Климатические изменения в морской Арктике

Потепление в Арктике, начавшееся в конце 1980-х гг., усили­лось с середины 1990-х годов, достигнув максимального развития к 2007 г. В морской Арктике в этот период происходило резкое со­кращение площади, занимаемой морскими льдами в конце летне­го периода.

Изменения температуры воздуха над областью морской Арк­тики, включающей покрытую льдами в зимний период акваторию Северного Ледовитого океана, представляют особый интерес. Из­менения температуры в этой области в первую очередь влияют на зимнее разрастание и летнее таяние ледяного покрова. С этой точки зрения оценим изменения положительных летних темпе­ратур как индикатора летнего теплового воздействия на лед и от­рицательных температур за холодный период года, влияющих на максимальное увеличение объема льда зимой. Для этого выбраны 38 станций, расположенных на островах и побережье Северного Ледовитого океана, откуда начинается летнее отступление мор­ских арктических льдов. Средние зимние и летние приповерхност­ные температуры воздуха (ПТВ) на этих станциях начиная с 1951 г. показаны на рис. 3, из которого видно быстрое убывание отрица­тельных температур после 1991 г. и быстрый рост положительных температур после 1996 г.

Рис. 3. Средние зимние (XI-III) — а и летние (VI-VIII) — б ПТВ на 38 станциях в морской Арктике в 1951—2008 гг. (положение станций в морской Арктике показано на карте; пунктир — линейный тренд); в — средняя за ноябрь —март; г — за июнь-август температура воздуха в области к северу от 60° с.ш. по данным 30 метеостанций

Рис. 4. Средняя ПТВ в самое теплое десятилетие в первом потеплении (серый столбик) и в 1998—2007 гг. (черный столбик) в разные сезоны (а — зима; б — весна; в — лето; г — осень; д — год) во всей области, в приатлантической и притихоокеанской ее половинах (соответственно первая, вторая и третья пара столбиков в каждом сезоне)

Чтобы сравнить развитие потепления в 1930—1940-х и в 1990 — 2000-х годах, приходится рассматривать изменения температуры воздуха и за пределами морской Арктики, поскольку число станций в этой области до 1950 г. было незначительным. Как и в предыду­щем разделе, рассмотрим область к северу от 60° с.ш., в которой на­чиная с 1900 г. действуют 30 метеостанций. Средние за зиму и лето температуры воздуха в этой области за 1907 — 2007 гг. представле­ны на рис. 3в, г. Видно, что максимальная зимняя температура была выше во время первого потепления, а летняя — во время потепле­ния 1990 — 2000 гг. Также заметно отсутствие значимого положи­тельного тренда температуры до середины 1990-х годов. Скорость развития потепления в оба периода можно оценить коэффициен­тами линейного тренда за 19 лет, соответственно за 1920—1938 и за 1990 — 2008 гг. За первый период коэффициенты сезонных трен­дов в пределах 0,49 — 0,60°С/год, во второй 0,34 — 0,81°С/год, а для средних за год тренды соответственно 0,054 и 0,069°С/год.

Сравнение средней температуры за самое теплое десятиле­тие в каждом сезоне первого потепления и средней температу­ры последнего потепления (рис. 4) показывает, что все сезоны, за исключением зимнего, теплее в последнее десятилетие, так же как и в среднем за год. Можно также отметить большую разность между десятилетиями в тихоокеанской половине области, что под­тверждает усиление здесь последнего потепления, и сравнительно небольшую разность между обоими потеплениями осенью (сен­тябрь — октябрь) во всех районах.

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 г. (4,30 млн км²). В сентябре 2008 г. ПМЛ возросла до 4,70 млн км², а в сентябре 2009 г. до 5,20 млн км² (рис. 5).

