Текст книги "Метеорологические и геофизические исследования"

Геоморфологические исследования на побережьях и в долинах рек, впадающих в море Лаптевых, показали ингрессионный характер залегания пород ледового комплекса. Например, в долине р. Кэлимээр (приток р. Оленёк) отложения ЛК при движении сверху вниз по реке начинают встречаться на высоте около 50 м над у.м. и вниз по течению увеличивают высоту относительно днища долины, что как раз и свидетельствует о том, что ЛК формировался по долинам в результате их подтопления морем. На рис. 1 представлена геоморфологическая схема и продольный профиль долины р. Кэлимээр, где выделены отложения ЛК. На побережьях моря Лаптевых ЛК также распространён на высотах до 50 м, что и является геоморфологическим доказательством формирования отложений в бассейне.

Рис. 1. Геоморфологическая схема долины р. Кэлимээр

Наибольшей критике в этой точке зрения подвергается само положение о формировании ЛК именно в морских условиях. Считается, что никаких признаков моря в осадках нет. Это типичные субаэральные отложения. По нашим данным таких признаков достаточно много, особенно в песках, подстилающих ледовый ЛК. Там обнаружены и морские двустворчатые моллюски, и морские диатомовые водоросли, осадки часто имеют хлоридно-натриевое засоление. В исследованиях же предшественников (Жуков и др., 1968) на побережье между реками Оленёк и Анабар, отмечается большое количество раковин морских моллюсков и раковин типичных обитателей морских бассейнов – фораминифер, как в подстилающих отложениях, так и в самих осадках ЛК. Трудность понимания предлагаемой гипотезы ещё и в том, что, действительно, морской бассейн перестал быть морским по солёности воды и, соответственно, его обитателям около 60 тысяч лет назад, когда вода стала более или совсем пресной. Но связи с морем этот бассейн не потерял. В нём действовали приливо-отливные, сгонно-нагонные процессы и вековые колебания уровня моря. Это был отгороженный многими островами и массивами островов бассейн, получавший огромное количество пресной воды из впадавших рек: Лена, Оленёк, Анабар, Хатанга и др. В нём накапливались алеврито-песчаные отложения, большое количество органического материала (растительности и остатков фауны). Главная же характерная черта этого бассейна – его мелководность, что в сочетании с обозначенными выше причинами колебаний уровня моря, приводило к периодическим его осушениям на громадных пространствах благодаря ничтожному уклону дна моря. Осушение вызывало глубокое ежегодное промерзание под ледовым покровом и без него. А это означало широчайшее развитие жильного льдообразования, чем и характерен ЛК (Большиянов и др., 2008).

Существование в прошлом огромных островных пространств в море Лаптевых доказывается геологическим строением поверхности дна моря Лаптевых, гидрографическими данными о мелях на акватории моря, современными темпами отступания берегов и исчезновения островов в море даже на памяти исследователей. Эдуард Толль, мечтавший достичь «Земли Санникова», которую видел к северу от острова Котельного в 1886 г, прошёл и коснулся её днищем яхты «Заря» в 1902 г., но не смог её увидеть, т. к. она погрузилась под уровень моря, как и тысячи квадратных километров других островов. На рис. 2 даны представления об этой суше по геологическим и геоморфологическим данным (Большиянов и др., 2008). Таким образом, наши представления об этом интереснейшем явлении заключаются в том, что ЛК в море Лаптевых возник из морских пучин в позднем неоплейстоцене, морскими же факторами и уничтожается в настоящее время.

