Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата

Представлены результаты моделирования влияния естественной изменчивости в системе океан – атмосфера в Северной Атлантике и Арктике на глобальный климат. Анализировались результаты численных экспериментов с совместной моделью общей циркуляции атмосферы и верхнего перемешанного слоя океана с использов...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Семенов, В.А., Мохов, И.И., Полонский, А.Б.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2014
Назва видання:	Морской гидрофизический журнал
Теми:	Термогидродинамика океана
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105134
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата / В.А. Семенов, И.И. Мохов, А.Б. Полонский // Морской гидрофизический журнал. — 2014. — № 4. — С. 14-27. — Бібліогр.: 38 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-105134
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1051342016-08-08T03:02:34Z Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата Семенов, В.А. Мохов, И.И. Полонский, А.Б. Термогидродинамика океана Представлены результаты моделирования влияния естественной изменчивости в системе океан – атмосфера в Северной Атлантике и Арктике на глобальный климат. Анализировались результаты численных экспериментов с совместной моделью общей циркуляции атмосферы и верхнего перемешанного слоя океана с использованием аномальных величин потоков тепла из океана в атмосферу. Согласно полученным результатам, собственной долгопериодной изменчивостью в Северной Атлантике и атлантическом секторе Арктики можно объяснить около половины величины роста приповерхностной температуры Северного полушария в последней трети ХХ в. Отмечено, что важный вклад при этом вносят аномальные потоки тепла в Арктике, которые обычно не учитываются при моделировании эффекта долгопериодных колебаний в Северной Атлантике. Результаты численных экспериментов подтверждают вывод о значимой роли естественной изменчивости в Северной Атлантике и Арктике в формировании не только региональных, но и глобальных изменений климата. Именно с недостаточным учетом отмеченных эффектов может быть связана существенная переоценка чувствительности некоторых глобальных климатических моделей к увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере. Представлені результати моделювання впливу природної мінливості в системі океан – атмосфера в Північній Атлантиці та Арктиці на глобальний клімат. Аналізувалися результати чисельних експериментів зі спільною моделлю загальної циркуляції атмосфери та верхнього перемішаного шару океану з використанням аномальних величин потоків тепла з океану в атмосферу. Згідно отриманим результатам, власною довгоперіодною мінливістю в Північній Атлантиці та атлантичному секторі Арктики можна пояснити близько половини величини зростання приповерхневої температури Північної півкулі в останній третині ХХ ст. Відмічено, що важливий внесок при цьому роблять аномальні потоки тепла в Арктиці, які звичайно не враховуються при моделюванні ефекту довгоперіодних коливань в Північній Атлантиці. Результати чисельних експериментів підтверджують висновок про значущу роль природної мінливості в Північній Атлантиці та Арктиці у формуванні не тільки регіональних, але й глобальних змін клімату. Саме із недостатнім урахуванням відмічених ефектів може бути пов'язана істотна переоцінка чутливості деяких глобальних кліматичних моделей до збільшення концентрації парникових газів у атмосфері. Results of simulations of impact of natural variability of the coupled ocean-atmosphere system in the North Atlantic and Arctic on global climate are represented. Numerical experiments based on the joint model of atmospheric global circulation and the oceanic upper mixed layer are analyzed using anomalous heat fluxes on the ocean-atmosphere boundary. In accordance with the obtained results, about a half of air temperature increase in the Northern Hemisphere in the last third of the XX century can be explained by proper low-frequency variability in the North Atlantic and the Atlantic sector of the Arctic. It is noted that contribution of anomalous heat fluxes in the Arctic which usually are not taken into consideration in modeling the effect of long-period oscillations in the North Atlantic, are important. Results of numerical simulations confirm the conclusion on significant role of natural variability in the North Atlantic and Arctic in formation of not only regional climate changes but also global ones. Just underestimation of the discussed effects can be a reason of significant over-estimation of sensitivity of some global climatic models to increase of concentration of green-house gases in the atmosphere. 2014 Article Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата / В.А. Семенов, И.И. Мохов, А.Б. Полонский // Морской гидрофизический журнал. — 2014. — № 4. — С. 14-27. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. 0233-7584 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105134 551.465.7 ru Морской гидрофизический журнал Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Термогидродинамика океана Термогидродинамика океана
spellingShingle	Термогидродинамика океана Термогидродинамика океана Семенов, В.А. Мохов, И.И. Полонский, А.Б. Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата Морской гидрофизический журнал
description	Представлены результаты моделирования влияния естественной изменчивости в системе океан – атмосфера в Северной Атлантике и Арктике на глобальный климат. Анализировались результаты численных экспериментов с совместной моделью общей циркуляции атмосферы и верхнего перемешанного слоя океана с использованием аномальных величин потоков тепла из океана в атмосферу. Согласно полученным результатам, собственной долгопериодной изменчивостью в Северной Атлантике и атлантическом секторе Арктики можно объяснить около половины величины роста приповерхностной температуры Северного полушария в последней трети ХХ в. Отмечено, что важный вклад при этом вносят аномальные потоки тепла в Арктике, которые обычно не учитываются при моделировании эффекта долгопериодных колебаний в Северной Атлантике. Результаты численных экспериментов подтверждают вывод о значимой роли естественной изменчивости в Северной Атлантике и Арктике в формировании не только региональных, но и глобальных изменений климата. Именно с недостаточным учетом отмеченных эффектов может быть связана существенная переоценка чувствительности некоторых глобальных климатических моделей к увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере.
