Текст книги "Метеорологические и геофизические исследования"

Метеорологические и геофизические исследования
(Главный редактор тома Г.В. Алексеев)
(Редакционная коллегия И.И. Мохов, В.Ф. Радионов, О.А. Трошичев)

Г.В. Алексеев
Введение: о работах по направлению «Метеорологические и геофизические исследования»
(Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия)

Том «Метеорологические и геофизические исследования» входит в состав серии «Вклад России в Международный полярный год 2007/08». Том включает результаты исследований метеорологических, геофизических и климатических условий в Северной и Южной полярных областях в период МПГ 2007/08 в сравнении с условиями в предшествующий период инструментальных наблюдений. Международный полярный год дал уникальные возможности для получения новых экспериментальных данных об окружающей среде полярных областей планеты.

Полярные области являются важными частями климатической системы Земли. Они, особенно Арктика, тесно связаны с глобальной системой переносами тепла, влаги, соли и воды циркуляцией атмосферы и океана. Здесь формируются усиленные этими взаимосвязями изменения климата, среди которых особое внимание привлекает деградация морских льдов. Одновременно для полярных областей пока не удается получить хорошего согласия между наблюдениями и глобальными моделями климата, в которых главная роль отводится росту концентрации парниковых газов в атмосфере.

На основе собранных данных анализируются особенности состояния климатической системы в первое десятилетие XXI столетия и в период проведения МПГ 2007/08 в сравнении с ее состоянием в предшествующий период и с оценками по расчетам на глобальных моделях климата. Проведен анализ климатических режимов и их изменений в полярных и субполярных регионах на основе модельных расчетов разной степени детальности в сопоставлении с данными наблюдений, реанализа и реконструкций. Даны оценки роли естественных и антропогенных факторов в изменениях климата высоких широт в последние десятилетия.

Представлен обзор результатов выполнения трех крупных междисциплинарных кластеров Международного полярного года в Южной полярной области. Выполнены оценки трендов климатических параметров Южной полярной области за период инструментальных наблюдений с учетом данных МПГ. Расчеты показали, что, несмотря на заметные проявления потепления в Западной Антарктике, метеорологический режим Антарктиды в целом остается в пределах естественной изменчивости атмосферных процессов.

Палеоклиматические реконструкции, основанные на изучении спорово-пыльцевых спектров рыхлых отложений в циркумполярной Арктике, полученных в период МПГ, показали, что время наступления похолоданий и потеплений в различных частях Арктики различно.

В рамках работ Российской антарктической экспедиции (РАЭ) выполнялись измерения концентрации углекислого газа и метана в приземном воздухе в Антарктиде на станции Новолазаревская (70°46’ ю.ш., 11°50’ в.д.).

Для оценки состояния озонового слоя в атмосфере Арктики и Антарктики проводились наблюдения за общим содержанием озона (ОСО) на российских стационарных станциях и на научно-экспедиционных судах (НЭС) во время их рейсов в Антарктиду и Арктику. Сопоставление вновь полученных данных с результатами наблюдений в предшествующие десятилетия позволяет говорить об уменьшении степени проявления весенней отрицательной аномалии ОСО в Антарктиде.

Выполненные модельные расчеты показали, что к 2050-му году еще не произойдет восстановления общего содержания озона до уровня 1970-го года. Концентрация тропосферного озона возрастет на 10–15 %, а дефицит массы озона для атмосферы Земли в целом по сравнению с 1970 годом при этом составит 2 %.

Для радиационного баланса системы «Земля-атмосфера» важна роль аэрозольных примесей в атмосфере. Они ослабляют потоки прямой солнечной радиации, приходящей к поверхности, активно участвуют в процессах конденсации водяного пара, приводят к изменению характеристик облачного покрова, т. е. к изменению суммарного альбедо облачного покрова Земли. Суммарный прямой эффект влияния аэрозольной составляющей на радиационное выхолаживание атмосферы оценивается величиной от -0,9 до -0,1 Вт/м². В среднем это компенсирует 1/3 величины радиационного прогрева атмосферы за счет углекислого газа (IPCC 2007).

Особое значение имеют относительно редкие исследования аэрозольной составляющей в наиболее чистых районах, таких как Антарктида и Южный океан, которые удалены от основных источников генерации природного и антропогенного аэрозоля. Данные, полученные здесь, позволяют оценить свойства и тенденции изменения глобального фонового аэрозоля. В настоящее время величины аэрозольного ослабления солнечной радиации в Антарктиде были и остаются одними из самых низких на Земле. Они стабильны в пределах их естественной изменчивости. Это свидетельствует о том, что атмосфера Антарктиды до сих пор практически не подвержена загрязнению аэрозолем антропогенного происхождения.

