![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Фундаментальной целью проекта является количественная оценка межгодовой изменчивости тепломассопереносов в системе Атлантический – Северный Ледовитый океаны (АО-СЛО) в период с 1948 по 2017 год и выявление возможного влияния этой изменчивости на гидрологический и ледовый режимы. Океанографические условия в Мировом океане формируются сложной системой горизонтальных и вертикальных движений с различными пространственно-временными масштабами. На планетарном масштабе выделяется так называемый Глобальный океанский Конвейер (ГК), отдельные ветви которого переносят воды между океанами и климатическими зонами. Поверхностная вода из Индийского и Тихого океанов поступает в Атлантический океан (АО) и далее – в Северный Ледовитый океан (СЛО). В СЛО происходит охлаждение и распреснение атлантической воды в результате процессов глубокой и шельфовой конвекции, взаимодействия с атмосферой, морским льдом и водами речного стока. Трансформированная в СЛО атлантическая вода формирует основу направленной в АО на юг глубинной ветви ГК. В системе АО-СЛО, АО является источником тепла и соли, тогда как в СЛО вода охлаждается, вследствие чего, несмотря на распреснение, погружается на глубину. Главная функция тепломассопереносов в этой системе состоит в изменении контрастов характеристик. При этом интенсивность и пространственное положение основных циркуляционных ветвей, переносящих тепло и соль, в значительной степени определяют глобальный климатический фон. Изменения в одной из компонент системы (состояние ледяного покрова СЛО, определяемого по спутниковым данным) способно привести к изменениям других компонент (параметры водных масс АО и СЛО), значимость которых невозможно оценить, не имея подробной пространственно-временной картины их распределения. Использование для оценки происходящих изменений накопленных в океанографических архивах данных прямых измерений наталкивается на проблему их пространственной фрагментарности и недостаточной временной дискретности. Результаты расчетов по численным моделям океана позволяют воспроизвести более целостную картину изменчивости трехмерных гидрофизических полей и выявить определяющие их факторы. Однако, результаты модельных расчетов пока не в состоянии полностью заменить данные прямых наблюдений из-за недостаточного разрешения моделей, упрощенных параметризаций подсеточных процессов и др. С учетом этого, в проекте будет применен комплексный методический подход, основанный на совместном анализе доступных натурных данных, результатов специализированных модельных экспериментов и продуктов океанских реанализов. Для реализации такого подхода в рамках проекта будет создана новая технология сравнения данных наблюдений и модельных реконструкций, которая даст возможность сформулировать объективные критерии оценки качества численных моделей и океанских реанализов. С целью выявления базовых особенностей межгодовой изменчивости тепломассопереносов в системе АО-СЛО будет проведена оценка внутренней изменчивости и вынужденных колебаний циркуляции в системе с помощью российской модели INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model). Эта модель будет применена для восстановления термохалинной циркуляции океана с 1948 по 2017 год по данными объективного анализа EN.4.2 Расчеты планируется выполнить для всей исследуемой акватории от Антарктиды до Берингова моря с пространственным разрешением 0.25 град. Анализ изменчивости по данным натурных наблюдений будет проводиться для каждой из климатически значимых водных масс. Будут установлены границы распространения водных масс, осуществлен поиск наиболее информативных параметров и их объемные статистические характеристики в качестве «реперных» значений. По рассчитанным «реперным» значениям будут тестироваться модельные реконструкции полей гидрофизических параметров и корректироваться результаты расчетов по INMOM. На основе усовершенствованной методики, разработанной участниками проекта, будет рассчитан меридиональный перенос тепла на разных широтах в АО и перенос тепла пограничным течением в СЛО. Эти оценки по прямым океанографическим измерениям на разрезах будут сравниваться балансовыми оценками переноса тепла по результатам расчетов на INMOM и данным реанализов с учетом доверительных интервалов и предполагаемой межгодовой изменчивости. Для совместного анализа изменений гидрологических и ледовых параметров в современный период, характеризующийся быстрым сокращением арктического морского льда, будут привлекаться наиболее хорошо зарекомендовавшие себя океанские реанализы. На основе разработанных критериев будут выбраны реанализы, наилучшим образом воспроизводящие циркуляцию и изменчивость АО и СЛО. Комплементарный синтез этих данных с данными расчетов на INMOM и обобщенными данными прямых наблюдений позволит обоснованно уточнить структуру циркуляции вод в системе АО-СЛО и оценить тенденции изменений характеристик водных масс, гипотетически связанных с сокращением арктического ледяного покрова. Также будут сделаны оценки вкладов в общую изменчивость собственных и вынужденных климатических изменений в системе АО-СЛО. Заявляемый в проекте комплексный поход по изучению изменений тепломассопереносов в АО и СЛО позволит сделать оценки этих изменений не только более точными, но также определить изменения гидрологического и ледового режимов как факторы общих климатических изменений. Коллектив заявителей проекта имеет опыт численного моделирования, статистического анализа данных прямых наблюдений, обработки океанских и атмосферных реанализов и интерпретации данных дистанционного зондирования. Имеющиеся у основных участников заявки знания о циркуляции и водных массах АО и СЛО и практический опыт применения запланированных методических подходов позволят грамотно структурировать выполнение проекта и успешно решить поставленные задачи.
