Статья по теме:
Климатические изменения сезонных и долгопериодных колебаний Ледовитости гренландского и Баренцева морей
Л.А. Тимохов, Н.А. Вязигина", Е.У. Миронов, А.В. Юлин, ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия
CLIMATIC CHANGES OF SEASONAL AND INTER-ANNUAL VARIABILITY OF THE ICE COVER OF THE GREENLAND AND BARENTS SEAS
L.A. TIMOKHOV, N.A. VYAZIGINA", E.U. MIRONOVA.V YULIN, State Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia
Keywords: Barents Sea, Greenland Sea, classification of seasonal cycles, ice cover, seasonal and inter-annual variability.
The structure of the long-period variability of the ice cover of the Barents and Greenland Seas over a long series of observations from 1930 to 2017 is analyzed. In both seas, there is a significant negative linear trend of ice cover for both the winter and summer seasons. Average for the period of 1950-2016 intra-annual changes in ice coverings demonstrate the conjugacy of the seasonal cycles of the Greenland and Barents Seas, but with certain differences. Three homogeneous groups with a similar character of intra-annual changes in the ice area are identified for each sea. Identified succession in a state of ice cover for 2 years.
The conjugacy of changes in the average decadal values of sea ice cover in April and August with the average decadal indices of atmospheric circulation AO, AD, PNA, NAO and the index of the thermal state of the North Atlantic AMO is shown. Spectral analysis of the winter and summer ice cover of the Greenland and Barents Seas for the period 1930-2016 confirmed earlier received cyclical fluctuations of 22, 9-11 and 6-7 years.
Cross-correlation analysis established a close relationship between the longitudinal changes in the ice cover and the average annual values of the following astrogeophysical parameters, the longitude coordinate of the Earth pole position Y, the Earth axis nutation indices dEps and dPsi, the Earth rotation speed index lod (length of day), Sun solar activity index (annual Wolf number) , the average for six months, the distance from the Sun to Earth in the summer SX-III and the winter SX-III periods. Significant correlation coefficients are quite large (R = |0,30| - |0,56|) for both seas, comparable to the correlation coefficients between the ice cover and average annual air temperature T, show the reality of the ice cover mediated reaction to changes in astrophysical factors. Statistical equations relating the sea ice cover to hydrometeorological and astrogeophysical factors were obtained by multiple correlation. The overall correlation coefficient varies from R = 0,80 to R = 0,87 AT. The Greenland Sea, the share of astrogeophysical factors in the long-term changes in the ice cover of both the winter and summer seasons exceeded the contribution of hydrometeorological factors by 3-4 times. In the Barents Sea, the contribution to the total dispersion of astrogeophysical factors in the winter period is somewhat less than that of hydrometeorological factors, and in the summer period they exceed only 1.4 times. The authors' approach opens up the possibility of using it to obtain statistical equations for the diagnosis and forecast of long-term and climatic changes in sea-ice cover.
Ключевые слова: Баренцево море, Гренландское море, ледовитость, ледяной покров, сезонная и межгодовая изменчивость.
В статье проанализирована структура долгопериодной изменчивости ледяного покрова Баренцева и Гренландского морей за длительные ряды наблюдений. С помощью кластерного анализа для каждого моря выделены несколько однородных групп с близким характером внутригодовых изменений площади льдов. Выявлена преемственность в состоянии ледяного покрова в течение двух лет. Проанализированы временное распределение аномалий относительно тренда изменчивости ледяного покрова и возможные причины формирования периодов преобладания однонаправленных изменений площади льдов. Получены статистические уравнения связи ледовитости с гидрометеорологическими и астрогеофизическими факторами. Определены доли вклада астрогеофизических факторов в долгопериодные изменения ледо- витости Баренцева и Гренландского морей, которые демонстрируют существование различия формирования ледового режима в Гренландском и Баренцевом морях.