Рис. 2. Палеосхема моря Лаптевых с существовавшими в позднем неоплейстоцене островными массивами

Палеоклимат последнего тысячелетия

Исследования в этом направлении призваны увеличить короткий ряд инструментальных метеонаблюдений, который для большинства станций в Арктике не превышает 70 лет. Обычно палеоклиматические построения выполняются и выполнялись в масштабах десятков и сотен тысяч лет или для голоцена (последнего десятитысячелетия). Начавшееся в ААНИИ в середине прошлого столетия изучение озёрных отложений именно в палеоклиматических целях оформило палеоклиматическое направление, развитие которого на современном этапе привело к формированию базы данных по палеоклимату Российской Арктики и Антарктиды на основании изучения отложений арктических озёр. Изучение коротких колонок донных озёрных отложений позволило удлинить палеоклиматические ряды до 1000 лет (Большиянов и др., 2009б). Для изучения озёрных отложений в палеоклиматическом аспекте требуется использование множества методов исследований – от отбора отложений до их глубокого многофакторного анализа. Длина колонок зависит от возможностей пробоотбора. В нашей стране используется старое советское оборудование, которое не позволяет проникать в осадки глубже 1–1,5 м, да и качество отбора также страдает рядом недостатков. Участие в международных проектах позволило использовать новые средства отбора и новейшие методики анализа осадков, что резко улучшило результат – палеоклиматические реконструкции. В настоящее время в базе данных собраны данные о 25 озёрах и результаты анализов их отложений, что позволяет проводить палеоклиматические реконструкции уже на территории почти всей российской Арктики. На рис. 3 представлены результаты реконструкции времени Малого ледникового периода – значительного похолодания климата на Земле. Временная модель реконструкций построена на варвохронологии – подсчёте годовых слоёв озёрных осадков, и на расчёте скоростей осадконакопления по результатам специально проведённых гидрологических исследований в бассейнах изученных озёр. Т. е. эта шкала календарных лет, что отличает её от большинства других подобных временных шкал, основанных на радиоуглеродном датировании. Последнее часто даёт значительные ошибки на временном интервале до 1000 лет.

Рис. 3. Реконструкции времени Малого ледникового периода в российской Арктике

Результаты показывают, что Малый ледниковый период начался в разное время – самое раннее около 1470 г., самое позднее время 1760 г. и продолжался до первой половины XX века, продлеваясь иногда (на плато Путорана) до второй половины прошедшего века. Время начала и окончания похолодания отличаются в различных частях Арктики. В большинстве исследуемых регионов Малый ледниковый период осложнён фазой потепления продолжительностью от 40 до 220 лет. Все исследованные колонки донных озёрных отложений показывают устойчивое потепление в течение последних 140–60 лет. Последнее потепление, которое трактуется в основном, как антропогенно обусловленное, на приведённых материалах видится как естественное. Как видно из схемы, таких потеплений на протяжении последнего тысячелетия было несколько и тогда они никак не могли быть техногенными. Ещё один важный вывод, следующий из приведённых материалов – это то, что за современным потеплением неизбежно последует похолодание климата в полярных областях. Такие данные необходимы для прогноза климата ближайшего будущего.

Колебания уровня моря и формирование дельты р. Лена

В теме палеоклиматических исследований также проводятся работы по выявлению колебаний уровня моря на протяжении последнего тысячелетия и в более древние времена. Для этого используются те же отложения озёр, которые располагаются невысоко над современным уровнем моря и куда в недавнем прошлом происходило внедрение морских вод. Датирование древних береговых линий и геоморфологические исследования в дельтах крупнейших сибирских рек также используются для реконструкции колебаний уровня моря в прошлом. В последней работе (Большиянов и др., 2009б) рассмотрены некоторые свидетельства колебаний уровня морей Арктики и Антарктики. Одна из последних работ, выполненная в этом направлении – исследования колебаний уровня моря Лаптевых в районе дельты р. Лена (Макаров, 2009).

