Тепломассопереносы в Атлантическом и Северном Ледовитом океанах как факторы, определяющие изменения гидрологического и ледового режимов (РНФ)НИР

Heat and mass (salt) transports in the Atlantic Ocean and the Arctic Ocean as factors determining the changes of hydrographic and ice regimes

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# 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:

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".