В Арктике, в отличие от Антарктики, имеются очаги аэрозоля антропогенного происхождения. «Дыхание» этих источников чувствуется над российскими арктическими морями, в центральной Арктике и над северными территориями американского материка. Современные изменения характера атмосферной циркуляции и режима осадков в Северной полярной области не могли не повлиять на уровень загрязнения воздуха и подстилающей поверхности в Арктике. Поэтому в рамках МПГ 2007/08 были выполнены исследования пространственных и временных закономерностей переноса воздушных масс и антропогенных аэрозольных составляющих.

На протяжении ряда предшествующих МПГ лет проводилось изучение пространственно-временной изменчивости параметров аэрозольных частиц в приводном слое морей Арктики. Эти исследования были продолжены в рамках проекта Международного полярного года 2007/08 «Эоловый и ледовый перенос и потоки вещества (включая экотоксиканты) в Арктике». Они позволили получить количественные характеристики массовой и счетной концентрации аэрозоля, массовой концентрации микрокристаллического углерода и ионного состава приводного аэрозоля.

Исследования в верхней атмосфере включали исследования состояния ионосферы в восточно-азиатском регионе во время геомагнитных возмущений. Для анализа вариаций ионосферных параметров использованы данные ионосферных станций наклонного зондирования на трассах Магадан-Иркутск и Норильск-Иркутск и измерения полного электронного содержания (ПЭС) на сети наземных приемников GPS. Уделено также внимание глобальным колебаниям магнитосферы. При этом важно, что период МПГ 2007/08 был периодом глубочайшего минимума солнечной активности, каких не наблюдалось в течение двух столетий, с начала 19-го века.

Исследовалось и воздействие солнечной активности на климатическую систему Земли. Ключевая концепция при этом – влияние гелиогеофизических возмущений на параметры земной климатической системы, управляющие потоком энергии, уходящей от Земли в космос в высокоширотных областях. Выполнено также исследование взаимосвязи интенсивности весенней депрессии озона в Антарктике с квазидвухлетним циклом зонального ветра в экваториальной стратосфере с учетом сезонных закономерностей его эволюции и зависимости от солнечной активности.

В целом, скоординированные широкомасштабные наблюдения в Арктике и Антарктике, выполненные в 2007/08 годах, позволили собрать уникальную коллекцию данных, освещающих состояние климатической системы полярных областей в период глобального потепления. Сравнение вновь полученных данных с изменениями в предшествующий период, а также с изменениями в других районах планеты и с результатами расчетов с использованием глобальных климатических моделей проливает свет на причины наблюдаемых изменений в полярных атмосфере, океане и ближнем космосе.

1. Климатические условия в полярных областях в период МПГ 2007/08 и в предшествующие годы

Г.В. Алексеев, Н.Е. Иванов, А.В. Пнюшков, Н.Е. Харланенкова
Климатические изменения в морской Арктике в начале ХХI века
(Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия)

Аннотация

Благодаря полученным в период МПГ 2007/08 данным, объединенным с ранее собранными данными о состоянии водных масс, морских льдов и атмосферы, оказалось возможным проследить развитие потепления в 1990–2000-х годах в морской Арктике, его связь с изменениями глобального климата и сравнить с потеплением в 1930–40-е годы. В статье анализируются особенности состояния климатической системы в первое десятилетие ХХI столетия и в период проведения МПГ 2007/08 в сравнении с состоянием атмосферы, морских льдов и океана в Арктике в предшествующий период. Рассматриваются изменения характеристик состояния атмосферы, морских льдов и океана, проводится сравнение с изменениями в других областях и с оценками по расчетам на глобальных моделях климата из ансамбля CMIP3.

Введение

Арктика составляет часть климатической системы Земли, тесно связанную с другими ее частями переносами тепла, влаги, соли и воды циркуляцией атмосферы и океана. Здесь формируются усиленные этими взаимосвязями изменения климата, среди которых особое внимание привлекает деградация морских льдов в Северном Ледовитом океане (СЛО), остро реагирующих на изменения климата. Одновременно Арктика является одним из районов, для которых пока не удается получить хорошего согласия между глобальными моделями и наблюдениями в воспроизведении происходящих изменений климата.

Потепление в Арктике, начавшееся в конце 1980-х годов, усилилось с середины 1990-х годов и достигло максимального развития к 2007 году. В этот период происходило резкое сокращение площади, занимаемой морскими льдами в конце летнего периода. В Арктическом бассейне распространялась обширная положительная аномалия температуры в подповерхностном слое воды атлантического происхождения (АВ) и изменилось распределение пресной воды в верхнем слое. На этот климатический сдвиг пришлось возрождение арктических экспедиционных исследований, увенчавшееся проведением Международного полярного года 2007/08.