Изучение геоморфологического и геологического строения дельты р. Лена показало, что первая терраса высотой до 15 м сложена песками, но, в основном, органоминеральными отложениями. Последние названы «слоёнкой», т. к. этот термин наиболее точно отражает сущность структуры и состава отложений (рис. 4). Это обогащённая в разной степени песком и алевритом слоистая растительная масса, состоящая из неразложившихся зелёных мхов, детрита осок и других растений, древесных остатков. Горизонтальная и волнистая слоистость отложений свидетельствуют о том, что растительные остатки откладывались в мелководном бассейне. Отложения ежегодно промерзали, что зафиксировано широким развитием сингенетических повторно-жильных льдов в отложениях первой террасы. В целом, эти голоценовые отложения очень похожи на отложения ЛК, за исключением времени образования и более суровых условий формирования ЛК в конце позднего неоплейстоцена. Вероятно, механизм их формирования очень схож и значительно зависит от колебаний уровня моря.

Рис. 4. Отложения «слоенки», о. Курунгнах, дельта р. Лена

До сих пор органогенные отложения дельты связывались исключительно с процессами пойменного болотообразования, а «слоёнка» называется именно торфом. Эти органоминеральные отложения сильно отличаются от торфов по нескольким признакам:

– отложения практически неразложившиеся, без каких-либо различий в степени разложения мхов и ботаническом составе из верхней и нижней частей разрезов;

– они имеют чёткую горизонтальную и волнистую слоистость, проявляющуюся в любой части обнажений, и не имеющую связи с расположением волокон зелёных мхов, но обусловленную переслаиванием с песком и алевритом;

– мощность «слоёнки» до 8 м в верхних частях дельты и до метра на морском крае дельты;

– накопление этих органно-минеральных отложений происходило очень короткое время – от 600 до 1500 лет на разных этапах голоцена.

Для высоких широт не характерны такие значительные массы торфа и торфообразование столь массивных толщ за короткий промежуток времени. В пользу водного происхождения «слоёнки» говорят следующие факты:

– эти отложения повсеместно слоисты, причём горизонтально и волнистообразно;

– они накапливались быстро со скоростью 1–3 м за 400 лет.

– органогенная часть (зелёные мхи, корешки осок, древесный и растительный детрит, а также «торфяной» детрит) практически повсеместно переслаивается кварцевыми песками и алевритом, объём которых меняется от 5 до 50 %.

– засолённость некоторых разрезов «слоёнки» вблизи морского края дельты.

В условиях подпора со стороны моря и резкого снижения гидродинамической активности потоков среди ранее образованных дельтовых островов, останцов ледового комплекса и аллювиально-морской равнины о. Арга-Муора-Сисё складывались условия осадконакопления, способствовавшие валовому отложению растительных остатков. Изменения гидрологического режима таких водоёмов подчёркиваются слоями песков, алевритов и даже гальки в отдельных районах Арынского бассейна. В настоящее время мелкий растительный детрит толщиной до десятков сантиметров откладывается в более застойных участках дельтовых проток. Однако в тоже время отложения «слоёнки» не откладываются, т. к. современный этап развития дельты связан с эрозией и понижением уровня моря в системе западных проток. Напротив, Быковская протока развивается как заполняющийся эстуарий на фоне подъёма уровня моря за последние 60 лет.

Накопление «слоёнки» происходило в системе водоёмов эстуарного типа между массивами сформировавшихся ранее островов. Водоём имел колебания уровня синоптического (приливы-отливы, сгоны-нагоны) и векового масштаба. Поэтому на мелководье дно часто выходило из-под воды, где в зимние месяцы промерзало, или на него ложились льды бассейна, что также вело к промерзанию отложившихся осадков. Накапливавшиеся периодически слои растительного детрита позже подвергались размыву в протоках дельты в результате эрозионного воздействия ленских вод при пониженном базисе эрозии. Формировалась новая конфигурация островов на регрессивном этапе. Позже подпор со стороны моря приводил к формированию органогенных или песчаных отложений, которые в следующий регрессивный этап размывались.

