Вероятные механизмы естественных колебаний в Северной Атлантике и Арктике

Район Северной Атлантики является наиболее интересным в смысле предсказуемости естественных колебаний, так как там согласно вышеприведенным исследованиям, а также, например, (ВеНисш е! а1., 2013) намять о начальном состоянии сохраняется дольше, чем в других местах. Несмотря на значительный прогресс в понимании многих погодных и климатических явлений, механизмы декадных естественных колебаний климата в Арктике и Северной Атлантике все еще до конца не ясны. Предложены несколько механизмов, связанных с колебанием меридиональной функции тока в Атлантике. Так, в (Ое1УОП1г е! а1., 1993) в совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана были найдены колебания климата в Северной Атлантике с характерным периодом около 50 лет. Механизмом колебаний являются колебания термохалинной циркуляции из-за колебаний плотности воды в районах глубокой конвекции. Колебания плотности сами зависят от интенсивности термохалинной циркуляции, а также от ее взаимодействия с приповерхностными течениями.

В (СпГПев, Т/лреппапп, 1995) в простой четырехбоксовой модели найдена колебательная мода с периодом около 50 лет. Механизм этой моды, гак же как и в (СтРИев, Тг1реппапп, 1995), состоит во взаимодействии термохалинной циркуляции с меридиональным потоком тепла и пресной воды, переносимым этой циркуляцией. В (СпГПев, Тг1реппапп, 1995), как и в (ЭеЫюгФ, СгеаЙШсЬ, 2000), показано, что стохастическое атмосферное воздействие возбуждает океанскую моду. В работе (Тйтапеппапп е1 а1., 1998) в качестве механизма 35-летних колебаний климата в Северной Атлантике предлагается колебание термохалинной циркуляции, но в данном случае, но мнению авторов, существенно взаимодействие аномалий ТПО с Северо-Атлантическим колебанием (САК). Интенсификация термохалинной циркуляции приводит к положительной аномалии ТПО. Откликом на нее является положительный индекс САК. Это приводит к увеличению экмановского переноса более пресной и легкой воды с севера в район глубокой конвекции, что, в свою очередь, постепенно ослабляет термохалин- ную циркуляцию и приводит к отрицательной фазе колебания. В (.1ш^с1аи8 е! а1., 2005) показано, что колебания меридиональной циркуляции и глубокой конвекции в Северной Атлантике модулируются переносом пресной воды из Арктики. В идеализированной двухбоксовой модели Атлантики и Тихого океана (Не1сй, Эцкайа, 2007) показано, что максимальная изменчивость на десятилетних временных масштабах концентрируется в районе глубокой конвекции и формирования придонных вод.

В других работах колебание меридиональной циркуляции не является главной причиной междекадных колебаний климата в Северной Атлантике. В (Эукьид е! ак, 2008) показано с помощью вычисления собственных мод линеаризованного оператора упрощенных уравнений динамики океана, что причиной колебаний климата с характерным временем порядка десятилетий и распространения на запад аномалии ТПО в Северной Атлантике может быть «термическая волна Россби». В аналогичном исследовании для Северного Ледовитого океана (РгапксотЬе, ОцкзН'а, 2010) предлагается механизм «соленостной волны Россби». Авторы этой работы, а также (РгапксотЬе, ОцквЛа, 2011) показывают, что декадные колебания климата в Арктике в климатической модели СРОЬ СМ2.1 также, вероятно, объясняются «соленостными волнами Россби». Два периода декадных колебаний в Северной Атлантике в модели СРЭЬ СМ2.1 объясняются «термическими волнами Россби» в Северной Атлантике и влиянием «соленостных волн Россби» из Арктики (РгапксотЬе, ОцкзНа, 2011). В климатической модели 1ЫМСМ4 в Арктике и Северной Атлантике реализуется, по- видимому, последний из предложенных механизмов. Рассмотрим его подробнее.

