Войти на сайт
МЕЖДУНАРОДНЫЕ ЕЖЕГОДНЫЕ КОНФЕРЕНЦИИ
"СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА"
(Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, природных и антропогенных объектов)

Девятнадцатая международная конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)»

XIX.D.2

О климатических изменениях температуры в регионе Белого моря

Серых И.В. (1,2), Костяной А.Г. (1,2,3), Лебедев С.А. (2), Костяная Е.А. (1,2)
(1) Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия
(2) Геофизический центр РАН, Москва, Россия
(3) Московский университет им. С.Ю. Витте, Москва, Россия
Исследованы изменения температуры воздуха у поверхности (ТВП) акватории Белого моря и территории Мурманской и Архангельской областей и Республики Карелия. Анализировались среднемесячные данные реанализа NCEP/NCAR за период 1950-2020 гг. Оцененный с помощью линейного тренда средний рост ТВП составил +0.24°С / 10 лет. На фоне этого линейного роста наблюдаются существенные междекадные изменения ТВП. Выделены периоды: усиления континентальности климата (1950-1976 гг.), более морского климата (1977-1998 гг.), и быстрого роста ТВП (1999-2020 гг.). Переход от периода усиления континентальности климата к периоду более морского климата связан с усилением влияния Северной Атлантики на исследуемый регион. Выдвинута гипотеза, что период быстрого роста ТВП вызван произошедшим переходом климатической системы западной части Российской Арктики в новое фазовое состояние.
Субарктическая зона России особенно уязвима к изменению климата, поскольку в зоне вечной мерзлоты расположена инфраструктура на сотни миллиардов долларов. В то же время, по данным наблюдений с середины 1970-х годов средние температуры здесь растут в 2.5 раза быстрее, чем в целом по планете. Если произойдет оттаивание мерзлых толщ, то из-за значительного содержания в них льда, средняя осадка грунтов может составлять 10 метров и более. Железнодорожная инфраструктура в субарктических регионах эксплуатируется в чрезвычайно сложных инженерно-геологических и ландшафтно-климатических условиях, подвергаясь непрерывному воздействию различных внешних воздействий, приводящих к деформациям пути и искусственных сооружений [Kostianaia et al., 2021]. Среди них: береговая абразия, селевые потоки, паводки, эрозия, оползни и сплывы, обвалы и осыпи, карстовые провалы, суффозионные просадки, наледи, термокарст, термоэррозия и солифлюкция, разрывные деформации, морозное пучение, снежные лавины и пр.
Островковые зоны вечной мерзлоты находятся на Кольском полуострове. Инфраструктура ОАО «РЖД» в этом регионе особенно уязвима перед негативными факторами регионального изменения климата, поскольку главной проблемой участка Волховстрой - Мурманск является тот факт, что из 1320 километров его длины более 340 километров составляют однопутные участки, что ограничивает его пропускную способность и делает его уязвимым. Кроме того, 30 апреля 2020 г. Правительство РФ поставило задачу увеличить перевозки с 28 до 44 млн тонн в год на участке Мурманского отделения Октябрьской железной дороги к 2023 году, а не к 2035-му, как планировали ранее.
В связи с этим, исследования изменений климата рассматриваемого региона чрезвычайно важны для Российских железных дорог (РЖД). Данное исследование является продолжением работ, начатых в [Serykh and Kostianoy, 2019; Серых и Костяной, 2019; Серых и Толстиков, 2019, 2020].
Анализировались среднемесячные данные температуры воздуха у поверхности (ТВП) – на уровне сигма 0.995. На этом уровне атмосферное давление в данной ячейке сетки на данном временном шаге в 0.995 раз превышает атмосферное давление у поверхности в этой ячейке сетки в это время. Этот уровень приблизительно соответствует высоте 42.2 метра над поверхностью. Данные взяты из NCEP/NCAR Reanalysis на сетке 2.5°2.5° за период 1950-2020 гг.
В каждом узле сетки рассчитан средний за рассматриваемый период годовой ход ТВП. Полученный отдельно для каждого узла сетки средний годовой ход вычитался из исходных данных ТВП для получений аномалий ТВП в каждом узле сетки относительно среднего годового хода (далее просто аномалий). Линейные тренды вычислялись с помощью метода наименьших квадратов.