Таким образом, чередование трансгрессивно-регрессивных циклов приводило к последовательному накоплению, размыву и новому накоплению отложений, слагающих современную дельту, что и отражается в строении первой террасы. Она сложена самыми различными по возрасту отложениями песков и «слоёнки».

Такие же закономерности формирования дельт отмечены ранее в эстуариях рек Пясина, Хатанга, Нижняя Таймыра (Большиянов, 2006). Но в условиях дельты р. Лена органоминеральные осадки в строении первой террасы играют наиважнейшую роль.

Разработанная схема формирования островов дельты в результате чередования трансгрессивных и регрессивных этапов на основании изучении геологического строения дельты, а также более сотни датировок отложений первой террасы дают основание представить временные и пространственные особенности повышений и понижений уровня приёмного водоёма – моря Лаптевых. По каждой из систем проток, вдоль которых произведены наблюдения, построены кривые колебания уровня приёмного водоёма на основании присутствия в разрезах и датировок слоёнки – отложений, накапливавшихся в эстуарных условиях при повышенном уровне моря.

Основой для увязки распределения датировок по районам дельты р. Лена является кривая изменений уровня моря Лаптевых, построенная на основании датирования древних береговых линий, в районе залива Куба в приустьевой области Оленёкской протоки, а также в районе м. Мамонтов Клык Лено-Анабарского побережья. На основании датирования береговых линий по террасам и плавнику древесины, залегающему на нескольких уровнях над уровнем моря и на террасах, выделяются, как минимум, два пика повышенного уровня моря в голоцене на этапе от 1 до 2 тыс. и около 4 тыс. лет назад.

Объединённая кривая колебаний уровня моря Лаптевых в районе дельты р. Лена в течение последних тысячелетий представлена на рис. 5.

Рис. 5. Кривая колебаний уровня моря Лаптевых в голоцене

Исходя из геоморфологического строения дельты, кривых колебаний уровня моря в голоцене и знаний о современных гидрологических процессах в дельте, построены палеогеографические карты на основные ключевые этапы голоцена. Такими этапами для дельты являются этапы накопления «слоёнки» во время повышенного стояния уровня моря и дальнейший размыв сформированного массива водами р. Лена. При построении схем учтено возможное расположение эрозионных останцов дельты в прошлом. В одно и то же время в различных участках дельты формировались условия либо транзита, либо аккумуляции, либо размыва отложений, что наблюдается и в настоящее время. На рис. 6 представлена схема развития дельты р. Лена в голоцене.

Рис. 6. Этапы развития дельты р. Лена в голоцене

17–15 тыс. л.н. уровень моря был значительно ниже и дельта (дельты) реки располагалась в сотнях километрах к северу от современного её конуса выноса. На месте современной дельты шло активное размывание пород ЛК. 8 тысяч лет назад в дельте сформировались первые растительные «слоёнки», что может свидетельствовать о повышенном уровне стояния бассейна. 6 тыс. л.н. во время отступления моря размывались ранее накопленные осадки, в том числе породы ЛК и вышедшего на поверхность массива аллювиально-морских песков о. Арга-Муора-Сисё. 5 тыс. л.н. протоки дельты снова вступили в эстуарный этап развития, когда активно накапливались растительные «слоёнки». 4,5 тыс. л.н. – этап размыва и накопления аллювиальных песков, сменившийся около 3,5 тыс. л.н. этапом заполнения мелководных эстуариев дельты растительными и песчаными осадками. 1000–500 л.н. снова этап размыва с окончательным формированием облика останцов ЛК в дельте. Кратковременное повышение уровня моря около 400 л.н. и далее современный этап вреза, формирующий современный облик дельты.

Последнее заметное повышение уровня моря Лаптевых в первой половине XIX в. зафиксировано уже картографическим способом. На карте 1855 года (Карта Восточной Сибири…) Быковский полуостров отделяется от материка проливом, что было возможно только при повышенном по сравнению с современным уровне моря.

