Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2020, T. 56, № 2, стр. 139-149

ВВЕДЕНИЕ

Из данных наблюдений [1] известно, что климат Арктики и Северной Атлантики испытывает колебания с характерным периодом около 60 лет. Также проявляются и колебания с характерным временем 10–20 лет. Однако, анализировать механизм таких колебаний по данным наблюдений крайне сложно. Имеющийся временнóй ряд наблюдений в океане слишком короток, а точность и охват недостаточны. В [2] показано, что потепление Арктики начала ХХI в. может быть связано с увеличением переноса тепла в высокие широты в атмосфере, но там речь идет лишь о корреляции наблюдаемого потепления и индекса вихревой активности в атмосфере. В [3] показана связь потепления Арктики середины 20 века с индексами декадных колебаний, но и там имеющихся данных недостаточно, чтобы сделать вывод о том, являются ли они причиной, или следствием арктического потепления. В моделях климата естественные колебания температуры в Арктике и Северной Атлантике также проявляются, и это дает дополнительные возможности для диагноза этих колебаний. например, в [4] показано, что малое количество льда в Баренцевом море может быть причиной низкого давления над ним и ветров, которые способствуют проникновению поверхностных течений из Атлантики в Арктику и, следовательно, дальнейшему потеплению. К настоящему времени предложено несколько механизмов естественных колебаний климата в Арктике и северной Атлантике, происходящих в климатических моделях, см., например, [5], [6]. Однако доказать, что в данной климатической модели реализуется именно этот механизм, трудно.

В модели климата INM-CM5 также имеют место колебания климата в Арктике с характерным временем несколько десятков лет. Первая эмпирическая ортогональная функция (ЭОФ) температуры поверхности локализована в Арктике, и спектр ее коэффициента Фурье имеет явно выраженные максимумы на периодах около 60 лет и около 15 лет. Механизм 60-летних колебаний был рассмотрен в [7]. Для этого была применена техника вычисления вклада различных слагаемых в генерацию энергии колебания и эволюцию его фазы. Для исследования 15-летнего колебания также применим эту технику и особое внимание уделим тому, чем механизм 15‑летнего колебания отличается от механизма 60-летнего колебания.

МОДЕЛЬ, ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ И МЕТОД ДИАГНОСТИКИ 15-ЛЕТНЕГО КОЛЕБАНИЯ

Рассматриваются данные численного эксперимента с моделью климата INM-CM5. Модель описана в [8] и имеет блоки динамики атмосферы, динамики океана, аэрозольный блок. В атмосферном блоке разрешение составляет 2 × 1.5 град. по долготе и широте и 73 уровня по вертикали до высоты примерно 60 км. В блоке океана разрешение 0.5 × × 0.25 град. и 40 уровней. Численный эксперимент проводился в режиме прединдустриального климата, когда все воздействия на климатическую систему заданы на уровне 1850 г., что позволяет легче выделять собственные колебания в климатической системе. Эксперимент проводился в рамках сравнения моделей CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project, phase 6 [9]). Продолжительность эксперимента составляла 1200 лет. Для последних 200 лет эксперимента были сохранены, кроме обычной выдачи океанского блока, среднемесячные значения всех слагаемых в прогностических уравнениях для температуры, солености и скорости течений. Для анализа 15-летних колебаний из временных рядов всех рассматриваемых переменных были удалены гармоники с периодами меньше 10 лет и больше 20 лет. В качестве индекса колебания I была взята температура поверхности океана в области 0°–80° в.д., 70°–82° с.ш., где первая ЭОФ температуры имеет максимум. Если на поверхности океана лежит лед, то берется именно температура поверхности океана подо льдом, а не температура льда. Из этого временного ряда, как и из всех других, были отфильтрованы гармоники с периодами менее 10 лет и более 20 лет. Были вычислены композиты С различных атмосферных и океанских полей для сдвигов по времени Δn от –7 до +7 лет между рассматриваемым полем и индексом колебания:

Здесь n – номер момента времени (в данном случае номер года), N – количество моментов времени. Вычисленная таким образом ${{C}_{{\Delta n}}}$ представляет собой среднестатистическую аномалию поля F в год, отстоящий от максимума потепления в Арктике, на Δn лет.

Для диагностики механизма колебания вычислялись вклады слагаемых в генерацию энергии колебания и в эволюцию его фазы. Детально эта техника описана в [10]. Там рассматривается механизм квазидвухлетнего колебания скорости ветра в экваториальной стратосфере и наглядно показано, какие воздействия и в какой мере обеспечивают изменение фазы этого колебания. В принципе, данная техника может быть применена к исследованию колебания любой природы. Применение ее к исследованию механизма 60-летнего колебания климата Арктики по данным модели INM-CM5 приведено в [7]. Здесь лишь кратко суммируем основные идеи.

Пусть для некоторой величины Ψ решается эволюционное уравнение

где t – время, J – количество слагаемых в правой части. Если разложить левую и правую части этого равенства в ряд Фурье по времени и считать, что энергия колебания для k-й гармоники E_k выражается как ${{E}_{k}} = {{\Psi _{k}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Psi _{k}^{2}} 2}} \right. \kern-0em} 2},$ то можно вычислить генерацию энергии k-й гармоники J-м слагаемым Gj(k), а также вклад Pj(k) в эволюцию фазы колебания. Сумма генерации энергии всеми слагаемыми должна быть равна нулю, а вклад в изменение фазы можно нормировать так, чтобы сумма вкладов от разных слагаемых была равна 1.

В качестве Ψ будем рассматривать прогностические переменные модели океана: температуру T, соленость S, горизонтальные компоненты скорости течения U и V. В правой части уравнения для T в процессе счета модели были сохранены следующие слагаемые: FT_ADV – вклад в изменение температуры адвекции океанскими течениями; FT_VD – вклад вертикальной диффузии, включая потоки на поверхности: поток явного тепла, поток скрытого тепла, длинноволновый радиационный баланс; FT_IS – вклад изопикнической диффузии, FT_RAD – вклад солнечной радиации. Других слагаемых в уравнении для температуры в модели нет. Солнечная радиация здесь рассматривается отдельно от тепловой, поскольку солнечная частично проникает в воду, а тепловая полностью поглощается поверхностью. Если поверхность океана покрыта льдом, то под потоками тепла на поверхности подразумеваются потоки на границе лед–вода, и эти потоки включают также эффекты, связанные с образованием и таянием льда. Аналогично, для солености имеем слагаемые, описывающие вклад адвекции, вертикальной диффузии и потока на поверхности, и изопикнической диффузии FS_ADV; FS_VD; FS_IS. Потоки на поверхности в слагаемом FS_VD включают осадки, испарение и влияние на соленость образования и таяния льда. Для U-компоненты скорости течений имеем слагаемые FU_ADV; FU_VD (это слагаемое включает в себя и поток на поверхности, то есть в данном случае напряжение трения ветра); FU_HD (вклад горизонтальной диффузии); FU_PC (вклад градиента давления и силы Кориолиса). Аналогичные слагаемые имеем для V-компоненты скорости. Величины G и P вычисляем по полям композитов со сдвигом по времени для каждого узла модельной сетки, потом осредняем по высоте, долготе и широте с учетом объема ячейки и в случае Р – с учетом энергии колебания, так что суммарная величина G теоретически должна быть равна нулю, а сумма всех Р должна быть равна 1. В действительности, однако, суммы могут заметно отличаться от теоретических значений в первую очередь из-за конечной точности машинной арифметики, особенно там, где суммарная тенденция вычисляется в модели как малая разность больших величин. Другой причиной является конечность используемых временны́х рядов для выделения композитов и временны́х гармоник.

ДИАГНОЗ КОЛЕБАНИЯ В АРКТИКЕ

Рассмотрим композиты полей, характеризующих 15-летнее колебаний: давления на уровне моря, температуры поверхности, солености океана на поверхности, а также скорости течений на поверхности океана в различные фазы колебания. На рис. 1 приведены композиты этих полей за 4 года до максимума индекса колебания, на рис. 2 – композиты за 2 г. до максимума, на рис. 3 – во время максимума, на рис. 4 – через 2 г. после максимума.