The fundamental goal of the project is to quantify the interannual variability of heat and mass transfer in the Atlantic-Arctic Ocean system in the period from 1948 to 2017 and to identify the possible effect of this variability on the hydrological and ice regimes. Oceanographic conditions in the oceans are formed by a complex system of horizontal and vertical movements with different spatial and temporal scales. On a global scale, the so-called Global Ocean Conveyor (GC) stands out, the individual branches of which transport water between the oceans and climatic zones. The surface water from the Indian and Pacific Oceans enters the Atlantic Ocean and then the Arctic Ocean. In the Arctic Ocean, Atlantic water is cooled and freshened as a result of the processes of deep and shelf convection, interaction with the atmosphere, sea ice and waters of the river flow. The Atlantic water transformed in the Arctic Ocean forms the basis of the deep GK branch directed to the south. In the Atlantic-Arctic oceans system, the Atlantic Ocean is a source of heat and salt, whereas in the Arctic Ocean water is cooled, and sinks, despite of desalination. The main function of heat and mass transfer in this system is to change the contrasts of characteristics. At the same time, the intensity and spatial position of the main circulation branches carrying heat and salt largely determine the global climatic background. Changes in one of the components of the system (the state of the ice cover of the Arctic Ocean, determined by satellite data) can lead to changes in other components (parameters of water masses of the Atlantic Ocean and the Arctic Ocean), the significance of which cannot be assessed without the knowledge on a detailed spatial-temporal pattern of their distribution. The use of direct measurement data, accumulated in oceanographic archives, to assess the changes taking place is complicated by the problem of their spatial fragmentation and insufficient time discreteness. The results of calculations with numerical ocean models makes possible to reproduce a more consistent picture of the variability of hydrographic parameters and to identify the factors in charge of this variability. However, the results of model calculations are not yet able to completely substitute direct observations due to insufficient resolution of the models, simplified parametrization of subgrid processes, etc. With this in mind, the project will apply an integrated methodological approach based on a joint analysis of the available observations data, the results of specialized model experiments and the products of ocean reanalyses. To implement this approach, the project will create a new technology for comparing observations and model reconstructions, which will provide an opportunity to formulate objective criteria for evaluating the quality of numerical models and ocean reanalyses. In order to identify the basic features of the interannual variability of heat and mass transfer in the Atlantic-Arctic oceans system, the internal variability and externally induced fluctuations of the circulation in the system will be assessed using the Russian model INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model). This model will be applied to simulate the thermohaline circulation of the ocean from 1948 to 2017 according to the data of objective analysis EN.4.2.0. Calculations are planned to be performed for the entire investigated region from Antarctica to the Bering Sea with a spatial resolution of 0.25 degrees. Analysis of variability according to field observations will be conducted for each of the climatically significant water masses. The boundaries of the distribution of water masses will be established, the search for the most informative parameters and their volumetric statistical characteristics as “reference” values will be carried out. Based on the calculated “reference” values, model reconstructions of the hydrographic parameters will be tested and the results of calculations using the INMOM will be corrected. Based on the improved methodology developed by the project participants, the meridional heat transfer at different latitudes of the Atlantic Ocean and the heat transfer by the boundary current in the Arctic Ocean will be calculated. These estimates from direct oceanographic measurements at the sections will be compared with the balance estimates of heat transfer from the results of calculations with INMOM and reanalyses based on confidence intervals and estimated interannual variability. For a joint analysis of changes in hydrographic and ice parameters in the modern period, characterized by the rapid reduction of the Arctic sea ice, the best-proven ocean reanalyses will be involved. Based on the developed criteria, reanalyses will be selected that best reproduce the circulation and variability of the Atlantic and the Arctic oceans. Complementary synthesis of these data with the data of calculations with INMOM and generalized data of direct observations will allow to reasonably clarify the structure of water circulation in the Atlantic – Arctic oceans system and to assess trends in the characteristics of water masses hypothetically associated with the reduction of the Arctic ice cover. Assessments will also be made of contributions to the overall variability of its own and forced climate changes in the Atlantic – Arctic oceans system. The comprehensive approach to the study of changes in heat and mass transfer in the Atlantic Ocean and the Arctic Ocean proposed in the project will make estimates of these changes not only more accurate, but also identify changes in the hydrological and ice regimes as factors of general climate change. The team of project applicants has experience in numerical modeling, statistical analysis of direct observation data, processing of ocean and atmospheric reanalyses and interpretation of remote sensing data. The knowledge of circulation and water masses of the Atlantic Ocean and the Arctic Ocean available for the main project participants and practical experience in applying the planned methodological approaches will allow to competently structure the project implementation and successfully solve the tasks.
Основным результатом проекта будут количественные оценки изменчивости тепломассопереносов в системе Атлантический – Северный Ледовитый океаны (АО-СЛО) и современных тенденций климатических изменений характеристик водных масс, в том числе связанных с сокращением арктического морского ледяного покрова. Для достижения этой цели, по различным океанским реанализам будут рассчитаны тепламассопереносы и построены схемы циркуляции различных водных масс. По результатам специализированных численных экспериментов по модели INMOM будут выявлены базовые черты тепломассопереносов в рассматриваемой системе и их межгодовая изменчивость, включая естественную и вынужденную компоненты. С помощью комплексного сравнительного анализа результатов численного моделирования, данных океанских реанализов и прямых океанографических измерений, включая широтные и меридиональные разрезы в океанах, выполненные за последние годы в рамках международных программ, будут получены скорректированные оценки тепломассопереносов в системе АО – СЛО. Путем сравнения с данными натурных наблюдений будет оценено качество реконструкции гидрофизических полей океанскими реанализами и численной моделью INMOM. На основе такого сравнения будет создана новая технология оценки качества моделирования циркуляции океана, базирующаяся на объективных количественных критериях. Разработанные критерии будут носить универсальный характер и смогут быть использованы для валидации численных моделей циркуляции океана и совместных моделей циркуляции океана и атмосферы. Будет получена оценка влияния тепломассопереносов на формирование межгодовой и декадной изменчивости циркуляции океана в системе АО-СЛО, связанной с собственными и вынужденными колебаниями в системе.
