Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 2, стр. 189-193

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия отмечено значительное сокращение общей протяженности морских льдов в Арктике. Это имеет существенное значение для развития арктической транспортной системы и работы на шельфе [1–4]. При отступлении морских льдов возрастает риск увеличения морского волнения [5–10]. В связи с этим необходим разносторонний анализ режимов морского волнения в различных арктических акваториях с оценкой, наряду с ветровым волнением, эффектов зыби и эффектов типа волновой толчеи. Зыбь – компоненты волнения без притока энергии от ветра (после ослабления или изменения направления ветра, либо дошедшие из другой акватории с сильным волнением). Волны зыби могут распространяться на достаточно большие расстояния и, будучи сформированными в удаленных морских бассейнах, могут влиять на режим морских волн в акваториях Арктического бассейна. Толчея – волновой режим c беспорядочным (хаотичным) волнением, связанный с взаимодействием разнонаправленных систем ветровых волн и зыби.

Цель данной работы – анализ разных режимов морского волнения в Арктическом бассейне и их изменений при возможных изменениях климата в XXI веке на основе модельных расчетов, в том числе анализ вклада ветровых волн и волн зыби в волновую активность в Арктическом бассейне.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Характеристики ветровых волн в арктическом бассейне анализировались с использованием двумерной спектральной численной модели морского волнения третьего поколения WAWEWATCH III (версия 5.16) [11]. Численное моделирование выполнялось для области к северу от 50° с.ш. с пространственным разрешением 1° по долготе и 0.5° по широте. В качестве форсинга для модели WAVEWATCH III использовались поля концентрации морских льдов и приповерхностного ветра по расчетам с ансамблем 11 глобальных климатических моделей CMIP5 при разных сценариях: историческом (historical) сценарии для периода 1990–2005 гг. и сценариях семейства RCP (RCP 4.5 и RCP 8.5) при различных антропогенных воздействиях для периода 2006–2100 гг. [10] (см. также [4, 12, 13]).

В данной работе, в частности, представлены результаты расчетов с климатическими моделями ACCESS1-3 (с пространственным разрешением 1.25° × 1.875°) и inmcm4 3 (с пространственным разрешением 1.5° × 2°) из ансамбля климатических моделей CMIP5 [14]. При отборе моделей учитывалась степень соответствия модельных расчетов современным данным для климатических характеристик в Арктическом бассейне (включая сплоченность морских льдов и высоту морских волн), а также их изменениям в начале XXI века [10].

В числе анализируемых характеристик морских волн – их значительная высота, значительная высота волн зыби, повторяемость режимов толчеи и оценки энергии морских волн. Для разделения компонент волнения использовалась встроенная в программный пакет модели WAVEWATCH III соответствующая автоматическая процедура [11]. В данной работе режим толчеи волн определялся с учетом превышения общей значительной высоты волн 2.5 м (бурное волнение) и наличия двух систем волн, направленных навстречу друг к другу, со значительными высотами этих двух систем волн, отличающимся менее чем в два раза.

Энергия волн определялась интегрированием по спектру. Акватории с покрытием льдом более чем на 75% в расчетах не учитывались, покрытые морским льдом менее чем на 25% считались открытой водой. В диапазоне 25–75% учитывалось затухание волн на несплошном льду. Полная энергия волн в океане рассчитывалась интегрированием по площади плотности энергии волн во всех расчетных точках модели, где покрытие льдом не превышает 75%.

При анализе использовались различные данные реанализа, включая ERA-Interim (https:// www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-da-tasets/era-interim) и NCEP/NCAR CFSR (https:// climatedataguide.ucar.edu/climate-data/climate-fore- cast-system-reanalysis-cfsr), и спутниковые данные (ftp://ftp.ifremer.fr/ifremer/cersat/products/swath/ altimeters/waves/).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты анализа численных расчетов с ансамблем климатических моделей в рамках международного проекта CMIP5 свидетельствуют о способности лучших современных моделей достаточно адекватно воспроизводить протяженность арктических морских льдов и изменении положения их границы в последние десятилетия в сопоставлении с данными спутниковых наблюдений [3, 4, 10, 15].

В [10] анализировались результаты различных модельных расчетов для положения кромки морских льдов (с концентрацией ≥25%) в Арктическом бассейне для периода 2006–2016 гг. и его изменений относительно периода 1990–2005 гг. в сопоставлении со спутниковыми данными. Модельные расчеты при историческом сценарии для периода 1990–2005 гг. были дополнены соответствующими модельными расчетами для периода 2006–2016 гг. при сценарии RCP 4.5. Анализ расчетов с 11 моделями ансамбля CMIP5 выявил, в частности, вполне адекватное согласие со спутниковыми данными региональных особенностей расположения кромки морских льдов и ее изменения в последние десятилетия для моделей ACCESS1-3 и inmcm4.

Аналогичное сравнение проведено для значительных высот морских волн в Арктике в сентябре по расчетам с волновой моделью WAVEWATCH III при климатических изменениях (включая концентрацию морских льдов и приповерхностный ветер) по расчетам с глобальными климатическими моделями ансамбля CMIP5, а также с использованием данных реанализа CFSR и ERA-Interim и спутниковых данных для периода 1990–2005 гг. Некоторые различия в сравнении со спутниковыми данными связаны с неопределенностью, присущей продуктам спутниковых наблюдений. В частности, анализ с учетом времени и локации спутниковых измерений свидетельствует [10] о хорошем согласии региональных особенностей для значительной высоты морских волн, определенных на основе данных реанализа и спутниковых данных. В сравнении с оценками, полученными по данным спутниковых наблюдений и реанализа, в целом адекватно воспроизводятся региональные особенности для значительной высоты волн в Арктическом бассейне, в частности в сентябре, по расчетам с моделями ACCESS1-3 и inmcm4.