format	Article
author	Семенов, В.А. Мохов, И.И. Полонский, А.Б.
author_facet	Семенов, В.А. Мохов, И.И. Полонский, А.Б.
author_sort	Семенов, В.А.
title	Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата
title_short	Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата
title_full	Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата
title_fullStr	Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата
title_full_unstemmed	Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата
title_sort	моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в северной атлантике на формирование аномалий климата
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Термогидродинамика океана
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105134
citation_txt	Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата / В.А. Семенов, И.И. Мохов, А.Б. Полонский // Морской гидрофизический журнал. — 2014. — № 4. — С. 14-27. — Бібліогр.: 38 назв. — рос.
series	Морской гидрофизический журнал
work_keys_str_mv	AT semenovva modelirovanievliâniâestestvennojdolgoperiodnojizmenčivostivsevernojatlantikenaformirovanieanomalijklimata AT mohovii modelirovanievliâniâestestvennojdolgoperiodnojizmenčivostivsevernojatlantikenaformirovanieanomalijklimata AT polonskijab modelirovanievliâniâestestvennojdolgoperiodnojizmenčivostivsevernojatlantikenaformirovanieanomalijklimata
first_indexed	2025-07-07T16:23:12Z
last_indexed	2025-07-07T16:23:12Z
_version_	1837005950886608896
fulltext	© В.А. Семенов, И.И. Мохов, А.Б. Полонский, 2014 УДК 551.465.7 В.А. Семенов1,2,3, И.И. Мохов1,3,4, А.Б. Полонский3,5 Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата Представлены результаты моделирования влияния естественной изменчивости в системе океан – атмосфера в Северной Атлантике и Арктике на глобальный климат. Анализировались ре- зультаты численных экспериментов с совместной моделью общей циркуляции атмосферы и верхнего перемешанного слоя океана с использованием аномальных величин потоков тепла из океана в атмосферу. Согласно полученным результатам, собственной долгопериодной изменчи- востью в Северной Атлантике и атлантическом секторе Арктики можно объяснить около поло- вины величины роста приповерхностной температуры Северного полушария в последней трети ХХ в. Отмечено, что важный вклад при этом вносят аномальные потоки тепла в Арктике, кото- рые обычно не учитываются при моделировании эффекта долгопериодных колебаний в Север- ной Атлантике. Результаты численных экспериментов подтверждают вывод о значимой роли естественной изменчивости в Северной Атлантике и Арктике в формировании не только регио- нальных, но и глобальных изменений климата. Именно с недостаточным учетом отмеченных эффектов может быть связана существенная переоценка чувствительности некоторых глобаль- ных климатических моделей к увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере. Ключевые слова: естественные и антропогенные изменения климата, Атлантическое дол- гопериодное колебание (Атлантическая мультидекадная осцилляция). Введение Среднегодовая приповерхностная температура атмосферы (ПТА) Север- ного полушария (СП) выросла приблизительно на 1°С с начала XX в. (рис. 1). Потепление было неравномерным и значительно ускорилось в последние де- сятилетия. Действительно, за последние четыре десятилетия – с температур- ного минимума 1970-х гг. по настоящее время – в СП потеплело на 0,7°С. Наряду с современным потеплением значительный рост приповерхностной температуры атмосферы отмечался в первой половине XX в. (с последующим некоторым похолоданием) [1]. Темпы роста ПТА в этот период были сравни- мы с современными изменениями. Один из возможных механизмов, объяс- няющих потепление в первой половине XX в., связан с естественной долго- периодной изменчивостью климата, в частности с колебаниями интенсивно- сти меридиональной океанической циркуляции в Северной Атлантике [2 – 7]. Некоторые авторы указывают на существенный вклад в изменения ПТА внешних воздействий на климат естественного происхождения. К ним преж- де всего относятся вариации солнечной активности, содержания в атмосфере аэрозоля вулканического и антропогенного происхождения [1, 8, 9]. Отме- тим, что по результатам расчетов с использованием ансамбля глобальных климатических моделей, выполненных в рамках международного проекта CMIP3 [10] и учитывающих как естественные, так и антропогенные воздей- ствия на климатическую систему, потепление в середине XX в. в целом за- метно недооценивается (рис. 2, а). Особенно следует отметить значительные различия модельных результатов и данных наблюдений в высоких широтах Северного полушария (рис. 2, б). ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 14 Р и с. 1. Аномалии среднегодовой приповерхностной температуры (°С) по данным GISS [11]: а – осредненные для Северного полушария (красная кривая – скользящие 5-летние средние значения); б – в первом десятилетии XXI в. относительно последнего десятилетия XX в.; в – тренд температуры (°С/10 лет) для периода 2001 – 2010 гг. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 15 Р и с. 2. Среднегодовые аномалии приповерхностной температуры в ХХ в. по данным наблю- дений (красная кривая – по данным CRUTEM3) и по результатам численных экспериментов с ансамблем климатических моделей CMIP3 при антропогенных воздействиях и влиянии внеш- них естественных факторов – солнечной и вулканической активности (синяя кривая – средние по ансамблю моделей изменения, синяя штриховка – стандартные отклонения для ансамбля моделей) для суши Северного полушария – а и Арктики (60 – 90° с. ш.) – б Адекватное понимание причин резкого потепления в первой половине и последней трети XX в. исключительно важно для определения относительно- го вклада антропогенных воздействий, естественных внешних факторов и внутренней изменчивости в температурные колебания и для корректной оценки чувствительности климата к увеличению концентрации парниковых газов [4, 5, 7]. В работе [4] сделан вывод, что не только в модельных резуль- татах, полученных в рамках различных численных экспериментов, но и в большинстве оценок климатических изменений, выполненных с применени- ем статистических палеореконструкций, недооцениваются естественные из- менения климата. В значительной степени быстрый рост приземной темпера- туры в последней трети ХХ в. (особенно в Северной Атлантике и прилегаю- щих материковых регионах) связан с совпадением знака тренда и квазипе- риодической компоненты изменчивости с характерным периодом в несколь- ко десятков лет (Атлантическая мультидекадная осцилляция (АМО), которая в настоящее время находится в фазе роста). Утверждалось, что в связи с ожи- даемой сменой фазы АМО темпы потепления должны вскоре уменьшиться. И этот вывод подтверждается последними данными наблюдений. Существенная особенность современных температурных изменений за- ключается в тенденции замедления темпов приповерхностного потепления в последние годы. Хотя все среднегодовые значения температурных аномалий для СП в XXI в. (по данным GISS [11]) превышают предшествующие значе- ния за период инструментальных наблюдений с середины XIX в. (за исклю- чением периода, когда наблюдался сильный глобальный эффект особенно интенсивного Эль-Ниньо 1997 – 1998 гг.), рост приповерхностной температу- ры в СП за первое десятилетие XXI в. составил 0,1°С, глобальной – всего 0,05°С. При этом тренды среднегодовой температуры в 2001 – 2010 гг. харак- теризуются некоторым уменьшением ПТА над континентами СП преимуще- ственно вследствие похолодания в зимний период, контрастирующего с ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 16 сильным потеплением в Арктике (0,55°С в среднем для широт севернее 60° с. ш.) (рис. 1). Среднее за десятилетие похолодание над континентами СП сопровожда- лось несколькими сильными отрицательными аномалиями в зимний период 2003, 2006, 2010 и 2012 гг. Проявление подобных отрицательных темпера- турных аномалий не противоречит общей тенденции потепления последних десятилетий. Согласно модельным расчетам, следует ожидать увеличения количества блокирующих антициклонов, с которыми связаны экстремальные морозы зимой, и усиления их общего климатического влияния на сушу СП при глобальном потеплении [12, 13]. Формированию аномально холодных зим может способствовать уменьшение площади ледового покрова в Арктике вследствие нелинейного отклика атмосферной циркуляции на нагрев нижней атмосферы зимой в высоких широтах [14, 15]. Несмотря на замедление глобального (и среднеполушарного) потепления в XXI в. рост приповерхностной температуры в Арктике продолжился прак- тически такими же темпами, как и в предшествующее десятилетие, со значи- тельными различиями температурных изменений в средних и высоких широ- тах. Среди возможных причин – изменения атмосферной циркуляции с ано- мально сильной адвекцией тепла в высокие широты [16] и перенос океаниче- ского тепла в атлантическом секторе Арктики [17]. На связь с океаническим переносом тепла также указывает пространственная структура долгопериод- ных колебаний зимней температуры в Арктике [18, 19]. Быстрое потепление в Арктике взаимосвязано с уменьшением площади морских льдов с рекордным (за период спутниковых наблюдений с 1978 г.) минимумом в сентябре 2012 г. Уменьшение площади арктических морских льдов летом является одним из самых ярких проявлений глобального потеп- ления. В то же время площадь арктического льда зимой уменьшается не так быстро и, согласно новым модельным оценкам, в настоящее время она срав- нима со значениями предшествующего периода потепления в середине XX в. [20]. Понимание особенностей динамики климата в XX в. и начале XXI в. тре- бует более детальных и разносторонних исследований, учитывающих фактор внутренних естественных колебаний климата, в том числе для построения дос- товерных сценариев возможных климатических изменений в XXI в. Долгопериодные колебания климата в Северной Атлантике и Арктике Динамику температурных изменений за период инструментальных на- блюдений (рис. 1, а) можно представить как результат совместного действия монотонно растущего антропогенного воздействия и квазипериодического внутреннего колебания естественного происхождения, связанного с динами- кой океанической циркуляции, характерный временной масштаб которой со- ставляет несколько десятилетий. Долгопериодные квазипериодические вариации глобального и регио- нального климата с периодом 50 – 70 лет проявляются в ПТА как по данным инструментальных наблюдений последних 150 лет, так и в различных темпе- ратурных реконструкциях [21, 22]. Наиболее сильно эти вариации выражены в изменениях температуры поверхности океана (ТПО) в Северной Атлантике ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 17 (рис. 3) [2]. Именно поэтому они получили название Атлантическое долгопе- риодное колебание (АДК), или АМО. Эти колебания, как видно на рис. 3, в целом синфазны с соответствующими вариациями приповерхностной темпе- ратуры СП в последнем столетии. Анализ пространственной структуры раз- личий результатов модельных экспериментов по воспроизведению климати- ческих изменений в ХХ в. и данных наблюдений для ПТА показал, что наи- более сильные расхождения характерны для Северной Атлантики [23, 24]. В связи с существенной ролью региональных колебаний океанической цирку- ляции в Северной Атлантике необходима количественная оценка вклада свя- занных с АДК естественных колебаний климата в происходящие глобальные климатические изменения. От адекватности учета фактора влияния АДК су- щественно зависит качество климатического прогноза на ближайшие десяти- летия. Р и с. 3. Среднегодовые аномалии температуры поверхности океана в Северной Атлантике, осредненные для региона 50 – 10° з. д., 40 – 60° с. ш. (ось справа) как индекс АДК и аномалии приповерхностной температуры в Северном полушарии (ось слева) При моделировании воздействия АДК на глобальный климат ранее ис- пользовались только аномалии ТПО в Северной Атлантике. В [25] в совмест- ной модели атмосферы и океана оценивалась роль аномальных потоков тепла из океана в атмосферу, связанных с АДК в XX в. При этом с учетом лишь потоков в Северной Атлантике, регионе аномальных значений ТПО, вклад АДК в вариации приповерхностной температуры СП не превышал 0,2°С. Анализ величины аномальных турбулентных потоков тепла на нижней границе атмосферы, связанных с экстремумами АДК в XX в., показал, что АДК сопровождается помимо аномальных потоков в Северной Атлантике [26] аномальными потоками в атлантическом секторе Арктики, наиболее зна- чительными в зимний период в Баренцевом море [6, 27]. Эти аномалии связа- ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 18 ны с изменениями границ морского льда, вызванными вариациями океаниче- ского притока тепла. Отдельные современные климатические модели способ- ны воспроизводить влияние АДК на океанический приток в Баренцево море и соответствующие потоки тепла в атмосферу [27, 28]. Аномальные потоки тепла из океана в атмосферу, связанные с АДК Анализ эмпирических данных ТПО и границ морского льда в ХХ в. [29] дает возможность оценить величины аномальных потоков турбулентного те- пла в атмосферу, связанных с АДК, для трех долгопериодных изменений: пе- рехода от холодной фазы в начале ХХ в. к температурному максимуму в 1940-х гг., последующего перехода к холодной фазе в 1970-х гг. и перехода к современной теплой фазе. Потоки могут быть оценены с помощью модели общей циркуляции атмосферы (МОЦА) с использованием исторических данных для ТПО и концентрации морского льда в качестве граничных усло- вий. Кроме того, могут быть использованы данные реанализа NCEP [30]. Согласно оценкам среднезональных аномалий потоков турбулентного тепла, в атлантическом секторе (70° з. д. – 80° в. д.) проявляются два макси- мума, характерные для всех трех переходов, между экстремумами АДК как по данным реанализа NCEP (рис. 4, а), так и по модельным расчетам с МОЦА ECHAM5 (рис. 4, б). Один максимум вблизи 40° с. ш. связан с соответствую- щими аномалиями ТПО. Другой максимум, согласно модели общей циркуля- ции атмосферы и океана МОЦАО ECHAM5/MPI – OM, расположен между 70 и 80° с. ш. (рис. 4, в), что указывает на его связь с морскими льдами, изме- нения которых максимальны в этом широтном поясе в Гренландском и Ба- ренцевом морях в зимний период. Р и с. 4. Среднезональные аномальные потоки турбулентного тепла в атмосферу с поверхно- сти океана (разность между периодами максимума и минимума АДК): а – по данным реанали- за NCEP; б – по результатам экспериментов с МОЦА ECHAM5 при использовании данных наблюдений по ТПО и границам морского льда HadISST1; в – по данным контрольного экспе- римента с МОЦАО ECHAM5/MPI-OM ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 19 Вклад аномалий потоков турбулентного тепла в Арктике, связанных с АДК, может составлять ∼ 45% от интегральной величины аномальных пото- ков. Столь значительные потери тепла в Арктике можно связать с усилением аномалий океанического притока в Баренцево море вследствие положитель- ной обратной связи между притоком и площадью морского льда. Анализ этой обратной связи по данным наблюдений и ее моделирование были выполнены в [31], где предполагалось, что потепление в середине XX в. было вызвано долгопериодной аномалией переноса океанического и атмосферного тепла, усиленного положительной обратной связью. В [32] показано, что такая об- ратная связь может приводить к полному прекращению океанического при- тока в Баренцево море. Механизм положительной обратной связи функционирует следующим образом. Усиление океанического притока приводит к уменьшению площади морского льда и усилению потерь тепла с поверхности моря. Потери тепла с поверхности Баренцева моря в зимний период в среднем за сезон достигают 150 Вт/м2 с экстремальными значениями, доходящими в отдельные моменты времени до 1000 Вт/м2. Подобные источники тепла способствуют конвекции и образованию циклонической завихренности в нижней тропосфере. Как по- казали эксперименты с МОЦА [31], аномалии атмосферной циркуляции, свя- занные с уменьшением концентрации морского льда в Баренцевом море, при- водят к усилению юго-западных ветров в западной оконечности моря. Это приводит к дальнейшему усилению океанического (и