Основные участники заявки представляют собой группу исследователей, на протяжении многих лет занимающихся изучением циркуляции и водных масс Атлантического и Северного Ледовитого океанов и роли океана в изменениях планетарного климата, активно участвующих в морских экспедициях. Большая часть молодых участников заявки являются студентами и аспирантами МГУ, специализирующими в области физической океанологии и численного моделирования. У основных заявителей проекта имеется существенный задел фундаментальных результатов, гарантирующий достижимость планируемых научных результатов в рамках проекта. Результаты научной деятельности заявителей неоднократно докладывались на международных конференциях, опубликованы в международных и ведущих российских научных журналах (около 100 публикаций за последние 5 лет).
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 24 апреля 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Формирование информационного базиса исследования |
Результаты этапа: Имеющиеся в распоряжении исполнителей проекта базы океанографических данных были дополнены информацией из имеющихся в открытом доступе массивов данных и материалами новейших экспедиций, включая экспедиции 2019 года, в которых заявители проекта принимали непосредственное участие. Определено географическое положение разрезов, обеспечивающее пересечение ими основных переносов вод в Атлантическом и Северном Ледовитом океанах, и на которых в открытом доступе имеются длительные ряды измерений температуры, солености (электропроводности) и скорости течения. Сформированы массивы данных инструментальных наблюдений и выборочных океанских реанализов на этих разрезах. Рассчитаны интегральные характеристики переноса массы, тепла и солей на двух повторяющихся океанографических разрезах в Атлантическом и Северном Ледовитом океанах. Анализ переносов массы на разных широтах в субтропической части Атлантического океана показал, что нулевой перенос массы с разбалансом +/- 3 Св лучше всего достигается на 26.5 град. с. ш. при интегрировании от поверхности до дна от полуострова Флорида до Африки по данным реанализа ECCO, GECCO, SODA2, ORAS3, ORAS4, с использованием коррекции расчета переноса Антарктической донной водной массы. В результате проведенных расчетов было установлено, что реанализы ECCO, GECCO, ORAS4 хорошо воспроизводят внутригодовую изменчивость с максимумом летом и минимумом зимой и межгодовую изменчивость переносов массы с максимумом в 1992 и минимумом в 1998 г. По реанализам ECCO, GECCO, ORAS4 получено, что переносы массы направлены на север в поверхностном (12.0 +/- 1.3 Св), промежуточном слое (1.3 +/- 0.3 Св) и в придонном слое (1.5 +/- 1.0 Св), на юг – в глубинном слое (–15.0 +/- 1.5 Св), что хорошо согласуется с данными буев RAPID и гидрологических разрезов. Выявлено, что реанализ SODA2 с более высоким пространственным разрешением (0.25° × 0.25°) в 1998 году демонстрирует, что переносы в ПВ направлены на юг, а НСАГВ – на север. Сравнительный анализ переносов объема, тепла и соли на разрезе в море Лаптевых в Северном Ледовитом океане показал, что наилучшее согласование временных рядов интегральных потоков объема наблюдается в зоне устойчивого восточного переноса и значительных скоростей течения (5-15 см/с) в верхней части континентального склона. В этих же точках наблюдается удовлетворительное соответствие между измеренными и восстановленными по данным реанализа временными рядами интегральных потоков тепла и соли. При уменьшении скорости течения менее 5 см/с, абсолютная ошибка реанализа возрастает, причем средний перенос (и соответствующие потоки тепла и соли) в среднем оказываются направленными противоположно (на запад) среднему переносу (на восток), рассчитанному по данным инструментальных измерений. По результатам выполненных расчетов разработаны предварительные критерии сравнения, которые будут уточняться (модифицироваться) во второй год проекта на основе сравнения с результатами аналогичных расчетов для других выбранных для анализа разрезов. Эти же критерии сравнения в дальнейшем планируется применить для оценки достоверности численных экспериментов на модели INMOM. Сформулированы два типа критериев: (1) соответствие интегральных характеристик, рассчитанных по инструментальным и восстановленным данным для отдельных точек разреза; (2) соответствие интегральных характеристик, рассчитанных по инструментальным и восстановленным данным для всего разреза. Количественной мерой близости соответствующих переносов, будет относительное отклонение значения, рассчитанного по данным реанализов (моделирования) от «эталонного» значения, рассчитанного по данным измерений. Разработана и конфигурирована версия модели INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) для задач проекта. Построена модельная область, включающая Атлантический океан, Северный Ледовитый океан и Берингово море с горизонтальным разрешением 0.25 град. и числом расчетных точек 394592 и 40 сигма уровнями по вертикали. Подготовлена маска расчётной области с использованием океанографической базы данных полигонов береговых линий. Сформирован массив донной топографии на основе глобального массива ETOPO5. Подготовлены исходные данные по температуре и солёности на основе объективного анализа EN4.2.1. Исходные данные проинтерполированы в узлы модельной области. Подготовлены граничные условия на поверхности океана на основе атмосферных характеристик CORE за период с 1948 по 2009 г. Выполнены тестовые численные эксперименты. Поведен ретроспективный эксперимент, включавший расчет совместной циркуляции Атлантического и Северного Ледовитого океанов с 1948 по 2009 г. По результатам расчетов установлено, что модель INMOM адекватно воспроизводит характерные особенности циркуляции Атлантического и Северного Ледовитого