ВВЕДЕНИЕ
В Северо-Европейском бассейне наблюдаются наибольшие сезонные и многолетние изменения площади морских льдов, и в этом районе морские льды особо чувствительны к климатическим изменениям [1, 2]. Баренцево и Гренландское моря играют большую роль в процессах взаимодействия Северо-Европейского бассейна с Арктическим бассейном, являясь важной частью Арктической климатической системы. Через их акваторию теплые и соленые воды Северо-Атлантического течения поступают в арктические моря и Арктический бассейн, и в обратном направлении Восточно-Гренландское течение транспортирует морские льды и холодные и относительно распресненные воды в Северную Атлантику [3, 4]. Гренландское море и, прежде всего, Баренцево море являются акваториями круглогодичного судоходства, а также регионами интенсивного рыболовства и добычи нефти и газа. Поэтому изучение ледового и гидрологического режима морей является актуальной задачей как для науки, так и для практики.
Исследования ледяного покрова Гренландского и Баренцева морей имеют давнюю историю. Первыми наиболее важными обобщающими работами стали две монографии В.Ю. Визе, в которых дано описание ледового режима Гренландского и Баренцева морей и сформулированы методические основы прогнозирования ледовых условий [5-7]. Значительный вклад в раскрытие закономерностей пространственно-временной изменчивости ледовых условий, механизмов формирования аномальных ледовых процессов в приатлантической Арктике внесли работы А.А. Лебедева, Н.С. Уралова [8-10]. Г.К. Зубакин [2] в своей монографии представил анализ крупномасштабных черт изменчивости состояния ледяного покрова морей Северо-Европейского бассейна. Е.У Миронов [3] выполнил обобщение особенностей и закономерностей сезонной и многолетней изменчивости основных характеристик ледового режима Гренландского и Баренцева морей, а также разработал новые методы долгосрочных ледовых прогнозов, позволяющие предсказывать крупные аномалии ледовитости и распределение ледяного покрова [3].
По мере накопления данных по ледовитости и их анализа был опубликован ряд статей, посвященных отдельным аспектам ледового режима морей Северо-Европейского бассейна. В статье М.В. Трегубова и др. [11] описывается динамика ледовитости Гренландского моря за период 1979-2008 гг. и отмечается значительное уменьшение ледовитости в последнее десятилетие. В статьях [11-14] акцентировано внимание на низкочастотную изменчивость ледовитости и термохалинных характеристик Баренцева моря и установлена их связь с изменениями Североатлантического колебания (САК) и Атлантической мультидекадной осцилляцией (АМО). В работе [15] на основе длинных рядов наблюдений исследованы колебания внутригодовой и межгодовой изменчивости площади льдов Гренландского моря и получены численные оценки вклада гидрометеорологических факторов и предыстории состояния ледяного покрова в изменение летней и зимней площади льдов. Следует отметить, что подобные оценки отсутствуют для Баренцева моря, также остается неосвещенным вопрос о схожести и различии колебаний ледовитости в Гренландском и Баренцевом морях.
Целью настоящего исследования является совместный анализ ледовитости Гренландского и Баренцева морей и установление сопряженности изменений ледо- витости в морях в зависимости от внешних факторов, а также выявление их связи с климатическими изменениями в регионе. Подчеркнем, что изучение эмпирических закономерностей долгопериодных колебаний ледовитости и их причин имеют важное значение для понимания процесса формирования ледового режима и могут быть использованы при построении статистических моделей диагноза и сверхдолгосрочного прогноза ледовитости арктических морей.
Данные и метод анализа
В исследовании были использованы среднемесячные значения ледовитости морей, полученные на основе авиационных ледовых разведок (до 1986 г.) и спутниковых данных с 1986 г. по настоящее время [3, 16]. Для ледовитости Гренландского и Баренцева морей в августе (LGrVIII, ЈBarVIII) и апреле (LGrIV, LBarIV) в нашем распоряжении был временной ряд с 1930 по 2018 г., а для всех двенадцати месяцев данные по ледовитости доступны с 1950 г. по настоящее время. Отметим, что в качестве меры ледовитости используют площадь льдов в границах моря (обычно кв. км) или отношение площади льдов к площади моря (%). Границы арктических морей и их площади приведены в Атласе Арктики [20].
