Реакция атмосферы северного полушария на сокращение

Реакция атмосферы северного полушария на
сокращение площади морского льда в Арктике
за последние 30 лет
В. П. Мелешко, А.А. Байдин
Главная Геофизическая Обсерватория
им. А.И. Воейкова,
Санкт-Петербург, РФ
Состояние проблемы
За последние 2-3 года опубликован ряд работ, в которых с помощью
моделей атмосферы и данных реанализов исследовалась реакция
атмосферной циркуляции на реальные и гипотетические аномалии ледяного
покрова в Арктике.
В этих работах показано, что при возникновении отдельных безледных
аномалий осенью или зимой в Арктике могут возникать экстремальные
режимы погоды с низкими температурами на евроазиатском континенте. Это
породило некоторый оптимизм в отношении возможного расширения
пределов предсказуемости некоторых режимов циркуляции атмосферы.
С другой стороны, вследствие
большой внутренней изменчивости
атмосферной циркуляции в Арктике чрезвычайно трудно получить
статистически значимую реакцию климата на сокращение ледяного покрова
за последние три десятилетия по данным наблюдений.
Быстрое сокращение ледяного покрова в Арктике происходит за счет
уменьшения массы многолетнего льда. В настоящее время многолетний лед
составляет 28% от общей площади в марте
Данные NSIDC; карты университета Иллинойс, США
Реакция климата на сокращение площади льда в Арктике
по данным реанализа, период 1980-1989 гг.
Рассматривалась приземная температура воздуха, давление на уровне моря и
геопотенциал пов-ти 500 гПа в Арктике по данным реанализа ERA Interim, NCEP2,
CFSR за периоды: контрольный (1980-1989 гг.) и возмущенный (2002-2011 гг.)
Оценивалась статистическая значимость изменения этих переменных с помощью
двухвыборочного критерия Стьюдента при доверительной вероятности 90%.
Изменения
месячных
температур
воздуха
у Земли
(град (град
С) С)
Значимость
изменений
месячных
температур
воздуха
у Земли
зимой 2002-2011
гг. по отношению
зиме 1980-1989
гг. по
зимой 2002-2011
гг. по отношению
к зимек1980-1989
гг., полученная
по
данным
трех реанализов.
данным
трех реанализов,
при доверительной вероятности 90%.
декабрь
ERA Interim
NCEP2
CFSR
январь
февраль
Значимость
изменений
месячных
давления
на моря
уровне
моря
(гПа) зимой
Изменения
месячных
давления
на уровне
(гПа)
зимой
2002-2011
гг. погг.отношению
к зиме
1980-1989
гг., полученная
по данным
2002-2011
по отношению
к зиме
1980-1989
гг., полученным
трех реанализов,
при доверительной
по данным трех
реанализов. вероятности 90%.
декабрь
ERA Interim
NCEP2
CFSR
январь
февраль
Реакция климата на сокращение площади льда в Арктике
по мультимодельному ансамблю СMIP5, период 1980-1989 гг.
Рассматривалась
приземная температура воздуха, давление на уровне моря в
Арктике за периоды: контрольный (1980-1989 гг.) и возмущенный (2002-2011 гг.)
Ансамбль включал 25 (из 31) моделей CMIP5, которые удовлетворительно
воспроизводят тренд сокращения морского льда за период 1979-2011 гг.
Оценивалась статистическая значимость изменения этих переменных с помощью
двухвыборочного критерия Стьюдента при доверительной вероятности 90%.
25 моделей CMIP5: Расчетные тренды протяженности морского
льда в сентябре 1979-2099 гг. для двух сценариев RCP.
10-90 процентили RCP4.5
10-90 процентили RCP8.5
среднее (25 моделей) RCP4.5
среднее (25 моделей) RCP8.5
NSIDC
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1979
1984
1989
1994
1999
2004
2009
2014
2019
2024
2029
2034
2039
2044
2049
2054
2059
2064
2069
2074
2079
2084
2089
2094
2099
млн. кв.км
CMIP5: эволюция площади морского льда в
СП в сентябре
годы
Красная линия – данные спутниковых наблюдений . Голубая и желтая линии – расчеты по
ансамблю моделей с учетом сценариев RSP4.5 и RCP8.5. Заштрихованные области
показывают межмодельный разброс в диапазоне 10 и 90 процентилей.