океанов. Производен расчет изменений термохалинных характеристик для наиболее значимых водных масс в ключевых районах Атлантического и Северного Ледовитого океанов по натурным данным и данным реанализов. Для Атлантического океана установлено, что положительный тренд наблюдается как по данным EN4, так и по данным WOA2013, с коэффициентами 0.101 град. С/10 лет и 0.120 град. С/10 лет, соответственно. Массив WOA2013 имеет более короткую продолжительность. По этой причине вклад периода наиболее интенсивного потепления с конца 1970-х по начало 2000-х гг. в этих данных сказывается сильнее. Выявлено, что средняя приповерхностная температура на глубине 5 м имеет положительный тренд по всем массивам данных. В более коротких массивах, вклад периода наиболее интенсивного потепления с конца 1970-х по начало 2000-х гг. сказывается сильнее. Установлено, что во всех рассматриваемых массивах данных в верхнем километровом слое наблюдается генеральное потепление и осолонение. Ниже этого слоя наблюдается зона похолодания и распреснения, что вероятно связано с таянием льдов Гренландии и выносом распресненных вод из СЛО. По данным EN4.2 и WOA2013 показано, что температура и соленость вносят противоположный, компенсирующий вклад в формирование поля плотности как в долгопериодных трендах, так и мультидекадных колебаниях. Подтверждено, что вклад температурных изменений превалирует над соленостным в верхних слоях Северной Атлантики, а в глубинных наоборот, что согласуется с опубликованными результатами других исследователей. На основе данных объективных анализов установлено, что вертикальная среднезональная стратификация в Северной Атлантике за 70 лет стала более устойчивой. Восстановлена Атлантическая меридиональная опрокидывающаяся циркуляция (АМОЦ) по данным объективных анализов EN4 и WOA2013 методом адаптационно-диагностических расчетов на модели INMOM. Установлено, что средние конфигурации АМОЦ, рассчитанные с помощью разных реанализов, близки между собой. В то же время выявлены значительные отличия на меньших пространственных масштабах. Данные объективных анализов EN4.2 и WOA13 и реанализов ESTOC и GECCO2 демонстрируют в основном положительные тренды АМОЦ, тогда как тренды по данным GFDL и ORA-S4 преимущественно отрицательны. Разработаны предварительные критерии оценки качества воспроизведения численными моделями и океанскими реанализами температуры и солености на повторяющихся океанологических разрезах. Для решения этой задачи были выполнены количественные сравнения изменений температуры и солености водных масс в субтропической Атлантике за последние 30 и 70 лет по реанализам SODA, ORAS4, ECCO, GECCO, объективным анализам EN4 и WOA13 и по данным 6-ти регулярных (повторяющихся) океанологических разрезов. Установлено, что реанализы в среднем завышают температуру на 0.1-0.3 град. С и соленость – на 0.02-0.05 епс. Выявлено, что наиболее близкие к экспедиционным данным значения и тенденции изменений температуры и солености воспроизводят ORAS4 и EN4. Установлено, что реанализы демонстрируют интенсивное потепление поверхностных вод в период 2000-2005 гг., которое подтверждается и результатами измерений: EN4 – +0.33 град. C, SODA – +0.18 град. C, а также согласованный рост солености на 0.2 – 0.6 епс в течение всего рассматриваемого периода. Выявлено, что в слое нСАГВ (нижних Северо-атлантических глубинных водах) наиболее близкие к экспедиционным данным значения температуры и солености воспроизводятся реанализми ORAS4 и EN4, тогда как остальные реанализы воспроизводят значения температуры в среднем выше на 0.04 град. С, а солености – на 0.012 епс. Установлено, что реанализы EN4, ORAS4 и SODA воспроизводят увеличение средней температуры всего разреза на 0.05-0.07 град. С за весь промежуток времени, в то время как по данным наблюдений увеличение составляет 0.05 град. С. Увеличение солености по данным реанализов EN4, ORAS4 и SODA составляет 0.005-0.013 епс, а по данным наблюдений – 0.001 епс. Для оценки воспроизведения абсолютных значений температуры было рассчитано среднеквадратическое отклонение (СКО) результатов реанализов и экспедиционных данных. Установлено, что низкие значения СКО температуры наблюдаются у SODA (кроме ПВ и нСАГВ) и ORAS4 (кроме ААДВ). Низкие значения СКО солености – у ORAS4 (кроме вСАГВ). Выполнена оценка тенденций изменений путем сравнения изменения температуры и солености соответствующей водной массы в течение промежутков между регулярными разрезами. Показано, что наиболее частое совпадение тенденций наблюдается у EN4 во всех слоях, кроме ПВ и вСАГВ. По результатам SODA тенденции температуры совпадают в верхних слоях и на всем разрезе, тенденции солености – в глубинных слоях. ORAS4 воспроизводит тенденции, соответствующие тенденциям натурных данных в ПВ и тенденциям температуры в нСАГВ и ААДВ. Для двух разрезов в Северном Ледовитом океане выполнено выборочное сравнение вертикальных профилей температуры и солености, из реанализа МЕРКАТОР с суточным осреднением с мгновенными профилями температуры и солености. Установлено, что среднеквадратическая отклонение осредненных данных реанализа от мгновенных температурных профилей составило от -0.35 до -0.65 град. С от поверхности до нижней границы атлантического слоя. Среднеквадратичное отклонение аналогичных профилей солености составило от -0.15 до 0.05 епс. Сравнение результатов реанализа МЕРКАТОР с данными наблюдений на долговременных автономных буйковых станциях показало высокую степень согласования временной фазы изменчивости с данными наблюдений. В то же время было отмечено занижение температуры воды по данным реанализа с измеренными значениями. | ||
2 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Обработка данных наблюдений и выполнение модельных расчетов |