атмосферного) притока тепла в Баренцево море, в результате чего формируется положительная об- ратная связь между притоком и площадью ледового покрова. Таким образом, АДК сопровождаются усиленными потерями тепла из океана в атмосферу в Арктике, которые ранее не учитывались при анализе влияния АДК на глобальный климат. Следует отметить, что физические про- цессы, приводящие к данной обратной связи, достаточно сложны, требуют высокого пространственного разрешения (прежде всего океанических моде- лей в атлантическом секторе Арктики) и реалистичного воспроизведения ха- рактеристик климата в регионе. Постановка модельных экспериментов С получением оценок обусловленных АДК потоков тепла на основе эм- пирических данных для ТПО и границ морских льдов связан ряд проблем. Во-первых, трудно разделить изменения потоков, обусловленные АДК и внешними климатическими воздействиями (прежде всего увеличением кон- центрации парниковых газов и изменениями концентрации сульфатного аэ- розоля). Это особенно важно при анализе трендов последних десятилетий. Более репрезентативными для оценки естественных аномалий потоков тепла, связанных с АДК, могут быть изменения ТПО в начале ХХ в., когда антропо- генные воздействия на климат были относительно слабыми. Это относится и к периоду похолодания в 1950 – 1970-х гг. К сожалению, надежные данные о границе морских льдов зимой доступны только для периода перехода к по- следней теплой фазе АДК. Спутниковые данные о морских льдах доступны с 1978 г., сеточные данные о концентрации ледового покрова – с 1953 г. [33], ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 20 но их качество до 1960-х гг. представляется неудовлетворительным. В [20] показано, что эти данные могут существенно занижать амплитуду вариаций площади морских льдов в Арктике зимой в середине XX в., что приводит к заниженным оценкам потоков тепла со свободной от льда поверхности океа- на в атмосферу. Модельные эксперименты [20] указывают на то, что площадь льда в середине XX в. была сравнима с современными значениями, что также согласуется с эмпирическими региональными оценками [34]. Для моделирования эффекта АДК можно использовать результаты кон- трольного (без внешних воздействий) численного эксперимента с климатиче- ской моделью, которая хорошо воспроизводит АДК и связанную с ним структуру и величину аномальных потоков тепла. Соответствующая модель была выбрана на основе анализа результатов контрольных экспериментов в рамках проекта CMIP3 [27]. Структура связанных с АДК аномальных пото- ков тепла в модели показана на рис. 4, в. Интегральная величина аномальных потоков составляет 0,09 ПВт, что согласуется с эмпирическими оценками долгопериодных вариаций меридионального переноса тепла в Северной Ат- лантике [35]. Пространственная структура среднегодовых значений аномаль- ных потоков показана на рис. 5. Р и с. 5. Среднегодовые аномальные потоки турбулентного тепла (Вт/м2) с поверхности океа- на (разность между периодами максимума и минимума АДК) по данным контрольного экспе- римента с МОЦАО ECHAM5/MPI-OM ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 21 Для анализа отклика глобальной климатической системы на аномальные потоки тепла, связанные с АДК, была проведена серия численных экспери- ментов с совместной моделью атмосферы (МОЦА ECHAM5) и океана (тер- модинамическая модель верхнего перемешанного 50-метрового слоя), а именно: – контрольный эксперимент CNTRL, в котором конвергенция океаниче- ского потока тепла (Q-поток) задавалась по данным численного эксперимента с МОЦА ECHAM5 с использованием климатологических данных (соответст- вующих современному климату) для ТПО и морского льда AMIP-II; – эксперимент ATLICE с дополнительным потоком тепла только в секто- ре 70° з. д. – 80° в. д., 40 – 90° с. ш. для исключения воздействия других фак- торов, кроме прямого влияния АДК; – эксперимент ATL с дополнительным потоком тепла только в Атланти- ке (сектор 70° з. д. – 80° в. д., 40 – 60° с. ш.); – эксперимент ICE с дополнительным потоком тепла только в Арктике (сектор 70° з. д. – 80°в. д., 60 – 90° с. ш.); – эксперимент ATLICE × 2, аналогичный эксперименту ATLICE, но с уд- военной величиной аномальных потоков. Длительность каждого эксперимента составляла 100 модельных лет. Результаты моделирования влияния АДК на глобальный климат Аномальные потоки тепла в проведенных численных экспериментах приводят к значительному увеличению ПТА в Северном полушарии (со среднеполусферным ростом температуры на 0,4°C) при глобальном потепле- нии ∼ 0,25°C (рис. 6, г). Особенно сильное потепление отмечается в высоко- широтных регионах континентов СП, в том числе с региональным максиму- мом в Восточной Европе. Результаты численных экспериментов можно срав- нить c температурными трендами по данным наблюдений за период 1978 – 2007 гг. (рис. 6, a) и с результатами, полученными по ансамблю глобальных моделей климата CMIP3 за тот же период (рис. 6, б), представленными сред- ним по ансамблю моделей трендом в экспериментах с антропогенным и есте- ственным воздействием на климат. В 1978 г. ТПО в Северной Атлантике дос- тигла минимума после потепления в середине ХХ в., затем начался ее быст- рый рост. Таким образом, последующий 30-летний тренд соответствует пере- ходу от отрицательного экстремума АДК к его положительной фазе. Про- странственные распределения потепления на рис. 6, а, г очень похожи, с мак- симумами над северо-западной