За 4 г. (чуть больше четверти периода) до максимума температуры в Арктике почти везде в Северной Атлантике и атлантическом секторе Арктики аномалии температуры поверхности отрицательны, кроме небольшой положительной области в Норвежском море. Аномалии давления похожи на северо-атлантическое колебание (САК), но минимум давления сдвинут к востоку, а максимум к северо-западу от своих обычных положений при высоком индексе САК. Аномалии солености в основном отрицательны в Северной Атлантике и положительны в атлантическом секторе Арктики. Аномалии течений разнонаправленны, но преобладает все же уменьшенный поток атлантической воды в Северный Ледовитый океан (СЛО) вдоль северного побережья Европы.

За 2 г. до максимума температуры в Арктике положительные аномалии температуры порядка 1 град. в Баренцевом и Карском морях, а также на севере Гренландско-Норвежского моря хорошо видны на рис. 2. Аномалия давления почти соответствует положительному индексу САК, с усилением западного переноса вблизи 60° с.ш. Аномалии приповерхностных течений в основном соответствуют аномалии геострофического ветра с учетом экмановского поворота направо. Поток атлантической воды на север и восток в Норвежском и Баренцевом морях больше обычного. Аномалии солености воды на поверхности отрицательны в Северной Атлантике и положительны в Атлантическом секторе СЛО.

Во время максимума температуры в Арктике (рис. 3) распределение аномалий похоже на то, что имеет место за 2 г. до этого, то аномалии температуры достигают 1.6–1.8 град., а течения, направленные на север и восток в Норвежском, Баренцевом и Карском морях еще более заметны.

Через 2 г. после максимума температуры Аномалии ТПО в Гренландско-Норвежском, Баренцевом и Карском морях все еще достигают 1 град., но в Северной Атлантике отрицательные аномалии сменяются положительными, аномалии давления невелики и не соответствуют САК, Аномалии скорости течений везде, кроме Гренландско-Норвежского моря, невелики.

Подчеркнем, что на рис. 1–4 представлены композиты среднегодовых аномалий. Если построить такие же композиты, но с учетом годового хода, т.е. отдельно для январей, февралей, и т.д., то для давления и температуры поверхности окажется, что аномалии в зимние месяцы подобны среднегодовым, но больше их по величине в 2–3 раза, а аномалии в летние месяцы, как правило, невелики. таким образом, композиты давления и температуры поверхности определяются в основном зимними месяцами. В то же время, композиты солености и скорости течений для разных месяцев года довольно близки к среднегодовым. Поскольку исследуется процесс с периодом около 15 лет, и вычисление композитов является линейной операцией, то композиты полей, например, через 6 лет после максимума потепления Арктики, близки к композитам, отстоящим на половину периода (7.5 лет), т.е. за 1.5 г. до максимума со знаком минус. Таким образом, максимум отрицательной фазы САК приходится на временной сдвиг по отношению к максимуму потепления в Арктике, равный 6 годам, а еще через 1.5 г. будет иметь место минимум температуры в Арктике.

Композиты для 15-летнего колебания и композиты для 60-летнего колебания похожи между собой тем, что теплой Арктике соответствует положительный индекс САК и более интенсивный чем обычно поток атлантической воды в СЛО. Для обоих колебаний, кроме того, теплой Арктике предшествует более холодная и пресная Северная Атлантика.

Основные отличия от композитов для 60-летнего колебания, состоят в том, что потеплению Арктики не предшествует отрицательная аномалия солености на глубинах от 200 до 1000 м вдоль свала глубин во всем СЛО, которая отмечена в [7]. Для 15-летнего колебания не видно и увеличения потока атлантической воды в СЛО за четверть периода до максимума температуры, которое также отмечено в [7] и связано с аномалией солености на глубинах. Следовательно, механизм генерации энергии и изменения фазы 15-летнего колебания должен быть в чем-то похожим, и чем-то отличаться от механизма 60-летнего колебания. Чтобы понять, в чем именно состоят сходства и отличия, рассмотрим вклад различных слагаемых в генерацию энергии 15-летнего колебания и изменение его фазы (табл. 1). Все расчеты были осреднены по области 70°–82° с.ш., 0°–80° в.д., 0–100 м, где колебание имеет максимальную амплитуду в температуре.

