СРАВНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА В СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ СЕВЕРНОГО СУБТРОПИЧЕСКОГО АНТИЦИКЛОНИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА ПО ДАННЫМ WODB И ORA-S3

Введение. Температура поверхности океана (ТПО) – одна из важнейших характеристик, определяющих изменчивость климата. Однако для того чтобы адекватно описывать поведение климатической системы необходимо иметь достоверную информацию об изменчивости ТПО.

Контактные наблюдения за ТПО наиболее подходящие в этом смысле. Имеется ряд публикаций [1, 2], в которых описываются основные характеристики изменчивости ТПО в Северной Атлантике на межгодовом и междекадном масштабах. Однако данные контактных наблюдений не всегда могут давать полное представление о процессах, происходящих в океане, так как в отдельных его областях они являются эпизодическими, то есть недостаточно хорошо обеспеченными по пространству и времени.

В настоящее время для анализа климатических полей ТПО часто используются регулярные данные реанализов. Массивы данных реанализа содержат систематизированную информацию о наиболее важных океанологических характеристиках. Следует отметить, что данные реанализов лишены тех недостатков, которые имеются у данных контактных наблюдений. Однако необходимо учитывать то, что усваиваемая в моделях информация о ТПО поступает от различных источников и обладает неодинаковой точностью. Вместе с тем в реанализах используется разная методика усвоения и обработки первичных данных.

На сегодняшний день имеются публикации, в которых производилось сравнение характеристик изменчивости ТПО, полученных по данным контактных наблюдений, с характеристиками, выделяемыми по модельным расчетам [3, 4]. В работе [3] на основании анализа 22 глобальных климатических моделей показана их способность воспроизводить межгодовую-десятилетнюю изменчивость ТПО в Северной Атлантике. Анализ изменчивости ТПО в Северной Атлантике по архивным данным за 330 лет показал хорошее соответствие между данными контактных наблюдений и результатами модели GFDL на декадных масштабах, а также выявил низкочастотный период изменчивости ТПО ~ 70 лет [4]. В настоящей работе был выбран океанический реанализ ORA—S3, потому что он наилучшим образом воспроизводит декадную изменчивость ТПО в Северной Атлантике по сравнению с другими реанализами [5].

Цель настоящей работы – сравнить поля и изменчивость поверхностной температуры на межгодовых и междекадных масштабах в северо-западной части Северного субтропического антициклонического круговорота (ССАК), полученные на основании использования данных контактных наблюдений WODB и океанического реанализа ORA—S3 за 1959 – 2010 гг.

Методика расчета и материалы. Для расчета среднегодовой температуры использовались среднесуточные данные контактных наблюдений (СTD, OSD, XBT, MBT) температуры поверхности океана Мирового банка океанографических данных (WODB) за 1959 – 2010 гг. [6]. В работе были выбраны наиболее обеспеченные по пространству и времени данными наблюдений два 10-тиградусных квадрата Марсдена (квадраты 7404 и 7304), приведенные к стандартным горизонтам. Они охватывают северо-западную часть ССАК. Здесь Гольфстрим соединяется с Северо-Атлантическим течением и вместе они образуют Северный субполярный фронт. При первичной обработке данные температуры поверхности осреднялись в 1° узлы сетки. Однако из-за сильной зашумленности рядов и плохой обеспеченности их по времени, для дальнейшего сравнения полей температуры поверхности океана осреднение по пространству производилось на более крупной сетке 2° × 2°.

Для сравнения полей температуры, полученных по данным контактных наблюдений WODB и данным реанализа, использовались данные о среднемесячной температуре океанического ре-анализа ORA—S3 Европейского Центра Среднесрочных Прогнозов Погоды (ECMWF) за период 1959 – 2010 гг. [7]. Ассимиляция океанических данных температуры в реанализе ORA—S3 основана на синтезе поверхностных и подповерхностных наблюдений за океаном, поверхностных потоках из атмосферных анализов и реанализов, и общей модели циркуляции океана НОРЕ. Модель океана имеет горизонтальное разрешение 1º × 1º.