Таким образом, всеми доступными методами исследований (от датирования береговых линий и изучения геологического строения дельты до изучения древних карт) показано, что колебания уровня моря Лаптевых в голоцене и в последние столетия были значительны (до 7–8 м, как минимум), и эти колебания уровня и определили развитие и современное строение дельты р. Лена.

Причины колебаний уровня моря разнообразны и пока недостаточно исследованы. Несомненными являются тектонические колебания земной коры и эвстатические колебания уровня моря Лаптевых.

Литература

Большиянов Д.Ю. Основные проблемы палеогеграфии позднего неоплейстоцена и голоцена Российской Арктики, поставленные исследованиями последнего десятилетия и варианты их разрешения // Проблемы Арктики и Антарктики. 2000. Вып. 72. С. 7297.

Большиянов Д.Ю. Пассивное оледенение Арктики и Антарктиды. СПб, ААНИИ. 2006. 296 с.

Большиянов Д.Ю., Анохин В.М., Гусев Е.А. Новые данные о строении рельефа и четвертичных отложений архипелага Новая Земля / Геолого-геофизические характеристики литосферы Арктического региона // Тр. НИИГА-ВНИИ Океангеологии. 2006. Т.210. С. 149–161.

Большиянов Д.Ю., Николаев В.И., Сосновский А.В. Новый взгляд на палеогеографию Севера Западной Сибири в сартанское время // Материалы гляциологических исследований. 2007. Вып. 102. С. 107–114.

Большиянов Д.Ю., Макаров А.С., Гусев Е.А., Шнайдер В. Проблемы происхождения ледового комплекса пород и существования в прошлом «Земель Санникова» в море Лаптевых // Проблемы Арктики и Антарктики. 2008. № 1 (78). С.151–160.

Большиянов Д.Ю., Погодина И.А., Гусев Е.А., Шарин В.В., Алексеев В.В., Дымов В.А., Анохин В.М., Аникина Н.Ю., Деревянко Л.Г. Новые данные по береговым линиям архипелагов Земля Франца-Иосифа, Новая Земля и Шпицберген // Проблемы Арктики и Антарктики. 2009а. № 2 (82). С. 68–77.

Большиянов Д.Ю., Макаров А.С., Морозова Е.А., Павлов М.В.,Саватюгин Л.М. Развитие природной среды полярных областей Земли последнего тысячелетия по данным изучения донных отложений озёр // Проблемы Арктики и Антарктики. 2009б. № 1 (81). С. 108–115.

Григорьев М.Н. Криоморфогенез и литодинамика прибрежно-шельфовой зоны морей Восточной Сибири. Автореф. дисс. докт. геогр. наук. Якутск. ИМЗ СО РАН. 2008. 24с.

Жуков В.В., Горина И.Ф., Пинчук Л.Я. Кайнозойские алмазоносные россыпи Анабаро-Оленёкского междуречья. Л., Недра, 1968. 143с.

Карта Восточной Сибири, составленная по новейшим сведениям при управлении генерального штаба в Восточной Сибири. 1855. Библиотека РАН, СПб (шифр 8849).

Макаров А.С. Колебания уровня моря Лаптевых как фактор формирования дельты р. Лена в голоцене. Автореф. канд. дисс. СПб. 2009. 17 с.

Макаров А.С., Большиянов Д.Ю., Павлов М.В. Геоморфологические и палеогеографические исследования междуречья Оленька и Анабара на южном побережье моря Лаптевых // Вестник Санкт-Петербургского университета. 2008. Серия 7. Геология, география. Вып. 1. С. 79–86.

Шарин В.В., Алексеев В.В., Дымов В.А., Погодина И.А., Большиянов Д.Ю., Гусев Е.А. Новые данные по позднечетвертичной стратиграфии и палеогеографии района Вейде-фьорда (Западный Шпицберген) // ДАН. 2007. Т. 412. № 6. С.822–824.

