Помощь студентам в учебе
О механизме обратной связи в системе океан-атмосфера в районе Баренцева моря
|
Введение 3
Глава 1. Физико-географическое описание района 6
Глава 2. Данные и методы анализа 8
Глава 3. Анализ океанических и атмосферных потоков тепла 12
3.1 Анализ конвергенции океанических и атмосферных потоков тепла в Баренцевом море 12
3.2 Связь площади ледяного покрова с потоками тепла в Баренцево море 14
Глава 4. Причины междекадной изменчивости океанического потока тепла в
Баренцево море 16
4.1 Роль температуры и скорости течения в изменчивости потоков тепла в Баренцево море 16
4.2 Сравнительный анализ межгодовой изменчивости океанических потоков тепла Норвежского, Нордкапского и Западно-Шпицбергенского течений 19
4.3 Роль ветра в формировании изменчивости океанического потока тепла на входе в Баренцево море 20
Глава 5. Влияние океанической адвекции тепла на метеорологические характеристики 24
5.1 Влияние на вертикальные потоки тепла в атмосферу 24
5.2 Изменение поля давления 27
5.3 Изменение характера атмосферной циркуляции 30
5.4 Изменение конвергенции атмосферных потоков тепла 31
Выводы 34
Список литературы
Глава 1. Физико-географическое описание района 6
Глава 2. Данные и методы анализа 8
Глава 3. Анализ океанических и атмосферных потоков тепла 12
3.1 Анализ конвергенции океанических и атмосферных потоков тепла в Баренцевом море 12
3.2 Связь площади ледяного покрова с потоками тепла в Баренцево море 14
Глава 4. Причины междекадной изменчивости океанического потока тепла в
Баренцево море 16
4.1 Роль температуры и скорости течения в изменчивости потоков тепла в Баренцево море 16
4.2 Сравнительный анализ межгодовой изменчивости океанических потоков тепла Норвежского, Нордкапского и Западно-Шпицбергенского течений 19
4.3 Роль ветра в формировании изменчивости океанического потока тепла на входе в Баренцево море 20
Глава 5. Влияние океанической адвекции тепла на метеорологические характеристики 24
5.1 Влияние на вертикальные потоки тепла в атмосферу 24
5.2 Изменение поля давления 27
5.3 Изменение характера атмосферной циркуляции 30
5.4 Изменение конвергенции атмосферных потоков тепла 31
Выводы 34
Список литературы
С начала XXI века в северном полушарии отмечается замедление повышения среднегодовой приземной температуры воздуха, однако в Арктике повышение температуры продолжается теми же темпами (Семёнов, 2008), что связывают с уменьшением площади арктического льда (Screen, Simmonds, 2010; Polyakov et al, 2010). При этом сокращение площади ледяного покрова в Баренцевом море в последние десятилетия является максимальным в арктическом регионе (Parkinson, Cavalieri, 2008; Screen, Simmonds, 2010). Сплоченность льда здесь уменьшается в среднем на 21% за 10 лет (Михайлова, Юровский, 2017).
К основным причинам изменчивости площади ледяного покрова в Баренцевом море относят колебания адвекции тепла океаном (Arthun et al., 2012; Kauker et al., 2003), изменчивость выноса льда из Северного Ледовитого океана (Koenigk et al., 2009), изменение количество циклонов в регионе (Sorteberg, Kvingedal, 2006). Переносимое океаном и атмосферой тепло в регион Баренцева моря может являться одним из значимых факторов наблюдаемого «арктического усиления». Эти адвективные потоки тепла формируют ледовые условия в Баренцевом море и оказывают влияние на климат всего Евразийского сектора Арктики (Зуев и др., 2012; Jungclaus, Koenigk, 2010).
На данный момент нет единого мнения о величине относительного вклада океанических и атмосферных потоков тепла в продолжающееся сокращение площади ледяного покрова. Одни авторы указывают на основной вклад адвекции тепла океаном (Arthun et al, 2012), другие же считают, что на межгодовую изменчивость ледяного покрова большее влияние оказывает атмосферная циркуляция (Sorokina et al., 2016). Однако атмосфера влияет на тепловой баланс Баренцева моря не только за счёт переносимого ею тепла. Атмосферная циркуляция во многом определяет и интенсивность океанического потока тепла на входе в Баренцево море (Smedsrud et. al, 2013).