Для того чтобы оценить максимальный вклад в суммарную дисперсию, вносимый теми или иными временными масштабами, временные ряды поверхностной температуры океана подвергались стандартному статистическому анализу. Вычислялись периодограммы, интегрированные периодограммы и спектры. Периодограмм-анализ данных контактных наблюдений и реанализа ORA—S3 показал, что в изменчивости ТПО в северо-западной части ССАК выделяются несколько типичных временных масштабов: 2 – 4, 5 – 8, 10 – 20 и более 20 лет. Поэтому в дальнейшем расчеты производились по следующей методике. Среднегодовые ряды ТПО, полученные по данным WODB и ORA—S3 обрабатывались частотным фильтром Поттера [8]: для анализа колебаний с периодом 2 – 4 года – высокочастотным, для выделения вариаций с периодами 5 – 8, 10 – 20 лет – полосно-пропускающим и для выделения периода более 20 лет – низкочастотным. Преимущество фильтра Поттера заключается в том, что он не дает существенных искажений фазы колебаний в фильтрованном ряду по сравнению с исходным. Результат фильтрации близок к сглаживанию скользящим средним временных рядов, при этом качество фильтрации выше. Полученные ряды подвергались также корреляционному и дисперсионному анализу.

Результаты. Среднемноголетние поля температуры в северо-западной части ССАК, полученные по данным WODB и данным ре-анализа ORA—S3 за 1959 – 2010 гг. представлены на рис. 1. Видно, что эти поля хорошо согласуются между собой. Поля ТПО по данным реанализа более сглажены по пространству. Об этом свидетельствует сравнение полей среднеквадратичного отклонения (СКО) поверхностной температуры, представленные на рис. 1 в, г.

Рисунок 1. Среднемноголетние поля температуры в северо-западной части ССАК за 1959 – 2010 гг. (а, б) и их среднеквадратические отклонения (в, г), соответственно. По данным WODB — а и в, по данным реанализа ORA—S3 — б и г

В исследуемых квадратах Марсдена изменчивость ТПО по данным WODB находится в диапазоне 1,5 – 3,1 °С. В то время как по данным реанализа ORA—S3 за весь исследуемый период изменчивость ТПО составляет 0,3 – 1,1°С. Величины СКО, полученные по данным WODB в 2,5 раза больше, чем по данным ORA—S3. Вместе с тем отмечается качественное совпадение структуры полей СКО по двум типам данных. На рис. 2 в и г выделяются максимумы изменчивости ТПО в районе 42° с. ш. и 33° с. ш. Однако их положения несколько смещены по долготе. Такие расхождения в характеристиках могут быть связаны с выбором различных масштабов пространственно-временного осреднения данных ТПО.

Поля температуры поверхности океана в северо-западной части ССАК, осредненной по десятилетиям за периоды: 1961 – 1970 гг., 1971 – 1980 гг., 1981 – 1990 гг., 1991 – 2000 гг., 2001 – 2010 гг. показаны на рис. 2. Видно хорошее совпадение полей ТПО особенно в квадрате 7404. Выше 40º с. ш. наблюдается увеличение температурных градиентов, проявляющееся во все десятилетия. Сгущение изотерм в верхнем квадрате Марсдена выделяется как по контактным данным WODB, так и по данным реанализа. Модельные поля температуры сильно сглажены что, вероятно, связано с процедурой интерполяции данных, усваиваемых в модели реанализа. Поля температуры, полученные по контактным данным, имеют неоднородную структуру даже на двухградусной сетке.

Рисунок 2. Декадные вариации полей температуры в северо-западной части ССАК (30 – 48° с. ш., 42 – 50° з. д.). Жирная кривая – 18° вода, пунктирная кривая – 22° вода. а—д – по данным WODB. е-и – по данным реанализа ORA—S3 за 1959 – 2010 гг. Изолинии проведены через 2 ºС

На рисунке 2 г за период 1991 – 2000 гг. на 34° с. ш. Субтропической Атлантики выделяется замкнутая 20-ти градусная изотерма, которая отсутствует на полях температуры по данным WODB за остальные десятилетия и также отсутствует в поле температуры по данным ORA—S3 за тот же период (рис. 2, з). Это может быть связано с пространственно-временной неоднородностью контактных данных и наличием в них интенсивного высокочастотного шума. Несмотря на некоторые особенности в положении изотерм, их северное смещение на десятилетнем масштабе, особенно заметное в 90-е годы, согласуется по рассматриваемым массивам контактных наблюдений и данных реанализа ORA—S3, что подтверждает смещение Северного субтропического антициклонического круговорота в северо-восточном направлении в 90-е годы, на что ранее указывалось в [9].

