Долгопериодные климатические колебания в Арктике и их связь с глобальными изменениями климата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, доктор физико-математических наук Семенов, Владимир Анатольевич

• Семенов, Владимир Анатольевич
• доктор физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Семенов, Владимир Анатольевич

Введение.

Глава 1. Структура изменчивости температуры в высоких широтах Северного полушария.

1.1. Введение.

1.2. Используемые данные и методы исследования.

1.3. Результаты.

1.3.1. Зимний период.

1.3.2. Летний период.

1.4. Обсуждение и выводы.

Глава 2. Роль колебаний площади арктического ледового покрова в формировании температурных аномалий в Арктике.

2.1. Введение.

2.2. Описание модели и проведенных экспериментов.

2.3. Результаты.

2.4. Обсуждение и выводы.

Глава 3. Механизм арктического потепления середины XX века.

3.1. Введение.

3.2. Пространственная структура потепления середины XX века в

Арктике.

3.3. Эксперименты с моделью общей циркуляции атмосферы.

3.4. Эксперимент с совместной моделью общей циркуляции атмосферы, океана и морского льда.

3.5. Механизм потепления середины XX века.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Долгопериодные климатические колебания в Арктике и их связь с глобальными изменениями климата»

4.2. Описание используемой модели и эксперимента.110

4.3. Результаты.111

4.4. Выводы.119

Глава 5. Влияние долгопериодных естественных климатических колебаний в Северной Атлантике и Арктике на глобальные изменения климата.122

5.1. Введение.123

5.2. Сигнал Атлантического долгопериодного колебания в поле температуры поверхности океана и характеристиках морского ледового покрова.126

5.3. Аномальные потоки тепла на границе океан-атмосфера, связанные с Атлантическим долгопериодным колебанием.134

5.4. Постановка модельных экспериментов.146

5.5. Результаты модельных экспериментов.148

5.6. Выводы.157

Глава 6. Связь между изменениями зимнего ледового покрова в восточной Арктике и экстремальными температурными аномалиями над континентами Северного полушария.161

6.1. Введение.162

6.2. Описание модели общей циркуляции атмосферы и численных экспериментов.170

6.3. Результаты численных экспериментов.171

6.4. Механизм формирования аномалий приземной циркуляции атмосферы над Баренцевым морем при изменении концентрации морского льда.183

6.5. Обсуждение и выводы.193

Глава 7. Остановка океанического притока в Баренцево море: механизм быстрых климатических изменений.198

7.1. Введение.199

7.2. Эксперимент с глобальной климатической моделью.201

7.3. Результаты. Остановка притока в Баренцево море.203

7.4. Обсуждение и выводы.214

Заключение.218

Список литературы.225

Введение

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена исследованию долгопериодных климатических колебаний в высоких широтах Северного полушария (СП), связанных с естественной изменчивостью в земной климатической системе. На основе анализа эмпирических данных и численных экспериментов с климатическими моделями предложены физические механизмы формирования долгопериодных колебаний климата в Арктике, их связь с глобальными климатическими изменениями и влияние на характеристики климата континентов Северного полушария. Показано, что естественная климатическая изменчивость в Северной Атлантике и Арктике может приводить к глобальным изменениям климата, объясняющим более 50% потепления в СП в последние десятилетия. Выявлена важная роль взаимодействия атмосферы и океана в регионе Баренцева моря в усилении долгопериодных климатических колебаний благодаря положительной обратной связи между притоком океанического тепла и границей ледового покрова Показано, что наличие такой обратной связи может приводить к нелинейному отклику на относительно слабое внешнее воздействие (изменение солнечной постоянной), приводящему к резким климатическим изменениям в высоких широтах СП.

Актуальность темы

Рост глобальной приповерхностной температуры, отмеченный по данным инструментальных наблюдений за последние 150 лет, значительно ускорился в последние десятилетия. Глобальное потепление с начала XX века составило

0.74 °С, при этом с 1970 г. температура выросла более чем на 0.5 °С (Hansen et al. 2006; Brohan et al. 2006; Гулев и др. 2008). Подобная динамика климатических изменений характерна для многих регионов. Так, в Европе (включая европейскую часть России) среднегодовая приповерхностная температура воздуха (ПТВ) с начала XX века до начала 1970-х годов повысилась примерно на 0.4 °С, в то время как только за три последних десятилетия XX века рост составил более 1.2 °С (Brohan et al. 2006; Груза и др. 2007). Наиболее сильное потепление отмечается в высоких широтах Северного полушария в зимний период (Polyakov et al. 2002; Serreze and Francis 2006; Семенов 2007; Serreze et al. 2010), что в целом согласуется с результатами климатических моделей (Голицын и др. 2003; Holland and Bitz 2003; Langen and Alexeev 2007; Елисеев и др. 2009; Lu and Cai 2010). Потепление сопровождается уменьшением площади ледового покрова в Арктике, сократившегося с начала периода спутниковых наблюдений (1979 г.) более чем на 20% (для годового минимума распространения льда в сентябре) (Stroeve et al. 2005; Cavalieri et al. 1999; ACIA 2005). Таяние морского льда в последние годы также резко ускорилось (Comiso et al. 2008; Stroeve et al. 2007), что вызвало интенсивную дискуссию о возможности достижения определенного порогового значения, при достижении которого климатические изменения в Арктике станут необратимыми (Lindsay and Zhang 2005; Lenton et al. 2008; Menyfield et al. 2008). Значительные изменения характеристик ледового покрова в Арктике открывают новые экономические перспективы для освоения богатого природными ресурсами арктического шельфа и морской перевозки грузов вдоль арктического побережья России (Мохов и др. 2007; Хон, Мохов 2008; Khon et al. 2009). Помимо температурных изменений, происходят значительные изменения осадков, наиболее сильно проявляющиеся (усиливающиеся) над севером Евразии и Северной Америки

Dai et al. 1997; Semenov and Bengtsson 2002; Мохов и др. 2005, 2006; Khon et al. 2006), что приводит к увеличению стока северных рек (Мохов, Хон 2002). Климатические модели воспроизводят аналогичные тенденции и в XXI веке (Мохов и др. 2003). Эти изменения могут оказывать значительное воздействие на распространение арктического льда (Захаров 1996). Климатические изменения в высоких широтах СП также сопровождаются изменениями пространственного распределения приповерхностных многолетнемерзлых грунтов («вечная мерзлота») (Павлова и др. 2007; Елисеев и др. 2009).

Причины ускорившихся климатических изменений однозначно не определены. Основной гипотезой, объясняющей динамику климата в индустриальный период, считается влияние увеличения содержания парниковых газов антропогенного происхождения в атмосфере (IPCC 2007). Климатические модели в экспериментах по моделированию климата 20-го столетия под влиянием внешних естественных (солнечная, вулканическая активность) и антропогенных факторов (антропогенные парниковые газы, аэрозоли) хорошо воспроизводят глобальные изменения приземной температуры воздуха в последние десятилетия, что свидетельствует в пользу гипотезы антропогенного потепления (Tett et al. 1999; Stott et al. 2001; Broccoli et al. 2003). В то же время отмечается ряд существенных расхождений между модельными результатами и данными наблюдений (Kravtsov and Spannagle 2008; Semenov et al. 2008; Ting et al. 2009). Важной особенностью динамики климата в XX веке являлось значительное потепление в первой половине XX века, достигшее пика в 1940-х гг., с последующим похолоданием до начала 1970-х гг. Эта долгопериодная температурная аномалия прослеживается во всех широтах СП, причем амплитуда потепления середины XX века (ПСВ) увеличивается в высоких широтах СП и достигает максимального значения в

Арктике (Bengtsson et al. 2004; Johannessen et al. 2004). Модели в целом не воспроизводят потепление середины XX века в ансамблевых экспериментах по воспроизведению климата с использованием антропогенных и естественных внешних воздействий (Hegerl et al. 2007). Это может свидетельствовать о том, что потепление середины XX века было связано не только с внешним воздействием на климат, но и с естественной внутренней климатической аномалией (Delworth and Knutson 2000; Bengtsson et al. 2004). Расхождение модельных результатов с данными наблюдений может также объясняться неверными оценками факторов внешнего воздействия на климат в период ПСВ, главным образом солнечной активности. Последние исследования, однако, свидетельствуют о том, что амплитуда этого воздействия и чувствительность к нему земного климата были скорее переоценены, чем недооценены (Lean et al. 2002; Foukal et al. 2004; Foukal et al. 2006; Lockwood 2006).

Понимание механизмов формирования ПСВ и усиления его амплитуды в высоких широтах СП (так называемого «арктического усиления») является важнейшей задачей исследования динамики климата Земли и прогноза будущих климатических изменений.

Значительные квазипериодические долгопериодные (50-70 лет) колебания климата в Северной Атлантике (CA) выявлены по данным наблюдений и реконструкций (Kushnir 1994; Schlesinger and Ramankutty 1994; Delworth and Mann 2000) и как предполагается, связаны с автоколебаниями меридионального круговорота воды в CA (Delworth et al. 1993; Timmermann et al. 1998; Latif et al. 2004), сопровождающегося изменениям океанического переноса тепла в северные широты (Latif et al. 2004; Jungclaus et al. 2005). Некоторые климатические модели способны адекватно воспроизводить такие колебания (Delworth and Mann 2000; Latif et al. 2004). В последние несколько лет появились работы, указывающие на связь долгопериодной климатический изменчивости в CA с потеплением середины XX века и ее возможный вклад в современное потепление (Zhang et al. 2007; Kravtsov and Spannagle 2008; Ting et al. 2009). Такие предположения основываются на синфазности долгопериодной климатической изменчивости в CA и колебаний глобальной (или среднеполушарной) ПТВ. В последние десятилетия, начиная с 1970-х гг. долгопериодное колебание в CA переходит в положительную фазу с ростом температуры поверхности океана (ТПО) в CA, что позволяет предположить наличие значительного вклада естественной климатической изменчивости в глобальном потеплении последних десятилетий. Убедительного подтверждения такой гипотезы до сих пор не представлено. Применение статистических методов анализа к относительно непродолжительным данным наблюдений (порядка 100 лет) не позволяет однозначно разделить антропогенную и естественную климатическую изменчивость на междекадных временных масштабах (Schlesinger and Ramankutty 1994). Результаты ансамблевых экспериментов с климатическими моделями демонстрируют почти идеальное воспроизведение (при осреднении по ансамблю моделей) глобального потепления последних десятилетий при наличии антропогенных и естественных факторов внешнего воздействия на климат, что не оставляет места для вклада внутренней климатической изменчивости. Следует отметить, что осреднение по ансамблю моделей не является оптимальным методом для устранения модельных ошибок (Jun et al. 2008).

Одной из важных проблем является отсутствие достоверных оценок вклада региональных колебаний климата в CA (область Атлантического океана, в которой проявляется сильный сигнал естественных долгопериодных колебаний, составляет менее 6% от площади СП) в глобальные климатические изменения. Принципиальным недостатком исследований, посвященных данному вопросу, является ограничение области воздействия естественного долгопериодного колебания регионом Северной Атлантики, где наблюдаются наиболее значительные изменения ТПО (35°-60° с.ш.) (Zhang et al. 2007). Между тем, долгопериодное колебание также проявляется в высоких широтах СП, сопровождаясь значительными изменениями площади ледового покрова в Арктике и температуры воздуха (Bengtsson et al. 2004; Wang et al. 2007). Учет этих факторов чрезвычайно важен для оценки вклада естественных долгопериодных колебаний меридионального переноса тепла в Северной Атлантике в глобальные изменения климата.

