Введение Актуальность проблемы. Впервые на сильную взаимосвязь циркуляции Северного

Введение
Введение
Актуальность проблемы. Впервые на сильную взаимосвязь циркуляции Северного
Ледовитого океана (СЛО) и климата указал еще Нансен в 1902 году [47]. Ведущиеся с тех
пор исследования климата Арктики не потеряли своей актуальности и сегодня. Это
лишний раз было подтверждено международным научным сообществом при создании в
1994г. специальной десятилетней программы ACSYS («Arctic Climate System Study» исследование Арктической климатической системы), нацеленной на углубление
понимания роли Арктики в глобальном климате. Программа ACSYS способствовала
кооперации среди исследователей, специализирующихся в области океанологии,
метеорологии, изучения морского льда, гидрологии и математического моделирования.
Основными задачами этой программы были: 1) выяснение взаимосвязей между
циркуляцией СЛО, снежно-ледяным покровом, атмосферой и гидрологическим циклом; 2)
инициация долгопериодных исследований климата Арктики и специальных программ
мониторинга; 3) создание научной базы для адекватного представления арктических
процессов в глобальных моделях климата.
Настоящая диссертационная работа, выполненная в рамках федеральной целевой научнотехнической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям
науки и техники» на 2002-2006 годы (блок 1 «Ориентированные фундаментальные
исследования», раздел «Глобальные изменения климата и их вероятные последствия») и
поддержанная грантами РФФИ (проекты № 00-05-64818, № 01-05-65171), тесно связана с
решением первой и третьей задач программы ACSYS. При решении последней задачи
(адекватного представления арктических процессов в глобальных моделях климата)
особое внимание уделяется глобальным океанским моделям. Но подобные модели, в силу
своей универсальности, неспособны с достаточной степенью точности описывать
процессы в СЛО. Исследования с использованием региональных моделей могут дать
более полную и точную информацию об этих процессах, а опыт, накопленный при
использовании таких моделей, может послужить для выработки рекомендаций для более
адекватного воспроизведения Арктического климата в глобальных моделях.
Объектом исследования в работе является Северный Ледовитый океан, предметом
исследования — циркуляция и термохалинная структура его вод и их взаимодействие со
снежно-ледяным покровом на сезонном и межгодовом масштабах, а средством (методом)
исследования - региональная трехмерная гидротермодинамическая модель циркуляции
океана и морского льда.
Цель и задачи настоящей работы. Цель настоящей работы состоит в усовершенствовании
разработанной ранее модели циркуляции океана и морского льда СЛО и ее применении
для оценки изменений в состоянии вод и льдов СЛО на протяжении второй половины XX
столетия и анализа их возможных причин. Задачи настоящей работы включали:
• усовершенствование совместной модели общей циркуляции океана и морского льда,
• расчет средней (климатической) циркуляции вод и льдов СЛО,
• воспроизведение изменений в состоянии вод и льдов в СЛО во второй половине
двадцатого столетия, анализ результатов расчета и их сравнение с данными наблюдений,
• определение ареала и путей распространения речных вод основных рек в Арктических
морях и Арктическом бассейне,
• анализ результатов расчета и их сравнение с данными наблюдений,
• выяснение ограничений использования в моделях условия привязки поверхностной
солености к ее климатическим значениям.
Научная новизна. Впервые выполнен расчет межгодовой изменчивости системы океан-лед
в Арктике во второй половине двадцатого столетия без привязки поверхностной
солености к ее климатическим значениям и оценены последствия использования этой
процедуры при длительном интегрировании моделей. Впервые рассчитаны пути и время
распространения речных вод основных российских рек и р. Маккензи в СЛО с
использованием полей скорости течений, восстановленных по гидротермодинамической
модели океана и морского льда.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся :
• модифицированная совместная модель общей циркуляции океана и морского льда,
• оценки межгодовых изменений пространственных распределений характеристик океана
и морского льда в СЛО во второй половине двадцатого столетия.
• оценки путей и времени распространения речных вод основных рек в Арктических
морях и Арктическом бассейне.