Результаты этапа: Рассчитаны переносы объема, тепла и соли по данным прямых наблюдений на автономных буйковых станциях (АБС) и по данным реанализа МЕРКАТОР для разреза через пролив Фрама, связывающего Арктический и Северо-Европейский бассейны Северного Ледовитого океана (СЛО) на основе разработанной и отлаженной в первый год проекта методики. Получено удовлетворительное согласование между средними характеристиками переносов, рассчитанных по данным измерений и реанализа. В то же время, установлено, что рассчитанные по реанализу МЕРКАТОР тепломассопереносы характеризуются значительно большей дисперсией, чем рассчитанные по данным наблюдений. Это различие особенно заметно в переносе тепла. В целом реанализ дает завышенные оценки переносов по сравнению с данными измерений. Выявленные рассогласования могут быть частично объяснены методикой обработки инструментальных данных. Выявлено, что проблема экстраполяции так же остро стоит при обработке данных АБС. Указанные причины могут объяснить расхождения между данными наблюдений и реанализом МЕРКАТОР. Существует вероятность, что помимо ошибки интерполяции сама модель не является идеальной. Расчет критериев сравнения тепломассопереноса по результатам численных экспериментов на модели INMOM с тепломассопереносами, рассчитанными по инструментальным данным на долговременном разрезе вдоль 126 град. в.д. в море Лаптевых показал нерегулярные расхождения в оценках. Выполненное сравнение позволило выделить ряд особенностей, которые будут учтены в дальнейшем анализе. В частности, при отдалении от берега в модельных результатах наблюдается уменьшение амплитуды изменчивости, в то время как в результатах измерений амплитуда сохраняется высокой. В целом, сравнения переносов объема по натурным данным, результатам моделирования и продуктам реанализа показало сходство в одних характеристиках и расхождение в других. Это говорит об актуальных проблемах исследования арктического региона, связанных, с одной стороны, с важностью получения достаточного количества данных, с другой – с важностью настройки параметров моделей для получения требуемых результатов: от пространственного разрешения до параметризаций физических процессов. Выполнен расчет на модели NEMO тепломассопереносов между шельфом и континентальным склоном в СЛО, связанным со стеканием холодных уплотненных вод (каскадингом). Наиболее сильные потоки плотной воды обнаружены в Северо-Западной Атлантике. Эти потоки связаны с каскадингом, возникающим вблизи кромки исландского шельфа, перелива плотных вод в Датском проливе и распространения плотных вод через Фареро-Шетландский желоб. В Баренцевом море модель успешно воспроизвела известные из наблюдений зоны каскадинга в желобе Медвежий, вокруг архипелагов Шпицберген и Земля Франца-Иосифа. На западном шельфе Шпицбергена наиболее интенсивный модельный каскадинг хорошо соответствует данным наблюдений. Максимальные потоки, достигающие 3-4 кв.м/с, наблюдаются на восточном склоне Баффинова залива в море Ирмингера, Баренцевом и Карском морях. Пространственная и временная изменчивость очень велика, и стандартные отклонения превышают средние значения в большинстве районов. Поток уплотненных вод является самым сильным компонентом водообмена между шельфом и континентальным склоном. При осреднении за весь расчетный период перенос уплотненных вод является доминирующим механизмом водообмена между шельфом и континентальным склоном, достигая 1.3 Св в Арктическом бассейне и 1.6 Св в СЛО. Выполнены расчеты переносов объема, тепла и соли по данным прямых наблюдений и по данным реанализов для выбранных разрезов в Атлантическом океане. Установлено, что среднемноголетние величины переноса ААДВ за 2004 – 2015 гг., рассчитанные по данным RAPID в сравнимы с оценкой GLORYS2v4 и в 2–3 раза меньше оценок, полученных по реанализам GLORYS2v4 и ORAS5. Кроме того, получена отрицательная тенденция изменения температуры ААДВ с вкладом в суммарную дисперсию менее 50% по реанализам GLORYS2v4 за 2004 – 2015 гг. и SODA2.2.4, ORAS4, данным гидрологических разрезов за период 2004 – 2011 гг., что также подтверждает усиление переноса ААДВ на 26 град. с. ш.. Самые высокие значения коэффициента корреляции были получены между характеристиками среднегодовых, а также средневесенних оценок переносов ААДВ RAPID и ORAS5. Гармонический анализ показал, что в межгодовой изменчивости переносов и потенциальной температуры ААДВ, оцененных по данным RAPID и реанализам выделяются характерные периоды 12 и 6 лет. По реанализам GLORYS2v4, GLORYS12v1 также значим период 4 года, причем, 12-ти и 6-ти летние гармоники выделяются в изменчивости потенциальной температуры ААДВ, оцененной по более длительному ряду (1992 – 2017 гг.). Межгодовые амплитуды температуры ААДВ по разным реанализам превышают в 2 – 5 раз внутригодовые значения. Внутригодовой цикл переноса ААДВ описывается годовой и полугодовой гармониками. На их изменчивость по данным RAPID и реанализов ORAS5, GLORYS2v4, приходится более 80%, причем 2/3 вклада обусловлено колебаниями полугодовой гармоники с амплитудой 0.4 – 0.6 Св. В сезонном цикле важны гармоники более высокого порядка, характеризующие синоптический масштаб изменчивости. Установлено, что помимо неопределенности задания границы ААДВ, фактор суточной изменчивости, а возможно изменчивости и больших периодов, создает проблемы при интерпретации факта проникновения ААДВ по единичным измерениям. В целом, за весь период для GLORYS12V2 наблюдаются тенденции роста переноса и увеличения температуры. Лучше других перенос ААДВ воспроизводит реанализ GLORYS12V2. Остальные рассмотренные реанализы (Glorys2v4, GREP-V2, Armor-3d) дают результаты в 2–4 раза меньше, и слой с температурой меньше 1.5 град. C в них вообще отсутствует. Исследованы особенности термохалинной структуры вод и ее изменчивость в Баренцевом