Атмосфера содержит воду в виде пара, жидкости и льда. Общее содержание воды в атмосфере составляет около 13 000 км3, из них 200 км3 над Арктикой. Эти цифры очень малы по сравнению с океаном, ледниковым покровом, ледниками, озерами, реками и сушей. Тем не менее, атмосфера является основополагающим компонентом водно-энергетических циклов.
Водяной пар в атмосфере Северного Ледовитого океана задерживается примерно на неделю по сравнению с десятилетием для пресноводных ресурсов Северного Ледовитого океана, и тысячи лет для ледникового покрова и ледников.
Атмосферная влажность, облака и осадки одновременно влияют и подвержены влиянию недавних быстрых климатических изменений в Арктике.Понимание прошлого и настоящего арктического и высокоширотного гидрологического цикла основано на наблюдениях in situ и дистанционном зондировании, повторном анализе атмосферы и ретроспективном моделировании климата.
Долгосрочный исторический контекст обеспечивается с помощью косвенных показателей. Оценки будущих гидрологических изменений основываются на прогнозах климатической модели с различными сценариями человеческой деятельности и соответствующими внешними воздействиями. Однако понимание баланса влажности атмосферы в Арктике далеко не завершено.
Это касается почти всех переменных влажности, включая атмосферную специфическую и относительную влажность, облака (охват, тип, слои, фаза и свойства), осадки (количество и фаза). Во многих случаях наибольшие неопределенности возникают в отношении морского льда и открытого океана, но значительные также и в отношении сухопутных районов.
Важным источником ошибок для климатических моделей, является совокупность сложных физических процессов, протекающих в арктической атмосфере, и их взаимодействие с земной поверхностью. Эти процессы включают, например, физику смешанных облаков, радиационно-турбулентные взаимодействия и испарение от дрейфа снега и капель распыления над открытым океаном.
Функции системы и ключевые процессы
Пространственно-временные распределения водяного пара в Арктике тесно связаны с распределением температуры воздуха. Влага удерживающая способность воздуха экспоненциально возрастает с температурой воздуха.
Таким образом, TWV (или осаждаемая вода) уменьшает направление полюса, уменьшается с лета на зиму и выше над открытым океаном, чем над морским льдом и холодными континентами. В Арктике облака очень распространены над открытым океаном и морским льдом, но менее распространены на континентах. Максимальная доля облаков достигает позднего лета и ранней осени, а минимальная - поздней зимой. В центральной Арктике типичные зимние условия меняются между пасмурным и чистым небом, определяемые в основном крупномасштабной циркуляцией атмосферы. Летом облака низкого стратуса или стратокумулуса присутствуют большую часть времени . Появление водяного пара и облаков в Арктике частично обусловлено локальным испарением и конденсацией, а частично переносом из более низких широт.
Транспортировка в основном обусловлена переходными циклонами. Информация об осадках над центральной Арктикой ограничена и имеет сомнительную точность. В среднем за год осадки превышают суммарное испарение почти на всех суше и океанических акваториях Арктики и Арктики, при этом основными исключениями являются части Норвежского и Баренцева морей.
Атмосферная влага
Водяной пар является источником облачности и туманообразования, но также влияет на радиационный перенос и конденсацию. Относительная влажность в сочетании с атмосферной динамикой, доступностью и свойствами ядер конденсации контролирует образование облаков. Уровень насыщения зависит от вертикальных профилей температуры и удельной влажности.
Инверсии, т.е. слои, значения которых возрастают с ростом, характерны для Арктики как для температуры воздуха, так и для удельной и относительной влажности. Инверсии температуры воздуха происходят где-то между поверхностью и высотой 1-1,5 км в течение года, но имеют сильную сезонность. Кроме того, специфические инверсии влажности имеют большое значение в климатической системе Арктики, особенно для формирования и поддержания облачности, в широком диапазоне пространственно-временных масштабов.