По проекту ААНИИ «Комплексные исследования центральной части СЛО» в период МПГ 2007/08 проводились скоординированные широкомасштабные наблюдения в Арктическом бассейне с использованием научного судна ледокольного типа, вертолетов, дрейфующих станций «Северный Полюс». Одновременно выполнялись другие национальные и международные проекты, включавшие океанографические наблюдения с помощью стационарных и дрейфующих автономных устройств (WHOI) и измерения водообмена через проливы (Schauer et al., 2004). В рамках проекта ААНИИ был выполнен также комплекс измерений структуры атмосферного погранслоя надо льдом, газового состава и аэрозольных компонент, составляющих теплового баланса на поверхности Арктического бассейна (Ашик и др., 2010).

Сравнение полученных результатов с результатами крупномасштабных наблюдений в 1970-е годы, наиболее освещенные наблюдениями в СЛО, а также в другие периоды, для которых имеются наблюдения, проливает свет на особенности и причины различий между ними. Благодаря полученным данным, объединенным с ранее собранными данными о состоянии водных масс, морских льдов и атмосферы, оказалось возможным проследить развитие климатического феномена конца 1990 – начала 2000-х годов в морской Арктике, его связь с изменениями глобального климата и сравнить с потеплением в 1930–40-е годы.

Ниже анализируются особенности состояния климатической системы в первое десятилетие ХХI столетия и в период проведения МПГ 2007/08 в сравнении с состоянием атмосферы, морских льдов и океана в Арктике в предшествующий период. Рассматриваются изменения репрезентативных характеристик состояния атмосферы, морских льдов и океана в Арктике и Северной полярной области, проводится сравнение с изменениями в других областях и с оценками по расчетам на глобальных моделях климата из ансамбля CMIP3.

Температура воздуха

Результаты климатических исследований, основанные как на данных наблюдений и палеоклиматических реконструкций, так и на результатах численных экспериментов с климатическими моделями, указывают на потепление климата на Земле, по крайней мере, в течение последних 130 лет (IPCC, 2007). При этом на фоне глобального потепления сохраняются неопределенности в оценке согласованности с ним региональных изменений климата, во многом проистекающие из недостаточного количества климатических данных и сложных обратных связей. К таким регионам относится Арктика, оценки темпов потепления в которой не всегда подтверждали его усиление (Polyakov et al., 2002) по сравнению со средним по полушарию потеплением.

Для оценки изменений приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) в Арктике здесь использованы данные о среднемесячной температуре за столетний период на 30 станциях, расположенных севернее 60° с.ш. (рис. 1), собранные в базе метеорологических данных (Александров и др., 2007).

Рис. 1. Метеорологические станции в Северном полушарии севернее 60° с.ш. в разные периоды ХХ столетия

Такой выбор связан с тем, что существующие сеточные массивы данных о температуре с начала 20-го столетия основаны на меняющемся во времени количестве станций, что влияет на качество интерполяции в узлы сетки. Сравнения данных из сеточных массивов с данными на отдельных станциях показали существенные различия в средних значениях и в коэффициентах линейного тренда даже для современных массивов NCEP и ERA-40 (Кораблев и др., 2007).

Использование постоянного набора станций позволяет избежать проблем, связанных с интерполяцией, и применять при оценке изменений как простое осреднение исходных данных, так и построение распределений различных статистик постанционных временных рядов. Сеточный массив NCEP (Kalnay et al., 1996) использован для дополнительной верификации результатов анализа изменений температуры после 1950 года. Сравнение средних по соответствующей области по данным NCEP и по станциям за этот период показало, что коэффициенты корреляции между рядами среднемесячных ПТВ находятся в пределах 0.81–0.90.

Изменения средней по всем 30 станциям приповерхностной температуры воздуха, а также средней по станциям в приатлантической и тихоокеанской половинах области, разделенных по меридианам 90°–270° в.д., за столетний период в каждый сезон и в среднем за год представлены на рис. 2.

