Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2021, T. 57, № 2, стр. 231-244

1. ВВЕДЕНИЕ

В циркуляции вод Северной Атлантики (СА) на значимом уровне выделяются естественные долгопериодные квазициклические колебания с характерными периодами 50–70 лет. Это явление получило название Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО) [1, 2]. Временной ход индекса АМО определяется как временной ход осредненной по акватории СА от экватора до 70° с.ш. аномалии температуры поверхности океана (ТПО), отсчитываемой относительно климатического линейного тренда ТПО [3]. Предполагается, что АМО отражает собственные моды климатической изменчивости в системе океан–атмосфера, а линейный тренд – климатические изменения, вызванные внешними факторами (антропогенные и природные выбросы парниковых газов, извержения вулканов, изменение солнечной активности и др.). На рис. 1а показано сравнение осредненных по пространству аномалий ТПО в СА, рассчитанных по данным NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) [3] и EN4 [4] с 1900 г. Видно, что, хотя базы данных разные, аномалии ТПО хорошо соответствуют друг другу, тренды на потепление за последние 120 лет по данным NOAA и EN4 составляют 0.045 и 0.060°C/10 лет соответственно. За вычетом линейного тренда как раз получаются колебания, в которых проявляются мультидекадные и декадные колебания (рис. 1б), рассчитанные по данным NOAA [3]. Анализ климатического тренда аномалий ТПО в СА также представляет научный интерес, поскольку позволяет выявлять изменения климата и их тенденции.

Рис. 1.

(а) – Временной ход и тренды аномалий поверхностной температуры СА, осредненные от экватора до 70° N по данным NOAA [3] (сплошная линия) и EN4 [4] (пунктирная линия) с 1900 г. (б) – Ступенчатая линия – значения среднегодового индекса АМО, рассчитанного NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) [3] с 1856 г. (показаны с 1940 г.), и плавная кривая – результат низкочастотной фильтрации с отсечением периодов до 8 лет. (в) – Средние тренды аномалий температуры СА на глубине 5 м по данным EN4, WOA13, GFDL, GECCO2, ESTOC и ORA-S4.

АМО представляет собой ярко выраженный климатический сигнал мультидекадного и декадного масштабов, проявляющийся в ряде климатических характеристик системы океан–атмосфера. Воздействие АМО может оказывать влияние на изменения температуры воздуха, осадков и стока рек в СА, Европе и Арктике [3], на активность ураганов [5, 6] в СА, а также на атмосферные переносы тепла и влаги в Атлантико-Европейском регионе [7]. Однако единая точка зрения на природу формирования АМО пока еще не выработана.

В настоящее время предложено несколько возможных механизмов для объяснения естественных мультидекадных колебаний климата в Арктике и СA. В работе [8] авторы указывают на то, что механизм генерации мультидекадной изменчивости связан с взаимодействиями на границе океан–атмосфера и заключается в реакции атмосферы на аномалии ТПО. Одним из возможных механизмов поддержания АМО является сдвиг фаз между долгопериодными изменениями потоков тепла на границе раздела океан–атмосфера в высоких широтах СА и величинами меридиональных переносов тепла в Субтропической Атлантике, определяемый временем адвекции термохалинных аномалий из Тропической Атлантики в субарктические широты [9–14].

В работах [15, 16] на основе результатов длительных расчетов модели земной системы мультидекадные колебания связываются с колебаниями в Арктике. Альтернативная гипотеза состоит в том, что колебательный процесс поддерживается распространением волн типа Россби вдоль береговой линии [17, 18].

В работе [19] предполагается, что колебания климата связаны с колебаниями интенсивности меридиональной циркуляции в СА – так называемой Атлантической меридиональной опрокидывающейся циркуляции (АМОЦ). При повышении интенсивности меридиональной циркуляции в верхних слоях СА происходит усиление переноса более теплых вод в высокие широты СА. Однако эти более теплые и, следовательно, легкие воды в высоких широтах СА замедляют меридиональную циркуляцию, что, в свою очередь, приводит к охлаждению и переходу в противоположную фазу колебаний.

