CC BY
21
ПРИРОДНАЯ СРЕДА
УДК 551.461.25"1993/2019" ББК 26.221
DOI 10.53115/19975996_2021_04_079-083
В.Н. Малинин, Я.И. Ангудович
ИЗМЕНЧИВОСТЬ УРОВНЯ МОРЕЙ СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКИ ПО АЛЬТИМЕТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ
Рассматриваются особенности межгодовой изменчивости уровня для пяти морей (Балтийское, Карибское, Северное, Средиземное и Мексиканский залив) и Северной Атлантики (СА) в целом по натурным альтиметрическим данным за период 1993-2019 гг. Показано, что наиболее высокий тренд в морском уровне отмечается в Мексиканском заливе, который почти в 2 раза больше тренда в Средиземном море. Циклические компоненты отмечаются только в Северном и Балтийском море, вклад которых в дисперсию годовых значений уровня составляет 23 и 36%. Наибольший вклад случайных колебаний (белый шум) приходится на Балтийское море (36%), а наименьший - на Мексиканский залив (18%). Показана высокая степень связности годовых значений уровня морей друг с другом и особенно с уровнем СА. Так, практически функциональная связь (г = 0,95) отмечается между уровнем СА и уровнем Мексиканского залива. Это означает, что уровень Мексиканского залива можно рассматривать как индикатор межгодовой изменчивости уровня СА. Установлена физически обусловленная связь между уровнем СА и североатлантическим колебанием (САК): уровень океана повышается при усилении САК.
Ключевые слова:
межгодовая изменчивость, Северная Атлантика, тренд, уровень моря.
Малинин В.Н., Ангудович Я.И. Изменчивость уровня морей Северной Атлантики по альтиметрическим данным // Общество. Среда. Развитие. -2021, № 4. - С. 79-83. - DOI 10.53115/19975996_2021_04_079-083.
© Малинин Валерий Николаевич - доктор географических наук, профессор, Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург; e-mail: malinin@rshu.ru © Ангудович Яромир Иванович - магистрант, Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург; e-mail: truecadeau@mail.ru
Уровень Мирового океана (УМО) входит в число важнейших параметров климатической системы [6]. В результате глобального потепления УМО в настоящее время растет уже со скоростью 3,2 мм/год. Однако, по мнению многих авторов, следует ожидать ускорения его роста из-за резкого усиления таяния ледникового щита Гренландии, частичного разрушения Западно-Антарктического щита Антарктиды и быстрого роста теплосодержания океана [6; 9; 12; 14; 17]. Вследствие этого УМО к концу столетия может возрасти до 2,0-2,7 м [11; 13; 15]. Такое повышение уровня делает неизбежным затопление равнинных прибрежных территорий многих стран и переселение многих десятков, если не сотен миллионов человек, грозит катастрофическим ущербом для инфраструктуры побережья океанов и морей,
усиливает штормовые нагоны и наводнения в устьях рек [1; 4; 9; 15 и др.]. Естественно, в различных регионах океана последствия роста уровня будут проявляться по-разному. В этой связи очень важное значение имеет акватория Северной Атлантики (СА), с обеих сторон которой находятся страны с высоким уровнем жизни и большим числом населения, проживающего в прибрежных зонах океана.
Уже сейчас многие страны подсчитывают колоссальные убытки от роста уровня в СА. Вдоль восточного побережья США и побережья Мексиканского залива каждый год фиксируется увеличение интенсивности прибрежных наводнений, штормовых нагонов и роста количества паводковых дней [9; 15]. На основе измерений мареографов было доказано, что сейчас прибрежные города США страдают от
см о см
о
3
ю о
наводнений минимум в 5 раз чаще, чем в 1950-х годах. Эта проблема касается более 40% американцев, живущих неподалеку от береговой линии. Ежегодные убытки от наводнений, в основном за счет штормовых нагонов, в Европе оценивается в 1,25 млрд евро в год, причем половина всего ущерба приходится в основном на Великобританию (31%), Францию (10%) и Италию (9%). Активно борются с наводнениями в Нидерландах, поскольку из-за топографических особенностей примерно 2/3 их территории в ближайшем будущем могут оказаться под водой. Согласно исследованиям Королевского метеорологического института Нидерландов, уровень воды в южной части Северного моря будет на 2580 см выше к 2071-2100 годам в сравнении с данными 1981-2010 годов.
