Воспроизведение циркуляции Мирового океана и её климатической изменчивости в 1948-2007 гг. с помощью модели INMOM

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт вычислительной математики (ИВМ) РАН

Воспроизведение циркуляции Мирового океана и её климатической изменчивости в 1948-2007 гг. с помощью модели INMOM

Дианский Н.А., Гусев А.В.

Представлены результаты воспроизведения глобальной циркуляции океана и ее межгодовой изменчивости за период 1948-2007 гг. с помощью сигма-модели общей циркуляции океана ИВМ РАН - INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model). Эта же модель используется в качестве океанического блока в модели Земной системы ИВМ РАН, единственной от России участвующей в экспериментах по программе IPCC (2007; 2013; Володин и др., 2010; 2013). Для задания реалистичного атмосферного воздействия использовались данные CORE. Показано существенное уменьшение к 2007 г. площади морского льда в Северном Ледовитом океане, соответствующее данным наблюдений. Выявлена междекадная климатическая изменчивость с заметным падением с конца 1990-х гг. интенсивности Атлантической термохалинной циркуляции (АТХЦ) и меридионального переноса тепла (МПТ) в Северной Атлантике (СА). МПТ показывает уменьшение поступления тепла из СА в атмосферу начиная с середины 1990-х гг. Таким образом, обнаружена отрицательная обратная связь в климатической системе Земли, направленная на уменьшение потепления климата, вызванного в последние десятилетия, в основном, антропогенным фактором. Выявлена также долгопериодная - около 60 лет - изменчивость АТХЦ, которая с задержкой порядка в 10 лет влияет на термическое состояние поверхности СА. Обосновывается предположение, что этот механизм может делать вклад в формирование собственной долгопериодной изменчивости АТХЦ.

Основные результаты. Проведенные расчеты циркуляции Мирового океана позволили оценить изменение ее основных характеристик, произошедшие за период с 1948 по 2007 гг. Модель показывает существенное уменьшение площади морского льда в СЛО к 2007 г., что вполне соответствует данным наблюдений (рис. 1). По результатам расчетов выявлено заметное падение с конца 1990-х гг. интенсивности АТХЦ, которое проявляется также и для эволюции МПТ в СА. Такое падение этих величин согласуется с ростом ТПО в эти годы, проявляющимся в росте индекса АМО. Такой ход индексов АТХЦ и АМО объясняется тем, что при росте приповерхностной температуры и осадков в субарктических широтах следует ожидать уменьшения солености и плотности приповерхностного слоя СЛО и арктических морей. Этому же способствуют таяние морских льдов и увеличение речного стока в арктический бассейн. В результате должна увеличиться устойчивость верхнего слоя океана, приводящая к ослаблению высокоширотных конвективных процессов и интенсивности меридионального круговорота в Атлантике (с соответствующим изменением положения и ослаблением Гольфстрима и Северо-Атлантического течения как составляющих АТХЦ), что и проявляется в наших расчетах. Это, в свою очередь, может существенно сказаться на региональных особенностях климата высоких и средних широт северного полушария, в частности европейского климата (IPCC, 2013).

Однако, кроме фактора внешнего антропогенного воздействия, описанного выше, можно предложить и объяснение воздействия собственной динамики океана на его термохалинное состояние. Так наблюдаемые минимумы в индексах АТХЦ и МПТ, приуроченные к 1960-м гг. могли спровоцировать минимум в индексе АМО, но с приблизительным 10-летним сдвигом во времени, так что соответствующий минимум индексе АМО приходится на 1970 гг. Аналогично, максимумы в индексах АТХЦ и МПТ, приуроченные к 1990-м гг. могли спровоцировать максимум в индексе АМО, приуроченный к 2000-м гг. Такое большое время запаздывания определяется большой термической инерцией МО. Этот механизм может отвечать собственной долгопериодной изменчивости АТХЦ с периодами около 60 лет.