Эволюцию модельного Арктико-Атлантического колебания можно видеть по композитам аномалии температуры, составленным для различных фаз этого колебания. Композит для года 0 вычислялся как аномалия, усредненная по 5-летним интервалам, когда коэффициент Фурье для первой ЭОФ температуры возрастал. Это означает, что выбирались такие 5-летние интервалы, что разность коэффициенов Фурье для следующего 5-летнего интервала и предыдущего по отношению к выбранному была больше одного среднеквадратичного отклонения этой величины для всех 5-легних интервалов. Композит для года -5

вычислялся как аномалия, усредненная по всем 5-летним интервалам, непосредственно предшествующим тем, когда коэффициент Фурье возрастал. Композит для года -10 есть средняя аномалия за 5-легние интервалы, на 10 лет предшествующие тем, когда коэффициент Фурье возрастал. Аналогично определяются композиты для года +5 и года +10. В целом, поскольку рассматривается колебание с периодом 35-50 лег, композиты для лет от -10 до +10 показывают эволюцию выбранной переменной примерно для половины периода колебания, с отрицательной до положительной фазы.

На рис. 2.13 представлены композиты аномалии плотности воды для лет -10, -5, 0, +5, +10. В год -10 можно видеть отрицательную аномалию на большей части Арктики, в то время как положительная аномалия расположена в Северной Атлантике. В год -5 аномалия плотности в Арктике начинает уменьшаться по величине и сдвигается на юго-запад, к восточному побережью Гренландии. В год 0 можно видеть градиент плотности, направленный с северо- запада на юго-восток, с отрицательной аномалией у восточного берега Гренландии и положительной аномалией у западного побережья Европы. Аномалия в Арктике становится небольшой. В течение следующих 10 лет снова появляется и увеличивается градиент плотности с северо-запада на юго-восток, но с противоположным знаком по сравнению с годом -10. В год +10 аномалия плотности в Арктике положительна, а в Северной Атлантике отрицательна. В рассматриваемом районе аномалии плотности в основном определяются аномалиями солености, а не температуры. В основном аномалии температуры имеют тот же знак, что и аномалии плотности (рис. 2.13), и это вносит вклад противоположного знака в аномалию плотности, но вклад солености примерно на порядок больше.

Индекс Атлантической меридиональной циркуляции, определенный как максимум меридиональной функции гока в районе 25-35° с.ш., 1 000-2 000 м глубины, имеет минимум в год +5, примерно через 5 лет после минимума приповерхностной плотности в районе глубокой конвекции и формирования глубинных вод. Временной спектр индекса Атлантической меридиональной циркуляции имеет максимум на периодах 35-50 лет, как и коэффициент Фурье при первой ЭОФ температуры. Существует связь между индексом САК и Арктико- Атлантическим колебанием, а именно, отрицательная фаза САК имеет место в годы с - К) по -5. Однако лишь небольшую часть всей дисперсии САК на межгодовых масштабах можно объяснить как взаимодействие с Арктико- Атлантическим колебанием. Во временном спектре индекса САК в модели нет статистически значимого пика на 35-50 годах.

Конечно, очень трудно аккуратно доказать, что в модели реализуется именно этот механизм естественных колебаний климата в Арктике и Северной Атлантики. Тем не менее полагаем, что этот механизм аналогичен тому, что предложен в работе (Эркя^а Щ ак, 2008), поскольку это единственный предложенный на сегодня механизм, благодаря которому происходит распространение аномалии плотности на запад или юго-запад. Единственное отличие состоит в том, что в нашем случае не аномалии температуры, а аномалии солености вносят основной вклад в аномалию плотности и термические течения.

Композиты аномалии приповерхностной плотности воды, 10  кг/м (слева) и приповерхностной температуры, К (справа) для лет -10, -5, 0, +5, +10

Рис. 2.13. Композиты аномалии приповерхностной плотности воды, 10 2 кг/м3 (слева) и приповерхностной температуры, К (справа) для лет -10, -5, 0, +5, +10

Рис. 2.14 схематически представляет механизм распространения аномалии плотности в океанском бассейне. Ось х соответствует долготе, ось у - широте, ось д - высоте. Сначала у нас есть отрицательная аномалия плотности вдоль северной стены бассейна. Непосредственно к югу от отрицательной аномалии плотности мы имеем вертикальный сдвиг зональной скорости и в соответствии с уравнением «термического ветра»:

где g - ускорение свободного падения, р0 - средняя плотность воды, / - параметр Кориолиса, р - аномалия плотности. Вследствие термического течения около восточного края бассейна происходит подъем воды из глубины, а около западного края - опускание воды с поверхности в глубину. Чтобы выполнялось условие устойчивости, необходимо, чтобы потенциальная плотность возрастала с глубиной. Поэтому подъем приводит к переносу воды с более высокой, а опускание - к переносу воды с более низкой потенциальной плотностью. Через некоторое время г следует ожидать появления отрицательной аномалии плотности у западной границы и положительной аномалии плотности у восточной границы. Повторяя наши рассуждения еще раз, можно заметить, что еще через время г следует ожидать положительной аномалии плотности у северной границы и отрицательной - у южной, т.е. ситуации, противоположной тому, что было в начальный момент. Здесь временной интервал г есть четверть периода колебания.

Мы можем оценить его следующим образом. Пусть характерный масштаб аномалии плотности вдоль осей х, у и г есть соответственно Ах, Ду и Ад. Тогда, согласно уравнению неразрывности, скорость вертикального течения XV около западной или восточной границы вычисляется следующим образом:

а тенденция плотности вследствие вертикальной адвекции есть

где др0 /дг- вертикальный градиент средней потенциальной плотности. Величина г может быть оценена как время, через которое аномалия плотности вследствие вертикальной адвекции около восточной или западной стенки достигнет той же величины, что и исходная аномалия у северной стенки р':

Подставляя численные значения величин, типичные для климата модели в рассматриваемом регионе Ах = 3-106 м, Ду = 106 м, Ад = 100 м, др0 / дг =5-10 3 кг м 4, / = 610 с , ? = 10 мс , можно оценить, что г ~ 11 лет. Это вполне соответствует периоду колебания в 35-50 лет, который был найден в модели.

Схема аномалий плотности, термического течения, подъема, опускания и тенденции плотности для Арктико-Атлантического колебания в модели

Рис. 2.14. Схема аномалий плотности, термического течения, подъема, опускания и тенденции плотности для Арктико-Атлантического колебания в модели. Рисунок аналогичен рис. 5 в (ОуЫга еч а!., 2008), но с аномалией плотности вместо аномалии температуры

На рис. 2.15 представлены композиты аномалии разности скорости течения на глубинах Оми 100 м для года —10 и года 0. Течения соответствуют соотношению термического ветра (2.1) и аномалии приповерхностной плотности в соответствующие годы (рис. 2.13). В год -10 течения направлены главным образом с юго-востока на северо-запад, примерно вдоль изолиний р . Вследствие такого течения должно происходить опускание воды и адвекция низкой плотности у восточного побережья Гренландии, а также подъем воды и адвекция высокой плотности у западного побережья Европы. В год 0 в Гренландско-Норвежском море и море Ирмингера течения направлены с северо-востока на юго-запад, также вдоль изолиний плотности. Такие течения должны вызывать подъем воды и увеличение поверхностной плотности в Арктике, а также опускание воды и уменьшение поверхностной плотности в Северной Атлантике.

Колебания Атлантической меридиональной циркуляции, вероятно, играют лишь второстепенную роль в механизме поддержания модельной изменчивости в Северной Атлантике, поскольку величина тенденции плотности вследствие аномалии меридиональной циркуляции примерно на порядок меньше, чем величина тенденции плотности вследствие термического течения. Также, по всей видимости, взаимодействие с САК не является столь существенным для рассматриваемой моды, как в случае, представленном в (Пттегтапп е1 а1., 1998), поскольку минимум индекса САК в нашем случае случается за четверть периода до минимума температуры в Северной Атлантике, а не одновременно, как в (Тйптегтапп е! а1., 1998).

Композиты разности аномалии скорости течения в океане, см с ’, на глубинах 0 м и 100 м для года -10 (вверху) и года 0 (внизу)

Рис. 2.15. Композиты разности аномалии скорости течения в океане, см с ’, на глубинах 0 м и 100 м для года -10 (вверху) и года 0 (внизу)

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >