Метеорологические и геофизические исследования

. Точно также x

, где i=N(n(1 – p)+1) используется для определения года, в который ПТВ выше x

.

Суммирование отмеченных таким образом лет по всем станциям, состоящее в подсчете числа случаев, когда данный год попадал в выбранный полуинтервал (<x

или >x

), 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 СО

в атмосфере (IPCC, 2007). Расхождения между средней (глобальной, полушарной, региональной) ПТВ при постоянной концентрации и при растущем содержании СО

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:

a

/a

= (?

/?

)(R

/R

),

где а – коэффициент тренда, ? – 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 (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 км

). В сентябре 2008 года ПМЛ по данным NSIDC возросла до 4,70 млн км

, в сентябре 2009 года до 5,20 млн км

, а в сентябре 2010 года вновь уменьшилась до 4.90 млн км

(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/ (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 (10

км

/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.