В анализе использовались среднегодовые гидрометеорологические и астрогеофи- зические индексы, а также гидрометеорологические индексы, осредненные за полугодия IV-IX (апрель-сентябрь) и X-III (октябрь-март). Здесь и далее будут использованы англоязычные обозначения гидрометеорологических и астрогеофизических индексов.
Для оценки влияния крупномасштабных гидрометеорологических процессов на долгопериодную изменчивость площади льдов были отобраны наиболее важные и часто используемые характеристики:
атмосферный индекс, Арктическое колебание (АО, Arctic Oscillation), характеризующий вариации атмосферного давления над уровнем моря севернее 20° с. ш., который определяется как первая мода разложения на естественные ортогональные функции аномалий высоты поверхности 1000 гПа [17];
индекс атмосферной циркуляции, представляющий собой вторую моду разложения приземного атмосферного давления от широты 60° до полюса по эмпирическим ортогональным функциям [18];
тихоокеанское-северо-американское колебание (PNA, Pacific-North American) определяется как вторая мода разложения на естественные ортогональные функции аномалий высоты поверхности 1000 гПа;
индекс Североатлантического колебания (NAO, North Atlantic Oscillation), рассчитываемый как разница атмосферного давления на уровне моря между пунктами в Исландии (64° с.ш., 24° з.д.) и вблизи Азорских островов (39° с.ш., 24° з.д.) (https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/);
атлантическое мультидекадное колебание (AMO, Atlantic multidecadal oscillation), представляющее собой аномалию температуры поверхности океана (ТПО) в Северной Атлантике относительно среднего значения за период с 1930 по 2016 г (http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/timeseries/AMO/). Исходные среднемесячные значения подвергались осреднению за полугодия и год.
При анализе долгопериодных изменений использовались также астрофизические индексы, взятые с указанных далее сайтов: долготная координата положения полюса Земли Y (ftp://hpiers.obspm.fr/iers/series/opa/eopc04); параметры нутации оси Земли dEps и dPsi (https://datacenter.iers.org/eop/-/somos/5Rgv/latest/38); величина скорости вращения Земли, представленная величиной продолжительности дня lod (length of day) (https:// astro.ukho.gov.uk/nao/lvm/#tabs-d3); величина солнечной активности Sun или среднегодовое число Вольфа (https://solarscience.msfc.nasa.gov/greenwch/SN_m_tot_V2.0.txt); среднее за шесть месяцев расстояние от Солнца до Земли в летнее SIV-IX и зимнее SX-III полугодия (https://soft-ok.net/226-astroprocessor-zet-9-lite.html).
Статистический анализ включал выделение линейного тренда, кросскорреляцию, спектральный и мультирегрессионный анализы, которые выполнялись с использованием стандартных пакетов программ СТАТИСТИКА [19].
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Важной особенностью Гренландского и Баренцева морей является то, что, в отличие от других арктических морей, акватории этих морей в зимний период не покрываются льдом полностью. Площади морей примерно одинаковые, однако глубины имеют существенное различие. Средняя глубина Гренландского моря 1400 м, тогда как в Баренцевом море преобладают глубины около 600 м и располагается большая шельфовая зона. В соответствии с климатическим районированием [20], акватории исследуемых морей относятся к южному району Атлантической области Арктики. В холодный период года в этой области сильно воздействие циклонической циркуляции, и отмечается максимальная для Арктической зоны межсуточная изменчивость метеорологических элементов; температура воздуха выше, облачность и осадки больше, ветры сильнее, чем в других областях Арктики. В теплый период атмосферная циркуляция ослабевает, межсуточные колебания метеорологических элементов уменьшаются; температура воздуха низкая, особенно на севере области, облачность большая, часты туманы [3].
Рис. 1 - Межгодовые изменения ледовитости Гренландского (пунктирные линии) и Баренцева (жирные линии) морей в зимние (сплошные линии, левая ордината) и летние периоды (пунктирные линии, правая ордината) с нанесенной линией тренда в период 1930-2016 гг
Fig. 1 - Interannual changes in the ice cover of the Greenland (thin lines) and Barents Seas (heavy lines) in the winter (solid lines, left ordinate) and summer periods (dotted lines, right ordinate) with a trend line in the period 1930-2016
Существующая в Северо-Европейском бассейне (СЕБ) система устойчивых теплых и холодных течений играет решающую роль в формировании метеорологических и ледовых условий и обуславливает межгодовые и многолетние изменения гидрологического и ледового режима Гренландского и Баренцева морей [3].
Временной ход зимней (апрель) и летней (август) ледовитости Гренландского и Баренцева морей за период с 1930 по 2016 г. приведен на рис. 1. Тенденция климатических изменений площади льдов в обоих морях одинакова: в межгодовых изменениях выделяется значимый отрицательный линейный тренд ледовитости, как для зимнего, так и для летнего сезона. Для зимнего периода тренд более значителен: в Баренцевом море за 85 лет площадь льдов уменьшилась на 47 тыс. км2 и в Гренландском -- на 29 тыс. км2. В летний период за исследуемый период площадь льдов уменьшилась в Баренцевом море на 6 тыс. км2, а в Гренландском -- на 8 тыс. км2.
Средние за период 1950-2016 гг. внутригодовые изменения ледовитости, представленные на рис. 2, демонстрируют сопряженность сезонных циклов Гренландского (ГМ) и Баренцева (БМ) морей. Однако наблюдаются определенные различия в величинах максимальной, средней и минимальной ледовитости и в сроках их наблюдений. Представление о пределах межгодовых вариаций сезонных циклов дают тонкие сплошные и пунктирные линии на рис. 2, которые представляют собой области, ограниченные значениями плюс-минус среднеквадратическое отклонение (±А).
В годовом цикле максимальная площадь льдов в ГМ составляет 53,5 тыс. км2 и в среднем наблюдается феврале, а в БМ максимум ледовитости составляет 58,9 тыс. км2 и в среднем наблюдается в апреле.
Рис. 2 - Сезонный ход и диапазон изменчивости площади льдов в Гренландском и Баренцевом морях (тонкие линии указывают диапазоны изменчивости в пределах среднеквадратического отклонения Д)
Fig. 2. -Seasonal variation and range of variability of ice area in the Greenland and Barents Seas (thin lines indicate ranges of variability within ± Д)
СЕЗОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ
Внутригодовые величины ледовитости площади льдов значительно меняются от года к году. Наибольшие вариации ледовитости в ГМ приходятся на март (среднеквадратическое отклонение Д наблюдается в среднем в сентябре), при этом амплитуда внутригодовых колебаний площади 4,7 тыс. км2, а в БМ -- на июнь (Д = 14,0 тыс. км2). Минимальные ледовитости в Баренцевом море в 1,9 раза больше, чем в Гренландском море: амплитуда ледовитости составляют 4,7 и 8,8 тыс.км2 соответственно для ГМ и БМ. Скорость сокращения площади льдов в результате таяния оценивается в 0,67 и 1,76 тыс. км2/месяц, а скорость увеличения ледовитости в результате нарастания льда оценивается в 0,94 и 1,26 тыс. км2/месяц соответственно для ГМ и БМ. Приведенные оценки показывают, что сезонное уменьшение ледовитости в Гренландском море происходит медленнее, чем в Баренцевом, а увеличение площади льдов, наоборот, происходит быстрее в ГМ по сравнению с БМ.