Изменения средних и экстремальных скоростей ветра в Арктике в конце XXI века

Сбор исходных материалов осуществлен в рамках выполнения работ по теме Госзадания кафедры метеорологии и климатологии (номер ЦИТИС: АААА-А16-116032810086-4). Расчеты выполнялись при финансировании проекта РФФИ 18-05-60083, визуализация данных и анализ – проекта РФФИ 16-05-00509.

Введение

Разреженность метеорологических станций и сложность погодных условий являются одним из главных препятствий в исследовании климата Арктики. В последние годы, благодаря увеличению объема фактического материала наблюдений на многократно выросшей сети аэрометеорологических, береговых и дрейфующих станций, данных дистанционного зондирования, а также совершенствованию методов анализа, получены новые оценки климата Арктики ^[7]. Мониторинг показателей скорости ветра ведется на метеорологических станциях Росгидромета РФ (www.meteo.ru), нефтяных платформах, судах. Для морей Российской Арктики подробный анализ ветрового режима в морях Арктики обобщен в выпусках серии «Моря СССР» ^[8], в атласах ^{[2, 15]}.

В последние годы отмечается активное возвращение внимания к Арктике и рост востребованности сведений о ее климатическом состоянии в настоящем и будущем. Это вызвано как природными изменениями, которые активно происходят в приполярных районах на фоне глобального потепления климата ^{[1; 7; 22]}, так и экономическими причинами ^{[3, 9]}. Во многих сферах человеческой деятельности требуется учет не только средних климатических показателей, но и оценок их экстремальных значений. При оценке ветрового режима это важно, например, в ветроэнергетике ^{[4, 14]}, при расчете ветровых нагрузок на конструкции (мачты, антенны, рекламные щиты, нефтяные вышки и др. ^{[7, 11 и др.]}, при оценке величины влияния ветра на развитие береговой эрозии и трансформации берегового рельефа. Эти показатели востребованы в таких областях, как судоходство, добывающие отрасли, теплоэнергетический комплекс и т.д. Штормовые явления, как и другие опасные гидрометеорологические явления на море, наносят серьезный ущерб экономике и населению. Понимание природы высоких скоростей ветра может способствовать снижению экономических издержек, являющихся последствиями разрушительного действия штормов, а, кроме того, и существенно повысит уровень безопасности на акватории моря. Особенно важно выполнение таких оценок с учетом меняющегося климата.

Как показывают современные исследования, климат Арктики в последние десятилетия заметно меняется, что особенно проявилось в режиме температуры, осадков и площади морского льда ^{[7, 20, 22]}. Это открывает новые возможности для добывающей промышленности, судоходства и других отраслей хозяйства и требует переоценки территории с точки зрения климатических ресурсов и связанных с ними рисков освоения. Во Втором оценочном докладе Росгидромета ^[7] показано, что на большей части континентального побережья Баренцева и Карского морей средняя скорость ветра в период 1977–2011 гг. снижалась, в то время как на Новой Земле и Северной Земле, а также на полуострове Таймыр большую часть года средние значения скорости ветра возрастали. Вторая половина 1970-х гг. отмечена заметными сдвигами многих показателей состояния атмосферы и океана. Возрастание средней скорости ветра над Арктикой в последние десятилетия отмечено в ^{[16, 17, 27]}. В последнем отчете МГЭИК ^[22] отмечено, что изменение ветрового режима в высоких широтах в последние десятилетия может быть следствием происходящей перестройки общей циркуляции атмосферы, в частности изменения траекторий перемещения циклонов умеренных широт, их интенсивности и частоты, общего усиления циклоничности Арктики.

Несмотря на расширение наблюдательской сети, многие территории этого региона, в особенности морские, продолжают оставаться не охваченными метеорологическими данными. В связи с этим важным инструментом анализа и прогноза состояния атмосферы выступают математические модели ^[12]. В частности, одними наиболее востребованных моделей в современных реалиях являются реанализы, позволяющие заполнить пространственные и временные пробелы наблюдений, а также рассчитать дополнительные характеристики климатической системы. В настоящее время разработаны методики расчета глобальных и региональных климатических реанализов. Среди разработчиков крупнейших баз данных – Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (http://www.ecmwf.int), Национальная администрация атмосферы и океана США (http://www.esrl.noaa.gov). Несмотря на выдающиеся достижения в этой области, исследования последних лет показывают ^{[13, 23, 25]}, что модели реанализов и климатические модели земной системы последних поколений все еще не способны достаточно хорошо воспроизводить абсолютные значения экстремально высокой скорости ветра и повторяемость таких событий. Это связано с тем, что нередко максимумы скорости связаны с мезомасштабными атмосферными процессами (мезомасштабные циклоны, смерчи, бора и др.). В отличие от негидростатических мезомасштабных моделей, используемых в краткосрочном прогнозе погоды (например, ^{[5, 18, 19 и др.]}), пространственное разрешение глобальных моделей реанализа и климатических моделей, а также особенности используемых в них параметризаций далеко не всегда позволяют явным образом смоделировать такие явления.

