The variability of the sea surface temperature and the heat fluxes over the North Atlantic from 1975 to 2011.pdf Введение В изменениях климата важную роль играют процессы взаимодействия океана и атмосферы. Так, установлены достаточно тесные связи между изменениями гидрометеорологических характеристик в Северной Атлантике и климата окружающих ее континентальных регионов [1. С. 193]. Известен также существенный вклад в климатическую изменчивость явления Эль-Ниньо - процессов потепления поверхности восточной тропической части Тихого океана [2. С. 181]. Атмосфера влияет на характеристики поверхностного слоя океана главным образом через воздействие ветра, изменяющего динамику и термодинамику верхнего слоя океана, и изменения в облачности, модулирующие радиационный баланс на поверхности океана. Обратное влияние океана на атмосферу осуществляется через турбулентные потоки тепла и влаги. Как отмечается в [3. С. 62], возмущение в поле температуры поверхности океана приводит к изменениям потоков скрытого и явного тепла и, тем самым, к воздействию на циркуляцию и облачность. Изменения в циркуляции могут проявляться не только в адвективной и конвективной составляющих переноса воздушных масс, но ив изменениях характеристик циклонов, зарождающихся над океанскими акваториями и смещающихся на территории континентов. Исходя из этого, исследование межгодовой изменчивости температуры поверхности океана, потоков явного и скрытого тепла имеет существенное значение для решения проблемы изменения климата. Целью настоящей работы являлось изучение сезонной и межгодовой изменчивости температуры поверхности океана, тепловых потоков и их взаимных связей в Северной Атлантике в период глобального потепления 1975-2011 гг. Исследованию взаимодействия атмосферы и океана в Северной Атлантике посвящено много публикаций. Расширенный обзор работ в этом направлении содержится, например, в монографиях [4. С. 88; 5. С. 78]. Отметим лишь некоторые работы, касающиеся темы нашего исследования. Аномалии среднегодовых температур поверхности океана (ТПО) в Северной Атлантике в 10°-х широтных полосах от экватора до 70° с. ш. во временном интервале 1900-1987 гг. были вычислены в [6. С. 141]. Временной ход аномалий ТПО имеет свои особенности в каждой широтной полосе с общими признаками, заключающимися в потеплении в 1920-1940 гг. и похолодании между 1940-1970 гг. Уменьшение ТПО почти на всей акватории Северной Атлантики было установлено также в работе [7. С. 720] для временного интервала 1948-1972 гг. Рост среднегодовых температур с середины 1980-х до 2000 г. в Северной Атлантике выявлен в работе [8. С. 24]. Пространственное распределение зимних аномалий ТПО в Северной Атлантике характеризуется двумя главными модами изменчивости [9. С. 331]. Одна из них представляет собой три-поль - три района аномалий: область вблизи юго-восточного побережья США, район восточнее п-ва Ньюфаундленд и район тропической восточной Атлантики. Монопольная мода представляет собой аномалию одного знака над Северной Атлантикой в целом [10. С. 1743], и она связана с мультидекадными возмущениями ТПО, в то время как трипольная мода соответствует годовым масштабам. В [11. С. 1] была высказана гипотеза о том, что изменчивость ТПО в Северной Атлантике на годовых масштабах вызывается воздействием атмосферы, тогда как на больших временных масштабах она связана с изменчивостью океана. Воздействие атмосферы на океан в основном осуществляется ветром, который модулирует турбулентные потоки тепла с поверхности и изменяет экмановские течения. Потоки явного (QL) и скрытого (QS) тепла пропорциональны средней скорости ветра у поверхности и градиенту температуры в приземном слое воздуха для QS и градиенту влажности в том же слое для QL. Пространственное распределение среднегодовых значений этих потоков и их линейных трендов за 1948-1972 гг. рассмотрено в работе [7. С. 720]. Сделан вывод, что