Статья: Климатические изменения сезонных и долгопериодных колебаний Ледовитости Гренландского и Баренцева морей

Рис. 4 - Аномалии ледовитости Гренландского (а) и Баренцева (б) морей в апреле (синяя колонка) и августе (красная колонка) относительно тренда за период 1930-2016 гг., осредненные за десятилетия

Fig. 4 - Anomalies of the ice cover of the Greenland (a) and Barents (б) Seas in April (blue column) and August (red column) relative to the trend for the period 1930-2016, averaged over 10 years

1950-e 1960-е 1970-е 1980-е 1990-е 2000-e 2010-e

Рис. 5 - Гистограмма осредненных за периоды величин глобальных климатических индексов AMO (синий), PNA (красный), AO (зеленый), AD (серый), NAO (желтый)

Fig. 5 - The histogram of the averaged over the periods of the global climate indices AMO (blue), PNA (red), AO (green), AD (gray), NAO (yellow)

На периоды увеличения площади льдов (1950-1954, 1964-1969, 1976-1981 гг.) приходятся либо отрицательные, либо слабо положительные значения индекса AMO. Приток теплых атлантических вод в данные периоды был ослаблен. Глубокая отрицательная фаза индексов AO и AD создает области повышенного давления в районе Центральной Арктики, что препятствует проникновению теплого и влажного воздуха со стороны Северной Атлантики, несет холодные воздушные массы из северной части Тихоокеанского сектора и вызывает аномально холодные температуры воздуха, что приводит к резкому нарастанию льда. В исследованиях зарубежных авторов [22-24] также подчеркивается важность аномалий температуры воздуха в крупномасштабной атмосферной циркуляции и циклонической активности. Выявленные факторы являются очень важным аспектом в понимании формирования ледового режима Баренцева и Гренландского морей и возможности прогнозирования.

ЦИКЛИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ ЛЕДОВИТОСТИ ГРЕНЛАНДСКОГО И БАРЕНЦЕВА МОРЕЙ

В работе [25] указывается, что межгодовые изменения площади льдов в арктических морях носят полициклический характер. Нами выполнен спектральный анализ зимней и летней ледовитости Гренландского и Баренцева морей за период 1930-2016 гг. При длине ряда 87 лет статистически значимые величины периодов находятся в пределах 2-22 года.

На рис. 6 приведены графики спектральной плотности в условных единицах как функции частоты колебаний (1/год) для обоих морей в летний (август) и зимний (апрель) сезоны. Для наглядности на пиках спектральной плотности цифрами указаны периоды цикличностей в годах. Циклические колебания в высокочастотной части спектра с периодами меньше 3 лет вызваны, по мнению авторов работы [25], влиянием атмосферной циркуляции и взаимодействия океана и атмосферы. Эта часть спектра Гренландского моря отличается от аналогичной части спектра Баренцева моря. Меняются спектры и от сезона к сезону, что можно объяснить сезонным ходом метеорологических процессов и внутригодовым изменением взаимодействия атмосферы и океана в присутствии ледяного покрова в данном регионе.

В низкочастотной части спектра колебаний в обоих морях выделяются циклические колебания 22, 9-11 и 6-7 лет. В Гренландском море спектральная плотность колебаний 22, 9-11 и 6-7 лет отличается от спектральной плотности этих колебаний в Баренцевом море. Но также низкочастотный спектр в Гренландском море в летний период значительно не похож на спектр зимнего сезона. Спектральная плотность отмеченных колебаний в Баренцевом море летом подобна таковой в зимний период. Однако, несмотря на указанные различия, можно предположить, что циклические колебания 22, 9-11 и 6-7 лет индуцируются некими общими для обоих морей глобальными причинами.

По мнению многих авторов (см. обзор в монографии [25]), долгопериодные колебания ледовитости зависят не только от гидрометеорологических процессов, но и от астрогеофизических факторов. В качестве аргумента приводится совпадение циклических колебаний ледовитости и циклических вариаций геофизических и астрономических индексов. Эта концепция нашла воплощение в обобщающей работе И.В. Максимова [26], где был предложен компонентно-гармонический метод расчета и прогноза ледовитости, учитывающий солнечно-обусловленный 11-летний цикл, 6-7-летний цикл колебания положения полюса Земли и 19-летний цикл, связанный с действием долгопериодного лунного деклинационного прилива в океане. Б.А. Слепцов-Шевлевич и А.М. Баяринов [27] акцентировали внимание на, возможно, недооцененной роли скорости вращения Земли в долгопериодных изменениях уровня океана и ледовитости морей. И.Е. Фролов и др. [25] полагают, что низкочастотные колебания многих гидрометеорологических характеристик, включая ледовитость морей, обусловлены циклическим 50-60 лет изменением расстояния между Землей и Солнцем вследствие диссимметрии солнечной системы. Поскольку суммарный поток солнечной радиации, достигающий поверхности Земли, обратно пропорционален квадрату расстояния до Солнца, то в результате эффекта диссимметрии формируется 50-60-летнее колебание притока суммарной солнечной радиации, отражающееся в изменениях состояния атмосферы и океана [28].

