Формирование аномалий температуры воздуха в районе пролива Вилькицкого в холодный период года на фоне текущего потепления Арктики

Аннотация
Проблема изменения климата в Арктике, в частности на трассе Северного морского пути, активно изучается в последние десятилетия. Одним из ключевых районов, определяющих навигационные условия на трассе Северного морского пути, является пролив Вилькицкого. Температурный режим в этом районе играет важную роль в формировании ледовых условий. Целью исследования является анализ изменений температуры воздуха в районе пролива Вилькицкого в холодный период года за период 1990–2024 гг., выявление тенденций температурных аномалий и их связи с особенностями атмосферной циркуляции, определение типов атмосферной циркуляции, влияющих на температурный режим в районе пролива Вилькицкого. Для проведения анализа использованы данные Объединенной гидрометеорологической обсерватории им. Е. Федорова (мыс Челюскин), а также данные реанализа NCEP/NCAR. В ходе работы выявлены закономерности в режиме температуры воздуха. В ноябре, декабре и феврале наблюдается устойчивая тенденция роста средних месячных температур воздуха. В октябре и январе до 2020 года фиксировался рост температур, после 2020 года наметилась тенденция к их понижению. В марте температура воздуха характеризуется значительными колебаниями, близкими к среднему климатическому значению, что, вероятно, связано с сезонной перестройкой атмосферной циркуляции. Анализ взаимосвязи температурных аномалий показал, что значения температуры в октябре оказывают значительное влияние на температурный режим последующих месяцев холодного периода. Чем выше по абсолютной величине октябрьские аномалии температуры воздуха, тем больше вероятность их сохранения в течение зимних месяцев. Выделены пять типов распределения аномалий температуры воздуха, различающиеся по характеру изменения температуры в течение холодного периода, а также по характеру атмосферной циркуляции в средней тропосфере и на уровне моря. 


Ключевые слова: Арктика, атмосферная циркуляция, потепление Арктики, приземная температура воздуха, пролив Вилькицкого, Северный морской путь, циркумполярный вихрь

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
 
Финансирование. Исследование выполнено в рамках НИТР 5.1 Росгидромета на 2025–2029 гг. «Развитие моделей, методов и технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, океана, морского ледяного покрова, ледников и вечной мерзлоты, процессов взаимодействия льда с природными объектами и инженерными сооружениями для Арктики»

Введение

За последние несколько десятилетий среднегодовая приземная температура воздуха повысилась более чем на 1 ºС [1]. Исследование режима температуры воздуха вдоль трассы Северного морского пути (СМП) приобретает актуальное значение в настоящее время [2], в Арктическом регионе изменение приземной температуры воздуха отмечается с более высокой скоростью [3]. Ученые отмечают изменения в ледовых условиях на трассе Северного морского пути в последние десятилетия [4], изменения проявляются различными направлениями, сокращением площади льда [5, 6], более поздним ледообразованием [7], сокращением количества остаточных льдов [8]. Есть участки, где к ледовым условиям существует повышенный интерес. Условия на трассе СМП во многом определяются ледовитостью на подходах к проливам [9, 10]. К одним из них относится пролив Вилькицкого, соединяющий моря Карское и Лаптевых [11]. Режим температуры воздуха здесь влияет на формирование ледовых условий как в самом проливе, так и в прилегающих районах арктических морей, где располагаются Североземельский и Таймырский ледовые массивы. Особый интерес вызывает холодный период года (октябрь-март), когда под воздействием температурного режима на трассе формируется основная масса льда, ограничивающая круглогодичное судоходство. Установление закономерностей в атмосферной циркуляции и формирующихся аномалиях температуры воздуха является важным аспектом в совершенствовании методик прогнозирования синоптических условий. Многие работы посвящены изучению связей между изменениями ледовитости и характеристик макроциркуляционных процессов [12, 13]. В Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте на протяжении многих десятилетий совершенствуются методы прогнозирования на основе анализа макроциркуляционных процессов как в целом по Арктике [14], так и для различных районов [15] и сезонов [16]. 

