ИСТИНА

В настоящем Проекте ставится задача исследования десятилетней (декадной) и междесятилетней (мультидекадной) изменчивости климата в совместной системе океан-атмосфера в Арктике и Северной Атлантике.

The puspose of the project is investigation of decadal and inter-decadal (multidecadal) climate variability in joint ocean-atmosphere system in the Arctic and the North Atlantic. The significance of the problem arises from the fact that at these timescales contribution of natural oscillations of joint ocean-atmosphere system in the change of climatic characteristics is comparable to the effect caused by external influences, both anthropogenic and natural character. Therefore, the determination of the physical mechanisms of low-frequency oscillations of hydrophysical characteristics of the ocean-atmosphere system is one of the most complex and the most pressing challenges facing modern science. Without finding the causes of these fluctuations is not possible to give a prediction of climate change at a time comparable to the period of these oscillations. For the territory of Russia, the most important climatic changes occur especially in the joint ocean-atmosphere system in the Arctic and the North Atlantic, directly affecting the climate in Eurasia, especially in its European part. These oscillations are not sufficiently reproduced in modern climate models, despite the fact that latter well reproduce the climate change caused by external, mainly man-made factors. However, analysis of the observational data clearly demonstrates the long-term influence of natural climate variability on the evolution of the atmosphere near-surface temperature. In order to determine the nature of the mechanisms responsible for the long-term climatic variability formation, it is necessary to answer the question about what physical processes meet these changes. This project is a comprehensive study aimed to identify such processes. The research in the scope of the Project will be conducted in three directions. At the first direction, we will analyse atmosphere and ocean state observation data obtained from public databases of modern reanalysis. These data will allow us not only to estimate the magnitude and spatial scale of the studied climatic signals, but also to characterize the manifestations of variability of decadal large-scale processes in hydro-physical characteristics of the joint ocean-atmosphere system, both individually and collectively. This can provide the high reliability of the results when working over the present project. However, the downside of this direstion is the short length of the time series reanalysis, which does not allow one to obtain the statistical characteristics of multidecadal variability with a sufficient degree of significance. Therefore, an additional method for studying this problem in the scope of this project is the numerical simulation. In the scope of the second direction of research over the Project, the numerical experiments with a new version of the global ocean general circulation model INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) will be carried out using the prescribed realistic atmospheric forcing by scenarios of 300-500 years long, designed for the international program CORE (Coordinated Ocean-ice Reference Experiments, http://www.clivar.org/clivar-panels/omdp/core-2). Since the mechanisms of decadal and interdecadal variability are determined mainly by the variability of the ocean circulation as the most inertial component of Earth's climate system, in this research direction we will determine the processes corresponding to the studied climatic oscillations. Using the results of these experiments, it is supposed to study the basic mechanisms of thermohaline circulation variability, and the key aspects of its manifestation in the characteristics of the heat, fresh water, and momentum fluxes at the ocean surface, as well as and the impact on it of mutual exchanges with the Arctic waters. In the scope of the planned experiments, the specialized techniques will bi applied for monitoring water age. This will get a clear conclusion about the nature of decadal and multidecadal climate variability in the North Atlantic - Arctic system. The third direction of the ​​research over the project will be the analyzing results of numerical experiments of the Earth system model INMCM5 (Institute of Numerical Mathematics Climate Model, Version 5), performed for at least 500 years in the framework of the program CMIP6 (Coupled Model Intercomparision Project, Phase 6, http://www-pcmdi.llnl.gov/projects/cmip/). On the one hand, this will allow us to more objectively evaluate the statistical characteristics of multidecadal oscillation,s and on the other - to determine the possibility of predicting them. In the analysis of these experiments we will use the original methods developed by the project team for analyzing circulation of the joint atmosphere-ocean system and its sensitivity to internal and external disturbances. As a practical result, the system will be constructed to assess the potential climate predictability using the indices of Atlantic multidecadal oscillation (AMO) and Pacific Decadal Oscillation (PDO), verified by the results of ensemble simulations for the states with the predefined index values. The complex studies in the scope of this project will be performed by means of the Institute of Numerical Mathematics and the State Oceanographic Institute with the participation of the Moscow State University students.

В рамках заявляемого Проекта по результатам статистического анализа данных атмосферных и океанических реанализов за 1948-2016 гг. будут выделены долгопериодные тренды в изменчивости гидрофизических характеристик и потоков тепла и оценены их вклады в общую изменчивость совместной системы океан-атмосфера в акватории Северной Атлантики, включая переходную область между Атлантикой и Северным Ледовитым океаном. Данный анализ позволит исследовать ту часть климатической изменчивости, которая непосредственно обусловлена внешними, главным образом, антропогенными факторами. После удаления долгопериодных трендов, для выявления основных энергонесущих периодов в совместной системе океан-атмосфера планируется провести статистический анализ естественных колебаний десятилетнего и более низкочастотного масштаба ключевых климатических параметров. Кроме этого, будут идентифицированы состояния климатической системы, отвечающие экстремальным величинам индексов Североатлантического колебания и Атлантической мультидекадной осцилляции осцилляции (АМО), а также выявлен характер совместного с атмосферой проявления климатических изменений. Будут охарактеризованы проявления изменчивости крупномасштабных процессов десятилетнего масштаба в гидрофизических характеристиках совместной системы океан-атмосфера, как по отдельности, так и совместно. Основной механизм десятилетней и междесятилетней изменчивости заключается в изменчивости циркуляции океана как самого инерционного звена климатической системы Земли. Поэтому в рамках Проекта будут проведены эксперименты, обработка и анализ их результатов с глобальной моделью общей циркуляции океана INMOM с предписанным реальным атмосферным воздействием по сценариям длительностью 300-500 лет, разработанным для международной программы CORE. В этом направлении исследований будут выясняться собственные океанические процессы, отвечающие изучаемым климатическим колебаниям. В рамках планируемых экспериментов будут применяться специальные методики, позволяющие оценить время жизни глубинных вод, а также времена обращения их в циркуляционных ячейках океана. Это даст оценку характеристик декадной и мультидекадной изменчивости циркуляции океана. Этот подход также позволит оценить временной масштаб обращения вод в термохалинной циркуляции и, тем самым, проверить гипотезу о том, что период 60-летних колебаний интенсивности меридиональной циркуляции в Атлантике определяется именно этим движением вод, которое с некоторым запаздыванием (порядка 10 лет) влияет на термическое состояние поверхности океана, тем самым формируя собственную долгопериодную изменчивость термохалинной циркуляции. Для проведения этих экспериментов будет использоваться улучшенная версия модели океана INMOM с усовершенствованным описанием процессов турбулентного обмена, а также динамики и термодинамики морского льда. При выполнении Проекта будет проведена также модификация системы управления запуском модели INMOM с помощью т.н. каплера - системы гибкого взаимодействия с внешними объектами, в качестве которых могут выступать как модель атмосферы, так и альтернативная внешняя модель морского льда. Эта система позволит также более эффективно использовать параллелизацию расчётов на суперкомпьютере типа «Ломоносов». По результатам экспериментов с моделью Земной системы INMCM5, проведённых в рамках программы CMIP6, будут выделены декадные и мультидекадные моды изменчивости в совместной системе океан-атмосфера. Будет проведён анализ собственных мод совместной системы с помощью динамико-стохастического подхода. Данные исследования позволят связать пространственную структуру мод изменчивости с собственными модами системы. С помощью версии модели с высоким вертикальным разрешением в атмосфере будет исследована роль стратосферы в механизме поддержания АМО. Планируется исследовать связь чувствительности системы к малым внешним воздействиям с её долгопериодными модами. Будет проанализирована потенциальная предсказуемость модели в зависимости от индексов АМО и ТДК и проведено её сравнение с предсказуемостью других моделей IPCC. В качестве практического результата будет построена система оценки потенциальной предсказуемости по индексам АМО и ТДК. Будут определены наиболее предсказуемые характеристики климатической системы и географические области с наибольшей потенциальной предсказуемостью. В результате проведённого анализа будут получены новые данные о структуре декадных, мультидекадных и столетних собственных мод в климатической системе и будет выяснена роль ключевых физических процессов, предположительно ответственных за поддержание АМО. Будет проверена и уточнена теория декадных колебаний, вызванных взаимодействием совместной системы Северная Атлантика – Северный Ледовитый океан – Атмосфера. По мнению авторов Проекта, планируемые результаты внесут заметный вклад в понимание физики климатообразующих процессов. Анализ данных наблюдений позволит также сопоставить их с результатами моделирования для проведения верификации используемых моделей. Результаты данных исследований могут быть востребованы в долгосрочном экономическом планировании. Все планируемые результаты на настоящее время являются новыми и планируются к опубликованию в центральных научных журналах.