море. Выявлено, что по солености вода в море более однородна, чем по температуре. Максимум объема воды по градациям температуры приходится на диапазон от -0.5 до -0.3 град. С (8%) зимой и от -0.7 до -0.5 град. С (7.5%) летом. Объем вод с температурой от -1.9 до 1.5 град. С занимает 78% зимой и 58% летом. Сезонный ход изменения объема вод по градациям температуры отмечается в области отрицательных температур (меньше -1.3 град. С) и положительных температур - больше 4.5 град. С. По солености выделяется резкий пик в диапазоне от 34.85 до 34.95 ЕПС. На этот диапазон приходится 31% от общего объема вод Баренцева моря летом и 24% зимой. Установлено, что в десятилетие 2005-2017 в диапазоне больших температур наблюдается повышение объемов вод в T-классах относительно 1955-1964, а в диапазоне меньших температур - понижение. Наиболее четко эта закономерность проявляется в летний сезон. По солености отличия в распределении объемов между десятилетиями 1955-1964 и 2005-2017 менее значительны, чем по температуре, но они все же выделяются. Происходит увеличение объемов вод с соленостью большей 35.05 ЕПС, как зимой, так и летом. Выявлено, что изменения объема Северо Атлантической глубинной водной массы (САГВМ) по десятилетиям отмечаются только в северной части Атлантического океана примерно до 40 град. с.ш. Самая большая разница наблюдается между десятилетиями 1965-1974 и 1995-2004 в широтной полосе 55-60 град. с.ш. Самые большие объемы этой воды расположены между широтами 20 и 30 град. с.ш. Различий в объеме антарктической придонной водной массы по десятилетиям в Атлантическом океане по данным атласа [WOA-2018] не обнаружено. Расчеты показали, что использованная версия INMOM по сценарию диагноз-адаптация адекватно воспроизводит средне-климатическую структуру основных гидрофизических полей в средних и высоких широтах Атлантического океана. Выполнены оценки климатической изменчивости циркуляции в системе Атлантический океан-СЛО с помощью модели INMOM, показавшие хорошее соответствие ранее известным закономерностям. Восстановлена термохалинная циркуляции океана за период с 1948 по 2017 гг. по данным объективного анализа EN.4.2.0. В реанализе ORA-S4 в верхнем 2.5-км слое наблюдается потепление, а ниже также есть области похолодания. По данным реанализа GECCO2 в верхнем 4-км слое наблюдаются области потепления и похолодания, а ниже 4-км слоя - только области похолодания. Зонально-осредненные тренды солености СА показали осолонение в верхнем 1-км слое от экватора до примерно 40-50 град. с.ш. и далее, в основном, распреснение до 80 град. с.ш. по данным объективных анализов EN4 и WOA13, а также и реанализов ESTOC и ORA-S4, а ниже наблюдаются, в основном, области распреснения. По данным реанализа GFDL по всей глубине наблюдаются как области распреснения. так и осолонения. В реанализе GECCO2 в верхнем 4-км слое - осолонение, а ниже - распреснение. Выполнена оценка изменений термохалинной циркуляции в системе Атлантический океан-СЛО и их влияния на изменения климата в исследуемый климатический период. Разработана методика «вмораживания» данных измерений с океанографических разрезов. Методика представляет простейшее усвоение данных, реализованное в виде релаксации. Для этой цели требуется реализация вихреразрешающей модели океана. Для внедрения и верификации методики «вмораживания» данных измерений с океанографических разрезов реализована версия модели INMOM для Атлантики с высоким разрешением 1/15 x 1/20 град., на которой были проведены тестовые расчёты, которые стартовали с данных температуры и солёности с разрешением 1/4 град. из атласа WOA2018 и продолжались 120 суток модельного времени. Выполнена оценка изменений термохалинной циркуляции в системе Атлантический океан-СЛО и их влияния на изменения климата в исследуемый климатический период. Анализ изменений термохалинной циркуляции в Северной Атлантике (СА) по данным объективных анализов и океанских реанализов в различные периоды Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО) показал существенный разброс в трендах функции тока АМОЦ, включая знаки трендов. Анализ разностей композитов аномалий функции тока АМОЦ показал, что по данным EN4, WOA13 и GECCO2 наблюдается в основном усиление АМОЦ в теплую фазу АМО по отношению к холодной, а по данным ESTOC и ORA-S4 в основном ослабление функции АМОЦ, в то время как данные реанализа GFDL показывают смешанную структуру. Разности композитов аномалий функции тока АМОЦ по данным объективного анализа EN4 согласуются с реанализом GFDL от 20 град. до 40 град. с.ш. (в области ядра функции тока АМОЦ на 25град с.ш)., где наблюдаются положительные значения разностей композитов аномалий функции тока АМОЦ, что соответствует максимуму меридионального переноса тепла на север. | ||
3 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Анализ результатов обработки данных наблюдений и моделирования |
Результаты этапа: Получены количественные оценки современных тенденций изменения характеристик Северо-Атлантической глубинной водной массы и путей ее распространения по данным наблюдений и океанских реанализов. Установлено, что в целом реанализы занижают абсолютные значения переносов. Показано, что реанализы ECCO, GECCO, ORAS4, GLORYS12v1 хорошо описывают межгодовую изменчивость переносов массы c характерным периодом около 6-ти лет. В 1998, 2005, 2010, 2013 г. согласно данным инструментальных наблюдений и реанализам произошло ослабление Глобального Конвейера (ГК), в большей степени обусловленное изменениями переносов поверхностных и глубинных вод в зимне-весенний период. Установлено, что максимальной величины переносы в северном направлении воды промежуточного и глубинного слоев достигают весной–летом, минимального - осенью-зимой. Обращает на себя внимание наличие тенденции роста переноса глубинных