Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 1, стр. 71-77

ВВЕДЕНИЕ

Последние десятилетия характеризуются значительными изменениями климата, наиболее сильными в высоких широтах [1–3]. В Арктике в первые два десятилетия XXI века скорость уменьшения протяженности морских льдов была настолько быстрой, что до последнего времени только немногие климатические модели в мире были способны адекватно воспроизводить отмеченные по спутниковым данным с конца 1970-х годов изменения [1, 4]. Исследованию этой одной из современных климатических проблем посвящено много исследований (см., напр., [1, 5–11]). В данной работе анализируются особенности связи межгодовой изменчивости антарктических и арктических морских льдов с изменениями приповерхностной температуры в Арктике и Антарктике, а также в Северном (СП) и Южном (ЮП) полушариях в целом по данным для последних десятилетий.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Для анализа использовались среднемесячные спутниковые данные NSIDC (http://nsidc.org) для протяженности (площади) и сплоченности (концентрации) морских льдов в Арктике и Антарктике для последних десятилетий – с января 1979 г. по июнь 2020 г. [12]. Спутниковые данные NSIDC включают как площадь морских льдов, так и общую их протяженность, которая больше – это связано, в частности, с проблемой детектирования по спутниковым измерениям ледового покрова под разводьями.

Для оценки связи режимов морских льдов с температурным режимом использовались соответствующие среднемесячные данные реанализа ERA5 (https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5) для приповерхностной температуры (см. [13]), а также данные GISS (https://data.giss.nasa.gov/gistemp/) на основе данных наблюдений [14].

Для оценки параметров чувствительности площади и общей протяженности морских льдов к изменениям температуры у поверхности использовались соответствующие линейные регрессии с оценкой статистической значимости оценок. Особенности изменчивости морских льдов и температурного режима анализировались с использованием вейвлетного анализа. Для оценки связи режимов морских льдов в полярных широтах с вариациями температурного режима наряду с корреляционным анализом использовался кросс-вейвлетный анализ.

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

На фоне быстрого уменьшения общей протяженности арктических морских льдов в связи с сильным арктическим потеплением в последние десятилетия и общего увеличения протяженности морских льдов в Антарктике c 2016 г. отмечено резкое уменьшение ледовитости в Южном океане (рис. 1). Изменения протяженности антарктических и арктических морских льдов в последние десятилетия естественно связаны с изменениями температурного режима.

Рис. 1.

Изменения протяженности морских льдов (МЛ) в Арктике (пунктир) и Антарктике (сплошная линия) по среднемесячным спутниковым данным с января 1979 г. по июнь 2020 г. со скользящим годовым осреднением.

Отмеченное до 2016 г. общее увеличение площади морских льдов в Антарктике связано с тем, что спутниковые данные для протяженности морских льдов доступны только с конца 1970-х годов – для периода с общим понижением, хотя и относительно слабым, температуры океана в антарктических акваториях (рис. 2). Согласно рис. 2а для последних 4 десятилетий отмечалось общее понижение температуры у поверхности в океанических субантарктических широтах на фоне сильного потепления в арктических широтах (так называемое Арктическое усиление). При этом в последние годы отмечается увеличение температуры у поверхности для всех широтных зон, включая субантарктические океанические широты (рис. 2б).

Рис. 2.

Изменения среднегодовой температуры у поверхности для периодов 1980–2019 гг. (а) и 2013–2019 гг. (б) по данным GISS для разных широт.

Отмеченное региональное понижение температуры поверхности океана для последних четырех десятилетий на фоне общего потепления ЮП можно объяснить значимым влиянием естественных климатических квазициклических процессов типа Эль-Ниньо, Антарктической осцилляции и междесятилетней тихоокеанской осцилляции. Для более длительных периодов, в частности для последних шести десятков лет (c конца 1950-х годов), проявляется уже общий рост температуры поверхности океана в субантарктических и антарктических широтах. При продлении ряда спутниковых данных для морских льдов в ближайшие годы на фоне общего потепления соответственно следует ожидать более значимое проявление общей тенденции уменьшения протяженности антарктических морских льдов. Явные признаки этого проявляются с 2016 г. [11]. Следует также отметить существенные различия процессов прогрева и охлаждения океана в годовом ходе в СП и ЮП, в том числе в арктических и антарктических широтах c изменяющейся протяженностью (площадью) морских льдов [15].

В табл. 1 представлены количественные оценки чувствительности общей протяженности арктических и антарктических морских льдов S (в млн км²) по спутниковым данным к изменению приповерхностной температуры T (в градусах К) в Арктике и в Антарктике по данным реанализа ERA5 для разных месяцев в межгодовой изменчивости для периода 1980–2019 гг. Выделены оцениваемые коэффициентами соответствующих линейных регрессий параметры чувствительности, значимые на уровне двух стандартных (отклонений), а также соответствующие коэффициенты [корреляции]. Для Арктики оценки статистически значимы для всех месяцев. Для Антарктики отрицательная корреляция общей протяженности морских льдов и приповерхностной температуры получена для всех месяцев, кроме сентября, для которого отмечена статистически незначимая положительная корреляция. При этом для большинства (8) месяцев в году получены значимые оценки (на уровне двух стандартных отклонений). Наибольшие значения (по абсолютной величине) параметров чувствительности dS/dT для арктических морских льдов оценены для летних месяцев (до –1.6 млн км² при потеплении на 1 К в Арктике). Наименьшие значения (по абсолютной величине) параметров чувствительности dS/dT для арктических морских льдов оценены для конца зимы (около –0.3 млн км² при потеплении на 1 К в Арктике). Наибольшие значения (по абсолютной величине) параметров чувствительности dS/dT для антарктических морских льдов оценены для летних и осенних месяцев (до –0.8 млн км² при потеплении на 1 К в Антарктике).

Получены также соответствующие оценки чувствительности протяженности морских льдов к изменению полушарной приповерхностной температуры. Получено, что отрицательная корреляция общей протяженности арктических морских льдов для большинства месяцев более значимо проявляется с приповерхностной температурой для Северного полушария в целом, а не с приповерхностной температурой только в Арктике. При этом отрицательная корреляция общей протяженности антарктических морских льдов с приповерхностной температурой Южного полушария в целом для большинства месяцев менее значима, чем с приповерхностной температурой только для Антарктики.

Более детально оценить особенности связи общей протяженности морских льдов и температурного режима можно с использованием кросс-вейвлетного анализа. На рис. 3 представлена локальная когерентность протяженности арктических (а) и антарктических (б) морских льдов по среднемесячным спутниковым данным NSIDC с вариациями приповерхностной температуры в Арктике (а) и Антарктике (б) по среднемесячным данным реанализа ERA5 с января 1980 г. по июнь 2020 г. Рисунок 3а свидетельствует о значимой когерентности вариаций протяженности арктических морских льдов с соответствующими вариациями приповерхностной температуры в Арктике не только в годовом ходе, но и для наиболее долгопериодных – междесятилетних – вариаций. Согласно рис. 3б значимая когерентность междесятилетних вариаций протяженности антарктических морских льдов с соответствующими вариациями приповерхностной температуры в Антарктике проявляется, в отличие от годового хода, только в последние полтора десятилетия.

Рис. 3.

Локальная когерентность протяженности арктических (а) и антарктических (б) морских льдов по среднемесячным спутниковым данным с вариациями приповерхностной температуры в Арктике (а) и Антарктике (б) по среднемесячным данным реанализа с января 1980 г. по июнь 2020 г. Выделены области со значимой когерентностью (на уровне 95%), стрелки характеризуют фазовый сдвиг (стрелка вправо – синфазность, влево – противофазность), отмечены также области краевых эффектов.

Аналогично кросс-вейвлетный анализ был проведен для протяженности арктических и антарктических морских льдов по среднемесячным спутниковым данным NSIDC с вариациями приповерхностной температуры СП и ЮП в целом по среднемесячным данным реанализа ERA5 с января 1980 г. по июнь 2020 г. Существенно, что когерентность долгопериодных вариаций протяженности антарктических морских льдов с вариациями приповерхностной температуры ЮП значимо проявляется для всего анализируемого периода. При этом когерентность вариаций протяженности антарктических морских льдов с вариациями приповерхностной температуры СП значительно усилилась в последние годы и проявляется для широкого диапазона вариаций – от вариаций в годовом цикле до междесятилетних вариаций.

На рис. 4 представлены зависимости протяженности морских льдов в Арктике (а) и Антарктике (б) от приповерхностной температуры СП (а) и ЮП (б) по среднегодовым данным реанализа ERA5 для периода 1980–2019 гг. Связь протяженности морских льдов S в Арктике с приповерхностной температурой T СП для всего анализировавшегося 40-летнего периода характеризуется высоким коэффициентом их корреляции (r = –0.93). Значениями коэффициентов линейных регрессий S на T (прямые линии на рис. 4) можно оценить соответствующие параметры чувствительности dS/dT. Параметр чувствительности dS/dT протяженности арктических морских льдов к изменению приповерхностной температуры СП по среднегодовым данным для всего 40-летнего периода оценен равным – 1.8 (±0.1) млн км²/K (рис. 4а).

Рис. 4.

Среднегодовая протяженность морских льдов в Арктике (а) и Антарктике (б) по спутниковым данным NSIDC для периода 1980–2019 гг. в зависимости от среднегодовой приповерхностной температуры СП (а) и ЮП (б) по данным реанализа ERA5. Прямые линии характеризуют соответствующие линейные регрессии для всего анализируемого периода для СП и ЮП (I), а также для двух подпериодов для ЮП (II – 2003–2019 гг., III – 2013–2019 гг.).

Параметр чувствительности протяженности антарктических морских льдов к изменению приповерхностной температуры ЮП по среднегодовым данным для всего 40-летнего периода оценен равным –0.4 (±0.4) млн км²/K (рис. 4б). Полученная оценка статистически незначима (r = –0.16). Это связано с различными температурными тенденциями в разных регионах ЮП (с понижением приповерхностной температуры в субантарктической широтной зоне) в 1980–2019 гг. на фоне полушарного потепления. Отмеченные региональные особенности температурных и ледовых изменений связаны с естественными квазициклическими процессами, в том числе с явлениями Эль-Ниньо, Антарктической осцилляцией (Антарктической циркумполярной модой). Аналогичные оценки получены для более коротких периодов в пределах двух последних 10-летий: dS/dT = –2.7 (±0.9) млн км²/K (r = –0.62) для периода 2003–2019 гг. и dS/dT = –7.0 (±1.2) млн км²/K (r = –0.94) для периода 2013–2019 гг. (рис. 4б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты анализа свидетельствуют о существенности естественных вариаций климата с временным масштабом до нескольких десятилетий (связанных с ключевыми климатическими модами, в том числе явлениями Эль-Ниньо и Антарктическим колебанием) для антарктических и субантарктических широт с морскими льдами. Отмеченные температурные особенности с общим понижением приповерхностной температуры в океанических антарктических широтах в последние десятилетия на фоне полушарного потепления проясняют проблему разнонаправленных тенденций межгодовых вариаций протяженности (площади) морских льдов в Арктике и Антарктике по спутниковым данным. Спутниковые данные доступны только с конца 1970-х годов – именно в этот период проявилось связанное с ключевыми климатическими модами понижение температуры у поверхности океана в антарктических широтах.

Стоит отметить, что в целом для последних десятилетий общая корреляция протяженности антарктических морских льдов с приповерхностной температурой в антарктических широтах выше, чем с приповерхностной температурой ЮП в целом. При этом корреляция протяженности арктических морских льдов с приповерхностной температурой СП в целом выше, чем с приповерхностной температурой только в Арктических широтах. Отмеченные особенности указывают на различия сравнительной роли региональных и глобальных климатических процессов в формировании морских льдов и их изменениях в Антарктике и Арктике в последние десятилетия.

Результаты кросс-вейвлетного анализа свидетельствуют, что в течение последних двух десятилетий проявляется все более значимая отрицательная корреляция долгопериодных вариаций общей протяженности антарктических морских льдов с температурным режимом в соответствии с прогностическими модельными оценками. При этом параметр, характеризующий чувствительность среднегодовой протяженности антарктических морских льдов к изменению полушарной приповерхностной температуры, для последних двух десятилетий даже больше, чем для среднегодовой протяженности арктических льдов (см. также [16]). Результаты кросс-вейвлетного анализа подтверждают значимую антикорреляцию междесятилетних изменений протяженности арктических морских льдов с приповерхностной температурой в Арктике и для СП в целом для последних четырех десятилетий. Отмечена также значимая антикорреляция междесятилетних изменений протяженности антарктических морских льдов для последних четырех десятилетий с приповерхностной температурой для ЮП в целом. С приповерхностной температурой в Антарктике значимая антикорреляция междесятилетних изменений протяженности антарктических морских льдов начала проявляться только в последние годы.