Рис. 6 - Спектральные плотности колебаний ледовитости Гренландского (а, в) и Баренцева (б, г) морей за период 1930-2016 гг. в летний (август, а и б) и зимний (апрель, в и г) сезоны. Цифрами на графиках в точках указаны периоды циклических колебаний в годах

Fig. 6 - Spectral densities of fluctuations in the ice cover of the Greenland (а, в) and Barents (б, г) Seas for the period 1930-2016 in the summer (August, a and б) and winter (April, в and г) seasons. The numbers on the graphs in the points indicate the periods of cyclical fluctuations in years

Нами был выполнен кросс-корреляционный анализ связи межгодовых изменений ледовитости и средних годовых значений следующих астрогеофизических параметров: долготная координата положения полюса Земли Y, индексы нутации оси Земли dEps и dPsi, индекс скорости вращения Земли lod (length of day), индекс солнечной активности Sun (среднегодовое число Вольфа), среднее за шесть месяцев расстояние от Солнца до Земли в летний SX-III и зимний SX-III периоды. Ледовитость и все переменные были сглажены трехлетним скользящим осреднением. Парные коэффициенты корреляции приведены в табл. 4, где в скобках указан также временной сдвиг в годах. Отрицательное значение временного сдвига означает, что астрогеофизический параметр опережает изменение ледовитости. На диаграммах кросс-корреляции пики значимых коэффициентов корреляции могут располагаться на нескольких временных лагах; в табл. 6 представлены значимые коэффициенты корреляции с временным лагом не более 5 лет. Коэффициенты корреляции ниже уровня значимости или равные нулю обозначены символом < R. В нижней строке табл. 4 приведены значимые периоды цикличности астрогеофизических индексов, которые близки к выделенным цикличностям 22, 9-11 и 6-7 в изменениях ледовитости Гренландского и Баренцева морей с учетом точности расчета периодов как минимум ±1 год.

Из оценок, приведенных в табл. 4, следует, что сопряженность колебаний ледовитости и движения полюса Земли Y, нутации оси вращения Земли dEps, расстояния от Солнца до Земли SIV-IX и SX-III достаточно высокая для обоих морей. Для сравнения в таблице приведены коэффициенты корреляции между ледовитостью и средней годовой температурой воздуха T (табл. 4). Как видим, корреляционная связь отмеченных астрогеофизических параметров с ледовитостью сравнима с коэффициентами корреляции между ледовитостью и температурой воздуха T.

Связь ледовитости и скорости вращения Земли одинаково проявляется в летний период (табл. 4) как в ГМ, так и в БМ, но отсутствует в зимний период. Причина этого состоит, вероятно, в механизме влияния скорости вращения Земли на долгопериодные изменения площади льдов, но сам механизм прямого или косвенного воздействия на динамику площади льдов в летний и зимний периоды пока неизвестен.

Связь ледовитости с индексом солнечной активности, представляемой числами Вольфа, оказалась отрицательной для зимних сезонов ГМ (табл. 4) и отсутствует для летнего сезона. В БМ коэффициенты корреляции ледовитости с индексом солнечной активности оказались меньше уровня значимости.

Таблица 4 - Парные значимые коэффициенты корреляции между ледовитостью Гренландского и Баренцева морей в апреле и августе и астрофизическими параметрами

Примечания. В скобках указан временной сдвиг (годы) между ледовитостью и астрофизическими параметрами. Символом < R обозначены коэффициенты корреляции ниже уровня значимости или равные нулю. В нижней строке таблицы приведены значимые периоды астрогеофизических индексов LGrIV, LBar|VV LGrVIII, LB VnI. Для всех коэффициентов корреляции критерий Стьюдента равен ±0,21 при уровне значимости 0,05

Таким образом, большие значимые коэффиценты корреляции между ледовитостью и астрогеофизическими факторами свидетельствуют о реальности существования реакции ледовитости на изменения астрофизических факторов. При этом реакция имеет различия в ГМ и БМ.