В настоящее время задача количественной оценки вклада естественных климатических колебаний в глобальное потепление становится чрезвычайно актуальной, так как климатические модели предсказывают дальнейшее ускорение потепления с катастрофическими последствиями уже в ближайшие десятилетия (Wang and Overland 2009). Выявление и обоснование значительного вклада естественной изменчивости в современные климатические изменения позволили бы скорректировать чувствительность моделей к факторам внешнего воздействия и существенно улучшить климатические прогнозы. Согласно данным наблюдений, рост глобальной (как и осредненной по СП) температуры воздуха существенно замедлился в последнее десятилетие (Brohan et al. 2006). Сохранение такой тенденции в ближайшие годы поставит много вопросов к современному пониманию динамики климатических изменений. Ввиду выше сказанного, необходимо строгое научное исследование, каков относительный вклад естественной изменчивости и антропогенного воздействия в современные изменения климата.

Помимо важных региональных последствий, таких как таяние льда и воздействие на климат северных континентов, изменения климата в Артике могут не только являться следствием глобальных процессов, но также оказывать воздействие на глобальный климат, являясь важным звеном в формировании глобальных климатических аномалий, вызванных естественной изменчивостью в Земной климатической системе (ЗКС). Исследованию долгопериодных колебаний климата в Арктике, механизмов их формирования, влияния на глобальный климат и региональные климатические аномалии посвящена данная работа.

Цели работы

1. Установление и физическое описание механизмов долгопериодной климатической изменчивости в высоких широтах СП, в частности потепления середины XX века.

2. Количественная оценка влияния процессов взаимодействия океана и атмосферы в Северной Атлантике и Арктике на глобальные изменения климата и формирование региональных климатических аномалий, включая экстремальные погодные режимы на территории России.

Задачи исследования

1. Анализ пространственной структуры изменчивости приповерхностной температуры в высоких широтах СП, используя данные наблюдений в XX веке, с целью выявления основных факторов, влияющих на формирование долгопериодных климатических аномалий.

2. Выявление возможных механизмов формирования естественной долгопериодной климатической изменчивости в Арктике на основе анализа данных численных экспериментов с глобальными климатическими моделями.

3. Исследование гипотезы о существовании значительной отрицательной аномалии площади ледового покрова в Арктике в середине XX века во время потепления середины XX века (сравнимой с современными изменениями) с помощью численных экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы

МОЦА).

4. Моделирование механизма положительной обратной связи между океаническим притоком в Баренцево море и ледовым покровом, усиливающего долгопериодные колебания климата в Арктике и способного У приводить к резким изменениям климата высоких широтах СП.

5. Исследование влияния естественных долгопериодных колебаний климата в Северной Атлантике на климатические изменения в Арктике и их совместного вклада в формирование глобальных климатических аномалий. Количественная оценка вклада естественной изменчивости в глобальное потепление последних десятилетий на основе численных экспериментов с совместной МОЦА и моделью верхнего деятельного слоя океана.

6. Выявление механизма формирования экстремально холодных зим над континентами СП на фоне глобального потепления в годы сильных положительных аномалий приповерхностной температуры в Арктике с использованием численных экспериментов с МОЦА на чувствительность климата высоких широт к изменениям концентрации ледового покрова в арктических морях.

Методы исследования

Основным методом исследования является моделирование климатической изменчивости с помощью совместных моделей климата, включающих модели общей циркуляции океана, атмосферы и морского льда (Johannessen et al. 2004; Мелешко и др. 2004). Анализировались контрольные эксперименты (то есть эксперименты без внешних воздействий) с глобальными климатическими моделями, хорошо воспроизводящие наблюдаемые долгопериодные климатические изменения в Арктике (Bengtsson et al. 2004; Johannessen et al. 2004; Semenov and Latif 2006; Мохов и др. 2008; Semenov et al. 2008; Семенов 2008). Такие эксперименты позволяют использовать весь набор расчетных характеристик крупномасштабной океанической и атмосферной циркуляции и морского льда. 7

Автором работы был выполнен ряд оригинальных численных экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы при использовании заданных граничных условий на нижней границе атмосферы (температура поверхности океана и границы морского льда) в регионе Баренцева и Карского морей, а также ансамблевые эксперименты по моделированию климатических изменений за последние 130 лет, включая различные эксперименты на чувствительность атмосферной циркуляции к изменениям тех или иных граничных условий (Bengtsson et al. 2004; Johannessen et al. 2004; Semenov and Latif 2006; Semenov 2007; Semenov andPetoukhov 2009; Petoukhov and Semenov 2010).

Впервые были проведены эксперименты с совместной МОЦА и термодинамической моделью деятельного верхнего слоя океана с использованием аномалий океанической конвергенции тепла (ОКТ) в Северной Атлантике и Арктике (Semenov et al. 2008а; Semenov et al. 2010). При этом использовались как различные эмпирические оценки ОКТ, так и оценки, полученные по результатам экспериментов с совместными моделями общей циркуляции атмосферы, океана и морского льда. Такие эксперименты позволяют оценить влияние долгопериодных аномалий крупномасштабной океанической циркуляции, в частности в Северной Атлантике, на глобальный климат.

Для объяснения нелинейного отклика атмосферной циркуляции в зимний период на уменьшение концентрации льда в Баренцевом и Карском морях применялась модель бароклинного пограничного слоя атмосферы, позволяющая получить аналитическое решение для аномалии приземного давления вблизи локального источника тепла на нижней границе атмосферы, хорошо описывающее изменения, полученные в результате численных . экспериментов с МОЦА (Semenov and Petoukhov 2009; Petoukhov and Semenov 2010).

Для иллюстрации механизма положительной обратной связи в регионе Баренцева моря, приводящей к резким изменениям климата (Semenov et al. 2009), использовалась аналитическая модель, описывающая быстрые переходы в системе с двойной потенциальной ямой при наличии стохастического воздействия.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования пространственно-временной структуры изменчивости приповерхностной температуры воздуха в высоких широтах СП с выделением пространственной структуры, описывающей долгопериодные колебания климата в Арктике.

2. Механизм формирования долгопериодных (50-70 лет) аномалий климата в высоких широтах СП вследствие изменений океанического притока тепла (связанного с вариациями североатлантической меридиональной циркуляции) в Баренцево море, усиленных положительной обратной связью между притоком и границей ледового покрова. Этот механизм может объяснить, в частности, потепление середины XX века в Арктике.

3. Количественные оценки вклада естественных колебаний океанического переноса тепла в Северной Атлантике в глобальные изменения приповерхностной температуры воздуха, объясняющие около 50% потепления в Северном полушарии в последние три десятилетия.

4. Механизм резких климатических изменений в регионе Баренцева моря вследствие относительно слабого внешнего воздействия на климат (изменение солнечной постоянной) и обусловленных положительной обратной связью между океаническим притоком тепла и границей ледового покрова

5. Механизм нелинейного отклика атмосферной циркуляции в зимний период на монотонное уменьшение концентрации морского льда в Баренцевом и Карском морях, связанный с взаимодействием конвекции над источником тепла, приводящей к образованию циклонической аномалии циркуляции и изменению горизонтальных градиентов температуры вокруг источника тепла, приводящих (вследствие изменения термического ветра) к антициклонической аномалии циркуляции.

Краткое содержание работы

В первой главе представлены результаты исследований пространственно-временной структуры изменчивости приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) в высоких широтах Северного полушария (СП) в XX веке и ее связь с крупномасштабной атмосферной циркуляцией. Выделена характерная пространственная структура температурных аномалий, связанная с долгопериодными колебаниями климата в Арктике. Проведенный анализ показал, что эта структура может быть связана с изменениями границ ледового покрова и океанической циркуляцией. Полученные результаты также указывают на потенциальные трудности в выделении антропогенного воздействия на климатические изменения в арктическом регионе.

Вторая глава посвящена анализу экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы с целью исследования роли колебаний площади арктического ледового покрова в формировании температурных аномалий в Арктике. Представлены результаты численных экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы (МОЦА) с использованием эмпирических данных по температуре поверхности океана (ТПО) и границе морского льда (ГМЛ) в XX веке (анализ ТПО и ГМЛ Центра Гадлея, Великобритания, НаёКБТЫ) в качестве граничных условий на нижней границе атмосферы. Эксперименты показывают, что модель хорошо воспроизводит потепление последних 30 лет XX века, но не способна воспроизвести потепление середины XX века. Поскольку изменения ПТВ в Арктике в зимний период тесно связаны с аномалиями ГМЛ, предполагается, что причиной расхождения является отсутствие отрицательной аномалии ГМЛ в заданных граничных условиях в период потепления середины XX века. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что потепление середины XX века сопровождалось значительной отрицательной аномалией площади льда в Арктике, сравнимой с современными трендами, и также указывают на значительный вклад естественной изменчивости в современные климатические изменения.

Третья глава посвящена исследованию причин арктического потепления середины XX века, ПСВ. Эта потепление является ключевым для понимания механизмов естественной долгопериодной климатической изменчивости в Арктике и, как будет показано в главе 5, их роли в глобальных изменениях климата. На основе анализа данных наблюдений и численных экспериментов с климатическими моделями предложен механизм формирования ПСВ вследствие увеличения притока океанического тепла в Баренцево море. При этом подчеркивается важная роль положительной обратной связи между океаническим притоком и морским льдом, исследованной в экспериментах с ; МОЦА и обнаруженной в контрольном эксперименте с совместной моделью общей циркуляции атмосферы, океана и морского льда (МОЦАО). Отмечается, что такая положительная обратная связь способна усиливать климатические колебания в Арктике, вызванные внешними воздействиями.

В четвертой главе анализируется роль океанического притока в Баренцево море в формировании долгопериодной климатической изменчивости в Арктике. С помощью анализа эмпирических данных и данных продолжительного эксперимента с глобальной климатической моделью опровергается распространенная гипотеза об определяющем влиянии Североатлантического колебания (САК) на климатические тренды в Арктике, получившая распространение в связи с длительным (1965-1995 гг.) положительным трендом САК, пришедшимся на период потепления в Арктике. Данные модельного эксперимента свидетельствуют об определяющей роли вариаций океанического притока в Баренцево море в формировании долгопериодной изменчивости приповерхностной температуры воздуха в Арктике в зимний период. В анализировавшемся контрольном эксперименте долгопериодные колебания притока однозначно вызваны изменениями североатлантической меридиональной циркуляции (САМЦ). В этом эксперименте модель хорошо воспроизводит долгопериодные колебания климата в Арктике, что говорит в пользу определяющей роли САМЦ и в формировании наблюдаемых долгопериодных изменений климата.

