Коллектив климатологов из Института географии РАН, Института физики атмосферы имени А. М. Обухова РАН и МФТИ разобрал одну из самых загадочных страниц климатической летописи: почему Арктика так резко потеплела в первой половине XX века, причем особенно сильно зимой. Ученые оценили, какую долю в тех температурных скачках могли сыграть «внутренние ритмы» атмосферы и океана Северного полушария и почему ответ меняется в зависимости от того, как именно отделять естественные колебания климата от внешних факторов вроде роста парниковых газов и загрязнения воздуха аэрозолями.
Арктика умеет удивлять даже на фоне общего потепления планеты. Если смотреть на приземную температуру воздуха — ту самую «погоду у поверхности», которую чувствуют люди и на которую остро реагируют лед и экосистемы,— то в XX веке отчетливо выделяются два периода резкого роста: нынешнее потепление и волна 1920–1940-х годов. Этот ранний эпизод особенно интригует тем, что в высоких широтах он оказался заметно сильнее, чем в среднем по миру, и проявился прежде всего зимой, когда Арктика обычно работает как максимально устойчивый «холодильник». При этом выбросы парниковых газов тогда были несопоставимо ниже нынешних, а значит, простое объяснение «все сделало глобальное потепление» выглядит недостаточным.
Когда климатологи пытаются понять, кто «подкрутил термостат» Арктики в те годы, они обычно держат в голове две большие группы причин. Первая — внешние воздействия: концентрации парниковых газов, состав атмосферы, аэрозоли, солнечная активность, извержения вулканов. Вторая — внутренняя изменчивость, то есть естественные колебания в океане и атмосфере, которые могут десятилетиями усиливать или ослаблять перенос тепла к полюсу. Для таких колебаний существуют специальные показатели — индексы, которые можно представить как пульс больших климатических «режимов».
Одни из них связаны с перестройкой давления и ветров над океанами: например, Североатлантическое колебание отражает, как меняется «качель» атмосферного давления над Атлантикой, а тихоокеанско-североамериканский рисунок циркуляции описывает характерные волны в струйных течениях и переносе воздуха над Тихим океаном и Северной Америкой. Другие индексы «живут» в океане: Атлантическое мультидекадное колебание с периодом в несколько десятилетий показывает медленные изменения температуры поверхности Северной Атлантики, а Тихоокеанское декадное колебание — устойчивые перестройки в северной части Тихого океана. Вместе эти ритмы действительно напоминают маятники: иногда они синхронно «подталкивают» тепло к Арктике, а иногда, наоборот, удерживают его в средних широтах.
Но здесь и кроется ловушка. Если океан и атмосфера подвержены циклическим изменениям с периодом во много десятков лет, их сигнал в наблюдениях легко спутать с медленным трендом от внешнего потепления. И наоборот: внешние факторы способны менять не только температуру воздуха, но и сами океанические индексы, особенно в Атлантике, где температура поверхности чувствительна и к аэрозолям, и к парниковым газам. Поэтому задача «посчитать вклад внутренних ритмов» начинается еще до статистики: сначала нужно аккуратно убрать из данных то, что, вероятно, связано с внешними воздействиями, и только потом спрашивать, какая часть оставшегося объясняется атмосферными и океаническими режимами.
Именно этот выбор «как убирать внешнее» авторы сделали центральным вопросом своего исследования. Они взяли ряды приземной температуры воздуха в Арктике из массива HadCRUT5 — глобального набора данных о температуре поверхности Земли, собранного на основе инструментальных наблюдений, и сравнили два подхода. Первый — самый прямолинейный: убрать линейный тренд, словно провести прямую через весь столетний ряд, и изучать колебания вокруг нее. Второй — более «физический»: оценить вынужденный отклик климата по большому ансамблю современных климатических моделей международного проекта сравнения моделей (сокращенно CMIP6) и вычесть его 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. Работа была опубликована в журнале Atmosphere и выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда 25-27-00327.
Результат оказался неожиданно чувствительным к методике. Когда ученые работали с данными, из которых убрали только прямую линию тренда, выбранные климатические режимы объясняли большую часть зимней изменчивости арктической температуры за 1905–2014 годы — примерно две трети. В этой картине главным «дирижером» выглядело Атлантическое мультидекадное колебание: его вклад оценивался как самый крупный, а Тихоокеанское декадное колебание и атмосферные режимы добавляли меньшие, но заметные доли.
Но стоило убрать внешнюю часть не прямой линией, а «портретом вынужденного отклика», полученным по ансамблю климатических моделей, как картина поменялась почти до неузнаваемости. Общая доля объясненной изменчивости снизилась примерно до трети, а на первый план вышло Тихоокеанское декадное колебание. Роль Атлантического мультидекадного колебания, наоборот, резко уменьшилась. Такой разворот важен не сам по себе, а как подсказка: в варианте с простым детрендированием часть «атлантического» сигнала может на самом деле содержать след внешних факторов, и линейное удаление тренда не гарантирует, что этот след исчезнет.
Дальше сюжет становится еще интереснее, потому что Арктика — не ровный круг льда и холода, а мозаика регионов, по-разному связанных с Атлантикой и Тихим океаном. Исследователи разделили высокие широты на четыре сектора равной площади — европейский, азиатский, тихоокеанский и североатлантический — и повторили анализ для каждого. В одних секторах сильнее проявлялись «атлантические» механизмы, в других — «тихоокеанские», а североатлантический сектор особенно чувствительно реагировал на атмосферные перестройки над Атлантикой. При этом в варианте, где внешний сигнал удаляли с помощью ансамбля моделей, тихоокеанское влияние в среднем усиливалось, а атлантическое слабело, что хорошо согласуется с общим выводом работы.
Мирсеид Акперов, доцент кафедры термогидромеханики океана МФТИ рассказал об исследовании: «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».
Вопрос о причинах раннего арктического потепления нельзя свести к простому выбору «океан или внешние факторы» и нельзя решить его одной процедурой «убрать прямую». Климатическая система устроена так, что внешние воздействия способны менять не только температуру воздуха, но и саму «статистику океана», из-за чего индексы внутренних режимов иногда несут в себе примесь вынужденного сигнала. Поэтому сравнение методов отделения внешней компоненты здесь выступает не технической деталью, а проверкой устойчивости выводов.
Практическая ценность результата исследования выходит далеко за пределы спора о прошлом. Если среднее по ансамблю моделей недооценивает раннее потепление Арктики, это важный сигнал для оценки того, насколько хорошо модели воспроизводят колебания в течение многих десятилетий и связанные с ними корреляции. Кроме того, усиление роли тихоокеанских механизмов после «очистки» ряда подталкивает к более внимательному изучению тихоокеанских маршрутов переноса тепла и их влияния на зимний холодный сезон в Арктике. Наконец, секторный подход напоминает: то, что верно «в среднем по Арктике», может быть неверно для конкретных регионов, а именно региональные детали важны для инфраструктуры, морского льда и оценки экстремальных зимних температур.
Статистические модели удобны своей прозрачностью, но связи между океаном и атмосферой могут меняться во времени, а отклик Арктики зависит от состояния льда, облачности и переноса влаги. Поэтому следующий шаг — динамические эксперименты в климатических моделях, которые позволят проверять причинные механизмы напрямую, а не только по совпадениям в данных.
Дарья Бокучава, научный сотрудник Института географии РАН, добавила:
«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 Арктики остается естественным испытательным полигоном для климатологии: оно достаточно близко по времени, чтобы быть хорошо видимым в наблюдениях, и достаточно «неудобно», чтобы не укладываться в простые объяснения. Новая работа делает этот полигон строже и честнее: она показывает, что в климате важно не только то, какие сигналы мы ищем, но и то, каким инструментом мы отделяем один сигнал от другого.
Две волны потепления и арктический разрыв. Графики показывают отклонения приземной температуры воздуха от нормы для Северного полушария и для Арктики, отдельно для среднегодовых значений и для зимы. На них видно два подъема XX века — современное потепление и более ранний всплеск 1920–1940-х, который в Арктике выражен особенно резко. Сопоставление наблюдений с расчетами климатических моделей показывает, что раннее потепление воспроизводится хуже, чем современное