Выполненные расчеты дают основание полагать, что космогеофизические факторы играют важную роль в долгопериодной и климатической изменчивости ледовитости Гренландского и Баренцева морей. Однако остается открытым вопрос о механизме воздействия астрофизических процессов на долгопериодную динамику площади льдов: реализуется ли этот механизм непосредственным воздействием или опосредовано через цепочку причинно-следственных связей.

МНОЖЕСТВЕННАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ ДОЛГОПЕРИОДНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ЛЕДОВИТОСТИ ГМ И БМ СОВМЕСТНО С ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИМИ И АСТРОГЕОФИЗИЧЕСКИМИ ФАКТОРАМИ

Поскольку из множества проанализированных нами факторов, влияющих на ледовитость, нельзя выделить один доминирующий фактор и необходимо учитывать влияние нескольких факторов, то для получения уравнения связи с несколькими независимыми переменными используем множественную регрессию. С помощью многомерного статистического анализа был выполнен поиск связи ледовитости морей Гренландского LGrIV LGrVIII и Баренцева LBarIV, LBarVIII для апреля и августа с гидрометеорологическими индексами и астрогеофизическими параметрами. В качестве переменных (предикторов) использовались: атмосферные индексы AO(k), PNAjk), NAO (k), Tjk), AMO._.(k), где i-j -- месяцы периода осреднения и k -- временной лаг в годах; а также среднегодовые астрогеофизические параметры, указанные в табл. 4. Укажем, что ряды ледовитости, гидрометеорологических индексов и астро- геофизических параметров были подвергнуты трехлетнему скользящему осреднению. Процедура осреднения позволила в определенной мере сгладить высокочастотную часть спектра колебаний ледовитости и метеорологических индексов.

Обычно считается, что результаты достоверно отражают общую картину, если значение p-lcvcl меньше 0,05 (т.е. 5%). Результаты на уровне p < 0,01 обычно считаются статистически значимыми. По результатам расчетов в табл. 5 приведены статистические характеристики переменных правой части уравнений. Из оценок p-lcvcl видно, что все переменные, вошедшие в уравнения (1) - (4), статистически значимые и достоверно отражают характер связи ледовитости с предикторами. Другой важной характеристикой является частный коэффициент корреляции г, квадрат которого интерпретируется как доля дисперсии ледовитости, т.е. измеряет индивидуальный вклад переменной в объяснение ледовитости. В графе «Вклад в %» в числителе доля гидрометеорологических и геофизических факторов в общую дисперсию расчетной по уравнениям (1-4) ледовитости, а в знаменателе -- вклад в общую дисперсию фактических изменений ледовитости.

Структура уравнений связи ледовитости с предикторами в зимний период для Гренландского моря (уравнение (1)) схожа с таковой для Баренцева моря (уравнение (2)). Долгопериодные колебания площади льдов в зимний период обоих морей связаны с обратным знаком с температурой воздуха TI , тепловым состоянием атлантических вод AMOX-III и AMOI-XII, режимом атмосферной циркуляции, представляемым индексом NAOX-II, а также с нутацией Земли, представленной параметром dEpsI-XII. Небольшое различие вносит присутствие метеорологического индекса Арктическое колебание, AOIV-IX, в уравнении (2) для зимней ледовитости Баренцева моря.

При переходе к летнему сезону характер связи ледовитости с предикторами меняется значительно, число предикторов возрастает. Дополнительно к индексу нутации Земли dEps появляется связь с положением полюса Земли (координата долготы YI-XII) и расстоянием от Солнца до Земли в зимний SX_Inn летний Б^^периоды, а также скоростью вращения Земли lodI-XII для ZOlVIII.

Поскольку квадрат частного коэффициента корреляции г измеряет индивидуальный вклад переменной в объяснение ледовитости, можно оценить вклад гидрометеорологических и астрогеофизических параметров в общую дисперсию долгопериодных колебаний ледовитости. Из графы «Вклад» табл. 5 следует, что в рамках полученных моделей (1), (3) в Гренландском море за весь климатический период 1931-2015 гг. доля вклада астрогеофизических факторов в долгопериодные изменения ледовитости как зимнего, так и летнего сезона превосходила вклад гидрометеорологических факторов в 3-4 раза.

В Баренцевом море вклад в общую дисперсию астрогеофизических факторов в зимний период несколько меньше вклада гидрометеорологических факторов, а в летний период превосходит его всего лишь в 1,4 раза. Этот результат еще раз демонстрирует существование различия формирования ледового режима в Гренландском и Баренцевом морях.