Климатических изменений в полярных зонах Земли

УДК 551.583
Климатических изменений в полярных зонах Земли.
проф., д.г.н. Панин Г.Н.
тел.: (499) 135-5374, panin@aqua.laser.ru
Исследованы циклические особенности климатических изменений в полярных
зонах Земли, развивается новый подход к описанию возможных региональных и
глобальных климатических изменений, базирующийся на привлечении цифровой
информации об изменении угловой скорости вращения Земли в качестве
индикатора последних. Предложен новый сценарий возможных климатических
изменений в XXI столетии, базирующийся на композиции “парникового“ и
“ротационного” эффектов.
Многочисленные исследования указывают на возможность будущего потепления
климата, вызванного антропогенным ростом парниковых газов. Несмотря на бесспорные
успехи, достигнутые в последние годы в области численного моделирования климата,
предпринятые до настоящего времени попытки сравнения результатов численного
моделирования регионального климата с данными наблюдений часто представляются
весьма схематичными, и достоверность регионального прогнозирования, особенно
арктического, иногда вызывает сомнения. По крайней мере, троекратную смену направления
тенденций температуры в ХХ в. признанные модели не воспроизводят при моделировании
климата Арктики [1-4]. Для оценки антропогенных изменений климата проводятся
исследования взаимосвязи изменений температуры и содержания в атмосфере парниковых
газов, в частности, компонентов углеродного цикла. Такие оценки находятся в зависимости от
конкретных предположений о будущих изменениях парниковых газов и от конкретных
параметризаций и моделей, использующихся при анализе. Основное недоверие к результатам
прогнозирования изменений климата связано с тем, что современные модели дают
линейный или логарифмический рост температуры воздуха, и понижение температуры в
период с 1940-х – по 1970-е гг. не находит физического объяснения, т.к. рост концентрации
парниковых газов происходил непрерывно. Существующие объяснения вариации векового
хода глобальной и, в особенности, региональной температуры пока не представляются
убедительными. Следует заметить также, что при моделировании климатических изменений
в соответствии со сценариями Межправительственной группой экспертов изменения
климата (МГЭИК-IPCC), основное внимание уделяется отдаленной перспективе [4]. О
климатических же изменениях ближайших лет говорится с большей неопределенностью,
чем об их изменениях в отдаленной перспективе. Заметим, что проблемой изменения климата
полярных зон Земли, и, в особенности Арктики, занимаются давно и основательно [1, 2, 3, 5-10].
В настоящей работе основное внимание уделяется объяснению причин вариации
температуры, имевшей место в XX столетии, и, в особенности, похолодание в период с
1940-х – по 1970-е годы. Развивается концепция, позволяющая предложить новый сценарий
возможных климатических изменений в XXI столетии.
Инструментальные данные наблюдений свидетельствуют о наличии некоторых
тенденций роста и падения температуры приземного воздуха в Арктике, которые не
воспроизводятся в рамках численного моделирования климата. Данные температурных
1
изменений в Гренландии, восстановленные по изотопному составу ледяного керна за более
продолжительный период (130 лет), позволяют уже говорить о некоторой
квазипериодической природе изменения температуры в Арктике в XXI и XX столетиях.
Измеренные и восстановленные температуры хорошо согласуются между собой по
периодам роста и падения температуры. Период инструментальных измерений температуры
в Антарктиде значительно короче, чем в Арктике и поэтому были рассмотрены данные
палеоклиматических исследований ледяного керна на станции Восток [5]. Данные,
предварительно сглаженные скользящим фильтром по 9-ти точкам, иллюстрируют, что за
период более чем 200 лет в Антарктиде определенно выделяется квазипериодическая
составляющая изменения температуры.
В целом можно констатировать, что в полярных зонах Земли наблюдаются
некоторые квазипериодические колебания температуры, природа которых не установлена.
Взаимный спектральный анализ между температурными колебаниями в полярных зонах
показывает, что в значительной части (периоды больше ~10 лет) колебания в Арктике и
Антарктиде синфазны и когерентны (коэффициент когерентности достигает 0.6), что может
говорить о глобальном характере их изменений.
Спектральный анализ колебаний температуры в Арктике, Антарктиде и угловой
скорости вращения Земли выявил значимый пик на периоде 65 лет. Ранее уже отмечалось,
что в Северном полушарии наблюдаются климатические вариации подобного периода [1, 4,
5, 8], существование которых объяснялись вариациями в изменчивости системы океанатмосфера [11] . Следует заметить, что наряду с основным пиком энергии в спектрах
наблюдается и 30-ти и 9-ти летние пики. Энергия этих колебаний заметно ниже и поэтому
здесь пока остановимся на интерпретации основного пика.
