Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследуемого вопроса 11
Раздел 1.1 Физико-географическое описание, обзор литературы и исходные данные...11
Раздел 1.1.1 Физико-географическое описание района исследований 11
Раздел 1.1.2 Заприпайные полыньи как природный феномен 21
Раздел 1.1.3 Обзор литературы 25
Раздел 1.1.4 Исходные данные 30
Раздел 1.2 Динамика площадей и повторяемости заприпайных полыней морей
Сибирского шельфа 36
Глава 2. Энергопотоки и продукция новых льдов и вод в заприпайных полыньях 48
Раздел 2.1 Расчёт энергопотоков в заприпайных полыньях 48
Раздел 2.1.1 Используемая модель 48
Раздел 2.1.2 Изменчивость энергопотоков в заприпайных полыньях 53
Раздел 2.2 Расчёт продукции льдов и вод в заприпайных полыньях 55
Раздел 2.2.1 Используемые модели 55
Раздел 2.2.2 Временная изменчивость продукции льда и новых вод 60
Глава 3. Заприпайные полыньи и летняя ледовитость 67
Раздел 3.1 Взаимосвязь заприпайных Польшей и летней ледовитости 67
Раздел 3.2 Прогноз ледовых условий 71
Глава 4. Заприпайные полыньи и гидрометеорологические условия в Северной полярной области 76
Раздел 4.1 Заприпайные полыньи и гидрологические условия в Гренландском море 76
Раздел 4.1.1 Влияние заприпайных полыней на термохалинные характеристики в Гренландском море 76
Раздел 4.1.2 Анализ временных изменений температуры и солёности в проливе Фрама и
характеристик заприпайных полыней 81
Раздел 4.2 Заприпайные полыньи и полярная атмосфера 90
Раздел 4.2.1 Заприпайные полыньи и циклонические образования 90
Раздел 4.2.2 Заприпайные полыньи и крупномасштабная циркуляция атмосферы в Северной полярной области 93
Раздел 4.2.3 Анализ временных изменений индексов АО, NAO и характеристик заприпайных Польшей 96
Заключение 105
Список литературы 108
Приложение 116
- Физико-географическое описание района исследований
- Изменчивость энергопотоков в заприпайных полыньях
- Прогноз ледовых условий
- Влияние заприпайных полыней на термохалинные характеристики в Гренландском море
Введение к работе
Геополитическая обстановка, активное освоение шельфовой зоны Арктики, создание национального парка «Русская арктика», строительство буровых платформ и трубопроводов влечёт за собой повышенный интерес к процессам, протекающим в Аркической зоне. Заприпайные арктические полыньи играют важную роль в климатической системе, являются своеобразным окном для живых огранизмов, и изучение заприпайных полыней представляет большой интерес представителям самых различных научных дисциплин - океанологами, гидробиологами, метеорологами и другими.
В настоящее время известны основные характеристики большинства заприпайных полыней морей российской Арктики, имеются некоторые данные о влиянии полыней на гидрологический режим морей и метеорологические характеристики над прилегающей акваторией.
Заприпайные полыньи арктических морей представляют собой интересное явление как с научной, так и с практической точки зрения. Изучение взаимодействия полыней и атмосферных образований может способствовать более точному прогнозу погоды, сами полыньи, как водные пространства свободные от мощных льдов, могут использоваться для зимней навигации. Так же возможно прогнозирование летней ледовитости моря по данным о развитии полыней в зимний период (Попов, Карелин, Рубченя, 2007): крреляционный анализ связи временных рядов летней ледовитости и характеристик полыней выявил отчётливую зависимость летних ледовых условий от площади полыней в предшествующую зиму, что представляет несомненный интерес для прогноза ледовитости на навигационный период.
Барические образования, взаимодействующие с полыньями и стационирующие в районе заприпайных полыней Карского моря (Попов, 2003) могут оказывать воздействие на буровые платформы и трубопроводы в
Баренцевом море - ветра северо-восточных румбов могут привести к навалам льдов в Баренцевом и Карском морях (Зубакин, Данилов, 2000).
Являясь значимым источником новых льдов и плотных вод, полыньи играют важную роль в формировании дальних связей, воздействуя как на гидрологический режим Северного ледовитого океана, так и Северной Атлантики - через формирование аномалий в полях температуры и давления, на макроциркуляционные процессы (Рубченя, Попов, 2006; Рубченя, 2006).