вод – весной и промежуточных вод - летом в 2004–2015 гг., полученных по реанализам GLORYS2v4, GLORYS12v1 и данным инструментальных наблюдений. Линейные тренды среднегодовых величин переносов поверхностных вод отрицательные, а САГВ – положительные по данным реанализов. По данным реанализов были подтверждены события кратковременной «остановки» ГК в декабре 2009 и марте 2013. Во время этих событий перенос по реанализам снижается от средних величин 15-18 Св до отрицательных значений. Уточнены пути распространения Северо-Атлантических Глубинных вод (САГВ) в тропической части Атлантики по реанализам GLORYS12v1, биогидрохимическому реанализу CMEMS и данным прямых гидрологических измерений. Зафиксирован поток северной ветви САГВ с относительно невысоким содержанием кислорода в западную часть Атлантики через разломы Срединно-Атлантического хребта в районе 11-20 град. с.ш., особенно интенсивно идущий на юге через разломы Вима, Меркурий и Марафон. Показано, что реанализ несколько завышает значения для слоя ААДВ, по сравнению с прямыми измерениями. Анализ новых данных гидрологических наблюдений в восточно-атлантическом секторе СЛО в 2013-2018 гг. в контексте известных знаний, позволил уточнить механизмы пространственно-временной изменчивости термохалинных характеристик поступающей из Атлантического океана промежуточной водной массы – так называемой атлантической воды (АВ), переносимой пограничным течением вдоль континентального склона Евразии и выявить новые особенности этого процесса, появившиеся в результате значительного сокращения арктического морского льда. Уточнены основные стадии изменения параметров АВ. Зоны наиболее активной трансформации вод пограничного течения расположены в устье глубоководного желоба Франц Виктория. В результате происходит смещение теплого и соленого ядра АВ от континентального склона в глубоководный бассейн на 30-50 км и его отделение от ядра пограничного течения, остающегося над континентальным склоном вследствие динамических причин. Мощный вынос уплотненных вод через желоб Франц Виктория приводит к «разрыву» непрерывного распределения термохалинных характеристик вдоль струи пограничного течения. Предположительно, такая ситуация характерна только для зимнего сезона, когда сток уплотненных вод через глубоководные желоба наиболее интенсивен. Сходная трансформация, вероятно, происходит в зимний сезон в устье глубоководного желоба Святой Анны. Медленная трансформация АВ в море Лаптевых вследствие вертикального перемешивание под действием двойной диффузии, которая наблюдалась до середины 2010-х годов, в последние годы сменилась на значительно более быстрый процесс – турбулентное перемешивание вследствие усиления сдвиговой турбулентности и конвективного перемешивания в зимний сезон. Этому способствовали ослабление плотностной стратификации, увеличением скорости течений и их вертикального сдвига, вследствие уменьшения средней сплоченности и толщины морского льда. Анализ данных на притопленных буйковых станциях (ПБС) в восточной части бассейна Нансена СЛО - в море Лаптевых показали, что в среднем за 2013–2018 гг. вдольсклоновый перенос объема в верхних 800 м составил 4.8 +/- 0.1 Св, а перенос тепла (рассчитанный относительно температуры замерзания) составил и 34.8 +/- 0.6 ТВт. Тепломассоперенос в слое Атлантической воды (АВ) (150–800 м) в 2013–2018 годах не характеризовались значительной временной изменчивостью на годовом и более длительных масштабах: в среднем в 2013– 2018 годах, перенос объема составил 3.1 +/-0.1 Св, а перенос тепла составил 32.5 +/- 1.0 ТВт. Реконструированный перенос объема АВ за более длительный период, 2003–2018 гг., показал сильные межгодовые колебания, но не выявил статистически-значимых трендов. Выявлена высокая когерентность переносов в 2013–2018 гг. в слоях холодного галоклина (70–140 м) и АВ (150–800 м), что указывает на существенную роль баротропного воздействия в формировании тепломассопереносов вдоль континентального склона. Рассчитанные количественные оценки тепломассопереносов и их изменчивости помогают определить роль «атлантификации» в современных изменениях гидрологической структуры в восточной части бассейна Нансена СЛО. Расчет динамики вод в проливе Фрама с 2004 по 2012 г. на модели INMOM методом диагноза-адаптации по данным объективного анализа EN4 показал, что использованный подход позволяет адекватно воспроизвести известную из наблюдений средне-климатическую структуру циркуляции вод в проливе и его окрестностях. Установлено, что термохалинная компонента циркуляции преобладает над ветровой. Максимальный вклад экмановской составляющей в увеличение меридиональной скорости в проливе Фрама может достигать 20–30 % от скорости термохалинного течения в верхнем слое в отдельные годы. Разработана технология оценки качества реанализов, основанная на расчете наиболее информативных критериев сравнения с данными натурных наблюдений на гидрологических разрезах. Создана новая база данных для расчёта атмосферного воздействия в модели INMOM. Усовершенствованная методика расчета атмосферного воздействия была применена в модели INMOM для ретроспективных расчетов с 1958 по 2019 г., которые показали хорошее соответствие модельной циркуляции в Северной Атлантике и Арктическом бассейне известным из наблюдений особенностям. Подтвержден известный из наблюдений факт о том, что максимальная высота морской поверхности в Тихом океане на 50-100 см выше, чем в Атлантическом океане. Временная изменчивость модельной площади арктического ледяного покрова также хорошо соответствует аналогичной временной изменчивости, рассчитанной по спутниковым данным. Модельные расчеты подтвердили абсолютный минимум площади арктического морского льда (за всю историю спутниковых наблюдений с 1979 года) в сентябре 2012-го года. Во временном