Современные изменения гидрометеорологических условий в Баренцевом море, как индикатор климатических трендов в евразийской Арктике в 21-м веке (РФФИ)НИР

Current changes in hydrometeorological conditions in the Barents sea as an indicator of climate trends in the Eurasian Arctic in the 21st century

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 30 июня 2018 г.-31 декабря 2018 г. Подготовка исходных данных и формулировка рабочих гипотез
Результаты этапа: Выполнен систематический анализ материалов гидрологических наблюдений в Баренцевом море. Получены результаты анализа, включающие распределения гидрологических параметров на вертикальных разрезах, TS-диаграммах и на вертикальных профилях в отдельных точках, а также базовые статистики для повторяющихся разрезов/профилей (напр. разрез «Кольский меридиан»).
2 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Отладка и тестирование моделей и выполнение предварительных расчетов
Результаты этапа: Выполненная за отчетный период работа полностью соответствовала запланированным на первый год проекта задачам. Проведен систематический анализ материалов гидрологических наблюдений в Баренцевом море, содержащихся в базе данных Климатического Атласа Северо-Европейского бассейна. В дополнение к имеющимися в базе данных профилям, в рабочий массив были включены новейшие данные, полученные в экспедиции «Трансарктика-2019» (1-й этап) в Баренцевом море, в которой принимали участие участники проекта. Проведен предварительный анализ гидрологических данных. Рассчитаны базовые статистики для повторяющихся разрезов/профилей и построены временные ряды. Загружены в базу данных проекта данные океанского реанализа МЕРКАТОР по Баренцеву морю за временной интервал 2007-2019. Разработан и протестирован графический интерфейс пользователя для загрузки данных атмосферного реанализа ECMWF ERA5, который заменит функционирующий до середины 2019 года атмосферный реанализ ERA-Interim. Выполнено обобщение существующих сведений о наиболее вероятных процессах формирующих современные гидрологические условия в приатлантической Арктике, включающей Баренцево море и западную часть бассейна Нансена. Для исследования особенностей многолетней изменчивости стерического уровня в Баренцевом море была проведена выборка квадратов, наиболее обеспеченных океанографическими данными и рассчитаны сезонные и межгодовые статистики. Были систематизированы документированные случаи холодных вторжений в Баренцево море. В качестве индекса холодных вторжений использовалась разность среднесуточных потенциальных температур поверхности моря и на высоте 700 гПа. Для каждого дня были рассчитаны средние значение индекса для свободной ото льда акватории Баренцева моря. Установлено, что наибольших значений индекс достигает в период со второй половины декабря и до конца марта, что соответствует поступлению наиболее холодного воздуха в Баренцево море. Выполнены расчеты параметров ветрового волнения в Баренцевом море с 2011 по 2017 год на неструктурированной сетке при помощи волновой модели WAVEWATCH III 4.18. В результате проведенных расчетов для каждого узла получены трехчасовые характеристики ветрового волнения. Объединение расчетных данных с уже имеющимся массивом позволило сгенерировать реанализ характеристик ветрового волнения в Баренцевом море с шагом 3 часа с 1979 по 2017 гг. Были выполнены расчеты турбулентных потоков тепла с учетом морского волнения по реанализу CFSR. Показано, что при учете морского волнения при расчетах шероховатости, турбулентные потоки тепла возрастают в среднем на 14-16 % относительно средней по акватории величины потоков. Наибольшая «добавка» в потоках тепла за счет увеличения шероховатости при волнении отмечается на юго-западе и в центральной части моря, где наблюдается наибольшая средняя высота волн. В холодное время года в этих районах поток явного тепла увеличивается на 25-30 %, а поток скрытого тепла – на 20-25 %. Были проведены тестовые численные эксперименты с моделью WRF-ARW по усвоению данных о шероховатости, полученных из волновой модели. На примере нескольких случаев холодных вторжений, связанных с новоземельской борой, показано, что