1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Физика атмосферы и океана
  4. T. 58, № 4, 2022

Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2022, T. 58, № 4, стр. 411-423

Связь площади снежного покрова и морских льдов с температурными изменениями в Северном полушарии по данным для последних десятилетий

И. И. Мохов a, b, *, М. Р. Парфенова a

a Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
119017 Москва, Пыжевский пер., 3, Россия

b Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, 1, с. 2, ГСП-1, Россия

* E-mail: mokhov@ifaran.ru

Поступила в редакцию 18.01.2022
После доработки 01.03.2022
Принята к публикации 11.04.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Получены количественные оценки связи внутригодовых и межгодовых вариаций протяженности снежного покрова и морских льдов в Северном полушарии с изменениями приповерхностной температуры на основе современных спутниковых данных и данных реанализа для периода 1979–2020 гг. Полученные новые результаты свидетельствуют об общей значимой когерентности и отрицательной корреляции с приповерхностной температурой протяженности снежного покрова и морских льдов не только в годовом ходе, но и для большинства месяцев в межгодовой изменчивости. При этом проявляются особенности в осенние месяцы, связанные с региональными особенностями изменчивости температурного режима и протяженности снежного покрова в сезон его формирования в Евразии и Северной Америке. Для зимних месяцев отмечено увеличение по абсолютной величине параметров чувствительности площади снежного покрова и морских льдов к температурным вариациям в течение последних десятилетий и коэффициентов их корреляции, а для теплых месяцев года - противоположные изменения. Наряду со статистически значимой отрицательной корреляцией общей протяженности снежного покрова и морских льдов с вариациями полушарной приповерхностной температуры в годовом ходе при кросс-вейвлетном анализе отмечена статистически значимая отрицательная корреляция для наиболее долгопериодных междесятилетних вариаций с проявлением в последние годы значимой антикорреляции для межгодовых вариаций, в частности для вариаций с периодичностью, характерной для явлений Эль-Ниньо.

Ключевые слова: площадь снежного покрова и морских льдов, спутниковые данные, данные реанализа, изменения приповерхностной температуры, внутригодовая и межгодовая изменчивость, Северное полушарие, арктические широты

ВВЕДЕНИЕ

Сильнейшие изменения альбедо земной поверхности связаны с формированием и таянием снежно-ледового покрова. При этом взаимные изменения температурного режима и снежно-ледового покрова определяют положительную обратную связь, усиливающую чувствительность температурного режима к различным воздействиям, природным и антропогенным, и климатические вариации на временах от сезона до миллионов лет [1–8]. Увеличение климатических вариаций, связанных с изменением параметров орбиты Земли вокруг Солнца с периодами около 100, 40 и 20 тыс. лет (циклы Миланковича) с проявлением ледниковых циклов в плейстоцене в последние 2 млн лет связано с усилением влияния положительной обратной связи альбедо поверхности – температура при общем глобальном похолодании с увеличением площади снежно-ледового покрова в течение последних десятков миллионов лет.

В последние десятилетия отмечаются быстрые глобальные и региональные климатические изменения, особенно в высоких широтах. Существенный вклад в формирование наибольшей скорости изменений приповерхностной температуры в арктических широтах (так называемое Арктическое усиление) связан с изменениями снежно-ледового покрова – с зависимостью альбедо поверхности от температуры. Исследованию современных изменений криосферы и ее роли в климатических изменениях посвящено много работ [1, 2, 9–11]. Для определения тенденций климатических изменений и получения адекватных модельных оценок возможных изменений необходим разносторонний анализ глобальных и региональных особенностей связи протяженности снежно-ледового покрова, в том числе морских льдов, с температурным режимом на основе данных наблюдений [12–27]. Следует отметить, что диапазон современных внутригодовых вариаций площади снежного покрова на Земле существенно (втрое) больше, чем для морских льдов. В данной статье представлены оценки связи изменений общей площади снежного покрова и морских льдов в СП с изменениями приповерхностной температуры по данным для последних десятилетий в сопоставлении с более ранними оценками [12], в том числе с подобными оценками отдельно для площади снежного покрова и для морских льдов.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

При анализе использовались среднемесячные данные CDR (Climate Data Records) NOAA [28, 29] (см. также: https://climate.rutgers.edu/snowcover/, https://www.ncdc.noaa.gov/) для протяженности (площади) снежного покрова и среднемесячные данные NSIDC (http://nsidc.org) [30] для протяженности (площади) морских льдов в Арктике на основе спутниковых наблюдений, а также среднемесячные данные реанализа ERA5 [31] (https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5) для приповерхностной температуры в СП для периода 1979–2020 гг.

Сезонные особенности вариаций площади снежного покрова и морских льдов в годовом ходе и их изменения в течение последних десятилетий анализируются с использованием соответствующих фазовых портретов. Для оценки связи протяженности снежного покрова с температурным режимом наряду с корреляционным анализом использовался кросс-вейвлетный анализ, позволяющий оценивать изменения спектральной структуры изменений [32].

Параметры чувствительности протяженности снежного покрова и морских льдов к изменению температуры оценивались с использованием линейных регрессий.