В работах (Loeng et al., 1991; Bengtsson et al., 2004), на основе результатов численного моделирования, был описан механизм положительной обратной связи в системе океан-атмосфера в Баренцевом море. В частности, было показано, что увеличение океанического потока тепла на входе в Баренцево море вызывает сокращение площади ледяного покрова (Bengtsson et al., 2004): коэффициент корреляции между этими двумя показателями при 5-летнем осреднении составил -0,6, как для зимних, так и для среднегодовых значений. Уменьшение площади ледяного покрова увеличивает площадь отдачи тепла с поверхности моря, в нижней тропосфере усиливается циклоническая завихренность, которая увеличивает градиент давления между Шпицбергеном и северной частью Норвежского побережья, что приводит к усилению юго-западных ветров в западной части моря, а они, в свою очередь, увеличивают океанический и атмосферный приток тепла в Баренцево море (Рис.1). Этот механизм был выделен на основе данных модели взаимодействия океана и атмосфера без ассимиляции.
Мелководное Баренцево море является одним из крупнейших районов аккумуляции теплых Атлантических вод Северного Ледовитого океана. Изменчивость потока атлантического тепла во многом определяет изменчивость климатических характеристик над Баренцевым морем и над значительной частью Арктики (Jungclaus, Koenigk, 2010), и понимание характера и причин этой изменчивости важны для прогноза изменений климата региона. Практическое значение исследования региональных климатических изменений в Арктике заключается в прогнозировании возможности освоения запасов нефти, природного газа и минеральных ресурсов в данном регионе. Кроме того, изменения ледовых условий в регионе оказывают существенное влияние на навигацию по значительной части Северного морского пути, который позволяет сократить расстояние между основными портами Европы и Азии примерно на 7000 км (Hansen C. 0. et al., 2016).
Цель данной выпускной квалификационной работы - исследование характера функционировании механизма положительной обратной связи в системе океан-атмосфере в регионе Баренцева моря по данным реанализов.
Для достижения поставленной цели в настоящей выпускной квалификационной работе решаются следующие задачи:
1. Рассчитать среднегодовые и сезонные значения океанических и атмосферных потоков тепла в Баренцевом море и выделить линейные тренды.
2. Выявить связь изменчивости площади ледяного покрова Баренцева моря с атмосферным и океаническим потоками тепла.
3. Оценить вклад температуры воды и скорости течения в формирование изменчивости океанического потока тепла на входе в Баренцево море.
4. Рассчитать среднегодовые значения океанического потока тепла через разрезы в Норвежском и Гренландском морях, выделить линейные тренды, и оценить их связь с потоками океанического тепла в Баренцево море.
5. Выявить связь изменчивости скоростей Мурманского, Нордкапского и Возвратного течений со скоростью ветра.
6. Выявить связь изменчивости вертикальных потоков тепла, атмосферного давления и характера атмосферной циркуляции с океаническим потоком тепла
К основным причинам изменчивости площади ледяного покрова в Баренцевом море относят колебания адвекции тепла океаном (Arthun et al., 2012; Kauker et al., 2003), изменчивость выноса льда из Северного Ледовитого океана (Koenigk et al., 2009), изменение количество циклонов в регионе (Sorteberg, Kvingedal, 2006). Переносимое океаном и атмосферой тепло в регион Баренцева моря может являться одним из значимых факторов наблюдаемого «арктического усиления». Эти адвективные потоки тепла формируют ледовые условия в Баренцевом море и оказывают влияние на климат всего Евразийского сектора Арктики (Зуев и др., 2012; Jungclaus, Koenigk, 2010).
На данный момент нет единого мнения о величине относительного вклада океанических и атмосферных потоков тепла в продолжающееся сокращение площади ледяного покрова. Одни авторы указывают на основной вклад адвекции тепла океаном (Arthun et al, 2012), другие же считают, что на межгодовую изменчивость ледяного покрова большее влияние оказывает атмосферная циркуляция (Sorokina et al., 2016). Однако атмосфера влияет на тепловой баланс Баренцева моря не только за счёт переносимого ею тепла. Атмосферная циркуляция во многом определяет и интенсивность океанического потока тепла на входе в Баренцево море (Smedsrud et. al, 2013).