D.Yu. Bolshiyanov, A.S. Makarov, G.B.Fedorov, P.S. Vahrameeva. Problems of studying the Arctic paleoclimate (Arctic and Antarctic Research Institute, St-Petersburg, Russia)

Аbstract

Results of paleogeographical investigations which are carrying out in the Arctic and Antarctic Research Institute during last decade and for the time of IPY especially discussed in the article. New data and ideas about glaciations, Ice Complex origination, fluctuations of sea level and climate changes during centuries and millenniums in the Arctic have been received.

И.И. Мохов, В.А. Семенов, А.В. Елисеев, В.Ч. Хон, М.М. Аржанов, А.А. Карпенко, С.Н. Денисов
Изменения климата и их последствия в высоких широтах: диагностика и моделирование
(Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва, Россия)

Аннотация

Представлены результаты, полученные в рамках проектов по программе Международного полярного года 2007–2008 гг., в том числе «Comprehensive meteorological dataset of active IPY Antarctic measurement phase for scientific and applied studies» (COMPASS – IPY project No. 267) и «Cold land processes in the Northern Hemisphere continents and their coastal zone: Regional and global climate and societal-ecosystem linkages and interactions» (IPY project No. 138).

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. Представлены оценки роли естественных и антропогенных факторов в изменениях климата высоких широт в последние десятилетия.

Получены количественные оценки изменений естественной эмиссии метана в атмосферу в регионах Северной Евразии в связи с глобальными изменениями, таянием вечной мерзлоты и изменением режимов болотных экосистем на основе численных расчетов с климатическими моделями. Используются модельный блок метанового цикла и расчеты с ансамблем климатических моделей общей циркуляции. Оценки сопоставляются с расчетами на основе региональной модели климата и модели промежуточной сложности.

Предложена простая модель массового баланса ледникового щита Антарктиды для оценки его чувствительности к глобальным температурным изменениям. Проведен анализ возможных режимов ледникового щита в зависимости от ключевых параметров климатической системы. Получены оценки критического уровня глобального потепления, при превышении которого режим роста антарктического ледникового щита за счет снегонакопления сменяется его деградацией за счет более сильного роста таяния.

1. Структура изменчивости температуры в высоких широтах

В течение последних трех десятилетий наиболее сильный рост приповерхностной температуры атмосферы отмечен во внетропических широтах Северного полушария (Climate Change, 2007). Сильнейшие изменения приповерхностной температуры выявлены в Сибири и на Аляске в Северном полушарии, а в Южном полушарии на Антарктическом полуострове (Мохов и др., 2006). Повышение приповерхностной температуры сопровождается значительными изменениями площади ледового покрова, в частности морских льдов в Арктическом бассейне (Johannessen et al. 2004; http://nsidc.org/) и режимов атмосферной циркуляции (Мохов, Хон, 2005; Акперов и др., 2007). Более быстрые темпы потепления в Арктике и его сезонные особенности (наиболее сильное потепление в зимний период) в целом соответствуют полученным с помощью глобальных моделей оценкам климатических изменений, вызванных антропогенным воздействием (Climate Change, 2007). Наряду с потеплением последних десятилетий, в первой половине XX века также наблюдалось сильное потепление в Арктике. Аномально высокая зимняя температура в Арктике в середине ХХ века была превышена лишь в последние несколько лет (Polyakov et al., 2002).

Для выявления физических механизмов изменений климата, в частности в Арктике, необходимы данные о пространственной структуре соответствующих температурных вариаций в высоких широтах. Характерные особенности пространственной структуры поля приповерхностной температуры, связанные с атмосферной циркуляцией, отмечены, например, в (Hurrell 1996; Wallace et al. 1996). При этом детальный анализ может быть проведен только начиная со второй половины ХХ века – периода более достоверных данных с достаточным пространственным разрешением (напр., на основе данных реанализа) без учета потепления первой половины ХХ века (1930-х–1940-х годов).

Для исследования пространственных мод изменчивости можно использовать разложения на эмпирические ортогональные функции (ЭОФ) аналогично (Семенов, 2007). В частности, при анализе пространственной структуры изменчивости приповерхностной температуры зимой севернее 40° с.ш. использовались среднемесячные данные для арктических широт на сетке 5° широты × 10° долготы для 1892–1999 гг. (Алексеев, Священников, 1991). Временная эволюция ЭОФ характеризовалась соответствующими главными компонентами, определяемыми проекциями соответствующих ЭОФ на исходное поле температурных аномалий. Получено, что четыре ведущие ЭОФ как для зимнего, так и для летнего периодов, содержат статистически значимую информацию (Craddock and Flood, 1969) и устойчивы к выбору анализируемого периода. Вариации приповерхностной температуры в зимний период в арктическом регионе имеют в среднем в 2 раза большую амплитуду, чем в летний период. Выявлено, что первая ЭОФ (рис. 1.1) связана с Северо-Атлантическим колебанием (САК) и имеет соответствующую структуру с максимумом над Евразией и минимумом к западу от Гренландии. При этом вторая ЭОФ, связанная с индексом Эль-Ниньо/Южное Колебание (ЭНЮК), имеет симметричную дипольную структуру и не вносит существенного вклада в аномалии приповерхностной температуры для Арктики в целом.

Рис. 1.1. Четыре ведущих ЭОФ межгодовой изменчивости приповерхностной температуры атмосферы в холодное полугодие (в ноябре – апреле) для периода 1892–1999 гг. Аномалии (°С), превышающие 0, 1, 2, заштрихованы, выделены контуры 2, –1.5, –1, –0.5, 0, 0.5, 1, 1.5 (°С)

В таблице 1.1 представлены результаты анализа связи ведущих ЭОФ с основными индексами атмосферной циркуляции Северного полушария (Barnston, Livezey, 1987). Следует отметить, что третья ведущая ЭОФ не связана с изменениями крупномасштабной атмосферной циркуляции Северного полушария, характеризуется пространственной структурой с максимумами в регионе Баренцева моря и залива Баффина и хорошо описывает долгопериодные температурные колебания в Арктике, в частности, потепление первой половины ХХ века (рис. 1.2). Структура этой ЭОФ позволяет предположить, что соответствующая мода связана с вариациями площади морского ледового покрова. Относительно короткий ряд достоверных данных для морского ледового покрова в зимние месяцы не позволяет адекватно идентифицировать долгопериодную аномалию, соответствующую потеплению в Арктике в первой половине ХХ века. Стоит отметить, что она проявляется в региональных и реконструированных данных для Баренцева и Карского морей (Захаров, 1996; Polyakov et al., 2003).

Таблица 1.1. Доля изменчивости зимних (ноябрь – апрель) аномалий приповерхностной температуры, описываемая разными ЭОФ, и корреляция главных компонент (ГК) с индексами дальних атмосферных связей (ИДАС) для периода 1950–1999 гг., а также с ГК аномалий приповерхностного атмосферного давления (ПАД) в ноябре – апреле во внетропических широтах 25°–80° с.ш. для периода 1900–1999 гг. Представлены только наиболее сильные корреляции. (ПЕК – Полярно-Евразийское колебание, ТСАК – Тихоокеанско-Североамериканское колебание, ЗТК – Западно-Тихоокеанское колебание, СК – Скандинавское колебание)

Рис. 1.2. Изменения главной компоненты, соответствующей ЭОФ-3 (жирная кривая), в сопоставлении с аномалиями арктической (60°–90° с.ш.) приповерхностной температуры (тонкая кривая) для холодного (ноябрь – апрель) полугодия

