Изменение гидротермических климатических ресурсов Арктики на фоне потепления XXI века

Суркова Галина Вячеславовна доктор географических наук доцент, кафедра метеорологии и климатологии, географический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ) 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1 Surkova Galina Vyacheslavovna Doctor of Geography Docent, the department of Meteorology and Climatology, the faculty of Geography, M. V. Lomonosov Moscow State University  119991, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1 galina_surkova@mail.ru Другие публикации этого автора

Крылов Алексей Андреевич кафедра метеорологии и климатологии, географический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ) 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1 Krylov Aleksei Andreevich Technician, the department of Meteorology and Climatology, the faculty of Geography, M. V. Lomonosov Moscow State University  119991, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1 aloshakrylov@bk.ru Другие публикации этого автора

В рамках исследования сбор данных и расчеты выполнены при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-05-00509); работы по построению картосхем — при финансовой поддержке РФФИ и РГО (грант № 17-05-41153).

Введение

Наблюдения за климатом последних десятилетий свидетельствуют о значительном потеплении в тропосфере высоких широт северного полушария ^{[1, 5]}. В связи с этим существенно меняется состояние климатических ресурсов Арктики. Под климатическими ресурсами (КР) здесь и далее подразумеваются «запасы вещества, энергии и информации в климатической системе …, которые используются или могут быть использованы для решения конкретной задачи в экономике или социальной сфере» ^[15]. Их можно также называть «климатически обусловленные природные ресурсы» ^{[8, 14]}.

С учетом специфики арктического климата и видов хозяйственной деятельности, которая развита в этом регионе, одними из важнейших показателей климатических ресурсов Арктики являются те, которые связаны с режимом температуры и осадков, в особенности в холодный период, который в Арктике длится более полугода. Результаты количественных оценок ожидаемых в XXI в. изменений этих КР представлены в данной работе. Наряду с другими показателями КР эти характеристики важны при оценке различных аспектов формирования других природных ресурсов (среды обитания морской и континентальной флоры и фауны, развития геоморфологических и криогенных процессов и пр.), а также условий хозяйственной деятельности человека (работы на открытом воздухе, выбор материалов для техники, промышленных и жилых построек) и т.д.

Исследование сурового климата Арктики всегда сопряжено с трудностями, связанными как с вопросами организации наблюдений, так и со сравнительно малым числом метеорологических станций. Большой вклад в работу в области изучения арктической атмосферы внесли российские и советские ученые, в числе которых Г. Я. Вангенгейм, С. С. Гайгеров, А. А. Гирс, Б. Л. Дзердзеевский, И. М. Долгин, 3. М. Прик и др. В последние годы, благодаря увеличению объема фактического материала наблюдений на многократно выросшей сети аэрометеорологических, береговых и дрейфующих станций, а также совершенствованию методов анализа, получены новые данные о климате Арктики ^[5], в частности оценки трендов основных климатических величин в современном климате и их ожидаемые изменения в будущем. Существенный вклад в развитие синоптико-климатологических методов для исследования особенностей общей циркуляции атмосферы Арктики внесли работы ^{[12, 13]}. Несмотря на расширение сети наблюдений, многие территории Арктики остаются ими не охвачены, поэтому мощным инструментом диагноза и прогноза состояния атмосферы этого региона выступают модели климата ^{[7, 19 и др.]}г.

