Пауза в глобальном потеплении в 1998–2013 годах объясняется ускоренным нагревом океана
В течение последних 100 лет содержание углекислого газа в атмосфере Земли постоянно увеличивается. Это считается главной причиной глобального потепления. Тем не менее, с 1998 по 2013 год при продолжающемся увеличении содержания СО2 в атмосфере рост глобальной температуры остановился, что противоречит общепринятым климатическим моделям. Это явление — так называемая пауза в глобальном потеплении — было признано в Пятом оценочном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата, опубликованном в 2014 году. После этого спор между сторонниками и противниками гипотезы антропогенной природы глобального потепления разгорелся с новой силой. И тем, и другим на сегодняшний день понятно, что простейшие климатические модели, основанные на прямой связи температуры с содержанием СО2 в атмосфере, не работают и их надо корректировать. Китайские ученые предложили свою модель, объясняющую причину замедления глобального потепления.
Обычно в качестве параметра оценки климатических изменений используют глобальную температуру на поверхности Земли, которая вычисляется с помощью определенного алгоритма усреднения результатов, зарегистрированных десятками тысяч метеостанций, кораблей и морских буев.
Год от года увеличивается количество точек наблюдения, а также меняются технологии регистрации температуры. Для нивелирования отклонений, связанных с особенностями измерений, ученые сравнивают данные с различными интервалами усреднения. Например, на графиках усредненной за пять лет температуры при общем возрастающем тренде, длящемся примерно с начала XX века, заметны промежутки, в течение которых глобальная температура почти не меняется. Их так и называют — паузы в глобальном потеплении. Отношение к этому явлению в научной среде неоднозначное. Так, относительно последней такой паузы, которая наблюдалась в 1998–2013 годах в Пятом оценочном докладе МГЭИК (IPCC Fifth Assessment Report) говорится весьма осторожно и только в терминах временных интервалов оценки: «Глобальная температура поверхности Земли демонстрирует гораздо меньшую возрастающую линейную тенденцию за последние 15 лет, чем за последние 30–60 лет».
После того как в 2013 году глобальная температура снова стали расти, климатологи заговорили о том, что подобные 15-летние паузы возникают с определенной периодичностью, примерно раз в 30 лет, но причина этих пауз до конца не ясна.
Парадокс стабилизации глобальных температур на фоне роста концентрации СО2 в атмосфере надо чем-то объяснить. Если этого не сделать, доверие к прогнозным моделям, построенным на простой экстраполяции, будет утрачено. Ведь как можно уверенно говорить о росте температур до 2030 года или до конца столетия, если в любой момент может опять наступить 15-летняя пауза? Перед учеными встала задача найти объяснение.
Было высказано предположение (Y. Kosaka, S. Xie, 2013. Recent global-warming hiatus tied to equatorial Pacific surface cooling), что пауза в потеплении была частью естественной изменчивости климата, связанной с циклическими колебаниями температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана, оказывающими заметное влияние на климат всей планеты, — с явлением, известным под названием Эль-Ниньо или Южная осцилляция. При Эль-Ниньо ослабевают или вообще прекращаются пассаты, замедляется апвеллинг (подъем холодных глубинных вод к поверхности) в восточной части Тихого океана, и поверхность океана заметно теплеет.
Противоположная фаза Южной осцилляции, когда воды Тихого океана у берегов Южной Америки сильно охлаждаются, называется Ла-Нинья (см. La Niña). Как видно из рис. 2, на период с 1998 по 2012 год действительно приходится несколько длительных эпизодов охлаждения экваториальных вод Тихого океана.
Рис. 2. Эпизоды Ла-Нинья в период с 1900 по 2019 годы. Рисунок с сайта en.wikipedia.org
Помимо периодических явлений, связанных с Южной осцилляцией, для бассейна Тихого океана известен цикл десятилетних колебаний, затрагивающих воды не только экваториальных, но и умеренных широт, — Тихоокеанская декадная осцилляция (Pacific Decadal Oscillation, PDO). Во время теплой (положительной) фазы западная часть Тихого океана в умеренных широтах становится прохладнее, а восточная часть в экваториальных широтах нагревается. Во время холодной (отрицательной) фазы возникает противоположная картина (рис. 3).
Рис. 3. Индексы PDO, характеризующие интенсивность положительных и отрицательных фаз Тихоокеанской декадной осцилляции за период с 1900 по март 2014 года (значения 0,0–2,0 — ниже среднего, 2,0–4,0 — выше среднего). Красным показаны положительные фазы PDO, синим — отрицательные. График с сайта en.wikipedia.org
В 2014 году были опубликованы результаты моделирования (J. S. Risbey et al., 2014. Well-estimated global surface warming in climate projections selected for ENSO phase), которые показали, что сложение факторов влияния двух осцилляций — Южной и Тихоокеанской декадной — вызывает появление периодов стабилизации или относительного похолодания с наблюдаемыми продолжительностью и периодичностью на фоне общей тенденции роста глобальных температур.
Китайские ученые из Университета Ланьчжоу предложили свою модель объяснения паузы в глобальном потеплении, основанную на перераспределении энергии между атмосферой и всем объемом океана. Результаты исследования опубликованы в журнале Advances of Atmospheric Sciences.
Авторы отмечают, что в существующих климатических моделях оценивается только тепловая энергия атмосферы, и главным контрольным параметром является приповерхностная температура над сушей и морем. Они предлагают ввести еще один контрольный параметр климатической системы — теплоемкость океана, которая намного выше, чем теплоемкость атмосферы. При этом в их модели участвует весь объем океана, а не только его поверхность (так как океан поглощает энергию из атмосферы всем своим объемом).
