Климатические изменения термических условий Карского моря за последние 40 лет

Размещено на http://www.allbest.ru

ФГБУН Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева

Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия

ФГБУН Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации - Мировой центр данных, Обнинск, Россия

Климатические изменения термических условий Карского моря за последние 40 лет

И.Д. Ростов, Е.В. Дмитриева, Н.И. Рудых, А.А. Воронцов

CLIMATIC CHANGES OF THERMAL CONDITION IN THE KARA SEA AT LAST 40 YEARS

I.D. ROSTOV1*, E.V. DMITRIEVA1, N.I. RUDYKH1, A.A VORONTSOV2

-- VI. Il'ichev Pacific Oceanological Institute Far Eastern Branch Russian Academy of Sciences, Vladivostok, Russia

-- All-Russian Research Institute of Hydrometeorological Information - World Data Centre, Obninsk, Russia

Keywords: climate indices, Kara Sea, thermal conditions, year-to-year variability.

The paper discusses air (Ta) and sea surface temperature (SST) year-to-year variability due to warming of the Kara Sea, using the data from regular observations at the meteorological stations Roshydromet (GMS) in 1978-2017, NOAA optimum interpolation and reanalysis data. We use the methods of cluster, correlation analysis and Empirical Orthogonal Functions (EOF). We investigate possible cause and effect relationships of these changes with the variations of the wind field components, climatic indices and the sea ice concentration field. The cluster analysis of the three main EOF components has allowed us to identify four areas on the basis of the nature of changes of the water temperature anomalies field. The climatic changes in these areas, in the coastal and island zones of the Kara Sea have manifested themselves in the steady increase of the annual air temperature at GMS from 0,47-0,77 °C/10 years on the southwest coast to 1,33-1,49 °C/10 years in the north of the sea. This is equivalent to warming from 1,9 to 6,0 °C in the last 40 years. For the open sea the

value of the Ta trend is about 1,22 °C/10 years, which corresponds to an increase in the average Ta by 4,9 °C in the last 40 years. This value is approximately 3 times greater than that for all the Northern hemisphere for the same period.

Annualy, the maximal trend was observed in November and April mainly and exceeded 2-3 °C/10 years at some of the stations. We identify anomalously warm (2016 and 2012) and anomalously cold (1978, 1979, 1992 and 1998) years: the warmest year was 2012, the coldest -- 1979. Positive SST trends were observed over all the sea area during the warm period of year (to 1 °C/10 years). SST increased to 2,4 °C, which is approximately 1,5 times greater than the corresponding SST values for the Northern hemisphere. The maximum SST trend (0,4 °C/10 years) was observed in the northwest and southwest parts of the sea. From June to August the trends of SST exceed the annual ones 1,5-2 times. Interannual SST and Ta variations are characterized by close correlation links. Until approximately 1998-2004 the warming was rather insignificant, and after that the growth rate of Ta and SST increased many fold. Apparently it indicates changes in the mode and the large-scale atmospheric circulation in the early 2000s. We also observed a trend of strengthening of the southern wind during the cold period of the year and the northern one -- in the warm period (0,5-0,6 m/s in 40 years). It is shown that there is a close correlation between the Ta increase and the changes in the meridional component of the wind speed during the cold period of the year for all the sea areas. For the warm period it is statistically insignificant both for Ta and SST. For the cold season we observed a contribution of the large-scale mode of atmospheric circulation into the variability of V component of the wind speed. The conribution was expressed through the indeces NAO, SCAND, Pol/EUR, AZOR, ISL and the differences of ISL- SIB. For the warm season this contribution is expressed through the NAO, SCAND and AO only. For the warm period we showed statistically significant correlation between the increase in SST, Ta and the processes parametrized by the AMO, EA/WR and AZOR indeces. For the cold period the indeces are AMO, Pol/Eur, SIB and ISLSIB.

The interannual variations of the sea ice concentration field are characterized by close correlation with Ta changes both in the annual cycle and during the periods of ice cover formation and evolution (R = -0,7... -0,9). For these periods we showed statistically significant relationships between the first EOF mode fluctuations and two climatic indeces -- AMO (R = 0,5) and Pol/Eur (R = 0,4). The relationships between the temporary variability of the sea ice concentration and the wind field characteristics are weaker and statistically significant only for the meridional component of the wind speed (R = -0,4).

Ключевые слова: Карское море, климатические индексы, межгодовая изменчивость, термические условия.

По данным срочных наблюдений на гидрометеорологических станциях Росгидромета за 1978-2017 гг., данных оптимальной интерполяции и реанализа NOAA выполнен анализ межгодовой изменчивости поверхностной температуры воды и воздуха в Карском море на современном этапе потепления климата. Методы кластерного, корреляционного анализа и аппарата эмпирических ортогональных функций использованы для определения пространственно-временной структуры поля температуры и районирования акватории по особенностям климатических изменений. Исследованы возможные причинно-следственные связи этих изменений с вариациями составляющих поля ветра, климатическими индексами и сплоченностью льда. В результате удалось уточнить количественную оценку тенденций и выявить региональные особенностей межгодовой изменчивости термических условий Карского моря.

