арктике наиболее значительные климатические изменения произошли за последние 15 лет. Средняя за зимние (ноябрь – март) месяцы ПТВ повышалась здесь после 1991 года, а летняя – после 1996 года. До этого времени, начиная с 1951 года, ПТВ не повышалась. Наибольшее число значительных положительных аномалий ПТВ отмечено в последнее десятилетие, причем в теплую половину года с июня по октябрь.

В изменчивости температуры воздуха в атлантической части Арктики более 30 % составляет вклад 60-летнего колебания (АМО). Увеличение средней ПТВ в области к северу от 60 на фазе роста АМО в последние три десятилетия по сравнению увеличением в аналогичной фазе во время первого потепления максимально летом и отсутствует зимой.

Потепление особенно проявилось в быстром сокращении площади морских льдов, начавшемся в конце 1990-х годов. Связь между летним потеплением в Арктике и сокращением распространения морских льдов в сентябре усиливается по мере развития потепления и характеризуется корреляцией –0.90 между рядами летних ПМЛ и ПТВ за 1979–2010 гг.

Исследования, выполненные А.П. Недашковским на дрейфующей станции СП-35 в 2007/08 годах, обнаружили эмиссию СО2 в атмосферу с поверхности нарастающего льда и подтвердили активную роль морского льда в формировании сезонного максимума концентрации СО2 в атмосфере над Арктическим океаном.

Изменения в состоянии водных масс в Арктическом бассейне стали заметными с конца 1980-х – начала 1990-х годов, когда температура в слое АВ стала повышаться и достигла максимума в 2000-е годы. Предыдущие более слабые повышения приходятся на 1930-е и 1950-е гг. Минимумы глубины максимальной температуры в слое АВ и глубины верхней границы слоя АВ приходятся на эти же периоды. При этом междесятилетние изменения температуры в подповерхностном слое воды в Арктическом бассейне согласуются с изменениями температуры воды на поверхности в Северной Атлантике от тропиков до умеренных широт.

Причинами арктического усиления потепления помимо летнего сокращения площади льда, которое приводит к усилению тренда ПТВ в осенние месяцы с максимумом в ноябре, являются увеличение переноса тепла в высокие широты атмосферной циркуляцией и изменение радиационных притоков тепла в сторону увеличения потока нисходящей длинноволновой радиации вследствие роста содержания водяного пара в арктической атмосфере.

Сравнение части отмеченных изменений с результатами расчетов по ансамблю глобальных моделей климата показало существенную недооценку моделями наблюдаемого повышения летней температуры воздуха в Арктике и, как следствие, летнего сокращения площади морских льдов. Причина этих расхождений может быть связана с изменениями радиационного воздействия, вызванного увеличением доли приходящей длинноволновой радиации, которые не учтены в моделях.

Благодарности. Исследования проводились в рамках кластера проектов ААНИИ по программе МПГ 2007/08, целевой научно – технической программы Росгидромета на 2008–2010 гг. и при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 06–05–64054, 07–05–13358 офиц, 09–05–00232). Метеорологические данные арктических станций собраны Е.И. Александровым, массивы реанализа ERA-40 и Interim получены с сайта ECMWF. Данные реанализа NCEP обеспечены NOAA/OAR/ESRL PSD, Boulder, Colorado, USA, на сайте http://www.esrl.noaa.gov/psd/. Данные о площади льдов в Арктических морях предоставлены В.Ф. Захаровым, В.П. Карклиным и А.В. Юлиным, данные о льдах в Северном полушарии получены с сайта NSIDС. Океанографические данные в Арктическом бассейне были собраны многими экспедициями, в том числе по проектам МПГ 2007/08. Данные климатических моделей созданы разработчиками моделей и собраны участниками Программы диагноза и сравнения климатических моделей (PCMDI) в архиве CMIP3, который поддерживается управлением науки Министерства энергетики США.

Литература

ААНИИ http://www.aari.nw.ru/

Александров Е.И., Брязгин Н.Н., Дементьев А.А., Радионов В.Ф. Мониторинг климата приземной атмосферы северной полярной области // Тр. ААНИИ. 2007. Т. 447. С. 18–32.