Поскольку АМОЦ является отражением термохалинной циркуляции в Атлантике, то формирование индекса АМО должно быть тесно связано с термохалинным режимом СА. Уже проведенное нами изучение [20] зонально осредненных трендов и аномалий полей потенциальной температуры и солености объективных анализов EN4 [4] и WOA13 [21, 22] позволило обнаружить три интересных факта:

первый из них состоит в том, что в верхнем 1-км слое океана, в основном, наблюдается тренд на потепление и осолонение. Ниже 1-км слоя наблюдаются значительные области похолодания и распреснения, что можно связать с таянием льдов Гренландии, выносом распресненных вод из Северного Ледовитого океана и затягиванием этих холодных и более пресных вод в глубинные слои. Такие структуры трендов потенциальной температуры и солености, наиболее вероятно, являются следствием парникового эффекта, вызванного, согласно IPCC (International Panel on Climate Change, или в русской версии МГЭИК – Межправительственная группа экспертов по изменению климата), в основном антропогенным воздействием [23, 24].

Второй факт заключается в том, что в периоды 1951–1959, 2000–2008 и 2009–2017 гг., когда индекс АМО (рис. 1б) положительный, наблюдаются положительные аномалии (за вычетом трендов) потенциальной температуры и солености в верхнем ~1-км слое СА, в то время как глубже ~1-км слоя наблюдаются значительные области отрицательных аномалий потенциальной температуры и солености. Когда же индекс АМО отрицательный (1973–1981 и 1982–1990 гг.), то в верхнем ~1-км слое наблюдаются отрицательные температурные и соленостные аномалии, а глубже, наоборот, положительные.

Третий факт состоит в том, что в чередующиеся последовательные периоды индекса АМО (1951–1959, 1961–1969, 1973–1981, 1982–01990, 1991–1999, 2000–2008 и 2009–2017 гг.), включающие переходные периоды от положительной к отрицательной фазе индекса АМО (1951–1959 гг.) (и наоборот (1991–1999 гг.)), положительные и отрицательные аномалии как потенциальной температуры, так и солености распространяются с периодом около 60 лет по ходу движения вод в АМОЦ, опускаясь в глубинные слои океана примерно на 60° N и поднимаясь на поверхность на 25° N. Можно предположить, что благодаря этому наблюдаются положительные и отрицательные фазы индекса АМО. По-видимому, такая структура изменчивости связана с характером формирования термохалинной циркуляции в СА и требует своего дальнейшего исследования, используя другие базы данных объективных анализов и реанализов, а также проведения численных экспериментов с моделью общей циркуляции океана Института Вычислительной Математики (ИВМ) РАН – INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) [25].

В настоящей работе ставится задача изучения этих фактов с привлечением данных океанских реанализов, в которых в отличие от объективных анализов EN4 и WOA13 реконструируется общая циркуляция вод Мирового океана. При этом основная гипотеза вышеперечисленных фактов – изменение интенсивности термохалинной циркуляции.

2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ

Для определения и сравнения термохалинного состояния СА были выбраны глобальные поля температуры и солености по двум объективным анализам EN4 [4] и WOA13 (World Ocean Atlas 2013) [21, 22] и четырем реанализам GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory) [26], ESTOC (Estimated state of ocean for climate research) [27], ORA-S4 (Ocean ReAnalysis System 4) [28] и GECCO2 (German partner of the Estimating the Circulation and Climate of the Ocean 2) [29]. Объективные анализы EN4 и WOA13 получены с использованием только пространственно-временной интерполяции данных наблюдений без учета динамики океана. Реанализы GFDL, ESTOC, ORA-S4 и GECCO2 получены путем расчетов по разным моделям общей циркуляции океана с использованием различных методов усвоения океанографической информации из каких-либо объективных анализов и спутниковой информации. Поэтому в них представлена и циркуляция вод Мирового океана. Потоки тепла, пресной воды и импульса из атмосферы предписываются из различных источников, полученных, в свою очередь, с использованием различных атмосферных реанализов. Основным источником данных объективных анализов EN4 и WOA13 и реанализа GFDL служит база данных World Ocean Database (WOD13 и WOD09), которая разработана NOAA, источник реанализа ESTOC – данные EN4, а реанализов ORA-S4 и GECCO2 – более ранняя версия EN3. Описание рассматриваемых массивов данных приведено в табл. 1 [30].

