Серых И.В.
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия E-mail: iseryk h@ocean.ru
Для региона Северной Атлантики и Евразии построены и исследованы поля гидрофизических и метеорологических характеристик, относящиеся к периодам отрицательных (1950-1976 и 1999-2014 гг.) и положительной (1977-1998 гг.) фаз Северо-Атлантического Колебания (САК). Исследованы данные при- поверхностной температуры, атмосферного давления на уровне моря, скорости ветра, теплосодержания верхнего 700-метрового слоя океана, температуры и солености воды на различных глубинах, скорости течений, аномалий уровня моря, потоков скрытого и явного тепла из океана в атмосферу. Полученные поля оказались достаточно хорошо согласованными между собой и дополняют друг друга, что дает воз- можность получить представление о гидрометеорологических условиях рассматриваемого региона. Ана- лиз этих полей показал, что в верхнем 1500-метровом слое вод Северной Атлантики существует темпе- ратурный диполь, климатической значение которого в определенном смысле может быть интерпретиро- вано в качестве океанического аналога атмосферного САК. Предложен индекс Северо-Атлантического Диполя (САД) как разности средней температуры слоя океана на глубинах от 400 до 700 метров (на ко- торых дипольная структура выражена наиболее ярко) между регионами положительной (30º-45º с.ш.;
80º-30º з.д.) и отрицательной (50º-70º с.ш.; 70º-20º з.д.) аномалий этой характеристики. Высказаны пред- положения о возможном физическом механизме внутренних колебаний в системе взаимодействия океан- атмосфера Северной Атлантики на периоде 60-70 лет.
Введение
Есть основания полагать, что короткопериодная изменчивость современного климата в суще- ственной степени связана с антропогенными факторами [IPPC, 2007]. Наряду с этим в данном процессе, несомненно, участвуют и естественные факторы, например, такие как изменение количества тепла, по- ступающего из океана в атмосферу [Chu, 2011]. Косвенным свидетельством существования данного эф- фекта является тот факт, что в середине 1970-х годов теплосодержание верхнего слоя вод Северной Ат- лантики существенно изменилось, в результате чего, вероятно, произошла смена климатического сцена- рия в указанном регионе [Byshev et al., 2011]. К данному типу событий следует отнести также повыше- ние теплосодержания воды в районе Гольфстрима в период 1980-1995 [Zhai and Sheldon, 2012]. Суще- ственная энергетическая значимость такого рода гидрометеорологических событий говорит о том, что отмеченные колебания гидрофизического режима Северной Атлантики не могут не оказывать непосред- ственного влияния на климат Северо-Американского и Евро-Азиатского континентов [Arguez et al., 2009].
В силу наличия прямых и обратных связей в динамике глобальной климатической системы круп- номасштабные изменения интенсивности и направленности тепловых потоков в структуре взаимодей- ствия океана и атмосферы определенным образом влияют на термобарические характеристики таких центров действия атмосферы, как Исландский циклон и Азорский антициклон [Gulev et al., 2013]. По- видимому, вследствие этого в середине 1970-х годов произошла смена фазы САК, что привело к измене- ниям количества циклонов и приповерхностной температуры воздуха в регионе Северной Атлантики, а также потоков тепла из этого региона на Евро-Азиатский континент [Jung et al., 2003]. В рамках настоя- щей работы мы попытались выявить физический механизм, определяющий эти события, уделив основ- ное внимание термохалинной циркуляции вод Атлантического океана (Atlantic Meridional Overturning Circulation – AMOC).
Материалы наблюдений и методика их обработки
Для анализа были выбраны материалы из независимых источников, данные которых в настоящее время считаются одними из самых надежных среди наиболее полных глобальных баз среднемесячных данных. Анализировались среднемесячные поля атмосферного давления на уровне моря (HadSLP2) и приповерхностной температуры (CRUTEM4), подготовленные английским Центром Met Office Hadley с пространственным разрешением 5ºх5º за период 1850-2014. Для получения климатической картины ветра на различных уровнях использованы среднемесячные поля с разрешением 2.5ºх2.5º реанализа NCEP/NCAR за период 1948-2014. Результаты, полученные по атмосферному давлению, ветру и припо- верхностной температуре проверялись по данным американского реанализа «20 век» (20th Century
Reanalysis) за 1871-2011, европейского реанализа ERA-20C (1900-2010) и японского реанализа JRA-55 (1958-2013).
В композиционный анализ были включены средние за 3 месяца поля с разрешением 1ºх1º анома- лий теплосодержания верхнего 700-метрового слоя океана и средних аномалий температуры воды на 16 различных глубинах (0, 10, 20, 30, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600 и 700 метров) за пери- од 1955-2014, предоставленные Национальным океанографическим центром данных (NODC). Для более точной количественной оценки использованы данные температуры и солености океана на 24 различных глубинах до 1500 метров по ежемесячным данным Ishii Ocean Analyses Project за период 1945-2012. Ис- следовалась термохалинная циркуляция северной части Атлантического океана и изменения глубины верхнего деятельного слоя (глубокая конвекция). Под верхним деятельным слоем океана понимается приповерхностная часть толщи океанских вод, подверженная непосредственному воздействию атмо- сферных процессов, и сама, в свою очередь, влияющая на состояние атмосферы посредством турбулент- ного энерго-массообмена. Анализировались данные скорости течений с разрешением 1ºх1º из базы дан- ных GECCO2. Для анализа изменений потоков скрытого и явного тепла из океана в атмосферу за период 1958-2014 использованы данные OAFlux (NOAA). Климатическая изменчивость уровня Атлантического океана за период 1993-2014 исследована по базе данных спутниковой альтиметрии AVISO. Изменения температуры поверхности океана (ТПО) за период 1950-2014 были исследованы по данным из трех раз- личных массивов: HadISST (1ºх1º), ERSST V4 (2ºх2º) и COBE SST2 (1ºх1º).
Для анализа рассчитывались средние поля описанных выше характеристик отдельно для периодов отрицательных (1950-1976 и 1999-2014) и положительной (1977-1998) фаз САК [Hurrell and Deser, 2009].
Затем из среднего поля за выбранный период вычиталось среднее поле за предыдущий. Получившаяся разность полей наглядно демонстрирует изменения, произошедшие между выбранными периодами. По- лученные по данным наблюдений и реанализов результаты сравнивались с результатами совместных моделей океана и атмосферы, доступных в рамках проекта CMIP5 (эксперимент Historical). Из 47 иссле- дованных моделей выбраны те, которые наиболее близко описывают рассматриваемые процессы. По- скольку в климатических моделях фазы квази-шестидесятилетнего колебания не всегда совпадают с фа- зами из данных наблюдений, была применена техника отображения исследуемых характеристик на фазо- вой плоскости. Для этого на шкале абсцисс отображались изменения градиента между Азорским и Ис- ландским центрами действия атмосферы одного параметра (например, приповерхностной температуры), а на шкале ординат другого (например, атмосферного давления на уровне моря).
При построении графиков рядов использовано 12-летнее и 6-летнее сглаживание скользящим средним. Сезонный ход удален путем вычитания климатических среднемесячных значений выбранных характеристик по всему имеющемуся временному интервалу. Все расчеты производились с помощью специально разработанного нами программного комплекса для пространственно-временного анализа глобальных вековых массивов гидрометеорологических характеристик.
Обсуждение результатов анализа
На полученном поле разности атмосферного давления на уровне моря между периодами 1977- 1998 и 1950-1976 в Северной Атлантике, прежде всего, обращают на себя внимание отрицательная ано- малия севернее 60 параллели и положительная южнее, что соответствует положительной фазе САК. В рассчитанном по полю давления геострофическом ветре хорошо видны соответствующие этой бариче- ской структуре циклоническая циркуляция с центром на востоке Гренландии и в Гренландском море, а также антициклонический вихрь в районе западнее Азорских островов. Кроме того характер аномально- го ветрового поля указывает на то, что в период 1977-1998 в атмосфере имело место усиление северо- восточного пассата и западного переноса вдоль 60° с.ш. Аномалии скорости ветра на уровне 1000 гПа хорошо согласовано с полем геострофического ветра, с поправкой на поверхностное трение. Наблюдает- ся усиление западного переноса вдоль 60 параллели, усиление пассата и положительная аномалия южно- го ветра в районе Саргассового моря. Поле разности скорости ветра на уровне 850 гПа между периодами 1977-1998 и 1950-1976 напоминает поле ветра на уровне 1000 гПа, но с более ярко выраженными цикло- нической и антициклонической аномалиями, которые соответствуют полю атмосферного давления. Так- же на более высоком уровне от земной поверхности (850 гПа а не 1000 гПа) западный перенос вдоль 60 параллели менее отклонен поверхностным трением на север в сторону области пониженного давления, а направлен практически на восток, на Евро-Азиатский континент.
Поле разности средней ТПО северной части Атлантического океана между указанными двумя пе- риодами хорошо согласуется с полем разности атмосферного давления на уровне моря и скорости ветра.
Отчетливо выделяется область отрицательных аномалий ТПО в море Лабрадор, южнее Гренландии и северо-восточнее острова Ньюфаундленд. Данное явление можно объяснить усилением холодного Лаб- радорского течения под влиянием циклонической аномалии ветра, а также региональным выхолажива- нием верхнего слоя океана в результате зимней конвекции и соответствующего увеличения теплоотдачи океана в атмосферу. Данная аномалия находится в регионе усиления приповерхностного западного ветра вдоль 60 параллели, откуда это тепло переносилось на Евро-Азиатский материк, где в середине 1970-х начался хорошо известный резкий рост приповерхностной температуры. Также обращает на себя внима-
ние положительные аномалии ТПО в области Гольфстрима. Согласно нашим расчетам, данное явление может быть связано как с усилением пассатного ветра, так и с положительной аномалией южного ветра в районе Саргассового моря. Оба этих фактора обладают однонаправленным эффектом, создающим до- полнительный нагон теплых тропических вод в Мексиканский залив, что, несомненно, влияет на термо- динамические характеристики стокового течения, выходящего в Атлантический океан из Флоридского пролива.