Наблюдаемое в последние десятилетия увеличение площади моря, свободного ото льда ^{[7, 22]}, существенно изменяет режим ветрового воздействия на морскую поверхность, приводит к повышению вероятности развития штормового волнения. Оценки МГЭИК (Межгосударственной группы экспертов по изменению климата) и Росгидромета РФ свидетельствуют о том, что, несмотря на тенденцию к снижению средних значений скорости ветра в умеренных широтах над сушей, к северу от 75° с.ш. она возрастала на протяжении последних десятилетий ^{[7, 22]} и, предположительно, на фоне глобального потепления будет возрастать к концу XXI в., как показано также в настоящей работе.

В настоящей работе представлены результаты исследования возможных изменений экстремально высоких и средних значений приземной скорости ветра в Арктике по данным реанализа ERA-Interim и моделей климатической системы проекта CMIP5 для современного климата и его прогнозируемых в конце XXI века изменений.

Материалы и методы

Прогноз изменения значений скорости ветра различных градаций для XXI века выполнен по результатам вычислительных экспериментов CMIP5 – пятой фазы международного проекта CMIP (Coupled Model Intercomparison Project) ^[28].

Среди вычислительных экспериментов CMIP5, важных с точки зрения оценки дальнейшего отклика Арктики на изменения климата, были использованы ежедневные данные по следующим сценариям: 1) эксперимент historical (1850–2006 гг.), изменение внешних воздействий на климат задано в соответствии с наблюдениями; 2) эксперимент по сценарию RCP8.5 (2006–2100 гг.) ^[24].

Список использовавшихся в работе моделей представлен в таблице 1.

Сценарий развития будущего климата RCP8.5 был выбран как наиболее выразительный с точки зрения климатических последствий парникового эффекта. Радиационный форсинг численных экспериментов RCP8.5 состоит в задании увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере до такой степени, что к концу XXI века их роль в радиационном балансе возрастет на 8,5 Вт/м2, а концентрация парниковых газов в эквиваленте CO2 составит 1370 единиц. Такое интенсивное, но в то же время реалистичное внешнее воздействие на климатическую систему, как в эксперименте RCP8.5, позволяет получить статистически значимый отклик на увеличение концентрации парниковых газов. Согласно оценочному докладу МГЭИК ^[22], 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. В Арктике ожидается значительно более интенсивный рост температуры воздуха в приземном слое – так, к концу XXI века, в зависимости от регионов она превысит современную на 5–10 °С. Также при данном сценарии для Арктики ожидается сокращение до нуля минимальной (наблюдаемой в сентябре) площади морского льда в Северном Ледовитом океане начиная с 70-х годов XXI века ^[22]. Это кардинально изменит температурные свойства подстилающей поверхности и интенсивность энергообмена между океаном и атмосферой. Это также может повлечь изменение ветрового режима в приземном слое – увеличение площади свободной или частично свободной ото льда морской поверхности может способствовать усилению турбулентного обмена в приземном слое и передаче количества движения из верхних слоев атмосферы в приземный слой.

Таблица 1. Климатические модели проекта CMIP5, результаты которых использованы в работе.

В данной работе представлены оценки изменений сезонных и годовых значений различных квантильных значений средней суточной скорости ветра на высоте 10 м, предполагаемых к концу XXI века согласно сценарию RCP8.5.

Результаты работы и их обсуждение

На рис. 1 и 2 показаны примеры полученных нами результатов для модели ИВМ РАН INMCM4 ^[7] и реанализа ERA-Interim ^[18] по современному климату – видно, что они хорошо согласуются между собой с учетом как абсолютных значений, так и географических особенностей. Над сушей скорости для всех представленных процентилей существенно ниже, чем над морями (рис. 2). Над морями наибольшие скорости ветра отмечаются вдоль восточного побережья Гренландии и над Чукотским морем. Наименьшие значения характерны для моря Лаптевых.

Рис. 1. Значения 99-го процентиля средней суточной приземной скорости ветра, м/c (1981-2005 гг.), по данным реанализа ERA-Interim (слева), модели земной системы INMCM4 (справа).

Рис. 2. Значения 50-го, 95-го, 99-го и 99,9-го процентилей средней суточной скорости ветра, м/c, по модели INMCM4 для периода 1981-2005 гг.