Стоит отметить, что океанский реанализ GFDL получен с помощью расчетов по совместной климатической модели общей циркуляции атмосферы и океана GFDL CM2.1 (Climate Model 2.1), которая использовалась для проведения климатических расчетов для подготовки 4-го оценочного доклада IPCC/МГЭИК [23].

Было проведено предварительное сравнение схожих реанализов ORA-S3 и ORA-S4, и в силу того, что ORA-S4 содержит больше горизонтов по глубине, имеет бо́льший временной охват, выбор был остановлен на нем.

По массивам океанских данных GFDL, ESTOC, ORA-S4 и GECCO2 для потенциальной температуры и солености были рассчитаны средние значения, а по данным EN4 для лета и зимы¹¹ – отдельно – для каждого рассматриваемого периода (рис. 1б):

− трех “теплых” периодов, когда наблюдаются значительные (по модулю больше 0.1°С) положительные состояния индекса АМО – с 1951 по 1959 гг. (кроме GDFL, ESTOC и ORA-S4), с 2000 по 2008 гг. и с 2009 по 2014–2017 гг. (в зависимости от временного охвата данных, см. табл. 1);

− переходного периода от “теплой” к “холодной” фазе – с 1961 по 1969 гг.;

− двух “холодных” периодов, когда наблюдаются значительные отрицательные состояния индекса АМО – с 1973 по 1981 гг. и с 1982 по 1990 гг.;

− переходного периода от “холодной” к “теплой” фазе – с 1991 по 1999 гг.

Интервалы периодом примерно 10 лет выбраны для того, чтобы исключить влияние 10-летних колебаний на более долгопериодные квази-шестидесятилетние колебания.

Массив данных WOA13 содержит среднемесячные, среднесезонные и среднегодовые данные по in situ температуре и солености, осредненные для следующих 6 периодов: с 1955 по 1964 гг., с 1965 по 1974 гг., с 1975 по 1984 гг., с 1985 по 1994 гг., с 1995 по 2004 гг., с 2005 по 2012 гг. Для анализа были использованы средние состояния для зимы и лета для каждого периода. По in situ температуре данных WOA13 была рассчитана потенциальная температура с помощью методики TEOS-10 [31].

На рис. 1в показаны средние (от экватора до 70° N) тренды аномалий приповерхностной температуры СА по данным EN4, WOA13, GFDL, ESTOC, ORA-S4 и GECCO2 с 1951 по 2017 гг. и в зависимости от временно́го охвата данных (см. табл. 1). Средняя приповерхностная температура на глубине 5 м имеет положительный тренд по всем массивам данных. Объективный анализ EN4 и реанализ GECCO2 имеют одинаковый временной охват, и их тренды приповерхностной температуры близки и равны 0.101 и 0.093°С/10 лет соответственно. Тренд приповерхностной температуры по данным объективного анализа WOA13 выше и составляет 0.124°С/10 лет, так как этот массив имеет более короткую продолжительность, чем объективный анализ EN4, и вклад периода наиболее интенсивного потепления с конца 1970-х по начало 2000-х гг. сказывается в нем сильнее. Временной охват данных ESTOC, ORA-S4 и GFDL практически одинаковый, но при этом они показывают различные тренды приповерхностной температуры, равные 0.084°, 0.114° и 0.155°С/10 лет. У всех данных тренды выше, чем показанные на рис. 1а, т.к. в последние десятилетия климатические изменения заметно выше [23].

3. ОЦЕНКА КЛИМАТИЧЕСКИХ ТРЕНДОВ ТЕРМОХАЛИННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ

Для того чтобы выяснить как изменчивость в термохалинном состоянии в Северной Атлантике сопровождается изменчивостью в ее термохалинной циркуляции, была рассчитана функция тока АМОЦ для каждого из массивов используемых данных. В целом функция тока АМОЦ является характеристикой термохалинной циркуляции океана в СА, когда в верхнем ~1-км слое вóды медленно переносятся на север, отдавая накопленное тепло в атмосферу в средних и высоких широтах, и вследствие этого охлаждаются и опускаются (опрокидываются), возвращаясь в глубинных слоях на юг. Именно АМОЦ и определяет меридиональный перенос тепла на север водами СА. Таким образом, движение вод в АМОЦ можно косвенно связать с Атлантическим сектором океанского конвейера Брокера–Лаппо [32, 33].

Для океанских реанализов структура функции тока АМОЦ рассчитывалась по меридиональной составляющей скорости из баз данных рассматриваемых реанализов GFDL, ESTOC, ORA-S4 и GECCO2 по стандартной методике, описанной, например, в [25, 34].

Для восстановления динамики океана и расчета функции тока АМОЦ по данным о температуре и солености объективных анализов EN4 и WOA13 (для каждого отдельно) была разработана ниже описываемая методология, основанная на хорошо апробированной модели океана INMOM [25]. Эта модель была реализована для акватории СА от 100° W до 15° E и от экватора до 80° N с пространственным разрешением 0.5° по долготе и широте. Для этого были подготовлены данные о батиметрии дна по массиву ETOPO5. Состояния по потенциальной температуре и солености для этой модели задавались из EN4 и WOA13 для лета и зимы отдельно для каждого периода индекса АМО. Последнее связано с тем, что невозможно корректно восстановить среднегодовую циркуляцию океана по его среднегодовому термохалинному состоянию. Атмосферное воздействие рассчитывалось по приповерхностным атмосферным характеристикам из базы данных CORE (Coordinated Ocean-ice Reference Experiments) версии 2, специально предназначенного для автономных расчетов моделей общей циркуляции океана [35, 36]. Расчет циркуляции СА проводился по методу диагноза-адаптации, предложенному акад. А.С. Саркисяном с соавторами [37]. Согласно этой методике запуск модели осуществлялся на короткий срок в 75 сут, из которых первые 30 сут проводился разгон модели в режиме диагноза при предписанных полях потенциальной температуры и солености. В последующие 45 сут эксперимент проводился в режиме адаптации, при котором рассчитывались итоговые поля термохалинного состояния и циркуляции вод для всех летних и зимних выделенных периодов индекса АМО. Для анализа среднегодового состояния этих периодов результаты расчета осреднялись для зимы и лета и за последние 30 сут расчетов. При таком подходе роль модели вторична, поскольку она главным образом используется только для восстановления квази-геострофической циркуляции океана по оценке его термохалинного состояния по данным наблюдений, а также устранения на этапе адаптации заведомых ошибок в 3D полях потенциальной температуры и солености. При таком подходе динамика океана, восстановленная по методу диагноза-адаптации, определяется, в первую очередь, используемыми данными наблюдений. Расчеты показали, что эта версия INMOM по предложенному сценарию диагноз-адаптация адекватно воспроизводит среднеклиматическую наблюдаемую структуру основных гидрофизических полей в средних и высоких широтах.

Функция тока АМОЦ определялась по рассчитанной с помощью INMOM меридиональной скорости, по той же методике [25, 34]. Следует отметить, что восстановленные для объективных анализов EN4 и WOA13 функции тока АМОЦ показаны на рис. 2а, б только начиная от 20° N, так как метод диагноза-адаптации в используемой версии INMOM работает недостаточно корректно в приэкваториальной области. Это происходит, во-первых, из-за влияния граничных условий, выбранных на экваторе, а во-вторых, из-за особенностей океанической циркуляции, приводящей здесь к дополнительному шуму в динамике океана за счет возбуждения экваториальных волн Россби и Кельвина. Поэтому в низких широтах продолжительность расчетов по методу диагноза-адаптации должна быть больше, чем в средних и высоких широтах. Но так как нас интересовала функция тока АМОЦ в средних широтах, то нам было достаточно и 75 сут расчетов (30 сут диагноза и 45 сут адаптации).

Рис. 2.

Рассчитанные функции тока АМОЦ (показаны изолиниями в Св) по данным объективных анализов EN4 (а, ж), WOA13 (б, з) и реанализам GFDL (в, и), ESTOC (г, к), ORA-S4 (д, л) и GECCO2 (е, м) на фоне своих зонально-осредненных потенциальных температур (а, б, в, г, д, е), показаны цветом в °С, и соленостей (ж, з, и, к, л, м, н), показаны цветом в ПЕС (практические единицы солености).

Стоит отметить, что при анализе изменений характеристик термохалинной циркуляции по данным объективных анализов EN4 и WOA13 использовались не исходные данные, а прошедшие процедуру адаптации в модели INMOM на ее модельной сетке с разрешением 0.5° по долготе и широте, а не исходные данные (табл. 1).

За исключением реанализа GECCO2, все рассчитанные функции тока АМОЦ в целом согласуются с климатическими расчетами [36, 38] и между собой (рис. 2). Функция тока АМОЦ, восстановленная с помощью модели INMOM по данным объективного анализа EN4 (рис. 2а, 2ж) хорошо согласуется с функцией тока АМОЦ, рассчитанной по данным реанализа GFDL (рис. 2в, 2и), с коэффициентом корреляции равным 0.84. Более того, рассчитанные по данным океанских объективных анализов и реанализов функции тока АМОЦ можно разделить на две группы: (EN4, WOA13, GFDL), где наблюдается ядро на ~40° N и (ESTOC, ORA-S4, GECCO2) – ядро немного сдвинуто к северу от 40° N.

Если в целом рассчитанные нами функции тока АМОЦ по различным данным похожи друг на друга, то наши расчеты высветили проблему того, что в своих трендах и разностях композитов аномалий (см. следующий раздел статьи) функции тока АМОЦ реанализов сильно отличаются как между собой, так и от данных объективных анализов EN4, WOA13. Причем основная проблема заключается в том, какого знака эти климатические тренды и разности композитов аномалий функции тока АМОЦ.

На рис. 3 изолиниями показаны линейные тренды функции тока АМОЦ по данным объективных анализов и реанализов на фоне своих зонально осредненных линейных трендов потенциальной температуры и солености (показаны цветом) в координатах широта–глубина.

Рис. 3.

Линейные тренды функции тока АМОЦ (показаны изолиниями в Св/10лет) по данным объективных анализов EN4 (а, ж), WOA13 (б, з) и реанализам GFDL (в, и), ESTOC (г, к), ORA-S4 (д, л) и GECCO2 (е, м) на фоне своих зонально осредненных линейных трендов потенциальной температуры (а, б, в, г, д, е), показаны цветом в °С/10 лет, и солености (ж, з, и, к, л, м, н), показаны цветом в ПЕС/10 лет.

Стоит отметить, что линейные тренды и аномалии (за вычетом трендов) потенциальной температуры и солености рассчитывались в каждой точке сетки рассматриваемых данных, а затем зонально осреднялись.

Зонально осредненные тренды потенциальной температуры (рис. 3, показаны цветом) СА, построенные по данным объективных анализов EN4 (рис. 3а), WOA13 (рис. 3б) и реанализа GFDL (рис. 3в), показывают, что в верхнем ~1-км слое в основном наблюдается потепление, а ниже этого слоя наблюдаются значительные области похолодания. По нашему мнению, эти массивы данных показывают наиболее объективную картину трендов. Области похолодания и распреснения в глубинных слоях можно связать с таянием льдов Гренландии, выносом распресненных вод из Северного Ледовитого океана и затягиванием этих холодных и более пресных вод в глубинные слои.

Для реанализа ESTOC (рис. 3г) область потепления наблюдается в верхнем ~1-км слое от экватора до 40° N, а затем область похолодания до 60° N и далее снова область потепления по всей глубине до 80° N. В реанализе ORA-S4 (рис. 3д) в верхнем ~2.5-км слое наблюдается потепление, а глубже также есть области похолодания. По данным реанализа GECCO2 (рис. 3е), в верхнем ~4-км слое наблюдаются области и потепления, и похоладания, ниже ~4-км слоя – только области похолодания.

Зонально осредненные тренды солености (рис. 3, показаны цветом) СА показали осолонение в верхнем ~1-км слое от экватора до ~40–50° N и в основном распреснение от ~50° N до 80° N по данным объективных анализов EN4 (рис. 3ж) и WOA13 (рис. 3з), а также реанализов ESTOC (рис. 3к) и ORA-S4 (рис. 3л), в то время как глубже ~1-км слоя наблюдаются в основном области распреснения. По данным реанализа GFDL (рис. 3и), по всей глубине наблюдаются и области распреснения и осолонения. В реанализе GECCO2 (рис. 3м) в верхнем ~4-км слое осолонение, а ниж-е – распреснение.