Специфические инверсии влажности часто сочетаются с инверсиями температуры, причем основание рядом с основанием инверсии температуры близко к верхушке облака. Следовательно, при увлечении (смешивании воздуха облачного слоя с более теплым воздухом инверсионного слоя над ним) инверсионный слой действует как источник влаги в облачный.
В случае, когда облачные слои отделены от поверхности Земли (вследствие вторичной инверсии ниже облачного основания), инверсии влаги могут быть единственным источником влаги для облаков. Даже небольшой вертикальный градиент удельной влажности может иметь важное значение для образования конденсата или скорости испарения из существующих облачных капель или кристаллов льда.
Помимо воздействия на облака, профиль удельной влажности важен для переноса длинноволнового и коротковолнового излучения в атмосферу. Профиль влажности особенно важен для длинноволнового излучения в условиях ясного неба , когда разница между сухим и влажным режимами на поверхности Земли может достигать 10-20 Вт/м2 в условиях, характерных для Арктики.
Эффект усиливается общим совпадением инверсий температуры и влажности в Арктике, влажный воздух из-за своей влажности и высокой температуры испускает больше длинноволнового излучения, чем сухой воздух. Потеря морского льда и снежного покрова и увеличение влажности атмосферы и облаков усиливают потепление в Арктическом регионе.
В результате Арктика прогревается быстрее средних широт (или среднемировых), явление, известное как арктическое усиление. Поскольку водяной пар является самым сильным парниковым газом, увеличение его содержания приводит к потеплению во всех широтах. Само по себе это не вызывает усиления Арктики, но предполагается усиление обратной связи за счет облаков, поверхностного альбедо и температуры воздуха. Потепление, вызванное этими обратными связями, приводит к увеличению содержания водяного пара и связанных с ним радиационных эффектов, что еще больше усиливает усиление Арктики.
Парение и перенос влаги из нижних широт
Атмосферная влажность в Арктике является результатом локального испарения и переноса влаги из нижних широт. Из-за большого испарения свинца и полыней влажность воздуха над арктическими морскими льдами обычно находится на уровне или близком к насыщению относительно ледовой фазы, и поэтому сублимация от поверхности льда/снега слабая. Сублимация от дрейфа снега может быть более эффективной из-за большой площади поверхности снежинок в воздухе .
Часть дрейфующего снега переносится в каналы, представляющие собой поток пресной воды в океан . По сравнению с морским льдом, сублимация от дрейфа снега, вероятно, более важна над арктическими и субарктическими территориями, где воздух более сухой. Над открытым океаном при сильных ветрах испарение из распыляемых капель является важным дополнением к испарению с поверхности океана, При скорости ветра 11-13 м/сек. испарение из капель распыления составляет 10% и более от поверхностного испарения, а при скорости ветра 25 м/сек., характерной для полярных минимумов (интенсивные мезомасштабные циклоны в полярных регионах) вклад уже составляет порядка 70-80% температуры поверхности моря. Однако при таких скоростях ветра эти цифры включают в себя значительную неопределенность из-за отсутствия данных.
Другим источником атмосферной влаги в Арктике является перенос из более низких широт, обусловленный северо-южным градиентом удельной влажности воздуха и влиянием крупномасштабных циркуляций, таких как планетарные волны, субтропический струйный поток, струйный поток полярного фронта, штормовые пути, а также галли, феррель и полярные клетки. Стационарные вихри представляют собой отклонения от зонального среднего, переходные вихри - отклонения от височного среднего, т.е. переходные циклоны. Переходные вихри доминируют в переносе влаги через 70° с.ш., внося 80-90% от общего переноса на север. Вклад средней меридиональной циркуляции составляет всего 1% летом и 12% зимой.
Изменения в переносе влаги полюсами могут быть вызваны двумя причинами: изменением градиента влажности с севера на юг и атмосферной циркуляцией. Первый, как ожидается, будет доминировать в шкалах времени в несколько десятилетий и дольше, а второй - в меж годовых и более коротких шкалах времени.