Арктическое усиление: роль междуширотного обмена в атмосфере
DOI:
https://doi.org/10.21513/2410-8758-2023-1-13-32Ключевые слова:
Арктика, температура воздуха, потепление, арктиче- ское усиление, СКО, тренд, воздухообмен.Аннотация
Усиление потепления в Арктике по сравнению с остальной
частью Северного полушария или Земного шара по-прежнему привлекает
внимание, несмотря на большое количество выполненных исследований. Воз-
можные причины арктического усиления рассматривались и продолжают
обсуждаться во многих статьях и обзорах. В статье впервые выполнена коли-
чественная оценка роли атмосферных переносов в формировании изменчиво-
сти и трендов средней приповерхностной температуры воздуха в Арктике и
на прилегающих широтах Северного полушария и предложено аналитическое
описание усиления в высоких широтах. Для исследования использованы дан-
ные реанализов NCEP и ERA5 за 1989-2020 гг. и представление о множестве
событий воздухообмена между широтами в простой модели атмосферы на
полушарии при неизменных условиях на границах, на основе которого полу-
чены аналитические выражения для отношений среднеквадратичных откло-
нений (СКО) и трендов температуры в соседних областях. Степень близости
эмпирического и модельного отношения СКО и трендов принята как мера
вклада воздухообмена в усиление СКО и трендов при потеплении. Получено,
что обмен между полярной и прилегающей областями достигает более низких
широт при расширении приполярной области от 70° с.ш. до 60° с.ш. Широта,
до которой в среднем распространяется полярный воздух, уменьшается при
учтённом в СКО тренде, что подтверждает влияние потепления на усиление
обмена воздушными массами. Модельное значение усиления тренда средней
температуры воздуха в полярной области изолированной однородной атмос-
феры над полушарием относительно тренда в прилегающей области опреде-
ляется отношением их площадей, умноженным на отношение коэффициентов
детерминации трендов. Усиление тренда температуры в полярной области
реальной атмосферы, по данным реанализов NCEP и ERA5 за 1989-2020
годы, сравнивалось с модельным значением – тем самым, оценивался вклад
обмена воздушными массами в усиление тренда температуры в полярной
области. Получено, что обменом объясняется 54% усиления тренда темпера-
туры воздуха (арктического усиления) в области 90-60° с.ш. в среднем за год
и 66% в холодную часть года относительно остальной части Северного полу-шария. Если принять во внимание установленную южную границу обмена
воздушными массами между полярной и прилегающей областью, то усиление
тренда температуры воздуха в области 90-60° с.ш. относительно тренда в при-
легающей области, с которой происходит обмен воздушными массами, почти
полностью (на 93% в среднем за год) будет результатом обмена, а в области
90-70° с.ш. – в основном (на 74% в среднем за год).
Библиографические ссылки
Алексеев, Г.В. (2014) Динамическое усиление глобального потепления,
в сб.: Труды международной конференции памяти академика А.М. Обухова,
ГЕОС, Москва, с. 290-306.
Алексеев, Г.В., Кузмина, С.И., Уразгильдеева, А.В., Бобылев, Л.П. (2016)
Влияние атмосферных переносов тепла и влаги на усиление потепления в
Арктике в зимний период, Фундаментальная и прикладная климатология, т.
, с. 43-63.
Алексеев, Г.В., Подгорный, И.А., Священников, П.Н. (1990) Адвек-
тивно-радиационные колебания климата, ДАН СССР, т. 315, № 4, с. 824-827.
Васюта, Ю.В., Мохов, И.И., Петухов, В.К. (1988) Чувствительность
малопараметрических моделей климата к изменению характеристик меридио-
нального переноса тепла, Изв. АН СССР. ФАО, т. 24, № 2, с. 115-125.
второй половины ХХ века, Известия РАН, Серия географическая, № 3, с. 37-46.
Голицын, Г.С. (1973) Введение в динамику планетных атмосфер, Гидро-
метеоиздат, Л., 109 с.
Демченко, П.Ф., Зубарев, А.П. (1989) Оценки низкочастотной изменчи-
вости среднезональных температур, вызванной флуктуациями меридиональ-
ного переноса тепла, Известия АН СССР, ФАО, т. 25, с. 917-924.
Дымников, В.П., Филатов, А.Н. (1990) Устойчивость крупномасштаб-
ных атмосферных процессов, Гидрометеоиздат, Л., 236 с.
Латонин, М.М., Башмачников, И.Л., Бобылёв, Л.П. (2020) Явление
арктического усиления и его движущие механизмы, Фундаментальная и при-
кладная гидрофизика, т. 13, № 3, с. 3-19, doi: 10.7868/S2073667320030016.