Рассмотрим результаты для климата, прогнозируемого к концу XXI века по сценарию RCP8.5. Согласно обобщению, полученному по ансамблю моделей, перечисленных в таблице 1, к концу XXI века средняя годовая скорость ветра в Арктике над континентальными районами существенно не изменится, над морями же знак аномалии преимущественно положительный (рис. 3). Как видно из представленных на рис.3 результатов, прогнозируемый к концу XXI века рост значений скорости ветра наиболее выражен в осенне-зимний период. В современном климате минимальная величина площади морского льда отмечается, как правило, в сентябре ^[21]. Если она будет сокращаться и далее, вплоть до того, что, согласно прогнозам, к концу XXI века в летний период сплоченные многолетние льды будут отсутствовать, можно предположить, что с учетом большой теплоемкости и тепловой инерции океана установление покрова морского льда при переходе к зиме будет происходить позднее и медленнее. Поэтому над открытой и теплой (относительно воздуха) водой сможет активно развивается турбулентность, приводя к увеличению скорости ветра. Зоны наибольших аномалий приурочены к Баренцеву, Карскому, Чукотскому морям. В июле аномалии скорости близки к нулю над континентальными районами, по направлению к полюсу аномалии становятся положительны и возрастают с широтой, но не достигают таких больших значений, как в октябре и январе. Сложная картина аномалий может быть связана с перестройкой атмосферной циркуляции, вызванной заметным прогнозируемым уменьшением площади морского льда. Отдельные модели, несмотря на некоторые различия, в целом дают общую тенденцию (рис. 4).

Общая тенденция изменения скорости ветра в Арктике согласно прогнозу моделей показана на рис. 5. Можно сделать вывод, что общие для большинства моделей черты уменьшения как средней, так и экстремально высокой скорости отмечаются над большей частью Гренландии, Северной Атлантики и над Норвежским морем. Результаты свидетельствуют о заметной согласованности моделей относительно географического распределения положительных и отрицательных аномалий.

Увеличение средних и экстремальных значений скорости ветра над морями Арктики в ответ на потепление может быть объяснено с учетом изменения особенностей общей циркуляции атмосферы, в частности, повторяемости циклонов, их глубины и интенсивности. Однако это непросто, учитывая наличие сложных обратных связей. В разных работах с учетом постановки экспериментов и степени сложности моделей приводятся результаты, показывающие как ослабление циклонической деятельности в Арктике и сдвиг траекторий циклонов к югу при уменьшении площади морского льда и потеплении (например, ^[26]), так и, напротив, ее активизацию и смещение треков к северу (например, ^[29]). Последняя точка зрения отражена и в докладе МГЭИК ^[22] С учетом активизации циклонической деятельности в Арктике дополнительным фактором, влияющим на скорость ветра, может стать уменьшение площади морского льда. Расширение открытого водного пространства и активизация турбулентного энергообмена в приземном слое приводит к увеличению скорости ветра. Одним из последствий таких изменений может стать увеличение повторяемости сильного ветра, нагонов, изменение высоты волн и площади распространения штормового волнения.

январь апрель

Рис. 3. Изменение 50-го процентиля приземной скорости ветра в январе (а), апреле (б), июле (в), октябре (г), за год (д), м/с, к концу XXI века (2081–2100 гг. «минус» 1986–2005 гг.) по ансамблю моделей.

Рис. 4. Отклонение V0.99 , м/с, к концу XXI в. (2081-2100 гг. «минус» 1981-2005 гг.) по некоторым моделям (названия моделей подписаны на рисунке).

Рис. 5. Тенденция изменения скорости ветра разной обеспеченности с учетом согласованности моделей по знаку тенденции: V0.5 (а), V0.99 (б) согласно прогнозам по сценарию RCP8.5 CMIP5. Значение «1» означает, что увеличение отмечается у всех моделей, «0.5» – половина моделей дает положительную аномалию, половина – отрицательную, «0» - все модели дают отрицательную аномалию.

Выводы

Новые результаты, относящиеся к оценкам экстремумов скорости ветра, дополняют полученные ранее оценки для средних показателей:

1) при реализации сценария RCP8.5 отмечается тенденция роста экстремальных значений скорости ветра над преобладающей частью морской территории Арктики; это характерно для большинства моделей климатической системы;

2) на фоне преобладающей тенденции к увеличению средних и экстремально высоких значений скорости ветра проявляются выраженные региональные различия:

а) выявлено уменьшение средних значений скорости над большей частью континентального севера Евразии, Гренландией, Северной Атлантикой, Норвежским морем;

б) рост средних значений скорости ветра отмечается над морями Арктики и севером Северной Америки;

в) для экстремально высоких значений прогнозируется рост на большей части морской Арктики, на севере Евразии и Северной Америки.