уменьшение шага сетки модели с 30 км до 5 км в среднем для всей области к западу от Новой Земли приводит к увеличению турбулентного потока явного тепла лишь на 3-4 Вт/м2 (то есть на 5-10 %), хотя амплитуда значений потоков тепла увеличивается почти в 2 раза, что связано с существенно мезомасштабной структурой боры. Были собраны и проанализированы современные материалы, опубликованные в рецензируемых научных журналах, монографиях, отчетах крупных международных и национальных проектов за последнее десятилетие, представляющие современное понимание метеорологических процессов, происходящих в регионе Баренцева моря, механизмы изменений климата в данном регионе, особенности взаимодействия моря и атмосферы, экологические и экономические последствия. Проведено исследование межгодовой изменчивости приповерхностная температура воздуха, являющейся важным индикатором климатической изменчивости в Арктике в силу наличия положительной обратной связи с площадью морских льдов. Полученные оценки увеличения приповерхностной температуры воздуха согласуются как с данными наблюдений, так и со спутниковыми данными. В результате выполненной классификация атмосферных процессов выявлены основные типы барического поля. Для каждого выделенного типа поля атмосферного давления рассчитывалось соответствующее поле температуры воздуха, осредненной по тем же периодам времени, когда существовал данный тип циркуляции. Такой композитный анализ позволил определить положительные аномалии температуры воздуха для района Баренцева моря, обусловленные обширным циклоном и областью блокирования над ним. В межгодовом ходе такая тенденция усилилась в период 2011-2015гг., что должно было способствовать уменьшению доли площади морского льда в регионе.
3 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Анализ результатов обработки данных наблюдений и моделирования
Результаты этапа: Выполненная за отчетный период работа полностью соответствовала запланированным на второй год проекта задачам. На основе материалов, подготовленных в первый год проекта, были выполнены исследования гидрологических процессов в Баренцевом море, способствующих трансформации вод атлантического происхождения вследствие теплоотдачи в атмосферу и затрат на таяние льда в зимний сезон. Показано, что существующая концепция о трансформации поступающих из Норвежского моря Атлантических вод вследствие зимней конвекции в открытом море, требует пересмотра. Новые данные наблюдений, согласованные с продуктами океанского реанализа, указывают на определяющую роль каскадинга с западного шельфа архипелага Новая Земля, как основного механизма, обеспечивающего интенсивное охлаждение Атлантических вод. Принципиально новым результатом является установление факта, что зимняя конвекция над Центральной банкой может быть чисто термической, т.е. для формирования однородного «столба» уплотненной воды над банкой не обязательно требуется осолонение при ледообразовании, что предполагалось ранее в качестве необходимого условия. Выявлена тенденция к расширению зон ускоренного таяния льда снизу в прикромочной ледовой зоне вдоль траекторий распространения Атлантической воды в Баренцевом-Карском морях и в западной части бассейна Нансена. Были выявлены особенности многолетних стерических колебаний уровня в двух характерных районах Баренцева моря. Обобщенная оценка вклада температуры и солености в повышение стерического уровня в Баренцевом море показала, что повышение стерического уровня обусловлено термической составляющей, тогда как соленостная составляющая имеет обратную тенденцию. По данным атмосферного реанализа сделаны оценки повторяемости экстремальных холодных вторжений над Баренцевым морем. Показано, что ее отличает большая межгодовая изменчивость. Получена высокая корреляция между повторяемостью холодных вторжений и средней за холодный сезон потерей тепла с поверхности Баренцева моря. Эта корреляция обнаружена как для турбулентных потоков явного и скрытого тепла, так и для суммарного потока длинноволновой радиации. Показано, что в годы минимальной ледовитости Баренцева моря в его восточную часть протягивается область максимальных значений потока явного тепла, а поток скрытого тепла и суммарный поток длинноволновой радиации также достигают больших абсолютных значений над свободной ото льда водой. Таким образом, восточная часть Баренцева моря становится подвержена сильному выхолаживанию, что может существенно влиять на процессы трансформации водных масс, стратификацию и перемешивание. По результатам моделирования ветрового волнения, выполненного в первый год проекта, было проведено исследование штормовой активности с применением оригинальной авторской методики. На основе полученного каталога штормов были созданы графические анимации параметров волнения и приземного атмосферного давления для каждого из штормов, а также рассчитана повторяемость штормов в Баренцевом море с 1979 по 2017 год. Установлено, что количество штормов в разные годы может меняться в 2–3 раза. При сопоставлении повторяемости штормового волнения и индекса Арктического колебания обнаружено, что максимальный коэффициент корреляции наблюдается при осреднении индекса и повторяемости с декабря по март и составляет 0.6 для случаев с высотой волн более 7 м, и 0.57 если высота более 8 м. Эксперименты по расчету турбулентных потоков тепла с помощью алгоритма COARE показали, что для разных параметризаций шероховатости, напрямую учитывающих волнение, коэффициент шероховатости и турбулентные потоки могут как увеличиваться, так и уменьшаться по сравнению с параметризацией шероховатости Чарнока, не учитывающей явным образом параметры волнения. Сравнение рассчитанных потоков тепла с данными судовых наблюдений разных лет показало, что во время штормов все параметризации шероховатости сильно переоценивают величину потоков. Численные эксперименты с атмосферной моделью WRF и волновой моделью WW3 показали, что аномалия высоты волн во время сильной боры на востоке Баренцева моря достигает 2-3 м, а влияние боры распространяется на расстояние до 200 км от берега. В результате выполненного анализа установлено, что как влияние параметризаций шероховатости морской поверхности на теплообмен океана с атмосферой, так и влияние коэффициента аэродинамического сопротивления в атмосфере на поле волнения велико во время штормов, холодных вторжений и мезомасштабных ветров в Баренцевом море. Применение методов построения самоорганизующихся карт позволило выделить режимы изменчивости концентрации морского льда, температуры поверхности моря, температуры воздуха, потоков тепла и влаги, оценить их взаимосвязи. Выявлена взаимосвязь индекса повторяемости самоорганизующихся карт атмосферного давления, характеризующего типы атмосферной циркуляции, с изменчивостью индекса Арктической Осцилляции. Выделены характерные типы изменчивости потоков тепла и влаги в Баренцевом море, которые модулируются атмосферной циркуляцией в регионе и адвекцией тепла атлантическими водами. Сопоставление результатов анализа атмосферных полей со спутниковыми данными позволили оценить тренды и общую тенденцию изменений температуры поверхности воды, баристатической компоненты уровня океана, связанной с изменениями массы водного столба, и параметрами ледяного покрова. На основании анализа спутниковых данных GRACE и донного мареографа сделан вывод о репрезентативном представлении баристатического уровня Северного Ледовитого океана спутниковыми данными. Установлено, что изменчивость баристатического уровня в Норвежском, Баренцевом и арктических морях России имеют в основном сезонный и внутрисезонный характер, а вклад процессов межгодовой изменчивости составляет менее 20-30%. Анализ сезонной и многолетней изменчивости энергообмена между атмосферой и океаном над Баренцевым морем позволил сделать вывод о возможном существовании положительного тренда потоков над исследуемой акваторией. Выполненные оценки пространственно-временной изменчивости связи турбулентных потоков с типичными для данного региона элементами общей циркуляции атмосферы показали, что на протяжении последних десятилетий области расположения максимумов и минимумов энергобмена между поверхностью Баренцева моря и атмосферой существенно не изменились по сравнению со второй половиной XX века, но возросли значения потоков в атмосферу.
