А. И. Данилов, В. Е. Лагун, А. В. Клепиков, В. М. Катцов, С. Б. Вавулин. Текущие изменения климата Антарктики и сценарии его будущих изменений

УДК 551.582(210):551.58.001.57

Проведение Первого глобального эксперимента ПИГАП (1978-1979 гг.) и построение на основе его наблюдательной сети схемы глобального реанализа открыло новые возможности в исследовании климатической изменчивости, построении и совершенствовании моделей общей циркуляции атмосферы. К настоящему времени наиболее известны 52-летний (1948-2002 гг.) архив Национального центра по прогнозированию окружающей среды/Национального центра атмосферных исследований (NCEP/NCAR) и 40-летний (1958-1998 гг.) архив Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF). Однако указанные архивы данных реанализа имеют значительные погрешности в восстановлении метеорологических элементов в Южной полярной области. Например, при построении архива NCEP/NCAR из-за упрощенного описания гравитационных волн модельные поля осадков оказались нереальными. В схеме ECMWF шельфовые ледники рассматриваются как морской лед, что приводит к значительному завышению приземной температуры и испарения по сравнению с наблюдаемыми значениями. Причиной неудовлетворительного описания антарктической атмосферы в современных климатических архивах является не только редкая сеть станций, но и недоступность надежных исторических архивов данных метеорологических измерений.

Для устранения последнего недостатка в ААНИИ создана база данных по климату атмосферы [Лагун, 2001], построенная на основе российских и зарубежных антарктических станций. База включает данные приземных и высотных измерений с оценкой полноты исходных данных, с выполнением контроля за качеством данных и с учетом изменения параметров измерительных комплексов. Для построения указанной базы данных собраны результаты срочных наблюдений основных метеорологических элементов на станциях всех стран, проводящих исследования в Антарктике, за период инструментальных измерений, включая данные 44 метеорологических, 46 автоматических и 20 аэрологических станций. Организационная поддержка Научного комитета антарктических исследований (SCAR) в рамках проекта READER (Reference antarctic Data for Environmental Research) обеспечила доступ к национальным архивам данных и унификацию методики первичной обработки информации.

Параметры линейного тренда среднегодовых изменений приземной температуры, характеризующие преобладающие тенденции ее межгодовых изменений за период инструментальных наблюдений в различных районах Антарктиды, приведены в табл. 1. Коэффициенты линейных трендов вычислены по методике, предложенной Б. Сантером с коллегами [Santer et al., 2000] в пределах 95% доверительного интервала.

Из анализа табл. 1 следует, что проявление так называемого "глобального потепления" в Южном полушарии наиболее отчетливо зафиксировано в районе Антарктического п-ова [Лагун, Маршалл, 2001; Marshall et al., 2002]. В Восточной Антарктиде статистически значимых тенденций не наблюдается, а в континентальной части Антарктиды зафиксировано незначительное похолодание. Потепление в районе Антарктического п-ова происходило одновременно с уменьшением площади распространения морского льда в море Беллинсгаузена к западу от полуострова [King, Harangozo, 1998] и также сопровождалось откликом в региональных морских и материковых экосистемах, индикаторами которых служат изменения в ареалах распространения лишайников и пингвинов.

Для количественного изучения механизмов формирования климатической изменчивости в Антарктике необходима информация о статистической структуре полей метеорологических элементов. Например, по данным российской антарктической станции Беллинсгаузен, на которой приземные измерения проводятся в течение 35 лет (с 22 февраля 1968 г.) на одной и той же метеорологической площадке, характеристики межгодовой изменчивости определены с учетом модуляции годового хода в диапазоне межгодовых и сезонных вариаций изменчивости синоптического масштаба [Лагун, Иванов, 2001]. В табл. 2 приведены оценки средних значений приземного давления и температуры и их "дисперсии при различных масштабах осреднения исходных данных, вычисленные на основе однородных рядов приземных измерений на станции Беллинсгаузен с дискретностью 6 ч. Из анализа табл. 2 следует, что основной вклад в суммарную дисперсию вносит межсуточная и внутригодовая изменчивость, причем, если для температуры межсуточная изменчивость объясняет более 50% дисперсии, то для давления - менее 20%. Вклад изменчивости среднегодовых значений в суммарную дисперсию составляет менее 5%. Однако межгодовая изменчивость не исчерпывается изменениями среднегодовых значений. Вклад внутрисуточной изменчивости в суммарную дисперсию также невелик. Для температуры и давления он составляет менее 10% дисперсии, но особенности изменчивости в низкочастотных по отношению к суточному ходу диапазонах целесообразно рассматривать с учетом времени суток. Это может оказаться полезным, например, при формулировании гипотез о природе трендов межгодовой изменчивости.

