Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2020, T. 56, № 5, стр. 611-616

ВВЕДЕНИЕ

Сокращение площади Арктических морских льдов (ПАМЛ) в последние десятилетия является, пожалуй, самым ярким и наиболее точно наблюдаемым проявлением современных изменений климата Земли. Непрерывное спутниковое зондирование с 1978 г. позволяет восстановить концентрацию (сплоченность) морских льдов, используя измерения микроволнового излучения [1]. Согласно этим данным, ПАМЛ за последние 40 лет наблюдений сократилась в сентябре, месяц сезонного минимума ПАМЛ, на 2.57 млн км², что составляет 41%. Зимой сокращение происходит значительно медленнее и для марта, сезонного максимума ПАМЛ, составляет 0.69 млн км² (4.8%). Вместе с тем, зимой сокращение площади морских льдов происходит главным образом в Баренцевом и Охотском морях, где только за последние 20 лет она сократилась на 34 и 14% соответственно [2]. Такие изменения приводят к значительному увеличению потоков тепла в атмосферу и перестройке региональной и крупномасштабной атмосферной циркуляции, в частности, вызывая погодные аномалии на территории России [2]. Современное сокращение ПАМЛ, по данным палеореконструкций является беспрецедентным за последнюю тысячу лет [3].

До эпохи регулярных спутниковых наблюдений мониторинг ПАМЛ проводился с помощью береговых, судовых, самолетных наблюдений, дрейфующих буев. Такие наблюдения позволили создать сеточный архив данных по концентрации морских льдов (КМЛ) в Арктике с 1953 г. [4]. Эти данные, дополненные впоследствии спутниковыми данными, являются основой всех современных сеточных архивов КМЛ, используемых для анализа изменений климата, в том числе в отчетах Межправительственной группы экспертов по изменению климата, сравнения с результатами климатических моделей и как граничные условия в атмосферных реанализах и моделях общей циркуляции атмосферы (МОЦА) (данные Центра Гадлея, Великобритания, HadISST, различных версий [6]).

До 1953 г. сведения о КМЛ в Арктике носят ограниченный (по пространству, времени года, многолетнему периоду наблюдений) характер, неоднородны (по используемым методам наблюдений и анализа) и не могут дать полной картины об изменениях как общей площади морских льдов в Арктике, так и региональных вариаций. Вследствие этого изменения ПАМЛ с начала ХХ века до 1950-х гг. в сеточных архивах характеризуются относительно небольшой амплитудой и отсутствием значительных долгопериодных колебаний, сравнимых с современными. В некоторые периоды, например, во время Второй мировой войны, данные просто заменены климатологическими значениями [6]. Такая динамика ПАМЛ в первой половине XX в. не согласуется с сильным потеплением в Арктике в этот период, сравнимым по своим темпам с современным потеплением [7]. На значительное уменьшение площади льдов в летний период в середине ХХ в. указывают региональные данные в морях российской Арктики [8]. Существенные долгопериодные квазипериодические колебания ПАМЛ прослеживаются и в региональных индексах ледовитости в морях атлантического сектора Арктики, а также в данных палеореконструкций за последние 400 лет, свидетельствуя о связи этих колебаний с Атлантической мультидекадной осцилляцией, АМО [9]. Между тем, положительная фаза АМО в середине XX в. по данным [6] не сопровождалась уменьшением ПАМЛ ни в зимний, ни в летний период. Численные эксперименты с МОЦА с использованием данных [6] показали, что при отсутствии значительной (порядка 1 млн км²) отрицательной аномалии ПАМЛ в середине ХХ в. модель не способна воспроизвести аномалии приповерхностной температуры в Арктике в зимний период, при этом практически идеально воспроизводя изменения температуры начиная со второй половины ХХ в. [10].

МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПАМЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ

Связь между приповерхностной температурой воздуха (ПТВ) и КМЛ [2] и наличие продолжительных станционных температурных наблюдений на суше в арктической зоне позволяют использовать ПТВ для восстановления данных по ПАМЛ в период отсутствия достаточного количества прямых наблюдений. Станционные данные, ввиду значительного радиуса пространственной корреляции температурных аномалий, позволяют создать сеточные архивы температурных аномалий над сушей Северного полушария, по продолжительности охватывающие весь ХХ в., которые также могут быть использованы для реконструкций [11]. Такой подход был в последние годы использован для реконструкции изменений сезонной и среднегодовой пощади морских льдов для всей Арктики или ее отдельных секторов [12, 13]. Полученные в результате таких реконструкций оценки отрицательной аномалии ПАМЛ в середине ХХ в. существенно превышают по амплитуде значения в данных [6].