Одной из сложных и актуальных задач, стоящих перед современной наукой об изменчивости климата является определение физических механизмов десятилетних (декадных) и междесятилетних (мультидекадных) низкочастотных колебаний гидрофизических характеристик системы океан-атмосфера. Эти колебания в недостаточной степени воспроизводятся в современных климатических моделях, притом, что последние хорошо воспроизводят изменения климата, вызванные внешними, главным образом, антропогенными факторами. Для территории России особенно важны климатические изменения, происходящие в совместной системе океан-атмосфера в Арктике и Северной Атлантике, которые напрямую влияют на климат в Евразии, особенно на её европейскую часть. Естественные долгопериодные колебания климата хорошо проявляются в эволюции индекса Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО) (аномалия ТПО в Атлантике от экватора до 60N), характеризующей температуру поверхности океана в Северной Атлантике. Для установления характера механизмов, ответственных за формирование долгопериодной климатической изменчивости, в проекте исследуется декадная и мультидекадная изменчивость климата в совместной системе океан-атмосфера в Арктике и Северной Атлантике. Именно на этих временных масштабах вклад собственных колебаний совместной системы океан–атмосфера в изменения климатических характеристик сравним с эффектом, вызываемым внешними воздействиями, как антропогенного, так и естественного характера. Исследования по проекту в соответствии с заявленными задачами разделяются на три направления. По первому направлению представлены результаты статистического анализа данных о приповерхностных метеохарактеристиках из атмосферных реанализов European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ReAnalysis (ERA-40), National Centers for Environmental Prediction – Department of Energy Atmospheric Model Intercomparison Project (NCEP-DOE AMIP-II (R-2)) и Coordinated Ocean Research Experiments (CORE) совместно с океаническими реанализами Ocean Reanalysis System (ORA-S3), Ocean Reanalysis System 4 (ORA-S4), Simple Ocean Data Assimilation (SODA), Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL), German contribution of the Estimating the Circulation and Climate of the Ocean project (GECCO2) и Coordinated Ocean Research Experiments version 2 (COREv2) для Северной Атлантики. Здесь изучались данные о температуре, солености, уровне моря, касательном напряжении трения ветра, толщине верхнего квазиоднородного слоя, скрытом и явном потокам тепла на поверхности океана, коротковолновой и длинноволновой радиации. По результатам исследования установлено, что в Северной Атлантике в период 1961–2008 гг. происходит долгопериодная интенсификация субтропического круговорота. Она отражается в значимом повышении уровня моря, температуры и солености океана. Также, в Северной Атлантике отмечена значимая тенденция к распреснению субполярного круговорота вместе с ослаблением конвективных процессов в высоких широтах, что, по-видимому, происходит вследствие таяния льдов в Арктике. Второе направление исследований по проекту связано с применением модели общей циркуляции океана – Institute of Numerical Mathematics Ocean Model (INMOM). За отчетный период в рамках этого направления выполнена модификация и улучшение этой модели для проведения дальнейших исследований совместной циркуляции Атлантики и Арктического бассейна. Здесь были выполнена реализация нового модуля вертикального и горизонтального турбулентного обмена для адекватного воспроизведения гидрометеохарактеристик в высоких широтах и усовершенствования встроенного в INMOM модуля морского льда. Кроме этого, в соответствии с программой исследований по проекту, выполнен анализ существующих каплеров ESMF (Earth System Modeling Framework), MCT (Model Coupling Toolkit) и OASIS (Coupler for Ocean Atmosphere Sea Ice Soil), необходимых для совместного использования моделей общей циркуляции океана и атмосферы, а также морского льда. Этот анализ показал, что, наиболее подходящим для работы совместной системы INMOM и продвинутой модели морского льда – Los Alamos Sea Ice Model (СICE), которая используется для воспроизведения параметров морского льда во многих зарубежных исследований, является каплер ESMF. На основе этого каплера была выполнена реализация совместной модели циркуляции океана INMOM и термодинамики-динамики морского льда CICE. В направлении увеличения быстродействия модели INMOM выполнена реализация двух режимов параллельной версии модели: режим High-Communication No-Extra Computation, который использует большое