(Примечания: N - число членов ряда; D_d, D_m, D_y - дисперсии для соответствующих периодов осреднения, размерность дисперсии - (°С)2 и (гПа)²)

Приземное потепление над Антарктическим п-овом совпадает с изменениями температуры в толще тропосферы. Информационную основу анализа тропосферного тренда в этом регионе составляет 44-летний архив данных температуры на уровне 500 гПа для периода 1956-1999 гг. [Marshall, 2001; Marshall et al., 2002]. Поскольку программа аэрологических измерений на станции Фарад ей была завершена в 1982 г., то для пополнения набора данных о температуре воздуха использованы результаты радиозондирования на находящихся на полуострове станциях Беллинсгаузен (до 1999 г.) и Марамбио (по настоящее время). Среднегодовые значения температуры воздуха на уровне 500 гПа и соответствующие им линейные тренды температуры воздуха над Антарктическим п-овом приведены на рис. 1, а, где также для сопоставления приведены среднегодовые значения поверхностной температуры воздуха и соответствующие им линейные тренды для ст. Фарадей/Вернадский с таковыми в приземном слое. На уровне 500 гПа наблюдается статистически значимое (<1% уровень значимости) потепление около 1,5 °С для периода 1956-1999 гг., что составляет почти 60% от величины приземного потепления.

Тенденция потепления тропосферы над Антарктическим п-овом согласуется с изменением индекса антарктической осцилляции (ААО) [Thompson, Wallace, 1998], вычисленного по данным реанализа NCEP/NCAR для каждого месяца за период 1958-2002 гг. (рис. 1, б). Совпадение тенденций межгодовой изменчивости динамического индекса ААО и параметров термического режима атмосферы над Антарктическим п-овом свидетельствует о том, что выраженное региональное потепление может быть связано с преобладающими изменениями циркуляционных условий в Южном полушарии. Увеличение повторяемости меридиональных форм крупномасштабной циркуляции в последние два десятилетия приводит к систематическому поступлению теплых воздушных масс с севера в район Антарктического п-ова. Возможное влияние океанических процессов на формирование приземного потепления над Антарктическим п-овом состоит в увеличении количества сравнительно теплых глубинных вод, поступающих от Антарктического циркумполярного течения, вовлекающихся в циркуляцию моря Беллинсгаузена и вызывающих таяние морского льда в результате интенсификации конвективных процессов. Сокращение площади морского льда в море Беллинсгаузена позволяет теплым циклонам с севера еще дальше проникать на юг, что в свою очередь может приводить к повышению поверхностной температуры на станциях Антарктического п-ова.

На рис. 2 приведены межгодовые и внутригодовые изменения температуры воздуха, осредненной для станций Фарадей, Беллинсгаузен и Марамбио, для уровня 100 гПа. Из анализа рис. 2 следует, что в последнее десятилетие XX века средняя температура в нижней стратосфере над Антарктическим п-овом понизилась в осенне-летние месяцы на 4-5° по сравнению с условиями 1970-х и 1980-х годов, что сопровождается понижением общего содержания озона в регионе, зафиксированным на станции Фарадей/Вернадский. Отмеченное выше похолодание в нижней стратосфере (на уровне 150-100 гПа), по-видимому, связано с изменением радиационного форсинга, которое вызвано уменьшением содержания озона и ростом концентрации углекислого газа. Для количественного объяснения сезонного хода температуры воздуха в стратосфере, в особенности формирования мощной летней инверсии, необходима оценка относительного вклада радиационного нагрева, динамических факторов и процессов озоногенеза [Thompson, Solomon, 2002]. Это стало возможно в последние годы благодаря построению трехмерных моделей общей циркуляции атмосферы с интерактивным описанием фотохимических процессов.

Временной ход температуры на уровне 850 гПа по данным станции Мирный за последнее двадцатилетие показан на рис. 3, который демонстрирует сложную квазициклическую структуру межгодовых флуктуации температуры. Указанная структура межгодовой изменчивости может быть связана с полугодовыми колебаниями и явлением Эль-Ниньо - Южное колебание, поскольку экстремальные значения зимних и летних температур, как правило, приходятся на годы аномального развития Эль-Ниньо.

Приведенные выше примеры изменения параметров термического режима атмосферы показывают сложную пространственную структуру климатической изменчивости в Антарктиде. Из 15 континентальных станций, имеющих представительные ряды измерений, для 12 станций обнаружен тренд потепления при анализе средних годовых значений температуры, а для трех станций - тренд похолодания. При этом только на трех станциях отмеченные тенденции межгодовых колебаний являются статистически значимыми. Среди крупномасштабных циркуляционных процессов в Южной полярной области доминирует антарктическая осцилляция, определяющая как изменчивость преобладающего массопереноса в тропосфере и нижней стратосфере, так и изменения в положении и интенсивности циркумполярного вихря. Высокая корреляция между трендами озона, температуры воздуха в стратосфере и индексами циркуляции обусловливает необходимость дальнейшего совместного анализа термических, динамических и фотохимических параметров атмосферы Южной полярной области на основе наиболее полных массивов данных измерений и математического моделирования.

В настоящее время основным и одновременно наиболее перспективным инструментом оценки возможных изменений климата в будущем являются трехмерные глобальные климатические модели или, точнее, объединенные модели общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО), основанные на дифференциальных уравнениях в частных производных, решаемых методами вычислительной математики с использованием быстродействующих компьютеров. Тремя важнейшими источниками неопределенности оценок возможных в будущем изменений климата с помощью МОЦАО являются: 1) различия сценариев будущих эмиссий парниковых газов (ПГ) и аэрозолей, а также преобразования эмиссий в атмосферные концентрации и в радиационное воздействие на модельную климатическую систему; 2) различия чувствительности модельных климатических систем к одинаковым внешним воздействиям и 3) недостаточно высокое разрешение МОЦАО, порождающее неопределенность в оценках региональных и локальных изменений климата, а также различия в методах так называемого "даунскейлинга" (пространственно-временной детализации) результатов расчетов с помощью МОЦАО.

Последний набор сценариев будущих эмиссий ПГ и аэрозолей, разработанный Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) и представленный в Специальном докладе о сценариях выбросов (СДСВ) [Сценарии выбросов..., 2000], включает четыре основные сюжетные линии, в рамках которых предложено шесть демонстрационных сценариев. Общее же число сценариев составляет 40. Сюжетная линия и связанные с ней сценарии основаны на различных гипотезах о будущем мировом развитии. Мировое развитие определяется демографическими, экономическими и технологическими факторами, от которых в свою очередь зависят интенсивность использования ископаемого топлива и выбросы в атмосферу ПГ и аэрозолей. Следует отметить, что реализации того или иного сценария СДСВ не приписывается какая-либо вероятность, поэтому говорить о наиболее вероятном сценарии нельзя. В расчетах с современными МОЦАО наиболее часто используются сценарии А2 и В 2 (в соответствии с номенклатурой СДСВ). Реализация сценария эмиссий А2 приведет к более сильному глобальному потеплению в конце XXI века, нежели реализация сценария В2. В то же время до середины XXI века различия между этими сценариями, по крайней мере с точки зрения оценок глобального потепления, невелики. Согласно последнему (третьему) отчету первой рабочей группы МГЭИК [McAvaney et al., 2001], см. также [Израэль и др., 2001], для пространственных масштабов - от глобального до субконтинентального - современные МОЦАО позволяют удовлетворительно воспроизводить наблюдаемые средние годовые значения и сезонный ход большинства характеристик (прежде всего атмосферных), представляющих интерес с точки зрения изменения климата. Облачность и влажность атмосферы продолжают оставаться при этом источником наибольшей неопределенности. Улучшилось воспроизведение океанскими компонентами МОЦАО меридионального переноса тепла, температуры поверхности океана и структуры термоклина. Но остаются значительные проблемы, связанные с воспроизведением западных пограничных течений, конвекции, вихрей, формирования Антарктической придонной воды и т.п. Несмотря на значительный прогресс в моделировании морского льда (при заданном атмосферном воздействии), соответствующие компоненты МОЦАО относятся к числу наименее благополучных - большая часть моделей использует упрощенные термодинамические параметры морского льда, зачастую без учета его динамики. Между тем включение в ледовые компоненты МОЦАО более совершенных динамических схем не приводит к улучшению воспроизведения ключевых характеристик ледяного покрова, что объясняется в первую очередь систематическими ошибками в расчетных полях приземного ветра. Оставляют пока желать лучшего модельные описания и других компонентов криосферы, таких как снежный покров суши, вечномерзлые грунты, ледники и др.

Существует ряд нерешенных проблем, связанных с описанием обратных связей в МОЦАО [Stocker et al., 2001]. Обратные связи могут усиливать или подавлять начальное возмущение в климатической системе и поэтому играют исключительно важную роль в эволюции климата. В современных исследованиях обратных связей в климатической системе широко используются объединенные модели общей циркуляции атмосферы/верхнего слоя океана/морского льда. При этом обычно рассматривается равновесная реакция климатической системы на удвоение атмосферной концентрации СO₂. Разброс оценок глобального потепления в таких экспериментах составляет 1,5-4,5 °С. Основной вклад в эту неопределенность вносят модельные описания обратных связей между потеплением климата и изменениями облачности и радиации, содержания водяного пара в атмосфере, а также альбедо подстилающей поверхности (прежде всего за счет изменения площади морского льда и снежного покрова суши). Так, в экспериментах с одной и той же версией модели Главной геофизической обсерватории (ГГО) использование разных схем параметризации конвективного переноса в атмосфере при удвоении концентрации С02 привело к разбросу оценок глобального потепления от 2,2 до 4,3 °С, причем в разных экспериментах облачно-радиационная обратная связь имела разный знак [Мелешко и др., 2000].

Выбор тех или иных МОЦАО для использования в построении сценариев изменений климата является непростой задачей, учитывая все возрастающее количество климатических моделей, формально пригодных для этого. Анализ качества современных МОЦАО показал, что ни одна из них не может быть признана лучшей [McAvaney et al., 2001], поэтому для оценок возможных в будущем изменений климата следует использовать ансамбль из нескольких моделей. К критериям, которым МОЦАО в этом случае должны удовлетворять, относятся: время создания используемой версии модели; разрешение; качество и репрезентативность результатов расчетов, а также доступность этих результатов.

Для оценки возможных в XXI веке изменений климата Антарктики в соответствии с перечисленными критериями были отобраны пять МОЦАО: две европейские (Центра климатических исследований Хэдли (Великобритания), и Метеорологического института Макса Планка (Германия)) и три североамериканские (Канадского климатического центра, а также Национального центра атмосферных исследований и Лаборатории геофизической гидродинамики, США). Основные характеристики этих МОЦАО можно найти, например, в работе В.М. Катцова и др. [2003]. Все пять моделей широко известны, хорошо документированы и участвуют в крупнейших международных проектах сравнения моделей, а результаты расчета неравновесной реакции климата на изменения химического состава атмосферы, сделанного с их помощью, включая предшествующие СДСВ сценарии эмиссий, на протяжении нескольких лет содержатся в архиве МГЭИК, который постоянно пополняется новыми модельными данными и общедоступен через Интернет [http://www.dkrz.de/ipcc/ddc/html/dkrzmain.html].

Все обсуждаемые ниже оценки климатических изменений получены для сценария эмиссии В2 СДСВ. Расчеты климата в XXI веке с помощью ансамбля из пяти МОЦАО указывают на рост температуры и осадков в Антарктике (особенно зимой). На рис. 4 и 5 показаны сглаженные с помощью пятилетнего скользящего осреднения среднегодовые изменения температуры воздуха у поверхности земли (ТВП, °С) и осадков (%) над Антарктидой в течение XXI века по отношению к базовому климатическому периоду 1981-2000 гг. Под базовым климатом подразумевается модельный "современный климат", относительно которого оцениваются в дальнейшем все будущие изменения.

Как видно, расчеты характеризуются значительным разбросом не только в средних значениях изменений ТВП и осадков, но и в межгодовой изменчивости. При этом разброс между оценками изменений климата, полученными в разных моделях, сравним с абсолютными значениями изменений в любой отдельно взятой модели.

В среднем для пяти МОЦАО к середине XXI века (2041-2060 гг.) повышение среднегодового значения ТВП Антарктиды составляет 1,5 °С, а к его концу (2071-2090 гг.) - 2,4 °С. Географическое распределение среднегодовых изменений ТВП в Антарктике к середине XXI века, а также соответствующий разброс между оценками изменений, полученными с помощью разных МОЦАО, показан на рис. 6: очевидно, что наибольшие изменения ТВП (локально - до 2 °С) связаны с изменениями ледяного покрова Южного океана. Наибольшие различия между модельными оценками изменения температуры приходятся на южные области Южного океана, а также на материковую часть Антарктики. По-видимому, основными причинами большого разброса являются различия в изменениях распределения морского льда, а также различия в представлении орографии Антарктиды моделями с разным пространственным разрешением.

Изменения средней годовой площади Южного океана, покрытой льдом, в среднем для пяти моделей к середине XXI века составляет 9,1% при разбросе между моделями от 20 до -3,6% (в одной из моделей изменение площади льда немонотонно: увеличение к середине XXI века сменяется уменьшением к его концу). Разумеется, относительные изменения протяженности ледяного покрова определяются его протяженностью в базовом климатическом периоде, которая значительно различается в моделях.

В среднем для пяти МОЦАО среднегодовое количество осадков над Антарктидой для сценария В2 возрастает на 5% к середине XXI века и на 9% к его концу. Географическое распределение изменения осадков отличается пестротой. Увеличение количества осадков над Антарктидой при потеплении климата может быть отчасти обусловлено изменениями динамики атмосферы - ослаблением циклонической активности над большей частью Южного океана и смещением к югу путей циклонов, окружающих Антарктиду, что в свою очередь может быть вызвано сокращением площади ледяного покрова Южного океана [Катцов и др., 1997].

Полученные оценки изменений компонентов пресноводного бюджета Антарктиды позволяют оценить ее вклад в изменение уровня Мирового океана при потеплении климата. Неопределенность в эти оценки вносит неизвестный расходный компонент бюджета массы ледника - сток в виде айсбергов. Надлежащее описание этого процесса в МОЦАО потребовало бы использования динамических моделей ледяных щитов (по-видимому, с весьма высоким пространственным разрешением), что с учетом характерных временных масштабов эволюции ледников было бы сопряжено с большими дополнительными затратами вычислительных ресурсов. Увеличение осадков при мало меняющихся "расходных" компонентах бюджета массы антарктического ледяного щита - испарении и таянии - подтверждают ранее выдвигавшееся предположение о возможной "компенсирующей" роли Антарктиды в повышении среднего уровня Мирового океана при глобальном потеплении (в отличие, например, от Гренландии, где результатом роста концентрации ПГ является уменьшение массы ледяного щита за счет таяния, что соответственно способствует повышению уровня океана).

Литература

Израэль Ю. А., Груза Г. В., Катцов В. М., Мелешко В. П. Изменения глобального климата. Роль антропогенных воздействий//Метеорология и гидрология. 2001. № 5. С. 5-21.

Катцов В. М., Вавулин С. В., Говоркова В. А., Павлова Т. В. Сценарии изменений климата Арктики в 21-м веке/Дам же. 2003. № 10. С. 5-19.

Катцов В. М., Мелешко В. П., Алексеев Г. В. и др. Влияние сплоченности ледяного покрова океана на изменчивость атмосферы в высоких широтах//Там же. 1997. № 4. С. 43-54.

Лагун В. Е. База данных наблюдений за состоянием атмосферы Южной полярной области//Тез. докл. Междунар. конф. по моделированию, базам данных и информ. системам для атмосферных наук "MODAS-2001", 25-29 июня 2001 г./Ин-т оптики атмосферы СО РАН. Иркутск, 2001. С. 13-14, http://symp.iao.ru/russ/?dm=modas/1&fm=menu&dc=modas/1/h&fc=r013189

Лагун В. Е., Иванов Н. Е. О статистической структуре поля приземной температуры воздуха и давления на уровне моря в районе Антарктического полуострова (по данным российской станции Беллинсгаузен)//Состояние природной среды Антарктики/Кварт, бюл. Рос. ан-таркт. экспедиции. 2001. № 4. С. 53-60, http://www.aari.nw.ru/projects/antarctic/South

Лагун В. Е., Маршалл Г. Дж. Архив уточненных значений среднемесячных значений приземной температуры на антарктической станции Беллинсгаузен//Там же. 2001. № 1. С. 35-42, http://www.aari.nw.ru/projects/antarctic/South

Мелешко В. П., Катцов В. М., Спорышев П. В. и др. Обратные связи в климатической системе: взаимодействие облачности, водяного пара и радиации//Метеорология и гидрология. 2000. № 2. С. 22-44.

Сценарии выбросов. Резюме для лиц, определяющих политику. Межправительственная группа экспертов по изменению климата ВМО/ЮНЕП. Специальный доклад рабочей группы III. M., 2000. 20 с.

King J. С, Harangozo S. A. Climate change in the western antarctic Peninsula since 1945: observations and possible causes//Ann. Glaciol. 1998. Vol. 27. P. 571-575.

Marshall G. J. Is the dramatic surface warming observed in the antarctic Peninsula also present throughout the troposphere?//Proc. 6th Conf. on Polar Meteorol. and Oceanol., May, 2001. SanDiego, 2001.

Marshall G. J., Lagun V. E., Lachlan-Cope T. A. Changes in antarctic Peninsula tropospheric temperatures from 1956-99: A synthesis of observations and reanalysis data//Intern. J. Climatol. 2002. Vol. 22, N2. P. 291-310.

McAvaney В. J., Covey C., Joussaume S. et al. Model evaluation//Climate change 2001: The scientific basis: Contrib. of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovern. Panel on Climate Change/Ed. J.T. Houghton et al. Cambridge; N.Y.: Cambridge Univ. press, 2001.

Santer B. D., Wigley T. M. L., Boyle J. S. et al. Statistical significance of trends and trend differences in layer-average temperature time series//J. Geophys. Res. 2000. Vol. 105, N A10. P. 7337-7356.

Stocker Т. Е., Clarke G. K. C., Treut H.L. et al. Physical climate processes and feedbacks//Climate change, 2001: The Scientific basis: Contrib. of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovern. Panel on Climate Change/Ed. J.T. Houghton et al. Cambridge; N.Y.: Cambridge Univ. press, 2001. 888 p.

Thompson D. W. J., Solomon S. Interpretation of recent Southern Hemisphere climate//Science. 2002. Vol. 296. P. 895-899.

Thompson D. W. J., Wallace J. M. The Arctic oscillation signature in the wintertime geopotential height and temperature fields//Geophys. Res. Lett. 1998. Vol. 25, N 9. P. 1297-1300.