Павлова и др., 2013
Изменения месячной температуры приземного воздуха (град. С)
в декабре 2002-2012 гг. по отношению к декабрю 1980-1989 гг.
Изменения месячного давления на уровне моря (гПа)
в декабре 2002-2012 гг. по отношению к декабрю 1980-1989 гг.
Цель исследования - оценить значимую реакцию атмосферы и возможные
изменения аномальных режимов погоды, вызванные сокращением ледяного
покрова в Арктике за период 1979-2011 годы .
Постановка задачи
Глобальная модель общей циркуляции атмосферы T63L25 с полным набором
методов параметризации основных физических процессов в атмосфере и деятельном
слое почвы
Месячные ТПО и концентрация ледяного покрова за 1979-2011 гг. брались из архива
HadISST 1.1
Месячные толщины ледяного покрова задавалась из реанализа CFSR.
Изменения концентрации морского льда в 2002-2011 гг. по отношению к
концентрации в период 1980-1989 гг. (HadISST1.1)
Март
Сентябрь
-6.0%
-27.3%
Сезонные изменения ТПО (град С)
в 2002-2011 гг по отношению к 1980-1989 гг.
(HadISST1.1)
Зима
+0.180 С
Лето
+0.360 С
Весна
+0.150 С
Осень
+0.410 С
Постановка экспериментов
Расчеты по модели атмосферы выполнялись для двух периодов контрольного
(1979-1989 гг.) и возмущенного (2001-2011 гг.) с учетом изменения во времени
концентрации и толщины льда, ТПО , концентрации парниковых газов и
фонового аэрозоля.
Выполнено 28 экспериментов для каждого периода. Интегрирование
уравнений начиналось от независимых начальных состояний глобальной
атмосферы.
Первые 6 месяцев расчета отводились на адаптацию атмосферы к граничным
условиям. Анализ выполнялся для периодов 1980-1989 гг. и 2002-2011 гг.
Сезонные изменения суммы явного и скрытого потоков тепла
(Hfss+Hfls, W/m2) в 2002-2011 гг. по отношению к периоду 1980-1989
гг.
Зима
Лето
Весна
Осень
Cезонные изменения температуры воздуха (град С)
в 2002-2011 гг. по отношению к периоду 1980-1989 гг.
Зима
Весна
Лето
Осень
Значимость изменений месячных температур воздуха у Земли (град С) в декабре
2002-2011
гг.среднемесячной
по отношению кприземной
декабрю 1980-1989
гг., полученная
по модельному
Изменения
температуры
(град. С) в декабре
2002-2012 гг.
ансамблю из 28 членов
при
доверительной
вероятности
90%.
по отношению к 1980-1989 гг. 28 членов ансамбля
Изменения месячной температуры приземного воздуха (град С)
в период 2002-2011 гг. по отношению к периоду 1980-1989 гг., полученные по ансамблю
модельных расчетов (28 членов ансамбля).
Зима
декабрь
январь
февраль
март
апрель
май
июнь
июль
август
октябрь
ноябрь
Весна
Лето
Осень
сентябрь
Годовой ход изменений температуры воздуха в полярном бассейне,
ограниченном 700 сш., в 2002-2011 гг. по отношению к базовому периоду 1980-1989 гг.
Расчеты по МОЦА T63L25. 28 членов ансамбля.
4.5
4.5
4.0
4.0
T-850
3.0
2.5
2.0
3.0
2.5
2.0
1.5
1.5
-
-
1.0
1.0
0.5
0.5
0.0
-0.5 1
T2м
3.5
град С
град С
3.5
0.0
2
3
4
5
6
7
месяцы
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
месяцы
8
9
10
11
12
Изменения месячных T2м (град. С) зимой 2002-2012 гг. по отношению к зиме 1980-1989 гг. в
полярном бассейне, ограниченном 700 сш., полученные по реанализам и модельным расчетам
Источники
ERA-40
NCEP2
CFSR
МОЦА T63L25
CMIP5
Декабрь
2.47
2.28
1.27
2.42
2.63
Январь
2.37
2.42
1.63
2.01
2.15
Февраль
0.96
1.10
0.35
1.81
1.95
Число расчетов
28
25
Месячные изменения Н-500, SLP и SAT осенью и зимой 2002-2011 гг. по отношению к
такомуСтатистическая
же периоду 1980-1989
гг., рассчитанные
по модели
значимость
изменений Н-500,
SLP иатмосферы.
SAT
28 членов ансамбля.
при доверительной
вероятности 90%
H-500: Геопотенциал поверхности 500 гПа
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Январь
Декабрь
Январь
Февраль
SLP: Давление на уровне моря (гПа)
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Февраль
SAT: Температура приземного воздуха (град С)
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Январь
Февраль
Изменения во времени аномалий температуры приземного воздуха осенью
в 2002-2011 гг. по отношению к 1980-1989 гг. вдоль 70º сш. в Восточной Арктике
Расчет по ансамблю из 28 реализаций
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Долготно-временное изменение аномалии температуры
осенью в Восточной Арктике
Распределения повторяемости аномалий температуры
приземного воздуха осенью в периоды 1980-1989 гг. и 2002-2011 гг.
в пункте 70º сш 180º зд. Расчет по ансамблю из 28 реализаций
Сентябрь
Сентябрь
16
Ноябрь
Октябрь
14
12
12
12
10
10
10
6
Вероятность
14
8
8
6
8
6
4
4
4
2
2
2
0
0
-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
δT
σTAS1=9.2
σTAS2=4.9
Ноябрь
16
14
Вероятность
Вероятность
16
Октябрь
-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0
2
4
6
8 10 12 14 16
δT
σTAS1=25.0
σTAS2=5.4
0
-13 -11 -9 -7 -5 -3 -1
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21
δT
σTAS1=37.2
σTAS2=43.8
Повторяемость аномалий температуры
приземного воздуха зимой в периоды 1980-1989 гг. и 2002-2011 гг.
в пункте 70º сш 60º вд (Амдерма). Расчет по ансамблю из 28 реализаций
Декабрь
8
7
5
Вероятность
Вероятность
6
4
3
2
1
0
-15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15
δT
σTAS1=33.2
σTAS2=27.6
Февраль
Январь
8
7
7
6
6
Вероятность
8
Январь
5
4
3
Февраль
5
4
3
2
2
1
1
0
0
-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-13
-11
-9
-7
-5
-3
-1
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
Декабрь
δT
δT
σTAS1=38.7
σTAS2=38.7
σTAS1=40.6
σTAS2=39.2
Основные выводы
Данные наблюдений показывают, что за последние три десятиления
произошло
значительное сокращение ледяного покрова в Арктике и эта тенденция сохраняется.
По
данным наблюдений и модельных расчетов обнаружена зависимость между
отдельными похолоданиями на Евроазиатском континенте зимой и крупными
положительными аномалиями ледяного покрова в Арктике. В некоторых работах эта
связь рассматривается как важный фактор транзитивного климатического режима.
Вследствие большой внутренней изменчивости атмосферы невозможно получить
статистически значимую реакцию современного климата Арктики, обусловленную
сокращением площади льда за последние 30 лет как по данным реанализу, так и
мультимодельному ансамблю CMIP5..
Вместе с тем расчеты по модели атмосферы с ансамблем большого размера
показывают, что в результате сокращения площади ледяного покрова за
последние три десятиления температура приземного воздуха повысилась на 35ºС осенью и зимой на севере Евразии и произошло некоторое понижение
интенсивности Алеутского центра действия атмосферы.
Потепление сопровождалось значительным уменьшением экстремальных
температурных режимов в восточной Арктике осенью. Изменчивость температуры
также уменьшилась зимой в западной и восточной Арктике.
Основные выводы
(продолжение)
Сокращение ледяного покрова в Арктике играет определяющую роль в
смещении области максимального потепления зимой с континентальной части
Восточной Сибири, которое наблюдалось во второй половине XX века, на
акваторию полярного бассейна, которое произошло в начале XXI века – как
результат усиления арктического потепления.
В настоящее время нет достаточных оснований считать, что с сокращением
ледяного покрова Арктики растет повторяемость режимов циркуляции атмосферы
с волнами холода на Евроазиатском континенте зимой.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