В пятой главе анализируется ряд экспериментов на чувствительность глобальной климатической системы к аномальным потокам тепла из океана в атмосферы, связанных с внутренней изменчивостью. Результаты анализа показали, что внутренняя долгопериодная климатическая изменчивость в Северной Атлантике и атлантическом секторе Арктики могла внести значительный вклад (около 50%) в повышение температуры Северного полушария с 1980-х гг. Главную роль при этом играли аномальные потоки тепла в Арктике, в регионе, покрывающем лишь несколько процентов поверхности Земного шара. Предполагается, что увеличение потерь тепла из океана в атмосферу в последние десятилетия, в частности в атлантическом секторе Арктики, связаны с усилением океанического переноса тепла в северном направлении, которое, в свою очередь, вызвано усилением (переходом в положительную фазу) атлантической меридиональной циркуляции. Результаты экспериментов указывают на важную роль естественной изменчивости в Северной Атлантике не только в формировании региональных, но и глобальных колебаний климата, а также объяснят механизм такого воздействия. Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение темпов глобального потепления в последние 30 лет может быть связано не только с усилением антропогенного воздействия, но и с естественной долгопериодной флуктуацией климата. Это, в свою очередь, указывает на возможность переоценки чувствительности глобальных климатических моделей к увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере.

Исследованию влияния аномалий ледового покрова на динамику атмосферной циркуляции и формирование экстремальных погодных режимов в зимний период посвящена шестая глава. В этой главе с использованием серии экспериментов с МОЦА воспроизведена нелинейная зависимость температурных (и циркуляционных) режимов над континентами СП от ледовитости Баренцева и Карского морей, которая может приводить к резким похолоданиям над континентами в диапазоне современных изменений площади ледового покрова в Арктике, и предложен физический механизм, объясняющий такой нелинейный отклик. Важным результатом, полученным в этой главе, является возможность похолодания, а не априори ожидаемого потепления, над прилегающими к Арктике континентами в ответ на резкое потепление в самой Арктике вследствие уменьшения ледового покрова в Баренцевом и Карском морях.

В седьмой главе предлагается новый механизм быстрых климатических изменений (происходящих на масштабах десятилетий), связанный с прекращением океанического притока в Баренцево море, ответственным за приток примерно половины относительно теплой и соленой атлантической воды, поступающей в Арктику. Это явление обусловлено наличием положительной обратной связи между притоком и морским льдом, подробно рассматривавшейся в главах 3-5 и являющейся одним из ключевых элементов в формировании долгопериодной климатической изменчивости в Арктике. Прекращение притока было выявлено в численных экспериментах с глобальной климатической моделью общей циркуляции атмосферы, океана и морского льда длительностью более 4 тысячи лет при воздействии периодически (1000 лет) меняющейся солнечной постоянной (±2 Вт/м2). Полученные результаты свидетельствуют о существовании точки бифуркации в арктической климатической системе и предлагают новую точку зрения для понимания быстрых климатических изменений, прослеживающихся в палеоклиматических реконструкциях в Северной Атлантике, Северных морях и Европе.

Каждая глава диссертации имеет самостоятельное значение и сопровождается выводами. В то же время результаты различных глав взаимосвязаны и диссертация представляет собой целостную работу, посвященную исследованию механизмов формирования долгопериодной климатической изменчивости в высоких широтах Северного полушария. Анализ данных температурных наблюдений, проведенный в главе 1, и результаты модельных экспериментов с использованием эмпирических данных по температуре поверхности океана и концентрации морского льда в XX веке, представленные в главе 2, обосновывают предположение о взаимосвязанных долгопериодных колебаниях температуры и площади ледового покрова в Арктике и мотивируют анализ длительных контрольных экспериментов с совместными климатическими моделями, а также экспериментов с атмосферной МОЦ, проведенный в главе 3. Полученные результаты позволили предложить механизм формирования климатических изменений вследствие изменения океанического притока в Баренцево море, усиленного положительной обратной связью между притоком и площадью ледового покрова. Важная роль океанического притока в Баренцево море в формировании долгопериодных климатических колебаний в Арктике далее исследуется в главе 4 на примере еще одного контрольного эксперимента с совместной климатической моделью. В главе 5 показано, что учет изменений переноса тепла в высокие широты СП и связанных с ними аномальных потоков тепла с поверхности океана (возможно являющихся, как показано в предыдущих главах, основным фактором в формировании долгопериодных климатических колебаний в Арктике), значительно увеличивает оценку вклада долгопериодных колебаний климата в Северной Атлантике в глобальные изменения климата. Помимо вклада в глобальные изменения климата, изменения потоков тепла с поверхности Арктических морей могут приводить к значительным региональным эффектам, включая увеличение вероятности экстремальных погодных событий, что показано в главе 6. Предложенный и смоделированный в главе 3 механизм положительной обратной связи между океаническим притоком в Баренцево море и ледовым покровом, усиливающий климатические колебания в Арктике, может приводить, как показано в главе 7 к полному прекращению притока в Баренцево море, сопровождаемого резким и значительным изменением регионального климата.

Основные результаты работы были получены в рамках проектов, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований, программами Президиума РАН и в рамках Федеральной целевой программы «Мировой океан».

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались автором: на семинарах Отдела исследования климатических процессов и Лаборатории теории климата Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН, семинаре Физического направления Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, семинарах Отдела океанической циркуляции и динамики климата Института морских наук им. Лейбница, семинарах Метеорологического института им. Макса Планка (г. Гамбург, Германия), рабочих совещаниях в Полярном институте им. Скота (Кембридж, Великобритания), Финском институте морских исследований (г. Хельсинки, Финляндия), Центре изучения биосферы из космоса (г. Тулуза, Франция), в Институте климатических исследований (г. Потсдам, Германия), в Геофизическом институте и Исследовательском центре им. Нансена (г. Берген, Норвегия); на ежегодных ассамблеях Европейского геофизического общества (EGS/EGU, г. Ницца, Франция и г. Вена, Австрия), в том числе в качестве приглашенного докладчика, на Заключительной конференции по изучению арктической климатической системы в рамках программы ACSYS (г. Санкт-Петербург, 2003), на Открытой научной конференции, посвященной Международному полярному году (SCAR, г. Санкт-Петербург, 2008) и Научной конференции в Осло (IPY, Осло, Норвегия, 2010), на Всемирной конференции по изменению климата (г. Москва, 2003).

Публикации

По теме диссертации опубликовано более 40 работ, из них 23 в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах (Известия РАН, Физика атмосферы и океана, Доклады РАН, Метеорология и гидрология, Водные ресурсы, Geophysical Research Letters, Journal of Geophysical Research, Journal of Climate, Climate Dynamics, Tellus, Climatic Change, Global and Planetary Change).

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Семенов, Владимир Анатольевич

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Получены количественные оценки вклада естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике и Арктике в ускорившиеся изменения климата в последние десятилетия. Эти результаты получены впервые с помощью оригинальных численных экспериментов с глобальной климатической моделью и свидетельствуют о том, что около 50% современного потепления в Северном полушарии с середины 1970-х гг. может быть связано с естественной климатический изменчивость. Показано, что потери тепла с поверхности океана в высоких широтах СП являются важным фактором в формировании глобальных климатических аномалий.

2. С помощью анализа данных наблюдений выявлена характерная структура долгопериодной изменчивости температуры воздуха в высоких широтах СП, указывающая на связь этой изменчивости с вариациями ледового покрова и океанического переноса тепла в Атлантическом секторе Арктики.

3. Показано, что современный архив сеточных данных по концентрации ледового покрова, использующийся, в том числе для оценок Межправительственной группы экспертов по изменению климата, существенно недооценивает (из-за отсутствия надежных данных) долгопериодные аномалии ледового покрова (ЛП) в Арктике в середине XX века в зимний период. Проведенные эксперименты с моделью общей циркуляции указывают на наличие значительной отрицательной аномалии ЛП в это время, сравнимой с современным трендом.

4. На основе комплексного анализа данных наблюдений и результатов экспериментов с климатическими моделями показано, что долгопериодные квазипериодические колебания североатлантической меридиональной циркуляции (САМЦ) связаны с соответствующими изменениями ледового покрова и температуры в Арктике. Предложен механизм влияния САМЦ на климат Арктики посредством модуляции интенсивности океанического притока в Баренцево море, усиленной положительной обратной связью между притоком и морским льдом. Наличие такой обратной связи продемонстрировано в проведенных численных экспериментах с климатическими моделями. Этот механизм объясняет, а частности, потепление середины XX века в Арктике.

5. Предложен новый механизм формирования экстремально холодных погодных режимов над территорией континентов СП в зимний период, таких, например, как исключительно холодная зима 2005/2006 г. в Европе. Показано, что причиной таких похолоданий может служить глобальное потепление и ускорившееся таяние морского льда в Баренцевом и Карском морях. Обнаружен и, с помощью аналитической модели, объяснен эффект нелинейного отклика атмосферной циркуляции на уменьшение площади ледового покрова (и, соответственно; диабатического нагрева атмосферы), приводящий к образованию антициклонической аномалии над источником тепла.

6. С помощью долгопериодного эксперимента с глобальной, климатической моделью показана возможность полного прекращения океанического притока в Баренцево море, приводящего к резким климатическим изменениям в высоких широтах СП. Объяснен физический механизм этого явления, связанный с наличием положительной обратной связи между притоком и морским льдом. Полученные результаты свидетельствуют о существовании важного порога нестабильности в арктической климатической системе и предлагают новый подход для понимания быстрых климатических изменений, прослеживающихся в палеоклиматических реконструкциях в Северной Атлантике, Северных морях и Европе.

Научная новизна

1. Впервые на основе оригинальных численных экспериментов с глобальной климатической моделью получены количественные оценки вклада естественной долгопериодной изменчивости в Северной Атлантике и Арктике в изменения климата, ускорившиеся в последние десятилетия. Эти результаты свидетельствуют о том, что около 50% современного потепления в Северном полушарии с середины 1970-х гг. может быть связано с естественной климатической изменчивостью. Впервые показано, что потери тепла с поверхности океана в высоких широтах СП являются важным фактором в формировании глобальных климатических аномалий.

2. На основе анализа эмпирических данных и результатов экспериментов с глобальными моделями общей циркуляции атмосферы, океана и морского льда (ГМОЦАО) предложен механизм формирования долгопериодных аномалий климата в Арктике, в частности, потепления середины XX века. Показано, что такие изменения, климата могут быть связаны с вариациями океанического притока в Баренцево море и усиливаться благодаря эффекту положительной обратной связи между притоком и морским льдом. Наличие такой положительной обратной связи продемонстрировано в проведенных численных экспериментах с климатическими моделями.

3. Впервые с помощью ГМОЦАО показана возможность полного прекращения океанического притока в Баренцево море, приводящее к резким климатическим изменениям в высоких широтах СП. Обнаруженный эффект предоставляет новую концепцию для понимания резких скачков климата в прошлом. Механизм этого явления также связан с упоминавшейся ранее положительной обратной связью между океаническим притоком и льдом в Баренцевом море.

4. Предложен новый механизм формирования экстремально холодных погодных режимов над территорией континентов СП в зимний период, таких, например, как исключительно холодная зима 2005/2006 г. в Европе. Показано, что причиной таких похолоданий может быть ускорившееся таяние морского льда в Баренцевом и Карском морях. Выявлен и объяснен эффект нелинейного отклика атмосферной циркуляции в зимний период на уменьшение'площади ледового покрова (и, соответственно, нагрева пограничного слоя атмосферы), приводящий к образованию антициклонической аномалии над источником тепла.

5. Впервые показано, что в современном архиве сеточных- данных по концентрации ледового покрова в XX веке, использующемся, в том числе, для оценок Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК - 1РСС), существенно недооценивается отрицательная аномалия площади ледового покрова (ЛП) в Арктике в середине XX века в зимний период. Проведенные эксперименты с моделью общей циркуляции указывают на наличие такой аномалии ЛП в середине XX века, сравнимой с современными изменениями.

Научная и практическая значимость

1. Предложенный механизм формирования долгопериодных колебаний климата в Арктике под влиянием квазипериодических колебаний североатлантической меридиональной циркуляции (САМЦ) создает основу для улучшения климатического прогноза в арктическом регионе. Значительное влияние долгопериодного колебания меридионального круговорота воды (МКВ) в Северной Атлантике позволяет скорректировать тренды потепления под воздействием антропогенного влияния с учетом фазы МКВ.

2. Учет аномальных потоков тепла из океана в атмосферу в Арктике, наряду с потоками в Северной Атлантике, позволил существенно скорректировать оценки влияния регионального Атлантического долгопериодного колебания (связанного с САМЦ) на климат. Разработана методика оценки воздействия аномалий океанического переноса тепла в СА на глобальный климат с помощью совместной модели МОЦА и термодинамической модели верхнего слоя океана. Эта методика может в дальнейшем применяться для оценок влияния различных мод крупномасштабной океанической циркуляции на глобальный климат. С помощью проведенных численных экспериментов показано, что вклад естественных колебаний океанического переноса тепла в СА в современное потепление в Северном полушарии может составлять около 50%, что соответственно уменьшает оценку роли антропогенного воздействия на климат.

3. Полученный результат важен как для улучшения качества климатических прогнозов на ближайшие десятилетия, так и для совершенствования моделей климата, которые, согласно полученным оценкам, могут существенно переоценивать чувствительность климата к увеличению содержания парниковых газов в атмосфере (и/или недооценивать чувствительность к изменениям содержания аэрозолей в атмосфере).

4. Важным результатом проведенных численных экспериментов на чувствительность климата к концентрации морского льда (KMJI) в Баренцевом и Карском морях является возможность холодных аномалий на фоне ожидаемого потепления над прилегающими к Арктике континентами в ответ на резкое потепление в самой Арктике вследствие уменьшения ледового покрова в определенном диапазоне (от 80% до 40% KMJI). Изменения подобного масштаба ожидаются при экстраполировании климатических трендов площади Арктического ледового покрова при продолжающемся глобальном потеплении. Это позволяет предположить, что вероятность-холодных зим над обширными регионами северных континентов может увеличиться в будущем, несмотря на глобальное потепление и потепление в Арктике.

5. Предложенный механизм формирования быстрых климатических,-изменений в высоких широтах СП открывает новые перспективы для понимания динамики климата в прошлом, в частности для объяснения быстрых флуктуаций, прослеживающихся в палеоклиматических реконструкциях в Северной Атлантике и Европе.

Результаты в целом свидетельствуют о значительной роли естественной климатической изменчивости в формировании долгопериодных климатических колебаний (50-70 лет) в высоких широтах Северного полушария по амплитуде сравнимых (или даже превосходящих) модельные оценки современного антропогенного воздействия на климат в этом регионе.

Это говорит как о повышенной неопределенности климатического прогноза в Арктике, так и о сложности с выделением антропогенного сигнала.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Семенов, Владимир Анатольевич, 2010 год

1. Алексеев, Г. В. и П. Н. Священников, 1991: Естественная изменчивость характеристик климата Северной Полярной области и северного полушария. Гидрометеоиздат, 191 с.

2. Алексеев Г.В., Захаров В.Ф., Смирнов А.Н., Смирнов Н.П., 1998: Многолетние колебания ледовых условий и атмосферной циркуляции в приатлантической Арктике и Северной Атлантике. Метеорология и гидрология, № 9, 87-94.

3. Алексеев, Г. В., Ред., 2004: Формирование и динамика современного климата Арктики. Гидрометеоиздат, 265 с.

4. Алексеев, Г.В., Захаров, В.Ф., Иванов, Н.Е., Кузьмина, С.И., 2005: Зависимость между изменениями протяженности морского ледяного покрова и температурой воздуха на Северном полушарии. Материалы гляциологических исследований, 99, с. 62.

5. Алексеев, Г.В., Фролов, И.Е., Соколов, В.Т., 2007: Наблюдения в Арктическом океане не подтверждают ослабления термохалинной циркуляции в Северной Атлантике, Доклады Академии наук, 413, № 1, с. 92-95.

6. Алексеев, Г.В., Данилов, А.И., Катцов, В.М., Кузьмина, С.И., Иванов, Н.Е., 2009: Изменения площади морских льдов северного полушария в XX и XXI веках по данным наблюдений и моделирования.

7. Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана, 45, № 6, с. 723-735.

8. Арпе, К., Бенгтссон, JL, Голицын, Г.С., Мохов, И.И., Семенов, В.А., Спорышев, П.В., 1999: Анализ и моделирование изменений гидрологического режима в бассейне Каспийского моря. Доклады Академии наук, 366, № 2, с. 248.

9. Борисов, С. Б. and А. С. Монин, 1991: О климатических изменениях в Баренцевом море. Доклады академии наук, 318, с. 1331-1335.

10. Голицын, Г.С., Мохов, И.И., Демченко, П.Ф., Елисеев, А.В, Семенов, A.B., Хон, В.Ч., 2003: Моделирование климатических изменений в высоких широтах в XX-XXI веках. Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения. М.: Российская академия наук, 87-88.

11. Груза, Г.В., Ранькова, Э.Я., Клещенко, Л.К., 1999: О связи климатических аномалий на территории России с явлением Эль-Ниньо-Южное Колебание. Метеорология и климатология, № 3, 32.

12. Груза, Г.В., Ранькова, Э.Я., Аристова, Л.Н., Клещенко, Л.К., 2006: О неопределенности некоторых сценарных климатических прогнозов температуры воздуха и осадков на территории России. Метеорология и гидрология, № 10, 5-23.

13. Груза, Г.В., Ранькова, Э.Я., Рочева, Э.В., 2007: Климатические изменения температуры воздуха на территории России по данным инструментальных наблюдений. Использование и охрана природных ресурсов в России. № 3, 41.

14. Гулев, С.К., Катцов, В.М., Соломина, О.Н., 2008: Глобальное потепление продолжается. Вестник Российской Академии Наук, 78, №1, 20-27.

15. Захаров, В. Ф., 1996: Морские льды в климатической системе. Гидрометеоиздат, 213 с.

16. Зверяев, И.И., Гулев, " С.К., 2007: Сезонность и нестационарность изменчивости Европейского климата в двадцатом веке. Доклады академии наук, 416, №5, с. 1-4.

17. Катцов, В.М., Алексеев, Г.В., Павлова, Т.В., Спорышев, П.В., Бекряев, Р.В., Говоркова, В.А., 2007: Моделирование эволюции ледяного покрова мирового океана в XX и XXI веках. Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана, 43, № 2, 165-181.

18. Мохов, И.И., Семенов, В.А. 1997: Бимодальносгь внутрисезонных функций распределения вероятности приповерхностной температуры. Известия РАН Физика атмосферы и океана, 33, 758764.

19. Мохов И.И., Хон, Б.Ч., 2002: Модельные сценарии изменений стока сибирских рек в XXI веке. Доклады АН, 383, №.5, 684-687.

20. Мохов, И.И., Семенов, В.А., Хон, Б.Ч., 2003: Оценки возможных региональных изменений гидрологического режима в XXI веке на основе глобальных климатических моделей, Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, 39, № 2, 150-165.

21. Мохов И.И., Хон В.Ч., 2005: Межгодовая изменчивость и долгопериодные тенденции изменения центров действия атмосферы в Северном полушарии. Известия Академии Наук. Физика атмосферы и океана, 41, 723-732.

22. Мохов, И.И., Роекнер, Э., Семенов, В.А., Хон, В.Ч., 2005: Экстремальные режимы осадков в регионах северной Евразии в XX веке и их возможные изменения в XXI веке. Доклады РАН, 402, 818-821.

23. Мохов, И.И., Роекнер, Э., Семенов, В.А., Хон, В.Ч., 2006: Возможные региональные изменения режимов осадков в Северной Евразии в XXI веке. Водные ресурсы, 33, 702-710.

24. Мохов, И. И., В. Ч. Хон, Э. Рекнер, 2007: Изменения ледовитости Арктического бассейна в XXI веке по модельным расчетам: оценка перспектив Северного морского пути. Доклады РАН, 414, 814-818.

25. Мохов, И.И., Семенов, В.А., Хон В.Ч., Латиф М., Рекнер Э., 2008: Связь аномалий климата Евразии и Северной Атлантики с естественными вариациями Атлантической термохалинной циркуляции по долгопериодным модельным расчетам. Доклады РАН, 419, №5, 687— 690.

26. Павлова, Т.В., Катцов, В.М., Надежина, Е.Д., Спорышев, П.В., Говоркова, В.А., 2007: Расчет эволюции криосферы в XX и XXI веках с использованием глобальных климатических моделей нового поколения. Криосфера Земли, 11, №2, 3-13.

27. Семенов В. А. Структура изменчивости температуры в высоких широтах Северного полушария. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43. № 6. 744-753.

28. Семенов В. А. Влияние океанического притока в Баренцево море на изменчивость климата в Арктике. 2008. Доклады РАН. Т. 418. №1. 106-109.

29. Хон Б.Ч., Мохов И.И., 2006: Модельные оценки чувствительности центров действия атмосферы к глобальным климатическим изменениям. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, 42, 749756.

30. Хон, В.Ч., Мохов, И.И., 2008: Анализ ледовых условий в арктическом бассейне и перспективы развития северного морского пути в XXI веке. Проблемы Арктики и Антарктики, № 1 (78), 59-65.

31. Adlandsvik, В. and Н. Loeng, 1991: A Study of the Climatic System in the Barents Sea. Polar Research, 10, 45-49.

32. ACIA, 2005: Arctic climate impact assessment. Cambridge University Press, Cambridge, 1042 p.

33. Alexander, M. A., U. S. Bhatt, J. E. Walsh, M. S. Timlin, J. S. Miller, and J. D. Scott, 2004: The atmospheric response to realistic Arctic sea ice anomalies in an AGCM during winter, J. Clim., 17, 890-905.

34. Allan, R. and T. Ansell, 2006: A new globally complete monthly historical gridded mean sea level pressure dataset (HadSLP2): 1850-2004. Journal of Climate, 19,5816-5842.

35. Allen, J. R. M., A. J. Long, C. J. Ottley, D. G. Pearson, and B. Huntley, 2007: Holocene climate variability in northernmost Europe. Quaternary Science Reviews, 26, 1432-1453.

36. Andreev, A. A. and V. A. Klimanov, 2000: Quantitative Holocene climatic reconstruction from Arctic Russia. Journal of Paleolimnology, 24, 81-91.

37. Arpe, K., L. Bengtsson, G. S. Golitsyn, Mokliov, II, V. A. Semenov, and P. V. Sporyshev, 2000: Connection between Caspian Sea level variability and ENSO. Geophysical Research Letters, 27, 2693-2696.

38. Arzel, O., T. Fichefet, H. Goosse, and J. L. Dufresne, 2008: Causes and impacts of changes in the Arctic freshwater budget during the twentieth and twenty-first centuries in an AOGCM. Climate Dynamics, 30, 37-58.

39. Bacher, A., 1998: Variability on decadal scales in Pacific sea surface temperatures and atmosphere ocean interaction in the coupled general circulation model ECHAM4/OPYC3. Ph.D. thesis, Max Planck Institute for Meteorlogy, Hamburg, Germany.

40. Bader, J. and M. Latif, 2003: The impact of decadal-scale Indian Ocean sea surface temperature anomalies on Sahelian rainfall and the North Atlantic Oscillation. Geophysical Research Letters, 30, L2169, doi:10.1029/2003GL018426.

41. Bader, J. and M. Latif, 2005: North Atlantic Oscillation Response to Anomalous Indian Ocean SST in a Coupled GCM. J. Climate, 18, 53825389.

42. Baldwin, M.P, and T.J. Dunkerton, 2001: Stratospheric harbingers of anomalous weather regimes, Science, 294, 581-584.

43. Barnston, A. G. and R. E. Livezey, 1987: Classification, seasonality and persistence of low-frequency atmospheric circulation patterns. Monthly Weather Review, 115, 1083-1126.

44. Beer, J., W. Mende, and R. Stellmacher, 2000: The role of the sun in climate forcing. Quaternary Science Review, 19, 403-415.

45. Bekryaev, R.V., Polyakov, I.Y. and V.A. Alexeev, 2010: Role of polar amplification in long-term surface air temperature variations and modern arctic wanning. J. Climate, doi: 10.1175/2010JCLI3297.1.

46. Benestad, R. E. and G. A. Schmidt, 2009: Solar trends and global warming. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 114, D14101, doi:10.1029/2008JD011639.

47. Bengtsson, L., E. Roeckner, and M. Stendel, 1999: Why is the global warming proceeding much slower than expected? J. Geophys. Res., 104, 38653876.

48. Bengtsson, L., 2001: Uncertainties of global climate prediction. In: Global Biogeochemical Cycles in the Climate System. Eds. E.-D. Schulze, M. Heimann, S. Harrison, E. Holland, J. Lloyd, I. C. Prentice, D. Schimel, Academic Press, p. 15-29.

49. Bengtsson, L., V. A. Semenov, and O. M. Johannessen, 2004: The early twentieth-century warming in the Arctic A possible mechanism. Journal of Climate, 17, 4045-4057.

50. Benzi, R., A. Sutera, and A. Vulpiani, 1981: The Mechanism of Stochastic Resonance. Journal of Physics a-Mathematical and General, 14, L453-L457.

51. Bjorgo, E., O. M. Johannessen, and M. W. Miles, 1997: Analysis of merged SMMR-SSMI time-series of Arctic and Antarctic sea ice parameters 1978-1995. Geophys. Res. Lett., 24, 413-416.

52. Bond, G., W. Showers, M. Cheseby, R. Lotti, P. Almasi, P. deMenocal, P. Priore, H. Cullen, I. Hajdas, and G. Bonani, 1997: A pervasive millennial-scale cycle in North Atlantic Holocene and glacial climates. Science, 278, 1257-1266.

53. Bond, G., B. Kromer, J. Beer, R. Muscheler, M. N. Evans, W. Showers, S. Hoffmann, R. Lotti-Bond, I. Hajdas, and G. Bonani, 2001: Persistent solar influence on north Atlantic climate during the Holocene. Science, 294,2130-2136.

54. Bretherton, C. S., and D. S. Battisti, 2000: An interpretation of the results from atmospheric general circulation models forced by the time history of the observed sea surface temperature distribution, Geophys. Res. Lett., 27, 767- 770.

55. Brohan, P., J.J. Kennedy, I. Harris, S.F.B. Tett and P.D. Jones, 2006: Uncertainty estimates in regional and global observed temperature changes: a new dataset from 1850. J. Geophysical Research 111, D12106, doi: 10.1029/2005JD006548.

56. Brónnimann, S., J. Luterbacher, J. Staehelin, T. M. Svendby, G. Hansen, and T. Svenoe, 2004: Extreme climate of the global troposphere and stratosphere 1940-1942 related to El Niño, Nature, 431, 971-974.

57. Callendar, G. S., 1938: The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperatures. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 64, 223-227.t

58. Cavalieri, D. J., P. Gloersen, C. L. Parkinson, J. C. Comiso, and H. J. Zwally, 1997: Observed hemispheric asymmetry in global sea ice changes. Science, 278, 1104-1106.

59. Chapman, W. L., and J. E. Walsh, 1993: Recent variations of sea ice and air temperature in high latitudes. Bull. Amer. Meteorol. Soc., 74, 33-47.

60. Charney, J. G., and A. Eliassen, 1949: A numerical method for predicting the perturbation of the middle latitude westerlies, Tellus, 1, 38-54.

61. Chylek, P., C. K. Folland, G. Lesins, M. K. Dubey, and M. Y. Wang, 2009: Arctic air temperature change amplification and the Atlantic Multidecadal Oscillation. Geophysical Research Letters, 36, L14801, doi:10.1029/2009GL038777.

62. Cohen, J., M. Barlow, P. J. Kushner, and K. Saito, 2007: Stratosphere-troposphere coupling and links with Eurasian land surface variability, J. Climate, 20, 5335-5343.

63. Comiso, J. C., C. L. Parkinson, R. Gersten, and L. Stock, 2008: Accelerated decline in the Arctic sea ice cover, Geophys. Res. Lett., 35, L01703, doi: 10.1029/2007GL031972.

64. Compo, G. P. and P. D. Sardeshmukh, 2009: Oceanic influences on recent continental warming. Climate Dynamics, 32, 333-342.

65. Craddock, J. M. and C. R. Flood, 1969: Eigenvectors for representing 500 mb geopotential surface over the Northern Hemisphere. Quart. J. R. Met. Soc. , 94, 576-593.

66. Christoph, M., U. Ulbrich, J. M. Oberhuber, and E. Roeckner, 2000: The role of ocean dynamics for low-frequency fluctuations of the NAO in a coupled ocean-atmosphere GCM. Journal of Climate, 13, 2536-2549.

67. Croci-Maspoli, M., and H. C. Davies, 2009: Key dynamical features of the 2005/06 European winter, Mon. Weath. Rev., 137, 664-678.

68. Crowley, T. J., 2000: Causes of climate change over the past 1000 years. Science, 289, 270-277.

69. Cubasch, U., R. Voss, G. C. Hegerl, J. Waszkewitz, and T. J. Crowley, 1997: Simulation of the influence of solar radiation variations on the global climate with an ocean-atmosphere general circulation model. Climate Dyn., 13, 757-767.

70. Cubasch, U., and R. Voss, 2000: The influence of total solar irradiance on climate. Space Science Rev., 94, 185-198.

71. Curry, R. D., and M. S. McCartney, 2001: Ocean gyre circulation changes associated with the North Atlantic Oscillation. J. Phys. Oceanogr., 31, 3374-3400.

72. Czaja, A. and C. Frankignoul, 1999: Influence of the North Atlantic SST on the atmospheric circulation. Geophysical Research Letters, 26, 2969-2972.

73. Dai, A., I. Y. Fung, and A. D. DelGenio, 1997: Surface observed global land precipitation variations during 1900-88. Journal of Climate, 10, 29432962.

74. Delworth, T., et al, 1993: Interdecadal Variations of the Thermohaline Circulation in a Coupled Ocean-Atmosphere Model, Journal of Climate, 6(11), 1993-2011.

75. Delworth, T. L. and T. R. Knutson, 2000: Simulation of early 20th century global warming. Science, 287, 2246-2250.

76. Delworth, T. L. and M. E. Mann, 2000: Observed and simulated multidecadal variability in the Northern Hemisphere. Climate Dynamics, 16, 661-676.

77. Deser, C., J. E. Walsh, and M. S. Timlin, 2000: Arctic sea ice variability in the context of recent atmospheric circulation trends. Journal of Climate, 13, 617-633.

78. Deser, C., and H. Teng, 2007: Evolution of Arctic sea ice concentration trends and the role of atmospheric circulation forcing, 1979-2007, Geophys. Res. Lett., 35, doi: 10.1029/2007GL032023.

79. Deser, C., G. Magnusdottir, R. Saravanan, and A. Phillips, 2004: The effects of North Atlantic SST and sea ice anomalies on the winter circulation in CCM3. Part II: Direct and indirect components of the response, J. Clim., 17, 877-889.

80. Diaz, H., and V. Markgraf (Eds), 2000: El Niño and the Southern Oscillation: Multiscale Variability and Global and Regional Impacts, Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK. í "

81. Dickson, R. R., T. J. Osborn, J. W. Hurrell, J. Meincke, J. Blindheim, B. Adlandsvik, T. Vinje, G. Alekseev, and W. Maslowski, 2000: The Arctic Ocean response to the North Atlantic oscillation. Journal of Climate, 13, 2671-2696.

82. Dommenget, D., 2009: The Ocean's Role in Continental Climate Variability and Change. Journal of Climate, 22, 4939-4952.

83. Duplessy, J. C., E. Ivanova, I. Murdmaa, M. Paterne, and L. Labeyrie, 2001: Holocene paleoceanography of the northern Barents Sea and variations of the northward heat transport by the Atlantic Ocean. Boreas, 30, 2-16.

84. Duplessy, J. C., E. Cortijo, E. Ivanova, T. Khusid, L. Labeyrie, M. Levitan, I. Murdmaa, and M. Paterne, 2005: Paleoceanography of the Barents Sea during the Holocene. Paleoceanography, 20, PA4004, doi: 10.1029/2004PA001116.

85. Eisenman, I., N. Untersteiner, and J. S. Wettlaufer, 2007: On the reliability of simulated Arctic sea ice in global climate models. Geophysical Research Letters, 34, L10501, doi:10.1029/2007GL029914.

86. Fauria, M. M., A. Grinsted, S. Helama, J. Moore, M. Timonen, T. Martma, E. Isaksson, and M. Eronen, 2010: Unprecedented low twentieth century winter sea ice extent in the Western Nordic Seas since AD 1200. Climate Dynamics, 34, 781-795.

87. Feldstein, S. B., 2002: The recent trend and variance increase of the annular mode, J. Clim., 15, 88-94.

88. Folland, C. K., D. M. H. Sexton, D. J. Karoly, C. E. Johnson, D. P. Rowell, and D. E. Parker, 1998: Influences of anthropogenic and oceanic forcing on recent climate change. Geophysical Research Letters, 25, 353-356.

89. Foukal, P., G. North, and T. Wigley, 2004: A stellar view on solar variations and climate. Science, 306, 68-69.

90. Foukal, P., C. Frohlich, H. Spruit, and T. M. L. Wigley, 2006: Variations in solar luminosity and their effect on the Earth's climate. Nature, 443, 161166.