частью Евразии, северо-восточной частью Северной Америки и Восточной Азией, с наиболее сильным потеплением в атлантическом секторе Арктики и над Скандинавией. В эксперименте ATLICE также отмечена протяженная область потепления в Тихом океане вдоль 30° с. ш., что подтверждается данными наблюдений. Отдельный вклад связанных с АДК аномальных потоков в Атлантике и Арктике может быть оценен по результатам экспериментов ATL и ICE (рис. 6, д, е соответственно). В глобальном и среднеполусферном (в СП) по- теплении вклад потоков в Арктике почти на треть больше, чем в Атлантике. С потоками тепла в Арктическом регионе связано значительное потепление в ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 22 Северной Америке, Северной Европе, Западной Сибири. Максимум потепле- ния приходится на регион Баренцева моря, при этом над Евразией наиболее сильное потепление отмечено в Восточной Европе, в том числе на восточном побережье Черного моря. С потоками тепла в Атлантике связан основной вклад в потепление над Восточной Европой и Восточной Сибирью (рис. 6, e). Эксперимент с удвоенной величиной потоков (рис. 6, в) показал примерно удвоенную аномалию температуры по сравнению с экспериментом ATLICE со сходной пространственной структурой. Вертикальная структура темпера- турных изменений в модельных экспериментах также хорошо согласуется с данными наблюдений (рис. 7 в [27]). Р и с. 6. Тренды среднегодовой приповерхностной температуры атмосферы для периода 1978 – 2007 гг. (°C/30 лет) по данным наблюдений GISS – а и по ансамблю моделей CMIP3 – б в экспериментах с заданным внешним (естественным и антропогенным) воздействием на кли- мат. Изменения ПТА (разность между экспериментами с аномальными величинами потоков и контрольным экспериментом, °C) в экспериментах ATLICE × 2 с аномальными потоками теп- ла – в, ATLICE – г, ATL – д, ICE – е. Справа вверху над каждым рисунком отмечены соответст- вующие значения изменений глобальной и полусферной (в скобках – для СП) температуры ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 23 С учетом потоков тепла в Арктике воздействие АДК на температурные изменения (глобальные и в СП) примерно вдвое больше, чем без этого учета в экспериментах, представленных в работе [25]. Также следует отметить, что температурные изменения, связанные с АДК (более сильное потепление в Арктике и над Евразией), в самых общих чертах сходны с изменениями, вы- званными антропогенным воздействием. Это может привести к трудности в выделении антропогенного сигнала в данных наблюдений. Обсуждение и выводы Ускорение роста приповерхностной температуры Северного полушария в последние десятилетия ХХ в. связано с естественной долгопериодной клима- тической изменчивостью в Северной Атлантике, приводящей к значительным изменениям и в Арктическом регионе. Адекватное понимание роли внутрен- ней долгопериодной изменчивости климата принципиально важно для оцен- ки вклада антропогенных воздействий на глобальный климат. Согласно по- лученным результатам, с естественной изменчивостью может быть связано около половины величины повышения температуры последних трех – четы- рех десятилетий. Следует отметить, что климатические модели в среднем по ансамблю CMIP3 хорошо воспроизводят тренд глобальной и среднеполу- сферной (в СП) приповерхностной температуры для трех последних десяти- летий XX в. Согласно полученным модельным оценкам, половина величины этого тренда могла быть связана с внутренней климатической изменчиво- стью. Это позволяет предположить, что чувствительность моделей к внешне- му воздействию (прежде всего к увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере) может существенно (примерно вдвое) завышаться. Результаты проведенных численных экспериментов указывают на то, что около половины величины общего роста приповерхностной температуры СП за последние три – четыре десятилетия действительно связано с переходом к положительной фазе АДК естественного происхождения, для которой харак- терны долгопериодные колебания с периодом 50 – 70 лет. Эксперименты с моделью общей циркуляции океана при использовании заданных по данным наблюдений вариаций атмосферного воздействия свидетельствуют, что ме- ридиональный перенос тепла усиливался в последние десятилетия [36]. При этом отсутствие роста АДК в первом десятилетии XXI в. должно способство- вать замедлению темпов роста глобальной температуры. Сохранение же тем- пов роста температуры в Арктике можно объяснить тем, что перенос тепла в этот регион происходит с некоторой задержкой, обусловленной временем адвекции аномалий. Нельзя исключить возможности, что климатические из- менения в Арктике достигли порогового значения, при превышении которого (при глобальном потеплении) могут происходить необратимые процессы в климатической системе [37]. За последние годы площадь морских льдов в Арктике значительно сократилась, и появились предположения, что, возмож- ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 24 но, критический порог уже достигнут [38] и следует ожидать неизбежного полного таяния льда в летний сезон уже в ближайшие годы или десятилетия. Работа выполнена при поддержке РФФИ (13-05-41432 РГО_а, 13-05- 41443 РГО_а, 12-05-91057-НЦНИ_а, 14-05-00518, 14-05-00639), Министерст- ва образования и науки (грант 14.