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

На рис. 1 представлены фазовые портреты для протяженности снежного покрова SS (а), морских льдов SI (б) и суммарной их протяженности SSI (в) в Северном полушарии по среднемесячным данным для двух подпериодов: 1979–1999 гг. и 2000–2020 гг. Приведены также соответствующие осредненные фазовые портреты для 20-летних периодов 1980–1999 гг. и 2000–2019 гг. Согласно данным CDR, для анализируемого 40-летнего периода средняя за год площадь снежного покрова в СП около 25 млн км2. Максимальная площадь снежного покрова в СП в годовом ходе около 50 млн км2, минимальная – менее 3 млн км2. Максимальная протяженность морских льдов в СП втрое меньше – достигает в Арктике 16 млн км2. Согласно рис. 1а, 1б наибольшая межгодовая изменчивость SS проявляется в холодные (зимние) месяцы, тогда как наибольшая межгодовая изменчивость SI – в теплые месяцы. Для суммарной площади снежного покрова и морских льдов в СП (рис. 1в) с наибольшими значениями до 60 млн км2 и более и наименьшими значениями менее 10 млн км2 более четко проявляется тенденция уменьшения значений SSI в теплые месяцы года.

Рис. 1.

Фазовые портреты для протяженности снежного покрова (а), морских льдов (б) и их суммарной протяженности (в) в Северном полушарии по среднемесячным данным для двух подпериодов: 1979–1999 гг. (синий цвет) и 2000–2020 гг. (красный цвет). Приведены также соответствующие осредненные фазовые портреты для 20-летних периодов 1980–1999 гг. и 2000–2019 гг.

Следует отметить различия режимов снежного покрова в Евразии и Северной Америке. На рис. 2 представлены фазовые портреты для протяженности снежного покрова в Евразии (а) и Северной Америке (б) по среднемесячным данным для двух подпериодов: 1979–1999 гг. и 2000–2020 гг. В среднем за год на Евразию приходится около 3/5 общей площади снежного покрова СП (более 14 млн км2). Максимальная площадь снежного покрова в Евразии достигает значений около 30 млн км2, в Северной Америке примерно вдвое меньше – около 15–16 млн км2. Минимальные значения протяженности снежного покрова в Евразии и Северной Америке существенно меньше 1 млн км2. Межгодовая изменчивость протяженности снежного покрова в Евразии и Северной Америке меньше в летние месяцы, чем в зимние, особенно существенные различия проявляются в Евразии.

Рис. 2.

Фазовые портреты для протяженности снежного покрова в Евразии (а) и в Северной Америке (б) по среднемесячным данным для двух подпериодов: 1979–1999 гг. (синий цвет) и 2000–2020 гг. (красный цвет). Приведены также соответствующие осредненные фазовые портреты для 20-летних периодов 1980–1999 гг. и 2000–2019 гг.

На рис. 3 представлены изменения суммарной протяженности снежного покрова и морских льдов SSI в Северном полушарии в зависимости от полушарной приповерхностной температуры TNH по среднемесячным данным для периода 1979–2020 гг. Аналогично [12] на основе линейной регрессии SSI на TNH можно оценить параметр чувствительности dSSI/dTNH. В [12] с использованием, в частности, среднемесячных данных [33–35] для снежно-ледового покрова, отмечено, что для оценки параметра чувствительности dSSI/dTNH можно не учитывать малую инерционность общей протяженности снежного покрова и морских льдов в СП (с характерным временем инерции менее полумесяца) относительно вариаций полушарной приповерхностной температуры, определяемых годовым ходом инсоляции.

Рис. 3.

Площадь снежного покрова и морских льдов SSI в зависимости от приповерхностной температуры ТNH для всего Северного полушария по среднемесячным данным для периода 1979–2020 гг. Прямая соответствует линейной регрессии для периода 1979–2020 гг.

Следует отметить, что на рис. 3 на фоне общей отрицательной корреляции SSI и TNH для всех месяцев в межгодовой изменчивости, характеризуемой прямой соответствующей линейной регрессии, проявляются особенности, в частности для октябрей и ноябрей. Это связано с соответствующими особенностями для протяженности снежного покрова [25–27].

В табл. 1 приведены полученные на основе соответствующих линейных регрессий количественные оценки параметров чувствительности dSSI/dТNH [млн км2/K] общей протяженности снежного покрова и морских льдов SSI в Северном полушарии по спутниковым данным к изменению полушарной приповерхностной температуры ТNH по данным реанализа ERA5 для разных месяцев в межгодовой изменчивости для двух периодов: 1979–2020 гг. и 2005–2020 гг. Согласно табл. 1 по данным для периода 1979–2020 гг. для большинства месяцев получены статистически значимые отрицательные значения для оценок параметров чувствительности площади снежного покрова к изменениям приповерхностной температуры в межгодовой изменчивости. Положительная величина (статистически незначимая) получена только для октября. Для периода 2005–2020 гг. для октября (а также для ноября) также оценена статистически незначимая положительная величина dSSI/dТNH. Отмеченные осенние особенности общей протяженности снежного покрова и морских льдов связаны с соответствующими изменениями протяженности снежного покрова. Максимальные по абсолютной величине оценки параметров чувствительности dSSI/dТNH [млн км2/K] получены для начала лета – –6.6 млн км2/K для периода 1979–2020 гг. и –5.0 млн км2/K для периода 2005–2020 гг.

Таблица 1.  

