The Atlantic gates to the Arctic: ocean circulation – a factor of the long-term variability of the Arctic climate and the state of the marine ecosystems

Project: Grant fulfilmentTotal grant fulfilment

Project Details

Description

1. Научная проблема, на решение которой направлен проект.

Атлантическая Меридиональная Океаническая Циркуляция (АМОЦ) представляет собой поток поверхностных теплых и соленых вод из тропических широт в Арктику и возвратный поток распресненных и холодных вод из Арктики в тропики. Оба потока, на определенной этапе погружаются в глубинные слои океана. Со времени открытия АМОЦ прошло около 30 лет (Лаппо, Гулев, Рождественский, 1990; Лаппо 1984; Broecker, 1987). В последнее годы растет понимание существенного влияния АМОЦ на долгосрочные климатические изменения высоких широт, и, особенно, Арктики (Лаппо, Гулев, Рождественский, 1990; Kuhlbrodt et al.,2007; Lumpkin, Speer, 2007; Srokosz et al., 2012; Rayner et al., 2011; Robson et al., 2014; Desbruyeres et al., 2019). Изменения климата в прошлом, такие как смена межледниковых и ледниковых периодов, по климатическим меркам происходили достаточно быстро, что многие исследователи связывают с замедлением АМОЦ, вплоть до её полной остановки (Lockwood, 2001; Drijfhout, 2015; Buckley, Marshall, 2016). Многие авторы предполагают, что именно недостаток знаний о причинах изменчивости АМОЦ, критически влияет на наше понимание изменчивости климата Земли на декадных и междекадных временных масштабах (Hakkinen, Rhines, 2009; Lozier, 2010; Srokosz et al., 2012; Buckley, Marshall, 2016).
Атлантический океан переносит четверть от глобального (океанического и атмосферного) тепла, переносимого к полярным широтам в северном полушарии (Buckley и Marshall, 2016). Современные проекции будущих климатических изменений, сделанные с помощью различных климатических моделей (в том числе с помощью признанных научным сообществом реалистичными моделей CMIP5), показывают весьма значительный разброс прогнозируемой к концу XXI в. интенсивности АМОЦ - от практически неизменной до её уменьшения на 50% и более (Cunningham et al., 2007, 2010; Buckley, Marshall, 2016). Подтверждение реалистичности этих оценок тех или иных моделей остается одной из ключевых задач исследований АМОЦ (Cunningham et al., 2010). В связи с этим, оценка изменчивости интенсивности глубокой конвекции, как элемента АМОЦ, остается одной из важнейших научных и прогностических задач океанологии и климатологии (Kostov et al., 2014; Cunningham et al., 2007, 2010; Buckley, Marshall, 2016; Tol et al., 2016).
Понимание характера изменчивости АМОЦ неразрывно связано с пониманием механизмов изменчивости основных ее драйверов: глубокой конвекции в Северной Атлантике и подъема вод (апвеллинга) в Южном океане. Именно в Северной Атлантике происходит погружение отдавших тепло в атмосферу приповерхностных вод и образование возвратного глубинного потока северной ячейки АМОЦ, которое во многом регулирует поток тепла в Арктику (Toggweiler, Samuels, 1998; Visbeck, 2007; Lumpkin, Speer, 2007; Фалина, Сарафанов, 2015; Buckley, Marshall, 2016; Smeed et al., 2018). Другой драйвер изменчивости АМОЦ в Южном океане и связан с обратным процессом подъема глубинных вод. Однако он имеет меньшее значения для изменчивости АМОЦ в Северной Атлантике (Кузнецова, Башмачников, на рецензии).
Мониторинг изменчивости объема поступающих Атлантических вод, как основного фактора (Beszczynska-Moller et al., 2012; Pnyushkov et al., 2018) изменчивости термохалинной структуры Северного Ледовитого океана, крайне важен для возможности прогнозирования крупномасштабных климатических изменений в Северном полушарии. Ряд прямых и косвенных факторов указывает на то, что океанические потоки тепла начинают играть все более важную роль в потеплении Арктического региона (Golubeva, Platov, 2007; Lique, Steele, 2012; Тимохов и др., 2012; Алексеев и др, 2014; Ашик и др., 2015; Ivanov et al., 2016; Pnyushkov et al., 2018), а также оказывают влияние на биологическую продуктивность полярных районов (Ardyna et al., 2014). Степень влияния океанических потоков тепла на климат и состояние морских экосистем высоких широт остается предметом дискуссий.
Предлагаемый проект является фундаментальным исследованием. Его основная цель – выявление характера влияния долгосрочных потоков Атлантического тепла и соли на термохалинную структуру вод Евразийского сектора Арктики, интенсивности отдачи этого тепла в атмосферу в полярных районах.
Оказывая влияние на перестройку вертикальной структуры североатлантических вод, потоки тепла и соли непосредственно влияют на интенсивность поступление биогенных веществ в верхний освещённый слой и интенсивность развития фитопланктона, которая, в свою очередь, определяет развитие последующих трофических звеньев, биопродуктивность акватории, изменчивость потоков кислорода и углекислого газа в системе океан-атмосфера и изменчивость нисходящих потоков органического углерода в глубинные слои океана (Billet et al., 1986). Увеличение свободной ото льда поверхности воды и разрушение стратификации вод в арктических регионах является другим фактором, который приводит к усилению процессов фотосинтеза в этих акваториях (Ardyna et al., 2014), и как следствие – к увеличению биопродуктивности и изменению биохимических потоков.


2. Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы.

Согласно указа президента Российской Федерации В.В. Путина «О Стратегии научно-технологического развития РФ» от 1 декабря 2016 г., научно-технологическое развитие Российской Федерации является одним из приоритетов государственной политики, а укрепление позиций России в области исследования Арктики является ключевым фактором развития России, обеспечивающее способность страны эффективно отвечать на вызовы современности.
Именно на базе достижений фундаментальной науки совершенствуются климатические модели, результаты которых используются для прогноза будущего климата Арктики и различных регионов нашей страны (Алексеев и др., 2014; Малинин и др., 2018а). Результаты моделирования показывают, что разработка перспективных месторождений углеводородов и других минеральных ресурсов на Арктическом шельфе станет более доступной в контексте происходящих в настоящее время климатических изменений. С уменьшением площади и толщины ледяного покрова, возрастает стратегическое значение Северного морского пути, для чего проводится ускоренная модернизация ряда портов в Арктике. Однако, существенный разброс в модельных оценках интенсивности таяния льда в Арктике (Stroeve et al., 2007), как и множества других климатических параметров (Cunningham et al., 2010) затрудняет прогноз.
Наш проект направлен на оценки потоков океанического тепла в Арктику, как важнейшего компонента климатической системы, а само исследование является ключевым звеном мониторинга физических и гидрологических процессов Арктического региона (Golubeva, Platov, 2007; Iakovlev, 2012; Buckley, Marshall, 2016). В рамках этого исследования изучается изменчивость АМОЦ, а также основной механизм регулирования его интенсивности – глубокая конвекция в субарктическом регионе Атлантики.
Изучение динамики и мониторинг глубокой конвекции остро необходим для создания фундаментальной базы знаний, позволяющей прогнозировать текущие и будущие климатические и экологические изменения Арктики – стратегического региона РФ. Возможное существенное ослабление АМОЦ уже в ближайшем будущем может повлечь за собой смещение тропической зоны конвергенции, ослабление муссонов, усиление проникновения штормов в континентальные области (Stouffer et al., 2006; Srokosz et al., 2012; Buckley, Marshall, 2016). Согласно оценкам, последствия для морских экосистем при сильном ослаблении или полном отсутствии глубокой конвекции может привести к увеличению стратифицированности приповерхностных вод субарктического региона, что приведет к уменьшению суммарной биомассы планктона в Атлантике на 50% (Schmittner, 2005), а также к потенциально значительному сокращению осенней популяции фитопланктона, которая, на следующий год, во многом определяет интенсивность весеннего «цветения» (Balaguru et al., 2018). В тоже время, усиление стратификации имеет и положительный эффект, когда преобладающая масса фотосинтезирующего фитопланктона удерживается в верхнем освещённом слое, способствуя увеличению скорости синтеза органических веществ, что особенно важно для процессов весенне-летнего «цветения» (Moore et al., 2005), вносящих основной вклад в годовую динамику развития фитопланктонного сообщества полярных регионов (Cherkasheva et al., 2013). В свою очередь, усиление конвекции способствует поступлению биогенных веществ в верхний освещённый слой, где генерируется практически вся первичная продукция фитопланктона. Это означает, что судить об однозначности влияния изменчивости интенсивности конвекции в северной Атлантике на биохимические процессы, происходящие в верхнем слое, крайне сложно, этот вопрос требует комплексного подхода к его изучению, требующей, в том числе, и масштабной оценки пространственно-временной изменчивости концентрации хлорофилла-а, как количественного показателя массы некоторых видов фитопланктона.
Достаточно быстрые климатические изменения, связанные с изменением интенсивности АМОЦ, могут спровоцировать экономическую рецессию. Возможный спад мировой экономики при резком ослаблении АМОЦ, по разным оценкам, составляет от 1% до 25% (Nordhaus, 1993, 2008; Mastrandrea, Schneider 2001; Ковалевский, 2012, 2014, 2015; Anthoff et al., 2016). Региональные экономические потери при этом, в случае отсутствия адекватных прогнозов развития ситуации, могут существенно превысить общемировые тенденции.
Результаты проекта являются важным шагом на пути понимания влияния одного из ключевых субполярных регионов – Северной Атлантики – на климатическую систему Арктики. Использование полученных в проекте результатов приведет к увеличению надежности прогноза будущих климатических изменений, что внесет вклад в лидерство РФ в научном освоении Арктического региона.


3. Конкретная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб.

В проекте поставлены три задачи исследования системы «океан-атмосфера-морские экосистемы» арктического и субарктического регионов. Их описание дано ниже. Предлагаемый проект является комплексным и междисциплинарным, в его реализации будут участвовать ученые различных направлений.
Регион исследования будет охватывать Северо-Европейский бассейн (моря Гренландское, Норвежское и Баренцево) и соседние области Евразийского сектора Арктики. Период исследования: 1950х гг. (с 1970 гг. для некоторых рядов наблюдений) до 2020 г.
Масштаб поставленных задач определяется: 1) фундаментальной постановкой вопросов; 2) междисциплинарностью проекта; 3) значимостью результатов для понимания как узко-региональных явлений в Арктическом регионе, так и глобальных климатических изменений.

ЗАДАЧА 1 (2021 г.). Анализ результатов мониторинга долгосрочной изменчивости верхней ветви Атлантической меридиональной океанической циркуляции (АМОЦ) и связанных с нею потоков тепла и соли (пресной воды) в Арктику
Изменчивость температуры и степени стратифицированности верхнего слоя Евразийского сектора Северного Ледовитого океана во многом определяются интенсивность поступления тепла из Атлантики (включая перенос Западно-Шпицбергенским течением через пролив Фрама и Нордкапского течения в Баренцево море), который регулируется интенсивностью верхней ветви АМОЦ (Golubeva, Platov, 2007; Iakovlev, 2012; Lique, Steele, 2013; Polyakov et al. 2011, 2017; Pnyushkov et al., 2018). Мониторинг межгодовой изменчивости объема Атлантических вод за последние 50-70 лет, а также и потоков тепла и соли, связанных с изменчивостью АМОЦ, является основной целью задачи 1 проекта. Это позволит оценить степень влияния изменчивости АМОЦ на состояние Арктического региона и объем потока пресной воды из Арктики.
Термин «мониторинг» впервые появился в рекомендациях специальной комиссии ЮНЕСКО в 1971 году, а в 1972 году появились первые предложения по «Глобальной системе мониторинга окружающей среды» с целью проведения целенаправленных, систематически повторяющихся, наблюдений за элементами природной среды (Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде). В Арктике элементы такой системы имеются, в основном, в Атлантическом секторе Северного Ледовитого океана (включая Кольский меридиан, системы буйковых станций в проливе Фрама, Датском проливе и др.), а также в немногочисленных прибрежных пунктах на севере Российской Федерации. Однако сегодня совместный мониторинг температуры, солености и скорости океанических течений с оценками обмена тепла и соли возможен только на 3х-4х разрезах и только за последние 10-20 лет. Такие временные интервалы слишком малы, чтобы говорить о климатических трендах, обычно оцениваемых на временных масштабах не менее 30 лет. В данной задаче связи интенсивности АМОЦ и изменчивости теплосодержания/содержания пресной воды верхних слоев Евразийского сектора Арктики будут анализироваться совместно с результатами океанических реанализов, а также индексов исследуемых динамических характеристик (Chen, Tung, 2018 и др.). Это позволит продлить ряды, связанные с изменчивостью исследуемой динамики верхнего слоя Северного Ледовитого океана, на промежуток 50-70 лет, что позволит сделать выводы о климатической изменчивости.