Данные об угловой скорости вращения Земли, свидетельствуют, что в многолетнем
ряду (период около 350 лет) выделяются характерные периоды направленных ее изменений
продолжительностью около 30-35 лет. Так, например в ХХ веке с конца первого
десятилетия и до второй половины 30-х годов наблюдалось ускорение вращения Земли,
длительность Земных суток уменьшилась примерно на 4 мс. Затем, до 1971 года
происходило замедление вращения, длительность суток возросла примерно на 3 мс. С
середины 1970-х годов наблюдается примерно такое же по величине ускорение вращения
Земли.
Заметим, что попытки привлечь эту информацию к объяснению тех или иных
событий на Земле и объяснению природы этих изменений делались и ранее [12-14].
Анализ изменения угловой скорости вращения Земли на фоне отмеченных
климатических колебаний в обеих полярных зонах иллюстрирует, что ее изменения
достаточно хорошо (R=0.76) связаны с аномалиями температуры в северной полярной зоне
и неплохо (R=0.6) связаны с температурными изменениями в южной полярной зоне
(станция Восток). В изменении угловой скорости вращения Земли выделяются 30-35-ти
летние периоды, которые синфазны с изменениями температуры воздуха в Арктике и
находятся в противофазе с колебаниями атмосферного давления. Так или иначе, колебания
атмосферного давления, температуры и угловой скорости вращения Земли явно
подчиняются определенной цикличности, прослеживаемой в течение приблизительно 3-х
десятилетий, изменяясь в одну сторону, а затем в течение 3-х десятилетий в другую
сторону. Учитывая, что сведения об изменении угловой скорости вращения Земли
2
накоплены за период более 300 лет и, что эта цифровая информация может рассматриваться
как некоторый универсальный индикатор климатических изменений на Земле,
использование ее открывает дополнительную возможность для понимания природы
климатических изменений.
Данные показывают, что падение атмосферного давления в полярной зоне сопровождается
ростом температуры и соответствующим увеличением скорости вращения Земли. Известно,
что пониженный фон атмосферного давления является показателем циклонической погоды
и, что количество облачности обратно пропорционально величине атмосферного давления.
Подстилающая поверхность в полярных широтах в значительной степени, особенно в
зимнее время года, покрыта снегом. Альбедо облаков (0.5-0.6) меньше альбедо снега (0.70.9). Альбедо системы в этот период (период пониженного фона атмосферного давления)
занижено, что в целом приводит к относительному разогреву атмосферы в полярной зоне. В
тропической зоне атмосферное давление при этом возрастает, а количество облачности
уменьшается. Большая часть подстилающей поверхности на протяжении всего года в этих
широтах - поверхность океана, альбедо которого меньше чем альбедо облаков. Поэтому
альбедо климатической системы здесь также занижено. В итоге температура воздуха
увеличивается во всех широтах, особенно в полярных, и в зимнее время года, а в скорости
вращения Земли наблюдается период позитивной стадии. При этом температурный
градиент между высокими и низкими широтами уменьшается.
Рост атмосферного давления в полярных областях, и соответствующее уменьшение
облачности приводят к тому, что альбедо системы здесь возрастает, а температура воздуха и
скорость вращения Земли понижаются. В тропической зоне при этом давление падает, а
облачность увеличивается. Альбедо системы здесь становится большим и температура
понижается. При этом межширотный градиент температуры возрастает, а скорость
вращения Земли уменьшается.
Фактически показано, что при пониженной частоте появления меридиональной формы
циркуляции наблюдается ускорение вращения Земли и наоборот. Смена тенденций в
изменении давления и температуры, а соответственно и смена типа атмосферной
циркуляции, влекут за собой соответствующие изменения в угловой скорости вращения
Земли. На это указывают и результаты взаимного анализа данных температурных
изменений и угловой скорости вращения Земли, показавших, что смена тенденций в
неравномерности вращения Земли на 6 лет отстает от соответствующей смены тенденций
температурных изменений. Таким образом, генерирование климатической системой
“ротационного” отклика в длительных направленных изменениях угловой скорости
вращения Земли находят подтверждение. Учитывая, что смена указанных тенденций,
имеющих квазипериодический характер, происходит через 30 – 35 лет, привлечение
информации об угловой скорости вращения Земли открывает новые возможности
использования последней в качестве индикатора климатических изменений при
прогнозировании. По крайней мере, привлечение данных об угловой скорости вращения
Земли показывает, что фон линейного или логарифмического роста температуры воздуха в
21 веке может быть дополнен квазипериодическими составляющими ее колебания.
Очевидно, что формулировать сказанное выше можно в следующем виде:
T ( x, y, t )  TIPCC ( x, y, t )  Т ER ( x, y, t ) ,
(1)
3
где: T ( x, y , t ) - прогнозируемая температура приземного воздуха, TIPCC ( x, y, t ) - температура,
TER ( x, y, t ) - циклические изменения температуры
приземного воздуха, описываемые в рамках изменения угловой скорости вращения Земли,
как индикатора климатических изменений.
Выражение (1) перепишем в виде:
прогнозируемая МГЭИК ООН,
T ( x, y, t )  TIPCC ( x, y, t )  Т IPCC  F ( ER) ,
(2)
или в виде:
T ( x, y, t )  TIPCC  (1  F ( ER) ,
(3)
где F (ER) функция, которую следует найти.
В первом приближении можно предложить учитывать циклический, ротационный эффект в
виде:
T ( x, y, t )  TIPCC  (1  k sin  ) ,
(4)
где  - географическая широта, k – эмпирический коэффициент.
Из (4), в частности, следует, что в районе экватора ротационным эффектом можно
пренебречь.
Приведенные оценки, таким образом, показывают, что прогнозы изменений климата в ХХI
столетии с помощью численных моделей общей циркуляции атмосферы и океана, которые
дают линейную или логарифмическую зависимость между изменениями температуры
воздуха и концентрации парниковых газов в атмосфере, могут быть скорректированы, если
учесть циклические особенности изменения климатической системы (рис.1).
4
0
Аномалии Т, С
3
2
1
0
-1
-2
Измерения, Фролов и др., 2007
Сглаженные данные измерений по 9 точкам
IPCC (B1) + ER
1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120
Время, годы
Рис.1. Прогноз изменений глобальной температуры воздуха в северной полярной зоне с
привлечением численных моделей общей циркуляции атмосферы и океана (сценарий IPCC-B1) и с
учетом циклических особенностей изменения климатической системы
4
Новый сценарий возможных климатических изменений полярных зон в XXI столетии,
базирующийся на композиции “парникового“ и “ротационного” эффектов (рис. 1)
фактически представляет собой линейный рост температуры, который усложнен
квазипериодическими изменения с периодом 30-35 лет. С удалением от полюсов амплитуда
квазипериодических колебаний должна уменьшаться и с приближением к тропической зоне
прогноз изменения температуры практически не будет отличаться от прогноза МГЭИК
(IPCC).
Литература
1. Bengtsson L., Semenov V. A., Johannessen O. M. // Journal of Climate. 2004. P. 40454057.
2. Folland C. K., Rayner N. A., Brown S. J., Smith T. M., Shen S. S. P., Parker D. E.,
Macadam I., Jones P. D., Jones R. N., Nicholls N. and Sexton D. M. H. //. Geophysical
Research Letters. 2001.V. 28. P. 2621-2624.
3. Johannessen O. M., Bengtsson L., Miles M. W., Kuzmina S. I., Semenov V. A., Alekseev G.
V., Nagurnyi A. P., Zakharov V. F., Bobylev L., Pettersson L. H., Hasselmann K., Cattle H.
P. //Tellus. 2004 V. 56A. P. 328 –341.
4. Панин Г.Н., Выручалкина Т.Ю., Соломонова И.В. // Известия РАН. Серия
географическая. 2008. №6. С. 31-41
5. Фролов И.Е., Гудкович З.М., Карклин В.П., Ковалев Е.Г., Смоляницкий В.М. Научные
исследования в Арктике, том 2 Климатические изменения ледяного покрова морей
Евразийского шельфа. С-П.: Наука, 2007. 135 с.
6. http://www.ipcc.ch/. The Physical Scientific Basis. – IPCC. 2007.
7. Parker D.E., Jones, P.D., Folland C.K. and Bevan A.// Journal of Geophysical Research.
1994. V. 99. P. 14373-14399.
8. Polyakov I. V., Bekryaev R.V., Alekseev G. V., Bhatt U., Colony R. L., Johnson M. A.,
Makshtas A. P., Walsh D.// Journal of Climate. 2003. V. 16. P. 2067-2077.
9. Rayner N. A., Parker D. E., Horton E. B., Folland C. K., Alexander L. V. ,Rowell D. P.,
Kent E. C., Kaplan A.// Journal of Geophysical Research. 2003. V. 108. P. 201-222.
10. Мохов И.И., Семенов В.А., Хон В.Ч. //Известия РАН. Физика атмосферы и океана.
2003. Т. 39. N2. С. 150-165.
11. Schlesinger M.E., Ramankutty N. // NATURE. 1994. V.367. P. 723-726.
12. Парийский Н.Н. // Труды ГЕОФАНа. 1953. Т.19 (146). С. 53-102.
13. Рудяев Ф.И. // Докл. РАН.1998.Т.357. N6. С.823-825.
14. Сидоренков Н.С., Свиренко П.И. //Тр. ГМЦ. 1991. Вып. 316. С. 93-105.
15. Голицын Г.С., Дзюба А.В., Осипов А.Г., Панин Г.Н., 1990.// ДАН ССР, т. 313. № 5. С.
1224 - 1227.
5