Количественные оценки параметров чувствительности dSSI/dТNH [млн км2/K] общей протяженности снежного покрова и морских льдов SSI по спутниковым данным к изменению приповерхностной температуры ТNH в Северном полушарии по данным реанализа ERA5 для разных месяцев в межгодовой изменчивости для двух периодов: 1979–2020 гг. и 2005–2020 гг. Приведены также среднеквадратические отклонения для dSSI/dТNH, в скобках – соответствующие коэффициенты корреляции r. Выделены статистически значимые оценки (на уровне 0.05)

dSSI/dТNH [млн км2/K] 1979–2020 гг. 2005–2020 гг.
Январь –1.04 ± 0.53 (–0.30) –1.98 ± 0.93 (–0.50)
Февраль –2.26 ± 0.48 (–0.60) –3.42 ± 0.72 (–0.79)
Март –3.05 ± 0.53 (–0.67) –3.31 ± 1.04 (–0.65)
Апрель –3.00 ± 0.58 (–0.64) –3.45 ± 1.19 (–0.61)
Май –5.06 ± 0.64 (–0.78) –3.22 ± 1.62 (–0.47)
Июнь –6.59 ± 0.75 (–0.81) –4.99 ± 1.95 (–0.57)
Июль –4.35 ± 0.47 (–0.82) –2.31 ± 1.08 (–0.50)
Август –3.21 ± 0.38 (–0.80) –1.29 ± 0.83 (–0.39)
Сентябрь –2.33 ± 0.45 (–0.63) –0.83 ± 1.56 (–0.14)
Октябрь 1.25 ± 0.73 (0.26) 3.42 ± 3.11 (0.28)
Ноябрь –0.01 ± 0.64 (–0.00) 0.11 ± 1.81 (0.02)
Декабрь –0.39 ± 0.65 (–0.09) –3.56 ± 0.80 (–0.77)
Все месяцы –4.13 ± 0.04 (–0.97) –4.31 ± 0.06 (–0.98)

Отмеченные особенности увеличения протяженности снежного покрова с ростом приповерхностной температуры объясняются увеличением осадков в холодные сезоны, в частности в высокоширотных регионах, в связи с увеличением влагоемкости атмосферы при потеплении [27]. Площадь снежного покрова может увеличиваться при росте приповерхностной температуры Т, если выполняется условие

$f_{{Pr}}^{{ - 1}}d{{({{f}_{{Pr}}})} \mathord{\left/ {\vphantom {{({{f}_{{Pr}}})} {dT}}} \right. \kern-0em} {dT}} > - f_{T}^{{ - 1}}d{{({{f}_{T}})} \mathord{\left/ {\vphantom {{({{f}_{T}})} {dT}}} \right. \kern-0em} {dT}},$
где fT – доля поверхности с температурой у поверхности ниже 0°С, fPr – доля поверхности с температурой у поверхности ниже 0°С при ненулевых осадках (Pr > 0). При этом условии рост протяженности снежного покрова S при росте приповерхностной температуры Т возможен при относительной чувствительности fPr к изменению температуры ($f_{{{\text{Pr}}}}^{{ - 1}}d({{f}_{{Pr}}}){\text{/}}dT$), превышающей относительную чувствительность fPr к изменению температуры ($f_{T}^{{ - 1}}d({{f}_{T}}){\text{/}}dT$) по абсолютной величине. Следует также учитывать зависимость региональных особенностей выпадения осадков от особенностей атмосферной циркуляции.

Увеличение протяженности снежного покрова в осенние месяцы при потеплении можно объяснить и увеличением переноса водяного пара в атмосфере с выпадением снега над континентами в связи с уменьшением площади морских льдов в Северном Ледовитом океане [36]. Существенно, что для современного климата последних десятилетий, в частности для Евразии, именно в октябре на значительной ее части осуществляется переход к отрицательным (в градусах Цельсия) значениям температуры поверхности и формированию снежного покрова (см., напр., [37]). При этом для октябрей характерна большая не только пространственная, но и межгодовая изменчивость.

Следует отметить, что особенности изменений снежного покрова могут быть связаны не только с долгопериодными тенденциями изменений климата и модами междесятилетней и внутридесятилетней климатической изменчивости, по-разному проявляющимися в разных регионах, но и с особенностями анализируемых данных, степенью их однородности, в том числе данных CDR на основе спутниковых наблюдений [38, 39] (см. также [25, 27]). В частности, в [38] отмечена необходимость корректировки данных CDR до 2005 г.

В [27] отдельно для Евразии и Северной Америки отмечена значимая антикорреляция для межгодовых (внутридесятилетних) вариаций площади снежного покрова и приповерхностной температуры. Для Евразии в последние десятилетия более значимо проявляется отрицательная корреляция для наиболее долгопериодных (междесятилетних) вариаций. Для СП в целом когерентность площади снежного покрова на суше с полушарной приповерхностной температурой существенно более значима для вариаций годовом ходе, чем для межгодовых вариаций. Это связано с тем, что вариации приповерхностной температуры СП в целом существенно зависят от вариаций температуры у поверхности океанов, тогда как снег покрывает только сушу при неучете снежного покрова морских льдов. Существенно также, что по данным для последних лет отмечена слабая когерентность межгодовых вариаций площади снежного покрова в Евразии и Северной Америке, что связано со слабой когерентностью межгодовых вариаций приповерхностной температуры Евразии и Северной Америки. Отмеченные особенности можно связать с региональными проявлениями ключевых мод естественной климатической изменчивости типа Северо-Атлантического колебания, Арктического колебания, Атлантической мультидесятилетней осцилляции, Тихоокеанской десятилетней осцилляции, явлений Эль-Ниньо [40, 41]. Это существенно проявляется в изменчивости режимов центров действия атмосферы, в том числе в вариациях интенсивности Сибирского максимума. Пространственной неоднородности полей температуры и осадков способствуют квазистационарные режимы планетарных волн и атмосферных блокирований [42].