Несомненно, уровень Северной Атлантики (УСА) в значительной степени связан с УМО. Из данных спутниковой альтиметрии по уровню в СА и данных института Colorado по УМО, представленных на рис. 1 видно, что тренд УСА (2,56 мм/год) заметно ниже тренда УМО (3,2 мм/год). После исключения трендов корреляция между УСА и УМО уменьшается до r = 0,60. Очевидно, что межгодовая изменчивость УСА существенно отличается от колебаний УМО. Различные аспекты изменчивости уровня в СА обсуждаются в работах [7-10; 15; 16 и др.]. Цель данной работы состоит в анализе межгодовой изменчивости уровня морей Северной Атлантики по альтиметрическим данным за период 1979-2019 гг.
Материалы и методы
В данной работе использовались непосредственно измеренные, обработанные и систематизированные альтиметрические данные уровня в Лаборатории спутниковой альтиметрии США (Laboratory for Satellite Altimetry NOAA/NESDIS/STAR). Исходные альтиметрические данные покрывают океан от 66° с.ш. до 65° ю.ш., имеют пространственное разрешение 1/3° в меркаторской проекции, дискретность -9,9 сут. и точность расчёта — 4,2 см. Неопределённости оценок морского уровня обусловлены методическими аспектами преобразования необработанных спутниковых измерений в реальные оценки морского уровня, необходимостью учёта атмосферных условий, ветровых волн и приливов, а также гляциоизостатического приспособления, в результате чего происходит некоторое увеличение площади океанских бассейнов из-за отступания
суши в конце последнего ледникового периода. Приближённо скорость их увеличения оценивается в -0,3 мм/год с ошибкой не менее 50% [9]. В настоящей работе использовались натурные среднемесячные данные по уровню для следующих морей/ заливов (Северное, Балтийское, Средиземное, Карибское, Мексиканский залив) и акватории СА в целом за период 1993-2019 гг., взятые с сайта Laboratory for Satellite Altimetry / Sea Level Rise.
Представим временной ряд среднегодовых значений уровня H в виде следую -щего разложения
H(t) = T(t) + C(t) + P(t) ,
(1)
где T(t) - трендовая составляющая; C(t) -циклическая компонента, характеризующая регулярные (циклические) межгодовые колебания; P(t) - остаточная часть, характеризующая нерегулярные (случайные) межгодовые колебания.
Сумму трендовой и циклической компонент можно условно рассматривать как детерминированную часть разложения (1), т.е. ту часть дисперсии исходного ряда H(t), которая поддается интерпретации и строго описывается статистическими методами. Случайная компонента обычно представляет «белый шум» и ей пренебрегают. Методы расчета составляющих (1) приводятся в [2].
Результаты и обсуждение
В табл.1 представлены статистические характеристики годовых значений морского уровня за период 1993-2019 гг. Наиболее высокий уровень свойствен Мексиканскому заливу, который обусловлен притоком водных масс с юга через Юкатанский пролив мощным Карибским течением. Максимальная межгодовая изменчивость уровня отмечается в Балтийском море, наименьшая - в Средиземном море. Оба моря являются внутриматериковыми, однако принципиальное отличие между ними состоит в том, что первое находится под влиянием Исландской депрессии, а другое - Азорского максимума. Соответственно, Балтике свойствен циклонический характер атмосферной циркуляции, а Средиземному морю - антициклонические условия.
Самый высокий тренд в морском уровне отмечается в Мексиканском заливе, который почти в 2 раза больше тренда в Средиземном море. При этом максимальный вклад тренда в межгодовую изменчивость уровня также свойствен Мексиканскому заливу (82%), а наименьший - Балтийско-
му морю, в котором вклад случайных колебаний в дисперсию уровня превышает вклад тренда. Циклическая компонента учитывалась путем расчета гармоник традиционным методом Фурье. При этом учитывались только значимые гармоники при уровне значимости а = 0,05. Для Балтики были выделены 2 гармоники с периодами 4,3 и 3,4 лет, для Северного моря гармоника с периодом 2 года. В результате детерминированная часть уравнения (1) отмечается в диапазоне 89-64 % от дисперсии исходных рядов.
Для оценки степени связности уровня рассматриваемых морей был выполнен расчет выборочных коэффициентов корреляции до исключения тренда и после его исключения, результаты которого приводятся в табл. 2. Как видно из табл. 2, исключая пару Балтийское море - Средиземное море, все коэффициенты корреляции до исключения тренда являются значимыми. Особенно высокая корреляция существует между СА и ее морями. Почти функциональная связь (г = 0,95) отмечается между уровнями СА и Мексиканского залива (г = 0,38).
Однако реальную степень связности рассматриваемых регионов друг с другом можно оценить только после исклю-
чения трендов. В этом случае возникает иная ситуация. Значимых коэффицен-тов корреляции в 2 раза меньше чем незначимых. Тем не менее, стоит выделить корреляцию между СА и Мексиканским заливом (r = 0,80). По сути это означает, что уровень Мексиканского залива можно рассматривать как индикатор межгодовой изменчивости уровня СА. Высокая отрицательная корреляция между Балтийским и Средиземным морями обусловлена, очевидно, специфическими региональными факторами.
Если рассматривать уровень СА как климатический параметр, то естественно ожидать, что он должен быть связан с другими важными показателями климата СА. В данной работе были выбраны САК, АМО, индекс Гольфстрима GSNW и суммарный поток тепла в атмосферу в Бермудской энергоактивной зоне ®БерЭАЗО). Индексы Североатлантического колебания (САК) и Атлантической мультидекадной осцилляции (AMO) хорошо известны и не требуют описания. Индекс GSNW характеризует положение хорошо идентифицируемой северной границы Гольфстрима («North Wall» или «северная стена»), т.е. косвенно отражает мощность течения. Он рассчитывается в морской лаборатории Плимута
Статистические характеристики годовых значений уровня морей за период 1993-2019 гг.
Таблица 1
81
Среднее арифметическое, мм Стандартное отклонение, мм Величина тренда, мм/год Вклад тренда, % Вклад гармоник, % Белый шум, %
Северная Атлантика 16,87 23,04 2,56 78 11 11
Балтийское море 16,41 57,33 3,82 28 36 36
Карибское море 20,41 30,03 3,12 68 0 32
Мексиканский залив 25,54 35,39 4,03 82 0 18
Северное море 15,52 28,61 2,74 58 23 19
Средиземное море 15,08 21,38 2,21 67 0 33
Таблица 2
Корреляционная матрица среднегодовых значений морского уровня до исключения тренда (нижний треугольник) и после его исключения (верхний треугольник) для районов СА (значимые коэффициенты корреляции при уровне значимости а = 0,05
выделены полужирным шрифтом)
Северная Атлантика Балтийское море Карибское море Мексиканский залив Северное море Средиземное море
Северная Атлантика 1,00 0,14 0,26 0,80 0,35 0,02
Балтийское море 0,51 1,00 -0,07 0,27 0,62 -0,71
Карибское море 0,80 0,40 1,00 0,47 0,34 0,02
Мексиканский залив 0,95 0,57 0,86 1,00 0,35 -0,21
Северное море 0,78 0,74 0,75 0,78 1,00 -0,41
Средиземное море 0,73 0,07 0,68 0,69 0,47 1,00
о
см о см
о
3
ю о
(Великобритания), а его среднемесячные значения с 1966 г. ' по настоящее время представлены на сайте http://www. pml-gulfstream.org.uk. Бермудская ЭАЗО расположена в центре Гольфстрима и является самой мощной в СА. Оценки потока тепла в Бермудской ЭАЗО брались из работы [3]. На рис. 2 приводится оценка коэффициентов корреляции осредненных по 5-летиям годовых значений индексов климата с УСА. Нетрудно видеть, что высокая положительная корреляция отмечается между УСА и САК, а также значимая
корреляция с АМО и СверЭАЗО. Связь между УСА и САК физически обусловлена. Как известно, при положительных значениях САК отмечается усиление зональной циркуляции атмосферы и ослабление меридионального переноса [5]. Это приводит к интенсификации основной системы течений и повышению уровня океана.
Заключение
Для пяти морей (Балтийское, Карибское, Северное, Средиземное и Мексиканский залив) и СА в целом по натурным альтиметрическим данным рассмотрены особенности межгодовой изменчивости уровня за период 1993-2019 гг. Следует отметить определенные расхождения между уровнем Северной Атлантики (УСА) и УМО. Тренд УСА (2,56 мм/год) заметно ниже тренда УМО (3,2 мм/год), а корреляция между УСА и УМО после исключения трендов уменьшается до г = 0,60. Это характеризует региональные особенности межгодовой изменчивости УСА.
Расчет трендов для морей СА показал, что самый высокий тренд в морском уровне отмечается в Мексиканском заливе, который почти в 2 раза больше тренда в Средиземном море. При этом максимальный вклад тренда в межгодовую изменчивость уровня также свойствен Мексиканскому заливу (82%), а наименьший - Балтийскому морю, в котором вклад случайных колебаний в дисперсию уровня превышает вклад тренда. Циклические компоненты
Рис. 1. Межгодовой ход уровня Северной Атлантики (1) и Мирового океана (2)
GSNW ■ ВБерЭАЗО ■ AMO
Рис. 2. Оценки коэффициентов корреляции осредненных по 5-летиям годовых значений климатических индексов с уровнем Северной Атлантики. Пунктирная линия -уровень значимости коэффициента корреляции
отмечаются только в Северном и Балтийском море, вклад которых в дисперсию годовых значений уровня составляет 23 и 36%. Наибольший вклад случайных колебаний (белый шум) приходится на Балтийское море (36%), а наименьший - на Мексиканский залив (18%).
Показана высокая степень связности годовых значений уровня морей друг с другом и особенно с УСА. Так, практически функциональная связь (r = 0,95) отмечается между УСА и уровнем Мексиканского залива. Однако после исключения тренда корреляция заметно уменьшается и в 66% случаях становится даже незначимой, т.е. региональные особенности
формирования межгодовой изменчивости уровня в морях СА значительны. Важным фактом является сохранение высокой корреляции между УСА и уровнем Мексиканского залива (г = 0,80). Это означает, что уровень Мексиканского залива можно
рассматривать как индикатор межгодовой изменчивости уровня СА. Установлена физически обусловленная связь между уровнем СА и североатлантическим колебанием (САК): уровень океана повышается при усилении САК.
Список литературы:
[1] Малинин В. Н. Уровень океана: настоящее и будущее. - СПб.: Изд-во РГГМУ, 2012. - 260 с.
[2] Малинин В.Н. Статистические методы анализа гидрометеорологической информации. - СПб.: Изд-во РГГМУ, 2008. - 408 с.
[3] Малинин В.Н., Шмакова В.Ю. Изменчивость энергоактивных зон океана в Северной Атлантике // Фундаментальная и прикладная климатология. - 2018, № 4. - С. 55-70.
[4] Малинин В.Н., Гордеева С.М., Шевчук О.И. Изменения уровня Мирового океана в текущем столетии // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Т. 16. - 2019, № 5. -С. 9-22. - DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-5-9-22
[5] Нестеров Е.С. Североатлантическое колебание: атмосфера и океан. - М., Триада, 2013. - 144 с.
[6] AR5 Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Eds. T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, P.M. Midgley. - Cambridge, N.Y.: Cambridge University Press, 2013. - 1535 p.
[7] Belonenko T., Koldunov A. On the Trends of Steric Level Fluctuations in the North Atlantic // Issledovanie Zemli iz kosmosa. - 2018, Issue 5. - P. 31-40. - DOI: 10.31857/S020596140003236-0
[8] Chafik L., Nilsen J.E., Dangendorf S., Reverdin G., Frederikse T. North Atlantic Ocean Circulation and Decadal Sea Level Change During the Altimetry Era // Scientific Reports. - 2019, № 9. - 1041. - Интернет-ресурс. Режим доступа: https://doi.org/10.1038/s41598-018-37603-6
[9] Curry J. Sea Level and Climate Change: Special Report // Climate Forecast Applications Network. - 2018. -79 p. - Интернет-ресурс. Режим доступа: https://curryja.files.wordpress.com/ 2018/11/special-report-sea-level-rise3.pdf
[10] Frederikse T. et al. Closing the sea level budget on a regional scale: Trends and variability on the Northwestern European continental shelf // Geophys. Res. Lett. - 2016, № 43.
[11] Kopp R.E., Horton R.M., Little C.M., Mitrovica J.X., Oppenheimer M., Rasmussen D.J., Strauss B., Tebaldi C. Probabilistic 21st and 22nd century sea level projections at a global network of tide gauge sites // Earth's Future. V. 2. - 2014, № 8. - P. 383-406.
[12] Leuliette E.W., Nerem R.S. Contributions of Greenland and Antarctica to Global and Regional Sea Level Change // Oceanography. V. 29. - 2016, № 4. - P. 154-159. - DOI: 10.5670/oceanog.2016.107
[13] Miller K.G., Kopp R.E., Horton B.P., Browning J.V., Kemp A.C. A geological perspective on sea-level rise and impacts along the U. S. mid-Atlantic coast Ц Earth's Future. - 2013, № 1. - P. 3-18. - DOI:10.1002/2013EF000135
[14] Nerem R.S., Beckley B.D., Fasullo J.T., Hamlington B.D., Masters D., Mitchum G.T. Climate-change-driven accelerated sea-level rise detected in the altimeter era // Proc. National Academy of Sciences. V. 115. - 2018, № 9. - P. 2022-2025. - DOI: 10.1073/pnas.1717312115
[15] Sweet W., Kopp R.E., Weaver C.P., Obeysekera J., Horton R.M., Thieler E.R., Zervas C. Global and regional sea level rise scenarios for the United States // NOAA Technical Report NOS CO-OPS 083. - Maryland: Silver Spring, 2017. - 75 p.
[16] Volkov D.L., van Aken H.M. Annual and interannual variability of sea level in the northern North Atlantic Ocean // J. Geophys. Res. Ocean. - 2003, № 108.
[17] WCRP Global Sea Level Budge Group. Global sea-level budget 1993-present // Earth System Science Data. V. 10. - 2018, № 3. - P. 1551-1590.
О