В качестве алгоритма для построений ученые взяли простую блочную модель (box model). Обычно такие модели используют для качественной, а не количественной оценки, но в целом она позволяет понять характер связей между основными элементами климатической системы. Модель анализирует перераспределение энергии между атмосферой и океаном в разных широтах и на разных глубинах (рис. 4).
Рис. 4. Основные элементы блочной модели и связи между ними. Голубые волнистые полосы показывают границу раздела между атмосферой и океаном. Рисунок из обсуждаемой статьи в Advances of Atmospheric Sciences
Исследователи сравнивают климатическую систему Земли с водопроводом, где роль воды выполняет тепловая энергия Солнца. Эта энергия, накачиваемая «насосом» парникового эффекта, поступает в «бак» атмосферы, но не задерживается там, а через дыры в «днище» выливается дальше в океан. В итоге, вся дополнительная энергия, обусловленная нарастающим парниковым эффектом, накапливается в океане. При этом планета в целом разогревается, а температура в атмосфере остается стабильной (рис. 5).
Рис. 5. Модель, объясняющая паузу в глобальном потеплении, которую предложили китайские ученые. За счет нарастающего парникового эффекта (GHG — greenhouse gases) все больше тепла (Radiative force) подается в климатическую систему Земли, но большая часть этой энергии поглощается океаном, а температура атмосферы не изменяется. Рисунок из популярного синопсиса к обсуждаемой статье
Авторы исходили из того, что если во время паузы в потеплении содержание парниковых газов нарастало, то нарастало и поступление энергии в климатическую систему Земли. И если приповерхностный слой атмосферы не нагревался, значит, происходило перераспределение этой энергии, и она накапливалась где-то еще — скорее всего, в океане.
Основой для анализа приповерхностных температур служили базы данных HadCRUT4 и GISTEMP, а для количества накопленной океаном тепловой энергии — база данных Института физики атмосферы Академии наук Китая (IAP) и данные аналитической системы ORAS4 Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF). В базе данных IAP представлены 41 вертикальный профиль океана от поверхности до глубины 2000 м со всеми среднемесячными температурами, начиная с 1940 года и до наших дней. База ORAS4 содержит разнородные наблюдения по всему миру в диапазоне глубин от поверхности до 5000 м. Для исследования ученые брали только показания до 2000 м, чтобы использовать их вместе со значениями из базы IAP.
Помимо Южной и Тихоокеанской декадной циркуляций, ученые учли в своей модели влияние мультидекадной Североатлантической осцилляции, во многом определяющей климат в Северном полушарии, а также глобальной термохалинной циркуляции, возникающей при вертикальном перемешивании масс океанской воды разной плотности.
Для того, чтобы отделить с помощью разных временных шкал декадную вариабельность от долгосрочного антропогенного воздействия и исключить влияние последнего, авторы использовали математический метод совместного эмпирического модового разложения.
Моделирование показало, что в период паузы Мировой океан продолжал греться, особенно в глубинной части. Причем во время паузы этот нагрев происходил быстрее, чем при быстром потеплении. В период паузы накопление тепла происходило в основном в глубинных частях, а в период быстрого потепления основная часть тепловой энергии поглощалась верхним слоем океана.
Авторы считают, что выявленные ими различия в механизме энергетического обмена между атмосферой и океаном в период быстрого потепления и в период паузы вполне позволяют объяснить причину замедления глобального потепления в 1998–2013 годах. Температура у поверхности в это время не росла, потому что тепловая энергия накапливалась в глубинных частях океана (рис. 6).
Рис. 6. Изменение количества накопленной океанами тепловой энергии (OHC — ocean heat content) в 1980–2012 годах в верхних (0–200 м, a) и нижних слоях (200–2000 м, b). На диаграммах c и d показано изменение по годам, в единицах 1020 Дж. В анализе участвовала только краткосрочная мода, без учета влияния антропогенного фактора. Из рисунка видно, что в Атлантике главную роль играет термохалинная циркуляция, поэтому здесь изменения наблюдаются в нижних слоях океана, а в Тихом океане — Южная осцилляция, поэтому здесь основные изменения — в верхних слоях. Рисунок из обсуждаемой статьи в Advances of Atmospheric Sciences.
Согласно расчетам авторов исследования, объем тепловой энергии, накопленной в океане, ежегодно увеличивается примерно на 9,8×1021 Дж. То есть океаны с каждым годом поглощают все больше и больше тепла (рис. 7).
Рис. 7. Изменение накопленной тепловой энергии по каждому из океанов: Тихому, Южному, Атлантическому и Индийскому. Вверху представлены обобщенные данные. Рисунок из обсуждаемой статьи в Advances of Atmospheric Sciences
С одной стороны, это свидетельствует об огромном потенциале Мирового океана как буфера климатических изменений, с другой — внушает серьезные опасения за будущее морских экосистем.
Источник: Changyu Li, Jianping Huang, Yongli He, Dongdong Li, Lei Ding. Atmospheric warming slowdown during 1998–2013 associated with increasing ocean heat content // Advances in Atmospheric Sciences. 2019. V. 36. I. 11. P. 1188–1202. DOI: 10.1007/s00376-019-8281-0.
Рис. 1. Изменение глобальных температур в 1950–2013 годах. За ноль принято среднее значение с 1961 по 1990 год. Розовый фон — период быстрого потепления, серо-голубой фон — период паузы в потеплении. Черные линии — приповерхностные температуры: пунктирная — данные из базы HadCRUT (версия HadCRUT4); сплошная — из базы NASA GISTEMP. Цветные линии — температуры по данным аналитической системы ERA-Interim: коричневая — приповерхностный слой; зеленая — нижняя атмосфера; синяя — верхняя атмосфера; красная — вся атмосфера. Рисунок из обсуждаемой статьи в Advances of Atmospheric Sciences