Практическая значимость. Разработанная региональная трехмерная совместная модель
циркуляции океана и морского льда в настоящее время используется для оценки
возможных последствий изменений климата в Арктике в ближайшие десятилетия. Эта
модель положена в основу разрабатываемой трехмерной экосистемной модели СЛО. Она
также может быть рекомендована для моделирования циркуляции вод и льда в отдельных
Арктических морях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах в
Санкт-Петербургском филиале Института Океанологии им. П.П.Ширшова РАН, в
Институте Вычислительной Математики РАН, на семинарах в Институте Океанологии в
Гамбурге и Институте Альфреда Вегенера в Бременхафене (Германия), в
Океанографическом центре в Саутгэмптоне (Великобритания), а также на конференции
молодых ученых в Главной Геофизической обсерватории им.Воейкова
«Гидродинамические методы прогноза погоды и исследования климата» в СанктПетербурге в июне 2001г., на международном симпозиуме по измерениям и
моделированию циркуляции Арктического океана в Нью-Йорке в июне 2002г., на 34-ом
международном Льежском коллоквиуме «Трассерные методы в динамике жидкости» в
мае 2002г., на международной итоговой конференции программы ACSYS в СанктПетербурге в ноябре 2003г., на пятой Российской научно-технической конференции
«Современное состояние и проблемы навигации и океанографии» («НО-2004») в СанктПетербурге в марте 2004г.
Публикации. Основные результаты проведенных исследований отражены в 4-х
публикациях.
Личный вклад диссертанта в исследования заключается в усовершенствовании
существующей гидродинамической модели системы океан -морской лед, в проведении
численных экспериментов с моделью и анализе полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Объем диссертации: 92 страниц основного текста, 26 рисунков и 4 таблицы. Список
литературы содержит 78 наименований.
Глава 1. Океанская циркуляция, морской лед и речные воды в Северном Ледовитом
океане во второй половине прошлого столетия
Северный Ледовитый океан и его верхний слой с морским льдом на поверхности
составляют главное звено в формировании арктического воздействия на глобальный
климат. Здесь аккумулируется и трансформируется пресная вода, поступающая в Арктику
с полярной ветвью глобального гидрологического цикла, и отсюда она поступает в
жидкой и твердой (морской лед) фазах в Северную Атлантику. В настоящей главе будут
рассмотрены фактические данные о межгодовой изменчивости характеристик океана и
морского льда во второй половине 20-го столетия (§1), включая оценки вклада речных вод
в формирование плотностной структуры верхнего слоя Арктического бассейна (§2), и дан
обзор модельных исследований этих межгодовых изменений (§3).
§1. Основные результаты анализа данных наблюдений
Количественные оценки межгодовой изменчивости термохалинных характеристик водной
толщи Арктического бассейна по наблюдениям в высокоширотных воздушных
экспедициях «Север» и на дрейфующих станциях «Северный полюс» в 1937-1990гг.5 а
также наблюдениям с ледоколов и подводных лодок в последующие годы показали, что с
середины 50-х к середине 70-х годов прошлого столетия произошло охлаждение вод в
Арктическом бассейне, согласующееся с развитием похолодания в атмосфере [8], тогда
как с начала 90-х годов началось резкое потепление и осолонение верхнего 1000метрового слоя океана [3, 24, 25, 62, 63]. В июле-августе 1994г. экспедицией на двух
ледоколах был выполнен гидрологический разрез от Берингова пролива до пролива Фрама
через северный полюс и обнаружено, что температура Атлантических вод к северу от
Чукотского моря и над хребтом Ломоносова заметно повысилась (на 0.5-1.0 2С) по
сравнению с 70-ми годами [21]. Исследования проведенные в рейсах ледокола
«Полярштерн» летом 1995 и 1996 гг. подтвердили повышение температуры вод к северу
от моря Лаптевых [62, 63 ]. Кроме того, на севере моря Лаптевых (в районе с
координатами 79°10'- 81°06' с.ш. и 114s03'-122°40' в.д.) на протялсении 20 лет
проводились измерения температуры воды в верхнем 1000-метровом слое океана.
Как видно (рис. 1.1.1а), в 1993-1995гг. в исследуемом районе значения температуры
выросли до 2.2QC, тогда как в 1973г. они не превышали 1.4QC.
а)
1975
1980
1985
1990
б)
90° с.ш.