Лоренц, Э.Н. (1970) Природа и теория общей циркуляции атмосферы,
Гидрометеоиздат, Л., 259 с.
Мохов, И.И. (1993) Диагностика структуры климатической системы,
Гидрометеоиздат, СПб., 270 с.
Мохов, И.И., Мохов, О.И., Петухов, В.К., Хайрулин, Р.Р. (1992) Влияние
глобальных климатических изменений на вихревую активность в атмосфере,
Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, т. 28. № 1, с. 11-26.
Семенов, В.А., Мохов, И.И., Латиф, М. (2012) Роль границ морского
льда и температуры поверхности океана в изменениях регионального климата
в Евразии за последние десятилетия, Известия РАН. Физика атмосферы и
океана, т. 48, № 4, с. 403-421.
Alekseev, G.V, Kuzmina, S., Bobylev, L., Urazgildeeva, A., Gnatiuk, N.
(2019) Impact of atmospheric heat and moisture transport on the Arctic warming,
International Journal of Climatology, vol. 39, no. 8, pp. 3582-3592, https://doi.org/
1002/joc.6040.
Bekryaev, R.V., Polyakov, I.V., Alexeev, V.A. (2010) Role of Polar
Amplification in Long-Term Surface Air Temperature Variations and Modern
Arctic Warming, Journal of Climate, vol. 23(14), pp. 3888-3906, doi: 10.1175/
JCLI3297.1.
Blackport, R., Screen, J.A. (2020) Insignificant effect of Arctic amplification
on the amplitude of midlatitude atmospheric waves, Science Advances, vol. 6, no.
, DOI: 10.1126/sciadv.aay2880.
Blackport, R., Screen, J.A., van der Wiel, K., Bintanja, R. (2019) Minimal
influence of reduced Arctic sea ice on coincident cold winters in mid-latitudes,
Nature climate change, vol. 9, pp. 697-704, doi: 10.1038/s41558-019-0551-4.
Budyko, M.I. (1969) The effect of solar radiation variations on the climate of
the Earth, Tellus, vol. 212, pp. 611-619.
Cao. Y., Liang. S., Chen. X., He. T., Wang. D., Cheng. X. (2017) Enhanced
wintertime greenhouse effect reinforcing Arctic amplification and initial sea-ice
melting, Scientific Reports, vol. 7, 8462, doi:10.1038/s41598-017-08545-2.
Clark, J.P., Shenoy, V., Feldstein, S.B., Lee, S., Goss, M. (2021) The role of
horizontal temperature advection in arctic amplification, Journal of Climate, vol.
(8), pp. 2957-2976, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-0937.1.
Cohen, J., Zhang, X., Francis, J., Jung, T., Kwok, R., Overland, J., Ballinger,
T.J., Bhatt, U.S., Chen, H.W., Coumou, D., Feldstein, S., Gu, H., Handorf, D.,
Henderson, G., Ionita, M., Kretschmer, M., Laliberte, F., Lee, S., Linderholm, H. W.,
Maslowski, W., Peings, Y., Pfeiffer, K., Rigor, I., Semmler, T., Stroeve, J., Taylor,
P.C., Vavrus, S., Vihma, T., Wang, S., Wendisch, M., Wu, Y., Yoon, J. (2020)
Divergent consensuses on Arctic amplification influence on midlatitude severe
winter weather, Nature Climate Change, vol. 10, pp. 20-29, https://doi.org/10.1038/
s41558-019-0662-y.
Davy, R., Chen, L., Hanna, E. (2018) Arctic amplification metrics,
International Journal of Climatology, vol. 38, no. 12, pp. 4384-4394, doi: 10.1002/
joc.5675.
Ding, Q., Wallace, J.M., Battisti, D.S., Steig, E.J., Gallant, A.J.E., Kim, H-J.,
Geng, L. (2014) Tropical forcing of the recent rapid Arctic warming in northeastern
Canada and Greenland, Nature, vol. 509, pр. 209-213.
Flannery, B.P. (1984) Energy-balance models incorporating transport of
thermal and latent energy, Journal of the Atmospheric Sciences, no. 41, pp. 414-421.
Francis, J.A., Vavrus, S.J. (2012) Evidence linking Arctic amplification to
extreme weather in mid-latitudes, Geophysical Research Letters, vol. 39, L06801,
doi: 10.1029/2012GL051000.
Goss, M., Feldstein, S.B., Lee, S. (2016) Stationary Wave Interference and
Its Relation to Tropical Convection and Arctic Warming, Journal of Climate, vol.
, no. 4, pр. 1369-1389.
Henderson, G.R., Barrett, B.S., Wachowicz, L.J., Mattingly, K.S., Preece,
J.R., Mote, T.L. (2021) Local and Remote Atmospheric Circulation Drivers of
Arctic Change. A Review, Frontiers in Earth Science, vol. 9, 709896, doi: 10.3389/
feart.2021.709896.
Hu, S., Sprintall, J., Guan, C., McPhaden, M.J., Wang, F., Hu, D., Cai, W.
(2020) Deep-reaching acceleration of global mean ocean circulation over the past
two decades, Science Advances, vol. 6, no. 6, doi: 10.1126/sciadv.aax7727.
Inoue, J., Hori, M.E., Takaya, K. (2012) The role of Barents sea ice in the
wintertime cyclone track and emergence of a warm-Arctic cold-Siberian anomaly,
Journal of Climate, vol. 25, no. 7, pp. 2561-2568.
Lee, S., Gong, T., Johnson, N., Feldstein, S.B., Pollard, D. (2011) On the
possible link between tropical convection and the northern hemisphere arctic
surface air temperature change between 1958 and 2001, Journal of Climate, vol.
, pp. 4350-4367.
Meleshko, V.P., Johannessen, O.M., Baidin, A.V., Pavlova, T.V., Govorkova,
V.A. (2016) Arctic amplification: does it impact the polar jet stream? Tellus A:
Dynamic Meteorology and Oceanography, vol. 68(1), pp. 32330, doi: http://
doi.org/10.3402/tellusa.v68.32330.
North, G.R., Cahalan, R.F., Coakley, J.A. (1981) Energy balance climate
models, Reviews of geophysics and space physics, vol. 19, no. 1, pp. 91-121.
North, G.R., Moeng, F.J., Bell, T.L., Cahalan, R.F. (1982) Latitudinal
dependence of the variability of sonal mean, Monthly Weather Review, vol. 110, no.
, pp. 319-326.
Park, H.S., Lee, S., Son, S.W., Feldstein, S.B., Kosaka, Y. (2015) The impact
of poleward moisture and sensible heat flux on arctic winter sea ice variability,
Journal of Climate, vol. 28, no. 13, pp. 5030-5040.
Perlwitz, J., Hoerling, M., Dole, R. (2015) Arctic tropospheric warming:
causes and linkages to lower latitudes, Journal of Climate, vol. 28, pp. 2154-2167,
doi: 10.1175/JCLI-D-14-00095.1.
Petoukhov, V., Semenov, V.A. (2010) A link between reduced Barents-Kara
sea ice and cold winter extremes over northern continents, Journal of Geophysical
Research. Atmospheres, vol. 115, no. 21, doi: 10.1029/2009JD013568.
Pithan, F., Mauritsen, T. (2014) Arctic amplification dominated by
temperature feedbacks in contemporary climate models, Nature Geoscience, vol. 7,
pp. 181-184, https://doi.org/10.1038/ngeo2071.
Previdi, M., Smith, K.L., Polvani, L.M. (2021) Arctic amplification of
climate change: a review of underlying mechanisms, Environmental Research
Letters, vol. 16(9), 093,003, doi:10.1088/1748-9326/ac1c29.
Sellers, W.D. (1969) A climate model based on the energy balance of the
earth-atmosphere system, Journal of Applied Meteorology, no. 8, pp. 392-400.
Serreze, M.C., Francis, J.A. (2006) The Arctic Amplification Debate,
Climatic Change, vol. 76, pp. 241-264, https://doi.org/10.1007/s10584-005-
-y.
Serreze, M.C., Barry, R.G. (2011) Processes and impacts of Arctic
amplification. A research synthesis, Global and Planetary Change, vol. 77, no. 1-2,
pp. 85-96, https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2011.03.004.
Smith, D.M., Screen, J.A., Deser, C., Cohen, J., Fyfe, J.C., García-Serrano, J.,
Jung, T., Kattsov, V., Matei, D., Msadek, R., Peings, Y., Sigmond, M., Ukita, J.,
Yoon, J.-H., Zhang, X. (2019) The Polar Amplification Model Intercomparison
Project (PAMIP) contribution to CMIP6: investigating the causes and
consequences of polar amplification, Geoscientific Model Development, vol. 12,
pp. 1139-1164, https://doi.org/10.5194/gmd-12-1139-2019, 2019.
Yoo, C., Feldstein, S., Lee, S. (2011) The impact of the Madden-Julian
Oscillation trend on the Arctic amplification of surface air temperature during the
-2008 boreal winter, Geophysical Research Letters, vol. 38, no. 24, doi:
1029/2011GL049881.
Zhang, R., Wang, H., Fu, Q., Rasch, P.J., Wu, M., Maslowski, W. (2021)
Understanding the cold season Arctic surface warming trend in recent decades,
Geophysical Research Letters, vol. 48, GL094878, https://doi.org/10.1029/
GL094878.
Ru
En