ЗАДАЧА 2 (2021-2022). Анализ долгосрочной изменчивости термохалинных характеристик океана и температуры атмосферы полярных областей с связи с изменчивостью интенсивности АМОЦ
Задача 2 подразумевает оценка степени влияния АМОЦ на изменения температуры, солености вод, а также стратификации различных областей верхнего слоя Евразийского сектора Арктики. Будут использованы результаты анализа изменчивости АМОЦ и оценки его влияния на моря Евразийского сектора Северного Ледовитого океана, полученные в рамках задачи 1.
В рамках задачи 2 также будут даны оценки влияния АМОЦ на развитие Арктического усиления (см. Гулёв и др., 2008; Johannessen et al., 2016; Latonin et al., 2020). Будет оцениваться роль изменчивости потоков тепла океана в атмосферу в высокие широтах, их взаимосвязь через теплоотдачу океана и изменчивость атмосферной циркуляции (Bengtsson et al., 2004; Калавиччи, Башмачников, 2019). Это позволит проанализировать и дать оценку одному из возможных механизмов увеличения изменчивости температуры в Арктике – арктическому усилению (см. обзор Latonin et al., 2020).

ЗАДАЧА 3 (2021-2022) Анализ характера изменчивости морских экосистем (сообщества фитопланктона) в Атлантическом секторе Арктики; оценка возможной связи с изменчивостью АМОЦ
Потоки Атлантических вод в Северо-Европейский бассейн и Евразийский сектор Арктики сильно меняют условия существования биоты в Арктике. Изменчивость биомассы высоких трофических уровней региональных морских экосистем (рыбы, морские животные, птицы) в связи с климатическими изменениями зависит от характера изменчивости первичного звена этих экосистем: продуктивности фитопланктона. Оценки межгодовой изменчивости концентрации хлорофилла-а, как результата изменчивости адвекции вод, показывают, что в одних районах северной Атлантики усиление потоков тепла и соли могут уменьшать эти концентрации (Balaguru et al., 2018), а в других, наоборот, увеличивать (Barton et al., 2014).
Уровень первичной продукции во многом определяется изменчивостью характеристик приповерхностных вод: температуры, солености, стратифицированности приповерхностного слоя, а также изменениями ледового режима и характера атмосферной циркуляции. Изучение фитопланктона и наиболее важных его видов будут проводиться, прежде всего, в свободных ото льда акваториях Северо-Европейского бассейна и прилегающих районов Арктики. Для различных бассейнов исследуемого региона будет собрана информация по долгосрочной изменчивости (с начала спутниковых наблюдений за цветом воды высокого разрешения, 1998 г.) биомассы и первичной продуктивности фитопланктона.
Отдельное внимание будет уделено группе кокколитофоров (класс Primnesiophycea). В частности, будет исследоваться динамика цветений одноклеточной микроводоросли Emiliania huxleyi, которая является наиболее продуктивной кальцифицирующей водорослью и огромные цветения которой могут охватывать площади в сотни тысяч и даже миллионы квадратных километров (Pozdnyakov et al., 2020a). Эти цветения могут быть выделены на спутниковых снимках, что формирует основу для изучения межгодовой динамики этого вида.


4. Научная новизна поставленных задач, обоснование достижимости решения поставленных задач и возможности получения запланированных результатов.

ЗАДАЧА 1. (2021 г.). Анализ результатов мониторинга долгосрочной изменчивости верхней ветви Атлантической меридиональной океанической циркуляции (АМОЦ) и связанных с нею потоков тепла и соли (пресной воды) в Арктику
В рамках задачи мы планируем провести мониторинг долгопериодной изменчивости интенсивности верхней ветви АМОЦ и выявить связь изменчивости температуры и солености на различных горизонтах с океаническими потоками тепла и соли в Евразийский сектор Арктики. Научная новизна задачи заключается в увеличении длины анализируемого временного промежутка до 50-70 лет, что позволит описать долгопериодную изменчивость этих связей. С другой стороны, будет подробно рассмотрена изменчивость указанных параметров в последние годы, что также будет включать в себя новые результаты.
Возможность практической реализации такой задачи дают появившиеся в последнее время унифицированные базы данных по Северному Ледовитому океану; совершенствование моделей реанализа, ассимилирующих эти данные (например, модель высокого разрешения ORAS4 и ORAS5, SODA); совершенствование и увеличения пространственного разрешения моделей атмосферного реанализа, в том числе с фокусом на более корректное воспроизведение динамики Арктического региона (например, ERA5). Эти данные находятся в открытом доступе, и многие из этих данных уже использовались разными членами научной группы проекта, что отражено в публикациях. Были отработаны алгоритмы анализа этих данных, создано необходимое программное обеспечение.
Нами рассчитаны несколько индексов АМОЦ с 1950 г. (использовались методики Chen, Tung, 2018; Caesar, 2018), которые были верифицированы относительно данных массива RAPID. Проводился анализ положительной обратной связи между океаническими потоками и межгодовой динамикой льда в Баренцевом море (Башмачников и др., 2018; Калавиччи, Башмачников, 2019, 2020), а также анализ динамики потоков тепла в Норвежском и Гренландском морях (Bashmachnikov et al., 2017; Belonenko et al., 2018; Belonenko, Koldunov, 2019; Dukhovskoy et al., 2019; Selyuzhenok et al., 2020; Wang et al., 2020; Raj et al., 2020; Vesman et al., in prep.)
Все вышеперечисленные наработки позволяют успешно выполнить поставленную задачу 1.

ЗАДАЧА 2 (2021-2022). Анализ долгосрочной изменчивости термохалинных характеристик океана и температуры атмосферы полярных областей с связи с изменчивостью интенсивности АМОЦ
Эта задача имеет фундаментальный характер: планируется дать описание роли АМОЦ в долгосрочной изменчивости термохалинных параметров приполярных акваторий и стратификации верхнего слоя океана. Ранее исследовалась в основном межгодовая изменчивость характеристик верхнего слоя полярных районов в связи с изменчивостью потоков тепла в Арктику (см. Ivanov et al., 2016; Polyakov et al., 2010, 2011, 2012a,b, 2017; Pnyushkov et al., 2018 и др.). В настоящем проекте акцент будет сделан на долгосрочной (декадной) изменчивости.
Изменчивость интенсивности АМОЦ предположительно будет вызывать изменчивость температуры, солености и стратификации значительных областей в субполярных и полярных областях северной части Атлантического и Северного Ледовитого океанов. В свою очередь она регулируется интенсивностью глубокой конвекции в морях Гренландском, Ирмингера и Лабрадор, которые частично зависят от интенсивности АМОЦ, а также от характера и интенсивности циркуляции атмосферы над этими регионами. Связанные с этим прямые и обратные связи, вероятно, регулируют циркуляцию в регионе.
Выявление причин ускоренного роста температуры в Арктике по сравнению с изменением глобальной температуры является одним из наиболее актуальных задач исследования динамики Арктического региона. Многочисленные исследования позволили выявить ряд основных механизмов, которые способствуют этому росту (см., например, недавний обзор Latonin et al., 2020). Однако, роль атмосферных и океанических потоков тепла в динамике Арктического усиления сегодня по-прежнему остается дискуссионной. Исследование этого явления, на базе полученных в задаче 1 результатов по потокам и изменчивости АМОЦ, является второй частью этой задачи.

ЗАДАЧА 3 (2021-2022) Анализ характера изменчивости морских экосистем (сообщества фитопланктона) в Атлантическом секторе Арктики; оценка возможной связи с изменчивостью АМОЦ
Долгосрочной изменчивости первичной продуктивности в Арктическом и субполярном регионах в связи с изменчивостью климата посвящен ряд работ (Moore et al., 2005; Barton et al., 2014; Balaguru et al., 2018; Morozov et al., 2019; Pozdnyakov et al., 2020a и др.). В частности, недавние исследования цветений E. huxleyi в субарктических и арктических морских акваториях показал, что имеется определенная связь между межгодовой изменчивостью характеристик и интенсивностью цветений (Kondrik et al., 2017; 2018). Есть основание предполагать о существовании причинно-следственной связи между распространением аномалий термохалинных характеристик на север в связи с изменчивостью АМОЦ и интенсивностью цветений фитопланктона в полярных и субполярных морях Атлантического сектора Северного Ледовитого океана. Также выделяется влияние Северо-Атлантической осцилляции (NAO), Арктической осцилляции (AO) и удаленное влияние Эль-Ниньо (Pozdnyakov et al., 2020b). Однако такого рода гипотезы, как и общая интерпретация наблюдаемой межгодовой пространственной динамики, требуют дальнейшего тщательного изучения сопутствующих биогеохимических процессов и, прежде всего, глубокого понимания индивидуального и комплексного воздействия параметров окружающей среды на вегетацию этого вида фитопланктона. В задаче 3 новые результаты по связи интенсивности и площади цветений и изменчивости параметров среды будут получены с помощью внедрения для изучения этого явления технологий машинного обучения типа “random forest”, которые ранее не применялись для таких исследований.
Успешной реализации сложных и комплексных задач, поставленных в проекте, будет способствовать значительный задел, полученный как руководителем, так и исполнителями проекта в изучении глубокой конвекции, АМОЦ и потоков тепла и соли в атлантическом секторе Северного Ледовитого океана, а также анализа первичной продукции и динамики отдельных видов фитопланктона в исследуемых акваториях (см. пп. 4.3.7.7. и 4.3.20)


5. Современное состояние исследований по данной проблеме.