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении последних десятилетий в арктических морях отмечались существенные изменения климатических условий, проявившиеся во всех геосферах. Происходящие изменения климатического режима оказывают значительное влияние на климат всего Северного полушария [1, 2]. Они отчетливо проявляются в виде устойчивых тенденций и статистически значимых трендов межгодовых колебаний температуры воздуха, воды, ледовитости и других гидрометеорологических характеристик, которые влекут за собой масштабные экологические и экономические последствия [3, 4, 5, 6]. Потепление в арктических районах происходит быстрее и масштабнее, чем в других регионах, а происходящие изменения по-разному проявляются в различные сезоны года и в отдельных районах [7, 8, 9, 10, 11, 12]. По данным наблюдений на прибрежных ГМС, повышение среднегодовой температуры воздуха (Та) в морях восточного сектора Арктики составило за последние 4 десятилетия в Восточно-Сибирском море 3,7 °C, в Чукотском 2,9 °C и в море Лаптевых 2,8 °C (тренд около 1,01; 0,78 и 0,75 °C/10 лет соответственно), что примерно в 2,5 раза выше соответствующих оценок для дальневосточных -- Берингова и Охотского морей [13, 14]. Увеличение температуры воды (T) в теплый период в этих арктических морях составило 2,6 °C; 2,3 °C и 1,3 °C соответственно, а в Беринговом и Охотском 0,6 °C и 1,2 °C. В результате потепления за последние 30 лет площадь ледяного покрова в Арктике быстро уменьшается, достигнув очередного минимума (на 36 %) в сентябре 2012 г. [15]. В этот период в бассейне Карского моря повторяемость «мягких» зим увеличилась до 40-50 %, средняя продолжительность ледового периода и повторяемость наличия льда на всей акватории в различные месяцы заметно сократились, а условия плавания судов значительно улучшились [16, 17, 18, 19, 20].

Причины происходящих изменений широко обсуждаются в литературе. Среди них -- астрономические факторы [21, 22, 23], перестройка крупномасштабных планетарных процессов [24], а также антропогенная деятельность (увеличение концентрации парниковых газов) [25], совокупность которых приводит к изменениям атмосферной и океанической циркуляции, смене типов атмосферных процессов, положения и выраженности центров действия атмосферы (ЦДА), характеристик теплообмена между морем и атмосферой и сокращению площади ледяного покрова [11, 18, 22, 26-29]. При этом значительный вклад в потепление в полосе средних и высоких широт вносит усиление меридионального переноса тепла и влаги в атмосфере [30-33], а также увеличение количества облачности, препятствующей потере пришедшего адвективного тепла [10, 34]. В связи с таянием, разрушением и сокращением общей площади ледяного покрова море поглощает больше солнечной энергии в течение лета [35, 36]. Осенью часть накопленного тепла возвращается в атмосферу, смягчая климатические условия региона. Кроме того, происходит увеличение поступления тепла в арктические моря за счет речного стока и адвекции более теплых вод из сопредельных районов Атлантического и Тихого океанов [37-40]. В целом однозначного ответа на вопрос о причинах более быстрых климатических изменений в Арктике, по-видимому, не существует, а по мнению некоторых авторов, эти процессы обратимы и в вековом ходе носят циклический характер чередования теплых и холодных эпох [24, 41, 42].

Большая протяженность Карского моря с юго-запада на северо-восток создает заметные различия климатических показателей в разных районах во все сезоны года, однако относительная близость Атлантического океана несколько смягчает климат моря [43]. Анализу и обобщению данных о межгодовой изменчивости термических характеристик этого моря за последние десятилетия посвящен ряд оригинальных и обобщающих работ [16-20, 44 и др.]. Полученные результаты позволяют судить о состоянии различных компонентов климатической системы и характере внутригодовых и межгодовых вариаций температуры воды и воздуха, а также ледовых условий за различные периоды. Вместе с тем в этих работах не в полной мере использовалась вся совокупность современных данных реанализа и наблюдений на ГМС береговой сети, поэтому вопрос о степени неоднородности реакции моря на происходящие глобальные климатические изменения остается недостаточно изученным. Цель настоящей работы -- выявление пространственных особенностей межгодовых изменений термических условий на акватории Карского моря и их возможных причинно-следственных связей с крупномасштабными и региональными процессами в океане и атмосфере за последние четыре десятилетия (в период общего потепления климатических условий в Арктике).

1. ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

Для анализа межгодовых изменений термических условий использовались проконтролированные данные срочных измерений температуры воды и воздуха на сети из 13 ГМС Росгидромета за период c 1978 по 2017 г. из архивов Госфонда (http://meteo.ru/). По данным срочных наблюдений рассчитывались величины средних месячных, сезонных и средних годовых значений, что обеспечило получение сглаженных, относительно однородных рядов межгодовых изменений приземной температуры воздуха и температуры воды (только за июнь-октябрь). С учетом наличия данных, продолжительности ледового периода и особенностей внутригодового хода температуры воздуха и воды были выделены условно теплый (июнь-октябрь) и условно холодный (ноябрь-апрель) сезоны (периоды года).

В работе были использованы данные оптимальной интерполяции Tw (NOAA OI SST V2) [45] и реанализа Та (NCEP/NCAR Reanalysis 1) [46], поля ветра, а также ряды климатических индексов (КИ), позволяющих оценить влияние крупномасштабных процессов на межгодовую изменчивость термических характеристик исследуемого района: индекс Арктического (АО), Южного (SOI), Северо-Атлантического (NAO) и Атлантического междекадного (AMO) колебаний, Скандинавский (SCAND), Вос- точно-Атлантический/Западно-Российский (EA/WR) и Полярный/Евразийский (Pol/ Eur) индексы. Перечисленные данные получены с сайта https://www.esrl.noaa.gov/psd/ его разработчика: NOAA/OAR/ESRL PSD, Boulder, Colorado, USA. Региональные индексы зимнего Сибирского (SIB), Азорского (AZOR) максимумов и Исландского минимума (ISL) рассчитывались по величине приземного давления с этого же сайта. В качестве вспомогательной информации были использованы временные ряды ледовитости морей Центра Гадлея по исследованию климата метеослужбы Великобритании (http://hadobs.metoffice.com/hadisst/data/download.html) [47], ресурсы разделов сайта ГНЦ РФ ААНИИ http://www.aari.ru/main.php и другие результаты обработки ледовой информации [15, 16, 18, 20].

Тренды оценивались для временных рядов, включающих среднегодовые значения наблюдаемых параметров и их аномалий (ДТа и ATw), определяемых как отклонение от средней величины за все годы 30-летнего периода 1984-2013 гг. Расчеты линейных трендов проводились с привлечением стандартного метода МНК. Исходя из длины анализируемых рядов в качестве критического значения коэффициента корреляции на 5 %-ном уровне значимости была принята величина 0,31 (коэффициент детерминации при оценке значимости тренда R1 > 0,10).

Рис. 1 Границы выделенных районов и величина трендов среднегодовых величин Ц (°C/10 лет) на сети ГМС в Карском море за период c 1978 по 2017 г. Номер станции соответствует последним значениям 5-значного общероссийского кода пунктов наблюдений, поименованных в табл. 2 Fig. 1. The borders of the identified areas and trend value for annual Ta (°C/10 years) at the meteorological stations of Roshydromet (GMS) in the Kara Sea in 1978-2018. The station number corresponds to the last figures of the 5-unit all-Russian code of the observation points mentioned in Table 2

Анализ структуры межгодовых изменений температуры воды на поверхности моря проводился с применением метода разложения полей ATw на главные компоненты, или эмпирические ортогональные функции (ЭОФ). По трем главным компонентам ЭОФ методами кластерного анализа [48] были выделены четыре относительно обособленных по характеру изменений поля АЦ* района: северо-западный (СЗ), северо-восточный (СВ), центральный (Ц) и юго-западный (ЮЗ) (рис. 1).

2. МЕЖГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И ВОДЫ НА ГМС И В ОТДЕЛЬНЫХ РАЙОНАХ

Карское море на севере имеет открытую границу с Арктическим бассейном, на западе граничит с Баренцевым морем, а на востоке с морем Лаптевых. Большая часть моря располагается на шельфе, и оно относится к типу материковых окраинных морей с полярным климатом. Суровый климат Карского моря обусловливает полное покрытие его акватории льдом в зимний период. Близость Атлантического океана является фактором, смягчающим климатические характеристики, однако большая протяженность моря и существенно отличающиеся климатические и гидрологические условия на севере и юге бассейна создают заметные различия в отдельных районах [43]. Эти различия наглядно проявляются при сопоставлении как обобщенных оценок средних и экстремальных величин колебаний Ц и Tw (табл. 1), так и особенностей трендов соответствующих температурных изменений Ц на ГМС (рис. 1).

Средние значения Ц и Tw в выделенных районах возрастают с севера на юг примерно на 6 и 3 °C соответственно, годы максимальных значений Ц в Карском море (2012 и 2016) примерно соответствуют ходу среднегодовых АТ во всем Арктическом бассейне [26] и отражают тенденцию потепления, а годы экстремумов Ц и Tw не всегда согласуются между собой. Более детальную информацию об особенностях межгодовых изменений температуры воздуха в прибрежной зоне и различных участках акватории моря дают количественные оценки, приведенные в табл. 2.

Таблица 1 Средние и экстремальные величины температуры воздуха и температуры воды на поверхности моря по данным наблюдений на ГМС и в выделенных районах Карского моря

Примечание. В скобках указан год.

Таблица 2 Характер и тенденции межгодовых изменений температуры воздуха на ГМС и в выделенных районах акватории моря за 1978-2017 гг.

Примечания. КЛТ -- коэффициент наклона линейного тренда, °C за 10 лет; D -- вклад тренда в суммарную дисперсию, %; \Ta -- тренд за 1978--2017 гг., °C; КЛТм -- максимальная величина КЛТ (в скобках -- месяц). Прочерк -- отсутствие сопоставимых оценок. Здесь и далее в таблицах полужирным шрифтом выделены статистически значимые величины трендов и коэффициентов корреляции.

На всех ГМС и в выделенных районах тренды Та положительны во все сезоны. Скорость роста среднегодовой температуры воздуха на ГМС, оцениваемая величиной коэффициента линейного тренда (КЛТ), изменялась от 0,47-0,77 °C/10 лет на южном побережье (Новый порт, Марресале, Усть-Кара) до 1,33-1,49 °C/10 лет на севере моря (м. Голомянный, о. Визе), что соответствует возрастанию Та за последние 40 лет на величину от 1,9 до 6,0 °C. В среднем по всем ГМС рост составил 4,0°C, а величина вклада тренда в суммарную дисперсию D -- 52 %. Величина КЛТ в выделенных районах акватории изменялась от минимальных значений 1,05 °C/10 лет (район Ц) до максимальных 1,64 °C/10 лет (район СЗ) и в среднем для всей акватории моря составила 1,22 °C/10 лет, что соответствует возрастанию среднегодовой Та на 4,9 °C за 40 лет при D = 59 %. По оценкам авторов, эта величина тренда примерно в 3 раза превосходит соответствующее значение для всего Северного полушария за тот же период. Межгодовые изменения Т в выделенных районах характеризуются тесными корреляционными связями (R = 0,8-0,9). В межгодовом ходе среднемесячных Т наибольшие величины трендов наблюдались главным образом в ноябре и апреле, когда на отдельных станциях они превышали 2-3 °C/10 лет. В целом по акватории моря величины КЛТ в теплый и холодный сезоны составляли 0,70 °C/10 лет и 1,63 °C/10 лет соответственно, т.е. отличались в 2,3 раза.

В табл. 3 приведены количественные оценки межгодовой изменчивости температуры воды на ГМС и в выделенных районах акватории моря.

Таблица 3 Характер и тенденции межгодовых изменений температуры воды на ГМС (за 1978-2017 гг.) и в выделенных районах (за 1982-2017 гг.) в теплый период года (июнь-октябрь)

Примечания. а2 -- дисперсия; D -- вклад тренда в суммарную дисперсию, %; ДТ, -- тренд за период наблюдений, °C; КЛТ -- коэффициент наклона линейного тренда, °C за 10 лет; КЛТ -- максимальная величина КЛТ (в скобках -- месяц), R -- коэффициент корреляции Т/Д. Прочерк означает отсутствие сопоставимых данных

В теплый период года на 10 из 12 прибрежных станциях и на всей акватории моря отмечались положительные статистически значимые тренды Tw величиной от 0,17-0,20 °C/10 лет (районы Ц и СВ) до 0,96-1,04 °C/10 лет у юго-западного побережья (Амдерма, м. Белый Нос, м. Болванский Нос -- район ЮЗ), при которых рост Tw на этих ГМС составил около 4,0 °C за 40 лет, а в среднем по всем ГМС -- 2,4 °C при D = 50 %. В целом по акватории моря эта величина в 2 раза меньше, а максимальное значение тренда наблюдалось в северо-западной и югозападной частях моря. По оценкам авторов, средняя величина тренда Tw в Карском море (0,30 °C/10) примерно в 1,5 раза больше соответствующих значений для ТПО Северного полушария. Максимальные величины дисперсии T наблюдались на станциях, расположенных в юго-западной части моря (табл. 3). Данные наблюдений на ГМС отражают локальные особенности термического режима отдельных участков прибрежных акваторий, включая мелководные бухты, подверженные отепляющему влиянию стока рек, поэтому приведенные оценки отличаются от аналогичных величин для районов открытого моря. Скорость потепления определяется главным образом взаимодействием с атмосферой и местными условиями. Во всех районах открытого моря и на ГМС выражена тесная корреляционная связь между величиной тренда (КЛТ) и коэффициентом корреляции (R) изменений Та и Tw. На ГМС Новый порт и м. Голомянный, где отмечаются самые низкие величины R, положительные тренды T значимы только в отдельные месяцы. На рис. 2 изображены кривые временного хода аномалий и накопленных аномалий T и T на прибрежных ГМС и в выделенных

Рис. 2 Межгодовая изменчивость аномалий температуры воздуха АТа (среднегодовая) и накопленных аномалий ^АТ на ГМС (а, б) и в выделенных районах (в, г). То же для температуры воды А'Л. (теплый период) и Y\'T.. на ГМС (д, е) и в отдельных районах (ж, з). Показан диапазон колебаний, средние значения и линии тренда Fig. 2. Year-to-year variability of air temperature anomalies АТа (annual) and accumulate anomalies ЪАТа at GMS (а, б) and in the identified areas (в, г). The same is shown for water temperature А'1\ (warm period) and ЈАТ^ at GMS (д, е) and in the identified areas (ж, з). The range of fluctuations, mean values and lines of the trend are shown районах.