В25.31.0026), Программ РАН и гранта Пре- зидента РФ НШ-3894.2014.5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Trenberth K.E., Jones P.D., Ambenje P. et al. Observations: Surface and Atmospheric Cli- mate Change. Climate Change 2007: The Physical Science Basis / Eds. S. Solomon et al. – Cambridge: Cambridge University Press, 2007. – P. 235 – 336. 2. Delworth T.L., Mann M.E. Observed and simulated multidecadal variability in the Northern Hemisphere // Clim. Dyn. – 2000. – 16. – P. 661 – 676. 3. Delworth T.L., Knutson T.R. Simulation of early 20th century global warming // Science. – 2000. – 287. – P. 2246 – 2250. 4. Полонский А.Б. Глобальное потепление, крупномасштабные процессы в системе оке- ан – атмосфера, термохалинная катастрофа и их влияние на климат Атлантико- Европейского региона. Современные проблемы океанологии. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2008. – Вып. 5. – 44 с. 5. Полонский А.Б. Роль океана в изменениях климата. – Киев: Наук. думка, 2008. – 184 с. 6. Семенов В.А. Долгопериодные климатические колебания в Арктике и их связь с гло- бальными изменениями климата // Дис. … д-ра физ.-мат. наук. – М.: Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, 2010. – 268 с. 7. Мохов И.И., Смирнов Д.А., Карпенко А.А. Оценки связи изменений глобальной припо- верхностной температуры с разными естественными и антропогенными факторами на основе данных наблюдений // Докл. РАН. – 2012. – 443, № 2. – С. 225 – 231. 8. Otterå O.H., Bentsen M., Drange H. et al. External forcing as a metronome for Atlantic multidecadal variability // Nature Geosci. – 2010. – 3. – P. 688 – 694. – doi: 10.1038/NGEO0955. 9. Booth B.B., Dunstone N.J., Halloran P.R. et al. Aerosols implicated as a prime driver of twentieth-century North Atlantic climate variability // Nature. – 2012. – 484. – P. 228 – 232. – doi:10.1038/nature10946. 10. Meehl G.A., Covey C., Delworth T. et al. The WCRP CMIP3 multi-model dataset: A new era in climate change research // Bull. Amer. Met. Soc. – 2007. – 88. – P. 1383 – 1394. 11. Hansen J., Ruedy R., Glascoe J. et al. GISS analysis of surface temperature change // J. Geophys. Res. – 1999. – 104, D24. – P. 30997 – 31022. 12. Lupo A.R., Oglesby R.J., Mokhov I.I. Climatological features of blocking anticyclones: a study of Northern Hemisphere CCM1 model blocking events in present-day and double CO2 concentration atmospheres // Clim. Dyn. – 1997. – 13. – P. 181 – 195. 13. Мохов И.И. Действие как интегральная характеристика климатических структур: оцен- ки для атмосферных блокингов // Докл. РАН. – 2006. – 409, № 3. – С. 403 – 406. 14. Petoukhov V., Semenov V.A. A link between reduced Barents-Kara sea ice and cold winter extremes over northern continents // J. Geophys. Res.: Atmos. – 2010. – 115, D21111. – doi:10.1029/2009JD013568. 15. Семенов В.А., Мохов И.И., Латиф М. Влияние температуры поверхности океана и гра- ниц морского льда на изменение регионального климата в Евразии за последние деся- тилетия // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. – 2012. – 48, № 4. – С. 403 – 421. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 25 16. Graversen R.G., Mauritsen T., Tjernström M. et al. Vertical structure of recent Arctic warm- ing // Nature. – 2008. – 541. – P. 53 – 56. – doi:10.1038/nature06502. 17. Schlichtholz P. Influence of oceanic heat variability on sea ice anomalies in the Nordic Seas // Geophys. Res. Lett. – 2011. – 38, L05705. – doi:10.1029/2010GL045894. 18. Семенов В.А. Структура изменчивости температуры в высоких широтах Северного полушария // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. – 2007. – 43, № 6. – С. 744 – 753. 19. Мохов И.И., Семенов В.А., Елисеев А.В. и др. Изменения климата и их последствия в высоких широтах: диагностика и моделирование // Метеорологические и геофизиче- ские исследования / Под ред. Г.В. Алексеева. – М. – СПб.: ООО «Паулсен», 2011. – C. 94 – 129. 20. Semenov V.A., Latif M. The early twentieth century warming and winter Arctic sea ice // Cryosphere. – 2012. – 6. – P. 1231 – 1237. – doi:10.5194/tc-6-1-2012. 21. Mann M.E., Park J. Global-scale modes of surface temperature variability on interannual to century timescales // J. Geophys. Res. – 1994. – 99. – P. 25 819 – 25 833. 22. Schlesinger M.E., Ramankutty N. An oscillation in the global climate system of period 65 – 70 years // Nature. – 1994. – 367. – P. 723 – 726. 23. Kravtsov S., Spannagle C. Multidecadal climate variability in observed and modeled surface temperatures // J. Clim. – 2008. – 21. – P. 1104 – 1121. 24. Ting M.F., Kushnir Y., Seager R. et al. Forced and internal twentieth-century SST trends in the North Atlantic // J. Clim. – 2009. – 22. – P. 1469 – 1481. 25. Zhang R., Delworth T.L., Held I.M. Can the Atlantic Ocean drive the observed multidecadal variability in Northern Hemisphere mean temperature? // Geophys. Res. Lett. – 2007. – 34, L02709. – doi:10.1029/2006GL028683. 26. Воскресенская Е.Н., Полонский А.Б. Низкочастотная изменчивость гидрометеорологи- ческих полей и потоков тепла в Северной Атлантике // Морской гидрофизический жур- нал. – 2004. – № 4. – С.19 – 38. 27. Semenov V.A., Latif M., Dommenget D. et al. The impact of North Atlantic-Arctic multidecadal variability on Northern Hemisphere surface air temperature // J. Clim. – 2010. – 23. – P. 5668 – 5677. 28. Семенов В.А. Влияние океанического притока в Баренцево море на изменчивость кли- мата в Арктике // Докл. РАН. – 2008. – 418, № 1. – С. 106 – 109. 