Цель работы состоит в выявлении особенностей режима температуры воздуха в районе пролива Вилькицкого и атмосферной циркуляции на уровне моря и в средней тропосфере в холодное время года с октября по март в период с 1990 по 2024 гг.


Методы и район исследования

В работе использована информация о среднемесячной температуре воздуха на полярной станции мыс Челюскина (ОГМО им. Е. Федорова, индекс ВМО 20292), расположенной в координатах 77.7º с.ш. 104.3º в.д., данные доступны в архивах ВНИИГМИ-МЦД¹. Для анализа атмосферного давления на уровне моря и высоте стандартной изобарической поверхности 500 гПа использованы данные реанализа NCEP/NCAR².

Рисунок 1. Объединенная гидрометеорологическая обсерватория (ОГМО им. Е. Федорова) расположена на мысе Челюскина, год открытия 1932

Станция мыс Челюскин (рис. 1) – одна из старейших станций России на трассе СМП. Данные, получаемые со станции, являются репрезентативными и надежно отражают синоптические процессы, развивающие над районом пролива Вилькицкого [17]. 

В качестве основных методов исследования временных рядов использованы статистический анализ, проведена оценка линейного и полиномиального трендов, рассмотрено стандартное среднеквадратическое отклонение, проведен корреляционный анализ, оценка статистической значимости проводилась по t-критерию Стьюдента.

Результаты исследования

В первые месяцы рассматриваемого холодного периода с октября по март средняя месячная приземная температура воздуха (ПТВ) понижается на 15 ºС, с –9,5 ºС в октябре до –24 ºС в декабре. Затем, в декабре-марте значение температуры находятся в пределах –24 – –27 ºС (табл. 1). Стандартные отклонения ПТВ составляют 3,5–3,8 ºС. Однако, в феврале изменчивость увеличивается до 4,7 ºС.

Таблица 1

Средняя месячная ПТВ, оценка погрешности среднего (SE) и стандартное отклонение (σ) на мысе Челюскина в холодный период года за временной ряд с 1990 по 2024 года



Ряды средних месячных аномалий ПТВ (ΔТ) воздуха, рассчитанные относительно средней климатической нормы 1991–2020 гг., в холодный период с 1990 г. по 2024 г. нельзя отнести к стационарным (рис. 2). В октябре временные изменения аномалий температуры воздуха имеют положительный линейный тренд с показателем достоверности аппроксимации R² = 0,50. Однако, после 2020 года наметилась тенденция смены тренда на отрицательный. На это указывает полиномиальный тренд второй степени с достоверностью аппроксимации R² = 0,56, см. рис. 2а. В ноябре, в отличии от октября, прослеживается устойчивая тенденция повышения температуры воздуха в течение всего исследуемого ряда лет (см. рис. 2б). На это указывает как линейный положительный тренд ΔТ (R² = 0,30), так и полиномиальный тренд ΔТ второй степени (R² = 0,41).

В декабре, как и в ноябре, сохраняется тип межгодовых изменений ΔТ: положительный линейный тренд имеет достоверность аппроксимации R² = 0,36, а аппроксимация полиномом второй степени составляет R² = 0,37, см. рис. 2в.

Рисунок 2. Межгодовая изменчивость аномалий средних месячных ПТВ в октябре (а), ноябре (б) и декабре (в) на мысе Челюскина за период 1990–2024 гг. 1– средняя за месяц аномалия ПТВ, ºС, 2 – линейный тренд, 3 – полиномиальный тренд второй степени

В январе сохраняются тенденции роста температур воздуха, но только до 2016 года. После 2016 года, как видно по линии полиномиального тренда ΔТ второй степени R² = 0,36, наметилась тенденция понижения температуры воздуха, рис. 3а. Такая же тенденция характерна и для октября – первого месяца холодного периода.

Рисунок 3. Межгодовая изменчивость аномалий средних месячных ПТВ в январе (а), феврале (б) и марте (в) на мысе Челюскина за период 1990-2024 гг. 1– средняя за месяц аномалия ПТВ, ºС, 2 – линейный тренд, 3 – полиномиальный тренд второй степени

В феврале прослеживаются тенденции, сложившиеся в ноябре и декабре: в течение всего исследуемого ряда лет наблюдается устойчивая тенденция роста температуры воздуха (рис. 3б). 