На поле разности теплосодержания 0-700 метрового слоя океана между периодами 1977-1998 и 1955-1976 виден диполь в районе встречи Гольфстрима и Лабрадорского течения. Его решено было назвать Северо-Атлантический Диполь (САД). Поля разности температуры и солености океана на раз- личных глубинах до 1500 метров показали, что данная структура наиболее ярко выражена на глубинах от 400 до 700 метров. Нами был предложен индекс Северо-Атлантического Диполя как разность средней температуры 400-700 метрового слоя океана между регионами (30º-45º с.ш.; 80º-30º з.д.) и (50º-70º с.ш.;
70º-20º з.д.). Он отличается от индекса Атлантической Мультидекадной Осцилляции (АМО), который рассчитывается как средняя аномалия ТПО Северной Атлантики, а не разность температуры глубинного слоя воды между двумя регионами. Также при расчете индекса АМО возникает нетривиальный вопрос удаления линейного хода, который решается различными способами и влияет на итоговый ряд. Предло- женный индекс САД рассчитывается как градиент между двумя регионами, и проблемы удаления линей- ного тренда, связанного с глобальным потеплением, не возникает. Индекс САК рассчитывался нами как разность средних аномалий атмосферного давления на уровне моря между 2 регионами: Азорского анти- циклона (20º-40º с.ш.; 70º-10º з.д.) и Исландского циклона (60º-80º с.ш.; 60º-0º з.д.). То есть два индекса САК и САД дополняют друг друга, поскольку рассчитываются соответственно как разность атмосферно- го давления и температуры слоя океана практически между одними и теми же регионами, и характери- зуют состояние большей части системы океан-атмосфера Северной Атлантики, а не отдельную её атмо- сферную или океаническую часть. Интересные особенности демонстрирует более чем полувековой ход индексов САК и САД, индексы практически квазисинхронны, индекс САК совсем немного опережает САД на периоде около 60 лет, то есть в данном случае поле атмосферного давления перестраивается раньше температуры океана. Но сильного временного смещения между предложенным нами индексом САД и хорошо известным индексом САК нами не обнаружено, в то время как фазы колебания индекса АМО сильно смещены (около 10 лет) относительно индекса САК [Polyakov et al., 2010].
Заключение
Особого внимания заслуживает то факт, что в регионах Исландского минимума и Азорского мак- симума описанные выше циклоническая и антициклоническая аномалии циркуляции атмосферы и со- кращение и увеличение теплосодержания океана в соответствующих регионах происходят согласованно и квазисинхронно. Благодаря чему аномалии западного переноса вдоль 60 параллели то увеличивают, то уменьшают вынос тепла с Атлантического океана на материк, и климат в Европе и Сибири становиться то более морским, то более континентальным. Стремительное потепление климата на Евро-Азиатском континенте начавшееся в 70-ые годы прошлого столетия можно связать с усилением в этот период пере- носа тепла из Северной Атлантики на материк, которое хорошо просматривается на полученных полях.
А наблюдающееся после 1999 года замедление этого потепления может быть связано с сокращением по- ступления тепла из северной части Атлантического океана на территорию Евразии.
Литература:
1. Arguez A., O’Brien J.J. and Smith S.R. Air temperature impacts over Eastern North America and Europe associated with low-frequency North Atlantic SST variability. (2009). Int. J. Climatol. 29: 1–10.
2. Byshev V.I., Neiman V.G., Romanov Yu.A., Serykh I.V. Phase variability of some characteristics of the present-day climate in the Northern Atlantic region. Doklady Earth Sciences, 2011, Vol. 438, No. 2, pp.
887–892.
3. Chu, Peter C. Global upper ocean heat content and climate variability Ocean Dynamics. Ocean Dynamics, Volume 61, Issue 8, August 2011. p.1189-1204. ISSN: 1616-7341.
4. Gulev S.K., Latif M., Keenlyside N., Park W., Koltermann K.P. (2013) North Atlantic Ocean control on surface heat flux on multidecadal timescales. Nature 499:7459, 464-467.
5. IPCC, 2007. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of WG1 to the IV Assess- ment Report of the IPCC // Eds. Solomon S. et al. Cambridge, UK and New York, NY, USA. 996 p.
6. Hurrell, J.W., and C. Deser, 2009: North Atlantic climate variability: The role of the North Atlantic Oscil- lation. J. Mar. Syst., 78, No. 1, 28-41.
7. Jung, T., M. Hilmer, E. Ruprecht, S. Kleppek, S.K. Gulev, and O. Zolina. 2003. Characteristics of the recent eastward shift of interannual NAO variability. J. Climate, 16, 3371-3382.
8. Polyakov I.V., Alexeev V.A., Bhatt U.S., Polyakova E.I., Zhang X. (2010) North Atlantic warming: pat- terns of long-term trend and multidecadal variability. Climate Dynamics 34:2-3, 439-457.
9. Zhai, Xiaoming, Luke Sheldon, 2012: On the North Atlantic Ocean Heat Content Change between 1955–
70 and 1980–95. J. Climate, 25, 3619–3628.