Вместе с тем, такие оценки не предоставляют информацию о пространственной структуре изменений КМЛ, что не позволяет использовать такие данные как граничные условия для МОЦА или для региональных исследований. Важно, что линейная связь, полученная между двумя относительно короткими (менее 40 лет) рядами данных с сильным климатическим трендом в присутствии значимых мультидекадных колебаний (с характерным периодом 60–70 лет) и межгодовой изменчивости, предположительно совершенно разной природы (парникового эффекта, АМО и естественных вариаций атмосферной и океанической циркуляции), и, соответственно, с различной пространственной структурой, может приводить к неверным оценкам долгопериодных колебаний ПАМЛ в реконструируемый период. Помимо этого, связь КМЛ в арктических морях с ПТВ может быть удаленной с максимальными корреляциями над сушей в средних широтах и даже в субтропиках [2].

Недавно был опубликован еще один сеточный архив среднемесячных данных по КМЛ SIB1850, восполняющий пропуски в период до эпохи спутниковых наблюдений с помощью синтеза различных региональных данных и использования метода аналогов [14]. Данные SIB1850 указывают на значительную отрицательную аномалию ПАМЛ в середине ХХ в. Следует отметить, что, возможно, ввиду неоднородности используемых данных и методов их синтеза, данные SIB1850 пока широко не используются в исследованиях.

Другим подходом к использованию связи ПТВ-КМЛ для реконструкции ПАМЛ в прошлом является разложение пространственно-временных массивов данных по КМЛ и ПТВ на эмпирические ортогональные функции (ЭОФ). Первая ЭОФ представляет собой пространственную структуру, объясняющую максимальную временную изменчивость исходного массива данных. Вторая ЭОФ описывает максимальную изменчивость остатка после вычета изменчивости, связанной с первой ЭОФ, с выполнением условия ортогональности и т.д. В такой постановке задачи, ЭОФ являются собственными функциями ковариационной матрицы данных [15].

Первые 4 ЭОФ аномалий КМЛ для всех месяцев в период 1953–2016 гг. объясняют 80% и более изменчивости, а 6 ведущих ЭОФ аномалий ПТВ (по данным [11]) над сушей Северного полушария северней 30° с.ш. в период 1900–2016 гг. объясняют примерно 90% изменчивости температуры. Это дает возможность для периода достоверных данных по КМЛ (1953–2016 гг.) архива HadISST1 построить регрессионную модель для рядов временных коэффициентов ЭОФ КМЛ с использованием временных коэффициентов ЭОФ ПТВ в качестве независимых переменных. Процедура восстановления КМЛ для периода 1900–1952 гг. выглядит следующим образом.

Среднемесячные поля концентрации морских льдов SIC(φ, λ, t) для каждого месяца в период достаточно достоверных данных 1953–2016 гг. аппроксимируются в виде суммы 4-х пространственных ЭОФ ${\text{EOF}}_{i}^{{{\text{SIC}}}}\left( {\varphi ,\lambda } \right)$ с временными коэффициентами ${\text{PC}}_{i}^{{{\text{SIC}}}}\left( t \right){\text{\;}}$

где φ, λ, t – индексы широты, долготы и времени, соответственно. Поля аномалий приземной температуры воздуха TS(φ, λ, t) для периода 1900–2016 гг. также представлены в виде суммы ЭОФ как

Для периода 1953–2016 гг. методом наименьших квадратов рассчитываются коэффициенты $b_{j}^{i}$ множественной линейной регрессии ${\text{PC}}_{i}^{{{\text{SIC}}}}\left( t \right){\text{\;}}$ на ${\text{PC}}_{j}^{{TS}}\left( t \right),$ используя которые, можно восстановить временные коэффициенты (главные компоненты) для реконструированной концентрации льда $~{\text{PC}}_{{rei}}^{{{\text{SIC}}}}\left( t \right)$ и поля КМЛ ${\text{SI}}{{{\text{C}}}_{{re}}}\left( {\varphi ,~\lambda ,t} \right)$ для периода 1900–1952 гг. как