Перенос океанскими течениями вносит самый большой вклад в генерацию аномалий температуры. Вклад солнечного излучения также положителен и примерно в два раза меньше по величине, чем вклад переноса. Это можно интерпретировать как то, что аномалии температуры в основном генерируются аномалиями адвекции, а солнечное излучение играет роль дополнительной положительной обратной связи: при потеплении Арктики площадь льда уменьшается, и это приводит к большему поглощению солнечного излучения поверхностью. Вклад в генерацию аномалий температуры вертикальной диффузии и потоков с поверхности отрицателен, и в основном именно это слагаемое компенсирует положительные слагаемые. Это значит, что при арктическом потеплении океан отдает больше тепла атмосфере. Вклад изопикнической диффузии отрицателен. Все выводы о генерации аномалий температуры качественно такие же, как и для 60-летнего колебания.

Изменение фазы колебания температуры происходит под воздействием слагаемых переноса и потоков с поверхности. Изменение фазы 60-летнего колебания происходит под действием только переноса, а вклад потоков с поверхности отрицателен. То есть для 15-летнего колебания при переходе от холодной фазы к теплой атмосфера теплеет немного раньше, и потоки тепла из атмосферу в океан вносят вклад в изменение фазы колебания в океане.

Для солености, как и в случае 60-летнего колебания, перенос вносит основной вклад в генерацию аномалий и в эволюцию фазы.

Анализ вкладов в генерацию горизонтальных течений показывает, что единственным положительным слагаемым является вклад напряжения трения ветра и вертикальной диффузии, т.е. аномалии течений, которые генерируют колебания температуры, являются в верхнем 100-метровом слое чисто ветровыми. Для 60-летнего колебания напряжение трения ветра также вносит основной вклад в генерацию течений, но существенен также и вклад градиента давления.

Вклад основных механизмов в поддержание 15-летнего колебания температуры в Арктике иллюстрирует рис. 5, где изображены композиты температуры поверхности, слагаемого переноса температуры, потока явного тепла из атмосферы в океан, а также индекса САК. Для того, чтобы использовать одну и ту же шкалу, все данные нормированы на среднеквадратичное отклонение. Температура имеет максимум в момент времени 0. Слагаемое переноса опережает по фазе температуру примерно на 1.5 г. Оно почти максимально при максимальной температуре, т.е. дает положительный вклад в генерацию, а опережение по фазе дает вклад в эволюцию фазы. Поток явного тепла находится почти в противофазе с температурой; когда температура максимальна, он почти минимален, что означает отрицательный вклад в генерацию. В то же время, минимум потока имеет место на 1 г. позже, чем максимум температуры, что обеспечивает положительный вклад этого слагаемого в эволюцию фазы. На этом же рисунке приведен и временной ход индекса САК, определенного как разность давлений в области 40° з.д.–4° в.д., 35°–45° с.ш.–40° з.д.–60° в.д., 65°–80° с.ш. Индекс САК опережает по фазе температуру в Арктике на 1–2 г. и находится почти в фазе с аномалией переноса тепла течениями. Это можно интерпретировать как то, что напряжение трения связанное с аномалиями САК быстро генерирует ветровые течения, которые переносят тепло в Арктику. Положительный индекс САК обеспечивает также перенос более теплого воздуха в атмосфере при переходе от холодной Арктики к теплой, что приводит к сдвигу между максимумом температуры и минимумом потока явного тепла в океан.

ДИАГНОЗ КОЛЕБАНИЯ В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ

Приведем также результаты для генерации аномалий температуры, солености и скоростей в приповерхностном слое до 100 м в северной Атлантике (60°–0° з.д., 45°–62° с.ш., табл. 2). Основным слагаемым, дающим вклад в генерацию аномалий температуры и эволюцию фазы колебания, является перенос течениями. Этот результат отличается от аналогичных данных для 60-летнего колебания, где в генерацию и изменение фазы температуры в Атлантике вносят соизмеримые вклады несколько слагаемых.

