Статья: Тенденции климатических изменений термических условий моря Лаптевых за последние 37 лет

Тенденции климатических изменений термических условий моря Лаптевых за последние 37 лет

И.Д. РОСТОВ, Е.В. ДМИТРИЕВА, А.А. ВОРОНЦОВ

Аннотация

температура море климат вода

По данным срочных наблюдений на гидрометеорологических станциях Росгидромета за 1981--2017 гг. и реанализа Ы0АА_01_88Т_У2 изучена межгодовая изменчивость температуры воздуха и воды на поверхности моря Лаптевых на современном этапе потепления климата. С использованием эмпирических ортогональных функций, методов кластерного и корреляционного анализа исследована пространственно-временная структура колебаний температуры. Средние климатические тренды за 10 лет оцениваются для температуры воздуха величиной +0,75 °С, а для температуры воды -- +0,35 ⁰С (для летнего сезона). Установлены причинно-следственные связи этих изменений с вариациями составляющих поля ветра и климатическими индексами. Уточнена количественная оценка современных тенденций и региональных особенностей межгодовой изменчивости термическихусловий в море Лаптевых в сравнении с сопредельными районами восточной Арктики.

Ключевые слова: море Лаптевых, прибрежные воды, прилегающие акватории, термические условия, межгодовая изменчивость, тренды температуры, климатические индексы, корреляционные связи, разложение полей по ЭОФ, региональные особенности.

Annotation

Tendencies of climatic changes for thermal condition of the Laptev Sea in the last 37 years. I.D. ROSTOV, E.V. DMITRIEVA (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok), A.A VORONTSOV (All Russian Research Institute of Hydrometeorological Information. World Data Center, Obninsk).

Air and sea surface temperature (SST) year-to-year variability in recent conditions of climatic warming was studied for the Laptev Sea on the data of regular observations on meteorological stations in 1981--2017 and NOAA_OI_SST_V2 reanalysis data. Space-temporal structure of temperature field was analyzed using the methods of Empirical Orthogonal Functions (EOF), cluster analysis and correlation analysis. Mean climatic trends are estimated for the air temperature as +0.75 °C/decade and for SST as +0.35 °C/decade (for hot season). Cause-and-effect relationships of these changes with variations of the wind field components and climatic indexes are established. Quantitative assessment of current trends and regional features of the year-to-year variability of thermal conditions in the Laptev Sea in comparison with the adjacent areas of the Eastern Arctic are specified.

Key words: the Laptev Sea, nearshore waters, adjacent waters, thermal conditions, year-to-year variability temperature trends, climate indices, correlation relations, EOF analysis, regional features.

Основная часть

Происходящие на рубеже ХХ-ХХІ вв. изменения климата отчетливо проявляются в Арктике, где потепление происходит быстрее, чем в мире в целом. Эти изменения влекут за собой масштабные экологические и экономические последствия и определяются рядом причин, среди которых - астрономические факторы, крупномасштабные планетарные процессы и др. [1, 2, 6, 7, 11, 12]. В последнее время наблюдается ускорение деструктивных процессов в ледяном покрове Арктики, в результате чего море поглощает больше солнечной энергии летом. Осенью часть накопленного тепла возвращается в атмосферу, смягчая климат региона. Наибольший рост температуры вод отмечается в восточном секторе Арктики: 4 % в год период с 1979 по 2005 г. [15, 17]. Высокоширотное положение, большая удаленность от Атлантики и Тихого океана делают море Лаптевых одним из самых суровых [3, 16], что отражается в изменениях характеристик его термического режима в период общего потепления климата.

Цель настоящей работы - уточнить тенденции, количественные характеристики и возможные причинно-следственные связи межгодовых изменений термических условий моря Лаптевых за последние 37 лет и сравнить полученные результаты с оценками по другим морям азиатской части России.

Материал и методы

Для анализа межгодовых изменений термических условий использовались проконтролированные данные измерений температуры воды и воздуха на гидрометеостанциях (ГМС) Росгидромета за период 1981-2017 гг. (http://meteo.ru). Выбранные ГМС расположены на материковом побережье и Новосибирских островах в полосе широт 71,5-76° с.ш. (рис. 1), что позволяет получить сопоставимые оценки региональных особенностей межгодовой изменчивости температур. Отобранные ряды охватывали весь указанный период наблюдений и имели минимальное количество пропусков, которые были восстановлены с помощью статистических методов [10].

Рис. 1 Схема расположения станций наблюдений и выделенных районов в море Лаптевых: СВР - северо-восточный, ЗР - западный и ЮВР - юго-восточный. Номера и расположение ГМС см. в табл. 1

По данным срочных наблюдений были рассчитаны средние месячные, сезонные и годовые значения, что обеспечило получение сглаженных, относительно однородных рядов межгодовых изменений приземной температуры воздуха (Ta) и температуры воды (Tw) за июнь-октябрь. С учетом наличия данных, продолжительности ледового периода и особенностей внутригодового хода Та и Tw были выделены условно теплый (июнь-октябрь) и условно холодный (ноябрь-апрель) сезоны.

В работе использованы данные реанализа поверхностной температуры Twr (SST) на регулярной сетке и поля ветра по морю Лаптевых и прилегающим районам восточной Арктики, а также климатические (циркуляционные) индексы (КИ): индекс Тихоокеанского декадного колебания (PDO), индекс Южного (SOI) и Арктического колебаний (AO), региональный индекс летнего Охотоморского максимума (OKH), Западно-Тихоокеанский (WP) и Северо-Тихоокеанский (NPI) индексы, индексы Северо-Атлантического (NAO) и Атлантического мультидекадного (AMO) колебаний (сайты NOAA - http://www.cpc.ncep. noaa.gov и https://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/getpage.pl). В качестве вспомогательной информации были использованы сведения о ледовитости морей Национального ледового центра США (http://www.natice.noaa.gov/) и другие данные [4, 6].

Тренды оценивались для временных рядов, включающих среднегодовые значения наблюдаемых параметров и значения их аномалий, определяемых как отклонение от средней величины за все годы 30-летнего периода (1984-2013 гг.). В качестве критического значения коэффициента корреляции на 5%-м уровне значимости линейного тренда была принята величина 0,33 (коэффициент детерминации R² > 0,11).

Структура межгодовых изменений Twr и поля ветра исследовалась с использованием метода разложения множества рядов (полей) на главные компоненты, или эмпирические ортогональные функции (ЭОФ). С использованием данных реанализа поля температуры воды на поверхности моря по трем главным компонентам ЭОФ методами кластерного анализа [10, 13] были выделены три относительно обособленных по характеру климатических изменений района: расположенные на северо-востоке (СВР), западе (ЗР) и юго-востоке (ЮВР) акватории моря Лаптевых (рис. 1).

Результаты исследования

Межгодовая изменчивость температуры воздуха и воды в прибрежно-островной зоне моря Лаптевых. Общее представление об особенностях межгодовых изменений Та в исследуемом районе дают количественные оценки, приведенные в табл. 1.

Таблица 1

Характер и тенденции межгодовых изменений температуры воздуха на ГМС Росгидромета в море Лаптевых

Примечание. КЛТ - коэффициент наклона линейного тренда, °С за 10 лет; D - вклад тренда в суммарную дисперсию, %; ЈТа - тренд за 1981-2017 гг., °С. Здесь и далее в таблицах полужирным шрифтом выделены значимые оценки тренда. Прочерк - отсутствие сопоставимых данных

На всех станциях тренды межгодовых изменений среднегодовых значений Та положительны во все сезоны. Среднегодовые величины КЛТ изменялись от 0,58 на юге до 0,89 ^оС за 10 лет на севере района, что свидетельствует о повсеместном возрастании температуры воздуха за последние 37 лет на величину от 2,1 до 3,3 ^оС (в среднем на 2,8 ^оС). В межгодовом ходе наибольшие величины трендов (1,48-1,97 ^оС за 10 лет) наблюдались в ноябре, с началом наступления полярной ночи, когда теплоотдача с поверхности моря резко возрастает [17]. По всем ГМС величина статистически значимого линейного тренда изменений Та как среднегодовой, так и за теплый период составила 0,75 ^оС за 10 лет, а вклад тренда в суммарную дисперсию (Б) был равен 41 %. В прибрежной зоне сопредельных Восточно-Сибирского и Чукотского морей величина тренда несколько выше - около 1,0 ^оС за 10 лет, а в дальневосточных морях значительно ниже: в Беринговом - 0,27, Охотском - 0,34, северной части Японского - 0,32 °С за 10 лет [9, 10].

Межгодовые изменения Та характеризуются тесными корреляционными связями ^ = 0,73-0,99). На рис. 2а, б приведены обобщенные кривые временного хода среднегодовых величин аномалий и накопленных аномалий Та на прибрежных ГМС.

Изменения среднегодовых величин отражают чередование теплых и холодных лет, а накопленных аномалий - низкочастотные составляющие и отдельные периоды в межгодовом ходе температуры, которые хорошо согласуются с изменениями ледовитости ^ = 0,64). В первую половину периода наблюдений преобладали отрицательные аномалии Та и положительные - ледовитости. В это время в сентябре от 50 до 90 % площади поверхности моря было покрыто ледяными полями различной сплоченности [4, 6]. В результате планетарных изменений на рубеже ХХ-ХХ1 вв. и произошедшего сдвига климатического режима [1, 7] в дальневосточных [9, 10] и арктических морях после 2000 г. наблюдается фаза устойчивого накопления положительных аномалий Та и отрицательных - ледовитости (рис. 2б).

Рис. 2 Межгодовая изменчивость аномалий (а, в, д) и накопленных аномалий (б, г, е) температуры воздуха (7 - ДТа, среднегодовые) и ледовитости (2 - Лісе, сентябрь, нормализованные значения) в море Лаптевых (а, б), температуры воды (ДТw) в теплый период на ГМС (в, г) и в выделенных районах (д, е): 3 - СВР, 4 - ЗР, 5 - ЮВР Показаны диапазоны колебаний и линии тренда

Таблица 2

Характер и тенденции межгодовых изменений температуры воды на ГМС и в выделенных районах в теплый период года за 1981--2017 гг.

Примечание. о² - дисперсия; КЛТм - максимальная величина КЛТ (в скобках - месяц); остальные обозначения см. в табл. 1

Рассмотрим особенности межгодовой изменчивости температуры воды на ГМС и в выделенных районах моря Лаптевых. Оценки изменений Tw (Twr) межгодовых и в теплый период года приведены в табл. 2.

На всех станциях отмечаются статистически значимые положительные тренды, с которыми связано возрастание Tw в прибрежной зоне за исследуемый период на величину от 0,8 до 1,5 ^оС (в среднем на 1,2 ^оС). В центрах кластеров выделенных морских районов величины тренда несколько меньше, а максимальное значение (0,36 °С за 10 лет) наблюдалось в СВР. В других районах положительные тренды незначимы. В среднем для акватории моря КЛТ = 0,15 °С за 10 лет при высокой корреляции изменений Tw с колебаниями ледовитости (Д = 0,7). Максимальные положительные тренды как на ГМС (до 0,82 °С/10 лет), так и в выделенных районах (до 0,66 °С/10 лет) наблюдались в августе-сентябре. При осреднении данных по всем ГМС оценка статистически значимого КЛТ изменений Tw в теплый сезон составила 0,35 °С за 10 лет. По нашим данным [9, 10], в прибрежной зоне других морей восточной Арктики эта величина примерно в 2 раза выше, а в дальневосточных морях - ниже: в Беринговом - 0,16, Охотском - 0,34 °С за 10 лет. Данные по температуре воды на ГМС отражают локальные особенности термического режима отдельных участков прибрежных акваторий, включая мелководные бухты, подверженные отепляющему влиянию стока рек, поэтому приведенные оценки отличаются от аналогичных величин для районов открытого моря. Однако связь колебаний Тw между отдельными ГМС и Тот в центрах кластеров двух выделенных районов (СВР и ЮВР), как правило, высока (Д = 0,5-0,8). Межгодовые флуктуации Tw и Та на всех ГМС также характеризуются сильными корреляционными связями (Д = 0,8). На кривых накопленных аномалий Tw и Та на ГМС (рис. 2б, г) выделяются точки перегиба, соответствующие двум фазам чередования относительно холодных и теплых периодов на фоне общего потепления. На рис. 2д, е хорошо заметны различия в интенсивности (размах колебаний) и характере протекания (синхронность колебаний) этого процесса, а также несинхронность времени наступления второй фазы в выделенных районах.

Исходя из соотношения среднегодовых аномалий Tw и их стандартных отклонений [5] были выделены годы, соответствующие пяти тепловым режимам вод. Результаты расчетов приведены в виде диаграммы для станций и выделенных районов (рис. 3).

Рис. 3 Чередование периодов аномально теплых (АТ), теплых (Т), нормальных (Н), холодных (Х) и аномально холодных (АХ) лет на ГМС в прибрежной зоне и в выделенных районах моря Лаптевых. На левой вертикальной оси приведены номера станций и обозначения районов