В своих трендах функции тока АМОЦ (рис. 3, показаны изолиниями) реанализов и объективных анализов EN4 и WOA13 показывают неоднозначную структуру. Так, данные объективных анализов (данные наблюдений) EN4 (рис. 3а, 3ж) и WOA13 (рис. 3б, 3з) и реанализа GECCO2 (рис. 3е, 3м) демонстрируют в основном положительные тренды функции тока АМОЦ, что говорит о ее интенсификации.

Данные реанализа ESTOC (рис. 3г, 3к) показывают положительные тренды функции тока АМОЦ от экватора до 40° N и отрицательные от 40° N до 60° N. Но тренды по данным GFDL (рис. 3в, 3и) и ORA-S4 (рис. 3д, 3л) показывают главным образом отрицательные значения, что сигнализирует об ослаблении АМОЦ при наблюдаемых климатических изменениях, что согласуется с климатическими расчетами и оценками по данным наблюдений IPCC [23], где с помощью модели GFDL показано, что если наблюдается тренд температуры на потепление, то АМОЦ ослабляется.

Таким образом, по данным объективных анализов (наблюдений) EN4 и WOA13, а также по реанализам GECCO2 и ESTOC – тренды функции тока АМОЦ в основном положительные, а по реанализам GFDL и ORA-S4 – тренды функции тока АМОЦ – отрицательные. Это противоречие должно быть исследовано в будущем, так как тренды функции тока АМОЦ во многом определяют глобальные климатические изменения.

4. КОМПОЗИТНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОХАЛИННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ

В данной работе применялся композитный анализ [20, 39], который основан на расчете разности композитов – осредненных за определенные периоды аномальных состояний. Разность композитов аномалий какой-либо характеристики отражает сигнал естественных мультидекадных колебаний, показывая картину изменений в теплой фазе по отношению к холодной.

Зонально осредненные разности композитов аномалий потенциальной температуры и солености (рис. 4, показаны цветом) для объективных анализов EN4 (рис. 4а, 4ж) и WOA13 (рис. 4б, 4з) и реанализа ORA-S4 (рис. 4д, 4л) показали важную особенность структуры пространственной термохалинной изменчивости. Было установлено, что в теплые периоды индекса АМО по сравнению с холодными в верхнем ~1-км слое СА в основном наблюдаются потепление и осолонение, кроме широт от 10° N до 20° N. Ниже ~1-км слоя наблюдаются значительные области похолодания и распреснения от экватора до 50°–60° N. Для реанализа GFDL разности композитов аномалий потенциальной температуры (рис. 4в) также показывают потепление в верхнем ~1-км слое и небольшое похолодание глубже, при этом зонально-осредненные разности композитов солености (рис. 4и) в верхнем ~1-км слое показывают области и осолонения, и распреснения. В реанализе ESTOC в верхнем ~1-км слое от экватора до 40° N наблюдается похолодание и далее до 80° N потепление (рис. 4г), и от экватора до 20° N – распреснение и далее до 80° N – в основном осолонение (рис. 4к). Зонально осредненные разности композитов потенциальной температуры и солености по данным реанализа GECCO2 (рис. 4е, 4м) показывают потепление и осолонение в верхнем ~0.5-км слое, в слое от ~0.5 до ~2 км – похолодание и распреснение, и глубже ~2 км от экватора до 40° N снова наблюдается потепление и осолонение и от 40° N до 80° N – в основном похолодание и распреснение.

Рис. 4.

Разности композитов аномалий функции тока АМОЦ (показаны изолиниями в Св) по данным объективных анализов EN4 (а, ж), WOA13 (б, з) и реанализам GFDL (в, и), ESTOC (г, к), ORA-S4 (д, л) и GECCO2 (е, м) на фоне своих зонально осредненных разностей композитов аномалий потенциальной температуры (а, б, в, г, д, е), показаны цветом в °С, и солености (ж, з, и, к, л, м, н), показаны цветом в ПЕС.

Разности композитов аномалий функции тока АМОЦ (рис. 4, показаны изолиниями) показазали, что по данным EN4 (рис. 4а, 4ж), WOA13 (рис. 4б, 4з) и GECCO2 (рис. 4е, 4м) наблюдается в основном усиление АМОЦ в теплую фазу индекса АМО по отношению к холодной, а по данным ESTOC (рис. 4г, 4к) и ORA-S4 (рис. 4д, 4л) – в основном ослабление АМОЦ, в то время как данные реанализа GFDL (рис. 4в, 4и) показывают смешанную структуру. Причем по данным ESTOC от экватора до 25° N и по данным ORA-S4 от 10° N до 30° N наблюдаются также и области положительных значений разностей композитов аномалий функции тока АМОЦ, а по данным GECCO2 от 10° N до 35° N наблюдается область отрицательных значений.

Разности композитов аномалий функции тока АМОЦ по данным объективного анализа EN4 (рис. 4а, 4ж) согласуются с реанализом GFDL (рис. 4в, 4и) от 20° N до 40° N (в области ядра функции тока АМОЦ на 25° N (рис. 2а, 4в)), где наблюдаются положительные значения разностей композитов аномалий функции тока АМОЦ, и стоит отметить, что между этими широтами находится максимум меридионального переноса тепла на север [25].

Как и для данных объективных анализов EN4 и WOA13 для реанализа ORA-S4 и в меньшей степени для остальных реанализов GFDL, ESTOC и GECCO2 было обнаружено, что в чередующиеся последовательные периоды индекса АМО положительные и отрицательные температурные (и соленостные) аномалии распространяются по ходу движения вод в АМОЦ с периодом около 60 лет, опускаясь в глубинные слои океана примерно на 60° N и поднимаясь на поверхность на 25° N. Можно сделать вывод, что этот механизм вносит существенный вклад при формировании фазы индекса АМО.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Атлантический океан является важным звеном климатической системы Земли. Имеются основания полагать, что мультидекадные изменения климата во многом порождаются долгопериодными изменениями в термохалинной циркуляции СА, природа которых до сих пор до конца не изучена. Эти мультидекадные (главным образом квази-шестидесятилетние) колебания климата хорошо проявляются в индексе АМО [1–3]. На фоне этих колебаний развиваются и декадные осцилляции.

Для объективного изучения состояния вод и термохалинной циркуляции СА в различные фазы индекса АМО по данным о потенциальной температуре и солености океана были рассчитаны средние климатические состояния для различных периодов индекса АМО по двум объективным анализам EN4 [4] и WOA13 [21, 22] и четырем океанским реанализам GFDL [26], ESTOC [27], ORA-S4 [28] и GECCO2 [29].

Исследование зонально осредненных трендов потенциальной температуры и солености СА объективных анализов EN4 и WOA13 и реанализов GFD-L, ESTOC, ORA-S4 и GECCO2 показало, что по данным объективных анализов EN4 и WOA13 в верхнем ~1-км слое в основном наблюдается тренд на потепление и осолонение. Ниже этого слоя наблюдаются значительные области похолодания и распреснения. При этом зонально-осредненные тренды потенциальной температуры согласуются по данным объективных анализов EN4 и WOA13 и реанализов GFDL и, в меньшей степени, ESTOC. А зонально осредненные тренды солености согласуются по данным объективных анализов EN4 и WOA13 и реанализов ORA-S4 и ESTOC.

Также для анализа данных использовался композитный анализ, основанный на расчете усредненной разности состояний (композитов) для теплых и холодных периодов за вычетом линейного тренда [20, 39]. Таким образом, разность композитов аномалий какой-либо характеристики отражает сигнал естественных мультидекадных колебаний, показывая картину изменений в теплой фазе по отношению к холодной.

Зонально осредненные разности композитов аномалий потенциальной температуры и солености показали, что для объективных анализов EN4 и WOA13 и реанализа ORA-S4 в теплые периоды индекса АМО по сравнению с холодными в верхнем ~1-км слое СА в основном наблюдаются потепление и осолонение. Ниже 1-км слоя наблюдаются значительные области похолодания и распреснения. По данным реанализа GFDL, такая структура наблюдается в меньшей степени, а по данным ESTOC практически не наблюдается. По данным GECCO2, верхний слой осолонения меньшей глубины, чем слой потепления, а в глубинных слоях кроме охлаждения и распреснения наблюдаются области потепления и осолонения.

