CC BY
72
УДК 551.465.45
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АТЛАНТИЧЕСКИХ ВОД НА СОСТОЯНИЕ АРКТИЧЕСКОГО МОРСКОГО ЛЬДА
Елена Николаевна Голубева
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел.(383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Геннадий Алексеевич Платов
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел.(383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Дина Фаруковна Якшина
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, младший научный сотрудник, тел.(383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Результаты численного эксперимента показывают, что на распределение и толщину арктического морского льда оказывают влияние атлантические воды, поступающие в СЛО. Несмотря на то, что эти воды не являются поверхностными, они могут передавать свое тепло вышележащим слоям. Особенно это проявляется в приатлантическом секторе СЛО, где положение кромки льда отражает траекторию поступающих двух ветвей атлантических вод.
Ключевые слова: Арктика, атлантические воды, изменение климата, морской лед, Северный Ледовитый океан, численное моделирование, циркуляция вод.
A NUMERICAL MODELING OF THE INFLUENCE
OF THE ATLANTIC WATER ON THE ARCTIC SEA ICE STATE
Elena N. Golubeva
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 prospect Akademika Lavrentjeva, Dr. Phys.-Math. Sci., leading scientist, tel. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Gennady A. Platov
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 prospect Akademika Lavrentjeva, Dr. Phys.-Math. Sci., leading scientist, tel. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Dina F. Iakshina
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 prospect Akademika Lavrentjeva, junior scientist, tel. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Numerical results show that the Atlantic waters, entering the Arctic Ocean, affect the distribution and thickness of the Arctic sea ice. Despite the fact that these waters are not distributed in the surface layer, they can heat the upper ocean layers from below. This is particularly evident on the border of the Arctic and the Atlantic, where the ice edge position coincides with the trajectories of the two incoming branches of the Atlantic waters.
Key words: Arctic Ocean, Atlantic waters, circulation, numerical modeling, sea ice, climate change.
Введение
В течение последних десятилетий в Северном Ледовитом океане происходит постепенное сокращение объема многолетнего льда и переход к доминированию сезонного льда над многолетним [7]. По данным Национального Центра обработки данных снега и льда в США (National Snow and Ice Data Center, далее NSIDC) к настоящему времени абсолютный минимум площади льда в СЛО составляет 3.41 млн.кв.км (сентябрь 2012г., http://nsidc.org), что на 49% ниже среднего значения за период с 1979 по 2000 гг. Лидирующая роль в этом процессе отводится атмосфере в связи с регистрируемым повышением приземной температуры воздуха в полярных широтах и преобладанием циркуляционного режима, формирующего устойчивый вынос льда за пределы Арктического бассейна. Влияние океана рассматривается как дополнительный фактор, приобретающий в последнее время немаловажное значение в связи с повышением температуры тихоокеанских и атлантических вод, поступающих в Арктический бассейн. В настоящей работе представлены результаты численного моделирования, отражающие влияние океана на состояние морского льда СЛО в Атлантическом секторе Западной Арктики.
Метод исследования
Для проведения численных экспериментов используется трехмерная региональная численная модель СЛО и Северной Атлантики ИВМиМГ СО РАН [1,3,4,6]. Для определения потоков на поверхности океана и морского льда используются данные атмосферного реанализа CORE2 [9]. В ходе численного эксперимента моделируются изменения, происходящие в состоянии вод и морского льда, определяемые изменчивостью атмосферной циркуляции в период с 1948 по 2013 гг. Постановка эксперимента подробно описана в работе [1].
Результаты моделирования и данные наблюдений
Большая часть Западной Арктики (архипеллаг. Шпицберген, Баренцево и Карское моря) находится под влиянием Северной Атлантики. Теплая соленая вода, поступающая через Фареро-Шетландский пролив в Норвежское и Гренландское моря и далее в Баренцево море, и потоки теплого и влажного воздуха, распространяющегося над этой водой на восток и северо-восток в арктические моря и в Арктический бассейн, являются источником тепла для него.
Полученное в результате работы численной модели поле течений отражает основные потоки, определяющие обмен между Северной Атлантикой и Арктическим бассейном [2]. Среди них две ветви атлантических вод, поступающих в СЛО и южный поток Восточно-Гренландского течения (рис. 1а). Восточная ветвь атлантических вод, проходящая через Баренцево море, теряет большую часть своего тепла вследствие интенсивного обмена с атмосферой, влияя на процессы образования льда. Модифицированная баренцевоморская атлантическая вода, в среднем имеющая отрицательную температуру, через желоб св. Анны выносится в котловину Нансена. Вторая ветвь атлантических вод - За-
падно - Шпицбергенское течение поступает в Арктический бассейн через пролив Фрама (далее Фрамовская ветвь). Перемешиваясь с холодной арктической водой, течение опускается на уровень промежуточных вод и следует дальше вдоль материкового склона. Теплое ядро атлантических вод в модельных расчетах в бассейне Нансена находится над материковым склоном на глубине 200400 м. В соответствии с данными наблюдений [8], по мере продвижения вдоль материкового склона бассейна Нансена происходит интенсивная трансформация слоя атлантических вод.
Поступление в Арктический бассейн аномально теплых атлантических вод, начавшееся в конце 1980-х годов и продолжающееся по настоящее время, привело к повышению температуры слоя атлантических вод [7,8]. Это может отражаться на состоянии ледяного покрова за счет передачи тепла от атлантического слоя вышележащим слоям. Передача тепла от атлантических вод в атмосферу и в область морского льда в модели наиболее отчетливо проявляется в Баренцевом и Норвежском морях и в восточной части Гренландского моря (рис. 1б), где отсутствует лед даже в зимний период. Положение кромки льда отражает траекторию поступающих двух ветвей атлантических вод. Также заметно сокращение толщины льда вдоль материкового склона к северу от Баренцева моря, где теплые атлантические воды располагаются наиболее близко к поверхности, и процессы перемешивания способствуют вовлечению вод и передаче тепла вышележащим слоям.
Рис. 1. Влияние атлантических вод на состояние морского льда СЛО
в численном эксперименте: а - поле модельных течений в слое 100-250м, демонстрирующее распространение атлантических вод (ФВ - Фрамовская ветвь, БВ - Баренцевоморская ветвь); б - толщина льда (м) в
зимний период (февраль 2006 г.)
Влияние атлантических вод прослеживается к северу от Шпицбергена, где толщина льда в модельном расчете меняется от 1 до 50 см. Поле скорости таяния на нижней поверхности льда в зимний период показывает ненулевые значения в этой области и на кромке льда в Гренландском море (рис. 2б), несмотря на то, что поле дрейфа льда отражает поток, выносящий лед из Арктики. В некоторые годы (2006 г.) рассчитанная здесь скорость таяния льда на нижней поверхности льда в зимний период больше, чем в летний (рис. 2а).
Рис. 2. Скорость таяния на нижней поверхности льда в численном эксперименте: а - июль 2006, б - февраль
Перенос тепла от ядра атлантических вод в вышележащий слой вдоль материкового склона Евразии подтверждается данными наблюдений и модельными расчетами [7]. На основе анализа данных наблюдений и результатов расчетов толщины однолетнего льда вклад теплового воздействия атлантических вод в сокращение средней толщины льда в западной части котловины Нансена в период с 2004 по 2008 гг. оценивается в 20% [5].
Заключение
В настоящее время наблюдается процесс резкого сокращения площади ледяного покрова СЛО. Роль океана в этом процессе до конца не выяснена. Данные наблюдений и результаты расчетов показывают, что в приатлантическом секторе СЛО, где положение кромки льда отражает траекторию поступающих двух ветвей атлантических вод, тепловое влияние океана несомненно. Учитывая, что процесс повышения температуры поступающих атлантических вод продолжается более двух десятилетий, необходим тщательный подход к изуче-
нию физических механизмов, определяющих изменчивость СЛО, и его влияния на состояние морского льда.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№ 13-05-00480, № 14-05-00730), Минобрнауки России (ПНИЭР RFMEFI61014X0006).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Голубева Е. Н., Платов Г. А. Численное моделирование отклика Арктической системы океан-лед на вариации атмосферной циркуляции 1948-2007 гг. // Известия РАН. Серия ФАО. 2009. т.Т. 45. N 1. С. 145-160.
2. Никифоров Е.Г., Шпайхер А.О. Закономерности формирования крупномасштабных колебаний гидрологического режима Северного Ледовитого океана. // Л: Гидрометеоиздат. 1980. 270 с.
3. Платов Г. А. Численное моделирование формирования глубинных вод Северного Ледовитого океана. Часть II: Результаты региональных и глобальных расчетов // Известия РАН. Серия ФАО. 2011. т. 47. № 3. с. 409-425.
4. Golubeva, E. N., and G. A. Platov. On improving the simulation of Atlantic water circulation in the Arctic Ocean. // J. Geophys. Res. 2007. 112. doi:10.1029/2006JC003734.
5. Ivanov, V. V., Alexeev, V. A., Repina, I., Koldunov, N. V. and Smirnov, A. Tracing Atlantic Water signature in the Arctic sea ice cover east of Svalbard. // Advances in Meteorology. 2012. p.1- 11. doi:10.1155/2012/201818.
6. Hunke E.C., Dukowicz J.K. An elastic-viscous-plastic model for ice dynamics // J. Phys. Oceanogr. 1997. V. 27. № 9. P. 1849-1867.
7. Polyakov, I. V., Timokhov, L. A., Alexeev, V. A., Bacon, S., Dmitrenko, I. A., Fortier, L.,Frolov, I. E., Gascard, J. C., 5 Hansen, E., Ivanov, V. V., Laxon, S., Mauritzen, C., Perovich,D., Shimada, K., Simmons, H. L., Sokolov, V. T., Steele, M., and Toole, J. Arctic Ocean warming contributes to reduced polar ice cap // J. Phys. Oceanogr. 2010. 40. P. 2743-2756. doi::10.1175/2010JPO4339.1.
8. Rudels B., U. Schauer, G. Bjork, M. Korhonen, S. Pisarev, B. Rabe, and A. Wisotzki: Observations of water masses and circulation with focus on the Eurasian Basin of the Arctic Ocean from the 1990s to the late 2000s // Ocean Sci. 9. P.147-169. doi:10.5194/os-9-147-2013.
9. http://data1.gfdl.noaa.gov/nomads/forms/mom4/COREv2.html Version 2 forcing for coordinated ocean-ice reference experiments (core).
© Е. Н. Голубева, Г. А. Платов, Д. Ф. Якшина, 2015