Производилось осреднение аномалий ТВП для расширенного региона Белого моря (61.25°-71.25° с.ш.; 28.75°-46.25° в.д.). Координаты указаны с учетом сетки NCEP/NCAR Reanalysis, поскольку каждый узел сетки содержит данные осредненные для своей окрестности ±1.25°. В исследуемый регион попадают узлы сетки с широтами 62.5°, 65°, 67.5°, 70° с.ш. и долготами 30°, 32.5°, 35°, 37.5°, 40°, 42.5°, 45° в.д. Таким образом, исследуемый регион включает в себя всю акваторию Белого моря, часть юга Баренцева моря, всю территорию Мурманской области и республики Карелия и большую часть Архангельской области.
Изменчивость среднемесячной ТВП в исследуемом регионе составляет ~ 35°С: от -18°С до +17°С. При этом изменчивость локальных минимумов ТВП составляет ~ 13°С: от -18°С до -5°С, что сильнее изменчивости локальных максимумов ТВП ~ 6°С: от +11°С до +17°С. В рассматриваемый временной период имело место глобальное потепление климата, вызванное, по всей видимости, главным образом антропогенным воздействием. Коль скоро это принимается, то влияние глобального потепления на рассматриваемый регион можно, с некоторым допущением, аппроксимировать линейным трендом, поскольку рост содержания парниковых газов в атмосфере за этот период также хорошо приближается полиномом 1-ой степени. При этом следует помнить, что как глобальная, так и региональная климатические системы являются нелинейными, поэтому и их отклики на антропогенное воздействие также на самом деле будут нелинейными. Но в настоящее время надежно и точно отделить нелинейный отклик климатической системы на антропогенный форсинг от её нелинейных откликов на другие внешние воздействия (например, на изменения солнечной активности) и от собственных колебаний системы (моды климатической изменчивости), на наш взгляд, не представляется возможным.
Линейная аппроксимация временного ряда изменений средней ТВП региона Белого моря демонстрирует её рост в среднем на +0.24°С за 10 лет. Таким образом, за рассматриваемый 71 год рост ТВП составил приблизительно +1.7°С. С учетом описанного выше допущения, этот линейный рост можно связать с влиянием антропогенного глобального потепления на исследуемый регион. Однако следует также принять во внимание, что примененный для оценки линейного тренда метод наименьших квадратов очень чувствителен к краевым значениям. А на краевые значения, в свою очередь, влияет межгодовая и межсезонная изменчивость исследуемого временного ряда.
Межгодовая и межсезонная изменчивость средних аномалий ТВП в рассматриваемом регионе демонстрирует большой диапазон значений, как между отдельными годами, так и отдельными сезонами. При этом изменчивость аномалий ТВП между гидрологическими зимними периодами (январь-март) сильнее (до 13°С), чем между гидрологическими летними периодами (июль-сентябрь) (до 6°С).
На временных рядах средних аномалий ТВП исследуемого региона после применения низкочастотных фильтров для выделения более продолжительных изменений на фоне линейного роста аномалий ТВП можно выделить три периода с отличающимися характеристиками. Первый период 1950-1976 гг. характеризуется сильными положительными аномалиями ТВП в теплые полугодия (май-октябрь). Во второй период 1977-1998 гг. ситуация изменилась и сильные положительные аномалии ТВП стали наблюдаться в основном в холодные полугодия, а в теплые полугодия стали наблюдаться в основном отрицательные аномалии. Третий период 1999-2020 гг. характеризуется резким ростом положительных аномалий ТВП как в холодный (до +3°С), так и в теплый период года (до +2°С).
На полях средних ТВП за весь рассматриваемый период и за выделенные три периода обращает на себя внимание то, что в первые два периода (1950-1976 и 1977-1998 гг.) средние ТВП мало отличались, но в третий период (1999-2020 гг.) произошел существенный сдвиг средних ТВП по сравнению с двумя предыдущими периодами. В первые два периода на юго-западе Кольского полуострова в регионе (66.5°-68.5° с.ш.; 30°-34° в.д.) и на востоке Архангельской области (64°-67° с.ш.; 43°-45° в.д.) средние ТВП были немного ниже нуля, из-за чего там существовала вечная мерзлота. В третий период средние ТВП стали выше нуля во всей области исследования, из-за чего следует ожидать таяния вечной мерзлоты в этих регионах. Интересной особенностью произошедших изменений является тот факт, что продвижение тепла с юга на север (например, изотерма 2°С на долготе 38°в.д. поднялась с 60°с.ш. практически до 65°с.ш.) привело не к смещению холодных областей к северу, а к их выжиманию на запад и восток, соответственно. Кроме того, на градус потеплела атмосфера и над Баренцевым морем.
На полях оцененных с помощью линейного приближения изменений аномалий ТВП за весь рассматриваемый период и за выделенные три периода видно, что за весь рассматриваемый период рост ТВП составлял в среднем от +0.1 до +0.4°С за 10 лет. Однако в первый выделенный период наблюдалось понижение ТВП на большей территории исследуемого региона, в особенности, в указанных выше районах существования вечной мерзлоты. Во второй период наблюдался рост ТВП в среднем от +0.1 до +0.4°С за 10 лет. В третий же период этот рост существенно ускорился и составил в среднем от +0.4 до +1.0°С за 10 лет. Причем, наиболее сильный рост ТВП наблюдался в северо-восточной части рассматриваемого региона, на акваториях Белого и Баренцева морей.
На полях изменений ТВП между выделенными периодами видно, что во второй период (1977-1998 гг.) по сравнению с первым (1950-1976 гг.) средняя ТВП увеличилась в основном в южной части рассматриваемого региона. В северной же части средняя ТВП во второй период стала ниже, чем в первый. В третий период (1999-2020 гг.) средняя ТВП существенно выросла во всем рассматриваемом регионе по отношению ко второму, первому и ко всему предшествующему периоду. Наиболее сильно средняя ТВП в третий период увеличилась в центре западной части рассматриваемого региона, включая акваторию Белого моря.
Обнаруженные изменения ТВП региона Белого моря между выделенными периодами могут быть связаны как с антропогенным глобальным потеплением, так и с влиянием на исследуемый регион естественных мод климатической изменчивости. В Тихом океане в 1976/1977 и 1998/1999 годах произошли климатические сдвиги (climate shifts) [Serykh, 2016]. Они проявились в переходах между противоположными фазами Тихоокеанского декадного колебания (Pacific Decadal Oscillation – PDO) и Междекадного тихоокеанского колебания (Interdecadal Pacific Oscillation – IPO). Эти климатические сдвиги оказали глобальное влияние, в том числе и на регион Северной Атлантики.
Северная Атлантика оказывает существенное влияние на исследуемый регион Белого моря. Первый выделенный период (1950-1976 гг.) отличается холодными зимами и жаркими летними периодами, то есть более континентальным климатом. Как показано в работах [Анисимов и др., 2012; Бышев и др., 2018; Серых, 2018], это связано с ослабеванием влияния в этот период Северной Атлантики на исследуемый регион. Во второй выделенный период (1977-1998 гг.) зимы стали мягче, а летние аномалии ТВП стали в основном отрицательными. То есть климат исследуемого региона стал более морским по сравнению с предыдущим периодом. Это связано с усилением влияния Северной Атлантики на исследуемый регион во второй период [Анисимов и др., 2012; Бышев и др., 2018; Серых, 2018].
В третий выделенный период (1999-2020 гг.) наблюдается резкий рост ТВП в исследуемом регионе. Можно предположить, что это связано с резким ростом температуры в Арктике в этот период, и существенным сокращением площади морского льда в Баренцевом море [Serykh and Kostianoy, 2019]. Это послужило причиной усиления положительной обратной связи в виде ослабления стратификации верхнего слоя воды Баренцева моря, усиления перемешивания и поднятия более теплых и соленых атлантических вод к поверхности. Также дополнительный вклад в рост температуры воды верхнего слоя Баренцева и Белого морей вносит положительная обратная связь от поглощения солнечного излучения: при потеплении Арктики площадь льда уменьшается, и это приводит к большему поглощению солнечного излучения поверхностью [Володин, 2020]. Таким образом, резкий рост ТВП в третий выделенный период, по-видимому, связан с усилением действия обратных положительных связей, что означает переход климатической системы исследуемого региона Белого моря в новое фазовое состояние.
Проведенное исследование показало, что в регионе Белого моря в последние 2 десятилетия (1999-2020 гг.) произошло существенное изменение регионального климата, которые выразилось в потеплении этого региона от +0.9 до +1.5°С по сравнению с предыдущими годами (1977-1998 гг.), в резком увеличении роста температуры воздуха (+0.4 - +1.0°С за 10 лет), к смещению изотермы +2°С на 550 км на север вплоть до южной части Белого моря и к полному исчезновению средних отрицательных температур. Последний факт чрезвычайно важен, поскольку это означает фазовый переход, который приведет к растеплению вечномерзлых грунтов на всей территории Карелии, Мурманской и Архангельской областей. Растепление вечномерзлых грунтов и значительное повышение средних температур приведет к изменению водного баланса многочисленных рек и озер исследуемого региона, и может оказать негативное воздействие на инфраструктуру ОАО «РЖД».