годы
60' в. д. 90" в. д. 120" в. д.
Рис. 1.1.1. Изменения температуры воды (2С) в верхнем 1000-метровом слое океана в
1973-1995гг. в районе с координатами 79°10'- 81°06' с.ш., 114°03'-122°40'в.д. (а) и схема
района исследований (б). Рисунок из статьи [3].
Важная информация об изменениях температуры воды была получена на разрезе,
выполненном экспедицией «Север» в 1994г. и повторенном «Полярштерном» летом
1996г. [3]. Этот разрез, имеющий длину около 900км, начинается у мыса Арктический и
ориентирован в северо-восточном направлении. На рис. 1.1.16 показано географическое
положение восьми пар станций глубоководных наблюдений, на основе которых были
рассчитаны разности температуры и солености от 1974 к 1996г. (рис. 1.1.2). Как видно,
температура глубинных атлантических вод заметно повысилась к 90-м годам прошлого
столетия, причем максимальное увеличение температуры наблюдалось на верхней
границе атлантических вод (150-250м) и составляло 1.50-1.752С. Рост температуры
отмечался по всей длине разреза от м.Арктический до хребта Ломоносова и далее. Это
повышение температуры сопровождалось увеличением солености, наиболее значительные
изменения (до 2.5-3.0%о) которой произошли в верхнем 100-метровом слое океана (рис.
1.1.26). Все сказанное выше говорит о резком увеличении влияния атлантических вод на
Арктический бассейн в последнее десятилетие прошлого века.
а)
б)
8270' с,ш. 92'00' в. д.
36-109 40-J11 0
42-110 48-96
50-97
56-82 59-83
8549' с.ш. 16Т37' в. д.
72-84
100 200 300 400 500 600 700
800
км
0 100 200 300 400 500 600 700 800 км
Рис. 1.1.2. Изменения температуры воды (йС) в верхнем 1000-метровом слое (а) и
солености (%о) в верхнем 200-метровом слое (б) от 1974 к 1996г. на разрезе от
м.Арктический на северо-восток (см. рис. 1.1.16) по данным восьми пар станций (указаны
наверху у треугольников). Рисунок из статьи [3].
Изменения состояния Арктического бассейна в конце прошлого века происходили вместе
со значительными изменениями в арктической атмосфере и ледовом покрове [26, 61, 67].
Измерения толщины льда с подводных лодок,
9
,у
сделанные в период в 19504999гг., свидетельствуют о том, что в центральной Арктике в
летний период она уменьшилась примерно на 40% в течение двух последних десятилетий
[40]. Однако, это уменьшение толщины льда, впервые отмеченное в работе [61], может
быть связано с погрешностями, обусловленными недостаточным покрытием данными
Арктического бассейна и большой межгодовой изменчивостью этой характеристики [40].
Что касается площади распространения ледяного покрова, то согласно спутниковым
данным о сплоченности льда [50], в период с 1979 по 1998гг. она уменьшилась на 6%.
Ответить на вопрос о причинах указанного уменьшения толщины и площади льда в
Арктике можно лишь рассматривая систему океан — атмосфера — лед в совокупности. В
работе [39] было показано, что средняя приземная температура атмосферы с 1861г. до
настоящих дней повысилась на 0.6 SC, причем наиболее сильные ее изменения произошли
в конце 20-го столетия. Потепление атмосферы способствовало увеличению количества
осадков, а также уменьшению границ распространения и толщины снежно-ледяного
покрова в Арктике [36].
Еще одним индикатором климатических изменений в Арктическом бассейне может
служить интенсивность выноса льдов через пролив Фрама. Полученные недавно оценки
выноса льдов из Арктического бассейна через пролив Фрама [2] подтвердили его
значительную межгодовую изменчивость (см. рис. 1.1.3), связанную, в первую очередь, с
ветровыми условиями в Северо-Европейском бассейне, а также с объемом материкового
стока в Северный Ледовитый океан. Авторами [2] было показано, что усиление выноса
льда через пролив Фрама сопровождается общим усилением перемещения льдов из
восточной части Арктического бассейна в западную. На рисунке 1.1.3 видно, что в конце
80-х -начале 90-х годов прошлого столетия отмечалось резкое увеличение выноса льда
через пролив Фрама, что свидетельствует о смене ветрового режима в Арктическом
бассейне и усилении речного стока.
