Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 505, № 1, стр. 103-108

Арктическое (полярное) усиление – характерная особенность современных изменений климата с более сильным трендом и изменчивостью приповерхностной температуры в высоких широтах по сравнению с более низкими широтами [1–13].

В данной работе представлены аналитические условия для оценки вклада разных внутренних и внешних климатических факторов в формирование Арктического усиления при потеплении для земной климатической системы (ЗКС) с использованием уравнения баланса энергии

Здесь F_↓ – поглощенная в ЗКС солнечная радиация, F_↑ – поток уходящей тепловой радиации (УТР), F_↔ – меридиональный приток тепла (МПТ). В том числе получены аналитические условия формирования Арктического усиления на основе энергобалансовой модели [2], для которой

где Q – солнечная постоянная; S(х) – функция распределения потока солнечной радиации в зависимости от x = sin φ, φ – широта; α – альбедо, зависящее от приповерхностной температуры T и широты φ; T_H – полушарная приповерхностная температура; А, В и β – параметры, характеризующие УТР и МПТ.

Влияние парниковых газов (СО₂) учитывалось аналогично [2]:

где параметр λ_с характеризует парниковый эффект уменьшения F_↑ с логарифмической зависимостью от содержания углекислого газа в атмосфере.

Без выделения эффектов влияния парниковых газов (СО₂) выражение для перепада приповерхностной температуры (T_ep) между экватором (T_e = = T(x = 0) при S(x = 0)) и Северным полюсом (T_p = T(x = 1) при S(x = 1)) в рассматриваемой модели имеет вид

где α_e и α_p – альбедо на экваторе и на полюсе соответственно (см. также [4, 14]).

Аналогично представляется температурный перепад T_xp между любой широтой φ (х = sin φ) и полюсом

или между любыми широтами φ₁ (х₁ = sin φ₁) и φ₂ (х₁ = sin φ₂)

При этом Арктическое усиление при общем потеплении соответствует условиям

1. При вариациях только альбедо с зависимостью альбедо от температуры α(T) с проявлением соответствующей (альбедо–температура) положительной обратной связи при неизменных других параметрах

Изменения альбедо могут быть связаны с разными причинами, в том числе со снежно-ледовым покровом в высоких широтах и с эффектами опустынивания в более низких широтах, с изменением в атмосфере содержания аэрозоля, с облачностью [4]. В рассматриваемом случае с учетом B + + β > 0 условие (7а) для проявления Арктического усиления при потеплении сводится к условию

Это выполняется, в частности, если α_e = const, или при dα_p/dT_H < 0, если dα_e/dT_H > 0.

2. При вариациях параметра эффективности МПТ β и альбедо при неизменных других параметрах

В этом случае условие (7а) для проявления Арктического усиления при потеплении сводится к условию

а при α_e = const:

Если и α_p = const, то для проявления Арктического усиления необходимо

т.е. при увеличении эффективности МПТ при потеплении. При dα_p/dT_H < 0 Арктическое усиление может проявляться не только при dβ/dT_H ≥ 0, но и при сравнительно слабом уменьшении β при потеплении:

Согласно оценкам, представленным, в частности в [4], величина β может увеличиваться при потеплении вследствие увеличения МПТ, связанного с переносом скрытого тепла в атмосфере.

3. Влияние облачности учитывалось с использованием следующих выражений:

где n – доля площади, занимаемой облачностью; α_o и α_n – альбедо безоблачной и покрытой облаками системы соответственно; A_o, A₁, B_o, B_n – параметры, характеризующие поток УТР. При этом

Эмпирические параметризации УТР (3), (3.2), предложенные в [2], теоретически обоснованы в [15] (см. также [4, 16, 17]). При этом полученные аналитические выражения для параметров УТР включают, в частности, их зависимость не только от приповерхностной температуры, но и от вертикальной температурной стратификации тропосферы и от содержания в атмосфере ключевого парникового газа – водяного пара.

При учете различий альбедо на разных широтах и не зависящей от широты доле облачности n выражения для альбедо на экваторе α_e и на полюсе α_p можно представить в виде

где α_eo и α_po – альбедо безоблачной системы, а α_en и α_pn – облачной системы, соответственно на экваторе и на полюсе.

В простейшем случае при учете зависимости от температуры только для доли облачности n условие проявления Арктического усиления dT_ep/dT_H < 0 сводится к условию

С разнообразным влиянием облачности на температурный режим связана большая неопределенность оценок чувствительности ЗКС к внешним воздействиям. Это связано как с различным влиянием облаков разных ярусов и их радиационных характеристик, так и с различиями их изменений, в том числе при глобальном потеплении. Так, при количественных оценках Арктического усиления, в высоких широтах могут проявляться особенности, связанные с высоким альбедо как снежно-ледового покрова и облаков. В частности, в зависимости от соотношения значений α_pn и α_po в (3.4) могут заметно меняться условия проявления Арктического усиления.

4. При учете изменений, наряду с параметром эффективности МПТ β и альбедо, изменений параметра B, характеризующего чувствительность УТР к изменению приповерхностной температуры,

В рассматриваемом случае условие Арктического усиления при потеплении сводится к условию

а при α_e = const

В случае и dα_p/dT_H = 0 выполнение (4.2а) возможно только при

Если dβ/dT_H = 0, то из (4.2) следует

а при α_e = const

В случае и dα_p/dT_H = 0 условие (4.3а) для формирования Арктического усиления имеет вид

Параметр B характеризует чувствительность УТР F_↑ к изменению приповерхностной температуры Т. Применимость линейной зависимости F_↑ от Т, полученной эмпирически [2], была теоретически обоснована в [15] в сопоставлении с данными наблюдений (см. также [4]). В том числе было получено аналитическое представление F_↑ для разных широтных зон с использованием интегральных функций пропускания для теплового излучения и физических параметризаций вертикальной стратификации для температуры и радиационно активных составляющих атмосферы, включая водяной пар, углекислый газ и аэрозоль. Существенно, полученное в [15] линейное представление F_↑ от Т с аналитическими выражениями для коэффициентов, можно использовать для описания климатических режимов, отличных от современного. Влияние зависимости параметра В от температуры на проявление Арктического усиления связано с зависимостью УТР не только от приповерхностной температуры, но и от вертикальной температурной стратификации тропосферы и от содержания в атмосфере водяного пара. Проявлению линейной зависимости F_↑ от Т способствует, в частности, то, что при потеплении увеличение потока УТР (зависящего от T⁴) сопровождается уменьшением ширины спектрального окна прозрачности атмосферы (см. также [17]). В высоких широтах существенное значение имеет положительная корреляция вертикального температурного градиента в тропосфере с приповерхностной температурой с формированием положительной климатической обратной связи [13, 18].

5. При изменениях естественного внешнего форсинга Q (потока солнечного излучения) с учетом зависимости от температуры планетарного альбедо и эффективности МПТ

При B + β > 0 условие Арктического усиления при потеплении dT_ep/dT_H < 0 сводится к условию

а при α_e = const

В случае и dα_p/dT_H = 0 выполнение (5.2а) возможно при

т.е. при превышении параметра чувствительности эффективности МПТ к изменению температуры некоторого критического значения, зависящего от параметра чувствительности температурного режима к изменению солнечной постоянной.

Если dβ/dT_H = 0, то из (5.2) следует

а при α_e = const т.е. при превышении параметра чувствительности альбедо в полярных широтах к изменению температуры некоторого критического значения, зависящего от параметра чувствительности температурного режима к изменению солнечной постоянной. В случае и dα_p/dT_H = 0 условие (5.3а) принимает вид и не выполняется для устойчивых режимов с dT_H/dQ > 0.

6. При изменениях антропогенного внешнего форсинга – радиационного воздействия парниковых газов (СО₂), характеризуемого параметром λ_с, с учетом зависимости от температуры планетарного альбедо и эффективности меридионального переноса тепла

С увеличением содержания СО₂ параметр λ_с уменьшается по логарифмическому закону и в (6.1)

Согласно (6.1) условие dT_ep/dT_H < 0 для проявления Арктического усиления при потеплении в случае α_e = const сводится к условию

а в случае и dα_p/dT_H = 0:

Если dβ/dT_H = 0, то из (6.1) при условии dT_ep/dT_H < 0 следует

а при α_e = const:

Согласно (6.4а), Арктическое усиление возможно при превышении (по модулю) параметра чувствительности альбедо в полярных широтах |‒dα_p/dT_H| некоторого критического уровня |Q^‒1T_epB(–dT_H/dλ_с)^–1/S(1)|, зависящего, в том числе, от параметра чувствительности температурного режима к изменениям содержания СО₂ в атмосфере (dT_H/dλ_с). В случае и dα_p/dT_H = 0 условие (6.4а) для формирования Арктического усиления невыполнимо, так как dT_H/dλ_с < 0.

Существенно, что Арктическое усиление при изменениях параметра λ_с, характеризующего изменения содержания в атмосфере CO₂, возможно при зависящих от температурного режима других параметров системы, в частности параметра β, а также альбедо.

7. Изменения естественного внешнего форсинга – потока солнечного излучения – связаны как с изменением солнечной постоянной (Q), так и с изменениями функции распределения инсоляции в зависимости от широты S(x), в том числе в годовом ходе и при многотысячелетних вариациях параметров орбиты Земли вокруг Солнца – для циклов Миланковича. При изменениях S(x) с учетом зависимости от температуры планетарного альбедо и эффективности МПТ

В этом случае условие Арктического усиления при потеплении сводится к условию

а при α_e = const

В случае α_e = const и α_p = const условие (7.2) сводится к следующему:

При dβ/dT_H = 0 неравенство (7.2б) принимает вид

или

Согласно (7.2г), Арктическое усиление возможно при более сильных вариациях функции распределения инсоляции S(x) в более высоких широтах по сравнению с более низкими при α_p > α_e (величина (1 – α_p)/(1 – α_e) меньше 1).

8. При одновременных изменениях естественного и антропогенного форсинга, в частности при изменениях Q и λ_с,

и условия проявления Арктического усиления усложняются. При одновременном учете изменения разных естественных и антропогенных факторов эффект Арктического усиления может существенно увеличиваться или ослабляться. В [19], например, с использованием энергобалансовой модели климата получены аналитические условия, свидетельствующие о необходимости исследования устойчивости ЗКС при одновременном изменении разных факторов в соответствии с реальными процессами.

Соответствующие формулировки для Арктического усиления при использовании условий dT_x1x2/dT_H < 0 и dT_xp/dT_H < 0 аналогичны полученным при использовании условия dT_ep/dT_H < 0.

Полученные аналитические выражения позволяют качественно оценить роль различных климатических процессов в формировании Арктического (полярного) усиления. Предложенный подход имеет также методологическое значение. Подобные аналитические условия, которые можно детализировать с учетом новых эффектов, в том числе различных эффектов, связанных с влиянием облачности и радиационно-активных атмосферных примесей (включая разные виды аэрозоля), полезны для оценки вклада разных естественных и антропогенных факторов, особенностей климатической изменчивости и климатических обратных связей в формирование Арктического усиления.