ИЗМЕНЕНИЕ УРОВНЯ МИРОВОГО ОКЕАНА
В.М. Федоров
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

С тенденциями повышения ПТВ и ТПО связанного с усилением межширотного теплообмена из-за уменьшения наклона оси вращения Земли, связана тенденция повышения уровня Мирового океана. Изменение уровня Мирового океана (УМО) определяется эвстатическими и изостатическими причинами. Эвстатические причины связаны с таянием ледников (Федоров, 2011, 2015) и многолетних морских льдов (Федоров, 2015 в, Федоров и др. 2016), которое определяется изменением температурных характеристик приземной атмосферы и поверхностного слоя океана (аномалии ПТВ и ТПО). От изменения температурных характеристик также зависят процессы испарения и выпадения атмосферных осадков (Клиге и др., 2009), а также плотностная (стерическая) составляющая изменения УМО связанная с расширением удельного объема воды в поверхностном слое океана.

В общей климатологии УМО рассматривается как интегральный индикатор глобального водообмена, перераспределяющего воды гидросферы между отдельными оболочками Земли, прежде всего между ледниковыми покровами и водами суши. Одновременно с этим УМО испытывает плотностные (стерические) колебания, возникающие под действием главным образом температуры верхнего слоя океана, а также частично от поступления пресных вод ледников. (Клиге, 1985; Малинин и др., 2007; Клиге и др., 2009). Объемные изменения УМО в основном представляют собой сумму эвстатических факторов и плотностной (стерической) компоненты (Малинин, 2012). Предполагается, что в современных климатических условиях при глобальном осреднении колебания УМО за счет современных вертикальных движений земной коры, имеющих разный знак в разных регионах Земли, нивелируют друг друга (Клиге и др., 2009). Таким образом, изостатические деформации УМО предполагаются незначительными на данном временном интервале.

Основным источником энергии гидрометеорологических процессов является лучистая энергия Солнца. Причиной трендов в изменении аномалии ТПО и ПТВ, как показано в предыдущих разделах является изменение наклона земной оси регулирующего распределение приходящей солнечной энергии по широтам и сезонам. В связи с этим были проведены исследования изменения уровня Мирового океана в связи с инсоляцией Земли (приложение 1). При этом использовался показатель инсоляции, который рассчитывался как средняя по полушариям разность солнечной радиации поступающей за год в экваториальные (от 0° с.ш. до 45° с.ш. и от 0° ю.ш. до 45° ю.ш.) и соответствующие полярные области (от 45° с.ш. до 90° с.ш. и от 45° ю.ш. до 90° ю.ш.). Этот показатель инсоляции, названный нами инсоляционной контрастностью (ИК) – близок по смыслу широтному градиенту инсоляции, но не является удельным по расстоянию показателем. Он, таким образом, равен средней по полушариям разности инсоляции (Дж/м²) в области, являющейся источником тепла и инсоляции (Дж/м²) в области стока тепла. ИК (Дж/м²), как и широтный градиент инсоляции определяет интенсивность межширотного теплообмена в системе океан – атмосфера.

Исходными данными по изменению УМО были три ряда годовых значений охватывающих период с 1861 по 2008 гг. Ряд 1 – результат реконструкции глобального уровня океана по данным инструментальных наблюдений (с 1861 по 2008 гг.). Ряд 1 получен в Российском государственном гидрометеорологическом университете (Малинин и др., 2007; Малинин, 2012). Ряд 2 охватывающий период с 1860 по 2008 гг. (Cherch, White, 2006) и ряд 3 (с 1861 по 2008 гг. ) (Jevrejeva et al., 2006). Для сравнения этих трех рядов УМО они были совмещены на отметке 100 мм для 1901 года (Малинин, 2012). Эти приведенные ряды УМО, любезно предоставленные автору В.Н. Малининым (РГГМУ), анализировались в связи с изменением значений инсоляционной контрастности.

Корреляционный анализ этих рядов с ИК показывает высокую корреляционную связь между изменением уровня Мирового океана и изменением широтного распределения инсоляции. Значение R для 1 ряда составляет 0,908, для 2 ряда – 0.910, для 3 ряда – 0,929. С учетом высокого уровня корреляционной связи нами были получены линейные и полиномиальные (полином 2-й степени) уравнения регрессии инсоляционной контрастности и значений УМО для всех трех рядов (рис. 1, 2).

По уравнениям регрессии были рассчитаны значения УМО для периода с 1861 по 2050 гг. Затем (для каждого из трех рядов) рассчитывались средние значения УМО по ансамблю линейных и полиномиальных решений. Проведено сравнение рассчитанных по ансамблю значений УМО с фактическими, представленными в рядах 1 – 3 значениями УМО (интервал с 1861 по 2008 гг.). Сравнение проводилось вычитанием рассчитанных значений УМО из соответствующих по годам фактических значений УМО. Средние по модулю значения расхождения составили для ряда 1 – 20,81 мм, для ряда 2 – 19,43 мм, для ряда 3 – 23,39 мм. Относительно значения УМО 2008 года (последних данных в рядах УМО) эти расхождения составляют 7,56%, 7,09% и 8,91% соответственно. При этом в распределении расхождения рассчитанных значений УМО с фактическими значениями отмечается периодичность. Выделяются периоды, в которых фактические значения превышают рассчитанные и периоды, в которых они им уступают (рис. 3).