10
Q,103m3/c
160140
1950 1960 1970 1980 1990
Рис. 1.1.З. Межгодовые колебания выноса льда через пролив Фрама (сплошная линия) и
их аппроксимация с использованием полинома седьмого порядка (пунктир). Рисунок из
статьи [2].
Таким образом, в последнее десятилетие прошлого века в климате Арктического бассейна
произошли резкие изменения: увеличился приток теплых и соленых атлантических вод,
уменьшились толщина и площадь распространения снежно-ледяного покрова, увеличился
вынос льда через пролив Фрама.
§2. Роль речного стока в формировании плотностной структуры верхнего слоя
Арктического бассейна
Приток речных вод в Арктические моря и Арктический бассейн составляет один из
основных источников распреснения верхнего слоя этой части мирового океана. Сюда
поступает около 10 % глобального речного стока в Мировой океан притом, что доля
Арктических морей и Арктического бассейна в нем не превышает по площади 5 %, а по
объему вод 1,5% [65]. В пресноводном балансе его верхнего слоя на долю речного стока
приходится 2850 км3 в год [11], в то время как осадки минус испарение дают в два с
лишним раза меньше (1300 км3 в год [66]). При этом вклад 6 самых крупных рек (Енисей
(630 км3/год), Лена (532 км3/год), Обь (404 км3/год), Маккензи (264 км3/год), Печора (130
км3/год) и Колыма (128 км3/год) [73]) составляет около 75 % от указанного полного
объема речного стока. Распределение речной воды в верхнем слое Арктического бассейна
и его изменения составляют важный фактор в формировании плотностной структуры
И
этого слоя и пресноводного стока из Арктического бассейна в Северную Атлантику.
Оценки распределения речной воды, выполненные недавно на основе наблюдений за
концентрацией трассеров на разрезе от Аляски через Северный полюс до пролива Фрама
[64], показывают наибольший ее вклад (> 14%) от хребта Ломоносова до хребта
Менделеева. Изолиния 10% вклада расположена примерно на глубине 50м в Канадской
части разреза. В евразийской части наибольший вклад речных вод в пределах 8-10%
отмечен в верхних 50м в бассейне Амундсена. В бассейне Нансена он падает от 6-8% над
хребтом Гаккеля практически до нуля в Баренцевом море. Общее содержание речной
воды в слое выше воды атлантического происхождения характеризуется по этим данным
эквивалентным слоем толщиной от нуля в Баренцевом море до примерно 8-10м в
Канадском бассейне. Общее содержание пресной воды в этом районе оценивается
величиной от 19 до 21м [1], а ее межгодовые изменения достигают 10м [22]. Неясно,
какова доля воды речного происхождения в этих изменениях. Авторы работы [46]
предполагают, что аномальное поступление воды из реки Маккензи в конце 1950-х - 1960х в этот район послужило первопричиной «великой соленостной аномалии» в Северной
Атлантике 1963-1973гг.
Таким образом, оценки по данным наблюдений дают представление об общей картине
распределения речных вод в Арктическом бассейне. Вместе с тем, вклад отдельных рек в
это распределение до последнего времени оставался невыясненным. Определенный
прогресс в этом отношении был достигнут на основе модельных исследований, которые
обсуждаются в конце следующего параграфа.
§3. Исследования на основе региональных совместных моделей океанской циркуляции и
морского льда
Для выяснения причин и механизмов происходящих в СЛО изменений следует
рассматривать всю климатическую систему океан-атмосфера-лед в глобальном масштабе.
Однако привлечение для подобных исследований глобальных моделей климата все еще
остается малоэффективным прежде всего из-за их грубого разрешения. Возможности этих
моделей в настоящее время также ограничиваются плохим знанием процессов (динамика
и термодинамика морского
12
льда, роль речного стока в формировании вертикальной термохалинной структуры,
турбулентность и внутренние волны в сильно стратифицированной жидкости,
взаимодействие обширной зоны шельфовых морей с Арктическим бассейном),
специфических для СЛО, и трудностями представления этой специфики в рамках единых
параметризаций процессов, используемых в глобальных моделях океана. В такой
ситуации использование региональных совместных моделей океанской циркуляции и
морского льда для выяснению причин и механизмов изменений в СЛО представляется
единственно возможной альтернативой. Кроме того, исследования на основе
региональных моделей могут дать более полную и точную информацию об упомянутых
выше процессах, а опыт накопленный при использовании таких моделей может
послужить для выработки рекомендаций для более адекватного воспроизведения
Арктического климата в глобальных моделях.
Модельные исследования изменений циркуляции и термохалинной структуры. Одна из
первых попыток установить причины колебаний в поступлении атлантической воды в
Арктический бассейн была предпринята в работе [30], в которой были проанализированы
результаты расчета изменчивости циркуляции в Арктическом бассейне по объединенной
модели океана и льда в период с 1951 по 1993гг. На основе разложения по эмпирическим
ортогональным функциям уровня моря и интегрального (по всей водной толще) расхода
течений было установлено, что первая мода циркуляции в Арктическом бассейне
представлена одним круговоротом и связана с Арктическим колебанием атмосферного
давления. Эта мода ответственна за 70% дисперсии интегрального расхода течений и 25%
дисперсии уровня моря в бассейне и связана с поступлением в него атлантической воды. В
частности, она демонстрирует сильные изменения в сторону циклонической циркуляции в
конце 80-х годов прошлого столетия, когда отмечалось усиление проникновения
атлантических вод в Арктический бассейн. Как было показано в [59], первая мода имеет
10-летний период колебаний. Вторая мода океанской циркуляции содержит два
круговорота -циклонический в Евразийском и антициклонический в Канадском бассейнах
и ответственна за 9% изменчивости интегрального расхода течений в Арктическом
бассейне. Она, по-видимому, связана с Северо-Атлантическим колебанием атмосферного
давления, имеющим основной период около 14-ти лет.
13
Согласно модельным расчетам [77], значительное потепление и осолонение верхних слоев
Арктического бассейна, начавшееся в 1989г., было вызвано устойчивым увеличением
поступления атлантической воды через пролив Фрама и, в большей степени, через
Баренцево море. По мнению авторов, увеличенный приток теплой и соленой
атлантической воды, привел к вытеснению из бассейна более холодной и пресной
арктической воды, увеличению температуры и солености верхних слоев океана и росту
океанского потока тепла ко льду, что сопровождалось, начиная с 1987г., уменьшением его
объема. Оценки [77] были получены для модельной области, включающей помимо
Арктического бассейна и Арктических морей, Гренландское, Исландское и Норвежское
моря. Основным недостатком этой работы, также как и более поздней работы [43], было
использование условия «восстановления» (restoring) солености на поверхности океана по
ее наблюдаемым климатическим значениям. Использование этого условия обеспечивает
устойчивость модели и сокращает время выхода ее на стационарный режим, однако
искажения, вносимые при этом в результаты расчетов морского льда и океанской
циркуляции, могут быть значительны [76].
Долгопериодные изменения ледовитости в Арктических окраинных морях были
рассмотрены в работе [56]. Расчет основных динамических и термодинамических
характеристик СЛО для периода 1946-1997гг., выполненный на основе совместной модели
циркуляции океана и льда [54], не только продемонстрировал неплохое согласие с
имеющимися данными наблюдений, но и позволил выявить ряд закономерностей в
формировании ледяного покрова окраинных морей. В частности, было установлено, что
изменения площади ледяного покрова сопровождаются изменениями его толщины,
причем последние проявляются наиболее ярко для молодого льда в западной Арктике.
Эти изменения носят характер долгопериодных (от одного до нескольких десятилетий)
колебаний. Например, в Карском море толщина льда достигла максимума в 1960-70гг., а
минимума - в 1940-е гг. и 1980-90гг.. Это согласуется с отрицательной (холодной) и двумя
положительными (теплыми) фазами долгопериодных колебаний приземной температуры
воздуха [57].
Несколько лет назад с важной инциативой выступил международный проект по
сравнению моделей СЛО AOMIP (Arctic Ocean Model Intercomparison Project)
14
[58], поставивший своей целью определение различий между моделями и определение
модельных систематических ошибок в воспроизведении гидродинамических
характеристик СЛО. Уже на первом этапе, посвященном изучению способности моделей,
участвующих в проекте (Таблица 1.3.1), воспроизводить климатические сезонные
изменения в СЛО, было установлено, что разные модели дают существенно различные
значения ряда характеристик. В частности, было установлено, что рассчитанные по
разным моделям средние апрельские распределения поверхностной солености в ряде
областей севернее 60 с.ш. отличаются друг от друга на несколько промилле. Это означает,
что большинство моделей неправильно воспроизводят пресноводный баланс СЛО.
Ошибки в расчете средней апрельской солености в круговороте моря Бофорта оказались
одного знака (см.рис. 1.3.1), что свидетельствует о заниженном поступлении или
завышенном выносе пресной воды для рассматриваемой области. Большинство из
моделей, участвующих в AOMIP, используют искусственное условие «восстановления»
(restoring) солености на поверхности океана по ее наблюдаемым климатическим
значениям, причем наименьшее расхождение с данными наблюдений имеют модели NPS
и AWI с малыми значениями постоянной времени релаксации т (см.рис. 1.3.1). С ростом г
это расхождение увеличивается, достигая максимума для моделей IOS и GSFC, не
использующих условия «восстановления».
15
Табл. 1.2.1 Основные характеристики моделей AOMIP.
Сокращенное название AWI GSFC IARC IOS LLN NPS NYU RAS UW
Научная организация Институт Альфреда Вегенера Центр космических полетов Годдарда
Меоюдународный центр арктических исследований Институт океанских наук Институт
астрономии и геофизики (Бельгия) Военно-морская адъюнктура Нью-Йоркский
Университет Институт Выч. Мат. РАН (Москва) Вашингтонский Универ ситет
Модель льда Да Да Да Да Да Да Да Да Да
Верт. коорд. Z а а Z Z Z Изопик-ническая Z Z
Модель прототип MOM РОМ РОМ MOM ОРА MOM MICOM MOM FE MOM
Своб. поверхн. - - - - Да - Да Да Твердая крышка
MOM (Modular Ocean Model) - Модульная модель океана, геофизическая
лаборатория динамики жидкости, Принстон, Великобритания.
(http://www.gfdl. noaa.gov/~smg/MOM/web/guidejparent/)
MICOM (Miami Isopycnic Coordinate Ocean Model) - Изопикническая модель океана
Майами, Университет Майами, США. (http://www.rsmas.miami.edu/)
POM (The Princeton Ocean Model) - Принстонская модель океана, Принстон,
Великобритания. ( http://www. aos.princeton. edu/WWWP UBLIC/htdocs.pom/)
ОРА (Ocean General Circulation modelling System) — Система моделирования
общей циркуляции океана, Лаборатория Динамической Океанографии и
Климатологии, Париж, Франция, (http://www.lodyc.jussieu.fr/opa/)
FE (Finite Element) — Конечно-элементная модель океана.
16
S,%0
34
33
32
31
30
29
28
0.3
0.5
2.0 5.0
константа ресторинга (лет)
га
хsао
о
CD
а
тш
VD
S
а
о
0}
а
о си
VD
РНС WOA98 NPS AWI NYU UW IOS GSFC
Рис. 1.3.1. Средние апрельские значения поверхностной солености, осредненной по кругу
диаметром 200-километров, расположенному в круговороте моря Бофорта. Эти значения
включают климатические оценки по данным Полярного научного центра (РНС) [70] и
Атласа Мирового океана 1998г. (WOA98), а также максимальное (сплошная
горизонтальная линия) и минимальное (пунктирная горизонтальная линия) значения
апрельской солености по 40-летнему ряду данных российско-американского атласа СЛО
[4, 5]. Модельные результаты расположены как функция постоянной времени релаксации
(«ресторинга») поверхностной солености к ее климатическим значениям, а именно:
модель Военно-морской адъюнктуры (NPS, 120 дней), модель Института Альфреда
Вегенера (AWI, 180 дней), модель Нью-Йоркского Университета (NYU, 2 года), модель
Вашингтонского Университета (UW, 5 лет), модель Центра космических полетов
Годдарда (GSFC, без привязки), модель Института океанских наук (IOS, без привязки).
17
Список литературы