Изменения ΔТ в марте существенно отличаются от остальных месяцев холодного периода. В марте почти отсутствует линейный положительный тренд, достоверность аппроксимации составляет R2 = 0,08 и статистически незначима, рис. 3в. По всей видимости, в марте начинается сказываться весенняя перестройка барического поля в Арктике: на район пролива Вилькицкого вместо западной периферии атлантической депрессии начинает влиять южная периферия антициклонического поля, формирующегося над Северным Ледовитым океаном [18]. 

Таким образом, изменения средних температур воздуха над проливом Вилькицкого в холодный период года не во всех месяцах однонаправленны:
- в ноябре, декабре и феврале прослеживается устойчивая тенденция роста средних месячных температур воздуха;
- в октябре и январе устойчивый рост температуры воздуха в период 2017–2020 гг. сменяется тенденцией ее понижения;
- в марте наблюдаются колебания температуры, близкие к средней климатической норме. 

Статистические связи между температурой воздуха в различные месяцы

Представляет интерес рассмотреть корреляционные связи средних месячных ΔТ между месяцами холодного периода. С этой целью вычислена матрица парных корреляций ΔТ (табл. 2).

Таблица 2
Прямоугольная матрица парных коэффициентов корреляции средних месячных аномалий ПТВ на мысе Челюскина в холодные периоды года за временной ряд с 1990 по 2024 гг.

Примечание: полужирным шрифтом выделены значимые коэффициенты корреляции при уровне значимости 0,05

Корреляционный анализ между месяцами показывает, что в большинстве месяцев отмечается значимая положительная корреляционная связь. Однако величина связи колеблется от средней к слабой. Интересно то, что на фоне месяцев холодного периода выделяется октябрь, который имеет самые высокие значения связи с последующими месяцами с ноября по январь (r = 0,51–0,62). В феврале и марте она уменьшается до 0,4. 

В зависимости от величины формирующихся в октябре аномалий температуры воздуха выявляются некоторые закономерности сохранения знака «октябрьских» аномалий в остальных месяцах холодного периода (рис. 4а). Так, например, при возникновении в октябре отрицательных аномалий меньших или равных –2 ºС, в 90 % случаев отрицательный знак аномалий сохраняется в трех-пяти последующих месяцах. При формировании в октябре отрицательных аномалий температуры воздуха выше –2 ºС, но меньше 0 ºС, в 80 % случаев отрицательный знак аномалий сохраняется в 1–3 месяцах. 

Аналогичная тенденция прослеживается и для положительных аномалий (рис. 4б). Если в октябре формируются положительные аномалии температуры воздуха от 2 ºС и выше, в 77 % случаев знак «октябрьских» аномалий прослеживается в течение последующих 3–5 месяцах. В случае возникновения положительных аномалий ниже 2 ºС, знак «октябрьских» аномалий наблюдается в 1–3 месяцах в 67 % случаев. 

Таким образом, чем выше по абсолютной величине аномалии ПТВ, формирующиеся в районе пролива Вилькицкого в октябре, тем больше вероятность сохранения знака «октябрьских» аномалий в течение остальных месяцев холодного периода. 

Рисунок 4. Повторяемость количества месяцев в холодном периоде, в которых знак формирующихся отрицательных ΔТ (а) и положительных ΔТ (б), совпадает со знаком ΔТ в октябре. 1 – повторяемость для случаев, когда в октябре ΔТ меньше или равно –2 ºС; 
2 – повторяемость для случаев, когда в октябре ΔТ больше –2 ºС, но меньше 0 ºС

Анализ изменений аномалий ПТВ в месяцах холодного периода года позволил выявить пять принципиально отличающихся типов распределения аномалий ПТВ. Для типа 1 характерно формирование отрицательных ΔТ во всех месяцах холодного периода. При типе 2, наоборот, во всех месяцах наблюдаются положительные ΔТ. Тип 3 отличается положительными ΔТ в первой половине (октябрь–декабрь) холодного периода и отрицательными  во второй половине с января по март. При типе 4, наоборот, первая половина периода отличается отрицательными ΔТ, вторая – положительными. И, наконец, тип 5, самый многочисленный, характеризуется отсутствием преобладания ΔТ одного знака. 