Временной ход среднегодовых величин отражает чередование теплых и холодных лет в рядах наблюдений, а накопленных аномалий -- низкочастотные составляющие и отдельные периоды в межгодовом ходе температуры, которые хорошо согласуются с изменениями ледовитости [18]. Кривые межгодовых колебаний АТ на прибрежных ГМС (рис. 2а, б) и в районах открытого моря (рис. 2в, г) различаются лишь в деталях (R = 0,95). На фоне общей тенденции роста Та в первую половину исследуемого периода, примерно до 1998-2004 гг., преобладали отрицательные аномалии среднегодовой T скорость потепления была относительно невелика, а в теплый период года наблюдались отрицательные тренды температуры воздуха и воды (табл. 4).

Таблица 4 КЛТ (°C/10 лет) межгодовых изменений температуры воздуха и воды на акватории Карского моря за различные периоды

Во второй половине периода в результате смягчения климатического режима [27, 30, 33] скорость роста Т многократно увеличилась, а величины трендов стали статистически значимыми. В ноябре 2018 г. средняя температура воздуха в Карском море превысила норму на 4-6 °С [26]. Межгодовые колебания температуры воды и воздуха характеризуются тесными корреляционными связями (табл. 3), поэтому отмеченные выше особенности временной изменчивости аномалий T и T (рис. 2, табл. 4) хорошо согласуются между собой. В целом в арктических морях аномалии ТПО за 2018 год местами превысили нормы на 1 °С и более [26].

3. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА МЕЖГОДОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И ВОДЫ

В начале рассматриваемого периода на всей акватории моря наблюдались только отрицательные аномалии среднегодовых величин Т В процессе потепления знак аномалий сменился на противоположный, а область с максимальными величинами тренда среднегодовой температуры воздуха (КЛТ) локализовалась в северо-западной части акватории на границе с Баренцевым морем (рис. 3а, табл. 2), что отражает влияние Атлантического океана на термические условия Карского моря. В пределах всей акватории тренды Т положительны во все сезоны года, а их максимальные величины (до 3,5 °C/10 лет) отмечаются в холодный период (рис. 3d). В теплый период года область максимальных значений КЛТ располагалась в северо-восточной части моря, а минимальных -- у побережья Новой Земли (рис. 3в).

Рис. 3 Коэффициент линейного тренда температуры воздуха (КЛТ, °C/10 лет) для среднегодовой Та (а), за теплый (в) и холодный (д) периоды. КЛТ температуры воды (б), распределение аномалий Tw в 2016 г. (г) и первой моды ЭОФ разложения ATw (е). Все данные по Tw только за теплый период Fig. 3. Air temperature linear trend coefficient (°C/10 years) for annual Ta (a), warm (в) and cold (d) period. The data for SST: б -- linear trend coefficient (°C/10 years), г -- SST anomaly distribution in 2016; е -- the first EOF mode SST anomaly decomposition. SST data are given for the warm period only

В ходе T на поверхности акватории моря в теплую половину года (июнь-октябрь) наблюдались только положительные тренды (рис. 3б), и к концу периода наблюдений присутствовали только положительные аномалии T (рис. 3г). Области с максимальными значениями этих величин располагались в северной и юго-западной частях акватории моря. Отмеченные особенности пространственно-временной изменчивости поля температуры формируются в результате взаимодействия разномасштабных процессов, происходящих в море и атмосфере. Для выявления информации о структуре этого поля были вычислены ЭОФ разложения колебаний AT в теплый период. Первые три моды ЭОФ аккумулируют 84 % дисперсии межгодовых колебаний температуры воды и дают наиболее полное представление об особенностях структуры межгодовой изменчивости T . В ходе временных рядов коэффициентов разложения первой и третьей мод присутствовали статистически значимые положительные тренды, а межгодовые вариации температуры воды в выделенных районах тесно связаны с колебаниями временных коэффициентов первой (все районы, как и для поля Та), второй (районы СВ, ЮЗ) и третьей (район Ц) мод ЭОФ. Первая мода (C1) описывает 60 % общей дисперсии вариаций среднегодовых значений ТУ Пространственное распределение С1 на акватории моря представлено положительными значениями и характеризует синфазные колебания Т в пределах всего бассейна с двумя максимумами в его северной и юго-западной частях (рис. 3е). При этом особенности пространственного распределения С1 отражают основные черты полей КЛТ и ATw (рис. 3б, г, е).

Моды С2 и С3 описывают противофазные, линейно независимые составляющие колебаний T в ортогональных направлениях в районах с различными гидрологическими условиями (карты этих мод в работе не приводятся). Они кратко характеризуются следующими свойствами. Вторая мода (18 % дисперсии Tw) образует симметричный диполь с максимумом отрицательных значений на востоке, а положительных -- на западе акватории моря.

В третьей моде (6 % вклада в дисперсию) выражены мелкомасштабные пространственные особенности колебаний T с тремя максимумами отрицательных значений С3 в южной части моря и одним -- на севере, в районе желоба Св. Анны.

4. КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ СВЯЗИ МЕЖДУ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ, АТМОСФЕРНИМИ ПРОЦЕССАМИ И ЛЕДОВЫМИ УСЛОВИЯМИ

В условиях глобального потепления основными причинами формирования обширных областей устойчивых аномалий Tw и Ta в исследуемом районе являются изменения крупномасштабной атмосферной циркуляции, расположения и выраженности ЦДА, интенсивности и соотношения зональных и меридиональных переносов в атмосфере. Эти изменения характеризуются рядом признаков и отражаются в отдельных циркуляционных показателях -- климатических индексах (КИ). Был проведен взаимный корреляционный анализ временных рядов температуры воды и воздуха, коэффициентов мод ЭОФ разложения полей аномалий АТ* и компонен-

тов U и V скорости ветра с индексами, характеризующими состояние и динамику климатической системы в Карском море.

В рассматриваемый период в ходе межгодовых изменений КИ присутствовали статистически значимые положительные и отрицательные трендовые составляющие (табл. 5), отражающие тенденции в изменениях крупномасштабной атмосферной циркуляции [12, 13, 33].

Таблица 5 Оценки трендов ( КЛТ) климатических индексов (КИ) и коэффициентов корреляции изменений тепературы воздуха, составляющих Vи U скорости ветра с колебаниями КИ в теплый и холодный (в скобках) сезоны за 1978-2017 гг.

Примечание. * -- отсутствие сопоставимых данных из-за сезонности действия ЦДА.

В теплый сезон в ходе рассматриваемых КИ произошли следующие изменения:

- АМО с середины 1990-х гг. находится в положительной фазе, которая свидетельствует о потеплении в Атлантике и Северном полушарии и может длиться 20-40 лет [49].

- NAO, EA/WR и AZOR -- после 1997-1998 гг. находятся преимущественно в отрицательной фазе.

В теплый период изменения АМО и индексов NAO, EA/WR и AZOR происходят в противофазе, характеризуются как умеренными, так и высокими корреляционными связями (R = -0,4; -0,7 и -0,7 соответственно) и отражают связи температурного и барического полей Северной Атлантики и западной части северной Евразии [33].

В холодный сезон в ходе индекса АМО присутствует значимый положительный тренд, а Pol/Eur -- отрицательный. Переход последнего КИ преимущественно к отрицательной фазе означает ослабление циркумполярной циркуляции (полярного вихря) и связывается с усилением межширотного обмена и потеплением. Связь температурных колебаний (АМО) с этим циркуляционным КИ (Pol/Eur) оценивается коэффициентами корреляции R = -0,5.

Произошедшая в результате климатического сдвига перестройка барического поля выражена в изменениях ветрового режима. Анализ характеристик межгодовой изменчивости зональной (U) и меридиональной (V) составляющих скорости ветра показал, что в последние 40 лет наблюдались тенденции усиления ветров южных румбов в холодный период года, а в теплый -- северных на 0,5-0,6 м-c-1. При этом именно в холодный период во всех районах моря отчетливо проявляются тесные корреляционные связи между ростом Т и усилением южных ветров (R = 0,6-0,7), а в теплое время как для Т, так и для T эти связи статистически не значимы. В изменчивости V компоненты скорости ветра в холодный сезон присутствует вклад колебаний крупномасштабных мод циркуляции атмосферы, выраженных через индексы NAO, SCAND, Pol/Eur, AZOR, ISL и разности ISL - SIB (табл. 5). В теплый сезон эти связи выражены только через NAO, SCAND и АО. Во временном ходе зональной компоненты скорости ветра статистически значимые тренды, как и корреляционные связи с колебаниями Т и T , отсутствовали во все сезоны года.

Происходящие изменения температурного режима Карского моря тесно связаны с потеплением в Северной Атлантике, поэтому синфазные колебания Т и индекса АМО характеризуются высоким коэффициентами корреляции во всех районах и в течение всего года. В теплый сезон колебания Т находятся в противофазе с колебаниями EA/WR, а также индексом Азорского антициклона (AZOR), и на большей части акватории моря соответствующие коэффициенты корреляции статистически значимы (табл. 5). На фоне тенденции ослабления в последние десятилетия этого ЦДА происходило уменьшение градиента приземного давления в направлении центр антициклона -- Скандинавия, сопровождавшееся увеличением поступления более теплых воздушных масс из Атлантики. Роль циркуляционных процессов, описываемых индексами NAO, SCAND, Pol/Eur, АО и SOI, в изменениях Т на акватории моря в теплый сезон не проявляется. В холодный сезон на всей акватории моря выражены корреляционные связи Та с колебаниями Pol/ Eur, а на акваториях центрального и юго-западного районов с индексами сибирского антициклона (SIB) и разности (ISL - SIB). В это время года на отдельных ГМС этих районов статистически значимы коэффициенты корреляции Та с индексами NAO и АО.