Рис. 2. Сверху вниз: средняя за год, за ноябрь – март, апрель – май, июнь – август и сентябрь – октябрь приповерхностная температура воздуха (°С), осреднённая по 30 станциям к северу от 60°с.ш. (левая колонка), по станциям в атлантической (в центре) и тихоокеанской (справа) половинах этой области. Прямая наклонная линия – тренд, точки – скользящие средние за 11 лет, жирная кривая линия – аппроксимация полиномом 4-й степени. Цифрами даны значения коэффициента тренда и его стандартной ошибки, °С/10 лет (жирным шрифтом выделены значимые на 95 % уровне тренды)

Коэффициенты тренда за весь период для всех рядов положительны и, за исключением 5 рядов, значимы на 95 % и более уровне. Для всех рассматриваемых областей осенние тренды минимальны и незначимы, а весенние все значимы. В целом тренды сильнее в тихоокеанской, чем в атлантической половине области. При этом оценки трендов неустойчивы к сдвигу начала ряда на более поздние годы. Коэффициенты тренда быстро убывают по мере приближения начала ряда к 1925 году вплоть до смены знака тренда для зимы.

Сравнение средних температур за десятилетие 1998–2007 гг. и за самое теплое десятилетие первого потепления показывает (рис. 3), что в среднем за год, весной и летом ПТВ в десятилетие 1998–2007 гг. лет выше во всех рассматриваемых районах (Алексеев и др., 2010б). Однако зимой соотношение обратное для всей области и ее атлантической половины. Осенью 1998–2007 гг. было теплее, при этом самые теплые осенние сезоны в период первого потепления отмечались в конце 1940-х – начале 1950-х годов.

Рис. 3. Средняя ПТВ в самое теплое десятилетия в первом потеплении (первый столбик) и в 1998–2007 гг. (второй столбик) в разные сезоны (слева на право – зима, весна, лето, осень, год) во всей области, в приатлантической и притихоокеанской ее половинах (соответственно, первая, вторая и третья пара столбиков в каждом сезоне)

Сравнение двух потеплений в терминах порядковых статистик рядов среднемесячных данных на 41 станции (с 1921 года) позволяет проследить эволюцию распределения наиболее теплых и холодных месяцев в 1921–2008 гг. Порядковая статистика x_(i) (i-тое значение вариационного ряда, где i=N(np+1) – наибольшее целое число в (np+1), n – длина ряда, N – оператор взятия целого числа, p – порядок квантиля) используется для определения года, в который ПТВ в данном месяце и на данной станции была ниже заданного квантиля x_p. Точно также x_(i), где i=N(n(1 – p)+1) используется для определения года, в который ПТВ выше x_1–p.

Суммирование отмеченных таким образом лет по всем станциям, состоящее в подсчете числа случаев, когда данный год попадал в выбранный полуинтервал (<x_p или >x_1–p), дает распределение повторяемости таких случаев на диаграмме год/месяц. Также подсчитывается число экстремумов, приходящихся на данный год в данном месяце суммарно по всем станциям. Чтобы повысить достоверность и наглядность представления получаемых таким образом значений повторяемости, проводилось их суммирование внутри скользящих интервалов по 9 лет с отнесением полученной суммы к середине или началу интервала. Представление полученных значений на диаграмме (год, месяц) показывает эволюцию температурных условий в арктическом регионе на протяжении рассматриваемого периода в зависимости от месяца года. Если просуммировать повторяемости по сезонам и за год, то можно увидеть (рис. 4), что число теплых месяцев увеличилось в последнее десятилетие, причем быстрее всего летом и за год в целом.

Рис. 4. Количество очень теплых (>95 %-уровня) и холодных (<5 %-уровня) месяцев, просуммированное по сезонам, за год и по 9-летним скользящим интервалам 1921–2008 гг. Год на шкале времени относится к началу 9-летнего интервала. Отрицательные значения на вертикальной оси относятся к очень холодным месяцам. Более темный цвет соответствует распределению экстремумов

Указанные особенности потеплений подтверждаются распределением рангов отдельных месяцев за 1901–2009 гг. (таблица 1). С апреля по декабрь все самые «теплые» месяцы приходятся на период с 2003 по 2009 год. Лишь самый «теплый» январь был в 1930 году, а февраль и март – в 1995 и 1996 гг. Наибольшее число самых «теплых» месяцев (по 3) отмечено в 2003 и 2007 гг., самым «теплым» годом стал 2005-й, самое теплое лето пришлось на 2003 год, зима – на 2008 год, весна – на 2007 г., осень – на 2005 год.

Таблица 1. Годы, на которые пришлись самые тёплые месяц, сезон и год, соответствующие 1, 2 и 3 рангам в рядах средней ПТВ в области севернее 60° с.ш. за 1901–2009 гг.