Рассмотрим особенности циркуляции атмосферы при типе 1, когда в течение всего холодного периода наблюдаются отрицательные ΔТ, рис. 5. В первой половине с октября по декабрь холодного периода на уровне стандартной изобарической поверхности 500 гПа над арх. Северная Земля, п-овом Таймыр располагается циклонический вихрь, что указывает на локализацию холодной воздушной массы над Карским морем и проливом Вилькицкого (рис. 5а). При этом барическая ложбина североатлантической депрессии ориентирована от севера Норвежского моря на юго-запад Карского моря (см. рис. 5в). В соответствие с ориентацией барической ложбины североатлантической депрессии циклоны от Норвежского моря будут перемещаться на юг Баренцева моря и далее на северные районы Обской губы и Енисейского залива. В этой связи, Карское море, Северная Земля, пролив Вилькицкого оказываются под влиянием холодных арктических воздушных масс, поступающих в северных и северо-восточных секторах циклонов, а также в антициклонах, формирующихся над полярным бассейном. Последнее обстоятельство определяет возникновение и устойчивое сохранение отрицательных ΔТ как над проливом Вилькицкого, так и над другими районами Арктики (рис. 6а).

Рисунок 5. Композитные карты геопотенциальных высот изобарической поверхности 500 гПа, гп. м и карты приземного поля давления, гПа в холодный период года, при 1 типе распределения аномалий ПТВ (а и в, соответственно) и при 2 типе распределения аномалий ПТВ (б и г, соответственно)

Во второй половине холодного периода с января по март при типе 1 сохраняется направленность атмосферных процессов, сложившаяся в октябре–декабре.

При типе 2 в октябре–декабре барическая ложбина циркумполярного вихря, в отличии от типа 1, смещена на запад моря Лаптевых (см. рис. 5б). В этой связи, ведущий поток на уровне стандартной изобарической поверхности 500 гПа направлен от Гренландского моря на Карское море. У поверхности земли барическая ложбина североатлантической депрессии от севера Норвежского моря ориентирована на арх. Новая Земля и Карское море (см. рис. 5г). Соответственно, североатлантические циклоны от Баренцева моря смещаются на акваторию Карского моря, приносят теплые воздушные массы и способствуют формированию над Арктикой и проливом Вилькицкого положительных ΔТ (рис. 6б). В январе–марте сохраняются тенденции, сложившиеся в первой половине холодного периода типа 2. Более того, происходит усиление циклогенеза над севером Норвежского моря и Баренцевым морем, что вызывает усиление адвекции теплых воздушных масс в Арктику, в район пролива Вилькицкого. 

Макропроцессы типов 3 и 4 развиваются по сценариям процессов 1 и 2. В случае  типа 3 первая половина холодного периода с октября по декабрь, когда преобладают положительные ΔТ в районе пролива Вилькицкого, наблюдаются процессы типа 2 (см. рис. 5б и рис. 5г), при которых барическая ложбина циркумполярного вихря на высоте изобарической поверхности 500 гПа направлена на Карское море. Во второй половине холодного периода с января по март барическая ложбина циркумполярного вихря смещена на п-ов Таймыр, что вызывает смещение на юг траекторий североатлантических циклонов и формирование в районе пролива Вилькицкого преобладающих отрицательных ΔТ (см. рис .6а). 

При типе 4 в октябре–декабре преобладают отрицательные ΔТ, чему способствует локализация ложбины циркумполярного вихря на высоте изобарической поверхности 500 гПа над  арх. Северная Земля и п-овом Таймыр, что характерно для процессов типа 1 (см. рис. 5а и рис 5в). В январе–марте, когда при типе 4 преобладают положительные ΔТ, атмосферные процессы развиваются по варианту типа 2. Указанный процесс в холодный период наблюдается крайне редко: всего три случая с 1990 по 2024 гг. 