количество перессылок между процессорами, но не использует лишние вычисления и режим Low-Communication High-Extra Computation, который уменьшает количество перессылок в блоке расчета быстрых баротропных волн за счет увеличения внерасчетной области и лишних вычислений, выполненной на суперкомпьютере типа «Ломоносов». Показана производительность совместной модели в зависимости от числа ядер суперкомпьютера. Таким образом INMOM подготовлена для запланированных экспериментов по воспроизведению циркуляции Мирового океана в целом и Атлантики с Арктическим бассейном, в частности. В рамках третьего направления исследований по проекту за отчетный период были проанализированы климатические характеристики новой версии климатической модели INM-CM5 (Institute of Numerical Mathematics – Climate Model, версия 5). Для анализа использовались данные трех экспериментов по моделированию климата Земли за период 1850-2014гг. с реально наблюдаемыми внешними воздействиями (эксперименты отличались начальными условиями, воздействия задавались в соответствии с протоколами проекта CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project, Phase 6)). Изменчивость климатической модели (в том числе и мультидекадной) рассчитывалась по данным продолжительного (1200лет) эксперимента по моделированию прединдустриального климата (внешние воздействия фиксировались условиями 1850г.). Показано, что в целом в модели INM-CM5 произошло уменьшение нормы ошибок воспроизведения современного климата по сравнению с предыдущей версией модели (примерно на 30% для средней температуры поверхности). Большинство установленных ошибок модели присущи также большинству современных моделей климата. Модель удовлетворительно воспроизводит явление Эль-Ниньо и основные моды атмосферной циркуляции. Таким образом, использование данной версии модели для исследования природы мультидекадной изменчивости в климатической системе представляется целесообразным. Следуя плану исследований, по данным трех модельных исторических экспериментов были построены временные ряды индексов АМО и Тихоокеанского декадного колебания (ТДК) (проекция аномалии ТПО на первую собственную моду в Тихом океане на широтах 20-60N). Известно, что в данных наблюдений выделяется выраженное колебание индекса АМО с периодом 60-70 лет. Однако ни один из модельных экспериментов не показывает явно выраженных колебаний индекса АМО с таким периодом. Вместо этого, для колебания характерен широкий спектр в интервале 20-60лет. В тоже время, и имеющихся данных наблюдений (и моделирования) недостаточно, чтобы статистически значимо утверждать о периоде АМО. Похожая ситуация имеет место и для индекса ТДК, с той лишь разницей что и в данных наблюдений не выделяется единственного периода. Ни один из трех модельных экспериментов не воспроизвел временной ход индексов ТДК и АМО близко к наблюдаемому, что говорит о том, их предсказуемость не определяется внешними воздействиями, а является классической задачей прогноза по начальным условиям. Для уточнения полученных результатов был выполнен статистический анализ данных 1200-летнего эксперимента по моделированию прединдустриального климата, где статистическая значимость определения характеристик ТДК и АМО надежна. В соответствии с программой проекта для полей поверхностной температуры и солености океана, а также температуры 300-метрового верхнего слоя были вычислены низкочастотные эмпирические ортогональные функций (ЭОФ), комплексные ЭОФ и определены кросс-спектры колебаний в проекции на ведущие ЭОФ. Анализ показывает, что в модели выделяются мультидекадные колебания в Тихом океане с характерными периодами 100, 50, 30-35 лет и 22-23 года. Ведущая мода изменчивости, ответственная за 42% полной дисперсии, представляет собой колебание интенсивности и положения Куросио, такое, что при увеличении расхода течения оно смещается к северу. Вероятной причиной существования такой моды является положительная обратная связь между скоростью течения, адвекцией температуры и разностью температуры между теплой и холодной водой в районе океанического фронта. В Атлантике доминирует мода (30% дисперсии), связанная с выносом крупномасштабной аномалии температуры с севера рассматриваемой области вниз и сменой ее знака противоположенный. Кросс-корреляционный анализ выделяет два максимума ее амплитуды – 30 и 60-75 лет. Сделанный анализ подтверждает следующий вывод: ни ТДК, ни АМО не выделяются в климатической модели в виде доминантных мод изменчивости и не имеют единственного выделенного периода. В 2018 году для установления характера механизмов, ответственных за формирование долгопериодной климатической изменчивости, в проекте продолжены исследования декадной и мультидекадной изменчивости климата в совместной системе океан-атмосфера в Арктике и Северной Атлантике. Для территории России эти исследования особенно важны, т.к. климатические изменения в исследуемом регионе напрямую влияют на климат в Евразии, особенно на её европейскую часть. Исследования по проекту в соответствии с заявленными задачами разделяются на четыре направления. В рамках первого направления проведен анализ степени и характера связей Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО) и гидротермодинамических характеристик перемешанного слоя и потоков тепла на границе океан-атмосфера в Северной Атлантике на основе результатов современных ре-анализов циркуляции океана и атмосферы. Использованы среднемесячные данные о температуре, солености, уровне моря, зональной и меридиональной компонентах скорости течений из находящихся в открытом доступе океанических ре-анализов ORA-S3 за период 1959 – 2011 гг., ORA-S4 за период 1958 – 2014 гг., SODA 2.1.6 за период 1958 – 2008 гг., GFDL за период 1961 – 2015 гг., GECCO2 за период 1948 – 2014 гг. Данные о толщине верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) привлекались из массивов ORA-S3 и GFDL. Также использованы среднемесячные данные по скрытому и явному потоку тепла, балансам на поверхности океана коротковолновой и длинноволновой радиации из массива Coordinated Ocean Research Experiments version 2 (COREv2) за период 1949–2006 гг. Были получены следующие научные результаты. Показано, что мультидекадные изменения температуры и толщины верхнего квазиоднородного слоя, а также уровня моря статистически значимы и носят согласованный характер. Конвективное перемешивание вод в высоких широтах в среднем выше в отрицательную фазу АМО, за исключением события Великой соленостной аномалии. Крупномасштабные изменения уровня моря, обусловленные АМО, наиболее выражены в восточной части Северной Атлантики. Мультидекадные изменения суммарных потоков тепла на поверхности океана и горизонтальной адвекции тепла согласованы. Усиление (уменьшение) горизонтальной адвекции тепла в отрицательную (положительную) фазу АМО приводит к увеличению (уменьшению) отдачи океаном тепла в атмосферу в западной части субтропического круговорота. При этом мультидекадные изменения величин горизонтальной адвекции тепла в большей степени обусловлены изменением динамики течений, а не температурных градиентов. Мультидекадный рост температуры соответствует ослаблению (интенсификации) циркуляции в циклоническом (антициклоническом) океаническом круговороте. Таким образом, мультидекадные изменения температурного режима перемешанного слоя в большей степени определяются не потоками тепла на поверхности океана, а изменением общей динамики океана. В рамках второго направления подготовлена новая версия российской модели циркуляции океанов и морей INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) для ретроспективного воспроизведения циркуляции Мирового океана и изучения изменчивости климата Атлантики и Арктики. Эта глобальная версия INMOM реализована в криволинейной ортогональной сферической системе координат со смещенным северным полюсом, расположенным в точке с координатами 90°в.д., 60°с.ш. Пространственное разрешение модели составляет 1°х0.5° по горизонтали и 33 сигма-уровня, неравномерно распределённых по глубине со сгущением у поверхности океана. Для повышения параллельной эффективности был реализован метод балансировки для более равномерной нагрузки вычислений на процессорах с использованием кривых Гильберта Этот метод был протестирован на кластере ИВМ РАН для вышеописанной модели Мирового океана Показано, что реализованный метод балансировки нагрузки вычислений дает хорошее ускорение. Для Мирового океана получено ускорение порядка 20-25%. С помощью этой модели проведены расчёты циркуляции Мирового океана на 30 лет с внешним воздействием, рассчитанным по данным нормального года из базы CORE. Были рассчитаны поля среднеклиматических характеристик Мирового океана, которые находятся в хорошем соответствии с наблюдаемыми. Рассчитанный перенос массы в верхнем километровом слое близок к тому, который получены с помощью современных моделей схожего пространственного разрешения. Проведён анализ циркуляции в Атлантике как одном из основных звеньев климатической системы Земли. Также по второму направлению работ реализована совместная модель циркуляции и динамики и термодинамики морского льда с использованием моделей INMOM+CICE для Западно-Арктических морей России. Были