Климатологи из Института географии РАН, Института физики атмосферы имени А. М. Обухова РАН и МФТИ выяснили, почему в первой половине XX века в Арктике произошло резкое потепление — особенно заметное в зимний период.
Ученые проанализировали, насколько «внутренние ритмы» атмосферы и океана Северного полушария повлияли на скачки температуры. Кроме того, исследователи изучили, как меняется результат анализа в зависимости от способа разделения естественных климатических колебаний и внешних факторов — например, роста концентрации парниковых газов или загрязнения воздуха аэрозолями. Результаты исследования опубликованы в журнале Atmosphere.
В XX веке в Арктике — на фоне общего потепления планеты — четко прослеживаются два периода резкого роста приземной температуры воздуха: современное потепление и волна потепления 1920−1940‑х годов. Ранний эпизод особенно интересен: в высоких широтах потепление тогда оказалось сильнее, чем в среднем по миру, и ярче всего проявилось зимой — в период, когда Арктика обычно выполняет роль стабильного «холодильника». При этом уровень выбросов парниковых газов был значительно ниже нынешнего, поэтому объяснить явление одним лишь глобальным потеплением нельзя.
Климатологи рассматривают две группы причин такого потепления. Первая — внешние воздействия: парниковые газы, аэрозоли, солнечная активность, извержения вулканов и изменения состава атмосферы. Вторая — внутренняя изменчивость, то есть естественные колебания в атмосфере и океане, способные десятилетиями влиять на перенос тепла к полюсу.
Такие колебания описывают с помощью специальных индексов — своеобразного «пульса» климатических режимов. Например, Североатлантическое колебание отражает изменения атмосферного давления над Атлантикой, а тихоокеанско‑североамериканский рисунок циркуляции описывает волны в струйных течениях над Тихим океаном и Северной Америкой. Атлантическое мультидекадное колебание показывает медленные изменения температуры поверхности Северной Атлантики, а Тихоокеанское декадное колебание фиксирует перестройки в северной части Тихого океана. Эти ритмы порой синхронно «подталкивают» тепло к Арктике, а иногда удерживают его в средних широтах.
Однако возникает сложность: многолетние циклические изменения легко спутать с медленным трендом от внешнего потепления. К тому же внешние факторы могут влиять и на сами океанические индексы — особенно в Атлантике, где температура поверхности чувствительна к аэрозолям и парниковым газам.
Поэтому, чтобы оценить вклад внутренних ритмов, сначала нужно отделить их от внешних воздействий. Именно этот вопрос стал центральным в исследовании. Ученые использовали данные о приземной температуре воздуха в Арктике из массива HadCRUT5, глобального набора данных о температуре поверхности Земли, собранного на основе инструментальных наблюдений, и сравнили два подхода. Первый был простым: он предполагал удаление линейного тренда, то есть проведение прямой через столетний ряд данных, с последующим изучением колебаний вокруг этой линии. Второй подход оказался более сложным, «физическим»: исследователи оценили вынужденный отклик климата с помощью ансамбля современных климатических моделей международного проекта сравнения моделей (CMIP6) и вычли этот отклик из наблюдений. Тогда то, что остается, можно трактовать как преимущественно внутреннюю изменчивость — тот самый «климатический шум», рождающийся внутри системы океан-атмосфера. Сравнив два варианта, исследователи применили множественную линейную регрессию, по сути разложили сложную мелодию арктической зимы на партии отдельных «маятников» и оценили, кто из них звучит громче.
Результат оказался чувствительным к методике. Когда ученые анализировали данные, из которых был удален только линейный тренд (то есть сглаженная долгосрочная динамика температуры), выявленные климатические режимы объясняли около двух третей изменений зимней температуры в Арктике за период с 1905 по 2014 год.
При таком подходе наибольшее влияние на температурные изменения оказывало Атлантическое мультидекадное колебание — его вклад оказался самым значительным. Тихоокеанское декадное колебание и атмосферные режимы также влияли на температуру, но их воздействие было меньше, хотя и оставалось существенным.
Когда же внешний сигнал удаляли с помощью моделей CMIP6, картина менялась: доля объясненной изменчивости снижалась до трети, на первый план выходило Тихоокеанское декадное колебание, а роль Атлантического мультидекадного колебания резко падала. Это говорит о том, что при простом удалении тренда часть «атлантического» сигнала может содержать влияние внешних факторов — и такой метод не гарантирует их полного исключения.
Далее ученые разделили высокие широты на четыре сектора равной площади — европейский, азиатский, тихоокеанский и североатлантический — и повторили анализ для каждого. Выяснилось, что в разных регионах доминируют разные механизмы: где‑то сильнее проявлялись «атлантические» процессы, где‑то — «тихоокеанские». Североатлантический сектор особенно чутко реагировал на атмосферные изменения над Атлантикой. При использовании моделей CMIP6 тихоокеанское влияние в среднем усиливалось, а атлантическое ослабевало — что подтвердило общий вывод исследования.
Естественные климатические режимы действительно объясняют большую часть зимних колебаний, если из наблюдений убрать только общий тренд. Но после удаления вынужденного сигнала их объясняющая сила заметно падает. Когда мы вычитаем вынужденный отклик, атлантический мультидекадный режим почти перестает быть главным, а тихоокеанский, наоборот, выходит на первый план. Это намекает на то, что атлантический индекс сильнее «чувствует» внешние воздействия.
Причина раннего потепления в Арктике не сводится к противопоставлению влияния океана и внешних факторов. Внешние воздействия влияют и на океанические процессы, поэтому сравнение методов выделения внешней составляющей важно для надежности выводов.
Если климатические модели недостаточно точно воспроизводят раннее потепление в Арктике, это говорит об их ограниченной способности отображать многодесятилетние колебания. Усиление роли тихоокеанских механизмов после обработки данных требует изучения их влияния на зимние температуры.
Анализ по секторам показал: общие выводы для Арктики могут не соответствовать ситуации в отдельных районах — а именно региональные особенности важны для инфраструктуры и оценки экстремальных температур.
Самый ценный вывод здесь в том, что методика влияет на ответ почти так же сильно, как сами данные. Это означает, что следующий шаг — проверять статистические выводы физическими экспериментами в моделях и разбирать механизмы переноса тепла по регионам: где именно «протягиваются» тихоокеанские и атлантические связи и почему в одних секторах Арктики они звучат громче, чем в других.
Раннее потепление в Арктике — важный объект для изучения климатологии. Оно произошло сравнительно недавно, поэтому хорошо прослеживается в данных наблюдений, но при этом не поддается простым объяснениям.
Новое исследование делает анализ этого явления более точным: оно показывает, что для понимания климатических процессов недостаточно просто выявить отдельные факторы влияния — критически важно также правильно выбирать метод, с помощью которого эти факторы отделяют друг от друга.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что российские ученые выделили лучшие технологии для освоения Арктики.