В теплый период года, когда акватория моря освобождается ото льда, корреляционные связи вариаций температуры воды и КИ проявляются как на акваториях северной части моря (районы СЗ и СВ), так и на большинстве прибрежных и островных ГМС только в ходе четырех индексов, межгодовая изменчивость которых характеризуется статистически значимыми трендами (табл. 5, 6). В этих районах наблюдались и наибольшие тренды межгодовых изменений T (см. табл. 2).

Колебания АМО синхронизированы с вариациями коэффициентов первой и третьей мод ЭОФ, EA/WR -- только с третьей, а AZOR -- с первой и второй. Как было отмечено выше, особенности пространственного распределения коэффициентов моды С; отражают основные черты полей КЛТ и \Tw (рис. 3), которые, по-видимому, свидетельствуют о преобладающем вкладе процессов, описываемых индексами AMO и AZOR в межгодовые изменения поля T в теплый сезон. Интересно отметить, что изменчивость третьей моды С3 имеет также дальние связи с колебаниями тихоокеанского индекса PDO (R = -0,5).

Таблица 6 Коэффициенты корреляции Tw и мод С1-С3 ЭОФ \7'и с климатическими индексами в теплый период года в 1982-2017 гг.

Естественно, что происходящие современные климатические изменения термического режима Карского моря непосредственно отражаются в вариациях различных характеристик его ледовитости [9, 16, 18, 19, 20, 50, 51 и др.]. В данной работе рассмотрены некоторые особенности пространственно-временной структуры вариаций сплоченности льда на начальном и заключительном этапах развития ледяного покрова: в начальные периоды нарастания, распространения (условно октябрь-декабрь) и очищения ото льда (условно апрель-июнь) акватории моря, а также взаимосвязи между изменениями температуры воздуха и ветра и сплоченностью льда в процессе эволюции ледяного покрова. На выбранных временных интервалах изменчивость площади ледяного покрова максимальна, особенно в последние годы, а в остальное время года в течение ледового периода поверхность моря практически всегда полностью покрыта льдом [16, 20, 51].

Обычно пространственные особенности распределения и временной изменчивости сплоченности льда отражены в величинах среднеквадратических отклонений и ЭОФ, формирующих эти отклонения и являющихся собственными векторами корреляционной матрицы аномалий поля сплоченности льда [52]. На рис. 4 приведены пространственные распределения первой моды ЭОФ (С1) сплоченности льда, а также временные функции С и ход аномалий температуры воздуха на обоих этапах развития ледяного покрова.

В период с октября по декабрь первые три моды ЭОФ аккумулируют 82 % дисперсии межгодовых колебаний ледовитости, а в период с апреля по июнь значительно меньше -- 65 %. Т.е. в эти периоды интенсивность процессов возрастания и уменьшения ледовитости значительно различается, что также отражается в характеристиках пространственного распределения среднеквадратичных величин (о) сплоченности льда и трендах временного хода С1 ЭОФ. В ходе временных рядов первой моды присутствовали статистически значимые отрицательные тренды. В период с октября по декабрь КЛТ вариаций сплоченности льда в два раза превосходит соответствующую оценку для весенне-летнего периода, а после 2003 г. в обоих случаях процесс уменьшения ледовитости заметно ускоряется, что согласуется с особенностями межгодового хода среднегодовых температур воздуха и воды (рис. 2) и увеличением количества «мягких» зим в Карском море [16, 20].

В оба рассматриваемых периода пространственное распределение С1 на акватории моря (69 и 44 % от общей дисперсии в указанные периоды) характеризует синфазные колебания ледовитости в пределах всего бассейна с двумя максимумами в его северной и юго-западной частях (рис. 4а, в), как это выражено для той же моды изменчивости поля температуры воды (рис. 3е).

Моды С2 и С3 описывают более мелкомасштабные, разнонаправленные процессы изменчивости структуры поля сплоченности льда, происходящие в прибрежной зоне и различных участках акватории моря.