Исследование заприпайных полыней важно для задач краткосрочного и долгосрочного прогноза погоды (Гуков и др., 2000). Результаты исследований долгопериодной изменчивости характеристик полыней могут использоваться для прогнозирования климатических изменений. Так, данные анализа долгопериодной изменчивости площадей заприпайных полыней и продукции новых льдов можно использовать при прогнозе климатических изменений.
Цели и задачи исследования
Основной целью работы является исследование взаимосвязи заприпайных полыней и гидрометеорологических условий в северной полярной области.
При подготовке работы были поставлены следующие задачи:
Исследование изменчивости заприпайных полыней; расчёт энергопотоков, продукции льда и плотных вод в заприпайных полыньях морей Сибирского шельфа.
Исследование влияния заприпайных полыней на летнюю ледовитость.
Исследования влияния заприпайных полыней на термохалинные характеристики в Гренландском море.
Оценка взаимосвязи заприпайных полыней и индексов глобальной циркуляции атмосферы (Arctic Oscillation - АО; North Atlantic Oscillation-NAO).
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие положения:
Новые данные о характеристиках энергомассообмена в заприпайных полыньях морей Сибирского шельфа за период 1978-2000гг.
Заприпаиные полыньи влияют на термохалинные характеристик в Гренландском море: изменение температуры и солёности в проливе Фрама происходит через 3-4 года после активного развития полыней
Выявлены синхронные связи между характеристиками заприпайных полыней и индексом макроциркуляции Arctic Oscillation (АО).
Практическое значение работы
Результаты исследований, освещенные в работе, показывают, что заприпаиные полыньи являются важной частью климатической системы Северной полярной области, оказывая влияние на гидрометеорологические параметры, как в местах своего развития, так и в регионах, значительно удалённых от районов возникновения заприпайных полыней.
Показана возможность прогнозирования летней ледовитости арктических морей на основе данных о площадях заприпайных полыней зимой (на примере Карского моря и моря Лаптевых).
Результаты исследования взаимосвязи заприпайных полыней и термохалинных характеристик в северной Атлантике, взаимосвязи изменчивости заприпайных полыней и атмосферной циркуляции свидетельствуют о влиянии заприпайных полыней на формирование погоды, а, через накопление аномалий, и влияние на климат Северной полярной области - таким образом, заприпаиные полыньи представляют собой важный погодо- и климатообразующий фактор: влияние на формирование погоды
происходит через взаимодействие с циклоническими образованиями, влияние на климат - через накопление атмосферных воздействий и формирование новых льдов и вод, влияющих на гидрометеорологические условия в Арктике.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Текст работы изложен на 115 страницах. Содержит 36 иллюстраций, 19 таблиц. Список литературы включает 70 наименований, из них 24 на иностранном языке.
В первой главе рассматривается современное состояние исследуемого вопроса. В разделе 1.1.1 на основе литературных данных подробно рассмотрен район исследования (Моря Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское), показаны его основные особенности. Дано географическое описание, метеорологические, гидрологические и ледовые условия исследуемого района. В разделе 1.1.2 рассмотрены заприпайные полыньи как природный феномен, описано расположение полыней, даны их названия - согласно литературным источникам. Раздел 1.1.3 посвящен обзору исследований заприпайных полыней, выполненных российскими и зарубежными учеными. Рассмотрены основные механизмы и факторы, обуславливающие существование заприпайных полыней, в основном это отжимные ветра.
Из всех морей Российской Арктики заприпайные полыньи наиболее хорошо выражены в морях Карском и Лаптевых. По сравнению с полыньями морей Баренцева, Восточно-Сибирского и Чукотского они обладают наибольшими размерами и повторяемостью.
Описание исходных данных представлено в разделе 1.1.4. Динамика площадей заприпайных полыней морей Сибирского шельфа, повторяемость различных полыней, описана в разделе 1.2, отмечены закономерности изменения площадей полыней и их повторяемости - с начала 80-х годов
наблюдается рост площадей и эпизодов существования заприпайных полыней, выделены характерные периоды изменчивости площадей полыней - 3-4 и 8-10 лет.
Физико-географическое описание района исследований
В данной работе рассматривается регион российской Арктики, включающий море Лаптевых, Карское море, восточно-Сибирское и Чукотское моря. Физико-географическое описание дано по (Добровольский, Залогин, 1965; Визе, 1948).
Земля, Земля Франца-Иосифа и Северная Земля. Площадь около 880 тыс. км , средняя глубина 127 м, максимальная 620 м, объём вод 112 тыс. км . Наибольшая протяжённость моря с Ю.-З. на С.-В. около 1500 км, ширина (в северной части) до 800 км. Основные заливы (Байдарацкая и Обская губы, Енисейский, Пясинский и Таймырский) врезаны в невысокий, местами пологий берег материка. Крупнейшие реки, впадающие в море, - Енисей, Обь, Пясина, Кара, давшая наименование морю, имеют годовой сток около 1300 км , из них 80% летом. В море большое количество островов (общая площадь около 10 000 км ) - шхеры Минина, архипелаг Норденшельда (более 70 островов) острова Арктического института, Известий ЦИК, Сергея Кирова, Уединения, Визе, Ушакова, Шмидта и др. Много низменных песчаных островов (Белый и др.). Карское море расположено в пределах материковой отмели - шельфа, поэтому около 40% его площади занимают глубины менее 50 ти и лишь 2% - более 500 м. Шельф прорезан с Севера двумя широкими глубоководными желобами - Св. Анны (вдоль восточного побережья Земли Франца-Иосифа, глубиной до 620 м) и Воронина (вдоль западного побережья Северной Земли, глубиной до 450 м). Между желобами находится Центральная Карская подводная возвышенность (глубиной менее 50 м), над которой возвышаются острова Визе и Ушакова.
Климат арктический, суровый: 3-4 месяца в году длится полярная ночь, 2-3 мес. - полярный день, температура воздуха ниже 0С держится на севере моря 9-10 мес, на юге - 7-8 мес. Средняя температура января от -20 до -28 С (минимальная достигает -46 С), июля от 6 до-1 С (максимальная до 16 С). Число дней с морозом в июле от 6 на Ю. до 20 на севере. Зимой часты штормовые ветры, вьюги и метели, летом - снежные заряды и туманы. Большую часть года море покрыто льдом. Ледообразование начинается в сентябре на севере и в октябре на юге. Зимой вблизи берегов и между островами образуется припай, за которым располагаются дрейфующие льды. К лету припай разрушается, а льды на юге и севере моря образуют устойчивые ледяные массивы. В неблагоприятные для судоходства годы льды занимают летом почти всё море, в другие - от льда очищаются значительные пространства.
Водные массы сильно выхоложены и расслоены. Большую часть их толщи составляют воды с температурой ниже -1,5 С, и лишь в желоба проникают из Арктического бассейна тёплые атлантические воды, имеющие на глубине 150-200м температуру до 2,5 С. Зимой температура воды в подлёдном слое от -1,5 С до -1,7 С; летом температура поверхностных вод среди льдов лишь немного превышает её, а в освободившихся от льда районах достигает 6 С в юго-западной части моря и 2 С на север. Верхний слой вод сильно распреснён речным стоком и летним таянием льдов. За год речные воды могли бы образовать в К. м. слой пресной воды толщиной 160 см - наибольший среди всех морей Земли (в Мировом океане эта величина в среднем только 10 см). Солёность вблизи устьев Оби и Енисея равна 10-12 промилле, у мыса Желания повышается до 30 промилле, а у Земли Франца-Иосифа - до 33 промилле. В юго-западной части моря солёность поверхностных вод колеблется от 20 до 25 промилле, возрастая к южным проливам до 30-31 промилле.
Течения образуют два медленных круговорота, огибающих против часовой стрелки юго-западной и северо-восточной части моря. Приливы преимущественно полусуточные, амплитуда уровня в среднем 0,5-0,8 м. Сгонно-нагонные колебания уровня в заливах могут достигать 2 м.
В связи с открытием в Обь-Енисейском районе крупных месторождений нефти и природного газа роль карских морских путей сильно возросла. Рис. 1.2. Море Лаптевых (Добровольский, Залогин, 1965).
Лаптевых море - (так же называлось Сибирское, Норденшельда) -окраинное море Северного Ледовитого океана, между побережьем Сибири, полуостровом Таймыр, островами Северная Земля и Новосибирскими. На западе соединяется с Карским морем (проливы Вилькицкого, Шокальского и Красной Армии), на востоке - с Восточно-Сибирским морем (проливы Дмитрия Лаптева, Этерикан и Санникова). Площадь около 700 тыс. км , объём воды 403 тыс. км , средняя глубина 578 м, наибольшая - 3385 м. Крупнейшие заливы - Хатангский, Оленёкский, Буор-Хая и др. вдаются в низменный пологий берег. В море впадает множество рек, наиболее крупные - Лена, Хатанга, Яна, Оленек, Анабар. В море несколько десятков островов (общая площадь 3784 км2). Море Лаптевых расположено в пределах материковой отмели - шельфа, которая круто обрывается к ложу океана. Глубины менее 50 м занимают около 53% площади моря, более 1000 м - 22%. Грунт глубоководной части - ил, в остальной части - песок и ил; в восточной части моря под тонким слоем осадков встречается второе "ледяное" дно реликтового льда.
По климату Море Лаптевых - одно из самых суровых арктических морей. Около 3 месяцев на юге и 5 месяцев на севере продолжается полярная ночь и столько же - полярный день. Температура воздуха ниже 0С наблюдается на севере моря около 11 мес, на юге - 9 мес. Средняя температура января от -31 до -34С (минимальная около - 50С), июля в северной части 0-1 С (максимальная 4С), в южной части 5-7С (максимальная 10С), на берегах максимальная температура может достигать 22-24С (август). Зимой часты штормовые ветры, вьюга и метели, летом - снежные заряды и туманы. Большую часть года море покрыто льдом. Льдообразование начинается в сентябре на севере и в октябре на юге зимой юго-восточная часть моря занята обширным припаем. Под воздействием преобладающих южных ветров вдоль мористого края припая ежегодно сохраняется так называемая Великая Сибирская полынья, севернее которой располагаются дрейфующие льды. Летом припай разрушается, а льды на северо-западе и юго-востоке образуют устойчивые ледяные массивы. Обычно льды занимают летом большую часть моря, в некоторые благоприятные годы -освобождают почти всё море.
Море Лаптевых отличается низкими температурами воды. Зимой температура подлёдного слоя составляет -0,8 С в юго-восточной части моря и -1,8С в северной, на глубинах - от -1,6С до -1,7С. В глубоководную часть моря проникают на глубине 250-300 м более тёплые (до 1,5С) атлантические воды. Ниже этого слоя температура порядка -0,8С. Летом в очищающихся от льда районах тонкий слой воды прогревается до 8-10С в губах, 2-3С в центральной части моря, а в покрытых льдами районах температура воды близка к температуре замерзания. На солёность воды сильное влияние оказывают таяние льдов и речной сток (около 730 км ), который за год мог бы образовать в Л. м. слой пресной воды толщиной 135 см (второе место в Мировом океане после Карского моря). Зимой солёность в юго-восточной части моря составляет 20-25 промилле, в северной до 34 промилле. Летом солёность вод понижается до 5-Ю промилле на юго-востоке, 30-32 промилле на севере. Поверхностные течения образуют циклонический круговорот вод. Приливы преимущественно полусуточные, амплитуда в среднем около 0,5 м, за исключением Хатангского залива, где в сизигию она возрастает до 2 м. Сгонно-нагонные колебания уровня в заливах и губах превышают 2,5 м.
Изменчивость энергопотоков в заприпайных полыньях
В статье (Кацов и др., 1997) приведены оценки влияния сплочённости ледяного покрова океана на изменчивость атмосферы в высоких широтах, и показано, что «Учёт открытой воды привёл к ослаблению западного зонального потока в высоких и средних широтах обоих полушарий зимой». При этом необходимо отметить, что открытая вода и, в частности, полыньи, учитывались в модели весьма упрощённо, что привело к недооценке роли полыней. При детальном учтёте характеристик заприпайных полыней, и их влияние на изменение атмосферной ситуации будет еще более заметным, что отмечают и другие авторы (Backhaus, Fohrmann, Kampf and Rubino, 1997; Oort A.H. and Yonder Haar, 1976).
Временная изменчивость суммарного (Hlat + Hsens) потока тепла из океана в атмосферу (Анабаро-Ленская полынья). Временная изменчивость энергопотоков (АНЛП) за период 1978-1997 годы представлена на Рис.2.4. Хорошо видно, что чётко выражена межгодовая изменчивость. Межгодовые колебания связаны с крупномасштабными атмосферными процессами и изменениями форм циркуляции атмосферы (Гире, 1951; 1971; 1974; Попов и др., 1999; Романов и др., 1987; Popov etal., 1999).
В течение года энергопотоки испытывают колебания, что видно на Рис.2.4. Эти колебания связаны мезомасштабными изменениями в атмосферной циркуляции и циклонической активностью. Максимальные значения энергетических потоков составляют около 1200 Вт/м2, что представляется несколько завышенным, в частности, из-за пренебрежения в модели солнечной радиацией, что особенно заметно в весенние месяцы.
Результаты расчетов теплообмена океана и атмосферы в Гренландском и Баренцевом морях (Hakkinen, Cavalierly, 1989; Хрол, 1993; Aagaard, Carmack, 1994) дали качественно сходные результаты - максимумы достигали 1000 Вт/м . При этом температуры воздуха в указанных районах не опускались ниже -35С, тогда как экстремальные температуры в районе полыней достигали -40..48С, что, естественно, привело к увеличению энергообмена Океана и Атмосферы.
Поток энергии из океана в атмосферу приводит к интенсивному ледообразованию. В заприпаиных полыньях этот процесс выражен очень ярко, при этом вновь образовавшийся лёд тут же «сдувается» к дрейфующему льду - благодаря отжимным ветрам, поддерживающим полынью. Таким образом, водная поверхность оказывается открытой, и интенсивное ледообразование продолжается. Феноменологическая схема этих процессов представлена на Рис.2.5. Заприпайная полынья становится фактически «фабрикой льдов», как её называют некоторые исследователи (Захаров, 1996), т.к. при нарастании нового льда он тут же выносится к дрейфующим льдам, и вовлекается в их движение, освобождая, таким образом, водную поверхность для образования новых льдов.
Нарастание льда на нижней поверхности многолетних льдов составило 20-30 см в течение зимы - по данным дрейфа станции «СП-22». В тоже время, суммарное нарастание льда зимой составляет 180-200см (Алексеев, 2000). Таким образом, равномерное нарастание льда не может объяснить появление того количества морского льда, которое наблюдается. Одним из источников новых льдов являются заприпайные полыньи. Как показал Ю.Ф.Захаров (Захаров, 1996) до 70% объема новых льдов морей Сибирского шельфа продуцируются в заприпаиных полыньях соответствующих морей.
Генезис плотных вод в заприпаиных полыньях обусловлен резким градиентом температуры, вызывающим мощные энерго- и массопотоки из океана в атмосферу, и ледообразование. При этом рассол, выпадающий при генезисе льда, имеет высокую солёность, опускается под действием силы тяжести и градиента плотности. Схематично это проиллюстрировано в статье Бакхауза и др., (Backhaus, Fohrmann, Kampf and Rubino, 1997), на Рис.2.6. Вертикальные скорости в тоже воды при этом достигают 0,5 м/с. Для расчетов объемов новых льдов, степени осолонення вод в полыньях и объемов новых вод «холодного халоклина» и плотных шельфовых вод (по Aagaard, 1981) использовалась методика, изложенная в работе С.Мартина и Д.Кавальери (Martin, Cavalieri, 1989; Cavalier, Martin, 1994).
На основании изложенных методик в настоящее время рассчитан весь комплекс параметров энергомассообмена заприпайных полыней и атмосферы для региона морей Карского и Лаптевых. Выполнены расчеты продукции новых льдов и вод, при расчетах было использовано допущение о постоянном выносе новых льдов, энергомассообмен рассчитывался с использованием параметризации потоков, проходящих через молодой лёд (по (Макштас, 1984)), нарастающий в полынье. При расчёте продукции новых льдов и вод использовалась модель, представленная Мартином и Кавальєри (Martin, Cavalieri, 1989; Cavalieri, Martin, 1994). Использование модели, учитывающей изменение потоков при нарастании льда, позволило получить уточнённые результаты расчётов продукции новых льдов и вод, образованных в полыньях. Так как значения потоков были скорректированы, результаты приблизились к действительности, и уточнение составило до 34%: уточнение объёмов продукции льда составило 5..34% (или 0.03..0.232 тыс. км3), продукции новых шельфовых вод - на 1..31% (до 0.05 Sv), в среднем на 16% (0.1 Sv); продукции донных вод - в среднем на 16% (0.1 Sv), сравнение с расчётами по другим моделям представлено в таблице 2.2. Раздел 2.2.2 Временная изменчивость продукции льда и новых вод
Рассчитанные объёмы новых льдов уточняют полученные данные на 5%..34% (в среднем на 15.. 17%), и показывают несколько изменённую картину временной изменчивости продукции новых льдов (см. Рис. 18). Так, минимальные продукции наблюдаются в начале 80-х годов (период слабого развития полыней). Отмечен локальный минимум продукции в 1991 г. Среднее количество льда, образованного в полыньях составило, в среднем, около 54%) льдов (см. Таблицу 6) всего моря. При максимуме ледовитости моря в 1023 тыс. км экстремальные значения продукции льда, образованного в полыньях, составляет весьма значительную величину. Среднее значение продукции льда в полыньях составило 559 тыс. км3 причём в конце 1990-х годов продукция приблизилась к 1000 тыс. км , что сравнимо с количеством льда, образовавшимся на всей акватории моря Лаптевых по средним многолетним оценкам. Среднее количество льда, образованного в полыньях составило, в среднем, около 54% льдов всего моря.
Прогноз ледовых условий
Остановимся на чисто прикладном аспекте использования наших знаний о временном распределении данных о площадях заприпайных полыней - попытаемся использовать эти знания для предсказания условий плавания на трассе Северного Морского Пути. Как отмечалось выше, влияние весенней полыньи на деловитость в начале лета очевидно (Карелин, Попов, 2002). Чем больше площадь полыньи в апреле-мае, тем больше тепла накопит водная толща, тем быстрее начнется термическое разрушение льда, тем большая площадь очистится от льда в данном районе. Кроме того, если учесть результаты наших исследований взаимосвязи полыней и траекторий циклонов, то большая площадь полыньи в весенний период приводит к увеличению вероятности стационирования циклонов в районе полыньи и, как следствие, формированию положительных аномалий приземной температуры воздуха на северо-восточной периферии циклона. Несомненно, что это также должно приводить к ускоренному разрушению ледяного покрова в данном районе. Взаимосвязь изменений зимних полыней и летних ледовых условий, разнесенных во времени на месяц и больше имеет, по-видимому, более сложный характер.
В контексте данного исследования интересно отметить два обстоятельства. Во-первых, оказывается хорошо развитые зимние заприпайные полыньи оказывают определяющее влияние на формирование летних ледовых условий в морях Сибирского шельфа, а, следовательно, оказывают воздействие на атмосферные процессы и в летний период. Поскольку ледовитость МСШ определяет положение кромки дрейфующих льдов в СЛО, что в свою очередь определяет положение арктической фронтальной зоны. Во-вторых, как мы видим из таблицы 3.4, была сделана попытка двойного прогноза: вначале по временным рядам индекса западного зонального переноса Вангенгейма-Гирса W за март был выполнен прогноз площади Восточно-Таймырской полыньи в мае 2002 года, а затем по этим величинам прогнозировалась ледовитость западной части моря Лаптевых в июле. Сходимость такого двойного прогноза с фактическими данными по ледовитости составила 5%, а при использовании фактических данных по полыньям мы получили разницу между прогнозом и фактом в 8-9%. Данный факт, по-видимому, говорит о том, что взаимное влияние атмосферных и ледовых процессов чрезвычайно велико. Атмосферные процессы в районе заприпайных полыней в конце зимы определяют ледовые условия на последующую весну и лето. ГЛАВА 4. Заприпаиные полыньи и гидрометеорологические условия в Северной полярной области
Влияние Арктики на глобальный климат реализуется через океан, в частности - через его наиболее активную часть - верхний распреснённый слой и морской лёд. Верхний слой Северного ледовитого океана с морским льдом на поверхности составляет главное звено в формировании арктического воздействия на глобальный климат.
Хорошо известно, что основным источником новых льдов для Арктического бассейна являются окраинные арктические моря. Как показал Ю.Ф.Захаров (Захаров Ю.Ф., 1996) до 70% объема новых льдов морей Сибирского шельфа продуцируются в заприпайных полыньях соответствующих морей. Выводы Ю.Ф.Захарова относятся к 60-70м годам XX века. В тоже время, как показал А.В.Попов (Попов А.В., 2000; 2003), в эти годы повторяемость и площади полыней в морях Сибирского шельфа были минимальны. От 1970-ых к 1990-м годам произошло значительное возрастание как площадей, так и повторяемости эпизодов существования полыней. Величины повторяемости возросли от 30-60% до 80-100%, т.е. многие полыньи из разряда эпизодических перешли в класс постоянных полыней. При этом площадь многих полыней возросла в 2-5 раз. Расчеты автора и А.В.Попова, выполненные по различным методикам, позволили получить среднесуточную скорость нарастания льда в заприпайных полыньях: 0.5-7см/сутки, при расчете по методике К.Д.Сабинина (Сабинин К.Д. 1960) и 1-15 см/сутки, при расчете по методике С. Мартина и Д.Кавальери (Martin S., Cavalieri D., 1989, 1994). Таким образом, в стационарных полыньях в течение холодного сезона «эффективная» толщина льда может достигать 0,3 -20,1м/время полыньи, при расчете по первому и 0,8 -23м/время полыньи, - по второму методу. «Эффективная» толщина льда - сумма толщин льда нарастающего в полынье, в течение всего периода ледообразования, при условии постоянного выноса льдов, достигших толщины 30 см, к подветренной стороне полыньи. Интегрируя эти значения по площади полыней, и суммируя объемы льдов, образованных во всех полыньях конкретного моря (Рис.4.3), мы получили ледопродуктивность каждого из морей Сибирского шельфа. Оказалось, что ледопродуктивность квазипостоянных полыней, при их значительном развитии может превышать в 2-3 раза ледопродуктивность всего моря, рассчитанную без учета выноса льда - спокойное нарастание до равновесной толщины (см. таблицу 2.2).
На приведённой схеме (Рис.4.1) можно проследить механизм, стимулирующий развитие заприпайных полыней, приводящий к формированию значимого климатического сигнала. Рассмотрим один из вариантов развития. Открытие заприпайных полыней ведёт к увеличению продукции в них новых льдов и вод. В течение холодного сезона, значительные массы льдов и вод, вовлекаемые в систему дрейфа Северного Ледовитого океана, будут продвигаться в направлении пролива Фрама (Динамика..., 1989).
Влияние заприпайных полыней на термохалинные характеристики в Гренландском море
Для разработки этой гипотезы был выполнен совместный анализ конкретных барических ситуаций и влияния на них подстилающей поверхности в районе заприпайных полыней. Для всех холодных месяцев (ноябрь-май) за период с 1979 по 2000 годы осуществлена выборка эпизодов присутствия циклонических образований в районе заприпайных полыней морей Лаптевых и Карского. Да дискретностью 6 часов, в остальных случаях - ежесуточные. Пропуски, связанные с отсутствием информации в архиве, составили около 3%.Отдельно были рассмотрены все случаи длительного стационирования циклонических образований в районе полыней Карского моря (более 4-х суток) и моря Лаптевых (более 3-х суток). Результат представлен в Таблице 4.4. По имеющимся данным, совместный анализ характеристик полыней и атмосферной активности до настоящего времени не проводился. Для всех выбранных периодов относительно длительного стационирования циклонов анализировались карты распределения аномалий среднемесячной приземной температуры воздуха и приземного поля атмосферного давления. В таблице отмечалось наличие или отсутствие аномалии приземной температуры воздуха и ситуации возникновения блока в тылу циклонического образования, отепляющий эффект полыней отмечался и ранее (Гуков и др., 2000). Для региона Карского моря из 38, выбранных стационирующих циклонов, отмечено 28 (74%) случаев формирования положительной аномалии температуры воздуха, и в 17 (45%) из них отмечено возникновение блокирующих ситуаций. Для моря Лаптевых выделено 14 стационарных циклона. Из них всего 7 (50% случаев) формируют аномалию температуры и 6 (42% случаев) - вызывают возникновение блока в тылу циклона. Из таблицы 4.4 видно, что в подавляющем большинстве случаев при стационировании циклона происходит его регенерация (36 - для Карского моря и 10 - для моря Лаптевых). Во всех случаях отмечено наличие заприпайной полыньи. Суммарные, средние за месяц площади полыней изменялись от 4660 - 8667 км2, до 103610 км2.
Формирование среднемесячной аномалии может быть связано с накоплением влияния нескольких циклонов. Выявлено 228 случаев стационирования циклонов в районе полыней, указанных морей, выбирались все случаи, когда циклон находился в районе полыньи более 2-х суток. Особо выделены случаи, когда происходила регенерация циклона - всего 91 случай. Углубление циклонических образований, связанное с полыньями составляло от 3 до 35 мб.
В данном случае, при прежнем соотношении площадей, отношение интегральных уходящего в атмосферу и приходящего из атмосферы потоков тепла составляет 0.7 и 3.6 соответственно для средних и максимальных площадей полыней. То есть для случая максимальных потоков при средних значениях площадей полыней величины приходной и расходной части практически уравновешиваются, а при максимальных площадях полыней интегральные потоки тепла от полыней в 3,6 раза превышают потери тепла атмосферой за счет противоизлучения. В данном исследовании мы использовали лишь данные о полыньях морей сибирского Шельфа, однако заприпаиные полыньи, с той или иной степенью повторяемости и развитости существуют практически вдоль всей двадцатиметровой изобаты во всех морях Северного Ледовитого океана. Поэтому эффект их теплового воздействия на атмосферу должен быть еще более выражен.
Очевидно, что такие потоки энергии не могут не оказывать влияние на циркуляцию атмосферы - как в локальном, так и в глобальном масштабе. Локальное воздействие на циклонические образования кратко рассмотрено в разделе 4.2.1, где показано, что в ряде случаев циклоны стационируют в районе активного развития заприпайных полыней, и, кроме того, полынья сама по себе является областью локального циклогенеза. Отепляющий эффект полыней отмечается разными авторами (Гуков и др., 2000; Попов, 2002; Попов, Карелин, Рубченя, 2007). Влияние на крупномасштабную циркуляцию сложно оценить, так как оно имеет инерционный, накопительный, характер. При непосредственном поступлении энергии в полярную атмосферу происходит воздействие на барическое и температурное поле, а накопление создаваемым аномалий приводит к перестройке циркуляции атмосферы. К тому же, как показано в разделе 4.1 данной главы, в заприпайных полыньях формируется климатический сигнал, проявляющийся в Гренландском море через 3-4 года после развития полыней, а в Северной Атлантике - ещё через 1-2 года (см. Рис.4.1). Суперпозиция этих воздействий, а так же другие факторы приводят к тому, что зачастую сложно говорить однозначно о вкладе того или иного процесса в общую картину.
Для оценок влияния полыней на глобальную циркуляцию атмосферы представляется разумным привлечь индексы макроциркуляции. Раздел 4.2.3 Анализ временных изменений индексов АО, NAO и характеристик заприпайных полыней
В последние годы исследователи, изучающие изменение климата в Северной полярной области, в своих работах активно используют индекс Арктического колебания (осцилляции). Впервые понятие Арктической осцилляции ввели Томпсон и Уэлес в 1998 году (Thompson and Wallace, 1998). Арктическая осцилляция (АО) характеризует состояние атмосферной циркуляции, при котором во временных масштабах от недель до десятилетий знак изменения атмосферного давления в полярных районах противоположен тенденции изменения давления в средних широтах (около 45с.ш.). Колебание охватывает всю толщу тропосферы. В период с января до апреля сигнал осцилляции проникает в стратосферу, где происходит модуляция интенсивности западного циркумполярного вихря. Отрицательная фаза Арктической Осцилляции соответствует повышенному, относительно нормы, атмосферному давлению в высоких широтах и пониженному фону атмосферного давления в средних широтах. Атмосферная циркуляции, соответствующая данному полю атмосферного давления обеспечивает выхолаживание приземной атмосферы в Арктике и прогрев в средних широтах. Положительная фаза Арктической Осцилляции, напротив, характеризуется понижением давления и повышением приземной температуры в высоких широтах, при этом в регионах средних широт происходит повышение давления и понижение приземной температуры.