4 1 января 2021 г.-28 мая 2021 г. Обобщение результатов анализа
Результаты этапа: Фундаментальным выводом, полученным в проекте, является заключение о возможности активизации обратных связей в системе «океан–лед–атмосфера» вследствие генерального отступления ледовой кромки в Баренцевом море в северо-восточном направлении. Сокращение ледяного покрова в первую очередь влияет на характер энергообмена между океаном и атмосферой. Вследствие этого меняется режим формирования водных масс в направлении уменьшения роли ледяного покрова, возрастания роли горизонтальной адвекции и аккумуляции тепла в верхнем слое вод [Иванов и др., 2021]. Установлено, что вариации потоков теплых атлантических вод в Баренцево море, которые трассировались по картам поверхностной температуры воды и площади морского льда, меняются в зависимости от выделенных типов атмосферной циркуляции. Во время положительной фазы индекса АО, когда центральная часть Арктики занята циклоном, наблюдается увеличение аномалий скоростей течений, что способствует притоку теплых атлантических вод в Баренцево море. Во время отрицательной фазы АО, когда над Арктикой находится антициклоническая область давления, знаки аномалий скоростей течений меняются на противоположные, что уменьшает приток теплых атлантических вод в Баренцево море (рис.1. в Приложении 1). Полученные регрессионные соотношения можно использовать для оценки пространственной изменчивости уровня моря и геострофических скоростей в Баренцевом море и прилегающих районах океана при ретроспективном или прогностическом анализе индекса АО. В целом, отклик уровня моря, осредненного по рассматриваемому сектору океана, находится в противофазе с этим индексом. Однако выделяются периоды рассогласования противофазных колебаний уровня моря и индекса арктической осцилляции. После 2009 г. отмечается увеличение амплитуды и уменьшение длительности фаз индекса арктической осцилляции. Показано, что существующая концепция о трансформации поступающих из Норвежского моря Атлантических вод вследствие зимней конвекции в открытом море, требует пересмотра. На основе данных натурных наблюдений, выполненных при участии исполнителей проекта в Баренцевом море весной 2019-го года и продуктов океанского реанализа, установлена определяющую роль каскадинга с западного шельфа архипелага Новая Земля, как основного механизма, обеспечивающего интенсивное охлаждение Атлантических вод [Иванов и др., 2020]. Установлено, что зимняя конвекция в центральной части Баренцева моря может быть чисто термической, т.е. для формирования однородного «столба» уплотненной воды не обязательно требуется осолонение при ледообразовании, что предполагалось ранее в качестве необходимого условия [Ivanov and Tuzov, 2021]. Выявлена тенденция к расширению зон ускоренного таяния льда снизу в прикромочной ледовой зоне вдоль траекторий распространения Атлантической воды в Баренцевом-Карском морях и в западной части бассейна Нансена. Анализ изменения теплосодержания и солезапаса в выбранных слоях океана (формулы 1 - 4 в Приложении 1) показал, качественное соответствие между скоростью базального таяния в зимний сезон и величиной теплосодержания. Сценарные оценки ожидаемых изменений состояния ледяного покрова в Баренцевом море показали возможность устойчивого перехода к сезонно безледному режиму до 2030-го года [https://nauka.tass.ru/nauka/11928673]. Выявлены особенности многолетних стерических колебаний уровня. Установлено, что в последние двадцать лет скорость повышения стерического уровня существенно возросла (до 0,12 мм/год). Обобщенная оценка вклада температуры и солености в повышение стерического уровня в Баренцевом море показала, что оно обусловлено термической составляющей, тогда как соленостная имеет обратную тенденцию. Анализ долговременной изменчивости стерического уровня показал взаимосвязь бароклинной циркуляции с межгодовой изменчивостью выделенных шести типов атмосферной циркуляции. Установлено, что пространственная структура очагов максимальной и минимальной теплоотдачи над Баренцевым и Карским морями в последние десятилетия не претерпела существенных изменений по сравнению с серединой и второй половиной XX века. Выявлены современные сезонные особенности пространственной изменчивости потоков H и LE, в частности, показано, что в пределах акватории Баренцева моря эта величина зимой в 5-10 и более раз может превышать летние значения, что обусловлено контрастностью температуры воды по пространству за счет теплых течений (рис. 2 и 3 в Приложении 1). Над