Влияние Северо-Атлантического диполя на изменения климата Евразии

Для региона Северной Атлантики и Евразии построены и исследованы поля гидрофизических и метеорологических характеристик, относящиеся к периодам отрицательных (1948-1976 и 1999-2015 гг.) и положительной (1977-1998 гг.) фаз Междекадной Тихоокеанской осцилляции (IPO). Для анализа нами были использованы данные глобальных среднемесячных аномалий уровня моря (АУМ) за период с 1993 по 2015 гг., полученные со спутников: Topex, ERS-1/ERS-2, Envisat, GFO, Jason-1, Jason-2, Cryosat-2 и Saral/AltiKa. Эти данные и их подробное описание находятся в открытом доступе на сайте AVISO (http://www.aviso.altimetry.fr/). Также анализировались среднемесячные поля атмосферного давления на уровне моря (HadSLP2) и приповерхностной температуры (CRUTEM4), подготовленные английским Центром Met Office Hadley с горизонтальным разрешением 5ºх5º за период 1850-2015. Для получения картины климатических изменений ветра на различных уровнях использованы среднемесячные поля с разрешением 2.5ºх2.5º ре-анализа NCEP/NCAR за период 1948-2015. Результаты, полученные по атмосферному давлению, ветру и приповерхностной температуре проверялись по данным американского ре-анализа «20 век» (NOAA CIRES 20th Century Reanalysis v2c) за период 1851-2011, европейского реанализа ERA-20C за период 1900-2010 и японского реанализа JRA-55 за период 1958-2013. В композиционный анализ были включены средние за 3 месяца поля с разрешением 1ºх1º аномалий теплосодержания верхнего 700-метрового слоя океана и средних аномалий температуры воды на 16 различных глубинах (0, 10, 20, 30, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600 и 700 метров) за период 1955-2015, предоставленные National Oceanographic Data Center (NODC). Для более точной количественной оценки использованы данные температуры и солености океана на 24 различных глубинах до 1500 метров по ежемесячным данным Ishii Ocean Analyses Project с разрешением 1ºх1º за период 1945-2012. Глубина верхнего деятельного слоя (регионы глубокой конвекции) определялась за период 1900-2000 по критерию “sigma-t” по результатам эксперимента Historical проекта CMIP5 совместной модели общей циркуляции океана и атмосферы MPI-ESM-MR. Под верхним деятельным слоем океана понимается приповерхностная часть толщи океанских вод, подверженная непосредственному воздействию атмосферных процессов, и сама, в свою очередь, влияющая на состояние атмосферы посредством турбулентного энерго-массообмена. Для анализа изменений потоков скрытого и явного тепла из океана в атмосферу за период 1958-2015 использованы данные OAFlux (NOAA) с разрешением 1ºх1º.
Рассчитывались средние поля описанных выше характеристик отдельно для периодов отрицательных (1948-1976 и 1999-2015) и положительной (1977-1998) фаз IPO. Затем из среднего поля за выбранный период вычиталось среднее поле за предыдущий. Получившаяся разность полей наглядно демонстрирует изменения, произошедшие между выбранными периодами. При построении графиков рядов использовано 6-летнее сглаживание скользящим средним. Сезонный ход удален путем вычитания климатических значений исследуемых характеристик по всему имеющемуся временному интервалу. Полученные поля оказались достаточно хорошо согласованными между собой и дополняют друг друга, что дает возможность получить представление о гидрометеорологических условиях рассматриваемого региона. Анализ этих полей показал, что в верхнем 1500-метровом слое вод Северной Атлантики существует температурный диполь, климатической значение которого в определенном смысле может быть интерпретировано в качестве океанического аналога атмосферного Северо-Атлантического колебания (NAO). Предложен индекс Северо-Атлантического диполя (NAD) как разность среднего теплосодержания верхнего 700-метрового слоя океана между регионами (50º-70º с.ш.; 60º-10º з.д.) и (20º-40º с.ш.; 80º-30º з.д.). Высказаны предположения о возможном физическом механизме внутренних колебаний в системе взаимодействия океан-атмосфера Северной Атлантики и Евразии на квази-60-летнем периоде.
На поле разности среднего для ноября-марта атмосферного давления на уровне моря (SLP) между периодами 1977-1998 и 1948-1976 в Северной Атлантике обращают на себя внимание отрицательная аномалия севернее 50 параллели и положительная южнее, что соответствует положительной фазе NOA. Поле разности средней для ноября-марта скорости ветра на уровне 850 гПа между периодами 1977-1998 и 1948-1976 имеет соответствующие полученной барической структуре аномалии циклонической циркуляции с центром на востоке Гренландии и в Гренландском море, а также аномалии антициклонической циркуляции с центром западнее Азорских островов. Характер аномалий ветрового поля указывает на то, что в период 1977-1998 в атмосфере имело место усиление, по сравнению с предыдущим периодом, северо-восточного пассата, южного ветра в районе Саргассового моря и западного переноса из Северной Атлантики на Евро-Азиатский континент вдоль 50° с.ш. Поле разности среднего для ноября-марта SLP между периодами 1999-2015 и 1977-1998 имеет в Северной Атлантике в основном аномалии, которые соответствуют отрицательной фазе NAO: положительные аномалии SLP в Исландском циклоне и отрицательные в Азорском антициклоне. Поле разности средней для ноября-марта скорости ветра на уровне 850 гПа между периодами 1999-2015 и 1977-1998 соответствует полю SLP и имеет аномалии характерные для ослабевания западного переноса из Северной Атлантики на Евро-Азиатский континент вдоль 50° с.ш.
На поле средних для ноября-марта глубин верхнего деятельного слоя океана (MLOTST) видно, что в холодный период года основные зоны глубокой конвекции (глубины более 1 км) расположены в районе Лабрадорского и Гренландского морей. Также большие глубины (200-300 м) MLOTST наблюдаются в районе Северо-Атлантического течения. При этом регионы Лабрадорского моря и Северо-Атлантического течения разделены полосой небольших глубин (около 50 метров) MLOTST, что свидетельствует о существенном различии термохалинных условий этих двух регионов. Поле средних для теплого времени года (май-сентябрь) глубин MLOTST демонстрирует существенно меньшее значения MLOTST по сравнению с холодным периодом года, что соответствует ослабеванию влияния океана на атмосферу в теплый период года по сравнению с холодным. Поле разности средней для ноября-марта приповерхностной температуры (NST) между периодами 1977-1998 и 1948-1976 хорошо согласуется с соответствующими полями SLP и скорости ветра. Выделяется область отрицательных аномалий NST в Лабрадорском море, южнее Гренландии и северо-восточнее острова Ньюфаундленд. Данная аномалия находится в зоне усиления западного ветра вдоль 50 параллели, откуда это тепло переносилось на Евро-Азиатский континент, где в середине 1970-х начался резкий рост NST. Поле разности средней для ноября-марта NST между периодами 1999-2015 и 1977-1998 демонстрирует положительные аномалии в Северной Атлантике и отрицательные над частью Сибири. Что по нашему мнению связано с характерным для периода 1999-2015 (по сравнению с периодом 1977-1998) ослабеванием западного переноса вдоль 50 параллели и сокращением выноса тепла с северной части Атлантического океана на Евро-Азиатский континент.
На поле разности среднего теплосодержания верхнего 700 метрового слоя океана между периодами 1977-1998 и 1955-1976 видно, что Северо-Атлантический океан в основном терял тепло севернее 50 параллели и накапливал южнее. На поле разности среднего теплосодержания верхнего 700 метрового слоя океана между периодами 1999-2015 и 1977-1998 наблюдается противоположная ситуация для региона Лабрадорского моря – его теплосодержание увеличилось в 1999-2015 по сравнению с 1977-1998. Таким образом, при переходе от одной фазы NAO к противоположной происходит перераспределение тепла между северной и южной частями Северной Атлантики. Из этого следует, что междекадные изменения теплосодержания океана в регионах Северо-Атлантического течения и Лабрадорского моря носят противоположный характер после исключения линейного тренда, вызванного, по-видимому, глобальным потеплением климата. Поле разности средних для ноября-марта потоков скрытого и явного тепла из океана в атмосферу между периодами 1977-1998 и 1958-1976 демонстрирует положительные аномалии теплоотдачи из океана в атмосферу в Лабрадорском море, что соответствует сокращению теплосодержания океана в этом регионе. На поле разности средних для ноября-марта потоков скрытого и явного тепла из океана в атмосферу между периодами 1999-2015 и 1977-1998, наоборот, наблюдаются отрицательные аномалии теплоотдачи из океана в атмосферу в регионе Лабрадорского моря, что соответствует увеличению теплосодержания океана в этом регионе.
Поле разности средней температуры океана на глубине 500 метров между периодами 1977-1998 и 1948-1976 характеризуется отрицательными аномалиями в Лабрадорском море. Данное явление можно объяснить усилением холодного Лабрадорского течения под влиянием циклонической аномалии ветра, а также региональным выхолаживанием верхнего слоя океана в результате зимней глубокой конвекции и соответствующего увеличения теплоотдачи океана в атмосферу. Обращают на себя внимание положительные аномалии температуры океана в регионе Северо-Атлантического течения. Согласно нашим расчетам, данное явление может быть связано как с усилением пассатного ветра, так и с положительной аномалией южного ветра в районе Саргассового моря. Оба этих фактора обладают однонаправленным эффектом, создающим дополнительный нагон теплых тропических вод в Мексиканский залив, что, несомненно, влияет на термодинамические характеристики течения Гольфстрим, которое в свою очередь оказывает влияние на Северо-Атлантическое течение. Между Субтропическим антициклоническим и Субполярным циклоническим круговоротами видна дипольная структура, которая была обнаружена по данным уровня моря. Данную структуру мы предлагаем назвать Северо-Атлантический диполь (NAD).
Структура NAD лучше всего просматривается по данным спутниковой альтиметрии об аномалиях уровня моря (АУМ), поскольку они аккумулируют в себе сведения о температуре всей толщи океана. Поля разности между исследуемыми временными периодами средней температуры и солености Северо-Атлантического океана на различных глубинах до 1500 метров показывают, что NAD наиболее ярко проявляется на глубинах от 500 до 700 метров. Нами был предложен индекс NAD как разность среднего теплосодержания верхнего 700-метрового слоя океана между регионами (50º-70º с.ш.; 60º-10º з.д.) и (20º-40º с.ш.; 80º-30º з.д.). Он отличается от индекса Атлантической Мультидекадной Осцилляции (АМО), который рассчитывается как средняя аномалия температура поверхности северной части Атлантического океана, и не учитывает температуру океана на глубине и обнаруженную дипольную структуру NAD. Более того, при расчете индекса АМО возникают проблемы удаления линейного хода и поправки на измерительные приборы, которые влияют на итоговый ряд. Предложенный индекс NAD рассчитывается как разность между двумя регионами, и поэтому перечисленные выше проблемы оказывают меньшее влияние на получаемый ряд, чем при расчете индекса только по одному региону. Два индекса NAD и NAO дополняют друг друга, поскольку рассчитываются соответственно как разность теплосодержания верхнего слоя океана и атмосферного давления практически между одними и теми же регионами, и характеризуют состояние большей части системы океан-атмосфера Северной Атлантики, а не отдельную её атмосферную или океаническую составляющую. Интересные особенности демонстрирует более чем полувековой ход индексов NAD и NAO: после удаления межгодовых колебаний изменения индекса NAO опережают NAD при их высокой корреляции (с отрицательным знаком) друг с другом. Таким образом можно сделать вывод, что на междекадных периодах атмосфера играет ведущую роль по отношению к океану, что несколько противоречит полученным ранее результатам. Большого временного сдвига между индексами NAD и NAO не наблюдается, в то время как фазы колебания индекса АМО сильно смещены (около 10 лет) относительно индекса NAO.
Временные ряды изменений разности средних аномалий потоков скрытого и явного тепла из океана в атмосферу между регионами (50-70N; 60-10W) и (20-40N; 80-30W) демонстрируют высокую положительную корреляцию с индексом NAO, и отрицательную с индексом NAD. Так и должно быть, поскольку при увеличении потоков скрытого и явного тепла из океана в атмосферу теплосодержание океана должно уменьшаться, а при сокращении потоков тепла – увеличиваться. Изменения температуры и солености в верхних слоях океана превышают по величине и опережают по времени изменения в нижних слоях. Это также говорит о ведущей роли атмосферы по отношению к океану на междекадных временных периодах. В Северной Атлантике в начале 1990-х годов произошел климатический сдвиг – на всех рядах в 1992/93 годах присутствует сильный излом. Это может быть связано с произошедшим в 1991 году извержением вулкана Пинатубо. После этого события, примерно с 1992/93 года, стало наблюдаться сокращение потоков скрытого и явного тепла из океана в атмосферу и увеличение теплосодержания Северной Атлантики, что могло привести к наблюдаемой в последние 15 лет паузе в потеплении климата Сибири в холодное время года.
В Северной Атлантике обнаружена дипольная структура междекадных колебаний теплосодержания океана и потоков тепла из океана в атмосферу. Особого внимания заслуживает тот факт, что в районах Исландского минимума и Азорского максимума описанные в работе циклоническая и антициклоническая аномалии циркуляции атмосферы и сокращение и увеличение теплосодержания океана происходят согласованно и квазисинхронно. Благодаря этому аномалии западного переноса вдоль 50 параллели то увеличивают, то уменьшают вынос тепла с Атлантического океана на Евро-Азиатский континент, и климат в Европе и Сибири становится то более морским, то более континентальным [Бышев и др., 2009, 2011]. Стремительное потепление климата на Евро-Азиатском континенте начавшееся в 1970-ые годы можно связать с усилением в этот период переноса тепла из Северной Атлантики, которое хорошо просматривается на полученных полях и во временных рядах [Бышев и др., 2014]. Наблюдающееся после 1999 года замедление этого потепления может быть связано с сокращением поступления тепла из северной части Атлантического океана на территорию Евразии [Анисимов и др., 2012].