В работах (Loeng et al., 1991; Bengtsson et al., 2004), на основе результатов численного моделирования, был описан механизм положительной обратной связи в системе океан-атмосфера в Баренцевом море. В частности, было показано, что увеличение океанического потока тепла на входе в Баренцево море вызывает сокращение площади ледяного покрова (Bengtsson et al., 2004): коэффициент корреляции между этими двумя показателями при 5-летнем осреднении составил -0,6, как для зимних, так и для среднегодовых значений. Уменьшение площади ледяного покрова увеличивает площадь отдачи тепла с поверхности моря, в нижней тропосфере усиливается циклоническая завихренность, которая увеличивает градиент давления между Шпицбергеном и северной частью Норвежского побережья, что приводит к усилению юго-западных ветров в западной части моря, а они, в свою очередь, увеличивают океанический и атмосферный приток тепла в Баренцево море (Рис.1). Этот механизм был выделен на основе данных модели взаимодействия океана и атмосфера без ассимиляции.
Мелководное Баренцево море является одним из крупнейших районов аккумуляции теплых Атлантических вод Северного Ледовитого океана. Изменчивость потока атлантического тепла во многом определяет изменчивость климатических характеристик над Баренцевым морем и над значительной частью Арктики (Jungclaus, Koenigk, 2010), и понимание характера и причин этой изменчивости важны для прогноза изменений климата региона. Практическое значение исследования региональных климатических изменений в Арктике заключается в прогнозировании возможности освоения запасов нефти, природного газа и минеральных ресурсов в данном регионе. Кроме того, изменения ледовых условий в регионе оказывают существенное влияние на навигацию по значительной части Северного морского пути, который позволяет сократить расстояние между основными портами Европы и Азии примерно на 7000 км (Hansen C. 0. et al., 2016).
Цель данной выпускной квалификационной работы - исследование характера функционировании механизма положительной обратной связи в системе океан-атмосфере в регионе Баренцева моря по данным реанализов.
Для достижения поставленной цели в настоящей выпускной квалификационной работе решаются следующие задачи:
1. Рассчитать среднегодовые и сезонные значения океанических и атмосферных потоков тепла в Баренцевом море и выделить линейные тренды.
2. Выявить связь изменчивости площади ледяного покрова Баренцева моря с атмосферным и океаническим потоками тепла.
3. Оценить вклад температуры воды и скорости течения в формирование изменчивости океанического потока тепла на входе в Баренцево море.
4. Рассчитать среднегодовые значения океанического потока тепла через разрезы в Норвежском и Гренландском морях, выделить линейные тренды, и оценить их связь с потоками океанического тепла в Баренцево море.
5. Выявить связь изменчивости скоростей Мурманского, Нордкапского и Возвратного течений со скоростью ветра.
6. Выявить связь изменчивости вертикальных потоков тепла, атмосферного давления и характера атмосферной циркуляции с океаническим потоком тепла
В данной работе был исследован механизм положительной обратной связи в Баренцевом море, предложенный в (Bengtsson et. all, 2004). Данный механизм описывает локальное взаимодействие в системе океан-атмосфера в Баренцевом море: усиление океанического потока тепла на входе в Баренцево море приводит к уменьшению площади ледяного покрова, усилению теплоотдачи с поверхности моря, интенсификации циклонической атмосферной структуры, усилению ветра в западной части моря, что, в свою очередь, приводит к еще большему усилению адвекции тепла океаном.
На основе данных ERA-Interim, ARMOR-3D и OAFlux были проанализированы среднегодовые и сезонные значения конвергенции атмосферных и океанических потоков тепла, изменчивость площади ледяного покрова, вертикальных потоков тепла на границе океан-атмосфера, приземного атмосферного давления и характера атмосферной циркуляции в Баренцевом море с 1993 по 2014 гг.
Анализ натурных данных, выполненный в данной выпускной квалификационной работе, подтвердил вероятную эффективность функционирования механизма положительной обратной связи, исследуемого ранее на основании данных моделирования (Loeng et al., 1991; Bengtsson et al., 2004).