Атлантическая Меридиональная Океаническая Циркуляция (АМОЦ) состоит из верхней и нижней ветвей, связанных между собой в областях глубокого погружения поверхностных вод (глубокой конвекции) в единую систему циркуляции (Stommel, 1957; Лаппо, 1984; Broecker, 1987; Rahmstorf et al., 2015; Buckley, Marshall, 2016). Изменчивость интенсивности верхней ветви АМОЦ (включающей в себя Норвежское и Западное-Шпицбергенское течения в Евразийский бассейн Северного Ледовитого океана, а также регулирующей температуру вод Нордкапского течения в Баренцевом море) существенно влияет на температуру вод в Арктике. Анализ естественных ортогональных компонент изменчивости теплосодержания Северного Ледовитого океана (результаты модели ORCA025) показал, что около 1/3 наблюдаемой изменчивости объясняется адвективным потоком тепла через пролив Фрама, а еще 1/3 – изменчивостью атмосферных потоков тепла в свободных ото льда районах (сезонно) (Lique, Steele, 2013). Модельные результаты также показали, что взаимодействие с Атлантическим океаном является основным источником изменчивости вертикальной термохалинной структуры Северного Ледовитого океана (Golubeva, Platov., 2007; Iakovlev, 2012). Изменчивость в интенсивности течения объясняет до 90% изменчивости потока тепла и соли в Восточно-Европейском бассейне Северного Ледовитого океана (Pnyushkov et al., 2018).
Ранее было установлено, что потепление североатлантического Субполярного круговорота связано с усилением океанической циркуляции, а именно АМОЦ (Smith et al., 2010; Robson et al. 2012). Начиная с середины 1990-х годов, контактные и дистанционные измерения показали уменьшение интенсивности океанической циркуляции в этом районе (Smeed et al., 2013; Robson et al., 2014), что ожидаемо привело к уменьшению объема поступающего тепла по верхней ветви АМОЦ (Dong, Sutton, 2005; Hermanson et al., 2014). За период 2005-2014 гг. воды верхнего слоя этого района Северного Атлантического океана охладились в среднем на 0.45°С (Robson et al., 2016). Авторы наглядно показали, что это охлаждение напрямую связано с уменьшением интенсивности течений (Booth et al., 2012). Была выявлена квазипятилетняя задержка между потеплением на 45° с.ш. и потеплением в субполярном круговороте (Desbruyeres et al., 2019).
С другой стороны, потоки океанического тепла в Норвежское море усилились в последние годы (Barrier et al., 2015; Raj et al., 2018), при этом в Арктике наблюдалось отступление кромки льда и изменение интенсивности стратификации верхнего слоя океана (Schweiger et al., 2011; Polyakov et al., 2010, 2012а,б, 2017; Kwok, 2018). Теплосодержание верхних 100 м северной части Баренцева моря, связанное с усилением притока Атлантических вод, начало расти в 2000х гг., и этот рост продолжается и сейчас (Lind et al., 2016, 2018; Калавиччи, Башмачников, 2019). По измерениям серии буйковых станций в проливе Фрама (78° 50’) за период 1997-2010 гг. были обнаружены две теплые аномалии в 1999-2000 гг. и 2005-2007 гг., а средний тренд для приходящих Атлантических вод составлял 0.06°С в год за весь рассматриваемый период (Beszczynska-Moller et al., 2012). По наблюдениям на сети буйковых станций проекта NABOS (2013-2015гг.), пересекающей материковый склон на востоке Евразийского сектора Арктики, было получено, что 60% удельного транспорта, 71% тепла и 65% соли связано с Атлантическим водами (Pnyushkov et al., 2018). При интенсификации АМОЦ происходит рост температуры в Арктике и сокращение ледяного покрова, причем наиболее быстрые изменения происходят в Атлантическом секторе Арктики (Mahajan et al., 2011; Тимохов и др., 2013; Малини и др., 2013; Nummelin et al., 2017; Oldenburg et al., 2018; см. также актуальные графики площади льда на сайте [http://psc.apl.washington.edu/research/projects/arctic-sea-ice-volume-anomaly/]).
Приведенный выше краткий обзор показывает, что потоки Атлантических вод существенно влияют на характеристики верхнего слоя Евразийской части Северного Ледовитого океана. В свою очередь, эти потоки приходят в регион с верхней ветвью АМОЦ и регулируются интенсивностью АМОЦ на многолетних временных масштабах.
Сегодня известно несколько механизмов регулирования интенсивности АМОЦ, из которых одним из наиболее значимых является интенсивность глубокой конвекции в морях Гренландском, Лабрадор и Ирмингера (Toggweiler, Samuels, 1998; Visbeck, 2007; Lumpkin, Speer, 2007; Buckley, Marshall, 2016; Smeed et al., 2018). В настоящее время относительный вклад изменчивости различных областей глубокой конвекции в изменчивость интенсивности АМОЦ остается предметом острых научных дискуссий. Так, Chafik, Rossby (2019) утверждают, что интенсивность АМОЦ в Северной Атлантике определяется интенсивностью глубокой конвекции в Гренландском море, тогда как Lozier et al. (2019), Кузнецова, Башмачников (на рецензии) считают, что основную роль играет конвекция в море Ирмингера. До этого высказывались предположения в научной литературе о значительной роли глубокой конвекции в море Лабрадор (Talley, 2003; Yashayaev et al., 2007; Rhein et al., 2011), хотя другие исследователи заключали, что как раз море Лабрадор практически не влияет на интенсивность АМОЦ (Boning et al., 1996; Pickart, Spall, 2007). Таким образом, механизмы наличия/отсутствия подобных связей сегодня не ясны и будут составлять предмет настоящего исследования (задачи 1 и 2).
В Арктике потепление климата происходит в несколько раз быстрее, чем в среднем по Земному шару (Гулёв и др., 2008; Johannessen et al., 2016). Это явление называется Арктическим усилением. Ранее нами были проанализированы и оценены наиболее часто используемые метрики арктического усиления (Bekryaev et al., 2010; Kobashi et al., 2013; Francis, Vavrus, 2015; Johannessen et al., 2016), построенные по натурным данным о температуре воздуха в Северном полушарии (NANSENSAT; HadCRUT4; GISTEMP v3) и атмосферных реанализов ERA-20C, ERA-Interim). Результаты показали, что характер изменчивости может различаться для разных массивов данных, но все метрики показывают устойчивый рост индексов Арктического усиления в последние десятилетия. В рамках исследований Арктического усиления упор делался на различную эффективность обратных связей в Арктике с одной стороны, и в тропиках/умеренных широтах с другой (Taylor et al., 2013; Pithan, Mauritsen, 2014; Goosse et al., 2018; Latonin et al., на рецензии). Однако, наш обзор свидетельствует о возможности существенной роли АМОЦ в динамике этого феномена (см. также Oldenburg et al., 2018). Изучению роли крупномасштабной океанической циркуляции в изменчивости интенсивности арктического усиления будет посвящена вторая часть задачи 2.
Межгодовая изменчивость величины общего годового «цветения» фитопланктона частично является ответом на изменчивость климатических и физических факторов. Интенсивность зимнего конвективного перемешивания в субполярной северной Атлантике сказывается на поступление биогенных элементов в верхний освещённый слой и играет решающую роль в изменчивости сроков «цветения» и интенсивности развития фитопланктона (Backhaus et al., 2003; D`Asaro, 2008), оказывает влияние на смену преобладающих видов фитопланктона и изменяет, соответственно, их вклад в общее «цветение» (D`Asaro, 2008). Так, например, выявлено, что положительная фаза Северо-Атлантического колебания приводит к задержке субполярного весеннего «цветения» (Henson et al., 2009), что в свою очередь сказывается на общей годовой динамике и её изменчивости от года к году. Кроме того, выявлена положительная корреляция между концентрацией хлорофилла-а и глубиной перемешанного слоя в Гренландском море, см., например (Henson et al., 2009). Изменение ледяного покрова и его продолжительность в северо-атлантических водах, вызванное климатическими факторами, также оказывает влияние на развитие фитопланктона в этих водах (Slagstad et al., 2011; Cherkasheva et al., 2013). Анализ спутниковых данных показал, что в период с 1998 по 2007 гг. в водах северной Атлантики наблюдались как положительные, так и отрицательные тренды в изменчивости концентрации хлорофилла-а в зависимости от региона (McKinley et a., 2018).
На уровне первичных продуцентов экосистемы Атлантического сектора Арктики особое место занимает группа кокколитофоров (класс Primnesiophycea), а в ней – одноклеточная микроводоросль Emiliania huxleyi. Синтезируя не только органический, но и неорганический углерод, E. huxleyi активно влияет на экологию и химизм морской среды. Из всех морских биосистем в Мировом океане, E. huxleyi является наиболее продуктивной кальцифицирующей водорослью и отличается способностью формировать огромные цветения площадью до нескольких миллионов квадратных километров (Pozdnyakov et al., 2020a). В процессе своего жизненного цикла, E. huxleyi оказывает прямое воздействие как на обменные потоки СО2 между атмосферой и поверхностью океана (Morozov et al., 2019), так и на систему карбонатной химии в океане, по крайней мере в пределах зоны цветения. Таким образом, в этих зонах океан не выполняет роль стока СО2: поток СО2 оказывается направленным в атмосферу, в то время как в морскую среду поступают огромные количества кальцита кальция.
Доминантный статус E. huxleyi в семействе кокколитофоров обусловлен уникальной способностью этого таксона развиваться в очень широком диапазоне свойств окружающей среды. В результате, E. huxleyi вегетирует как морских акваториях с трофическим статусом от олиготрофного до эвтрофного. Не подвержена эффекту фотоподавления, и напротив – недостатка света (развивается даже подо льдом), толерантна к изменениям в температурном, солевом и кислотном режиме среды обитания (Lappalainen et al., 2020).
Однако эта удивительная способность к адаптации не отменяет того факта, что интенсивность и другие показатели цветений E. huxleyi (площадь цветения, концентрация клеток, их морфометрические характеристики, начало и продолжительность периода цветения, рост парциального давления СО2 в поверхностном слое моря, продукция взвешенного углерода и проч.), зависят от условий окружающей сред в период, предшествовавший цветению и на момент цветения. Это определяет межгодовую изменчивость цветений E. huxleyi в субарктических и арктических морских акваториях (Kondrik et al., 2017; 2018).
Временные ряды моментов наступления цветения и его длительности показывают, что цветения начинаются на широте середины Бискайского залива и затем постепенно продвигаются на север по пути, пролегающем через Ла-Манш, Северное море, Норвежское, и Баренцево моря, а затем и Гренландское море. Есть основание предполагать существование причинно-следственной связи этих процессов с изменчивостью АМОЦ, а также влиянием Северо-Атлантической осцилляции (NAO), Арктической осцилляции (AO) и удаленного влияния Эль-Ниньо (Pozdnyakov et al., 2020b). Однако такого рода гипотезы, как и общая интерпретация наблюдаемой межгодовой пространственной динамики феномена цветений E. huxleyi, требуют тщательного изучения сопутствующих биогеохимических процессов и, прежде всего, глубокого понимания индивидуального и комплексного воздействия параметров окружающей среды на вегетацию этого вида фитопланктона.


6. Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта.

В проекте планируется использование следующих баз данных гидрометеорологической информации.
ЗАДАЧА 1. (2021 г.). Анализ результатов мониторинга долгосрочной изменчивости верхней ветви Атлантической меридиональной океанической циркуляции (АМОЦ) и связанных с нею потоков тепла и соли (пресной воды) в Арктику.
В качестве одного из массивов натурных данных по температуре и солености будет использоваться наиболее полная на настоящий момент база данных по Арктике https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.872931 (Behrendt et al., 2018), а также данные по буйковым станциям в проливе Фрама.
Однако, натурные данные в Арктике по сей день достаточно малочисленны и изобилуют многочисленными пробелами. В частности, долгосрочную изменчивость потоков массы, тепла и соли можно получить только вдоль отдельных разрезов. Поэтому основные результаты (вне Северо-Европейского бассейна и Баренцева моря) будут получены с использованием современных океанических реанализов высокого разрешения, с ассимиляцией как спутниковых так и контактных измерений. Наиболее надежно можно оценить изменчивость потоков с 1993 г. по реанализу GLORYS12v1, который имеет наиболее высокое пространственное разрешение 0.083x0.083° и суточный шаг по времени. Однако, поскольку мы планируем охватить максимально временной промежуток не менее 50 лет для оценки долгопериодной изменчивости, связанной с АМОЦ, то основным океаническим реанализом будет являться ORAS4 [https://icdc.cen.uni-hamburg.de/daten/reanalysis-ocean/easy-init-ocean/ecmwf-ocean-reanalysis-system-4-oras4.html], доступный за период 1958-2017 на сетке 1х1° на 42 горизонтах (Balmaseda et al., 2013), а также и ORAS5 на меньшем временном отрезке (Zuo et al., 2019) (1979-2020; 0.25х0.25°; 75 горизонтов; 1 месяц). В качестве альтернативного реанализа будет использоваться реанализ SODA 3.4.2. (Carton et al., 2018) (1980-2020; 0.25х0.25°; 50 горизонтов; 5 дней, 1 месяц).
Потоки тепла и соли будут рассчитываться в верхнем 500-м слое по всем ячейкам сетки, а также по выделенным разрезам на границах морских бассейнов, входящих в Атлантический сектор Северного Ледовитого океана и субполярных областей этих бассейнов.
Изменчивость интенсивности АМОЦ будет оцениваться по ранее рассчитанным индексам (Chen, Tung, 2018; Caesar, 2018 и др.). Будет проведен пересчет индексов для используемых реанализов. На основе кросс-корреляционного, кросс-спектрального и кросс-вейвлет анализов будет оценена связь этих индексов с интенсивностью потоков тепла на сетках используемых реанализов. Будет также проведены анализ композитных карт на периоды высоких и низких значений АМОЦ, а также анализ связи изменчивости главных компонент эмпирических ортогональных функций потоков тепла и соли (пресной воды) с АМОЦ. Полученные оценки связи АМОЦ и долгосрочной изменчивости потоков тепла и соли в исследуемых районах на входе в Арктику, анализ связанных естественных цикличностей, позволят создать основу для описания причинно-следственных связей в этих районах. Предшествующие работы по данной проблеме (Barrier et al., 2015; Chafik et al., 2019 и др.) преимущественно описывали внутригодовую и внутридекадную изменчивости, уделяя основное внимание локальному взаимодействию океана с атмосферой. Данный проект направлен на ту часть долгосрочной изменчивости, которая может быть описана изменчивостью интенсивности АМОЦ, независимо от причин ее изменчивости.

ЗАДАЧА 2. (2021-2022). Анализ долгосрочной изменчивости термохалинных характеристик океана и температуры атмосферы полярных областей с связи с изменчивостью интенсивности АМОЦ.
Изменчивость интенсивности АМОЦ, предположительно, будет вызывать изменчивость температуры, солености и стратификации значительных областей в субполярных и полярных областях северной части Атлантического и Северного Ледовитого океанов. Для анализа будут использованы те же базы данных и реанализов, что и в задаче 1. Будет проведен кросс-корреляционный, кросс-спектральный и кросс-вейвлет анализы изменчивости термохалинных характеристик и стратификации и интенсивности АМОЦ; анализ композитных карт и изменчивости главных компонент эмпирических ортогональных функций. Перед выполнением кросс-корреляционного анализа ряды будут подвергнуты предварительной высокочастотной фильтрации для выявления причин долгосрочной изменчивости.
Атмосферные реанализы ERA-INTERIM [https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era-interim] и ERA5 [https://www.ecmwf.int/en/forecasts/dataset/ecmwf-reanalysis-v5] будут использоваться для оценки атмосферных потоков тепла из океана в атмосферу. Эти результаты позволят оценить прямое влияние АМОЦ на температуру приводного слоя Арктического региона, в связи с поступающим океаническим теплом и теплоотдачей океана. Эти реанализы также будут использованы для оценки характера изменчивости температуры приводного слоя атмосферы и Арктического усиления, а также характера статистических связей между этими характеристиками (Малинин и др., 2018b) и изменчивостью потоков тепла (в связи с АМОЦ). Арктическое усиление будет рассчитываться по методикам, изложенным в Latonin et al. (2020).

