Изменчивость уровня морей Северной Атлантики по альтиметрическим данным

Уровень Мирового океана (УМО) входит в число важнейших параметров климатической системы [6]. В результате глобального потепления УМО в настоящее время растет уже со скоростью 3,2 мм/год. Однако, по мнению многих авторов, следует ожидать ускорения его роста из-за резкого усиления таяния ледникового щита Гренландии, частичного разрушения Западно-Антарктического щита Антарктиды и быстрого роста теплосодержания океана [6; 9; 12; 14; 17]. Вследствие этого УМО к концу столетия может возрасти до 2,0–2,7 м [11; 13; 15]. Такое повышение уровня делает неизбежным затопление равнинных прибрежных территорий многих стран и переселение многих десятков, если не сотен миллионов человек, грозит катастрофическим ущербом для инфраструктуры побережья океанов и морей, усиливает штормовые нагоны и наводнения в устьях рек [1; 4; 9; 15 и др.]. Естественно, в различных регионах океана последствия роста уровня будут проявляться по-разному. В этой связи очень важное значение имеет акватория Северной Атлантики (СА), с обеих сторон которой находятся страны с высоким уровнем жизни и большим числом населения, проживающего в прибрежных зонах океана.

Уже сейчас многие страны подсчитывают колоссальные убытки от роста уровня в СА. Вдоль восточного побережья США и побережья Мексиканского залива каждый год фиксируется увеличение интенсивности прибрежных наводнений, штормовых нагонов и роста количества паводковых дней [9; 15]. На основе измерений мареографов было доказано, что сейчас прибрежные города США страдают от

Среда обитания

наводнений минимум в 5 раз чаще, чем в 1950-х годах. Эта проблема касается более 40% американцев, живущих неподалеку от береговой линии. Ежегодные убытки от наводнений, в основном за счет штормовых нагонов, в Европе оценивается в 1,25

млрд евро в год, причем половина всего ущерба приходится в основном на Великобританию (31%), Францию (10%) и Италию (9%). Активно борются с наводнениями в Нидерландах, поскольку из-за топографических особенностей примерно 2/3 их территории в ближайшем будущем могут оказаться под водой. Согласно исследованиям Королевского метеорологического института Нидерландов, уровень воды в южной части Северного моря будет на 25– 80 см выше к 2071–2100 годам в сравнении с данными 1981–2010 годов.

Несомненно, уровень Северной Атлантики (УСА) в значительной степени связан с УМО. Из данных спутниковой альтиметрии по уровню в СА и данных института Colorado по УМО, представленных на рис. 1 видно, что тренд УСА (2,56 мм/год) заметно ниже тренда УМО (3,2 мм/год). После исключения трендов корреляция между УСА и УМО уменьшается до r = 0,60. Очевидно, что межгодовая изменчивость УСА существенно отличается от колебаний УМО. Различные аспекты изменчивости уровня в СА обсуждаются в работах [7–10; 15; 16 и др.]. Цель данной работы состоит в анализе межгодовой изменчивости уровня морей Северной Атлантики по альтиметрическим данным за период 1979–2019 гг.

Общество. Среда. Развитие № 4’2021

Материалы и методы

В данной работе использовались непосредственно измеренные, обработанные и систематизированные альтиметрические данные уровня в Лаборатории спутниковой альтиметрии США (Laboratory for Satellite Altimetry NOAA/NESDIS/STAR). Исходные альтиметрические данные покрывают океан от 66° с.ш. до 65° ю.ш., имеют пространственное разрешение 1/3° в меркаторской проекции, дискретность – 9,9 сут. и точность расчёта ― 4,2 см. Неопределённости оценок морского уровня обусловлены методическими аспектами преобразования необработанных спутниковых измерений в реальные оценки морского уровня, необходимостью учёта атмосферных условий, ветровых волн и приливов, а также гляциоизостатического приспособления, в результате чего происходит некоторое увеличение площади океанских бассейнов из-за отступания суши в конце последнего ледникового периода. Приближённо скорость их увеличения оценивается в –0,3 мм/год с ошибкой не менее 50% [9]. В настоящей работе использовались натурные среднемесячные данные по уровню для следующих морей/ заливов (Северное, Балтийское, Средиземное, Карибское, Мексиканский залив) и акватории СА в целом за период 1993–2019 гг., взятые с сайта Laboratory for Satellite Altimetry / Sea Level Rise.