Для того чтобы выяснить как изменчивость в термохалинном состоянии в СА сопровождается изменчивостью в ее термохалинной циркуляции, по меридиональной составляющей скорости течений реанализов и меридиональной составляющей скорости течений восстановленной по методу диагноза-адаптации [37] с помощью модели INMOM по данным объективных анализов были рассчитаны функции тока АМОЦ. АМОЦ, определяя меридиональный поток тепла в СА, имеет важное значение для формирования климата Земли и его изменений. Она отражает термохалинную циркуляцию в СА, показывая ее интенсивность и пространственно-временные особенности изменчивости состояния вод и их циркуляции.

В целом рассчитанные по данным океанских объективных анализов и реанализов средние функции тока АМОЦ, отражающие термохалинную циркуляция в СА, похожи друг на друга. Тем не менее необходимо отметить, что функции тока АМОЦ по данным объективных анализов EN4 и WOA13 более схожи с функцией тока АМОЦ, рассчитанной по данным GFDL, чем по остальным реанализам, и по своей пространственной структуре рассчитанные функции тока АМОЦ можно разделить на две группы: (EN4, WOA13, GFDL) и (ESTOC, ORA-S4, GECCO2).

Еще большее рассогласование имеется для трендов функции тока АМОЦ из реанализов, которые сильно отличаются как между собой, так и от данных объективных анализов EN4, WOA13. Причем основная проблема заключается в том, какого знака эти тренды. Так, данные объективных анализов EN4 и WOA13 и реанализов ESTOC и GECCO2 демонстрируют в основном положительные тренды функции тока АМОЦ, что говорит о ее интенсификации. Но тренды по данным реанализов GFDL и ORA-S4 показывают главным образом отрицательные значения, что сигнализирует об ослаблении АМОЦ при наблюдаемых климатических изменениях. Это противоречие должно быть исследовано в будущем, т.к. тренды функции тока АМОЦ во многом определяют глобальные климатические изменения.

Разности композитов аномалий функции тока АМОЦ показали, что по данным EN4, WOA13 и GECCO2 наблюдается в основном усиление АМОЦ в теплую фазу индекса АМО по отношению к холодной, а по данным ESTOC и ORA-S4 – в основном ослабление функции АМОЦ, в то время как данные реанализа GFDL показывают смешанную структуру. Разности композитов аномалий функции тока АМОЦ по данным объективного анализа EN4 согласуются с реанализом GFDL в области ядра функции тока АМОЦ на ~25° N, где наблюдаются положительные значения разностей композитов аномалий функции тока АМОЦ, и стоит отметить, что между этими широтами находится максимум меридионального переноса тепла на север водами СА [25].

Также было обнаружено, что в чередующиеся последовательные периоды индекса АМО положительные и отрицательные температурные (и соленостные) аномалии циркулируют с периодом около 60 лет по ходу движения вод в АМОЦ. Это явление лучше всего наблюдается по данным объективных анализов EN4 и WOA13 и реанализа ORA-S4 и в меньшей степени по остальным реанализам. Можно сделать вывод, что этот механизм вносит существенный вклад при формировании фаз индекса АМО.

Обнаруженные в океанских объективных анализах и реанализах значительные различия в зонально осредненных характеристиках и их изменениях для потенциальной температуры, солености и функции тока АМОЦ свидетельствуют, что реконструкция океанических полей с помощью синтеза данных наблюдений и моделирования еще далека от завершения.

Исследование выполнено при финансовой поддержке грантов РФФИ № 19-35-90132 (построение зонально осредненных трендов и разностей композитов характеристик термохалинной циркуляции по данным объективных анализов и реанализов, проведение расчетов по модели INMO-M) и РНФ № 19-17-00110 (анализ изменчивости характеристик термохалинной циркуляции в СА по данным объективных анализов и океанских реанализов в различные периоды АМО). Расчеты по модели INMOM выполнены с использованием оборудования Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ им. М.В. Ломоносова [40] и МСЦ РАН.