Карским морем наибольшая неоднородность в поле потоков характерна для осеннего и начала зимнего сезонов. Определено, что годовые суммы потоков тепла с поверхности Баренцева моря в среднем в 3-4 и в 5-6 раз, для потоков явного и скрытого тепла, соответственно, превышают значения для Карского моря, а в отдельные годы могут различаться в десятки раз. Выявлено, что за период 1979-2018 гг. единый тренд интегральной по акватории годовой величины потоков явного и скрытого тепла статистически незначим. Тем не менее, присутствуют направленные декадные изменения, в том числе, наиболее явно выражены уменьшение потоков явного тепла на протяжении 1990-х гг., увеличение их в первом десятилетии XXI века и вновь уменьшение в 2010-е гг., показано, что уменьшение турбулентных потоков происходит на фоне ослабления широтного переноса в атмосфере и увеличения площади морского льда. Показано, что, несмотря на существенную разницу суммарных за год потоков тепла от поверхности Баренцева и Карского морей в атмосферу межгодовые изменения довольно хорошо синхронизированы, что свидетельствует об общности крупномасштабных гидрометеорологических процессов в этих морях, влияющих на турбулентный энергообмен между морями и атмосферой (рис. 4 в Приложении 1). Получены оценки турбулентных потоков тепла в Баренцевом море, рассчитанные с помощью алгоритма COARE на основе данных реанализа CFSR и результатов моделирования волновой модели WW3 (рис. 5 в Приложении 1) для различных параметризаций шероховатости морского поверхности, которая зависит от скорости ветра или от параметров волнения. Установлено, что различия турбулентных потоков между разными реализациями в среднем для периода 1979-2017 гг. малы и в среднем по Баренцеву морю составляют 1-3% от величины потоков. Расчеты параметризациями TY01 и O02, в которых коэффициент шероховатости зависит от крутизны и длины волн, систематически преувеличивают, а расчеты с параметризацией D03 (зависимость шероховатости от высоты и возраста волн) систематически преуменьшают величину потоков по сравнению со схемой Чарнока. Наибольшие различия со схемой Чарнока отмечаются именно для схем TY01 и особенно O02 для тех районов и тех сроков, когда велики сами потоки тепла, во время холодных вторжений и штормов. Совместное моделирование атмосферы и волнения в Баренцевом море с помощью системы COAWST продемонстрировало необходимость учета интерактивного обмена атмосферной и волновой моделей при оценке потоков в прибрежной и прикромочной зоне (даже при месячном осреднении), а также для отдельных случаев (особенно штормов и холодных вторжений). В этих районах и для этих случаев различия между «спаренными» и «не спаренными» (в которых модели не обмениваются данными в процессе счета) расчетами велики (см. описание модели перемешанного пограничного и рис. 6 в Приложении 1). Такие ситуации часто возникают при несогласованности полей ветра и волнения, что обычно отмечается при ветре с берега или при быстрых изменениях поля ветра (во время штормов). При этом в открытом море при значительном временном осреднении (даже на масштабе одного месяца) различия в потоках тепла между «спаренными» и «неспаренными» расчетами малы (рис. 6 в Приложении 1). Таким образом, полученные ранее климатические оценки турбулентных потоков тепла в открытом море по данным реанализа достоверны. При этом, так же, как и в предыдущих не спаренных расчетах, важен выбор той или иной параметризации шероховатости в модели, так как схемы TY01, O02 и D03 склонны систематически завышать/занижать потоки по сравнению со схемой Чарнока. В среднем, схема D03 дает меньшее систематическое отклонение в скорости ветра и высоте волн при сравнении с данными спутниковых наблюдений (альтиметров Envisat и Cryosat и скатерометра ASCAT), чем другие схемы. «Спаренные» расчеты атмосферной и волновой моделей показали, что различия в потоках тепла между расчетами с учетом и без учета волнения для всех параметризаций шероховатости особенно велики во время новоземельской боры. Для одного из типичных случаев, показанного на рис. 7 в Приложении 1, в среднем эти различия в потоке явного тепла достигают 50% от величины потока и более, что, при высокой повторяемости боры, будет приводить к огромным неточностям в оценках потоков. Различия в потоках тепла в разных экспериментах в первую очередь связаны с различием в скорости ветра, которая определяется шероховатостью поверхности. Для рассматриваемого случая во время боры у побережья отмечается зыбь, идущая из открытого моря, в результате чего коэффициент шероховатости в экспериментах с учетом волнения низкий, и результирующая скорость ветра высокая. В эксперименте без учета волнения коэффициент шероховатости зависит только от скорости ветра (параметризация Чарнока) и это приводит к более высоким значениям коэффициента шероховатости и в результате меньшей скорости ветра. Схема Чарнока в данном случае кажется более реалистичной. В случае боры направление зыби противоположно направлению ветра, что должно увеличивать трение. Таким образом, в условиях боры, по всей видимости, необходимо учитывать направление волн. Однако, выявление наиболее адекватной параметризации шероховатости и вообще необходимости явного учета волнения в расчетах потоков на данном этапе затруднено из-за отсутствия данных наблюдений за потоками тепла или шероховатостью поверхности во время боры. Установлено, что в повторяемости штормового волнения в Баренцевом море за весь исследованный период (с 1979 по 2017 гг.) значимый линейный тренд отсутствует. Для случаев с высотой волн более 6 м с 1979 по 1991 гг. наблюдалось увеличение повторяемости, с 1991 по 2002 гг. уменьшение, после 2003 г. -увеличение. Для случаев с высотой волн более 6 м максимальные значения повторяемости наблюдаются в 1990–1993 гг. Межгодовая изменчивость повторяемости штормового волнения очень велика (для разных годов количество случаев штормового волнения может меняться в 2–3 раза). Корреляционный анализ повторяемости за год штормового волнения различной высоты волн со среднегодовыми значениями индексов циркуляции показал, что связь выше с индексом Арктического колебания (АК) для случаев с высотой волн 7–9 м. Максимальное значение коэффициента корреляции составляет 0,46 и наблюдается для штормового волнения более 7 м (рис.8 в Приложении 1). Для ряда ежемесячных значений повторяемости штормов и индекса АК максимальный коэффициент корреляции наблюдается при осреднении индекса и повторяемости штормов с декабря по март и составляет 0,6 для штормов более 7 м, и 0,57 для штормов более 8 м. Расчеты с атмосферной моделью WRF и волновой моделью WW3 для нескольких эпизодов новоземельской боры показали, что аномалия высоты волн во время сильной боры на востоке Баренцева моря достигает 2-3 м, а влияние боры распространяется на расстояние до 200 км от берега. Используя известные параметризации коэффициента шероховатости с учетом волнения была приближенно оценена ошибка в определении шероховатости, вызванная недоучетом в реанализах высоты волн, связанных с борой, которая в среднем имеет порядок 10**-3-10**-2 м (т.е. сопоставима с самой величиной параметра шероховатости над морской поверхностью при умеренном и сильном ветре). Из-за высокой повторяемости и интенсивности новоземельской боры ее влияние на волнение и связанные с ним процессы может приводить и к заметному климатическому отклику. Эксперименты с использованием разных параметризаций ветровой накачки, т.е. коэффициента аэродинамического сопротивления, которые были посчитаны для этих же эпизодов боры, показали, что влияние той или иной схемы ветровой накачки в волновой модели на результаты моделирования волнения при боре велико, особенно вблизи побережья. По результатам численного моделирования, для зимних случаев боры, когда западное побережье Новой Земли частично или полностью свободно ото льда, характерны высокие значения турбулентных потоков тепла (300-500 Вт/кв.м для явного тепла и от 100 до 300 Вт/кв.м для скрытого тепла), направленных от поверхности моря в атмосферу. На основе сравнительного анализа характерных событий развития боры сделан предварительный вывод о том, что зимой в случае сильной боры океан теряет 400-800 Вт/кв.м за счет теплообмена с атмосферой, в то время как в теплое время года при боре теплообмен мал. Результаты численных экспериментов с реальным и идеализированным (плоским) рельефом показали, что наличие неоднородного рельефа (и соответственно, боры) приводит к уменьшению потока явного тепла на 44 Вт/кв.м (рис. 9 в Приложении 1). Исходя из полученных в этих экспериментах результатов сделан вывод, что к западу от Новой Земли основная потеря тепла океаном происходит именно из-за холодных вторжений, а наличие боры приводит к ослаблению теплообмена океана и атмосферы на большей части прибрежной акватории.

Прикрепленные к НИР результаты

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".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. zayavka_Ivanov.docx zayavka_Ivanov.docx 77,6 КБ 1 июня 2018 [vladimir.ivanov@aari.ru]