Возрождение в последние годы пристального внимания к Арктике и рост востребованности сведений о ее климатическом состоянии в настоящем и будущем вызван как природными изменениями, которые активно происходят в полярных районах на фоне глобального потепления климата ^{[1, 5, 26]}, так и экономическими причинами ^{[3, 6]}. Потепление в приземной атмосфере в Арктике выражено гораздо, сильнее, чем в среднем по земному шару, получив название «арктическое усиление» ^[18]. В последние годы в связи с потеплением в Арктике отмечаются существенные изменения в распространении, режиме и структуре снежного покрова ^[20]. Например, сокращение продолжительности залегания снежного покрова в Арктике в среднем происходит со скоростью 3–5 дней/10 лет, в частности за счет более раннего снеготаяния весной и более позднего установления его осенью ^[23]. За период 1982–2011 гг. на евразийском участке Арктики продолжительность залегания снежного покрова сократилась на 12,6 сут, в Северо-Американском — на 6,2 сут. ^[17]. Общий рост температуры в Арктике увеличил потенциал роста повторяемости зимних оттепелей, раннего схода снега, выпадение жидких и смешанных осадков в период залегания снежного покрова ^[28]. За последние годы отмечается быстрое сокращение площади морского льда в сентябре ^[1], за 30 лет оно составило в среднем 40% ^[30], а его толщина с 1975 по 2012 гг. уменьшилась на 85% [27). Большое количество современных исследований посвящено связи изменения морского льда Арктики и изменениям погоды и климата средних и полярных широт [например, 16 21, 22, 31, 36, 37 и др.]. С уменьшением площади арктических льдов связывают и изменения в общей циркуляции атмосферы средних и высоких широт и экстремальные зимы (например, ^[25]). Однако до сих пор продолжаются дискуссии, до какой степени эти изменения обязаны антропогенному воздействию на содержание парниковых газов в атмосфере, а до какой – естественной изменчивости на различных временных масштабах ^{[11, 24, 32, 33]} или положительным обратным связям, способным вызвать резкие колебания климата ^[34].

Согласно существующим прогнозам основных климатических характеристик именно в Арктике предполагаются наиболее заметные флуктуации не только с точки зрения климата, но всей климатической системы, включая гидросферу, биосферу, криосферу и т.д. Это не может не повлиять на различные направления хозяйственной и иной деятельности стран, участвующих в освоении природных ресурсов Арктики. Впервые представлены результаты комплексной оценки климатических ресурсов российского сектора Арктики, уточняющие и дополняющие оценки изменений климата, сделанные ранее для этого региона ^{[5, 26]}.

Материал и методы исследований

Исследование выполнено для широтной зоны 60–90°с.ш. Показатели КР рассчитывались на основе результатов численных экспериментов, выполненных климатическими моделями в рамках международного проекта CMIP5 ^[35].

Среди основных вычислительных экспериментов CMIP5, важных с точки зрения оценки дальнейшего отклика Арктики на изменения климата, были использованы следующие:

– эксперимент historical (1850–2006), изменение внешних воздействий на климат задано в соответствии с наблюдениями;

– эксперимент по сценарию RCP8.5 (2006–2100) ^[29].

Выбор сценария RCP8.5 для оценки изменений КР обусловлен тем, что он является наиболее «жестким» среди сценариев, оцениваемых в численных экспериментах CMIP5, в плане возможного воздействия внешних, в том числе антропогенных, факторов на климатическую систему с учетом политики регулирования выбросов парниковых газов. Такое интенсивное внешнее воздействие позволяет получить большой и статистически значимый отклик на увеличение концентрации парниковых газов. Радиационный форсинг численных экспериментов RCP8.5 выражен в задании увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере до такой степени, что к концу XXI века их роль в радиационном балансе возрастает на 8,5 Вт/м2, а концентрация парниковых газов в эквиваленте CO2 составит 1370 единиц.

Согласно оценочному докладу МГЭИК ^[26] при сценарии RCP8.5 к середине XXI века ожидается повышение средней глобальной приземной температуры примерно на 2°С по сравнению с 1986–2005 гг., а к 2100 г. — примерно на 4°С. Для Арктики согласно данному сценарию ожидается значительно более интенсивное потепление климата, к концу XXI века, в зависимости от регионов его величина составит 5–10°С. Также для Арктики ожидается значительное (на 20–50%) увеличение среднего количества атмосферных осадков и, что особенно важно, сокращение до нуля минимальной (наблюдаемой в сентябре) площади морского в Северном Ледовитом океане начиная с 70х годов XXI века ^[26].

Подробный сравнительный анализ результатов моделей CMIP5, где особое внимание уделяется качеству воспроизведения климатических условий в Российской Федерации и в Арктике, можно найти в работах ^{[2, 9, 10 19 и др.]}. С учетом результатов этих и других авторов, а также исходя из наличия необходимых данных в открытом доступе на интернет-портале CMIP5 [http://cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/data_portal.html], был собран ансамбль, в который вошли следующие модели (таблица 1).

Таблица 1. Список моделей климатической системы CMIP5, по данным которых рассчитывались показатели климатических ресурсов

Расчеты показателей КР выполнялись по модельным данным о ежедневных значениях средней суточной температуры приземного воздуха и суточных сумм осадков моделей. На первом этапе обработки исходных данных результаты каждой модели были интерполированы на единую пространственную сетку с расстоянием между узлами 1,75х1,75 градусов по широте и долготе. На втором этапе в узлах сетки рассчитывались средние по ансамблю моделей значения. На третьем этапе были вычислены показатели климатических ресурсов (более 40). В настоящей статье обсуждаются результаты, полученные для основной группы гидротермических показателей, в частности:

– среднегодовая и среднемесячная средняя суточная, максимальная, минимальная температура воздуха; минимальная и максимальная суточная температура воздуха; годовая амплитуда средней суточной температуры воздух;

– годовая сумма значения температуры воздуха для t>0°С и t<0°С;

– число дней в холодный и теплый сезоны и за год со средней суточной температурой воздуха –5< t<5°C, t>0°C, t<0°C;

– индекс потребления топлива (модуль суммы отрицательных отклонений температуры от 18 °С);

– суммы осадков в холодный и теплый сезоны и за год для –5< t<5°C, t>0°C, t<0°C.

Результаты исследований и их обсуждение

Общее глобальное потепление, прогнозируемое моделями климатической системы согласно сценариям RCP, по-разному проявляется на региональном уровне. Полученные результаты демонстрируют выраженные географические различия в проявлении изменений показателей климатических ресурсов на фоне роста средних значений глобальной температуры.

Рассмотрим изменение термических показателей (рис. 1), начнем со средних месячных величин. Пространственное распределение аномалий средней температуры летом и зимой различно (рис. 1а, 1б). Самый заметный рост температуры предполагается в тех районах, где прогнозируется наибольшее изменение ледовых условий в морях Арктики – согласно сценарию RCP8.5 в конце XXI в. в конце теплого сезона Северный Ледовитый океан может практически полностью освобождаться ото льда, площадь его зимой существенно уменьшится ^[26]. В течение года прогнозируемые аномалии приземной температуры воздуха положительны по всей территории Арктики, но в летнее время они более выражены над сушей, а в зимнее, напротив, существенный рост можно ожидать над морями, при этом наименьшие аномалии отмечаются над Северной Атлантикой и морями Западной Европы. В связи с таким ростом температуры в холодный период возникает тенденция к уменьшению годовой амплитуды температуры воздуха, особенно выраженная над морями Российской части Арктики, где может составить на 10–14°С меньше современных значений.

На большей части территории Арктики, за исключением Гренландии, увеличивается число дней в году с положительной температурой, особенно заметно это над морской частью Арктики (рис. 1в). В холодной время года с такими днями связаны оттепели, которые могут приводить к неблагоприятным метеорологическим и гидрологическим явлениям (гололед, подтопления и др.). Доля аномалий числа дней с с t>0°С в период октябрь-апрель по отношению к аномалии за весь год наиболее высока над Северной Атлантикой, Норвежским, Баренцевым и Карским морями, Скандинавией и севером Европейской территории России (рис. 1г). Не менее 25–30% составляет она над азиатской частью Российской Арктики как над сушей, так и над морями.