На рис. 2 помимо положительного тренда в изменениях средней ПТВ хорошо выражено долгопериодное колебание, формируемое потеплениями 1930–40-х и 1990–2000-х годов и понижением температуры в 1970-е годы. Предполагается, что это проявление низкочастотного колебания естественного происхождения с периодом 60–70 лет (Schlesinger and Ramankutty, 1994; Delworth et al., 1997; Polyakov and Johnson, 2000), которое обычно называется атлантическим междесятилетним колебанием (осцилляцией (АМО)).

Дисперсионный анализ ряда среднегодовой ПТВ для рассматриваемой области показывает, что на долю этого низкочастотного колебания, аппроксимированного суммой трех (k = 2–4) членов разложения по полиномам Чебышева, приходится 37 % изменчивости среднегодовой ПТВ, в то время как на долю линейного тренда 11 % и на долю остатка, соответственно, 52 %.

Распределение вклада определенного таким образом АМО в изменчивость среднегодовой ПТВ весьма неравномерно (рис. 5). Наибольший вклад (от 22 до 45 %) отмечается на 7 станциях в Гренландско/Исландском районе, который и формирует в значительной степени вклад АМО в изменения средней температуры в Арктике. Разложение АМО в ряд Фурье показывает, что в распределении вклада первой его гармоники также выделяется Гренландско/Исландский регион. Время наступления ее первого максимума здесь приходится на 1940-е годы (рис. 5). Следует отметить, что изменения среднегодовой ПТВ в этом районе отличается необычайно быстрым ростом в течение десятилетия 1920-х годов, не имеющим аналогов ни в одном другом регионе.

Рис. 5. Cлева направо: вклад АМО в изменения среднегодовой ПТВ, вклад первой гармоники Фурье-разложения АМО, год максимума первой гармоники (две последние цифры после 19)

Другая особенность выделенного АМО в том, что рост ПТВ во втором его полупериоде (после 1970-х гг.) отличается от такового в первом полупериоде. Эту особенность можно использовать для приближенной оценки усиления (ослабления) амплитуды колебания вследствие дополнительного внешнего воздействия, предположительно, антропогенного. В пользу предположения об антропогенном усилении АМО после 1970-х годов свидетельствуют результаты экспериментов с глобальными моделями климата при неизменном и растущем содержании СО₂ в атмосфере (IPCC, 2007). Расхождения между средней (глобальной, полушарной, региональной) ПТВ при постоянной концентрации и при растущем содержании СО₂ начинаются как раз в середине 1970-х годов. Исходя из этого, усиление АМО оценим как разность между 31-летними трендами, аппроксимирующими рост ПТВ на стадии развития обоих потеплений. Будем оценивать разность вкладов тренда за 1978–2007 годы и за 31-летие в период развития первого потепления с максимальным вкладом тренда.

В таблице 2 приведены результаты расчета усиления тренда в период с 1978 по 2007 год в сравнении с наиболее быстрым ростом ПТВ за 31-летний период первого потепления для каждого сезона и среднегодовой ПТВ.

Таблица 2. Сравнение вклада трендов за 31-летние периоды роста ПТВ в первом и втором потеплениях в области севернее 60° с.ш.

В соответствии с полученными оценками зимой нет усиления роста, а наоборот, рост замедляется. В теплые сезоны с апреля по октябрь усиление потепления весьма значительно как в целом в рассматриваемой области, так и в обеих ее половинах и оно наибольшее в летние месяцы. В среднем за год усиление потепления заметно в тихоокеанской половине области и незначительно в приатлантической части и во всей области. Заключение об усилении тренда ПТВ в последнее 31-летие в теплую часть года по сравнению с трендом в зимние месяцы подтверждается сравнением рангов коэффициентов тренда за оба 31-летних периода (таблица 3).

Таблица 3. Ранг максимального тренда за 31 год в период развития двух потеплений. Год относится к середине 31-летнего периода. В скобках указан ранг

В ноябре, декабре и январе первое потепление развивалось значительно интенсивнее по сравнению с последним потеплением, а в остальные месяцы тренд во второй период был намного сильнее. Особенно велико различие в скорости потепления в июне. Изменение числа «теплых» (Т>95 % уровня) месяцев в 9-летних скользящих интервалах показывает, что в последние 20 лет число «теплых» июней на 41 станции севернее 60° с.ш. увеличилось почти вдвое.

Особый интерес представляют изменения температуры воздуха над областью морской Арктики, включающей покрытую льдами в зимний период акваторию Северного Ледовитого океана (СЛО). Изменения температуры в этой области в первую очередь влияют на зимнее разрастание и летнее таяние ледяного покрова в СЛО. 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 используем данные 41 станции, расположенных на островах и побережье Северного Ледовитого океана (см. рис. 1), откуда начинается летнее отступление морских арктических льдов.

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.