На рис. 1 представлены средние изменения значительной высоты морских волн, значительной высоты зыби и повторяемости толчеи волн к концу XXI века (2091–2100 гг.) при сценарии RCP 8.5 относительно периода 1990–2005 гг. WAVEWATCH III по расчетам с моделью морского волнения WAVEWATCH III при климатических изменениях (включая концентрацию морских льдов и приповерхностный ветер) по расчетам с глобальными климатическими моделями ACCESS1-3 (а, в, д) и inmcm4 (б, г, е).

Рис. 1.

Изменения значительной высоты волн, м (а, б), значительной высоты зыби, м (в, г) и возникновения толчеи волн, количество случаев в год (д, е) в конце XXI века (2091–2100 гг.) по сценарию RCP8.5 относительно периода 1990–2005 гг., по результатам моделирования WaveWatch III с климатическим форсингом (концентрация морского льда и приземный ветер), полученным на основе моделирования с двумя глобальными климатическими моделями: ACCESS1-3 (а, в, д) и inmcm4 (б, г, е).

Полученные результаты с использованием расчетов с глобальными климатическими моделями из ансамбля CMIP5 при историческом (historical) и RCP сценариях подтверждают ранее полученные результаты с использованием расчетов с региональной климатической моделью HIRHAM при сценарии умеренных антропогенных воздействий семейства SRES [7, 8]. Значительная высота волн и ее экстремальные значения увеличиваются в разных акваториях Арктического бассейна при сокращении протяженности морских льдов в XXI веке. Противоположная тенденция с некоторым снижением высоты волн проявляется для атлантического сектора Арктического бассейна.

Результаты модельных расчетов свидетельствуют о сложной реакции морских волн в Арктическом бассейне на совместные изменения приповерхностного ветра и протяженности морских льдов при изменениях климата. Модельные прогностические оценки с пространственно-неоднородными изменениями морского волнения в Арктическом бассейне были позднее подтверждены [10]. По спутниковым данным и данным анализа, качественный переход к региональным режимам, прогнозируемым по модельным расчетам, уже начал проявляться со второй половины первого десятилетия XXI века (см. также [15]). Согласно рис. 1 аналогичные эффекты проявляются и для режимов зыби.

Особые эффекты связаны с взаимодействием ветровых волн и зыби с сопоставимой высотой, распространяющихся в разных направлениях (волновой режим толчеи). Согласно полученным модельным оценкам, можно ожидать увеличение повторяемости подобных явлений в Гренландском море и уменьшение в Норвежском и Баренцевом морях в XXI веке, в частности при сценарии RCP 8.5.

Наряду с оценками изменений разных видов морского волнения в различных акваториях Арктического бассейна получены модельные оценки изменений энергии морского волнения в целом для Арктического бассейна и изменений плотности энергии морского волнения на единицу площади.

На рис. 2 показан годовой цикл полной энергии ветровых волн E_TOT в Арктическом бассейне по модельным расчетам при историческом сценарии и сценарии RCP 8.5 для двух периодов (1990–2005 гг. и 2091–2100 гг.) с нормированием на среднегодовую величину энергии морских волн $\overline {{{E}_{{{\text{TO}}{{{\text{T}}}_{{{\text{hist}}}}}}}}} $ для периода 1990–2005 гг. Согласно модельным расчетам, следует ожидать общего увеличения суммарной энергии морских волн в Арктическом бассейне в XXI веке для всех месяцев.

Рис. 2.

Годовой ход полной энергии ветровых волн E_TOT в Арктическом бассейне по модельным расчетам при историческом сценарии и сценарии RCP 8.5 для двух периодов (1990–2005 гг. и 2091–2100 гг.) с нормированием на среднегодовую величину энергии морских волн для периода 1990–2005 гг. Тонкие линии соответствуют расчетам с моделями ACCESS1-3 и inmcm4, жирные линии соответствуют средним значениям для двух моделей. Пунктирные линии (1) соответствуют периоду 1990–2005 гг., сплошные линии (2) соответствуют периоду 2091–2100 гг.

Согласно рис. 2, наибольшие изменения энергии ветровых волн в XXI веке при сценарии RCP 8.5 проявляются в холодные месяцы года – в конце осени и зимой. Наименьшие изменения проявляются в конце весны и начале лета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные оценки характеризуют реакцию морского волнения в арктическом бассейне на одновременные изменения режимов морских льдов и приповерхностного ветра с использованием результатов расчетов с климатическими моделями из ансамбля CMIP5 при сценариях RCP для XXI века. Согласно модельным результатам в условиях глобального потепления с уменьшением протяженности морских льдов следует ожидать общего увеличения значительной высоты волн в арктическом бассейне. Подобная тенденция ожидается и для экстремальных значений высот морских волн в арктических акваториях. Противоположная тенденция, с уменьшением высоты морских волн, проявляется для атлантического сектора Арктического бассейна. Впервые на фоне региональных особенностей ветровых волн получены оценки для режимов зыби и волновой толчеи, и их изменений при возможных изменениях климата в XXI веке.