Были выявлены следующие особенности функционирования механизма положительной обратной связи:
1. С 1993 по 2014гг. наблюдалась тенденция к росту океанического потока на входе в Баренцево море на 2 ТВт в год. Значимые тренды наблюдались во все сезоны. К северу и к югу от входа в Баренцево море (на разрезах через Западно-Шпицбергенское течение и через Норвежское склоновое течения) анализ показал тенденцию к уменьшению количества тепла, переносимого океаном на север с Западно-Шпицбергенским течением, при отсутствии значимых трендов в Норвежском склоновом течении. Таким образом, усиление океанического притока тепла в Баренцево море происходило за счет перераспределения теплых атлантических вод на пути их следования из Северной Атлантики в Арктику в течение периода анализа. Эти результаты указывают на локальность тенденции к увеличению океанического потока тепла в Баренцево море.
За период исследования, около 70% (± 2-4%) линейного роста океанического потока тепла в Баренцево море формировалась за счет увеличения скорости течения. Вклад роста температуры воды составил порядка 30% (± 2-4%). На меньших (межгодовых) временных масштабах вклад скорости течения в формирование изменчивости океанического потока тепла также является определяющим (получена значимая положительная корреляция 0,77 между океаническим потоком тепла и скоростью течения, в среднегодовых значениях и во все сезоны, при практическом отсутствием таковой с температурой воды).
Дальнейший анализ выявил связь изменчивости скорости Нордкапского и Возвратного течений с изменением меридионального градиента уровня моря. Было показано, что изменчивость последних вызвано усилением конвергенции Экмановских потоков, за счет роста градиента зональной составляющей скорости ветра на входе в Баренцево море. Таким образом, показано, что именно колебания расхода Нордкапского и Возвратного течений участвуют в реализации исследуемого механизма обратной связи, а не Мурманского, как считалось ранее.
2. Выявленные за период 1993-2014 гг. положительные тренды в среднегодовых и сезонных значениях конвергенции океанического потока тепла, при отрицательных трендах конвергенции атмосферных потоков тепла (в слое 1000-850 гПа), позволяют предположить ведущую роль океанического потока тепла в долгосрочном уменьшении площади ледяного покрова Баренцева моря. На меньших (межгодовых) временных масштабах основную роль вносит изменчивость конвергенции атмосферных потоков тепла. Это позволяет предположить, что механизм положительной обратной связи функционирует на декадных временных масштабах.
3. Области повышенной теплоотдачи из океана в атмосферу соответствуют траекториям движения атлантических вод в Баренцевом море. Линейные тренды за исследуемый период, полученные в каждой точке регулярной сетки, показывают увеличение теплоотдачи из океана в атмосферу в северной части моря за счет отступления кромки льда. При усилении (ослаблении) адвекции океанического тепла в Баренцево море также наблюдается увеличение (уменьшение) теплоотдачи из океана в атмосферу к западу от Новой Земли. Полученные результаты согласуются с теорией механизма положительной обратной связи в Баренцевом море.
4. Усиление потоков тепла в Баренцево море также сопровождается зимним увеличением приземного атмосферного давления над всей акваторией моря, наиболее выраженным в юго-восточной его части, что может быть вызвано изменением траекторий циклонов, проходящих в данном регионе (Inoue et al., 2012).
При минимальных значениях океанической адвекции тепла, над регионом доминируют северо-восточные ветра и атмосферный поток тепла через южную границу моря ослабевает. При максимальных значениях океанической адвекции тепла в Баренцево море, в зимнее время года над акваторией выражена локальная циклоническая атмосферная циркуляция, с центром в западной части моря.
Изменение атмосферной циркуляции в западной части моря, как результата усиления океанического потока тепла и отдачи тепла с поверхности моря, приводит к перераспределению дивергенции Экмановских потоков на входе в Баренцево море, что, в свою очередь, приводит к усилению океанического потока тепла, описанного выше (пункт 1), т.е. к дальнейшей интенсификации механизма положительной обратной связи. Одновременно усиливается меридиональный атмосферный перенос тепла через южную границу моря, что приводит к увеличению конвергенции атмосферного тепла в нижнем приводном слое (950-1000 гПа), способствуя отступлению льда.
На основе данных ERA-Interim, ARMOR-3D и OAFlux были проанализированы среднегодовые и сезонные значения конвергенции атмосферных и океанических потоков тепла, изменчивость площади ледяного покрова, вертикальных потоков тепла на границе океан-атмосфера, приземного атмосферного давления и характера атмосферной циркуляции в Баренцевом море с 1993 по 2014 гг.