за этот временной промежуток наблюдался рост потоков явного тепла практически на всей акватории Северной Атлантики, особенно выраженный у северо-восточного побережья США и у западного побережья Скандинавии. Подобный характер имеет динамика потоков скрытого тепла, но с менее выраженными изменениями в отмеченных выше районах. Связи между месячными аномалиями потоков суммарного (явного и скрытого) тепла и аномалиями ТПО в Северной Атлантике исследованы в работе [12. С. 859] за период 1946-1986 гг. Автор нашёл, что месячные аномалии потока и аномалии тенденций ТПО значимо коррелируют над большей частью океана и особенно выражены во внетропических широтах в холодный сезон, когда положительная аномалия потока связана с отрицательной аномалией ТПО и наоборот. Для периода 1988-1999 гг. пространственная структура и временная изменчивость потоков явного и скрытого тепла в Атлантике исследовались в [13. С. 873]. Применяя в исследовании разные базы данных, авторы показали, что для области Северной Атлантики (от экватора до 45° с. ш.) во временном интервале 1988-1999 гг. рост ТПО воспроизводится данными, взятыми из разных источников, однако имеются расхождения в динамике потоков. Исходные данные и методы анализа Исследования временной изменчивости рассмотренных в работе величин выполнялись как для акватории Северной Атлантики в целом, так и для отдельных областей, представленных на рис. 1 и выделяющих регионы океана с различным характером океанской циркуляции. Регион 1 выделяет область субполярного круговорота, в которой океан циркулирует циклонически между 50° и 60° с. ш., ограниченную Северо-Атлантическим, Восточно-Гренландским, Западно-Гренландским и Лабрадорским течениями, а также течением Ирмингера. Регион 2 выделяет область субтропического круговорота, ограниченную Северным пассатным, западными пограничными Флоридским и Гольфстримом, Северо-Атлантическим и восточным пограничным Канарским течениями. Рис. 1. Положение выделенных доменов на акватории Северной Атлантики: 1 - субполярный круговорот; 2 - субтропический круговорот; 3 - течение Гольфстрим Циркуляция в обоих круговоротах вызвана ветровым воздействием Исландского и Азорского центров действия атмосферы. Регион 3 выделяет район течения Гольфстрим, циркуляция в котором вызвана различием в температуре и солёности в северных и южных широтах бассейна. В дальнейшем для удобства изложения словом Гольфстрим обозначается район течения Гольфстрим. Отметим, что выбор указанных на рис. 1 регионов осуществлён субъективно на основе многочисленных опубликованных карт течений в Северной Атлантике. В большей степени мы руководствовались схемой крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики, приведённой в [4. С. 30] и [15. С. 3516] при выборе положения Гольфстрима. Точный выбор координат круговоротов и Гольфстрима не представляется возможным в силу их большой пространственно-временной изменчивости. Координаты угловых точек выбранных районов приведены в табл. 1. Т а б л и ц а 1 Координаты угловых точек выбранных районов 1. Субполярный круговорот 2. Субтропический круговорот 3. Течение Гольфстрим 62° с. ш., 62° з. д.; 62° с. ш., 37° з. д.; 47° с.ш., 43° з. д.; 47° с. ш., 16° з. д. 37° с. ш., 59° з. д.; 37° с. ш., 30° з. д.; 18° с. ш., 55° з. д.; 18° с. ш., 22° з. д. 46° с. ш., 57° з. д.; 44° с. ш., 46° з. д.; 37° с. ш., 75° з. д.; 30° с. ш., 75° з. д. Исследование гидрометеорологических величин в Северной Атлантике за период 1975-2011 гг., таких как температура поверхности океана (ТПО), потоки скрытого (Ql) и явного (QS) тепла, проводилось по данным судовых наблюдений ICOADS (International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set) с пространственным разрешением 1° х 1° и месячным временным разрешением. ICOADS - это наиболее полная база среднемесячных данных поверхности океана, охватывающая последние три века с пространственным разрешением 