Рис. 4 Пространственное распределение изменчивости сплоченности льда, определяемое первой модой ЭОФ (С1), и вариации нормализованных временных функций С1 и аномалий температуры воздуха (АТа) в октябре - декабре (а, б) и в апреле - июне (в, г). Показан линейный тренд С1. Обозначения: 1 -- С1; 2 -- ХЦ Fig. 4. Spatial distribution of ice compaction variability determined by the first EOF mode (С1), and variation of normalized temporary С1 functions and air temperature anomalies (УТа) in October- December (а, б) and in April - June (в, г). Linear trend is shown. Legend: 1 -- C1; 2 -- УТ

Межгодовые вариации С1 характеризуются тесными корреляционными связями с изменениями температуры воздуха как в годовом ходе, так и в рассматриваемые периоды формирования и эволюции ледяного покрова (R = -0,7...-0,9). В эти периоды проявляются статистически значимые связи колебаний С1 только с двумя климатическими индексами -- АМО (R = 0,5) и Pol/Eur (R = 0,4 -- только в период нарастания и распространения льда).

Связи между временной изменчивостью С1 и характеристиками поля ветра в рассматриваемые периоды более слабые, а соответствующие коэффициенты корреляции статистически значимы только для меридиональной компоненты скорости (R = -0,4). Как было отмечено выше, в последние десятилетия наблюдалось усиление ветров южных румбов, особенно в холодный период года. При этом именно в холодный период во всех районах моря отчетливо проявляются тесные корреляционные связи между ростом Т и усилением южных ветров (R = 0,6-0,7). Тенденция усиления меридиональной составляющей скорости ветра может быть дополнительным фактором уменьшения ледовитости, способствуя как адвекции дополнительного тепла из низких широт, так и выносу части плавучих льдов за пределы акватории моря.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Климатические изменения в исследуемых районах прибрежной и островной зоны Карского моря проявляются в трендах устойчивого увеличения среднегодовой Та на ГМС со скоростью от 0,47-0,77 °C/10 лет у юго-западного побережья до 1,33-1,49 °C/10 лет на севере моря, что эквивалентно потеплению от 1,9 до 6,0 °C за последние 40 лет. Величина тренда Та в открытом море изменялась от минимальных значений 1,05 °C/10 лет в центральной части акватории до максимальных 1,64 °C/10 лет в ее северо-западной части, а в среднем для всего моря составила 1,22 °C/10 лет, что соответствует возрастанию среднегодовой Та на 4,9 °C за 40 лет. Эта величина тренда примерно в 3 раза превосходит соответствующее значение для всего Северного полушария за тот же период. В межгодовом ходе среднемесячных значений Та наибольшие величины трендов наблюдались главным образом в ноябре и апреле и на отдельных станциях превышали 2-3 °C/10 лет. В целом по акватории моря величины трендов Та в теплый и холодный сезоны составили 0,70 °C/10 лет и 1,63 °C/10 лет соответственно. На фоне отмеченных тенденций роста среднегодовой Та можно выделить отдельные аномально теплые (2012 и 2016) и аномально холодные (1978, 1979, 1992 и 1998) годы. В среднем по акватории моря за рассматриваемый период 2012 и 1979 гг. были наиболее теплым и холодным соответственно.

В теплый период года на всей акватории моря наблюдались положительные тренды температуры воды с максимальной величиной до 1 °C/10 лет на ГМС у юго-западного побережья. В среднем по данным всех ГМС тренд оценивался величиной 0,61 °C/10 лет, а увеличение Tw за 40 лет составило 2,4 °C. В целом по акватории моря эти величины в 2 раза меньше, однако и они примерно в 1,5 раза превосходят соответствующие значения для ТПО Северного полушария. Максимальное значение тренда (0,4 °C/10 лет) наблюдалось в северо-западной и юго-западной частях моря. В этих районах отмечались наибольшие значения коэффициентов корреляции колебаний Та и Tw. В межгодовом ходе среднемесячных значений Т наибольшие величины трендов наблюдались в период с июня по август, когда они были в 1,5-2 раза больше среднегодовых. Межгодовые колебания температуры воды и воздуха характеризуются тесными корреляционными связями, поэтому особенности временной изменчивости аномалий Та и Tw хорошо согласуются между собой. На фоне общей тенденции роста температуры воздуха и воды в первую половину периода наблюдений, примерно до 1998-2004 гг., преобладали отрицательные аномалии среднегодовой T скорость потепления была относительно невелика. Во второй половине периода скорость роста Та и Tw многократно увеличилась.

В ходе межгодовых изменений климатических индексов присутствовали статистически значимые трендовые составляющие, которые указывают на произошедшую в конце 1990-х -- начале 2000-х гг. смену режима и изменения крупномасштабной атмосферной циркуляции. В исследуемом районе наблюдались тренды усиления ветров южных румбов в холодный период года, а в теплый -- северных на 0,1-0,2 м-c 710 лет, и именно в холодный период во всех районах моря отчетливо проявляются тесные корреляционные связи между возрастанием Т и изменениями меридиональной компоненты скорости ветра, а в теплое время как для Т, так и T они статистически не значимы.

В холодный сезон в изменчивости V компоненты скорости ветра присутствует вклад колебаний крупномасштабных мод циркуляции атмосферы, выраженных через индексы NAO, SCAND, Pol/Eur, AZOR, ISL и разности ISL- SIB. В теплый сезон эти связи выражены только через...