Для солености основной вклад в генерацию аномалий вносит поток на поверхности. Это можно интерпретировать как то, что когда вода более холодная, чем в среднем, она меньше испаряет, и именно этот механизм поддерживает отрицательную аномалию солености в Атлантике на 50°–62° с.ш., изображенную на рис. 1–3. В то же время, южнее 50° с.ш. при нулевом сдвиге по времени положительная аномалия температуры приводит к большему испарению, которое поддерживает положительную аномалию солености, которая при сдвиге по времени +2 г. появляется и севернее. Изменение фазы колебания солености происходит вследствие переноса. Основным слагаемым, обеспечивающим генерацию приповерхностных течений в Северной Атлантике, является напряжение трения ветра, т.е. течения являются чисто ветровыми. Это хорошо согласуется с данными рис. 1–4, где течения в Северной Атлантике, как правило, повернуты относительно геострофического ветра вправо на угол порядка 30°.

С 15-летним колебанием, в отличие от 60-летнего, связаны заметные аномалии меридиональной циркуляции в Северной Атлантике. Аномалии меридиональной функции тока максимальны по величине за 1–2 г. до максимума температуры в Арктике (рис. 6) и соответствуют максимуму индекса САК. Максимум функции тока около 0.5 Св расположен на глубине около 1500 м на 35° с.ш., опускание происходит на 40°–50° с.ш., а подъем – южнее 30° с.ш. Такая структура близка к первой ЭОФ меридиональной функции тока, полученной для большинства климатических моделей в [11]. В [12] показано, что такая структура возбуждается, если в численном эксперименте искусственно вносить возмущение в напряжение трения ветра, соответствующее САК, в виде колебания с периодом 10 лет. В этом случае положительному индексу САК тоже соответствует увеличение меридиональной циркуляции около 35° с.ш. В [13] показано, что экмановские вертикальные скорости, порождаемые аномалиями САК, близки к полным вертикальным скоростям, и поэтому аномалии меридиональной циркуляции, связанные с индексом САК в основном порождаются напряжением трения ветра и дивергенцией ветровых течений. Поэтому и в нашем случае аномалия меридиональной функции тока обусловлена, по-видимому, аномалией напряжения трения, но для прямого доказательства этого нужна дополнительная диагностика.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным прединдустриального численного эксперимента с моделью климата INM-CM5 проведено исследование колебания климата в Арктике с периодом около 15 лет. Показано, что в Арктике генерация аномалий температуры обеспечивается переносом тепла океанскими течениями и, в меньшей степени, поглощением солнечной радиации. Изменение фазы колебания происходит примерно в равной степени за счет переноса тепла океанскими течениями и за счет потока тепла из атмосферы в океан, прежде всего потока явного тепла. В свою очередь, аномалии течений генерируются напряжением трения ветра. Индекс САК достигает максимума за 1–2 г. до максимума температуры в Арктике. Связанное с этим напряжение трения генерирует течения, которые приносят больше атлантической воды в СЛО и приводят к максимуму температуры.

В Северной Атлантике аномалии течений, связанные с 15-летним колебанием, также являются ветровыми. Генерация аномалий температуры и эволюция фазы колебания температуры происходит там за счет аномалии переноса тепла океанскими течениями. За 2 г. до максимума температуры в Арктике имеет место также максимум мериодинальной функции тока в Атлантике вблизи 35° с.ш.

Неясным остается вопрос о том, являются ли аномалии давления, соответствующие разным фазам колебания, откликом атмосферы на соответствующие аномалии ТПО? Очевидно, ответить на этот вопрос можно только после проведения дополнительных численных экспериментов.

Работа выполнена в ГОИН, грант 17-17-01295 (анализ механизма колебаний в Арктике). Анализ механизма колебаний в северной Атлантике выполнен при поддержке РФФИ, грант 17-05-00628. Численный эксперимент проведен в Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН.