О климатических изменениях температуры в регионе Белого моря

Исследованы изменения температуры воздуха у поверхности (ТВП) акватории Белого моря и территории Мурманской и Архангельской областей и Республики Карелия. Анализировались среднемесячные данные реанализа NCEP/NCAR за период 1950-2020 гг. Оцененный с помощью линейного тренда средний рост ТВП составил +0.24°С / 10 лет. На фоне этого линейного роста наблюдаются существенные междекадные изменения ТВП. Выделены периоды: усиления континентальности климата (1950-1976 гг.), более морского климата (1977-1998 гг.), и быстрого роста ТВП (1999-2020 гг.). Переход от периода усиления континентальности климата к периоду более морского климата связан с усилением влияния Северной Атлантики на исследуемый регион. Выдвинута гипотеза, что период быстрого роста ТВП вызван произошедшим переходом климатической системы западной части Российской Арктики в новое фазовое состояние.
Субарктическая зона России особенно уязвима к изменению климата, поскольку в зоне вечной мерзлоты расположена инфраструктура на сотни миллиардов долларов. В то же время, по данным наблюдений с середины 1970-х годов средние температуры здесь растут в 2.5 раза быстрее, чем в целом по планете. Если произойдет оттаивание мерзлых толщ, то из-за значительного содержания в них льда, средняя осадка грунтов может составлять 10 метров и более. Железнодорожная инфраструктура в субарктических регионах эксплуатируется в чрезвычайно сложных инженерно-геологических и ландшафтно-климатических условиях, подвергаясь непрерывному воздействию различных внешних воздействий, приводящих к деформациям пути и искусственных сооружений [Kostianaia et al., 2021]. Среди них: береговая абразия, селевые потоки, паводки, эрозия, оползни и сплывы, обвалы и осыпи, карстовые провалы, суффозионные просадки, наледи, термокарст, термоэррозия и солифлюкция, разрывные деформации, морозное пучение, снежные лавины и пр.
Островковые зоны вечной мерзлоты находятся на Кольском полуострове. Инфраструктура ОАО «РЖД» в этом регионе особенно уязвима перед негативными факторами регионального изменения климата, поскольку главной проблемой участка Волховстрой - Мурманск является тот факт, что из 1320 километров его длины более 340 километров составляют однопутные участки, что ограничивает его пропускную способность и делает его уязвимым. Кроме того, 30 апреля 2020 г. Правительство РФ поставило задачу увеличить перевозки с 28 до 44 млн тонн в год на участке Мурманского отделения Октябрьской железной дороги к 2023 году, а не к 2035-му, как планировали ранее.
В связи с этим, исследования изменений климата рассматриваемого региона чрезвычайно важны для Российских железных дорог (РЖД). Данное исследование является продолжением работ, начатых в [Serykh and Kostianoy, 2019; Серых и Костяной, 2019; Серых и Толстиков, 2019, 2020].
Анализировались среднемесячные данные температуры воздуха у поверхности (ТВП) – на уровне сигма 0.995. На этом уровне атмосферное давление в данной ячейке сетки на данном временном шаге в 0.995 раз превышает атмосферное давление у поверхности в этой ячейке сетки в это время. Этот уровень приблизительно соответствует высоте 42.2 метра над поверхностью. Данные взяты из NCEP/NCAR Reanalysis на сетке 2.5°2.5° за период 1950-2020 гг.
В каждом узле сетки рассчитан средний за рассматриваемый период годовой ход ТВП. Полученный отдельно для каждого узла сетки средний годовой ход вычитался из исходных данных ТВП для получений аномалий ТВП в каждом узле сетки относительно среднего годового хода (далее просто аномалий). Линейные тренды вычислялись с помощью метода наименьших квадратов.
Производилось осреднение аномалий ТВП для расширенного региона Белого моря (61.25°-71.25° с.ш.; 28.75°-46.25° в.д.). Координаты указаны с учетом сетки NCEP/NCAR Reanalysis, поскольку каждый узел сетки содержит данные осредненные для своей окрестности ±1.25°. В исследуемый регион попадают узлы сетки с широтами 62.5°, 65°, 67.5°, 70° с.ш. и долготами 30°, 32.5°, 35°, 37.5°, 40°, 42.5°, 45° в.д. Таким образом, исследуемый регион включает в себя всю акваторию Белого моря, часть юга Баренцева моря, всю территорию Мурманской области и республики Карелия и большую часть Архангельской области.
Изменчивость среднемесячной ТВП в исследуемом регионе составляет ~ 35°С: от -18°С до +17°С. При этом изменчивость локальных минимумов ТВП составляет ~ 13°С: от -18°С до -5°С, что сильнее изменчивости локальных максимумов ТВП ~ 6°С: от +11°С до +17°С. В рассматриваемый временной период имело место глобальное потепление климата, вызванное, по всей видимости, главным образом антропогенным воздействием. Коль скоро это принимается, то влияние глобального потепления на рассматриваемый регион можно, с некоторым допущением, аппроксимировать линейным трендом, поскольку рост содержания парниковых газов в атмосфере за этот период также хорошо приближается полиномом 1-ой степени. При этом следует помнить, что как глобальная, так и региональная климатические системы являются нелинейными, поэтому и их отклики на антропогенное воздействие также на самом деле будут нелинейными. Но в настоящее время надежно и точно отделить нелинейный отклик климатической системы на антропогенный форсинг от её нелинейных откликов на другие внешние воздействия (например, на изменения солнечной активности) и от собственных колебаний системы (моды климатической изменчивости), на наш взгляд, не представляется возможным.
Линейная аппроксимация временного ряда изменений средней ТВП региона Белого моря демонстрирует её рост в среднем на +0.24°С за 10 лет. Таким образом, за рассматриваемый 71 год рост ТВП составил приблизительно +1.7°С. С учетом описанного выше допущения, этот линейный рост можно связать с влиянием антропогенного глобального потепления на исследуемый регион. Однако следует также принять во внимание, что примененный для оценки линейного тренда метод наименьших квадратов очень чувствителен к краевым значениям. А на краевые значения, в свою очередь, влияет межгодовая и межсезонная изменчивость исследуемого временного ряда.
Межгодовая и межсезонная изменчивость средних аномалий ТВП в рассматриваемом регионе демонстрирует большой диапазон значений, как между отдельными годами, так и отдельными сезонами. При этом изменчивость аномалий ТВП между гидрологическими зимними периодами (январь-март) сильнее (до 13°С), чем между гидрологическими летними периодами (июль-сентябрь) (до 6°С).
На временных рядах средних аномалий ТВП исследуемого региона после применения низкочастотных фильтров для выделения более продолжительных изменений на фоне линейного роста аномалий ТВП можно выделить три периода с отличающимися характеристиками. Первый период 1950-1976 гг. характеризуется сильными положительными аномалиями ТВП в теплые полугодия (май-октябрь). Во второй период 1977-1998 гг. ситуация изменилась и сильные положительные аномалии ТВП стали наблюдаться в основном в холодные полугодия, а в теплые полугодия стали наблюдаться в основном отрицательные аномалии. Третий период 1999-2020 гг. характеризуется резким ростом положительных аномалий ТВП как в холодный (до +3°С), так и в теплый период года (до +2°С).
На полях средних ТВП за весь рассматриваемый период и за выделенные три периода обращает на себя внимание то, что в первые два периода (1950-1976 и 1977-1998 гг.) средние ТВП мало отличались, но в третий период (1999-2020 гг.) произошел существенный сдвиг средних ТВП по сравнению с двумя предыдущими периодами. В первые два периода на юго-западе Кольского полуострова в регионе (66.5°-68.5° с.ш.; 30°-34° в.д.) и на востоке Архангельской области (64°-67° с.ш.; 43°-45° в.д.) средние ТВП были немного ниже нуля, из-за чего там существовала вечная мерзлота. В третий период средние ТВП стали выше нуля во всей области исследования, из-за чего следует ожидать таяния вечной мерзлоты в этих регионах. Интересной особенностью произошедших изменений является тот факт, что продвижение тепла с юга на север (например, изотерма 2°С на долготе 38°в.д. поднялась с 60°с.ш. практически до 65°с.ш.) привело не к смещению холодных областей к северу, а к их выжиманию на запад и восток, соответственно. Кроме того, на градус потеплела атмосфера и над Баренцевым морем.