Выявленное падение индекса АТХЦ с конца 1990-х гг. привело к соответственному уменьшению МПТ в средних широтах и, следовательно, уменьшению поступления тепла из СА в атмосферу начиная с середины 1990-х гг. (рис. 2). Это в свою очередь, может определять океанический компенсационный механизм наблюдаемого потепления, вызванного в последние десятилетия, в основном, антропогенным воздействием (IPCC, 2013). Таким образом, обнаруживается отрицательная обратная связь в климатической системе Земли, направленная на уменьшение внешнего воздействия. Это может привести в ближайшие годы к уменьшению скорости потепления климата Земли. Главным компонентом этого механизма служит термохалинная циркуляция МО. Так в работе (Mokhov, 2006a) показаны связи долгопериодной изменчивости АТХЦ и климатических режимов в Евразии и Арктике.

То, в какой мере предложенные механизмы в те или иные времена оказывают большее влияние на климатические изменения должно быть предметом дальнейших углубленных исследований, в том числе и с применением совместной модели атмосферы и океана, разработанной в ИВМ РАН, в которой океаническим блоком служит модель океана, используемая в настоящих исследованиях. Предложенные механизмы изменчивости АТХЦ и АМО могут приводить к формированию собственных колебаний термохалинной циркуляции МО, которые, в свою очередь, могут формировать собственные колебания климата. Последние служат предметом интенсивных исследований, ведущихся в мировой науке в последнее время.

Рис. 1. Вверху - временной ход площади льда в СЛО за последний цикл 1948-2007 гг, 10⁶ км². Красным пунктиром показаны данные наблюдений. Внизу - среднемесячная сплоченность льда в сентябре, средняя за последний цикл 1948-2007 гг.

глобальный циркуляция океан термохалинный

Рис.2. Временная эволюция среднегодового максимума меридиональной функции тока в Атлантике, Св (вверху), меридионального переноса тепла в Атлантике, усредненного в интервале 30-60°с.ш., Пвт (в центре) и полного потока тепла из океана в атмосферу в Атлантике, усредненного в интервале 30-60°с.ш., Вт/м².

Литература

1. Володин Е. М., Дианский Н. А., Гусев А. В. Воспроизведение современного климата с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана INMCM 4.0. Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2010, Т. 46, № 4, С. 448-466.

2. Володин Е.М., Дианский Н.А., Гусев А.В. Модель земной системы INMCM4: воспроизведение и прогноз климатических изменений в 19-21 веках. Известия РАН, физика атмосферы и океана, 2013, Т.49, №4, с.379-400.

3. Mokhov, I. I. (2006a), Model estimates of possible climate changes in the 21st century in comparison to climate changes in the past and present, in: Possibilities of Preventing Climate Change and its Negative Consequences: The Problem of Kyoto Protocol, Material of Council-Seminar with President of RAS, p. 75, Nauka, Moscow.

4. IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 996 pp.

Приложение

Рис. 1. Среднегодовая функция тока зонально-интегральной циркуляции, Св. Вверху - для глобального океана, внизу - для Атлантического. Положительные значения соответствуют круговороту по часовой стрелке, отрицательные - против часовой стрелки.

Рис. 2. Среднегодовой меридиональный перенос тепла по результатам расчетов, ПВт: Мировой океан (сплошная линия), Атлантический океан (длинный пунктир), суммарный перенос в Тихом и Индийском океане (короткий пунктир).

Рис. 3. Вверху - временной ход площади льда в СЛО за последний цикл 1948-2007 гг, 10⁶ км². Внизу - среднемесячная сплоченность льда в марте, средняя за последний цикл 1948-2007 гг.

Рис. 4. То же, что на рис.3, но для сентября.

Рис. 5. Вверху - временной ход объёма льда в СЛО за последний цикл 1948-2007 гг, 10¹² м³. Внизу - среднемесячная толщина льда в марте в см, средняя за последний цикл 1948-2007 гг.

Рис. 6. То же, что на рис.5, но для сентября.

Рис. 7. Среднемесячные характеристики льда в СЛО в сентябре 2007 г. последнего цикла расчётов. Вверху сплоченность, внизу - толщина в см.

Рис.8 Индекс Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО), °С, по данным наблюдений (пунктир) и по результатам расчётов (сплошная линия).

Рис. 9. Временная эволюция среднегодового максимума меридиональной функции тока в Атлантике, Св (вверху), меридионального переноса тепла в Атлантике, усредненного в интервале 30-60°с.ш., Пвт (в центре) и полного потока тепла из океана в атмосферу в Атлантике, усредненного в интервале 30-60°с.ш., Вт/м².

Размещено на Allbest.ru