Пятый тип макропроцессов характеризуется формированием ΔТ как положительного так и отрицательного знаков. Величина ΔТ не превышает величины среднеквадратического отклонения. Подобный температурный режим в районе пролива Вилькицкого отмечается в случаях, когда барической поле на высоте изобарической поверхности 500 гПа и на уровне моря в холодный период года близки к средней климатической норме. Следует сказать, что это наиболее часто повторяющийся тип макропроцессов: имел место в 10 случаях из 35 рассмотренных в исследовании. 

В результате анализа аномалий приземной температуры воздуха в холодный период года с 1990 по 2024 гг. выявлены особенности изменения средних ПТВ над проливом Вилькицкого в месяцах холодного периода года с октября по март. За этот период для ноября, декабря и февраля прослеживается устойчивая тенденция роста средних месячных ПТВ. В октябре и январе устойчивый рост температуры воздуха в период 2017–2020 гг. сменяется тенденцией ее понижения. В марте наблюдаются колебания температуры, близкие к многолетней норме 1991–2020 гг.

Анализ аномалий температуры воздуха показал, что чем выше по абсолютной величине аномалии, формирующиеся в районе пролива Вилькицкого в октябре, тем больше вероятность сохранения знака «октябрьских» аномалий в течение остальных месяцев холодного периода. Выявленные корреляционные связи (в частности, наибольшая корреляция в октябре и тенденция к сохранению знака аномалии в последующие месяцы) являются предварительными наблюдениями, требующими дальнейшей проверки на более широком массиве данных.

В ходе исследования были выделены пять типов температурного режима воздуха в холодный период года в районе пролива Вилькицкого. Анализ условий формирования каждого из режимов позволил выявить характерные особенности атмосферной циркуляции, в частности — распределения барических полей как на уровне моря, так и на высоте стандартной изобарической поверхности 500 гПа, соответствующие каждому из типов. 

Первый тип атмосферной циркуляции согласуется с результатами, полученными в работе [13], в которой исследуется атмосферная циркуляция при повышенной и пониженной сплоченности морского льда в проливах Северного морского пути. В исследовании [13] показано, что при повышенной сплоченности льда формируется очаг отрицательной аномалии приземной температуры воздуха в районе юго-запада Карского моря в период с октября по ноябрь, в нашей работе при режиме температуры воздуха 1 типа также сформирован основной очаг отрицательных аномалий в юго-западной части Карского моря и также к юго-востоку от арх. Земля Франса-Иосифа. 

Атмосферная циркуляция во втором типе процессов согласуется с результатами, полученными в исследовании [19], в которой положительные аномалии температуры воздуха в районе пр. Вилькицкого и Карского моря формируются при преобладании циклонической деятельности в Западной Арктике, с траекторией циклонов направленной по оси ложбины, направленной на среднюю часть арх. Новая Земля. 

Полученные выводы могут использоваться при разработке усовершенствованной методики прогнозирования погоды в районе пролива Вилькицкого, а также центральной части Северного морского пути в холодный период года.

____________________________________________________________

¹ ВНИИГМИ-МЦД http://meteo.ru/data/ 

² Physical Sciences Laboratory. URL: https://downloads.psl.noaa.gov/Datasets/ncep.reanalysis.dailyavgs/ surface

Список литературы:

1. Моря Российской Арктики в современных климатических условиях / под общ. редакцией И.М. Ашика. СПб: ААНИИ, 2021. 360 с.

2. Фильчук К.В., Коробов В.Б., Юлин А.В., Шевелева Т.В. Влияние наблюдаемых изменений климатических условий на хозяйственную деятельность в морях Российской Арктики // Российская Арктика. 2022. № 2 (17). С. 21-33. https://doi.org/10.24412/2658-4255-2022-2-21-33

3. Latonin M.M., Bashmachnikov I.L., Bobylev L.P. The Arctic Amplification Phenomenon and Its Driving Mechanisms // Fundamental and Applied Hydrophysics. 2020. Vol. 13. № 3. P. 3–19. http://dx.doi.org/10.7868/S2073667320030016

4. Третьяков В.Ю., Сарафанов М.И., Фролов С.В. Межгодовая изменчивость ледовых условий плавания в морях Российской Арктики // Арктика: общество, наука и право: сб. статей под ред. Н. К. Харлампьевой. 2020. C. 334-339. 