реализованы модули считывания, обработки и передачи в INMOM атмосферных характеристик, рассчитываемых на основе региональной модели атмосферы WRF для Западно-Арктических морей России. Подготовлен реанализ атмосферных характеристик для планируемых ретроспективных расчетов циркуляции и динамики и термодинамики морского льда. С использованием совместной модели INMOM+CICE для Западно-Арктических морей России были проведены расчеты для отдельных зим за период с 2000 по 2014 г., выполнен их анализ и сравнение с данными ААНИИ, произведена калибровка параметров моделей INMOM и CICE. Получено, что совместная модель морской циркуляции и динамики и термодинамики морского льда на основе моделей INMOM+CICE позволяет адекватно воспроизводить ледовое поле на акватории Западно-Арктических морей России. Кроме того, результаты расчетов по этой модели использовались для воспроизведения дрейфа айсберга в Баренцевом море. В дальнейшем планируется использовать совместную модель INMOM+CICE для воспроизведения и прогноза дрейфа айсбергов в Баренцевом и Карском морях. В рамках третьего направления исследовалась природа естественного колебания климата в Арктике и северной Атлантике с характерным периодом около 60 лет. Для этого использовались данные модели климата INMCM5. Модель имеет разрешение в атмосферном блоке 2х1.5 градуса и 73 уровня, в океанском блоке 0.5х0.25 градуса и 40 уровней. Эксперимент проводился в режиме прединдустриального климата, все воздействия были фиксированы на уровне 1850г. Показано, что за четверть периода до арктического потепления имеет место усиление притока атлантической воды в Арктику, которое обусловлено отрицательной аномалией солености у берегов или у границы шельфа на глубинах до 1000м. В это время верхний слой Северной Атлантики более пресный и холодный, чем обычно. Во время арктического потепления приток атлантической воды также больше среднего и поддерживается кроме градиента солености соответствующим напряжением трения ветра. Через четверть периода после арктического потепления соленость у берегов и на шельфе становится больше средней, что приводит к уменьшению притока атлантической воды в Арктику и к переходу в холодную фазу. С помощью вычисления генерации энергии 60-летнего колебания показано, что основной вклад в генерацию аномалий вносит перенос температуры и солености течениями. Меньшую роль в случае температуры играет увеличение поглощения атмосферной радиации. Потоки тепла из океана в атмосферу вносят отрицательный вклад в генерацию океанских аномалий температуры в Арктике. Изменение фазы 60-летнего колебания в Арктике происходит целиком за счет переноса температуры и солености крупномасштабными течениями. Техника оценки вклада в эволюцию фазы колебания, насколько представляют авторы, разработана и применена впервые. По четвертому направлению анализ низкочастотных мод циркуляции в Арктике был проведен для модели ИВМ РАН INMCM5 [Volodin et al., 2017], являющейся следующей версией по отношению к модели INMCM4 [Володин и др., 2013], принимавшей участие в программе CMIP5. Была проанализирована низкочастотная изменчивость температуры и солености на поверхности океана в северных широтах по данным прединдустриального эксперимента продолжительностью 1200 лет с климатической моделью ИВМ РАН INMCM5. Показано, что ведущая мода изменчивости (АМО) имеет вид регулярного совместного колебания температуры и солености с периодами 33, 50 и 80 лет (для ТПО преобладает период 50лет). С помощью методики, основанной на использовании флуктуационно-диссипационных соотношений, построены функции влияния, обеспечивающие оптимальное возбуждение фаз данного колебания. Показано, что основной вклад в поддержание колебания вносят аномалии солености. С помощью метода аналогов и метода LIM определено время потенциальной предсказуемости полей температуры и солености на поверхности, равное примерно 6ти годам для 15-ти летних средних. Основным источником долгосрочной предсказуемости является пространственная структура, соответствующая ведущей моде низкочастотной изменчивости в Арктике. Предсказуемость АМО в модели INMCM5 несколько меньше, чем в моделях IPCC аналогичного уровня, таких как CCSM4 и MPI-MR. Отметим, что в отчетный период выполнена часть плана работ 2019г (задача об оптимальном возбуждении АМО), соответственно, работы посвященные исследованию ТДК перенесены на 2019 г. В 2019 году для установления характера физических механизмов, ответственных за формирование долгопериодной климатической изменчивости, в проекте продолжены исследования декадной и мультидекадной изменчивости климата в совместной системе океан-атмосфера в Арктике и Северной Атлантике. Для территории России эти исследования особенно важны, т.