Отмечено, что ЭОФ-1, связанная с САК и ЭОФ-3, характеризующая долгопериодные колебания, хорошо описывает изменения приповерхностной температуры в Арктике в ХХ веке. По рис. 1.3 можно оценить вклад этих мод изменчивости в формирование арктических аномалий приповерхностной температуры и взаимосвязь САК и изменений арктического климата. Согласно рис. 1.3 до 1970-х гг. САК практически не вносило вклада в колебания приповерхностной температуры для Арктики в целом. В период 1970–1990 гг. с положительным трендом САК можно связать более половины арктического потепления. С 1990-х гг. мода, связанная с долгопериодными вариациями в Арктике (ЭОФ-3), вносит основной вклад в современное потепление. Такая динамика (временной ряд ГК-3, см. рис. 1.2) хорошо коррелирует с индексом Атлантического долгопериодного колебания.

Рис. 1.3. Аномалии арктической (60°–90° с.ш.) приповерхностной температуры в ноябре – апреле (сплошная кривая) и с исключением изменчивости (прерывистая кривая), связанной с ЭОФ-1 (а), ЭОФ-3 (б) и с совместным вкладом ЭОФ-1 и ЭОФ-3 (ЭОФ-1+3) (в)

То, что две, предположительно связанные с естественными климатическими колебаниями, моды температурной изменчивости практически полностью описывают ход зимней приповерхностной температуры в Арктике в ХХ столетии, свидетельствует о потенциальных трудностях в выделении антропогенного воздействия на климатические изменения в этом регионе. Для исследования сравнительной роли естественных и антропогенных факторов в подобных случаях целесообразно использовать различные методы анализа, в том числе нелинейные. Полезными методами являются, в частности, кросс-вейвлетный анализ и методы выявления наличия и направленности связи между различными процессами типа методов моделирования фазовой динамики и построения нелинейных прогностических моделей (нелинейный вариант «причинности по Грейнджеру») (см., напр., (Мохов, Смирнов, 2009)).

2. Наибольшие скорости климатических изменений в высоких широтах в последние десятилетия: оценка роли естественных и антропогенных факторов

На рис. 2.1 представлены температурные изменения у поверхности для последнего 30-летия (1978–2007 гг.) относительно 1951–1980 гг. по данным GISS (http://data.giss.nasa.gov/gistemp/). Наиболее значительные изменения приповерхностной температуры в последние десятилетия в Северном полушарии отмечены в Сибири и на Аляске, а в Южном полушарии – на Антарктическом полуострове (Мохов и др., 2006).

Рис. 2.1. Изменения температуры у поверхности (°C) для последнего 30-летия (1978–2007 гг.) относительно 1951–1980 гг. по данным GISS)

В (Мохов, Карпенко, 2011) проведен анализ способности глобальных климатических моделей воспроизводить изменения приповерхностной температуры T_а в регионах наиболее быстрого потепления в последние десятилетия, в том числе в Сибири, на Аляске и на Антарктическом полуострове, с оценкой роли естественных и антропогенных факторов в формировании температурных изменений (см. также (Мохов, Карпенко, 2007)). Для анализа использовались результаты ансамбля численных расчетов для ХХ века с климатической моделью общей циркуляции (КМОЦ) HadCM3 (Stott, 2003) при различных сценариях: с суммарным учетом естественных и антропогенных воздействий (С-сценарий), а также только при естественных (Е-сценарий) и только при антропогенных (А-сценарий) воздействиях (Мохов и др., 2006). Антропогенные воздействия включали изменения парниковых газов в атмосфере и антропогенного сульфатного аэрозоля (с учетом его воздействия на альбедо облаков), а также изменения тропосферного и стратосферного озона. Естественные воздействия включали изменения солнечной радиации и стратосферного аэрозоля, вызванные вулканическими извержениями. Для каждого сценария анализировались результаты четырех модельных численных реализаций при разных начальных условиях, выбранных из множества рассчитанных режимов (много сотен модельных лет) без какого-либо внешнего воздействия на климат.