Представим временной ряд среднегодовых значений уровня H в виде следующего разложения

H ( t ) = T ( t ) + C ( t ) + P ( t ) , (1) где T ( t ) - трендовая составляющая; C ( t ) -циклическая компонента, характеризующая регулярные (циклические) межгодовые колебания; P ( t ) - остаточная часть, характеризующая нерегулярные (случайные) межгодовые колебания.

Сумму трендовой и циклической компонент можно условно рассматривать как детерминированную часть разложения (1), т.е. ту часть дисперсии исходного ряда H ( t ), которая поддается интерпретации и строго описывается статистическими методами. Случайная компонента обычно представляет «белый шум» и ей пренебрегают. Методы расчета составляющих (1) приводятся в [2].

Результаты и обсуждение

В табл. 1 представлены статистические характеристики годовых значений морского уровня за период 1993–2019 гг. Наиболее высокий уровень свойствен Мексиканскому заливу, который обусловлен притоком водных масс с юга через Юкатанский пролив мощным Карибским течением. Максимальная межгодовая изменчивость уровня отмечается в Балтийском море, наименьшая – в Средиземном море. Оба моря являются внутриматериковыми, однако принципиальное отличие между ними состоит в том, что первое находится под влиянием Исландской депрессии, а другое – Азорского максимума. Соответственно, Балтике свойствен циклонический характер атмосферной циркуляции, а Средиземному морю – антициклониче-ские условия.

Самый высокий тренд в морском уровне отмечается в Мексиканском заливе, который почти в 2 раза больше тренда в Средиземном море. При этом максимальный вклад тренда в межгодовую изменчивость уровня также свойствен Мексиканскому заливу (82%), а наименьший – Балтийско-

Статистические характеристики годовых значений уровня морей за период 1993-2019 гг.

	Среднее арифметическое, мм	Стандартное отклонение, мм	Величина тренда, мм/год	Вклад тренда, %	Вклад гармоник, %	Белый шум, %
Северная Атлантика	16,87	23,04	2,56	78	11	11
Балтийское море	16,41	57,33	3,82	28	36	36
Карибское море	20,41	30,03	3,12	68	0	32
Мексиканский залив	25,54	35,39	4,03	82	0	18
Северное море	15,52	28,61	2,74	58	23	19
Средиземное море	15,08	21,38	2,21	67	0	33

му морю, в котором вклад случайных колебаний в дисперсию уровня превышает вклад тренда. Циклическая компонента учитывалась путем расчета гармоник традиционным методом Фурье. При этом учитывались только значимые гармоники при уровне значимости α = 0,05. Для Балтики были выделены 2 гармоники с периодами 4,3 и 3,4 лет, для Северного моря гармоника с периодом 2 года. В результате детерминированная часть уравнения (1) отмечается в диапазоне 89–64 % от дисперсии исходных рядов.

Для оценки степени связности уровня рассматриваемых морей был выполнен расчет выборочных коэффициентов корреляции до исключения тренда и после его исключения, результаты которого приводятся в табл. 2. Как видно из табл. 2, исключая пару Балтийское море – Средиземное море, все коэффициенты корреляции до исключения тренда являются значимыми. Особенно высокая корреляция существует между СА и ее морями. Почти функциональная связь ( r = 0,95) отмечается между уровнями СА и Мексиканского залива ( r _кр = 0,38).

Однако реальную степень связности рассматриваемых регионов друг с другом можно оценить только после исклю- чения трендов. В этом случае возникает иная ситуация. Значимых коэффицен-тов корреляции в 2 раза меньше чем незначимых. Тем не менее, стоит выделить корреляцию между СА и Мексиканским заливом (r = 0,80). По сути это означает, что уровень Мексиканского залива можно рассматривать как индикатор межгодовой изменчивости уровня СА. Высокая отрицательная корреляция между Балтийским и Средиземным морями обусловлена, очевидно, специфическими региональными факторами.

Если рассматривать уровень СА как климатический параметр, то естественно ожидать, что он должен быть связан с другими важными показателями климата СА. В данной работе были выбраны САК, АМО, индекс Гольфстрима GSNW и суммарный поток тепла в атмосферу в Бермудской энергоактивной зоне (QБерЭАЗО). Индексы Североатлантического колебания (САК) и Атлантической мультидекадной осцилляции (AMO) хорошо известны и не требуют описания. Индекс GSNW характеризует положение хорошо идентифицируемой северной границы Гольфстрима («North Wall» или «северная стена»), т.е. косвенно отражает мощность течения. Он рассчитывается в морской лаборатории Плимута

Таблица 2

Корреляционная матрица среднегодовых значений морского уровня до исключения тренда (нижний треугольник) и после его исключения (верхний треугольник) для районов СА (значимые коэффициенты корреляции при уровне значимости α = 0,05 выделены полужирным шрифтом)

	Северная Атлантика	Балтийское море	Карибское море	Мексиканский залив	Северное море	Средиземное море
Северная Атлантика	1,00	0,14	0,26	0,80	0,35	0,02
Балтийское море	0,51	1,00	-0,07	0,27	0,62	-0,71
Карибское море	0,80	0,40	1,00	0,47	0,34	0,02
Мексиканский залив	0,95	0,57	0,86	1,00	0,35	-0,21
Северное море	0,78	0,74	0,75	0,78	1,00	-0,41
Средиземное море	0,73	0,07	0,68	0,69	0,47	1,00

Среда обитания

(Великобритания), а его среднемесячные значения с 1966 г.

по настоящее время представлены на сайте http://www. Бермудская ЭАЗО расположена в центре Гольфстрима и является самой мощной в СА. Оценки потока тепла в Бермудской ЭАЗО брались из работы [3]. На рис. 2 приводится оценка коэффициентов корреляции осредненных по 5-летиям годовых значений индексов климата с УСА. Нетрудно видеть, что высокая положительная корреляция отмечается между УСА и САК, а также значимая корреляция с АМО и QБерЭАЗО. Связь между УСА и САК физически обусловлена. Как известно, при положительных значениях САК отмечается усиление зональной циркуляции атмосферы и ослабление меридионального переноса [5]. Это приводит к интенсификации основной системы течений и повышению уровня океана.

Заключение

Для пяти морей (Балтийское, Карибское, Северное, Средиземное и Мексиканский залив) и СА в целом по натурным альтиметрическим данным рассмотрены особенности межгодовой изменчивости уровня за период 1993–2019 гг. Следует отметить определенные расхождения между уровнем Северной Атлантики (УСА) и УМО. Тренд УСА (2,56 мм/год) заметно ниже тренда УМО (3,2 мм/год), а корреляция между

Общество. Среда. Развитие № 4’2021

УСА и УМО после исключения трендов уменьшается до r = 0,60. Это характеризует региональные особенности межгодовой изменчивости УСА.

Расчет трендов для морей СА показал, что самый высокий тренд в морском уровне отмечается в Мексиканском заливе, который почти в 2 раза больше тренда в Средиземном море. При этом максимальный вклад тренда в межгодовую изменчивость уровня также свойствен Мексиканскому заливу (82%), а наименьший – Балтийскому морю, в котором вклад случайных колебаний в дисперсию уровня превышает вклад тренда. Циклические компоненты

Рис. 1. Межгодовой ход уровня Северной Атлантики (1) и Мирового океана (2)

Рис. 2. Оценки коэффициентов корреляции осредненных по 5-летиям годовых значений климатических индексов с уровнем Северной Атлантики. Пунктирная линия – уровень значимости коэффициента корреляции

отмечаются только в Северном и Балтийском море, вклад которых в дисперсию годовых значений уровня составляет 23 и 36%. Наибольший вклад случайных колебаний (белый шум) приходится на Балтийское море (36%), а наименьший – на Мексиканский залив (18%).

Показана высокая степень связности годовых значений уровня морей друг с другом и особенно с УСА. Так, практически функциональная связь (r = 0,95) отмечается между УСА и уровнем Мексиканского залива. Однако после исключения тренда корреляция заметно уменьшается и в 66% случаях становится даже незначимой, т.е. региональные особенности формирования межгодовой изменчивости уровня в морях СА значительны. Важным фактом является сохранение высокой корреляции между УСА и уровнем Мексиканского залива (r = 0,80). Это означает, что уровень Мексиканского залива можно рассматривать как индикатор межгодовой изменчивости уровня СА. Установлена физически обусловленная связь между уровнем СА и североатлантическим колебанием (САК): уровень океана повышается при усилении САК.