Пространственное распределение аномалий годовых сумм температур (t>0°С и t<0°С, t>10°C) имеет наиболее выраженный широтный характер по сравнению с полями других показателей КР. Аномалии повсюду положительны, за исключение внутренних районов Гренландии, где они близки к нулю. В направлении полюса величина аномалий уменьшается до 200 градусо-дней. Наибольшие значения аномалий (1000 градусо-дней и более) отмечаются над северо-западом Северной Атлантики, Норвежским и Баренцевым морями, а также в районе Чукотского моря и прилегающих территорий.

Сходные региональные особенности присущи полям аномалий минимальной и максимальной средней суточной температуры воздуха (рис. 2а, 2б). Знак аномалий положителен везде. Наибольшие значения приходятся на две области: первая охватывает Баренцево и Карское моря, вторая располагается над Чукотским морем и районом Берингова пролива (рост минимальной средней суточной температуры на 15–17°С и более, максимальной на 7–8°С). Наименьшие аномалии минимальной температуры располагаются над Северной Атлантикой и Гренландией, максимальной – в этих же районах, а также в области Северного полюса.

Рис. 1. Изменение термических показателей климатических ресурсов к концу XXI в. (2081–2100) по сравнению с современным периодом (1986–2005): а — средняя температура воздуха, январь, С, б — средняя температура воздуха, июль, С, в — число дней в году с t>0°С, г — отношение аномалии числа дней с t>0°С в период октябрь-апрель (включительно) к аномалии числа таких дней за весь год.

Отдельную важность представляет оценка числа дней с температурой в диапазоне –5<t<5°C (рис. 2в). Метеорологические условия при такой температуре — одни из наиболее некомфортных и при сочетании определенных погодных условий могут быть опасными. В это время, как правило, осадки имеют смешанный характер, в некоторых случаях может наблюдаться ледяной дождь. Типичны гололедные явления, обледенение проводов и т.д. Если еще в это время наблюдается сильный ветер, то экстремальность явления увеличивается. В распределении аномалий этого показателя наибольшие положительные значения отмечаются к северу от 75–80° с. ш., максимум располагается над севером Баренцева моря. Над континентальной частью Арктики как в России, так и Северной Америке аномалии в 2–4 раза меньше.

Практическое применение в практике планирования энергопотребления и связанных с ним затрат имеют различные показатели, связанные с температурой воздуха, в частности, так называемый индекс потребления топлива (или heating degree days) Он представляет модуль суммы за год отрицательных отклонений средней суточной температуры приземного воздуха от 18 °С (пороговое значение комфортности температуры внутри отапливаемого помещения) и пропорционален затратам на обогрев. Этот индекс имеет размерность градусо-дни и может оценивать за разные сроки – от отдельных суток до сезона, года и т.д. Возможное изменение этого индекса (в долях единицы) при реализации наиболее «жесткого» варианта глобального потепления RCP8.5 показано на рис. 2г. Региональные особенности расположения максимальных изменений согласованы с районами наиболее заметного роста как средних значений температуры, так и ее экстремумов – это Баренцево, Карское и Чукотское моря. В континентальной части Евразии отмечается убывание аномалий с запада на восток. Наименьшие аномалии находятся над Гренландией и прилегающей части Северной Атлантики и в Восточной Сибири. Относительно слабая реакция североатлантического региона по сравнению с другими районами Арктики может быть связана с предполагаемым ослаблением меридионального переноса вод из тропических в высокие широты ^[4].

Рис. 2. Изменение термических показателей климатических ресурсов к концу XXI в. (2081–2100) по сравнению с современным периодом (1986–2005): а — минимальная средняя суточная температура воздуха, С, б — максимальная средняя суточная температура воздуха, С, в — число дней в год с –5< t<5°С, г — индекс потребления топлива, изменение показано в долях единицы.