При сравнении характеристик связи SSI с ТNH (параметров чувствительности dSSI/dТNH и тесноты связи – коэффициентов корреляции r) для двух периодов выявлены существенные различия. При этом для зимних месяцев для периода 2005–2020 гг. по сравнению с периодом 1979–2020 гг. отмечено увеличение по абсолютной величине параметров чувствительности dSSI/dТNH и коэффициентов корреляции r, тогда как теплых месяцев с мая по сентябрь отмечены противоположные изменения. Сравнительно слабые изменения получены для весенних месяцев – марта и апреля. При этом для осенних месяцев октября и ноября оценки получены статистически незначимые.

Для периода 1979–2020 гг. в целом по среднемесячным данным параметр чувствительности SSI к изменению приповерхностной температуры СП ТNH оценен величиной –4.1 млн км2/K, а для периода 2005–2020 гг. – величиной –4.3 млн км2/K. Соответствующие оценки для отдельных лет находятся в диапазоне от ‒3.8 млн км2/K (для 1981 г.) до –4.5 млн км2/K (для 2010 г.). При этом минимальные и максимальные оценки по абсолютной величине параметра dSSI/dТNH получены для лет с максимальными и минимальными оценками параметра чувствительности площади снежного покрова к изменению приповерхностной температуры СП (–3.4 млн км2/K и –3.9 млн км2/K). Соответствующие оценки для площади морских льдов получены в диапазоне от –0.4 млн км2/K (в 1996 г.) до –0.6 млн км2/K (в 2020 г.).

Особенности связи протяженности снежного покрова и морских льдов с межгодовыми и междесятилетними вариациями температурного режима можно оценить с использованием кросс-вейвлетного анализа. Рисунок 4 характеризует локальную когерентность площади снежного покрова и морских льдов с вариациями приповерхностной температуры в СП по среднемесячным данным для периода 1979–2020 гг. Наряду с устойчиво проявляющейся значимой отрицательной корреляцией общей протяженности снежного покрова и морских льдов с вариациями полушарной приповерхностной температуры в годовом ходе отмечается устойчивая значимая отрицательная корреляция для наиболее долгопериодных междесятилетних вариаций (для анализируемых данных для 4 десятилетий). В последние годы проявляется значимая антикорреляция межгодовых вариаций SSI и ТNH, в частности для вариаций с периодичностью около 5 лет, характерной для явлений Эль-Ниньо.

Рис. 4.

Локальная когерентность площади снежного покрова и морских льдов SSI с вариациями приповерхностной температуры для ТNH для Северного полушария в целом по среднемесячным данным для периода 1979–2020 гг. Выделены области со значимой когерентностью (на уровне 95%), стрелки характеризуют фазовый сдвиг (стрелка вправо – синфазность, влево – противофазность), отмечены также области краевых эффектов.

Проведен также анализ связи протяженности снежного покрова и морских льдов в СП с приповерхностной температурой в арктических и субарктических широтах, в частности с приповерхностной температурой TA в поясе широт 60–90° с.ш. На рис. 5 представлены изменения суммарной протяженности снежного покрова и морских льдов SSI в Северном полушарии в зависимости от приповерхностной температуры ТA в Арктике по среднемесячным данным для периода 1979–2020 гг. Прямая соответствует соответствующей линейной регрессии для периода 1979–2020 гг.

Рис. 5.

Площадь снежного покрова и морских льдов SSI в зависимости от приповерхностной температуры ТA в Арктике по среднемесячным данным для периода 1979–2020 гг. Прямая соответствует линейной регрессии для периода 1979–2020 гг.

Как и на рис. 3 на фоне общей отрицательной корреляции SSI и TNH для всех месяцев в межгодовой изменчивости, характеризуемой прямой линейной регрессии, на рис. 5 проявляются особенности, в частности для октябрей и ноябрей. В табл. 2 приведены полученные на основе соответствующих линейных регрессий количественные оценки параметров чувствительности dSSI/dТA общей протяженности снежного покрова и морских льдов SSI в Северном полушарии к изменению приповерхностной температуры ТA для разных месяцев в межгодовой изменчивости для двух периодов: 1979–2020 гг. и 2005–2020 гг. Согласно табл. 2 по данным для периода 2005–2020 гг. для всех месяцев получены отрицательные значения для оценок параметров чувствительности dSSI/dТA, в том числе для 7 месяцев статистически значимые оценки. Для периода 1979–2020 гг. отрицательные оценки dSSI/dТA получены для 9 месяцев (для 7 месяцев – статистически значимые оценки). Для SSI и ТA, как и для SSI и ТNH, для периода 2005–2020 гг. для теплых месяцев (с мая по август) также отмечено ослабление отрицательной корреляции и уменьшение по абсолютной величине параметра чувствительности dSSI/dТA. При этом для периода 2005–2020 гг. с мая по сентябрь связь SSI с ТA получена более тесной, чем связь с ТNH. Максимальные по абсолютной величине оценки параметров чувствительности dSSI/dТA [млн км2/K] получены для начала лета – –3.6 млн км2/K для периода 1979–2020 гг. и –2.1 млн км2/K для периода 2005–2020 гг.

Таблица 2.  

Количественные оценки параметров чувствительности dSSI/dТA [млн км2/K] общей протяженности снежного покрова и морских льдов SSI по спутниковым данным к изменению приповерхностной температуры ТA в Арктике по данным реанализа ERA5 для разных месяцев в межгодовой изменчивости для двух периодов: 1979–2020 гг. и 2005–2020 гг. Приведены также среднеквадратические отклонения для dSSI/dТNH, в скобках – соответствующие коэффициенты корреляции. Выделены статистически значимые оценки (на уровне 0.05)

dSSI/dТA [млн км2/K] 1979–2020 гг. 2005–2020 гг.
Январь –0.15 ± 0.17 (–0.14) –0.19 ± 0.39 (–0.13)
Февраль –0.29 ± 0.17 (–0.25) –0.41 ± 0.38 (–0.27)
Март –0.86 ± 0.23 (–0.51) –0.54 ± 0.35 (–0.38)
Апрель –0.77 ± 0.20 (–0.51) –0.87 ± 0.36 (–0.55)
Май –1.92 ± 0.30 (–0.72) –1.29 ± 0.43 (–0.62)
Июнь –3.56 ± 0.43 (–0.80) –2.12 ± 0.76 (–0.60)
Июль –3.19 ± 0.34 (–0.83) –1.54 ± 0.41 (–0.71)
Август –1.90 ± 0.25 (–0.76) –0.85 ± 0.42 (–0.48)
Сентябрь –1.29 ± 0.17 (–0.76) –1.58 ± 0.59 (–0.58)
Октябрь 0.27 ± 0.24 (0.18) –0.46 ± 0.81 (–0.15)
Ноябрь 0.27 ± 0.19 (0.23) –0.03 ± 0.48 (–0.02)
Декабрь 0.07 ± 0.21 (0.05) –1.18 ± 0.40 (–0.62)
Все месяцы –1.77 ± 0.02 (–0.96) –1.90 ± 0.03 (–0.98)

Рис. 6 характеризует локальную когерентность площади снежного покрова и морских льдов SSI в СП с вариациями приповерхностной температуры TA в высоких широтах по среднемесячным данным для периода 1979–2020 гг. Устойчиво проявляется значимая антикорреляция SSI и TA в годовом ходе, а в последние годы проявляется значимая антикорреляция межгодовых вариаций SSI и ТA, в частности для вариаций с периодичностью около 5 лет. При этом, в отличие от рис. 4 (для локальной когерентности SSI и ТNH), на рис. 6 не проявляется значимая когерентность SSI и TA для наиболее долгопериодных междесятилетних вариаций (по данным для четырех десятилетий).

Рис. 6.

Локальная когерентность площади снежного покрова и морских льдов SSI с вариациями приповерхностной температуры ТA в высоких широтах по среднемесячным данным для периода 1979–2020 гг. Выделены области со значимой когерентностью (на уровне 95%), стрелки характеризуют фазовый сдвиг (стрелка вправо – синфазность, влево – противофазность), отмечены также области краевых эффектов.

При использовании среднемесячных данных основные особенности связи протяженности снежного покрова и морских льдов с приповерхностной температурой в целом определяются особенностями их годового хода – межгодовые вариации существенно меньше внутригодовых. При этом в межгодовой изменчивости особенности связи протяженности снежного покрова и морских льдов с приповерхностной температурой различаются очень сильно с существенными междесятилетними изменениями. В том числе существенно различаются для разных месяцев оценки параметров чувствительности площади снежного покрова и морских льдов к изменению приповерхностной температуры и степень их связности. На рис. 7 представлены межгодовые вариации общей площади снежного покрова и морских льдов (рис. 7а) и отдельно для снежного покрова и морских льдов (рис. 7б) в зависимости от межгодовых вариаций приповерхностной температуры по среднегодовым данным для Северного полушария для периода 1979–2020 гг. Общая тенденция уменьшения протяженности снежного покрова и морских льдов при увеличении приповерхностной температуры в СП на рис. 7а связана, как видно из рис. 7б, с тенденцией уменьшения протяженности морских льдов в Арктике. Для протяженности снежного покрова СП в целом заметной тенденции в зависимости от полушарной приповерхностной температуры на рис. 7б не проявляется.

Рис. 7.

Общая площадь снежного покрова и морских льдов (а) и отдельно для снежного покрова и морских льдов (б) в зависимости от приповерхностной температуры по среднегодовым данным для Северного полушария для периода 1979–2020 гг. Результаты соответствующих линейных регрессий отмечены прямыми линиями. Прямые соответствует линейным регрессиям.

В табл. 3 приведены количественные оценки параметров чувствительности dSSI/dТNH, dSS/dТNH и dSI/dТNH по среднегодовым данным для двух периодов: 1979–2020 гг. и 2005–2020 гг.