Среднегодовые температуры, полученные по данным WODB и реанализа ORA-S3, осредненные в области 30 – 48° с. ш., 42 – 50° з. д. северо-западной части ССАК и их линейные тренды за период 1959 – 2010 гг., представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Межгодовая изменчивость температуры в северо-западной части ССАК (30 – 48° с. ш., 42 – 50° з. д.). Тонкая кривая – по данным WODB. Жирная кривая – по данным реанализа ORA—S3 за 1959 – 2010 гг. 1 – линейный тренд температуры по WODB, 2 – линейный тренд температуры по данным реанализа ORA—S3. R1² и R2² – коэффициенты детерминации

Корреляционный анализ между рядами среднегодовых ТПО по двум типам данных (WODB и ORA—S3) показал наличие прямой связи, значимой на 99% доверительном уровне. Значение коэффициента синхронной корреляции между ними составляет 0,6. Это дает основание для проведения дальнейшего сравнительного анализа рядов ТПО на отдельных временных масштабах.

Установлено, что бóльшая часть суммарной дисперсии межгодовой изменчивости ТПО, как для контактных данных, так и для реанализа приходится на периоды 2 – 4 года. Это подтверждает наличие не только интенсивной межгодовой изменчивости, но и достаточно высокого уровня шумов (которые увеличивают дисперсию флуктуаций, приходящуюся на высокочастотную часть спектра). Отметим, что данный результат не связан с наличием тренда, поскольку перед проведением спектральных оценок (табл. 1) линейный тренд предварительно удалялся из временных рядов. Изменчивость на временных масштабах > 20 лет обуславливает почти 25 % суммарной дисперсии временных рядов ТПО.

Таблица 1.

Вклады дисперсии выделенных периодов в дисперсию исходного ряда

Периоды	2–4 года	5–8 лет	10–20 лет	> 20 лет
Ед. изм.	%	%	%	%
WODB	31,71	11,85	5,04	24,88
ORA—S3	26,58	22,64	3,38	22,67
r	0,3	0,73	0,49	0,29

Примечание: в процентах – вклад изменчивости различных масштабов (2 – 4, 6 – 8, 10 – 20 и более 20 лет) в суммарную дисперсию после удаления линейных трендов; подчеркнуты максимальные вклады и наибольшая корреляция между среднегодовыми значениями температур, полученных по данным WODB и ORA—S3. Коэффициенты корреляции (r) значимы на 95% доверительном уровне.

Таким образом, половина дисперсии исходных временных рядов ТПО приходится на высокочастотную и низкочастотную часть спектра. Вклад в суммарную дисперсию по данным ORA—S3 на периодах 5 – 8 лет в 2 раза превышает соответствующий вклад по данным WODB. Однако коэффициент корреляции между временными рядами равен 0,73. Флуктуации на периодах 10 – 20 лет вносят минимальный вклад (не более 5 %) в изменчивость ТПО. Таким образом, наилучшее воспроизведение межгодовой изменчивости ТПО по рассматриваемым массивам данных наблюдается на масштабе 5 – 8 лет, обусловленном САК.

Анализ линейных трендов на рис. 3 показал, что в исследуемой области обнаруживаются положительные тенденции в изменчивости поверхностной температуры океана за 1959 – 2010 гг. Величина коэффициента детерминации, отражающего достоверность аппроксимации временного ряда линейным трендом, по данным WODB почти в 2 раза больше коэффициента, рассчитанного по данным ORA—S3. Причем выделенные тренды являются статистически значимыми на 95% доверительном уровне. Рассчитанные значения коэффициентов линейных трендов по контактным данным составляют 0,024, по данным реанализа – 0,029. Таким образом, можно заключить, что реанализ ORA—S3 неплохо отражает линейные тенденции в изменчивости ТПО в исследуемой области.

Выделенные положительные тренды ТПО согласуются с результатами работы [10], в которой демонстрируется устойчивый вековой рост теплосодержания вод Мирового океана. Однако в других работах [11, 12] указывается на квазипериодическую изменчивость теплосодержания деятельного слоя. Несмотря на наличие естественной межгодовой и междесятилетней изменчивости системы океан-атмосфера, существует нелинейная тенденция роста ТПО в 20-ом веке. Эта тенденция наиболее ярко проявляется за последние 35 лет в Субтропической Атлантике. Как отмечено в [13], это обусловлено глобальным потеплением, вызванным антропогенной деятельностью. Однако в работе [14] показано, что около 69% наблюдаемого положительного тренда ТПО в Субтропической Атлантике и около 67% её низкочастотных изменений (с периодами более 5 лет) после удаления тренда можно объяснить влиянием радиационного форсирования из-за изменения концентраций аэрозоля в атмосфере. Таким образом, положительный тренд, выделяемый в ТПО в северо-западной части ССАК в настоящей работе, скорее, является частью квазипериодической изменчивости, связанной с Атлантической мультидекадной осцилляцией [15], с периодом, несколько превышающим длину анализируемого ряда.

Выводы. В настоящей работе проанализирована изменчивость ТПО в северо-западной части ССАК на разных временных масштабах, по данным WODB и океанического реанализа ORA—S3 за 1959 – 2010 гг.

Поля поверхностной температуры по двум типам данных качественно согласуются между собой на межгодовых и декадных масштабах. Величины СКО, полученные по данным WODB ~ в 2,5 раза больше, чем по данным ORA—S3.

Подтверждены типичные периоды изменчивости температуры поверхности океана 2 – 4 года, 5 – 8 лет и более 20 лет. На эти периоды приходится ~ 75% суммарной дисперсии. По данным WODB и реанализа ORA—S3 выявлено хорошее совпадение температур в северо-западной части ССАК на масштабах 5 – 8 лет (коэффициент корреляции 0,73).

Выделенные положительные линейные тренды в изменчивости ТПО по данным контактных наблюдении и реанализа статистически значимы на 95% доверительном уровне.

Работа выполнена при поддержке РФФИ по гранту № 15-05-02019 «Меридиональный перенос тепла в Тропической и Субтропической Атлантике: роль различных механизмов и низкочастотная изменчивость».

Список литературы:

Воскресенская Е.Н., Полонский А.Б. Тренды и межгодовая изменчивость термических характеристик Северной Атлантики // Метеорология и гидрология. 1993. № 11. С.73–83.
Moron V., Vautard R., Ghil M. Trends, interdecadal and interannual oscillations in global sea-surface temperatures // Climate Dynamics. 1998. V. 14, № 7–8. P. 545–
Jamison N., Kravtsov S. Decadal Variations of North Atlantic Sea Surface Temperature in Observations and CMIP3 Simulations // Journal of Climate. 2010. V. 23, № 17. P.4619–4636.
Delworth T.L., Mann M.E. Observed and simulated multidecadal variability in the Northern Hemisphere // Climate Dynamics. 2000. V. 16, № P. 661–676.
Kröger J., Müller W.A., von Storch J.S. Impact of different ocean reanalyses on decadal climate prediction // Climate dynamics. 2012. V. 39, № 3–4. P.795–810.
https://www.nodc.noaa.gov/oc5/wod05/data05geo.html
Balmaseda M.A., Vidard A. and Anderson D.L.T. The ECMWF Ocean Analysis System: ORA-S3 // Weath. Review. 2007. V. 136, № 8. P. 3018–3034.
Отнес Р.К., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. М.: Мир, 1982. – 428 с.
Bersch M., Yashayaev , Koltermann K.P. Recent changes of the thermohaline circulation in the subpolar North Atlantic // Ocean Dyn. 2007. V. 57, № 3. P. 223–235.
Levitus S., Antonov J.I., Boyer T.P. et al. Global ocean heat content 1955 – 2008 in light of recently revealed instrumentation problems // Geophysical Research Letters. 2009. V. 36, № L07608.
Loehle C. Cooling of the global ocean since 2003 // Energy & Environment. V. 20, № 1. P. 101–104.
Анисимов М.В., Бышев В.И., Залесный В.Б. и др. Междекадная изменчивость термической структуры вод Северной Атлантики и ее климатическая значимость // Доклады Академии наук. – Академиздатцентр» Наука» РАН, 2012. Т. 443, № 3. С. 372–376.
Intergovernmental Panel on Climate Change, Climate Change 2001: The Scientific Basis, J.T. Houghton et al., Eds. (Cambridge Press, Cambridge, 2001).
Evan A.T., Vimont D.J., Heidinger A.K. et al. The role of Aerosols in the Evolution of Tropical North Atlantic Ocean Temperature Anomalies // Science. V. 324, № 5928. P. 778–781.
Полонский А.Б. Атлантическая мультидекадная осцилляция и ее проявления в Атлантико-Европейском регионе // Морской гидрофизический журнал. 2008. № С.47–58.[schema type=»book» name=»СРАВНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА В СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ СЕВЕРНОГО СУБТРОПИЧЕСКОГО АНТИЦИКЛОНИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА ПО ДАННЫМ WODB И ORA-S3″ author=»Крашенинникова Светлана Борисовна, Сухонос Павел Алексеевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-28″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]

euroasia

Похожие записи