В сибирских арктических морях (Карское, Лаптевых, Восточ­но-Сибирское и Чукотское моря) ПМЛ в сентябре сокращалась еще более быстрыми темпами, но в 2007 — 2009 гг. дальнейшего со­кращения не происходило (рис. 56). В целом за десятилетие с 1997 по 2007 г. площадь морских льдов сократилась на 26% во всей Арк­тике и на 79% в сибирских морях.

Из результатов расчетов площади льдов по данным ансамбля глобальных моделей CMIP3 видно значительное отставание сокра­щения площади льдов в моделях по сравнению с наблюдаемым со­кращением (рис. 5в).

Рис. 5. Площадь льдов:

а — сентябрьская в Арктике (1979 — 2009 гг., данные NSIDC); б — в сибир­ских арктических морях (1924—2009 гг., данные ААНИИ); в — в Арктике по ансамблю модельных расчетов CMIP3 (1,2 — крайние реализации из ансам­бля, 3 — среднее по 16 реализациям и 4 — по данным NSIDC за 2000—2009 гг.)

Очевидно, что причина столь резкого сокращения количества арктических льдов в конце летнего периода связана с потеплением климата.

Второй максимум корреляции между ПТВ в северной полярной области и ПМЛ обнаруживается в сентябре, когда ПМЛ сокращает­ся до климатического минимума. Связь между изменениями ПМЛ в сентябре и летней (средней за июнь—август) температурой воз­духа усиливается по мере развития потепления и характеризуется наибольшей корреляцией —0,85 для ряда ПМЛ за 1979 — 2007 гг. 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 [7].

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

Расчеты на модели морского льда СЛО, разработанной в ААНИИ, с форсингом по данным NCEP показали значительно лучшее согласие изменений ледяного покрова в последнее десяти­летие с данными наблюдений по сравнению с глобальными моде­лями [16]. Эксперименты с этой моделью по оценке роли динамики льда и притоков тепла из атмосферы показали решающее воздей­ствие второго фактора в формировании аномального сокращения площади льда в сентябре 2007 г.

Другой важный параметр морского ледяного покрова — его толщина, как показали измерения с борта атомных ледоколов, вы­полненные сотрудниками ААНИИ в 1977 — 2009 гг., также умень­шился [15]. Причем эти изменения произошли после 1987 г. за счет сокращения количества многолетних льдов (табл. 4).

Для формирования климата морской Арктики важным про­цессом является поступление теплой и соленой воды из Северной Атлантики.

ны 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 м [12, 13]. 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. 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 [5, 6, 19].

Таблица 4

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.

Поток атлантической воды на протяжении от пролива Фрама до моря Лаптевых включительно сконцентрирован в 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 г.

Приведенные на рисунке изменения максимальной температу­ры АВ показывают начало современного повышения температуры АВ в проливе Фрама в 1987 г., которое разделяется на два этапа. Второй этап повышения температуры начался в 1997 г. Его начало прослеживается и в других рассматриваемых районах с запазды- 218

ванием до 8 лет в районе Северного полюса. В последние годы по­вышенные значения температуры АВ сохраняются, однако наме­тилась тенденция к их уменьшению.

Рис. 6. Изменения максимальной температуры в слое АВ по данным измерений в шести районах Арктического бассейна в 1920 — 2009 гг.:

а — пролив Фрама; б — желоб Св. Анны; в — точка с координатами 83° с.ш., 90° в.д.; г — точка с координатами 80° с.ш., 120° в.д.; д — точка с координата­ми 81° с.ш., 150° в.д.; е — Северный полюс

Сопоставление изменений температуры АВ в Арктическом бас­сейне и в Северной Атлантике, начиная от тропической области (рис. 7), 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. 7. Аномалии среднегодовой температуры воды на поверхности Северной Атлантики (слева направо: 10° ю.ш. — 10° с.ш., 20 — 40° с.ш., 40 — 60° с.ш.) по данным массива HadSST [23] и нормированные аномалии максимальной температуры АВ во всех рассмотренных выше районах Арктического бассейна. Жирные линии — сглаженные по 11 лет, а для АВ аппроксимированные полиномом

Расчеты взаимных корреляций между исходными и сглажен­ными рядами показывают запаздывание изменений температуры на поверхности Северо-Европейского бассейна относительно тро­пиков 26 лет и 2 — 3 года относительно района 20°-40° с.ш. Нача­ло потепления в Северной Атлантике приходится на 1970-е годы, в проливе Фрама — на конец 1980-х годов, а в Арктическом бассей­не на начало 1990-х годов.

Наиболее значительные климатические изменения в морской Арктике произошли в основном за последние 15 лет, что не согласу­ется с представлением о постепенном развитии потепления начиная с 1970-х годов. Особенно это заметно в изменении площади морских льдов, которая сокращалась особенно быстро с конца 1990-х го­дов. Изменения в Арктическом бассейне стали заметными с конца 1980-х — начала 1990-х годов. В развитии потепления в атмосфере и океане выделяются два этапа — в начале 1990-х и в 2000-х годов, ко­торым соответствуют такие же особенности в развитии потепления в области 0°-30° с.ш. Северного полушария. Согласованы и меж­десятилетние изменения температуры АВ в Арктическом бассейне и в Северной Атлантике от тропиков до умеренных широт.

Сравнение части отмеченных изменений с результатами рас­четов по ансамблю глобальных моделей климата показало сущест­венную недооценку моделями наблюдаемого летнего сокращения площади морских льдов и занижение летней температуры воздуха в Арктике. Причина этих расхождений связана, по-видимому, с не­достаточной чувствительностью моделей к изменениям радиаци­онного воздействия и с занижением собственной изменчивости климатической системы. Важная роль в формировании этой час­ти изменчивости климата принадлежит циркуляции атмосферы и океана. Подтверждением является связь климатических анома­лий в высоких и низких широтах и сильная обратная зависимость между аномалиями средней температуры воздуха и простран­ственными контрастами температуры в Северном полушарии [14]. Колебания атмосферной циркуляции усиливают или ослабляют обогрев холодных областей Земли. Важная роль в этом принадле­жит океану, обеспечивающему расходование летнего притока теп­ла на зимний обогрев высоких и умеренных широт.

Литература

1. Александров Е. И., Брязгин Н. Н., Дементьев А. А., Радионов В. Ф. Мо­ниторинг климата приземной атмосферы северной полярной области // Тр. ААНИИ. 2001. Т. 441. С. 18-32.

2. Александров Е. И., Брязгин Н. Н., Дементьев А. А, Радионов В. Ф. Ме­теорологический режим Арктического бассейна (по данным дрейфующих станций). Т. II. Климат приледного слоя атмосферы Арктического бассей­на. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.

3. Александров Е. И., Дементьев А. А. База приземных метеорологиче­ских данных полярных районов и ее использование // Формирование базы данных по морским льдам и гидрометеорологии. СПб.: Гидрометео­издат, 1995. С. 61-15.

4. Алексеев Г. В., Данилов А. И, Катцов В. М., Кузьмина С. И., Ива­нов Н. Е. Морские льды Северного полушария в связи с изменениями кли­мата в ХХ и XXI веках по данным наблюдений и моделирования // Извес­тия АН. Сер. ФАО. 2009. T. 45. № 6. С. 123-135.

5. Алексеев Г. В., Пнюшков А. В., Иванов Н. Е., Ашик И. М., Соколов В. Т. Комплексная оценка климатических изменений в морской Арктике с ис­пользованием данных МПГ 2001/08 // Проблемы Арктики и Антарктики. 2009. № 1 (81). С. 1-14.

6. Алексеев Г. В., Фролов И. Е., Соколов В. Т. Наблюдения в Арктике не подтверждают ослабление термохалинной циркуляции в Северной Атлан­тике // ДАН. 2001. T. 413. № 2. С. 211-280.