5. Юлин А.В., Вязигина Н.А., Егорова Е.С. Межгодовая и сезонная изменчивость площади льдов в Северном Ледовитом океане по данным спутниковых наблюдений // Российская Арктика. 2019. №7. С. 28–40. http://dx.doi.org/10.24411/2658-4255-2019-10073

6. Meier W.N., Stroeve J. An updated assessment of the changing Arctic sea ice cover. Oceanography // 2022. Vol. 35 (2).  http://dx.doi.org/10.5670/oceanog.2022.114

7. Егоров А.Г. Летняя кромка льдов и осенние сроки устойчивого ледообразования в морях Лаптевых, Восточно-Сибирском и Чукотском в период 1981-2018 гг. // Лёд и снег. 2021. Т. 61. № 1. С. 117–27. https://doi.org/10.31857/S2076673421010075

8. Егоров А.Г. Пространственное положение кромки льдов в августе – сентябре в восточных морях России в начале XXI в. // Проблемы Арктики и Антарктики.  2020. Т. 66. № 1. С. 38–55. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2020-66-1-38-55

9. Холопцев А. В., Подпорин С. А. Современные изменения ледовитости проливов на трассе Северного Морского пути и атмосферная циркуляция // Сложные системы. 2016. № 3 (20). С. 40–54.

10. Shukurov K.A., Shukurova L.M. Statistical characteristics of variations in sea ice concentration in straits of the northern sea route in the recent decades // 28th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 2022. Vol. 12341. P. 977–981. http://dx.doi.org/10.1117/12.2645087

11. Chen X., Zhao J., Zhao Y., et al. Risk assessment of ice-class-based navigation in Arctic: a case study in the Vilkitsky Strait // Journal of Physics: Conference Series. 2024. Vol. 2718 (1). P. 012040. http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/2718/1/012040 

12. Думанская И.О., Федоренко А.В. Анализ связи ледовых характеристик морей европейской части России с макроциркуляционными атмосферными процессами // Метеорология и гидрология. 2008. № 12. С. 82–94.

13. Shukurov K. A., Semenov V. A. Large-scale atmospheric circulation patterns favoring sea ice concentration extremes in the Northern Sea Route straits in June-November of 1979-2017 // 27th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics.  SPIE. 2021. Vol. 11916. P. 1030–1035. http://dx.doi.org/10.1117/12.2601742

14. Болотинская М. Ш., Худякова И. Н. Результаты испытаний прогностических связей для уточнения фонового метеорологического прогноза // Труды ААНИИ. 1990. № 422. С. 88–92.

15. Иванов В.В., Алексеенков Г.А., Коржиков А.Я. О совершенствовании макроциркуляционного метода долгосрочного метеорологического прогноза в Карском море // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2018. № 4 (370). С. 105–121.

16. Ильющенкова И.А., Коржиков А.Я., Иванов Б.В. Некоторые механизмы формирования аномальной температуры воздуха в летние сезоны на арх. Шпицберген // Проблемы Арктики и Антарктики. 2024. Т. 70. № 2. С. 161–173. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70-2-161-173

17. Дыдина Л.А. Макроциркуляционный метод прогнозов погоды на 3-10 суток для Арктики. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1964. 391 c.

18. Угрюмов А.С., Лаврова И.В. Основные закономерности общей циркуляции атмосферы: учебное пособие. Санкт-Петербург: РГГМУ, 2021. 72 с.

19. Ильющенкова И.А., Коржиков А.Я., Александров В.Я. Характеристики полей приземного давления и аномалий температуры воздуха в Арктике в период глобального потепления // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. 2015. № 40. С. 142–149.

References:

Статья представлена в открытом доступе в полнотекстовом формате по лицензии Creative Commons 4.0