ЗАДАЧА 3. (2021-2022) Анализ характера изменчивости морских экосистем (сообщества фитопланктона) в Атлантическом секторе Арктики; оценка возможной связи с изменчивостью АМОЦ
Для оценки первичной продуктивности в полярных и субполярных районах будет использована база спутниковых снимков цвета океана CCI Ocean Colour (версия 3): концентрации хлорофилла-а (Хл) [мг м-3] и коэффициента ослабления солнечной радиации в морской воде на длине волны 490 нм (kd490) [м-1]. Используемые массивы, представляют собой объединённую информацию с трёх спектрорадиометров (SeaWiFS, MODIS, MERIS) с пространственным разрешением 4×4 км и временной дискретностью – 8 дней. Выбросы в исходных данных предварительно фильтруются при предположении о логнормальном законе распределения этих параметров (Campbell, 1995; Sokal, Rohlf, 2012; Лобанова и др., 2015; Lobanova et al., 2016).
Первичная продукция будет определяться по моделям: Vertically Generated Production Model (VGPM, Behrenfeld, Falkowski, 1997) and Platt and Sathyendranath Model (PSM, Platt, Sathyendranath, 1988), Absorption Based Model (Aph-PP, Lee et al., 1996; 2011). Будут рассмотрены связи межгодовой изменчивости климатических (климатические индексы), физических (температура и солёность воды, глубина перемешанного слоя, стратификация, концентрация льда) и химических (концентрация биогенных элементов и растворённого неорганического углерода) факторов с изменчивостью концентрации хлорофилла-а и первичной продуктивности вод.
Концентрации кокколитофора E. huxleyi будут определены с использованием той же базы CCI-OC по оригинальным алгоритмам (Kondrik et al., 2017, 2018). Анализируемые параметры, определяющие интенсивность и распространение цветений, включают в себя: температуру поверхности моря, соленость, приходящую солнечную радиацию, глубину перемешанного слоя, концентрацию хлорофилла, геострофическую скорость поверхностных течений, и концентрацию биогенов. Объективная оценка и выявление приоритизации индивидуального влияния факторов окружающей среды на феномен цветений кокколитофора E. huxleyi будет производиться с использованием данных спутниковых наблюдений и океанических/атмосферных реанализов. Для оценки концентрации биогенов будет также использоваться база натурных данных WOD18 (World Ocean Database [https://data.nodc.noaa.gov/cgi-bin/iso?id=gov.noaa.nodc:NCEI-WOD]). Эта база представляет собой наиболее полную совокупность всех доступных в открытом доступе контактных измерений кислорода и биогенов (буи Argo, данные судовых измерений и др.) для который проведен контроль качества, удалены профили дублеры.
Оценка индивидуального влияния обозначенных выше факторов и их приоритизация будут производиться с использованием методов многомерной оптимизации и техники машинного обучения.
Основным аппаратом работы с данными будет служить среды прикладного программирования MATLAB и Python.

Таблица. Предполагаемые сроки выполнения поставленных задач



7. Имеющийся у коллектива исполнителей научный задел по проекту (в данном пункте заполняется текстовое описание задела, а размещение прочей подтверждающей информации описано в п. 4.3.20 (см. файл «4.3.20. Подтверждение имеющегося задела»)).

Ранее нами были рассчитаны соленостные индексы АМОЦ, предложенные в работе (Chen, Tung, 2018) по базам натурных данных ISHII, Scripps (1945-2012, http://rda.ucar.edu/datasets/ds285.3/; с 2004 года, http://www.argo.ucsd.edu/Gridded_fields.html) и EN4 (1950–2016, https://www.metoffice.gov.uk/hadobs/en4/).
Так же был рассчитан температурный индекс, предложенный (Caesar, 2018). Индексы показали высокую корреляцию друг с другом, но каждый имел свои особенности межгодовой изменчивости. Все индексы значимо положительно коррелируют с переносом верхней ветви АМОЦ по данным RAPID (корреляция превышает 0.7, с задержкой сигнала в индексе АМОЦ на 2 года).
Ранее мы детально изучили пространственно-временную изменчивость одной из основных причин изменчивости АМОЦ – глубокой конвекции в морях Гренландском, Лабрадор и Ирмингера (Федоров и др., 2018; Belonenko, Fedorov, 2018; Башмачников и др., 2018, 2019; Fedorov, Bashmachnikov, 2020). Мы рассчитали и проанализировали значения индексов конвекции с 1950 г. (по методикам Bashmachnikov, 2018), описали теоретические основы динамики конвективной трубы и выявили связи этой динамики с АМОЦ (Bashmachnikov, Kovalevsky, 2019; Kovalevsky et al., 2020; Kovalevsky, Bashmachnikov, 2020), а также причины межгодовой изменчивости конвекции в различных морях. Исследованы статистические связи интенсивностей АМОЦ и конвекции в разных морях (Кузнецова, Башмачников, на рецензии).
Авторами разработаны, верифицированы и применены методы расчёта основной характеристики используемой для определения глубины верхнего квазиоднородного слоя и интенсивности конвекции (Башмачников и др., 2018; Федоров и др., 2018). Проанализированы глубины верхнего квазиоднородного слоя по данным контактных измерений из базы EN4, а также по данным реанализа ARMOR3D в Норвежско-Гренландском регионе и морях Лабрадор и Ирмингера (Федоров и др., 2019; Башмачников и др., 2019; Fedorov, Bashmachnikov, 2020). Для этих методов создан оригинальный комплекс программных кодов. Особенности развития конвективной трубы рассматривались с аналитической точки зрения (Kovalevsky et al., 2020; Bashmachnikov, Kovalevsky, 2019). Результаты были получены в рамках проекта Российского научного фонда № 17-17-01151 (рук. Башмачников И.Л.).
Интенсивность течений субполярного круговорота в морях Лабрадорское и Ирмингера были проанализированы по данным спутниковой альтиметрии (Belonenko et al., 2018), течения субполярного круговорота в течение периода 1993-2016 гг. ослабевали со средним трендом -0.3 см/c в год. Также рассматривались и стерические колебания уровня на предмет их связи с глубокой конвекцией в морях Ирмингера и Лабрадор (Belonenko, Fedorov, 2018; Belonenko and Koldunov, 2019). Результаты были получены в рамках проекта Российского научного фонда № 17-17-00027 (рук. Башмачников И.Л.).
Цикл работ посвящен динамике вод Норвежского и Гренландского морей (Bashmachnikov et al., 2017, 2018; Sandalyuk et al., 2020), региона через который происходит основной транзит Атлантических вод в Арктику, здесь также происходит и масштабная теплоотдача в атмосферу, что, несомненно, сказывается на количестве тепла, которое достигает ворот в Арктику. Описан механизм взаимосвязи между количеством атмосферного и океанического тепла, поступающего в Баренцево море и площадью ледяного покрова (Kalavichchi, Bashmachnikov, 2019). Также рассмотрены особенности ледового режима в Гренландском море в контексте изменчивости поступающего Атлантического тепла и соли (Selyuzhenok et al., 2020). Поток пресной воды, образованный у берегов Гренландии также проанализирован, его влияние преимущественно локально, что мало проявляется в опреснении субполярных морей (Dukhovskoy et al., 2019).
Модели оценки первичной продуктивности по спутниковым данным Vertically Generated Production Model (VGPM) and Platt and Sathyendranath Model (PSM), Absorption Based Model (Aph-PP) ранее уже применялись для анализа изменчивости первичной продуктивности в Северной Атлантике и Норвежско-Гренландском регионе, была проведена их валидация относительно натурных наблюдений (Лобанова, 2017, 2018; Lobanova et al., 2018; Zvalinsky et al., 2019).
Ряд работ коллектива посвящен разработке обширной базы данных по цветению (Kondrik et al., 2019c), разработке методологии выявления и оконтуривания зон цветения кокколитофора E. huxleyi в Северной Атлантике и Северном Ледовитом океане. Был также усовершенствован ряд созданных ранее и не имеющих аналогов алгоритмов количественной оценки площади и продолжительности массового цветения этой водоросли, образования взвешенного углерода, повышения парциального давления CO2 внутри цветения и в атмосфере над цветением, в субарктических и арктических морях. Были получены и совместно проанализированы, а затем интерпретированы временные ряды этих переменных за 1998-2019 гг. (Kondrik et al., 2017, 2018, 2019a,b; Morozov et al., 2019). Показано, что факторы окружающей среды доминантно влияют на цветение E. huxleyi. Воздействие цветения E. huxleyi на субарктическую и арктическую морскую среду является столь значительным, что должно учитываться в будущих прогнозах (Gnatiuk et al., 2020). Результаты были получены в рамках проекта Российского научного фонда № 17-17-01117 (рук. Поздняков Д.В.).
Все положения данного пункта подтверждены публикациями в высокорейтинговых статьях. Избранные публикации руководителя и участников проекта даны в приложении п. 4.3.20.
Руководителем проекта является Игорь Львович Башмачников (кафедра океанологии СПбГУ), который имеет значительный опыт руководства научными проектами (CV Башмачникова И.Л. в приложении).
Исполнителями проекта являются 2 доктора наук (Белоненко Т.В. и Поздняков Д.В.), 3 кандидата наук (Колдунов А.В., Лобанова П.В., Кондрик Д.В.), аспиранты кафедры океанологии (Сандалюк Н.В., Латонин М.М., Федоров А.М., Новоселова Е.В.) и две студентки 1го курса магистратуры «Физическая океанография и биопродуктивность океанов и морей» (ФОБОС), всего 12 человек.
Краткое перечисление полученных результатов доказывает наличие серьезного задела у исполнителей предлагаемого проекта. Эти результаты требуют комплексного анализа и обобщения в рамках поставленной цели и решаемых задач. Наличие задела, опыт и квалификация исполнителей, публикующих свои результаты в ведущих мировых журналах, позволит выполнить исследование по предлагаемому проекту на мировом уровне.


8. Детальный план работы на первый год выполнения проекта.

В рамках ЗАДАЧИ 1: (2021 г.). Анализ результатов мониторинга долгосрочной изменчивости верхней ветви Атлантической меридиональной океанической циркуляции (АМОЦ) и связанных с нею потоков тепла и соли (пресной воды) в Арктику
1.1. Рассчитать потоки тепла и соли, транспортируемые верхней ветвью АМОЦ на регулярной сетке, по данным океанического реанализа ORAS4 (доступен за период 1958-2017 гг.), а также ORAS5, SODA 3.4.2 и GLORYS12v1 (на промежутках наличия данных реанализов).
1.2. Рассчитать временные ряды (за период 1958-2017 гг.) интегральных расходов потоков тепла и соли на входе в Арктику, через пролив Фрама, и в Баренцево море (между арх. Шпицберген и побережьем Скандинавии).
1.3. Рассчитать индексы АМОЦ для тех же периодов по тем же массивам данных. Провести валидацию этих индексов с использованием массива наблюдений RAPID.
1.4. Выделить долгосрочные тенденции (тренды), а также долгопериодные цикличности (на основе вейвлет-анализа) изменчивости потоков массы, тепла и соли, а также интенсивности верхней ветви АМОЦ по имеющимся базам данных.
1.5. Оценка пространственной структуры потоков тепла и соли при изменении интенсивности АМОЦ путем расчета эмпирических ортогональных функций и связанных с ними главных компонент этих потоков.
1.6. Выявить потенциальную связь долгосрочной изменчивости потока Атлантических вод на север и потока пресной воды из Арктики (таяние льда). Эта связь может быть нарушена рядом независимых факторов, а именно: изменение циркуляции Северного Ледовитого океана под влиянием региональных атмосферных факторов и накопление пресных вод в море Бафорта.

В рамках ЗАДАЧИ 2: (2021-2022). Анализ долгосрочной изменчивости термохалинных характеристик океана и температуры атмосферы полярных областей с связи с изменчивостью интенсивности АМОЦ
2.1 Рассчитать потоки теплосодержание и количество пресной воды в верхнем 700-м слое Евразийского сектора Северного Ледовитого океана и субполярных областей по данным океанического реанализа ORAS4 (доступен за период 1958-2017 годов), а также ORAS5, SODA 3.4.2 и GLORYS12v1 (на промежутках наличия данных реанализов).
2.2 Расчитать изменчивость стратификации верхнего слоя Евразийского сектора Северного Ледовитого океана на разные сезоны
2.3 Выделить долгосрочные тенденции (тренды), а также долгопериодные цикличности (на основе вейвлет-анализа) параметров выше; оценить их связь с изменчивостью интенсивности верхней ветви АМОЦ.
2.4 Оценка пространственной структуры термохалинных параметров на разных горизонтах при изменении интенсивности АМОЦ путем расчета эмпирических ортогональных функций и связанных с ними главных компонент этих параметров.
2.5 Выявить потенциальные механизмы связи долгосрочной изменчивости стратификации различных районов Евразийского сектора Северного Ледовитого океана и субполярных областей с изменчивостью АМОЦ.

В рамках ЗАДАЧИ 3: (2021-2022) Анализ характера изменчивости морских экосистем (сообщества фитопланктона) в Атлантическом секторе Арктики; оценка возможной связи с изменчивостью АМОЦ

3.1 Анализ межгодовой изменчивость концентрации хлорофилла-а (1998-2020 гг.), выявление трендов и цикличностей;
3.2 Выявление межгодовой пространственно-временной изменчивости весенне-летних «цветений» хлорофилла-а;
3.3 Провести районирование рассматриваемого региона с выявлением областей усиления и ослабления весенне-летнего «цветения» фитопланктона и общей межгодовой изменчивости концентрации хлорофилла-а.
3.4 Расчет первичной продуктивности, выявление трендов и цикличностей; в том числе по сезонам
3.5 Гармонизированная специализированной базы данных по указанным выше параметрам окружающей среды на период 1998-н.в. с покрытием всех зон Северной Атлантики и Арктики, где регулярно или эпизодически возникают мощные цветения E. huxkeyi. По своему географическому и временному охвату, а также наполнению/номенклатуре параметров эта база данных будет наиболее продвинутой из имеющихся на сегодняшний день.
3.6 Предварительный экспертный анализ основных факторов изменчивости параметров цветений E. huxkeyi.
Short titleЭкологический мониторинг и проблемы исследований Арктического региона
AcronymM1_2021-1
StatusActive
Effective start/end date23/03/2131/12/21