2° х 2° для периода 1800-2011 гг. и с разрешением 1° х 1° - для периода 1960-2011 гг. Данные судовых наблюдений ICOADS находятся в свободном доступе по адресу http://icoads.noaa.gov/ data.icoads.html. Исходные ряды сглаживались фильтром низких частот (ФНЧ). Операция заключалась в умножении спектра Фурье сигнала на некоторую функцию W(o>), называемую спектральным окном, с последующим конструированием «сглаженного» сигнала. В данной работе использовалось прямоугольное окно с шириной, равной 10 лет. Погрешность расчёта гидрометеорологических величин определялась через среднеквадратическое отклонение, значимость которого оценивалась с помощью проверки нулевой гипотезы с уровнем значимости а = 0,05. При исследовании временной изменчивости рассчитывались связи между климатическими величинами и климатообразующими факторами, такими как радиационные и циркуляционные, а также связь между самими факторами оценивалась с помощью методов корреляционного анализа. Коэффициенты линейного тренда определялись с помощью уравнения регрессии, а их значимость оценивалась по одностороннему /-тесту на уровне а = 0,1. Сезонная и межгодовая изменчивость температуры поверхности океана и потоков тепла Сезонный ход температуры поверхности океана и потоков тепла, усреднённый по акватории Северной Атлантики и по периоду 1975-2011 гг., приведён в табл. 2. Т а б л и ц а 2 Сезонный ход температуры поверхности океана и потоков скрытого (QL) и явного (QS) тепла. Величины усреднены по акватории Северной Атлантики и по периоду 1975-2011 гг. Месяц ТПО, °С Ql, Вт/м2 Qs, Вт/м2 1 14,59 85,91 24,64 2 14,1 77,31 20,27 3 14,12 67,16 12,6 4 14,76 55,89 3,91 5 16,05 48,3 -1,28 6 17,86 48,51 -2,86 7 19,74 49,93 -2,77 8 20,98 55,77 -1,01 9 20,59 67,81 3,11 10 19,07 79,85 10,02 11 17,25 90,01 18,86 12 15,69 91,64 24,3 В сезонном ходе (табл. 2) температура поверхности океана за период 1975-2011 гг. минимальна в феврале (ТПО = 14,1°C; сШо = 0,6°C) и максимальна в августе (ТПО = 21°C; сШо = 0,7°C). В среднем по территории Северной Атлантики наибольший поток скрытого тепла наблюдается в зимний период с максимумом в декабре (QL = 91,6 Вт/м2; GqL=17 Вт/м2). Наименьший поток скрытого тепла в среднем по территории Северной Атлантики отмечается в летний период года, с минимальным значением в мае (Ql = 48,3 Вт/м2; oQL = 14 Вт/м2). Наибольший поток явного тепла от поверхности океана наблюдается в зимний период в январе (QS = = 24,64 Вт/м2; gqS = 11 Вт/м2), а минимальный в сентябре (QS = 3,11 Вт/м2; gqS = 1,6 Вт/м2). С мая по август поток явного тепла направлен от атмосферы в океан, с наибольшим значением в июне (QS = -2,86 Вт/м2; GqS = 2 Вт/м2). На рис. 2 показана межгодовая изменчивость среднегодовых температур поверхности океана, усреднённых по всей акватории Северной Атлантики (а), по домену 2, отвечающему субтропическому круговороту (б), по домену 1, отвечающему субполярному круговороту (в), и по домену 3, отвечающему течению Гольфстрим (г). Тонкая линия даёт межгодовую изменчивость, жирная линия - результат сглаживания с помощью прямоугольного окна шириной 10 лет. В табл. 3 приведены линейные тренды температуры поверхности океана за 1975-2011 гг. как для акватории Северной Атлантики в целом, так и для отдельных доменов. Жирным шрифтом выделены тренды статистически значимые на уровне 0,1. Из табл. 3 видно, что наибольшие среднегодовые скорости потепления поверхности океана (0,38°С/10 лет) имеют место в субполярном круговороте. В сезонном ходе потепление заметно выше во втором полугодии, с максимумом в августе (0,65°С/10 лет). "с Вт/мг Северная Атлантика 1970 1980 1990 2000 Год 2010 Рис. 3. Межгодовая изменчивость потока скрытого тепла: а - среднего по Северной Атлантике; б - среднего по домену 2; в - среднего по домену 1; г - среднего по домену 3 Субтропический круговорот 1980 1990 2000 Год 2010 Рис. 2. Межгодовая изменчивость температуры поверхности океана: а - средней по Северной Атлантике; б - средней по домену 2; в - средней по домену 1; г - средней по домену 3 25,0 24,824,6 24,4 8,0 7,5 7,0 6,56,0 5.5- в 24.0 23.7 23,4 23.1 22.8 1970 ТПО 17.4 17,2 17,0 16,8 16,6 Северная Атлантика 7_Д а V Т а б л и ц а 3 Линейные тренды температуры поверхности океана (°С/10 лет) для всей акватории Северной Атлантики и для её отдельных доменов Месяц Субтропический Круговорот (домен 2) Субполярный Круговорот (домен 1) Течение Гольфстрим (домен 3) Северная Атлантика 1 0,05 0,37 0,16 0,19 2 0,07 0,21 0,09 0,20 3 0,02 0,32 0,05 0,16 4 0,07 0,20 0,10 0,19 5 0,08 0,13 0,07 0,26 6 0,13 0,28 0,13 0,27 7 0,16 0,47 0,16 0,25 8 0,17 0,65 0,14 0,26 9 0,14 0,49 0,12 0,20 10 0,15 0,52 0,12 0,22 11 0,11 0,44 0,05 0,22 12 0,09 0,41 0,09 0,19 Год 0,11 0,38 0,10 0,22 Среднегодовая температура в субтропическом круговороте повышалась с заметно меньшей скоростью (0,11°С/10 лет). В этом потеплении доминировала вторая половина года, с максимальной скоростью потепления в августе (0,17°С/10 лет). Наименьший рост среднегодовых температур отмечается в Гольфстриме (0,10°С/10 лет), с максимальной скоростью потепления в январе и июле (0,16°С/10 лет). В целом по акватории Северной Атлантики тренд повышения среднегодовой температуры составил 0,22°С/10 лет, с максимальными положительными трендами (0,25-0,27°С/10 лет) в летний период, хотя сезонные различия выражены слабее, чем в отдельных доменах. Для того чтобы оценить вклад доменов в формирование температуры поверхности океана в Северной Атлантике был выполнен регрессионный анализ, в котором предиктантом была температура поверхности океана на всей акватории, а предикторами - температуры в отдельных доменах. Предварительно были рассчитаны коэффициенты корреляции температур между отдельными доменами. Для среднегодовых температур они составили 0,29 между Гольфстримом и субтропическим круговоротом, -0,23 между Гольфстримом и субполярным круговоротом и -0,12 между субтропическим и субполярным круговоротами. Для выбранного в работе временного периода (36 лет) наблюдаются низкие значения коэффициентов корреляции, что позволяет говорить о статистической независимости предикторов. Результаты регрессионного анализа показывают, что доминирующий вклад (59%) в изменчивость температуры Северной Атлантики вносит субполярный круговорот, далее следуют течение Гольфстрим (26%) и субтропический круговорот (15%). Однако линейные тренды не передают всех особенностей изменчивости температуры поверхности океана в Северной Атлантике. Из рис. 2, а-в видно, что имеет место хорошо выраженная междекадная изменчивость. Сглаженная кривая на рис. 2, а позволила установить, что в интервале 1975-1980 гг. среднегодовая температура на всей территории увеличилась только на 0,1 °С, соответствуя началу перехода от похолодания от середины 50-х гг. до начала 70-х гг. XX столетия [8. С. 24] к потеплению с середины 70-х гг. Далее в интервале 1980-1990 гг. наблюдается умеренное (+0,2°С) потепление, а в интервале 1990-2000 гг. - сильное (+0,4°С) потепление. Однако в интервале 2000-2011 гг. процесс потепления остановился и наблюдается даже небольшое (-0,1°С) похолодание. В обоих круговоротах и в Гольфстриме тенденция к стабилизации температуры наблюдается после 2005 г. Рассмотрим теперь динамику потоков скрытого (Ql) и явного (QS) тепла. Для расчета этих потоков были использованы известные балк-формулы [17. С. 654]: = ^iCj-wfeea - (1) Qs = PW™ " Ъгт> (2) где р - плотность воздуха; Cp - удельная теплоёмкость воздуха при постоянном давлении; L - скрытая теплота испарения; Ch и Ce - коэффициенты турбулентного обмена; w, Tair, qair - скалярная скорость ветра, температура и удельная влажность на высоте 10 м; ТПО, qxa - температура и удельная влажность на поверхности океана. Далее мы будем использовать для входящих в (1) и (2) разностей обозначения: ~ Ъаш ~

Скачать электронную версию публикации