Анализ натурных данных, выполненный в данной выпускной квалификационной работе, подтвердил вероятную эффективность функционирования механизма положительной обратной связи, исследуемого ранее на основании данных моделирования (Loeng et al., 1991; Bengtsson et al., 2004).
Были выявлены следующие особенности функционирования механизма положительной обратной связи:
1. С 1993 по 2014гг. наблюдалась тенденция к росту океанического потока на входе в Баренцево море на 2 ТВт в год. Значимые тренды наблюдались во все сезоны. К северу и к югу от входа в Баренцево море (на разрезах через Западно-Шпицбергенское течение и через Норвежское склоновое течения) анализ показал тенденцию к уменьшению количества тепла, переносимого океаном на север с Западно-Шпицбергенским течением, при отсутствии значимых трендов в Норвежском склоновом течении. Таким образом, усиление океанического притока тепла в Баренцево море происходило за счет перераспределения теплых атлантических вод на пути их следования из Северной Атлантики в Арктику в течение периода анализа. Эти результаты указывают на локальность тенденции к увеличению океанического потока тепла в Баренцево море.
За период исследования, около 70% (± 2-4%) линейного роста океанического потока тепла в Баренцево море формировалась за счет увеличения скорости течения. Вклад роста температуры воды составил порядка 30% (± 2-4%). На меньших (межгодовых) временных масштабах вклад скорости течения в формирование изменчивости океанического потока тепла также является определяющим (получена значимая положительная корреляция 0,77 между океаническим потоком тепла и скоростью течения, в среднегодовых значениях и во все сезоны, при практическом отсутствием таковой с температурой воды).
Дальнейший анализ выявил связь изменчивости скорости Нордкапского и Возвратного течений с изменением меридионального градиента уровня моря. Было показано, что изменчивость последних вызвано усилением конвергенции Экмановских потоков, за счет роста градиента зональной составляющей скорости ветра на входе в Баренцево море. Таким образом, показано, что именно колебания расхода Нордкапского и Возвратного течений участвуют в реализации исследуемого механизма обратной связи, а не Мурманского, как считалось ранее.
2. Выявленные за период 1993-2014 гг. положительные тренды в среднегодовых и сезонных значениях конвергенции океанического потока тепла, при отрицательных трендах конвергенции атмосферных потоков тепла (в слое 1000-850 гПа), позволяют предположить ведущую роль океанического потока тепла в долгосрочном уменьшении площади ледяного покрова Баренцева моря. На меньших (межгодовых) временных масштабах основную роль вносит изменчивость конвергенции атмосферных потоков тепла. Это позволяет предположить, что механизм положительной обратной связи функционирует на декадных временных масштабах.
3. Области повышенной теплоотдачи из океана в атмосферу соответствуют траекториям движения атлантических вод в Баренцевом море. Линейные тренды за исследуемый период, полученные в каждой точке регулярной сетки, показывают увеличение теплоотдачи из океана в атмосферу в северной части моря за счет отступления кромки льда. При усилении (ослаблении) адвекции океанического тепла в Баренцево море также наблюдается увеличение (уменьшение) теплоотдачи из океана в атмосферу к западу от Новой Земли. Полученные результаты согласуются с теорией механизма положительной обратной связи в Баренцевом море.
4. Усиление потоков тепла в Баренцево море также сопровождается зимним увеличением приземного атмосферного давления над всей акваторией моря, наиболее выраженным в юго-восточной его части, что может быть вызвано изменением траекторий циклонов, проходящих в данном регионе (Inoue et al., 2012).
При минимальных значениях океанической адвекции тепла, над регионом доминируют северо-восточные ветра и атмосферный поток тепла через южную границу моря ослабевает. При максимальных значениях океанической адвекции тепла в Баренцево море, в зимнее время года над акваторией выражена локальная циклоническая атмосферная циркуляция, с центром в западной части моря.
Изменение атмосферной циркуляции в западной части моря, как результата усиления океанического потока тепла и отдачи тепла с поверхности моря, приводит к перераспределению дивергенции Экмановских потоков на входе в Баренцево море, что, в свою очередь, приводит к усилению океанического потока тепла, описанного выше (пункт 1), т.е. к дальнейшей интенсификации механизма положительной обратной связи. Одновременно усиливается меридиональный атмосферный перенос тепла через южную границу моря, что приводит к увеличению конвергенции атмосферного тепла в нижнем приводном слое (950-1000 гПа), способствуя отступлению льда.