91. Fraedrich, K. and K. Miiller, 1992: Climate anomalies in Europe associated with ENSO extremes, Int. J. Climatol., 12, 25-31.

92. Friis-Christensen, E., and K. Lassen, 1991: Length of the solar cycle an indicator of solar activity closely associated with climate. Science, 254, 698-700.

93. Fröhlich, C., and J. Lean, 1998: The Sun's total irradiance: Cycles, trends and related climate change uncertainties since 1976. Geophys. Res. Lett., 25, 4377-4380.

94. Furevik, T., 2001: Annual and interannual variability of Atlantic Water temperatures in the Norwegian and Barents Seas: 1980-1996. Deep-Sea Research I, 48, 383-404.

95. Gillett, N. P., M. R. Allen, and K. D. Williams, 2002: The role of stratospheric resolution in simulating the Arctic Oscillation response to greenhouse gases. Geophysical Research Letters, 29.

96. Glaser, R. and D. Riemann, 2009: A thousand-year record of temperature variations for Germany and Central Europe based on documentary data. Journal of Quaternary Science, 24, 437-449.

97. Goosse, H., H. Renssen, F. M. Selten, R. J. Haarsma, and J. D. Opsteegh, 2002: Potential causes of abrupt climate events: A numerical study with a three-dimensional climate model. Geophysical Research Letters, 29, Doi 10.1029/2002gl014993.

98. Goosse, H., F. M. Selten, R. J. Haarsma, and J. D. Opsteegh, 2002: A mechanism of decadal variability of the sea-ice volume in the Northern Hemisphere. Clym. Dyn., 19, 61-83.

99. Goosse, H., F. M. Selten, R. J. Haarsma, and J. D. Opsteegh, 2003: Large sea-ice volume anomalies simulated in a coupled climate model. Clym. Dyn., 20, 523-536.

100. Goosse, H. and M. M. Holland, 2005: Mechanisms of decadal arctic climate variability in the community climate system model, version 2 (CCSM2). Journal of Climate, 18, 3552-3570.

101. Gregory, J. M., et al., 2005: A model intercomparison of changes in the Atlantic thermohaline circulation in response to increasing atmospheric C02 concentration, Geophys. Res. Lett., 32, LI 2703, doi:10.1029/2005GL023209.

102. Guemas, V. and D. Salas-Melia, 2008: Simulation of the Atlantic meridional overturning circulation in an atmosphere-ocean global coupled model. Part II: weakening in a climate change experiment: a feedback mechanism. Climate Dynamics, 30, 831-844.

103. Gulev, S. K., T. Jung, and E. Ruprecht, 2002: Climatology and interannual variability in the intensity of synoptic-scale processes in the North Atlantic from the NCEP-NCAR reanalysis data. Journal of Climate, 15, 809-828.

104. Hall, A. and R. J. Stouffer, 2001: An abrupt climate event in a coupled ocean-atmosphere simulation without external forcing. Nature, 409, 171-174.

105. Hansen, J. et al., 1983: Efficient three-dimensional global models for climate studies: Models I and II, Mon. Weath. Rev., 111, 609-662.

106. Hansen, J., M. Sato, and R. Ruedy, 1997: Radiative forcing and climate response. J. Geophys. Res., 102, 6831-6864.

107. Hansen, J., R. Ruedy, J. Glascoe, and M. Sato, 1999: GISS analysis of surface temperature change. J. Geophys. Res., 104, D24, 30997-31022.

108. Hansen, J., M. Sato, R. Ruedy, K. Lo, D. W. Lea, and M. Medina-Elizade, 2006: Global temperature change. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 103, 14288-14293.

109. Hasselmann, K., 1997: Multi-pattern fingerprint method for detection and attribution of climate change. Climate Dyn., 13, 601-611.

110. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

111. Herman, G. F., and W. T. Johnson, 1978: The sensitivity of the general circulation to Arctic sea ice boundaries: A numerical experiment, Mon. Weath. Rev., 106, 1649-1663.

112. Honda, M., J. Inoue, and S. Yamane, 2009: Influence of low Arctic sea-ice minima on wintertime Eurasian coldness, Geophys. Res. Lett. 36, doi: 10.1029/2008GL037079.

113. Hoerling, M. P., J. W. Hurrell, and T. Y. Xu, 2001: Tropical origins for recent North Atlantic climate change. Science, 292, 90-92.

114. Hoerling, M. P., J. W. Hurrell, T. Xu, G. T. Bates, and A. S. Phillips, 2004: Twentieth century North Atlantic climate change. Part II: Understanding the effect of Indian Ocean warming, Clim. Dyn., 23, 391- 405.

115. Hoerling, M., A. Kumar, J. Eischeid, and B. Jha, 2008: What is causing the variability in global mean land temperature? Geophysical Research Letters, 35, L23712, doi:10.1029/2008gl035984.

116. Holland, M. M. and C. M. Bitz, 2003: Polar amplification of climate change in coupled models. Climate Dynamics, 21, 221-232.

117. Hoyt, D. V., and K. H. Schatten, 1993: A discussion of plausible solar irradiance variations, 1700-1992. J. Geophys. Res., 98, 18895-18906.

118. Hu, F. S., D. Kaufman, S. Yoneji, D. Nelson, A. Shemesh, Y. Huang, J. Tian, G. Bond, B. Clegg, and T. Brown, 2003: Cyclic variation and solarforcing of Holocene climate in the Alaskan subarctic. Science, 301, 18901893.

119. Hurrell, J. W., 1995: Decadal trends in the North Atlantic Oscillation. Regional temperature and precipitation. Science, 269, 676-679.

120. Hurrell, J. W., 1996: Influence of variations in extratropical wintertime teleconnections on Northern Hemisphere temperature. Geophys. Res. Lett., 23, 665-668.

121. Johannessen, O. M., E. V. Shalina, and M. W. Miles, 1999: Satellite evidence for an Arctic sea ice cover in transformation. Science, 286, 1937-1939.

122. Johannessen, O. M., 2009: Decreasing Arctic sea ice mirrors increasing C02 on decadal time scale. Atmospheric and Oceanic Science Letters, 1, 51-56.

123. Johnson, M. A., A. Y. Proshutinsky, and I. V. Polyakov, 1999: Atmospheric patterns forcing two regimes of arctic circulation: A return to anticyclonic conditions? Geophys. Res. Lett., 26, 1621-1624.

124. Jones, P. D., M. New, D. E. Parker, S. Martin, and I. G. Rigor, 1999: Surface air temperature and its changes over the past 150 years. Reviews Geophys., 37, 173-199.

125. Jones, P. D. and A. Moberg, 2003: Hemispheric and large-scale surface air temperature variations: An extensive revision and an update to 2001. Journal of Climate, 16, 206-223.

126. Joos, F., and M. Bruno, 1998: Long-term variability of the terrestrial and oceanic carbon sinks and the budgets of the carbon isotopes 13C and 14C. Glob. Biogeochem. Cycles, 12, 277-295.

127. Jun, M., R. Knutti, and D. W. Nychka, 2008: Spatial Analysis to Quantify Numerical Model Bias and Dependence: How Many Climate Models Are There? Journal of the American Statistical Association, 103, 934-947.

128. Jung, T., M. Hilmer, E. Ruprecht, S. Kleppek, S. K. Gulev, and O. Zolina, 2003: Characteristics of the recent eastward shift of interannual NAO variability. Journal of Climate, 16, 3371-3382.

129. Jungclaus, J. H., H. Haak, M. Latif, and U. Mikolajewicz, 2005: Arctic-North Atlantic interactions and multidecadal variability of the meridional overturning circulation. Journal of Climate, 18, 4013-4031.

130. Kahl, J. D., D. J. Charlevoix, N. A. Zaitseva, R. C. Schnell, and M. C. Serreze, 1993: Absence of evidence for greenhouse wanning over the Arctic Ocean in the past 40 years. Nature, 361, 335-337.

131. Kalnay, E„ et al., 1996: The NCEP/NCAR 40-ear reanalysis project, Bull. Am. Meteorol. Soc., 77, 437-470.

132. Keenlyside, N., and Coauthors, 2008: Advancing decadal-scale climate prediction in the North Atlantic sector. Nature, 453, 84-88.

133. Kelly, P. M., P. D. Jones, C. B. Sear, B. S. G. Cherry, and R. K. Tavakol, 1982: Variations in surface air temperatures: Part 2. Arctic regions, 1881-1980. Mon. Wea. Rev., 110, 71-83.

134. Kerr, R. A. (2000), A North Atlantic climate pacemaker for the centuries, Science, 288, 1984-1985.

135. Khon, V.C., Mokhov, I.I., Latif, M., Semenov, V.A., Park, W., 2009: Perspectives of Northern Sea Route and Northwest Passage in the twenty-first century. Climatic Change, Doi: 10.1007/sl0584-009-9683-2.

136. Khon, V. C., Mokhov, II, E. Roeckner, and V. A. Semenov, 2007: Regional changes of precipitation characteristics in Northern Eurasia from simulations with global climate model. Global and Planetary Change, 57, 118-123.

137. Knight, J. R, R. J. Allan, C. K. Folland, M. Vellinga, and M. E. Mann, 2005: A signature of persistent natural thermohaline circulation cycles in observed climate. Geophys.Res. Lett., 32, L20708, doi:10.1029/2005GL024233.

138. Koenigk, T., U. Mikolajewicz, J. H. Jungclaus, and A. Kroll, 2009: Sea ice in the Barents Sea: seasonal to interannual variability and climate feedbacks in a global coupled model. Climate Dynamics, 32, 1119-1138.

139. Kravtsov, S., and C. Spannagle, 2008: Multidecadal climate variability in Oobserved and modeled surface temperatures. J. Climate, 21,1104-1121.

140. Kushnir, Y., 1994: Interdecadal variations in North Atlantic sea surface temperature and associated atmospheric conditions. J. Clim. 7, 141-157.

141. Kuzmina, S. I., L. Bengtsson, O. M. Johannessen, H. Drange, L. P. Bobylev, and M. W. Miles, 2005: The North Atlantic Oscillation and greenhousegas forcing. Geophysical Research Letters, 32, L04703, doi: 10.1029/2004gl021064.

142. Magnusdottir, G., C. Deser, and R. Saravanan, 2004: The effects of North Atlantic SST and sea ice anomalies on the winter circulation in CCM3. Part I: Main features and storm track characteristics of the response, J. Clim., 17, 857-876.

143. Mahoney, A. R., R. G. Barry, V. Smolyanitsky, and F. Fetterer, 2008: Observed sea ice extent in the Russian Arctic, 1933-2006. Journal of Geophysical Research-Oceans, 113, CI 1005, doi:10.1029/2008jc004830.

144. Manabe, S. and R. J. Stouffer, 1995: Simulation of Abrupt Climate-Change Induced by Fresh-Water Input to the North-Atlantic Ocean. Nature, 378, 165-167.

145. Manabe, S., and R. J. Stouffer, 1999: The role of thermohaline circulation in climate, Tellus Series a-Dynamic Meteorology and Oceanography, 51(1), 91-109.

146. Mangini, A., Spotl C., and Verdes P., 2005: Reconstruction of temperature in the Central Alps during the past 2000 yr from a dl80 stalagmite record. Earth and Planetary Science Letters., 235, 741-751, doi:10.1016/j.epsl.2005.05.010.

147. Mann, M. E., and J. Park, 1994: Global-scale modes of surface temperature variability on interannual to century timescales. J. Geophys. Res., 99, 25 819-25 833.

148. Marsland, S. J., H. Haak, J. H. Jungclaus, M. Latif, and F. Roske, 2003: The Max-Planck-Institute global ocean/sea ice model with orthogonal curvilinear coordinates. Ocean Modelling, 5, 91-127.

149. Martin, S., E. A. Munoz, and R. Drucker, 1997: Recent observations of a spring-summer surface warming over the Arctic Ocean. Geophys. Res. Lett., 24, 1259-1262.

150. Martin, T., and E. Ruprecht, 2007: Decadal variation of the North Atlantic meridional heat transport and its relation to atmospheric processes. Geophys. Res. Lett., 34, L04703, doi:10.1029/2006GL028438.

151. Mehta, V. M., M. J. Suarez, J. V. Manganello, and T. L. Delworth, 2000: Oceanic influence on the North Atlantic Oscillation and associated Northern Hemisphere climate variations: 1959-1993. Geophysical Research Letters, 27, 121-124.

152. Merkel, U. and M. Latif, 2002: A high resolution AGCM study of the El Nino impact on the North Atlantic/European sector, Geophys. Res. Lett., 29, doi: 10.1029/2001GL013726.

153. Miller, R.L., G.A. Smith, and D.T. Shindell 2006. Forced annular variations in the 20th century Intergovernmental Panel on Climate Change fourth Assessment Report models, J. Geophys. Res. Ill, doi: 10.1029/2005JD006323.

154. Moller, J., D. Dommenget, and V. A. Semenov, 2008: The annual peak in the SST anomaly spectrum. Journal of Climate, 21, 2810-2823.

155. Moritz, R. E., C. M. Bitz, and E. J. Steig, 2002: Dynamics of recent climate change in the Arctic. Science, 297, 1497-1502.

156. Murray, R. J., and I. Simmonds, 1995: Responses of climate and cyclones to reductions in Arctic winter sea ice, J. Geophys. Res., 100, 4791-4806.

157. Mysak, L. A, D. K. Manak, and R. F. Marsden, 1990: Sea-ice anomalies observed in the Greenland and Labrador Seas during 1901-1984 and their relation to an interdecadal Arctic climate cycle. Clim. Dyn., 5, 111-133.

158. Mysak, L. A., and S. A. Venegas, 1998: Decadal climate oscillations in the Arctic: A new feedback loop for atmosphere-ice-ocean interactions. Geophys. Res. Lett., 25, 3607-3610.

159. Mysak, L.A., 2001: Patterns of Arctic circulation. Science, 293, 1269-1270.

160. Nicolis, C., 1982: Stochastic Aspects of Climatic Transitions Response to a Periodic Forcing. Tellus, 34, 1-9.

161. Osborn, T. J., K. R. Briffa, S. F. B. Tett, P. D. Jones, and R. M. Trigo, 1999: Evaluation of the North Atlantic Oscillation as simulated by a coupled climate model. Climate Dynamics, 15, 685-702.

162. Overland, J. E., M. C. Spillane, D. B. Percival, M. Y. Wang, and H. O. Mo^eld, 2004: Seasonal and regional variation of pan-Arctic surface air temperature over the instrumental record. Journal of Climate, 17, 32633282.

163. Overland, J. E. and M. Y. Wang, 2010: Large-scale atmospheric circulation changes are associated with the recent loss of Arctic sea ice. Tellus Series A-Dynamic Meteorology and Oceanography, 62, 1-9.

164. Overpeck, J., K . Hughen, D. Hardy, R. Bradley, R. Case, M. Douglas, B. Finney, K. Gajewski, G. Jacoby, A. Jennings, S. Lamoureux, A. Lasca, G. MacDonald, J. Moore, M. Retelle, S. Smith, A. Wolfe, and G. Zielinski, Science, 278, 1251-1256.

165. Park, W., and M. Latif, 2005: Ocean dynamics and the nature of air-sea interactions over the North Atlantic at decadal timescales. J. Climate, 18, 982-995.

166. Park, W., N. Keenlyside, M. Latif, A. Stroh, R. Redler, E. Roeckner, and G. Madec, 2009: Tropical Pacific Climate and Its Response to Global Warming in the Kiel Climate Model. Journal of Climate, 22, 71-92.

167. Peng, S., W. A. Robinson, and M. P. Hoerling, 1997: The modeled atmospheric response to midlatitude SST anomalies and its dependence on background circulation states, J. Climate, 10, 971-987.

168. Petoukhov, V.K. and V.A. Semenov, 2010: A link between reduced Barents-Kara sea ice and cold winter extremes over northern continents // J. Geoph. Res. 2010. Doi:10.1029/2009JD013568.

169. Philipona, R., B. Durr, A. Ohmura, and C. Ruckstuhl, 2005: Anthropogenic greenhouse forcing and strong water vapor feedback increase temperature in Europe, Geophys. Res. Lett., 32, L19809, doi:10.1029/2005GL023624.

170. Polyakov, I. V., and M. A. Johnson, 2000: Arctic decadal and interdecadal variability. Geophys. Res. Lett., 27, 4097-4100.

171. Polyakov, I. V., G. V. Alekseev, R. V. Bekryaev, U. S. Bhatt, R. Colony, M. A. Johnson, V. P. Karklin, D. Walsh, and A. V. Yulin, 2003a: Long-term ice variability in Arctic marginal seas, J. Climate, 16, 2078-2085.

172. Polyakov, I. V., R. V. Bekryaev, G. V. Alekseev, U. S. Bhatt, R. L. Colony, M. A. Johnson, A. P. Maskshtas, and D. Walsh, 2003b: Variability and trends of air temperature and pressure in the maritime Arctic, 1875-2000, J. Climate, 16, 2067-2077.

173. Polyakov, I.V., and Coauthors, 2004: Variability of the intermediate Atlan Atlantic water of the Arctic Ocean over the last 100 years. J. Climate, 17, 4485-4497.

174. Polyakov, I. V., V. A. Alexeev, U. S. Bhatt, E. I. Polyakova, and X. D. Zhang, 2010: North Atlantic warming: patterns of long-term trend and multidecadal variability. Climate Dynamics, 34, 439-457.

175. Przybylak, R., 2000: Temporal and spatial variation of surface air temperature over the period of instrumental observations in the Arctic. International Journal of Climatology, 20, 587-614.

176. Raisanen J., 2002: C02-induced changes in interannual temperature and precipitation variability in 19 CMIP2 experiments. J. Climate, 15, 23952411.

177. Rahmstorf, S., 1994: Rapid Climate Transitions in a Coupled Ocean-Atmosphere Model. Nature, 372, 82-85.

178. Rayner, N. A., E. B. Hearten, D. E. Parker, C. K. Folland, and R. B. Hacked, 1996: Version 2.2 of the global sea-ice and sea surface temperature data set, 1903-1994. Clim. Res. Tech. Note CRTN74, Bracknell, UK, 1996.

179. Reid, G. C., 1991: Solar total irradiance variations and the global sea-surface temperature record. J. Geophys. Res., 96, 2835-2844.

180. Renssen, H., H. Goosse, and T. Fichefet, 2007: Simulation of Holocene cooling events in a coupled climate model. Quaternary Science Reviews, 26, 2019-2029.

181. Robock, A., 2000: Volcanic eruptions and climate. Reviews Geophys., 38, 191219.

182. Rodwell, M. J., D. P. Rowell, and Folland, C. K., 1999: Oceanic forcing of the wintertime North Atlantic Oscillation and European climate, Nature, 398, 320- 323.

183. Roeckner, E., L. Bengtsson, J. Feichter, J. Lelieveld, and H. Rodhe, 1999: Transient climate change simulations with a coupled atmosphere-ocean GCM including the tropospheric sulfur cycle. J. Climate, 12, 3004-3032.

184. Rigor, I. G., R. L. Colony, and S. Martin, 2000: Variations in surface air temperature observations in the Arctic, 1979-97. Journal of Climate, 13, 896-914.

185. Ropelewski, C. F. and P. D. Jones, 1987: An extension of the Tahiti-Darwin southern oscillation index. Monthly Weather Review, 115, 2161-2165.

186. Scaife, A.A., and Knight, J.R., 2008: Ensemble simulations of the cold European winter of 2005-2006, Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., doi: 10.1002/qj.312.

187. Schlesinger, M. E., and N. Ramankutty, 1994: An oscillation in the global climate system of period 65-70 years. Nature, 367, 723-726.

188. Schmittner, A., et al. (Eds.), 2007: Ocean Circulation: Mechanisms, and Impacts, 392 pp.

189. Schneider, B., M. Latif, and A. Schmittner, 2007: Evaluation of different methods to assess model projections of the future evolution of the Atlantic meridional overturning circulation. Journal of Climate, 20, 21212132.

190. Schneider, E. K., L. Bengtsson, and Z.-Z. Hu, 2003: Forcing of Northern Hemisphere climate trends, J. Atmos. Sci., 60,1504-1521.

191. Screen, J. A. and I. Simmonds, 2010: The central role of diminishing sea ice in recent Arctic temperature amplification. Nature, 464, 1334-1337.

192. Seierstad, I.A., and J. Bader, 2009: Impact of a projected future Arctic Sea Ice reduction on extratropical storminess and the NAO, Clim. Dyn., on-line, DOI 10.1007/s00382-008-0463-x.

193. Semenov, V. A. and L. Bengtsson, 2002: Secular trends in daily precipitation characteristics: greenhouse gas simulation with a coupled AOGCM. Climate Dynamics, 19, 123-140.

194. Semenov, V. A. and L. Bengtsson, 2003: Modes of the wintertime Arctic temperature variability. Geophysical Research Letters, 30, LI781, doi:10.1029/2003GL017112.

195. Semenov V.A., 2004: Arctic climate variability: A role of the Barents Sea inflow. EGU General Assembly, Nice, France, 25-30 April. 2004. Geoph. Res. Abstacts, V. 6.

196. Semenov, V.A., Latif, M., 2006: Impact of tropical Pacific variability on the mean North Atlantic thermohaline circulation. Geoph. Res. Lett., 33, LI6708, doi: 10.1029/2006GL026237.

197. Semenov, V.A., 2007: Simulation of the Arctic temperature variability in the 20th century with a set of atmospheric GCM experiments. Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling. H. Cote (ed.), WMO/TD-No. 1397, Rep. No. 37, 7.19-7.20.

198. Semenov, V. A., M. Latif, J. H. Jungclaus, and W. Park, 2008: Is the observed NAO variability during the instrumental record unusual? Geophysical Research Letters, 35, L11701, doi:10.1029/2008gl033273.

199. Semenov, V.A., Dommenget, D., Stroeh, A. Can Arctic warm the Earth? 2008a: EGU General Assembly, Vienna, Austria, 13-18 April. 2008. Geoph. Res. Abstacts. V. 10. EGU2008-A-05084.

200. Semenov, V.A., Petoukhov, V., 2009: A link between reduced Arctic sea ice and cold winter extremes over northern continents. EGU General Assembly, Vienna, Austria, 19-24 April, Geoph. Res. Abstracts, V.ll, EGU2009-4531.

201. Semenov, V.A., Park, W., Latif, M. Barents Sea inflow shutdown: A new mechanism for rapid climate changes // Geoph. Res. Lett. 2009. V. 36, L14709. Doi: 10.1029/ 2009GL038911. • r

202. Semenov, V.A., Latif, M., Dommenget, D., Keenlyside, N.S., Strehz, A., Martin, T., Park, W. The impact of North Atlantic-Arctic multidecadal variability on Northern Hemisphere surface air temperature // J. Climate. 2010. Doi: 10.1175/2010JCLI3347.1.

203. Serreze, M. C. and J. A. Francis, 2006: The arctic amplification debate. Climatic Change, 76, 241-264.

204. Serreze, M. C., M. M. Holland, and J. Stroeve, 2007: Perspectives on the Arctic's shrinking sea ice cover, Science, 315, 1533- 1536, doi: 10.1126/science. 1139426.

205. Serreze, M.C., Barrett, A.P., Stroeve, J.C., Kindig, D.N., and M.M. Holland, 2010: The emergence of surface-based Arctic amplification. The Cryosphere, 3, 11-19.

206. Sexton, D. M. H., D. P. Rowell, C. K. Folland, and D. J. Karoly, 2001: Detection of anthropogenic climate change using an atmospheric GCM. Climate Dynamics, 17, 669-685.

207. Sexton, D. M. H., H. Grubb, K. P. Shine, and C. K. Folland, 2003: Design and analysis of climate model experiments for the efficient estimation of anthropogenic signals. Journal of Climate, 16, 1320-1336.

208. Shapiro, I., R. Colony, and T. Vinje, 2003: April sea ice extent in the Barents Sea, 1850-2001. Polar Research, 22, 5-10.

209. Shindell, D. T., R. L. Miller, G. A. Schmidt, and L. Pandolfo, 1999: Simulation of recent northern winter climate trends by greenhouse-gas forcing. Nature, 399, 452-455.

210. Shindell, D. T., G. A. Schmidt, R. L. Miller, and D. Rind, 2001: Northern Hemisphere winter climate response to greenhouse gas, ozone, solar, and volcanic forcing. J. Geophys. Res., 106, 7193-7210.

211. Simonsen, K., and P. M. Haugan, 1996: Heat budgets of the Arctic Mediterranean and sea surface heat flux parameterizations for the Nordic Seas. J. Geophys. Res., 101, 6553-6576.

212. Singarayer, J. S., J. L. Bamber, and P. J. Valdes, 2006: Twenty-first century climate impacts from a declining Arctic sea ice cover, J. Clim., 19, 11091125.

213. Skeie, P., 2000: Meridional flow variability over Nordic seas in the Arctic Oscillation framework. Geophys. Res. Lett., 27, 2569-2572.

214. Sorteberg, A. and B. Kvingedal, 2006: Atmospheric forcing on the Barents sea winter ice extent, J. Clim., 19, 4772-4784.

215. Stott, P. A., S. F. B. Tett, G. S. Jones, M. R. Allen, J. F. B. Mitchell, and G. J. Jenkins, 2001: External control of 20th century temperature by natural and anthropogenic forcings. Science, 290, 2133-2137.

216. Stroeve, J. C., M. C. Serreze, F. Fetterer, T. Arbetter, W. Meier, J. Maslanik, and K. Knowles, 2005: Tracking the Arctic's shrinking ice cover: Another extreme September minimum in 2004. Geophys. Res. Lett., 32, L04501, doi: 10.1029/2004GL021810.

217. Stroeve, J., M. M. Holland, W. Meier, T. Scambos, and M. Serreze, 2007: Arctic sea ice decline: Faster than forecast. Geophysical Research Letters, 34, L09501, Doi 10.1029/2007gl029703.

218. Sutton, R. T., and D. L. Hodson, 2007: Climate Response to Basin-Scale Warming and Cooling of the North Atlantic Ocean, J. Clim., 20, 891-907.

219. Svensmark, H. and E. FriisChristensen, 1997: Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage A missing link in solar-climate relationships. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 59, 1225-1232.

220. Svensmark, H., 1998: Influence of cosmic rays on Earth's climate. Physical Review Letters, 81, 5027-5030.

221. Sun, B. M. and R. S. Bradley, 2002: Solar influences on cosmic rays and cloud formation: A reassessment. Journal of Geophysical Research. Atmospheres, 107, D14, 10.1029/2001JD000560.

222. Swalluw, van der, E., Drijfhout, S. S., and W. Hazeleger, 2007: Bjerknes compensation at high northern latitudes: the ocean forcing the atmosphere. J. Climate, 20, 6023-6032.

223. Takaya, K, and H. Nakamura, 2005: Mechanisms of Intraseasonal Amplification of the Cold Siberian High, J. Atm. Sci., 62, 4423-4440.

224. Takaya, K, and H. Nakamura, 2008: Precursory changes in planetary wave activity for midwinter surface pressure anomalies over the Arctic, J. Met. Soc. Japan, 86, 415-427.

225. Tett, S. F. B., P. A. Stott, M. R. Allen, W. J. Ingram, and J. F. B. Mitchell, 1999: Causes of twentieth-century temperature change near the Earth's surface. Nature, 399, 569-572.

226. Thompson, D. W., and J. M. Wallace, 1998: The arctic oscillation signature in the wintertime geopotential height and temperature fields, Geophys. Res. Lett., 25, 1297-1300.

227. Thompson, D. W. J. and J. M. Wallace, 2000: Annular modes in the extratropical circulation. Part I: Month-to-month variability. Journal of Climate, 13, 1000-1016.

228. Timmermann, A., M. Latif, R. Voss, and A. Groetzner, 1998: Northern Hemisphere interdecadal variability: A coupled air-sea mode. J. Climate, 11, 1906-1931.

229. Timmermann, A., J. Oberhuber, A. Bacher, M. Esch, M. Latif, and E. Roeckner, 1999: Increased El Nino frequency in a climate model forced by future greenhouse warming. Nature, 398, 694-697.

230. Ting, M. F., Y. Kushnir, R. Seager, and C. H. Li, 2009: Forced and Internal Twentieth-Century SST Trends in the North Atlantic. Journal of Climate, 22, 1469-1481.

231. Toresen, R., and O. J. 0stvedt, 2000: Variation in abundance of Norwegian spring-spawning herring (Clupea harengus, Clupeidae) throughout the 20th century and the influence of climatic fluctuations, Fish and Fisheries, 1,231-256.

232. Trenberth, K. E., and D. A. Paolino, 1980: The Northern Hemisphere sea-level pressure data set trends, errors and discontinuities. Mon. Wea. Rev., 108, 855-872.

233. Venegas, S. A. and L. A. Mysak, 2000: Is there a dominant timescale of natural climate variability in the Arctic? Journal of Climate, 13, 3412-3434.

234. Vinje, T., 2001: Anomalies and trends of sea ice extent and atmospheric circulation in the Nordic Seas during the period 1864-1998. J. Clim., 14, 255-267.

235. Vonmoos, M., J. Beer, and R. Muscheler, 2006: Large variations in Holocene solar activity: Constraints from Be-10 in the Greenland Ice Core Project ice core. Journal of Geophysical Research-Space Physics, 111, A10105, doi:10.1029/2005ja011500.

236. Voronina, E., L. Polyak, A. De Vernal, and O. Peyron, 2001: Holocene variations of sea-surface conditions in the southeastern Barents Sea, reconstructed from dinoflagellate cyst assemblages. Journal of Quaternary Science, 16, 717-726.

237. Walker, G. T., 1924: Correlations in seasonal variations of weather IX, Mem. India Meteorol. Dep., 24, 275-332.

238. Wallace, J. M., Y. Zhang, and L. Bajuk, 1996: Interpretation of interdecadal trends in Northern Hemisphere surface air temperature. Journal of Climate, 9, 249-259.

239. Walsh, J. E., 1978: A data set on Northern Hemisphere sea ice extent, 1953- 76, Glaciol. Data Rep. GD-2, Arctic Sea Ice, Part 1, pp. 49 51, http://nsidc.org/, World Data Cent, for Glaciol., Boulder, Colo.

240. Walsh, J. E. and C. M. Johnson, 1979: Analysis of arctic sea ice fluctuations, 1953-77. Journal of Physical Oceanography, 9, 580-591.

241. Walsh, J. E., W. L. Chapman, and T. L. Shy, 1996: Recent decrease of sea level pressure in the central Arctic. Journal of Climate, 9, 480-486.

242. Walsh, J. E., and W. L. Chapman, 2001: Twentieth-century sea ice variations from observational data, Ann. Glaciol., 33, 444- 448.

243. Walsh, J. E., V. M. Kattsov, W. L. Chapman, V. Govorkova, and T. Pavlova, 2002: Comparison of Arctic climate simulations by uncoupled and coupled global models. J. Climate, 15, 1429-1446.

244. Walter, K., U. Luksch, and K. Fraedrich, 2001: A response climatology of idealized midlatitude thermal forcing experiments with and without a storm track, J. Climate, 14,467-484.

245. Wang, M. Y., J. E. Overland, V. Kattsov, J. E. Walsh, X. D. Zhang, and T. Pavlova, 2007: Intrinsic versus forced variation in coupled climate modelsimulations over the Arctic during the twentieth century. Journal of Climate, 20,1093-1107.

246. Wang, M. Y. and J. E. Overland, 2009: A sea ice free summer Arctic within 30 years? Geophysical Research Letters, 36, L07502, doi:10.1029/2009gl037820.

247. Wanner, H., S. Bronnimann, C. Casty, D. Gyalistras, J. Luterbacher, C. Schmutz, D. B. Stephenson, and E. Xoplaki, 2001: North Atlantic Oscillation Concepts and studies. Surveys in Geophysics, 22, 321-382.

248. Wiin-Nielsen, A., 1974: Vorticity, divergence, and vertical velocity in a baroclinic boundary layer with a linear variation of the geostrophic wind, Bound-Layer Meteorol., 6, 459-476.

249. Wu, B. Y., J. Wang, and J. E. Walsh, 2006: Dipole anomaly in the winter Arctic atmosphere and its association with sea ice motion. Journal of Climate, 19,210-225.

250. Wu, Z., Schneider, E.K., and B.P. Kirtman, 2004: Causes of low frequency North Atlantic SST variability in a coupled GCM. Geophys. Res. Lett., 31, L09210, doi: 10.1029/2004GL019548.

251. Wunsch, C., 1999: The interpretation of short climate records, with comments on the North Atlantic and Southern Oscillations. Bull. Amer. Meteorol. Soc., 80, 245-255.

252. Wunsch, C., 2003: The spectral description of climate change including the 100 ky energy. Climate Dynamics, 20, 353-363.

253. Zakharov, V. F., 1997: Sea ice in the climate system. World Climate Research Programme/ Arctic Climate System Study, WMO/TD-No.782, Geneva, 80 pp.

254. Zhang, R., Delworth, T. L., and I. M. Held, 2007: Can the Atlantic Ocean drive the observed multidecadal variability in Northern Hemisphere mean temperature? Geophys. Res. Lett., 34, L02709, doi : 10.1029/2006GL028683.