Изменения показателей увлажнения напрямую связаны с аномалиями общих сумм осадков (рис. 3). В целом за год они увеличиваются по всей зоне Арктики, поскольку на фоне роста температуры возрастает испарение и, следовательно, влагосодержание атмосферного воздуха. В холодный период зоны максимальных положительных аномалий более выражены, чем в теплый. Активизация скрытого переноса тепла от океана в атмосферу в этот сезон может приводить к увеличению бароклинности, усилению циклонической деятельности и росту количества осадков. Сдвиг границ морского льда, вдоль которых возникают благоприятные условия формирования мезомасштабных циклонов, также может привести и к смещению зон их наибольшей активности. Сдвигаются при этом и связанные с ними погодные явления, в том числе неблагоприятные (сильные осадки, высокие скорости ветра и др.) Наиболее заметные аномалии располагаются над Норвежским, Баренцевым и Карским морями, а также в восточной части Евразийской Арктики – над Чукотским морем. В летний сезон можно отметить зоны наибольших положительных аномалий над Восточной Сибирью, Аляской, западной Гренландией.

Над большей частью Арктики возрастает сумма осадков, выпадающих при температуре –5<t<5°С (рис. 3в). Как было сказано выше, это повышает опасность гололедно-изморозевых явлений. Исключение составляет территория Норвежского моря и Северной Атлантики. Там на фоне роста температуры количество осадков, выпадающих в диапазоне –5< t<5°С напротив уменьшается.

Рассмотрим картину распределения аномалий для осадков, выпадающих при температуре ниже нуля (рис. 3г). Над севером Западной Европы и Европейской территории России и морями этого сектора их количество уменьшается. В то же время наиболее заметно оно возрастает при t<0°С над Гренландией. Это может быть связано с более глубоким проникновением циклонов в центральные части острова и способствовать увеличению накопления снежного покрова. Над восточной частью Евразии и Северной Америки аномалии осадков в этом диапазоне температуры несущественны или слабо отрицательны.

Рис. 3. Изменение показателей увлажнения к концу XXI вв. (2081–2100) по сравнению с современным периодом (1986–2005): а —сумма осадков январь, мм; б — сумма осадков, июль, мм; в — сумма осадков в год за дни с –5< t<5°С, г — сумма осадков в год в дни с t<0°С, мм.

Выводы

В итоге выполненного исследования можно сделать следующие выводы.

Пространственное распределение аномалий климатических ресурсов Арктики характеризуется существенной неоднородностью, которая может быть следствием региональных различий в уменьшении площади морского льда и его сплоченности, изменением режима энергообмена между атмосферой и океаном и атмосферной циркуляции, ослаблением меридионального переноса океанических вод в Северной Атлантике из низких широт в высокие.

Аномалии климатических ресурсов имеют не только региональные, но и выраженные сезонные различия. На большей территории Арктики аномалии многих показателей КР сильнее выражены в холодный период.

Выявлены районы, где реакция показателей КР на общее потепление атмосферы в Арктике особенно заметна. Наиболее чувствительными к изменению климата по сценарию RCP8.5 являются Норвежское, Баренцево, Карское и Чукотское моря, где прогнозируемое к концу XXI в. уменьшение площади морского льда и его сплоченности по сравнению с современным климатом наиболее существенно.

Над севером Европы и Баренцевым морем рост средней температуры не столь велик, как в других районах Арктики. Но общий рост температуры приводит к тому, что ее средние величины и экстремумы могут смещаться в градации положительных значений. Этот переход существенно меняет климатический потенциал территории.

Получено, что на фоне увеличения количества атмосферных осадков повсеместно, за исключением морей, омывающих Северную Европу, прогнозируется рост их сумм при температуре –5< t<5°С, возрастает и число дней в году с такой температурой. Это может способствовать росту повторяемости неблагоприятных гидрометеорологических явлений. Отрицательные аномалии осадков в этом диапазоне температуры над Севером Европы и примыкающими морями объясняются тем, что на фоне потепления повторяемость дней с температурой –5< t<5°С уменьшается.

Авторы искренне признательны Кокореву В.А. (Государственный гидрологический институт) за помощь в получении исходных материалов для данного исследования.