ходе выделяются ярко выраженные квази-пятилетние колебания и генеральный тренд на уменьшения площади льда, который более выражен в зимнем распределении, чем в летнем. В модельных экспериментах хорошо воспроизведен временной ход содержания пресной воды, усредненного по области круговорота Бофорта. Выделяется ярко выраженный сезонный ход, когда образование льда приводит к уменьшению содержания пресной воды, а также известная из наблюдений межгодовая изменчивость, в которой прослеживается общий тренд на возрастание содержания пресной воды, что согласуется с общим уменьшением объема льда в Северном Ледовитом океане. Выявлены особенности пространственного распределения скорости поверхностных течений и температуры Северной Атлантики с использованием океанского реанализа ORA-S4 в условиях изменяющейся ледовитости Баренцева моря, оцененной по данным инструментальных наблюдений за 1958–2014 гг. На основе анализа полей пространственного распределения коэффициентов прямых корреляций и со сдвигом в один год между указанными параметрами установлены районы со значимыми связями. Наибольшие коэффициенты корреляции с ледовитостью Баренцева море получены для районов северных границ Гольфстрима и Южного пассатного течения, а также Трансарктического течения. Коэффициент корреляции среднегодовых значений температуры в Баренцевом море с температурой и скоростью течений в Гольфстриме составляет 0.86 и 0.75 соответственно Увеличение ледовитости происходит при усилении скорости Трансарктического течения. Корреляция между температурой Баренцева моря и скоростью этого течения к северо-западу от арх. Шпицберген составляет –0,72. Скорость в районах северных границ Гольфстрима и Южного пассатного течения, температура в Гольфстриме и Баренцевом море имеют положительные тренды в межгодовой изменчивости, а скорость в Трансарктическом течении и ледовитость Баренцева моря – отрицательные. Выделены линейные тренды на уменьшение средней ледовитости Баренцева моря на 30 %, увеличение температуры в Гольфстриме в среднем на 2 град. С и в районе Баренцева моря на 1.5 град. С в 1958–2017 гг. Установлено. что скорость течения в стрежне Гольфстрима увеличилась на 0.02 м/c, а на его северной границе на 0.04 м/c. Скорость в районе северной границы Южного пассатного течения увеличилась на 0.1 м/c. Скорость Трансарктического течения уменьшилась на 0.03 м/c. Направления и значения линейных трендов совпадают с аналогичными оценками ледовитости в Баренцевом море и температуры в районе Гольфстрима, полученными ранее. Отрицательный тренд изменения скорости Трансарктического течения, приносящего холодную воду из Арктики, сопровождается положительным трендом температуры в Баренцевом море и отрицательным трендом ледовитости. Рассчитанные между ними коэффициенты корреляции равны соответственно –0.72 и 0.57. Полученные тренды в изменчивости температуры и скорости течений хорошо согласуются с результатами опубликованных исследований изменчивости океанических процессов в Северной Атлантике и Мировом океане в целом, включая: сдвиг к полюсу основных океанических круговоротов в течение последних четырех десятилетий, усиление западных течений и увеличение в них температуры воды. Эти результаты могут служить объяснением наличия положительных трендов в изменчивости скорости течений на северных границах Гольфстрима и Южного пассатного течения, а также высоких значений коэффициента корреляции между ними. Коэффициент линейного тренда скорости течения в районе северной границы Гольфстрима выше, чем в его стрежневой части, что также указывает на сдвиг течения к северу. Необходимо отметить, что в основном этот сдвиг имел место с 1960-х до середины 1990-х гг., что отмечается также в результатах расчетов на модели INMOM. Согласованность изменчивости среднегодовой температуры в Баренцевом море с вариациями скорости на северной границе Южного пассатного течения с запаздыванием в один год (коэффициент корреляции равен 0.72) также может быть обусловлена одновременными смещениями к полюсу основных океанических круговоротов. Полученные оценки подтверждают существенное влияние тепломассопереноса в направленной к северу ветви Глобального Конвейера на Арктический регион. На основе полученных в рамках отдельных задач результатах сформулирована и качественно обоснована гипотеза о постепенном продвижении «атлантификации» вдоль траектории распространения АВ в Арктическом бассейне СЛО. Показано, что наблюдаемое в настоящее время сокращение площади арктического морского льда и его утоньшение, изначально вызванное повышением температуры воздуха, стало «спусковым механизмом», обеспечившим интенсификацию обратных связей, которые в условиях преобладания толстого сплоченного льда либо вообще не проявлялись, либо были малоэффективными. Именно действием таких обратных связей можно объяснить усиление трансформации атлантической воды и ее влияния на ледяной покров - «атлантификацию» восточной части бассейна Нансена. В качестве вероятной перспективы, можно предположить, что более интенсивный летний прогрев верхнего перемешанного слоя вследствие удлинения периода открытой воды на значительных акваториях СЛО, на каком-то этапе приведет к ситуации, когда поступающая в Арктический бассейн атлантическая вода сольется с прогретым верхним перемешанным слоем (т.е. сезонный термоклин заметно ослабнет или даже сменит знак?). Следствием этого может стать резкое возрастание глубины зимнего конвективного перемешивания вдоль траектории распространения АВ, в результате чего теоретически возможна ситуация, наблюдавшаяся в климатических условиях 20-го века в Норвежском море и в западной части Баренцева моря: круглогодично безледный режим, поддерживаемый интенсивной теплоотдачей из океана в атмосферу. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".