29. Rayner N.A., Parker D.E., Horton E.B. et al. Global analyses of sea surface temperature, sea ice, and night marine air temperature since the late nineteenth century // J. Geophys. Res. – 2003. – 108, D14, 4407. – doi: 10.1029/2002JD002670. 30. Kalnay E., Kanamitsu M., Kistler et al. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project // Bull. Amer. Meteorol. Soc. – 1996. – 77. – P. 437 – 470. 31. Bengtsson L., Semenov V.A., Johannessen O.M. The early-twentieth-century warming in the Arctic – A possible mechanism // J. Clim. – 2004. – 17. – P. 4045 – 4057. 32. Semenov V.A., Park W., Latif M. Barents Sea inflow shutdown: A new mechanism for rapid climate changes // Geophys. Res. Lett. – 2009. – 36, L14709. – doi: 10.1029/ 2009GL038911. 33. Walsh J.E., Johnson C.M. Analysis of Arctic sea ice fluctuations 1953 – 1977 // J. Phys. Oceanogr. – 1978. – 9. – P. 580 – 591. 34. Алексеев Г.В., Данилов А.И., Катцов В.М. и др. Изменения площади морских льдов Се- верного полушария в XX и XXI веках по данным наблюдений и моделирования // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. – 2009. – 45, № 6. – С. 723 – 735. 35. Полонский А.Б., Крашенинникова С.Б. Пространственно-временная изменчивость мери- диональных переносов тепла в Северной Атлантике // Морской гидрофизический жур- нал. – 2010. – № 6. – С. 24 – 41. 36. Boning C.W., Scheinert M., Dengg J. et al. Decadal variability of subpolar gyre transport and its reverberation in the North Atlantic overturning // Geophys. Res. Lett. – 2006. – 33. – doi: 10.1029/2006gl026906. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 26 http://elibrary.ru/item.asp?id=12988559 http://elibrary.ru/item.asp?id=12988559 http://elibrary.ru/issues.asp?id=7831&selid=647537 http://elibrary.ru/issues.asp?id=7831&selid=647537 http://elibrary.ru/contents.asp?id=647537&selid=12988559 37. Lenton T.M., Held H., Krieger E. et al. Tipping elements in the Earth's climate system // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. – 2008. – 105(6). – P. 1786 – 1793. 38. Lindsay R.W., Zhang J. Thinning Arctic Sea ice: Have we passed a tipping point? // Bull. Amer. Met. Soc. – 2005. – 86(3). – P. 325 – 326. 1Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Материал поступил Москва в редакцию 03.07.13 E-mail: vasemenov@mail.ru После доработки 05.09.13 2Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 4Московский физико-технический институт 5Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь E-mail: apolonsky5@mail.ru АНОТАЦІЯ Представлені результати моделювання впливу природної мінливості в системі океан – атмосфера в Північній Атлантиці та Арктиці на глобальний клімат. Аналізувалися результати чисельних експериментів зі спільною моделлю загальної циркуляції атмосфери та верхнього перемішаного шару океану з використанням аномальних величин потоків тепла з океану в атмосферу. Згідно отриманим результатам, власною довгоперіодною мінливістю в Північній Атлантиці та атлантичному секторі Арктики можна пояснити близько половини величини зростання приповерхневої температури Північної півкулі в останній третині ХХ ст. Відмічено, що важливий внесок при цьому роблять аномальні потоки тепла в Арктиці, які зви- чайно не враховуються при моделюванні ефекту довгоперіодних коливань в Північній Атлан- тиці. Результати чисельних експериментів підтверджують висновок про значущу роль природ- ної мінливості в Північній Атлантиці та Арктиці у формуванні не тільки регіональних, але й глобальних змін клімату. Саме із недостатнім урахуванням відмічених ефектів може бути по- в'язана істотна переоцінка чутливості деяких глобальних кліматичних моделей до збільшення концентрації парникових газів у атмосфері. Ключові слова: природні та антропогенні зміни клімату, Атлантичне довгоперіодне коли- вання (Атлантична мультидекадна осциляція). ABSTRACT Results of simulations of impact of natural variability of the coupled ocean-atmosphere system in the North Atlantic and Arctic on global climate are represented. Numerical experiments based on the joint model of atmospheric global circulation and the oceanic upper mixed layer are analyzed using anomalous heat fluxes on the ocean-atmosphere boundary. In accordance with the obtained results, about a half of air temperature increase in the Northern Hemisphere in the last third of the XX century can be explained by proper low-frequency variability in the North Atlantic and the Atlantic sector of the Arctic. It is noted that contribution of anomalous heat fluxes in the Arctic which usually are not taken into consideration in modeling the effect of long-period oscillations in the North Atlantic, are important. Results of numerical simulations confirm the conclusion on significant role of natural variability in the North Atlantic and Arctic in formation of not only regional climate changes but also global ones. Just underestimation of the discussed effects can be a reason of significant over- estimation of sensitivity of some global climatic models to increase of concentration of green-house gases in the atmosphere. Keywords: natural and anthropogenic climate changes, Atlantic long-period oscillation (Atlantic multidecadal oscillation). ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 4 27 mailto:vasemenov@mail.ru

Моделирование влияния естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике на формирование аномалий климата

Репозитарії

Схожі ресурси