На полях оцененных с помощью линейного приближения изменений аномалий ТВП за весь рассматриваемый период и за выделенные три периода видно, что за весь рассматриваемый период рост ТВП составлял в среднем от +0.1 до +0.4°С за 10 лет. Однако в первый выделенный период наблюдалось понижение ТВП на большей территории исследуемого региона, в особенности, в указанных выше районах существования вечной мерзлоты. Во второй период наблюдался рост ТВП в среднем от +0.1 до +0.4°С за 10 лет. В третий же период этот рост существенно ускорился и составил в среднем от +0.4 до +1.0°С за 10 лет. Причем, наиболее сильный рост ТВП наблюдался в северо-восточной части рассматриваемого региона, на акваториях Белого и Баренцева морей.
На полях изменений ТВП между выделенными периодами видно, что во второй период (1977-1998 гг.) по сравнению с первым (1950-1976 гг.) средняя ТВП увеличилась в основном в южной части рассматриваемого региона. В северной же части средняя ТВП во второй период стала ниже, чем в первый. В третий период (1999-2020 гг.) средняя ТВП существенно выросла во всем рассматриваемом регионе по отношению ко второму, первому и ко всему предшествующему периоду. Наиболее сильно средняя ТВП в третий период увеличилась в центре западной части рассматриваемого региона, включая акваторию Белого моря.
Обнаруженные изменения ТВП региона Белого моря между выделенными периодами могут быть связаны как с антропогенным глобальным потеплением, так и с влиянием на исследуемый регион естественных мод климатической изменчивости. В Тихом океане в 1976/1977 и 1998/1999 годах произошли климатические сдвиги (climate shifts) [Serykh, 2016]. Они проявились в переходах между противоположными фазами Тихоокеанского декадного колебания (Pacific Decadal Oscillation – PDO) и Междекадного тихоокеанского колебания (Interdecadal Pacific Oscillation – IPO). Эти климатические сдвиги оказали глобальное влияние, в том числе и на регион Северной Атлантики.
Северная Атлантика оказывает существенное влияние на исследуемый регион Белого моря. Первый выделенный период (1950-1976 гг.) отличается холодными зимами и жаркими летними периодами, то есть более континентальным климатом. Как показано в работах [Анисимов и др., 2012; Бышев и др., 2018; Серых, 2018], это связано с ослабеванием влияния в этот период Северной Атлантики на исследуемый регион. Во второй выделенный период (1977-1998 гг.) зимы стали мягче, а летние аномалии ТВП стали в основном отрицательными. То есть климат исследуемого региона стал более морским по сравнению с предыдущим периодом. Это связано с усилением влияния Северной Атлантики на исследуемый регион во второй период [Анисимов и др., 2012; Бышев и др., 2018; Серых, 2018].
В третий выделенный период (1999-2020 гг.) наблюдается резкий рост ТВП в исследуемом регионе. Можно предположить, что это связано с резким ростом температуры в Арктике в этот период, и существенным сокращением площади морского льда в Баренцевом море [Serykh and Kostianoy, 2019]. Это послужило причиной усиления положительной обратной связи в виде ослабления стратификации верхнего слоя воды Баренцева моря, усиления перемешивания и поднятия более теплых и соленых атлантических вод к поверхности. Также дополнительный вклад в рост температуры воды верхнего слоя Баренцева и Белого морей вносит положительная обратная связь от поглощения солнечного излучения: при потеплении Арктики площадь льда уменьшается, и это приводит к большему поглощению солнечного излучения поверхностью [Володин, 2020]. Таким образом, резкий рост ТВП в третий выделенный период, по-видимому, связан с усилением действия обратных положительных связей, что означает переход климатической системы исследуемого региона Белого моря в новое фазовое состояние.
Проведенное исследование показало, что в регионе Белого моря в последние 2 десятилетия (1999-2020 гг.) произошло существенное изменение регионального климата, которые выразилось в потеплении этого региона от +0.9 до +1.5°С по сравнению с предыдущими годами (1977-1998 гг.), в резком увеличении роста температуры воздуха (+0.4 - +1.0°С за 10 лет), к смещению изотермы +2°С на 550 км на север вплоть до южной части Белого моря и к полному исчезновению средних отрицательных температур. Последний факт чрезвычайно важен, поскольку это означает фазовый переход, который приведет к растеплению вечномерзлых грунтов на всей территории Карелии, Мурманской и Архангельской областей. Растепление вечномерзлых грунтов и значительное повышение средних температур приведет к изменению водного баланса многочисленных рек и озер исследуемого региона, и может оказать негативное воздействие на инфраструктуру ОАО «РЖД».