Прогностические оценки климатических изменений в Арктике на основе комбинированного сценария

Atlantic, sea ice, forecast, climate changes,

В последнее время заметно повысился интерес к Арктике благодаря происходящим в этом регионе быстрым

изменениям климата, а также прогнозам, указывающим на так называемое полярное усиление глобального потепления на протяжении всего XXI века [1]. Выводы отдельных публикаций [2] свидетельствуют, что климатические изменения в Арктике достигли порогового значения, при котором могут происходить необратимые процессы, и в грядущие десятилетия следует ожидать полного таяния льда в летний период.

Рассматриваемые отдельно, все модели дают уменьшение интенсивности субтропического круговорота вод в столетии и, как следствие, общее похолодание высокоширотного климата. Однако нужно подчеркнуть, что все эти модели, показывающие постепенное замедление круговорота, свидетельствуют о том, что соответствующее похолодание лишь замедляет общее глобальное потепление. Таким образом, совместные модели океан-атмосфера предсказывают нагревание поверхности повсеместно к концу столетия.

Установить связь поверхностных аномалий и общей циркуляции можно только посредством анализа процессов на глубинах и высокоразрешающего моделирования. В области моделирования океанской циркуляции в последнее десятилетие достигнут существенный прогресс, связанный с увеличением пространственного расширения и использованием новых параметризаций перемешивания. Однако воспроизведение основных механизмов, управляющих океанской циркуляцией и её изменчивостью, в большинстве моделей характеризуется высокой степенью неопределенности. Как следствие, даже такие фундаментальные характеристики океанской циркуляции, как меридиональный перенос тепла, существенно различаются в различных моделях и при сравнении модельных расчетов с балансовыми оценками и прямыми расчетами.

Важнейшая особенность климата Арктики в прошедшем столетии – неоднократные его изменения. В глобальном климате наблюдались периоды потепления (1915-1949 гг. и 1971-по н.в.) и период похолодания (1950-1970 гг.), которые в Арктике, по сравнению с другими широтами, проявляются сильнее (рис. 1).

25 РОССИЙСКАЯ АРКТИКА (№4)

Рис. 1. Среднегодовые аномалии приземной температуры воздуха над сушей (сглаженные по девяти годам) за 1880-2014 гг., осредненные в полосе: оранжевая кривая – от экватора до 24° с. ш., голубая – 24-44° с. ш., фиолетовая – 44-64° с. ш., зелёная – 64-90°

с. ш. (по данным Surface Temperature Analysis (GISTEMP). NASA Goddard Institute for Space Studies [3])

Эти климатические колебания [4– 8] практически не воспроизводятся при моделировании с использованием моделей земной системы из списка МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата или IPCC), основанных на совместных моделях общей циркуляции атмосферы и океана [9] (см. рис. 2).

Годы

Рис. 2. Изменение средней глобальной приземной температуры (относительно 1986-2005 гг.) по данным МГЭИК [9]. Чёрная линия – результаты исторического моделирования CMIP5; синяя линия – временной ряд для сценария RCP2.6; красная линия – временной ряд для сценария RCP8.5. Затенение – мера неопределенности. Цифры – количество моделей CMIP5, использованных для расчёта мультимодельного среднего

26 РОССИЙСКАЯ АРКТИКА (№4)

На рис. 2 представлены временные ряды глобального ежегодного изменения средней приземной температуры за 19002100 гг. (относительно 1986-2005 гг.) по результатам задаваемых концентрациями экспериментов этапа 5 Проекта по сравнению совместных моделей (CMIP5). Приведены проектные оценки мультимодельного среднего (сплошные линии) и интервала 5-95 % повторяемости в распределении значений, полученных по отдельным моделям (затенение). Цифрами указано количество моделей CMIP5, использованных для расчёта мультимодельного среднего. Серые линии и затенение представляют результаты исторического моделирования CMIP5. RCP (Representative Concentration Pathway) – это траектория концентрации парниковых газов (не эмиссия), принятая МГЭИК в своём пятом отчёте [9]. В RCP 2.6 предполагается, что глобальные годовые выбросы парниковых газов (измеряемые в СО2-эквивалентах) достигают максимума в период между 2010 и 2020 годами, после чего выбросы существенно уменьшатся. В RCP 8.5 выбросы продолжают расти в течение всего 21-го века.

Данные измерений и реконструкций температуры в северной полярной зоне [4] свидетельствует о значительном вкладе циклических (около 60 лет) изменений температуры в Арктический климат. В работах [10–12] отмечается, что во внутривековых температурных региональных (в частности, в Северной Атлантике (СА) и атлантическом секторе Арктики), полушарных и глобальных изменениях, а также в изменениях ледовитости арктических морей значимо проявляются вариации с периодом около 6 десятилетий – они характерны для Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО), в свою очередь, связанной с термохалинной циркуляцией океана.

Такое поведение климатических изменений, произошедших за последние полтора века, позволило Г.Н. Панину [4] предложить простую аппроксимацию климатических изменений на основе композиции     «парникового»     и

«циклического»              эффектов

(комбинированный сценарий оценок климатических изменений). Здесь под парниковым изменением климата подразумеваются        климатические изменения, вызванные внешними факторами антропогенного или естественного (извержения вулканов, изменение солнечной постоянной и т.д.) характера. В свою очередь, под циклическими изменениями климата понимаются собственные колебания в совместной системе атмосфера-океан-суша. При этом полагалось, что главная частота наиболее сильных цикличных колебаний климата соответствует периоду колебаний в 60 лет, а

27 РОССИЙСКАЯ АРКТИКА (№4)

парниковые    изменения    климата определяются линейным трендом

ДT - ATPCc + k sin at, (1)

где A T - прогнозируемая аномалия температуры приземного воздуха;

AT

IPCC

– аномалия температуры, прогнозируемая с помощью МЗС МГЭИК; ® -циклическая частота приблизительно 60летних колебаний климата; t – время; к (^ ^ ) — эмпирический коэффициент, зависящий от координат (более подробно см. [13]).

На основе предложенного комбинированного сценария, согласно формуле (1), был построен прогноз приповерхностных характеристик атмосферы на период 2010-2071 гг. с упором на данные за 1948-2009 гг. из базы CORE (Datasets for Common Oceanice Reference Experiments) [14] приповерхностных атмосферных характеристик за 1948-2009 гг. Эти данные [14], основанные на реанализе NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research), характеризуются высоким качеством, достоверностью и сбалансированностью (что особенно важно для приходящей к поверхности Земли радиации), так как специально подготовлены для использования в моделях общей циркуляции океана. Используя эти данные, с помощью модели общей циркуляции океана INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) были проведены ретроспективные и прогностические расчёты по воспроизведению термохалинной циркуляции и морского льда в Атлантическом и Северном Ледовитом океанах (СЛО) на период 2010-2071 гг. В этой модели на основе полной системы уравнений гидротермодинамики океана рассчитываются все параметры циркуляции и термодинамического состояния вод океана, включая динамику и термодинамику морского льда [15].

Все это позволило оценить вклад термохалинной циркуляции в формирование североатлантического меридионального переноса тепла (МПТ) в высокие широты Северного полушария, оценить роль циклических особенностей климатических изменений СА и Арктики, изменение состояния ледяного покрова Арктики. Похолодание Арктики в 19501970-х годах происходило при снижении интенсивности АМО и Атлантической меридиональной циркуляции (АМЦ) в этот период. Последний отражает климатические изменения в потоке тепла с поверхности СА в атмосферу в средних широтах. А рост интенсивности АМЦ в последние три десятилетия ХХ в. вместе с антропогенным воздействием мог способствовать значительному потеплению в Арктике. Эти изменения, по-видимому, привели и к увеличению продолжительности навигационного периода Северного морского пути (СМП). Изменчивость индекса АМО, а также индекса интенсивности АМЦ и связанного с ним результирующего потока тепла между СА и атмосферой характеризуется значительными долгопериодными колебаниями, что дает основание использовать эти индексы для оценки непосредственного влияния изменения климата СА на вариации климата в Северной Евразии и Арктике. Активизация таяния льда в Арктике в 1990-2000-х гг. согласуется с ростом этих индексов. [13].

Тенденции изменения ледовитости СЛО (рис. 3) находятся в противофазе с вариациями АМЦ и индекса АМО (см. [13]). Снижение активности термохалинной циркуляции в СА в период с 1948 г. до середины 1970-х годов согласуется с ростом ледовитости СЛО в этот период (см. [16, с.132; 17]). Рост интенсивности АМЦ и АМО с середины 1970-х годов до конца столетия сопровождался изменением распределения пресной воды в верхнем слое и уменьшением площади морского льда СЛО. По результатам расчётов циркуляции Мирового океана также выявлено заметное падение интенсивности АМЦ в конце ХХ в., которое проявляется также и для эволюции МПТ в океане [5; 18], результирующего потока тепла между СА и атмосферой.

28 РОССИЙСКАЯ АРКТИКА (№4)

Рис. 3. Результаты расчётов по INMOM (1948-2009 гг. – диагноз, 2010-2070 гг. – прогноз согласно комбинированному сценарию) временного хода: среднегодового индекса АМО (оранжевая линия); МПТ, среднего в полосе 30-60° с. ш. в СА (зелёная линия) и площади арктического льда в марте (голубая линия) и в сентябре (фиолетовая линия)

Результаты эволюции морского льда в СЛО, полученные с помощью расчётов по INMOM, показывают (рис. 3) ближе к 2020-м годам смену тенденций в ледовитости с падения на рост до середины 2030-х. А далее опять происходит быстрое уменьшение площади морского льда в СЛО. Такое поведение ледовитости находится в полном соответствии с ходом приповерхностной температуры в высоких широтах [19], когда имеет место падение среднегодовой температуры с начала 2020-х по середину 2030-х годов. В сезонном разрезе падение температуры начинается немного раньше, с 2007 г. в

29 РОССИЙСКАЯ АРКТИКА (№4)

зимний сезон и с 2016 г. в летний. Также можно заметить, что рост площади льда в 2020-2030 гг. весьма значителен (рис. 3), и на 2026 г. почти соответствует состоянию, наблюдавшемуся при локальном похолодании 1970-х. При этом средняя температура локального похолодания 1960-х годов была приблизительно на 1.5°С ниже, чем в 2020-х годах. Таким образом, обнаружен нелинейный эффект в эволюции льда в СЛО, когда при значительно разных климатических ситуациях площадь льда в СЛО сравнима.

Проведённый анализ тенденций изменения ледовитости СЛО на основе ежедневных данных модельных расчетов (по комбинированному сценарию) показывает возможное похолодание в Арктике и соответствующее снижение продолжительности навигационного периода СМП в ближайшие 10-20 лет.

Сценарии развития морских льдов, полученные при помощи численного моделирования (см., например, [10; 11; 20-22]), показывают уменьшение площади ледяного покрова, что улучшит возможности навигации на трассе СМП и деятельности на шельфе в других частях Арктики. Понятие «навигационный сезон» используется для определения числа дней в году, когда ледовые условия для навигации являются лёгкими в соответствии с оперативными определениями [20]. Для судов разного ледового класса требования для максимальной степени покрытия акватории льдом различны. Например, пороговое значение концентрации морских льдов 50% соответствует судам повышенного ледового класса.

Для определения продолжительности навигационного периода (ПНП) по комбинированному сценарию за 1948-2071 гг. использовались различные значения для предельной концентрации морских льдов в океанических модельных ячейках. В том числе, определялось количество суток в году с концентрацией морских льдов, не превышающей 15% (85% площади с открытой водой). Для сравнения, результаты сопоставлялись со спутниковыми данными (SMMR) за 19802013 гг., полученными в [11; 21] (рис. 4).

Как видно из рисунков, комбинированный сценарий даёт очень хорошее соответствие с данными наблюдений. Коэффициент корреляции между ПНП по комбинированному сценарию и данным со спутника составляет 0.5 (рис. 4б). На фоне общей тенденции увеличения ПНП отмечается большая межгодовая изменчивость. В отдельные периоды заметно уменьшается ПНП в XXI веке. По нашим расчетам, продолжительность навигации по СМП при концентрации морских льдов (степени покрытия акватории льдом) 15% может составить к 40-м годам XXI в. около 3.5-4 месяцев, а к 70-м годам -около 4.5-4.7 месяцев (рис. 4а).

30 РОССИЙСКАЯ АРКТИКА (№4)

Рис. 4. Межгодовые вариации продолжительности навигационного периода Т(сут) при доле морских льдов не более 15%: голубая линия – по комбинированному сценарию за 1948-2071 гг; чёрная линия – спутниковые данные (SMMR) за 1980-2013 гг. по [21] (а).

Сопоставление результатов моделирования ПНП (комбинированный сценарий) со спутниковыми данными (SMMR) при доле морских льдов не более 15% за 1980-2013 гг.

(б)

Выводы

Основываясь на предложенной

Г.Н. Паниным [4] аппроксимации климатических изменений на основе композиции     «парникового»     и

«циклического» эффектов, впервые для описания процессов, происходящих в полярных областях и прилегающих к ним районам, предложено использование модели с так называемой циклической составляющей для оценки возможных перспектив Северного морского пути

• [13] . Этот подход позволяет описывать не только рост температуры, вызванный эмиссией парниковых газов, но и изменчивость климата (в частности наблюдавшееся похолодание в 19501970-х гг.).

Проведено исследование взаимосвязей между климатическими процессами Северной Атлантики и Арктики. Предложенный комбинированный сценарий климатических изменений показывает возможное похолодание в Арктике и соответствующее снижение продолжительности навигационного периода Северного морского пути в ближайшие 15 лет. Начиная приблизительно с 2035 г. вплоть до 2070 г. опять начнётся потепление, причём более стремительное, чем было в конце ХХ в. По крайней мере, сценарий изменений ледовитости Арктики показывает это. Обнаружен нелинейный эффект в эволюции льда, когда при значительно разных климатических ситуациях 1980-х и прогнозируемых 2020-х гг. площадь льда в Арктике сравнима.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант №18-05-60111-Арктика .

31 РОССИЙСКАЯ АРКТИКА (№4)