к. климатические изменения в исследуемом регионе напрямую влияют на климат в Евразии, особенно на её европейскую часть. Кроме того, изучена потенциальная предсказуемость изменений климата в Тихом океане. Исследования по проекту в соответствии с заявленными задачами велись по четырём направлениям. В рамках первого направления выявлены связи ведущих эмпирических ортогональных функций (ЭОФ) полей температуры и толщины верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) Северной Атлантики (СА) с климатическими сигналами межгодового и мультидекадного масштабов. Использовались среднемесячные данные океанического ре-анализа ORA-S3 за период 1959–2011 гг. Сначала было выявлено, что значительная часть ВКС СА характеризуется в исследуемый период потеплением и уменьшением его толщины во все сезоны. После удаления линейного тренда аномалии температуры и толщины ВКС в отдельные сезоны разложены по ЭОФ. Три ведущих ЭОФ описывают более 50% общей изменчивости температуры и толщины ВКС. Первая ЭОФ имеет подковообразную структуру и представляет собой когерентные изменения температуры и толщины ВКС по всей акватории СА, проявляющиеся во все сезоны года. Эта мода связана с Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО). Коэффициент корреляции между временными коэффициентами первой ЭОФ и индексом АМО достигает 0.88 в октябре. Пространственная структура второй ЭОФ в зимне-весенний период представляет собой классический триполь и обусловлена Североатлантическим колебанием (САК). Временной коэффициент второй ЭОФ температуры ВКС в Северной Атлантике и индекс САК значимо коррелируют синхронно (0.51) и при опережении индекса САК на 11 лет (0.35). Вторая ЭОФ температуры ВКС в летне-осенний период связана с Атлантической меридиональной модой (корреляция 0.47). Третья ЭОФ, которая типична для колебаний температуры ВКС в январе, соответствует Восточноатлантическому колебанию с корреляцией 0.33. Таким образом получен новый результат, что первые три моды статистического разложения по ЭОФ температуры ВКС оказались тесно связаны с конкретными атмосферными и океаническими процессами. о данным атмосферных реанализов NCEP/NCAR за 1948–2017 гг. и NCEP/DOE за 1979–2017 гг. выполнено исследование процессов влияния квазишестидесятилетних колебаний климата на изменения уровня Каспийского моря. Показано, что изменения уровня Каспийского моря тесно связаны с многолетними крупномасштабными изменениями в поле приповерхностного ветра над его регионом. Последние происходят в результате перестройки атмосферной циркуляции над Евразией, тесно связанной с фазами АМО. Сами изменения в поле ветра оказывают сильное влияние на режим испарения с зеркала Каспийского моря. В рамках второго направления cоздана новая версия российской модели общей циркуляции океана INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model), изначально созданная как океанский компонент модели земной системы (Дианский, 2013). Базовые уравнения модели, использующие т.н. сигма-систему координат, сформулированы в терминах полной нелинейной свободной поверхности с учётом изменения объёма акватории, с усовершенствованным описанием гидродинамических и диффузионных процессов, обмена с атмосферой и характеристик морского льда. В INMOM инкорпорирована упрощенная модель динамики-термодинамики морского льда. В модуле термодинамики температура льда и снега рассчитывается диагностически на каждом шаге по времени, исходя из предположения линейности её профиля внутри каждой из твёрдых сред. Модуль переноса льда реализован на основе схемы MPDATA. Модуль динамики льда реализован на основе упруго-вязко-пластичной реологии (Hunke and Dukowicz, 2001). Программный комплекс адаптирован для расчёта на многопроцессорных системах с распределённой памятью по технологии MPI, включая процедуры чтения из файлов и записи в них, при этом для решения уравнений мелкой воды используется библиотека PETSC (Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation). Построена вихредопускающая модель циркуляции Мирового океана с пространственным разрешением 0.25° по горизонтали и 33 сигма-уровнями по вертикали, предназначенная для изучения климатический изменчивости общей циркуляции океана. Проведены расчёты циркуляции глобального океана с использованием среднеклиматических атмосферных данных из базы CORE. Проведён анализ полученных результатов, который показал адекватное воспроизведение характеристик циркуляции Мирового океана и морского льда. Изучена меридиональная структура климатических трендов и аномалий потенциальной температуры и солёности вод СА в различные фазы АМО за 1948 – 2017 гг. по данным объективных океанских анализов EN4 и WOA2013. Показано, что долгопериодные тренды изменений температуры и солености в верхнем ~1-км слое характеризуются потеплением и осолонением вод. В глубинных же слоях, наоборот, наблюдается их похолодание и распреснение, что связывается с таянием льдов Гренландии, выносом распресненных вод из Северного Ледовитого океана (СЛО) и затягиванием этих холодных и более пресных вод в глубинные слои. Композитный анализ зонально-осредненных детрендированных аномалий температуры и солёности вод СА, что в тёплые периоды АМО по сравнению с холодными наблюдается потепление и осолонение в верхнем 1-км слое СА, а ниже 1-км слоя наблюдаются значительные области похолодания и распреснения, причём такое распределение более ярко проявляется в данных EN4. Показано, что зонально-осредненные аномалии температуры и солёности в последовательные периоды АМО распространяются по ходу зонально осреднённой меридиональной функции тока атлантической меридиональной опрокидывающейся циркуляции (АМОЦ), которая была рассчитана с помощью модели океана ИВМ РАН INMOM. Показано, что положительные и отрицательные аномалии как температуры, так и солёности циркулируют по ходу движения вод в АМОЦ вокруг ее ядра, опускаясь в глубинные слои океана примерно на 60°N и поднимаясь на поверхность на 25°N, сменяя друг друга с периодом около 60 лет. Можно предположить, что благодаря этому формируются и сами тёплые и холодные фазы АМО. Завершена разработка совместной модели INMOM-CICE, в которой используется продвинутая многослойная модель морского льда CICE [https://github.com/CICE-Consortium/]. С ее помощью проведены расчеты циркуляции, состояния вод и морского льда для западных морей российской Арктики (Баренцево, Белое и Карское моря) за период с 1989 по 2018 гг. с атмосферным воздействием, рассчитанным по модели WRF. Показана значительная межгодовая изменчивость в площади покрытия льдом исследуемой акватории. А на синоптических масштабах максимальные скорости дрейфа льда достигаются в прикромочных областях. Разработан прототип технологии даунскейлинга, в которой осуществляется подготовка граничных условий в совместную модель INMOM-CICE для западных морей российской Арктики на основе результатов расчетов общебассейновой модели СЛО, выполненных по глобальной модели INMOM. По совместной модели INMOM-CICE проведено также моделирование циркуляции Охотского моря и исследован ее отклик на прохождение трех глубоких циклонов. В рамках третьего направления по данным прединдустриального численного эксперимента с моделью земной системы (МЗС) ИВМ РАН INMCM5 (Institute of Numerical Mathematics Climate Model, версия 5) продолжительностью 1200 лет проведено исследование колебания климата в Арктике с периодом около 15 лет. Показано, что генерация аномалий температуры в СЛО обеспечивается переносом тепла океанскими течениями и, в меньшей степени, поглощением солнечной радиации. Изменение фазы колебания происходит примерно в равной степени за счет переноса тепла океанскими течениями и за счет потока тепла из атмосферы в океан, прежде всего потока явного тепла. В свою очередь, аномалии течений генерируются напряжением трения ветра. Индекс САК достигает максимума за 1-2 года до максимума температуры в Арктике. Связанное с этим аномалия напряжения трения ветра генерирует течения, которые приносят больше атлантической воды в СЛО и приводят к максимуму температуры. В СА аномалии течений, связанные с 15-летним колебанием, также являются ветровыми. Генерация аномалий температуры и эволюция фазы колебания температуры происходит там за счет аномалии переноса тепла океанскими течениями. За 2 года до максимума температуры в Арктике имеет место также максимум меридиональной функции тока в Атлантике вблизи 35°N. В рамках четвертого направления исследований получена оценка потенциальной предсказуемости модели климата INMCM5 в Тихом океане в сравнение с предсказуемостью МЗС MPI-MR (MPI, Германия) и CCSM4 (NCAR, США). Выделены наиболее предсказуемые характеристики совместной модели и географические области с наибольшей потенциальной предсказуемостью в Тихом океане. Проведен анализ собственных мод линейной динамико-стохастической модели низкочастотной компоненты циркуляции в Тихом океане. С помощью применения флуктуационно-диссипационных соотношений найдены оптимальные способы возбуждения ТДК. Результаты расчетов верифицированы с помощью ансамблевых расчётов с МЗС INMCM5.