7. Захаров В. Ф. Морские льды в климатической системе. СПб.: Гидро- метеоиздат, 1996.

8. Каган Р. Л. Осреднение метеорологических полей. Л.: Гидрометео- издат, 1919.

9. Лугина К. М., Сперанская. Н. А. Изменчивость средней годовой при­земной температуры воздуха в высоких широтах Северного полушария // Тр. ГГИ. 1984. № 295. С. 81-91.

10. Радионов В. Ф, Александров Е. И., Брязгин Н. Н. Метеорологические условия в околополюсном районе Северного Ледовитого океана (по дан­ным наблюдений на дрейфующих станциях «Северный полюс-32, 33, 34» // Проблемы Арктики и Антарктики. 2001. № 15. С. 50 — 63.

11. Радионов В. Ф., Александров Е. И., Арутюнов А. В. Метеорологиче­ские условия в период дрейфа станции «Северный полюс—32» // Метео­рология и гидрология. 2004. № 11. С. 90 — 96.

12. Тимофеев В. Т. Водные массы Арктического бассейна. Л.: Гидроме- теоиздат, 1960.

13. Трешников А. Ф., Баранов Г. И. Структура циркуляции вод в Аркти­ческом бассейне. Л.: Гидрометеоиздат, 1912.

14. Формирование и динамика современного климата Арктики / Под ред. проф. Г. В. Алексеева. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.

15. Фролов С. В., Федяков В. Е., Третьяков В. Ю., Клейн А. Э., Алексе­ев Г. В. Новые данные об изменении толщины льда в Арктическом бассей­не // Доклады АН. 2009. T. 425. № 1. С. 104- 108.

16. Шутилин С. В., Макштас А. П., Алексеев Г. В. Модельные оценки ожидаемых изменений ледяного покрова СЛО при антропогенном по­теплении в XXI веке // Проблемы Арктики и Антарктики. 2009. № 2 (19). С. 101-110.

17. Aleksandrov Ye. I., Bryazgin N. N., Forland. E. J, Radionov V. F., Svyas- hchennikov P. N. Seasonal, interannual and long-term variability of precipita­tion and snow depth in the region of the Barents and Kara seas // Polar Re­search. 2005. № 24 (1-2). P. 69-85.

18. Alekseev G. V., Kuzmina S. I., Nagurny A. P., Ivanov N. E. Arctic sea ice data sets in the context of the climate change during the 20th century // Ornate variability and extremes during the past 100 years. Series: Advances in Global Change Research. 2001. Vol. 33. P. 41-63.

19. Alekseev G. V., Johannessen O. M., Korablev A. A., Proshutinsky A. Y. Ocean and sea ice // Arctic Environment Variability in the СоиІ.схІ. of the Glob­al Oiangc / Ed. by L. P. Bobylev, K. Ya. Kondratyev and O. M. Johannessen. Springer-Praxis, 2003. P. 101-236.

20. Arctic Climatology Project. 2000. Environmental Working Group Arctic Meteorology and Climate Atlas / Ed. by F. Fetterer and V. Radionov. Boulder, СО: National Snow and Ice Data Center. CD-ROM.

21. Climate of 2009. Annual Report. 15.01.10. National Climatic Data Center.

22. National Snow and Ice Data Center. 2003. Meteorological Data from the Russian Arctic, 1961-2000. V. Radionov, compiler. Boulder, СО: National Snow and Ice Data Center. Digital media. URL: http://nsidc.org/data/g02141. html [дата посещения 29.01.10].

23. Rayner N. A., Brohan P., Parker D. E., Folland C. K., Kennedy J. J., Vanicek M., Ansell T., Tett S. F. B. Improved analyses of changes and uncertain­ties in marine temperature measured in situ since the mid-nineteenth century: the HadSST2 dataset // J. Climate. 2006. Vol. 19. P. 446-469.