С помощью этой модели можно восстановить временные коэффициенты ЭОФ КМЛ для периода 1900–1952 гг. и, соответственно, реконструировать поля КМЛ для этого периода. Такая процедура выполнялась для всех 12 месяцев. При отрицательных реконструированных значений КМЛ и значениях КМЛ более 100%, им присваивались значения 0 и 100% соответственно. Отметим, что таких значений было очень мало и как правило они не превышали 2–3%. Использование только первых 4 и 6 ЭОФ для КМЛ и ПТВ соответственно было связано с очень незначительным улучшением результатов при использовании большего количества ЭОФ. Схожая методика была использована для реконструкции общей ПАМЛ по прокси-данным в последнее тысячелетие [3].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Общая площадь арктических морских льдов в марте и сентябре, рассчитанная по реконструированным данным, показана на рис. 1. Также для сравнения приведены значения ПАМЛ по данным HadISST1 и данным SIB1850. Для сентября (рис. 1а), месяца наиболее сильного сокращения ПАМЛ в современный период, все три массива данных показывают достаточно хорошо согласованные изменения с начала 1960-х гг. с сокращением ПАМЛ примерно на 3 млн км², что указывает на успешность использованной методики реконструкции. В то время как данные HadISST1 демонстрируют в целом отсутствие климатических трендов на фоне декадных колебаний в период 1900–1960 гг., данные SIB1850 показывают долгопериодную отрицательную аномалию ПАМЛ во время потепления середины ХХ в. с продолжительным минимумом в 1930–1940-х гг. Величина аномалии составляет около 0.7 млн км² относительно значений в начале ХХ в. В реконструированных данных эта аномалия примерно в два раза больше и составляет около 1.5 млн км². Минимальные значения при этом достигаются в конце 1930-х гг.

Для марта (рис. 1б) существенные расхождения в ПАМЛ по разным данным отмечаются и в современный период. При этом следует отметить, что реконструированные данные лучше (в сравнении с SIB1850) описывают динамику ПАМЛ по “эталонным” для этого периода данным HadISST1. В частности, если ПАМЛ по данным SIB1850 систематически превышает значения HadISST1 с конца 1970-х гг. до второй половины 1990-х гг., то ПАМЛ по реконструированным данным хорошо согласуется с HadISST1. Два заметных максимума ПАМЛ по данным HadISST1 в середине 1950-х и конце 1970-х гг. по данным SIB1850 имеют примерно в два раза большую амплитуду и полностью отсутствуют в реконструированных данных. Заметим, такие значительные декадные флуктуации ПАМЛ в данных SIB1850 и HadISST1 не соответствуют аномалиям зимней температуры в Арктике [10], что ставит вопрос о реалистичности этих аномалий. Отрицательная аномалия ПАМЛ в середине ХХ в., отсутствующая в данных HadISST1, присутствует и в данных SIB1850, и в реконструированных данных. Амплитуда отрицательной аномалии больше по реконструированным данным, чем в данных SIB1850, и составляет примерно 0.4 и 0.6 млн км² соответственно. При этом минимум в реконструированных данных наступает позже и приходится на середину 1940-х гг., что по времени соответствует зимнему максимуму ПТВ в Арктике. Следует отметить, что декадные колебания ПАМЛ по реконструированным данным и данным SIB1850 антикоррелированы.

Пространственные изменения КМЛ во время потепления середины ХХ в. (1935–1945 гг.) относительно условий начала ХХ в. (1905–1915 гг.) для марта и сентября по разным данным представлены на рис. 2. Также показаны изменения КМЛ по данным HadISST1 в период современного потепления (рис. 2г, 2з). Видно отсутствие существенных изменений КМЛ в середине ХХ в. по данным HadISST1 (рис. 2в, 2ж), небольшие аномалии в данных SIB1850 (рис. 2б, 2е) и значительное сокращение КМЛ в реконструированных данных главным образом в Гренландском и Баренцевом морях (рис. 2а, 2г). Пространственная картина аномалий схожа с изменениями в современный период, но характеризуется заметно более сильным уменьшением КМЛ в Гренландском море. В сентябре пространственная структура аномалий КМЛ в реконструированных данных аналогична современным изменениям с максимальным сокращением в секторе 120° в.д.–120° з.д., но имеет меньшую амплитуду и не содержит значимых аномалий в Гренландском море (рис. 2а).

ВЫВОДЫ

Выполненная пространственно-временная реконструкция КМЛ в Арктике для периода 1900–1952 гг. свидетельствует о значительной отрицательной аномалии ПАМЛ в середине ХХ в., отсутствующей в данных HadISST1. Амплитуда аномалии составляет примерно 1.5 млн км², что в два раза больше, чем в данных SIB1850, и имеет другую пространственную структуру. Полученные нами оценки в целом согласуются с реконструкцией общей ПАМЛ в сентябре в работе [12]. Сокращение ПАМЛ в середине ХХ в. по данным нашей реконструкции оставалось рекордным в ХХ в. вплоть до начала 2000-х гг., когда таяние морских льдов в Арктике значительно ускорилось (рис. 1). Реконструированные изменения зимой также указывают на более сильное сокращение ПАМЛ, чем по другим данным. Отрицательная аномалия ПАМЛ в середине ХХ в. согласуется с одновременным потеплением в Арктике в этот период и оба этих явления могут являться следствием естественной долгопериодной изменчивости климата, что указывает на возможный существенный вклад такой изменчивости и в современные изменения площади морских льдов и температуры в Арктике.