Ключевые слова: изменения климата, температура, Белое море, таяние вечной мерзлоты, дальние связи, Атлантический океан, Арктика, климатические сдвиги.
Литература:
  1. Анисимов М.В., Бышев В.И., Залесный В.Б., Мошонкин С.Н., Нейман В.Г., Романов Ю.А., Серых И.В. О междекадной изменчивости климатических характеристик океана и атмосферы в регионе Северной Атлантики // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 2. С. 304-311.
  2. Бышев В.И., Серых И.В., Сидорова А.Н., Скляров В.Е., Анисимов М.В. Океанический фактор мультидекадной изменчивости современного климата и перспективы ее мониторинга // Океанологические исследования. 2018. Т. 46. № 3. С. 5-19.
  3. Володин Е.М. О механизме колебания климата в Арктике с периодом около 15 лет по данным модели климата ИВМ РАН // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2020. Т. 56. № 2. С. 139-149.
  4. Серых И.В. О влиянии Северо-атлантического диполя на междекадные изменения климата России // Труды Государственного океанографического института. 2018. № 219. С. 269-285.
  5. Серых И.В., Костяной А.Г. О климатических изменениях температуры Балтийского моря // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12. № 3. С. 5-12.
  6. Серых И.В., Толстиков А.В. О причинах климатической изменчивости скорости ветра в районе Белого моря // Вестник Тверского государственного университета. Серия: География и геоэкология. 2019. № 4 (28). С. 43-56.
  7. Серых И.В., Толстиков А.В. О причинах долгопериодной изменчивости приповерхностной температуры воздуха над Белым морем // Вестник Московского университета. Серия 5: География. 2020. № 4. С. 83-95.
  8. Kostianaia E.A., Kostianoy A.G., Scheglov M.A., Karelov A.I., Vasileisky A.S. Impact of regional climate change on the infrastructure and operability of railway transport // Transport and Telecommunication. 2021. Vol. 22, N2, P. 183-195. DOI 10.2478/ttj-2021-0014.
  9. Serykh I.V. Influence of the North Atlantic dipole on climate changes over Eurasia // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2016. Vol. 48, 012004.
  10. Serykh I.V., Kostianoy A.G. Seasonal and interannual variability of the Barents Sea temperature // Ecologica Montenegrina. 2019. Vol. 25, pp. 1-13.

Дистанционные методы исследования атмосферных и климатических процессов

201