На исследуемом интервале выделяется 8 групп, в которых разность фактических значений УМО превышает рассчитанные значения УМО и 8 групп, в которых фактические значения уступают рассчитанным. Средняя продолжительность групп в которых разность фактических и рассчитанных значений УМО является положительной составляет 8,67 года (9,75, 9,86 и 10,0 лет для 1, 2 и 3 ряда соответственно). Средняя продолжительность групп, в которых разность фактических и рассчитанных значений УМО является отрицательной, составляет 9,87 года (9,75, 8,75 и 8,50 лет для 1, 2 и 3 ряда соответственно). Эти группы соответствуют фазам 19-ти летнего нутационного цикла проявляющегося в распределении инсоляции (Fedorov, 2015 а). Расхождения, таким образом, связаны с тем, что нутационный цикл не проявляется (или очень слабо проявляется) в изменении УМО. Средние по модулю значения разности фактических и рассчитанных значений УМО для групп с отрицательной разностью расхождения составляют -19,56 мм, -19,43 мм и -20,98 мм для 1,2 и 3 ряда соответственно (среднее -19,99 мм). Средние по модулю значения разности фактических и рассчитанных значений УМО для групп с положительной разностью расхождения составляют 21,80 мм, 19,19 мм и 24,68 мм для 1,2 и 3 ряда соответственно (среднее 21,89 мм).

С учетом полученных расхождений в рассчитанные значения УМО были внесены соответствующие поправки для групп с отрицательными и положительными значениями разности (алгебраическим сложением соответствующих средних значений расхождения). В результате среднее по модулю расхождение фактических и рассчитанных значений УМО сократилось и составило 11,29 мм, 10,32 мм и 11,71 мм для 1. 2 и 3 ряда соответственно. Относительно значения УМО зафиксированного для 2008 года это составляет 4,10%, 3,76% и 4,46% для 1, 2 и 3 ряда соответственно. Изменение УМО по фактическим и рассчитанным (с учетом поправок) данным для ряда 1 представлено на рис. 4.

Рассчитывалась дисперсия для рядов фактических данных УМО (D₁) и соответствующих рядов расхождения фактических и рассчитанных значений (D₂). Затем рассчитывалось значение D₂/D₁ и вычитанием полученных значений из единицы определялась доля изменений УМО, объясняемая инсоляционной контрастностью (по которой рассчитывались значения УМО). Умножением этой величины на 100 были получены величины изменения УМО объясняемые изменением ИК в процентах. Эти значения составили 95,22%, 95,39% и 96,39% для 1, 2 и 3 ряда соответственно. Таким образом, изменения УМО в основном определяются изменением широтного распределения инсоляции Земли (ИК), связанного с изменением наклона оси ее вращения (Fedorov, 2015 а; Федоров, 2015 а, б).

С учетом полученных данных по продолжительности групп с положительными и отрицательными значениями разности фактических и рассчитанных значений УМО нами были внесены соответствующие поправки (средние для этих групп значения расхождения) в рассчитанные на период с 2009 по 2050 гг. значения УМО. В результате получены прогнозируемые значения изменения УМО по данным инсоляции (ИК) на период с 2009 по 2050 гг. (рис. 5).

Полученные результаты показывают, что УМО на этом интервале в целом повышается. Однако, его изменения при этом весьма существенные. Так в 2019, 2038 и в 2046 гг. ожидаются максимальные повышения УМО, которые составят 312,74 мм (среднее по 1, 2 и 3 ряду), 339,63 мм и 335,17 мм соответственно. Это повышение УМО относительно 2008 года (270,61 мм – среднее по 1, 2 и 3 ряду) составит 42,13 мм, 69,02 мм и 64,56 мм в 2019, 2038 и 2046 гг. соответственно. Относительно текущего 2016 г. увеличение УМО в годы его максимального подъема на данном интервале может составить 17,39 мм, 44,29 мм и 39,82 мм в 2019, 2038 и 2046 гг. соответственно.

Следует отметить, что ближайший максимум УМО в 2019 году (рис. 5) совпадает с абсолютным максимумом в прогностическом ряду УМО рассчитанном на период с 2000 по 2028 гг. по физико-статистической модели в РГГМУ (Малинин, 2012). В основе этой модели связь аномалии ПТВ (архив HadCRUT3) и значений УМО.

Изменение УМО тесно связано с изменением ПТВ и ТПО. В интервале с 1861 г. по 2008 г. связь фактических значений УМО с фактическими значениями аномалии ПТВ и ТПО характеризуется значениями R представленными в табл. 1.

Табл. 1. Коэффициент корреляции фактических значений УМО и фактических значений аномалии ПТВ (HadCRUT4) и ТПО (HadSST3). Ряд 1 и 3 с 1861 по 2008 гг., ряд 2 с 1870 по 2008 гг.

При увеличении продолжительности фактических рядов за счет рассчитанных значений УМО, аномалии ПТВ и ТПО с 2009 г. по 2050 г. значения R несколько возрастают (табл. 2). В рассчитанные ряды аномалии ПТВ и ТПО при этом внесены поправки на КМО, а в ряды УМО поправки на нутационное колебание инсоляции.

Табл. 2. Корреляция фактических (до 2008) и рассчитанных (с 2009 по 2050 гг.) значений УМО с аномалией ПТВ и ТПО.

Изменение УМО определяется изменением глобального климата (потеплением) . Эти изменения вызываются естественными причинными, основной из которых является изменение угла наклона оси вращения Земли и связанного с этим изменения широтной контрастности инсоляции. Следствием усиления инсоляционной контрастности является усиление межширотного теплообмена. Усиление межширотного теплообмена приводит к повышению температуры в областях стока тепла, повышению содержания водяного пара в атмосфере в областях стока тепла и, в связи с этим, усилению парникового эффекта.

Последствиями отмечаемого, в связи с потеплением климата, повышения УМО могут стать подтопления (особенно в результате ветровых нагонов) территорий расположенных вблизи отмечаемых высотных уровней, абразионный размыв их берегов и отступание береговой линии.