Таблица 3.  

Количественные оценки параметров чувствительности dSSI/dТNH, dSS/dТNH и dSI/dТNH по среднегодовым данным для двух периодов: 1979–2020 гг. и 2005–2020 гг. Приведены также среднеквадратические отклонения для dSSI/dТNH, в скобках – соответствующие коэффициенты корреляции r. Выделены статистически значимые оценки (на уровне 0.05)

Период dSSI/dТNH
[млн км2/K] 		dSS/dТNH
[млн км2/K] 		dSI/dТNH
[млн км2/K]
1979–2020 гг. –2.00 ± 0.29 (–0.74) –0.22 ± 0.28 (–0.13) –1.78 ± 0.11 (–0.94)
2005–2020 гг. –1.19 ± 0.71 (–0.41) –0.10 ± 0.66 (–0.04) –1.09 ± 0.24 (–0.77)

Согласно табл. 3 связь SSI с ТNH для периода 1979–2020 гг. статистически значима за счет статистически значимой связи SI с ТNH (в отсутствие статистически значимой связи SS с ТNH). При этом для периода 2005–2020 гг. связь SSI с ТNH оценена статистически менее значимой – это проявилось в уменьшении соответствующего коэффициента корреляции (уменьшении степени связности). При этом параметр чувствительности dSSI/dТNH оценен существенно меньшим по абсолютной величине (–1.2 ± 0.7 млн км2/K), чем для периода 1979–2020 гг. (–2.0 ± 0.3 млн км2/K). Это связано с изменением параметра чувствительности SI к изменениям ТNH (в отсутствие статистически значимой связи SS с ТNH). Параметр чувствительности dSI/dТNH существенно уменьшился по абсолютной величине (–1.1 ± 0.7 млн км2/K), чем для периода 1979–2020 гг. (–1.8 ± 0.3 млн км2/K).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе получены новые оценки параметра чувствительности общей протяженности снежного покрова и морских льдов SSI в Северном полушарии к изменению приповерхностной температуры СП ТNH –4.1 млн км2/K для всего анализировавшегося периода 1979–2020 гг. по среднемесячным данным и –4.3 млн км2/K – для периода 2005–2020 гг. Максимальные по абсолютной величине оценки параметров чувствительности dSSI/dТNH [млн км2/K] для периода 1979–2020 гг. достигали для начала лета –6.6 млн км2/K, а для периода 2005–2020 гг. – –5.0 млн км2/K.

Ранее в [12] с использованием разных среднемесячных данных в годовом ходе были получены соответствующие оценки параметра чувствительности площади снежно-ледового покрова SSI в Северном полушарии к изменению приповерхностной температуры СП ТNH в диапазоне –(3.5–5.1) млн км2/K с оценками параметра чувствительности средней широтной границы снежно-ледового покрова в диапазоне 1.6–2.3 (град. широты)/K. Было проведено также сравнение эмпирических оценок параметров чувствительности (в годовом ходе и при четвертичных оледенениях) с полученными с использованием климатических моделей (энергобалансовых и общей циркуляции [43–47]) и сделан вывод о чувствительности средней широты криосферной границы и площади снежно-ледового покрова к изменению приповерхностной температуры СП в диапазонах 1.5–2.5 град/K и –(3.3–5.5) млн км2/K, соответственно. Полученные в данной работе оценки параметра чувствительности площади снежно-ледового покрова SSI в Северном полушарии к изменению приповерхностной температуры СП ТNH для всего анализировавшегося периода 1979–2020 гг. по современным среднемесячным данным –4.1 млн км2/K и –4.3 млн км2/K для периода 2005–2020 гг. находятся в пределах оцененного в [12] диапазона неопределенности. В пределах этого диапазона и максимальные по абсолютной величине оценки dSSI/dТNH для разных месяцев года, за исключением июней для периода 1979–2020 гг. Соответствующие оценки dSSI/dТNH по среднегодовым данным существенно меньше по абсолютной величине – –2.0 ± 0.3 млн км2/K для периода 1979–2020 гг. и –1.2 ± 0.7 млн км2/K для периода 2005–2020 гг.

При более детальном анализе современных данных выявлены сезонные особенности тенденций протяженности снежного покрова и морских льдов при изменении приповерхностной температуры в СП. Для большинства месяцев получены статистически значимые отрицательные значения для оценок параметров чувствительности площади снежного покрова к изменениям приповерхностной температуры в межгодовой изменчивости. Положительная величина (статистически незначимая) получена только для октября. Для периода 2005–2020 гг. для октября (а также для ноября) оценена статистически незначимая положительная величина dSSI/dТNH. При этом для зимних месяцев для периода 2005–2020 гг. по сравнению с периодом 1979–2020 гг. отмечено увеличение по абсолютной величине параметров чувствительности dSSI/dТNH и коэффициентов корреляции r, тогда как теплых месяцев с мая по сентябрь отмечены противоположные изменения. Отмечены особенности для осенних месяцев, связанные с особенностями изменений протяженности снежного покрова и температурного режима в Евразии и Северной Америке.

Наряду с устойчиво проявляющейся значимой отрицательной корреляцией общей протяженности снежного покрова и морских льдов с вариациями полушарной приповерхностной температуры в годовом ходе при кросс-вейвлетном анализе отмечена статистически значимая отрицательная корреляция для наиболее долгопериодных междесятилетних вариаций. В последние годы проявляется значимая антикорреляция соответствующих межгодовых вариаций, в частности для вариаций с периодичностью около 5 лет, характерной для явлений Эль-Ниньо [48].

Данная работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Соглашения № 075-15-2020-776.

Список литературы

  1. IPCC, 2021: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte V., et al. (eds.)]. Cambridge Univ. Press. 2021.

  2. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. М.: Росгидромет, 2014. 1009 с.

  3. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 351 с.

  4. Мохов И.И. Диагностика структуры климатической системы. СПб: Гидрометеоиздат, 1993. 271 с.

  5. Захаров В.Ф. Морские льды в климатической системе. СПб: Гидрометеоиздат, 1996. 214 с.

  6. Кислов А.В. Климат в прошлом, настоящем и будущем. М.: МАИК “Наука/Интерпериодика”, 2001, 351 с.

  7. Метеорологические и геофизические исследования. М.: Paulsen, 2011. 352 с.

  8. Barry R., Gan T.Y. The global cryosphere: past, present and future. Cambridge Univ. Press, New York, NY, 2011, 472 p.

  9. Snow, Water, Ice and Permafrost in the Arctic (SWIPA) 2017. Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), Oslo, Norway. 2017. 269 p.

  10. Bindoff N.L., Stott P.A., AchutaRao K.M., Allen M.R., Gillett N., Gutzler D., Hansingo K., Hegerl G., Hu Y., Jain S., Mokhov I.I., Overland J., Perlwitz J., Sebbari R., Zhang X. Detection and Attribution of Climate Change: from Global to Regional / In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Stocker T.F., Qin D., Plattner G.-K., Tignor M., Allen S.K., Boschung J., Nauels A., Xia Y., Bex V., Midgley P.M. (eds.). Cambridge Univ. Press, Cambridge/New York, NY. 2013. P. 867–952.

  11. Формирование и динамика современного климата Арктики. Под ред. Г.В. Алексеева. СПб: Гидрометеоиздат, 2004. 265 с.

  12. Мохов И.И. Температурная чувствительность площади криосферы Северного полушария // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1984. Т. 20. № 2. С. 136–143.

  13. Groisman P.Ya., Karl T.R., Knight R.W., Stenchikov G.L. Changes of snow cover, temperature, and radiative heat balance over the Northern Hemisphere // J. Climate. 1994. V. 7. P. 1633–1656.

  14. Кренке А.Н., Китаев Л.М., Турков Д.В. Климатическая роль изменений снежного покрова в период потепления // Изв. РАН. Сер. геогр. 2001. № 4. С. 44–52.

  15. Шмакин А.Б. Климатические характеристики снежного покрова Северной Евразии и их изменения в последние десятилетия // Лед и снег. 2010. Вып. 1. С. 43–57.

  16. Мохов И.И., Семенов В.А., Хон В.Ч., Погарский Ф.А. Изменения распространения морских льдов в Арктике и связанные с ними климатические эффекты: диагностика и моделирование // Лед и снег. 2013. № 2 (122). С. 53–62.

  17. Мохов И.И. Современные изменения климата Арктики // Вестник РАН. 2015. Т. 85. № 5–6. С. 478–484.

  18. Alekseev G., Glok N., Smirnov A. On assessment of the relationship between changes of sea ice extent and climate in theArctic // Intern. J. Climatol. 2016. V. 36 (9). P. 3407–3412.

  19. Попова В.В., Ширяева А.В., Морозова П.А. Изменения характеристик снежного покрова на территории России 1950–2013 годах: региональные особенности и связь с глобальным потеплением // Криосфера Земли. 2018. Т. XXII. № 4. С. 65–75.

  20. Малинин В.Н., Вайновский П.А. К сравнению характеристик межгодовой изменчивости площади морского льда Северного и Южного полушария // Ученые записки РГГМУ. 2019. № 57. С. 77–90.

  21. Мохов И.И. Особенности современных изменений в Арктике и их последствий // Проблемы Арктики и Антарктики. 2020. Т. 66. № 4. С. 446–462.

  22. Мохов И.И., Парфенова М.Р. Особенности изменчивости антарктических и арктических морских льдов в последние десятилетия на фоне глобальных и региональных климатических изменений // Вопросы географии. 2020. Сб. 150. С. 304–319.

  23. Семенов В.А., Матвеева Т.А. Изменения арктических морских льдов в первой половине XX века: пространственно-временная реконструкция на основе температурных данных // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2020. Т. 56. № 5. С. 611–616.

  24. Мохов И.И., Парфенова М.Р. Связь протяженности антарктических и арктических морских льдов с температурными изменениями в 1979–2020 гг. // ДАН. Науки о Земле. 2021. Т. 496. № 1. С. 71–77.

  25. Мохов И.И., Парфенова М.Р. Изменения протяженности снежного покрова в Евразии по спутниковым данным в связи с полушарными и региональными температурными изменениями. // ДАН. Науки о Земле. 2021. Т. 501. № 1. С. 63–70.

  26. Мохов И.И. Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования // Вестник РАН. 2022. Т. 92. № 1. С. 3–14.

  27. Мохов И.И., Парфенова М.Р. Изменения протяженности снежного покрова в Северном полушарии по спутниковым данным в связи с температурными изменениями // Метеорология и гидрология. 2022. № 2. С. 32–44.

  28. Robinson D.A., Dewey K.F., Heim R.R.Jr. Global snow cover monitoring: an update // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1993. V. 74. P. 1689–1696.

  29. Estilow T.W., Young A.H., Robinson D.A. A long-term Northern Hemisphere snow cover extent data record for climate studies and monitoring // Earth Syst. Sci. Data. 2015. V. 7. P. 137–142.

  30. Fetterer F., Knowles K., Meier W.N., Savoie M., Windnagel A.K. Sea Ice Index, Version 3. Boulder, Colorado USA. NSIDC: National Snow and Ice Data Center. 2017 (updated daily). https://doi.org/10.7265/N5K072F8

  31. Hersbach H., Bell D. Berrisford P., Hirahara S., Horányi A., Muñoz-Sabater J., Nicolas J., Peubey C., Radu R., Schepers D., Simmons A., Soci C., Abdalla S., Abellan X., Balsamo G., Bechtold P., Biavati G., Bidlot J., Bonavita M., De Chiara G., Dahlgren P., Dee D., Diamantakis M., Dragani R., Flemming J., Forbes R., Fuentes M., Geer A., Haimberger L., Healy S., Hogan R.J., Hólm E., Janisková M., Keeley S., Laloyaux P., Lopez P., Lupu C., Radnoti G., de Rosnay P., Rozum I., Vamborg F., Villaume S., Thépaut J.-N. The ERA5 global reanalysis // Q. J. R. Meteorol. Soc. 2020. V. 146A (730). P. 1999–2049.

  32. Jevrejeva S., Moore J., Grinsted A. Influence of the Arctic Oscillation and El Nino – Southern Oscillation (ENSO) on ice conditions in the Baltic Sea: The wavelet approach // J. Geophys. Res. 2003. V. 108(D21). P. 4677. https://doi.org/10.1029/2003JD003417

  33. Robock A. The seasonal cycle of snow cover,sea ice and surface albedo // Mon. Wea. Rev. 1980. V. 108 (3). P. 267–285.

  34. Кукла Дж. Современные изменения площади снежного и ледяного покрова / В: Изменения климата. Под. Ред. Дж. Гриббина. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. С. 160–179.

  35. Curran R.J., Wexler R., Nack M.L. Albedo climatology analysis and the determination of fractional cloud cover. NASA Techn. Memorandum 79576, GSFC, Greenbelt, Maryland 20771. 1980. 45 p.

  36. Bulygina O.N., Groisman P.Ya., Razuvaev V.N., Korshunova N.N. Changes in snow cover characteristics over Northern Eurasia since 1966 // Environ. Res. Lett. 2011. V. 6. 045204 (10 p.)

  37. Foster J., Owe M., and Rango A. Snow cover and temperature relationships in North America and Eurasia // J. Clim. Appl. Meteorol. 1983. V. 22. P. 460–469.

  38. Brown R.D., Derksen C. Is Eurasian October snow cover extent increasing? // Environ. Res. Lett. 2013. V. 8, 024006 (7 pp.)

  39. Connolly R., Connolly M., Soon W., et al. Northern Hemisphere snow-cover trends (1967–2018): A comparison between climate models and observations // Geosci. 2019. V. 9. P. 135 (23 pp.). https://doi.org/10.3390/geosciences9030135

  40. Мохов И.И., Чернокульский А.В., Осипов А.М. Центры действия атмосферы Северного и Южного полушарий: особенности и изменчивость // Метеорология и гидрология. 2020. № 11. С. 5–23.

  41. Krenke A.N., Kitaev L.M. Impact of ENSO on snow cover in the formed Soviet Union // GEWEX News. 1998. V. 8. P. 5–16.

  42. Мохов И.И., Тимажев А.В. Атмосферные блокирования и изменения их повторяемости в XXI веке по расчетам с ансамблем климатических моделей // Метеорология и гидрология. 2019. № 6. С. 5–16.

  43. North G.R. Analytical solution to a simple climate model with diffuse heat transport // J. Atmos. Sci. 1975. V. 32 (7). P. 1301–1307.

  44. North G.R. Theory of energy-balance climate models // J. Atmos. Sci. 1975. V. 32 (11). P. 2033–2043.

  45. Голицын Г.С., Мохов И.И. Оценки чувствительности и роли облаков в простых моделях климата // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1978. Т. 14. № 8. С. 803–814.

  46. Мохов И.И. Реакция простой энергобалансовой модели климата на изменение ее параметров // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1979. Т. 15. № 4. С. 375–383.

  47. Manabe S., Stouffer R.J. Sensitivity of a global climate model in an increase of CO2 concentration in the atmosphere // J. Geophys. Res. 1980. V. 85 (C10). P. 5529–5554.

  48. Mokhov I.I., Parfenova M.R. Link of the Arctic and Antarctic sea ice extent with El Nino phenomena // Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling. E. Astakhova (ed.). 2019. Rep. № 49. WCRP Rep. № 12/2019. S.2. P. 11–12.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Физика атмосферы и океана

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал