Целью настоящего проекта является мониторинг долгосрочной климатической изменчивости Атлантической меридиональной океанической циркуляции (АМОЦ) и атмосферной циркуляции на изменчивость колебаний температуры воды и воздуха Евразийского сектора Северного Ледовитого океана (СЛО), а также влияния этой изменчивости на состояние экосистем этого региона.
В рамках задачи 1 были получены новые индексы интенсивности переноса тепла АМОЦ в СЛО, подтверждена гипотеза, что перенос соли из субтропиков оказывает существенное влияние на конвекцию в Гренландском море.
В рамках задачи 2 было установлено, что усиление АМОЦ приводит к увеличению температуры воды в Норвежском море, при одновременно ее уменьшении в восточной части Баренцева моря и в районе Шпицбергена. Последние особенности частично объясняются уменьшением адвекции тепла из Норвежского моря при усилении АМОЦ за счет увеличения изъятия тепла из Норвежского течения вихрями и рассеяния его по Лофотенской котловине. Изменчивость адвекции океанического тепла на входе в Норвежское море определяется, прежде всего, не температурой приходящих вод, а скоростью Норвежского течения, увеличение которой связано с усилением атмосферной циклонической циркуляции над морем.
Потоки тепла из океана в атмосферу в период современного потепления, прежде всего, усиливаются в районах сильного уменьшения концентрации льда в Баренцевом-Карском морях и в районе Шпицбергена, оказывая локальное влияние на температуру воздуха в этих районах. Вторым фактором является изменения характера атмосферной циркуляции. Основная мода этой региональной изменчивости проявляется в постепенном изменении поля давления в процессе современного потепления, соответствующее росту индекса Восточно-Атлантического колебания. Вторая мода связана с меж-десятилетними колебаниями индекса Северо-Атлантической осцилляции, что определяет усиление теплоотдачи Северо-Европейского бассейна при ослаблении теплоотдачи Субполярного бассейна.
Локально влияя на температуру воздуха в области восточной ветви Норвежского течения, океаническая адвекция тепла также влияет на температуру Арктики путем регулирования интенсивности атмосферной адвекции тепла через механизм компенсации Бьеркнеса.
В рамках задачи 3 показано, что основные районы цветений как фитопланктонного сообщества, так и наиболее массового вида E. huxleyi, связаны с изменчивостью температуры воды и количеством фотосинтетически активной радиации. Были предложены прогностические модели оценки положения и интенсивности цветений фитопланктона в целом и отдельно вида E. huxleyi.
По результатам 2го года проекта было опубликовано 6 статей WoS/Scopus, включая 2 статьи Q1, сделано 8 докладов на научных конференциях, защищен ряд дипломных работ и 1 кандидатская диссертация.
Атлантическая меридиональная термохалинная циркуляция (АМОЦ) представляет собой поток поверхностных теплых и соленых вод из тропических широт Атлантики в Арктику, который компенсируется возвратным глубинным потоком распресненных и холодных вод из Арктики в тропики. Роль АМОЦ в формировании климата трудно переоценить. Известное в популярной литературе «отепляющее влияние Гольфстрима» является одним из проявлений АМОЦ. В последние десятилетия идет постепенное ослабление АМОЦ, которое прогнозируется и в будущем. Существенное ослабление АМОЦ может повлечь за собой смещение климатических зон, ослабление муссонов, усиление проникновения штормов в континентальные области, увеличение стратифицированности приповерхностных вод ряда регионов Атлантики с последующим уменьшением суммарной биомассы планктона на 50%. Полная остановка АМОЦ может являться триггером оледенений Северного полушария.
В настоящем проекте поводится исследование влияния АМОЦ на климат Арктики. Актуальность этой задачи связана со все возрастающей важностью российских арктических морей, как перспективной транспортной магистрали, освоением огромных запасов нефти, природного газа, минеральных и рыболовных ресурсов этого региона. Со смягчением климатических условий Арктики и дальнейшим сокращением ледяного покрова стратегическое значение этого региона будет только возрастать.
В настоящем проекте мы пытаемся связать динамику АМОЦ с изменчивостью температуры воды и воздуха в Атлантическом секторе Северного Ледовитого океана (СЛО), охватывающем моря Северо-Европейского бассейна и примыкающую часть Евразийского бассейна СЛО. Целью 2ого года проекта было исследование изменчивости океанических и атмосферных потоков тепла, физических механизмов, формирующих основные моды этой изменчивости, а также механизмов, определяющих влияние меняющихся океанических условий на динамику фитопланктона.
В ходе работы текущего года было выделены области, где температура воздуха определялась непосредственно за счет потока океанического тепла в Арктику, где велико влияние отступления кромки льда, а где температура регулируется атмосферными потоками тепла в Арктику. Было выявлено влияние атмосферной циркуляции на изменчивость океанических потоков тепла и, наоборот, влияние притока океанического тепла на характер атмосферной циркуляции. По разработанным алгоритмам были оценены площади цветений фитопланктона и его отдельных видов, выделены основные физические предпосылки развития этих цветений, построены прогностические модели, позволяющие предсказать появление цветений в различных морях региона.
Целью настоящего 2х-летнего проекта является мониторинг долгосрочной климатической изменчивости Атлантической меридиональной океанической циркуляции (АМОЦ) и атмосферной циркуляции на изменчивость колебаний температуры воды и воздуха Евразийского сектора Северного Ледовитого океана (СЛО), а также влияние изменчивости физических условий на состояние экосистем этого стратегически важного региона. Также уточнены механизмы ускоренного потепления в Евразийском секторе Арктики.
Рассчитанный ранее в проекте ансамблевый индекс АМОЦ показал общую тенденцию к ослаблению АМОЦ за прошедшие 70 лет, на которую накладываются значительные меж-десятилетние колебания с периодом порядка 40 лет. Было установлено, что глубокая конвекция в море Ирмингера и дивергенция Экмановских потоков в Южном океане являются ведущими факторами изменчивости АМОЦ.
В текущем году проекта, в рамках задачи 1, были получены новые индексы, характеризующие интенсивность переноса тепла АМОЦ непосредственно в СЛО. Была подтверждена гипотеза, что наиболее интенсивная из всех областей глубокой конвекции в Гренландском море практически не влияет на АМОЦ, а, наоборот, адвекция соли течениями из низких широт оказывает существенное влияние на конвекцию в Гренландском море.
В рамках задачи 2 было установлено, что, при усилении АМОЦ, увеличивается температура поверхности воды в Норвежском море, но уменьшается температура в восточной части Баренцева моря и в районе Шпицбергена. Предположительно эти особенности объясняются существенной активизацией вихреобразования в Норвежском море при усилении АМОЦ, что приводит к ослаблению выноса тепла из моря на север и на восток.
Было установлено, что изменчивость потоков океанического тепла на входе в Норвежское море определяется, прежде всего, колебаниями скорости Норвежского течения, а не температурой приносимой воды. Скорость же течения усиливается при усилении циклонической атмосферной циркуляции над морем.
Анализ пространственно-временной изменчивости потоков тепла из океана в атмосферу и их влияния на температуру воздуха показал, что наиболее сильное увеличение потоков тепла в атмосферу при нынешнем тренде к потеплению происходит в районах активного отступления льда (Баренцево, Карское и Гренландское моря и район Шпицбергена). Однако существенное влияние на температуру воздуха этот процесс оказывает только в северной части Баренцева и Карского морей. Вторым фактором, регулирующем теплоотдачу океана, является изменчивость атмосферной циркуляции. Основной тенденцией в региональной изменчивости является постепенное изменение поля давления в процессе современного потепления, соответствующее росту Восточно-Атлантического колебания (EA). Вторая мода изменчивости характеризует меж-десятилетние колебания региональной атмосферной циркуляции, характеризующиеся колебаниями индекса Северо-Атлантической осцилляции (NAO) и которые определяют усиление теплоотдачи Северо-Европейского бассейна при одновременном ослаблении теплоотдачи Субполярного бассейна, и наоборот.
Было установлено, что непосредственное влияние океанического переноса тепла на температуру воздуха оказалось существенным только в районе восточной ветви Норвежского и Западно-Шпицбергенского течений и прилегающей части Баренцева моря. При этом, океаническая адвекция тепла в СЛО существенно влияют на атмосферную адвекцию тепла в Арктику через механизм компенсации Бьеркнеса с задержкой на 3 года. Этот механизм играет важную роль в потеплении воздуха на значительной части исследуемого региона Арктики.
В рамках задачи 3 во второй год проекта были выделены основные моды изменчивости первичной продуктивности в Северо-Европейском бассейне СЛО. Было показано, что значения индексов NAO (а также Арктического усиления – АО) определяют противофазность изменчивости первичной продукции в Баренцевом море и в Норвежско-Гренландском регионе. Влияние физических условий на цветения фитопланктона, прежде всего, определялись изменчивостью температуры воды (стратификации) и количества фотосинтетически активной радиации. Температура воды была одним из ведущих факторов и в динамике наиболее массовых вида кокколитофор E. huxleyi. Были предложены прогностические модели оценки положения и интенсивности цветений как фитопланктона в целом, так и отдельно вида E. huxleyi, основанные изменчивости параметров среды.
По результатам 2го года проекта было опубликовано 7 статей (из них 6 WoS/Scopus, включая 2 статьи Q1, одна из которых журнале Scientific Reports - Nature series), сделано 8 докладов на научных конференциях. С использованием результатов работы по проекту было защищено 3 ВКР/курсовых бакалавров (Морозова, Каледина, Кузьмина), 2 ВКР магистров (Яковлева, Кузнецова), 1 кандидатская диссертация (Латонин), 2 кандидатские диссертации находятся в процессе написания (Яковлева, Новоселова).
Всего за прошедшие 2 года проекта было опубликовано 16 статей, 15 из которых индексированы в WoS/Scopus (включая 4 статьи уровня Q1), сделано 13 докладов на научных конференциях.
Подробное описание результатов проекта приводится в прилагаемом ниже файле отчета.
В ходе работы текущего года были получены следующие основные результаты:
• Получены новые индексы, характеризующие интенсивность адвекции тепла АМОЦ в СЛО.
• Подтверждена гипотеза, что интенсивность самой активной области глубокой конвекции, расположенной в Гренландском море, регулируется переносом соли из Атлантики.
• Обнаружено, что увеличение температуры поверхностных вод Норвежского моря при усилении АМОЦ связано с некоторым усилением потока тепла из Атлантики.
• Показано, что при усилении АМОЦ одновременно уменьшается температура поверхностных вод восточной части Баренцева моря и области около Шпицбергена. Одной из причин является некоторое ослабление выноса тепла из Норвежского моря, несмотря на усиление АМОЦ. Предположительно причиной последнего является усиление вихреобразования в Лофотенском бассейне Норвежского моря, что усиливает извлечение тепла из Норвежского течения. Наши оценки показывают, что, в среднем, вихри извлекают порядка ¼ переносимого Норвежским течением тепла и перераспределяют его внутри Лофотенской котловины.
• Показано, что подавляющий вклад в межгодовую изменчивость адвекции тепла в СЛО с Норвежским течением (через разрез Свиной) вносит изменчивость расхода воды (скорость течения), который, в свою очередь, усиливается при усилении циклонической циркуляции над Норвежским морем.
• Показано, что океаническая адвекция непосредственно влияет на температуру воздуха только локально, над Норвежским течением и прилегающей частью Баренцева моря. Здесь она должна способствовать формированию циклонической циркуляции, что приводит к положительной обратной связи потоков океанического и атмосферного тепла в районе Баренцева моря.
• Выявлена отрицательная обратная связь потоков океанического и атмосферного тепла к северу от 80с.ш. (в том числе, севернее Баренцева моря): адвекции тепла в Арктику атмосферой ослабевает примерно через 3 года после усиления океанической адвекции тепла в СЛО (механизм компенсации Бьеркнеса).
• Показано, что изменчивость потоков тепла из океана в атмосферу в районе исследований определяется 2-мя основными процессами: тенденцией к таянию льда при современном потеплении и изменениями в атмосферной циркуляции.
• Таяние льда определяет общую тенденцию к увеличению потоков тепла в районах, где концентрация льда уменьшается более чем на 20%. Эта тенденция связана с изменением поля атмосферного давления аналогичного усилению положительной фазы ЕА и проявляется в виде одновременного усиления Исландского минимума и Сибирского максимума при ослаблении Арктического антициклона. С ней связано и общее увеличение температуры воздуха (максимум Арктического усиления) в северной части Баренцева и Карского морей.
• Меж-десятилетние колебания региональной атмосферной циркуляции связаны с колебаниями индекса NAO и определяют усиление теплоотдачи поверхностью моря Северо-Европейского бассейна при одновременном ослаблении теплоотдачи Субполярного бассейна.
• По разработанным в прошлом году алгоритмам оценены площади цветений фитопланктона, а также наиболее его распространенного вида Emiliania huxleyi. Для E. huxleyi также оценена общая биомасса цветений и их влияние на концентрацию углекислого газа в приводном слое атмосферы.
• На базе алгоритма Random Forest Classification (RFC) построены модели, позволяющие предсказывать развитие цветений фитопланктона и E. huxleyi как функции различных параметров морской среды. В обоих случаях одними из ведущих факторов является температура воды и количество фотосинтетически активной радиации, но модели рознятся для различных морей.
1.Башмачников Игорь Львович, общее руководство проектом, выявлена потенциальную связь долгосрочной изменчивости потока Атлантических вод на север и потока пресной воды из Арктики, выявлена роль вихрей в переносе тепла от Норвежского течения в Лофотенский бассейн
2.Белоненко Татьяна Васильевна, построены индексы характеризующие интенсивность переноса тепла АМОЦ в СЛО.
3.Лобанова Полина Вячеславовна, выявлены связи межгодовой изменчивости климатических индексов и физических факторов (температура и соленость воды, глубина перемешанного слоя и др.) на изменчивость концентрации хлорофилла-а
4.Поздняков Дмитрий Викторович, выполнено ранжирования факторов влияния окружающей среды на динамику цветений E. huxkeyi в различных районах исследуемой части северной Атлантики и Арктики
5.Кондрик Дмитрий Вячеславович, выполнено оконтуривание районов наблюдаемых площадей цветения кокколитофор в Норвежском, Гренландском и Баренцевом морях.
6.Фролова Анастасия Валерьевна, выполнено построение и валидация прогностической модели на базе выявленных факторов цветения E. huxkeyi, рассчитано общее содержания PIC в этих цветениях и изменение pCO2 в воде в области цветений
7.Кузнецова Дария Александровна, проведена оценку пространственной структуры потоков тепла и соли в Арктику, как следствие изменения интенсивности АМОЦ.
8.Латонин Михаил Михайлович, получены оценки характера межгодовой изменчивости Арктического усиления по нескольким индексам; выявлены связи между потоками океанического и атмосферного тепла и индексами Арктического усиления;
9.Новоселова Елена Владимировна, проведена работа по оценке характеристик вихрей в Лофотенском бассейне, получены и верифицированы теоретические соотношения между различными характеристиками вихрей
10.Яковлева Диана Андреевна, проведена оценку пространственной структуры потоков тепла и соли в Арктику, как следствие изменения поля ветра, проведен ЕОФ анализ, проведено исследование механизмов изменчивости потоков океанического тепла в СЛО
11.Каледина Анастасия Сергеевна, проведена оценка характера и механизмов изменчивости потоков тепла из океана в атмосферу в северной Атлантики, оценено влияние океанической адвекции на глубокую конвекцию в Гренландском море.
В проекте поставлены задачи исследования причин и последствий климатических изменений в арктическом и субарктическом регионах за последние десятилетия. Предлагаемый проект является комплексным и междисциплинарным исследованием системы «океан-атмосфера-морские экосистемы», что отражено в трех основных задачах проекта. Первая задача посвящена изучению особенностей изменчивости физико-гидрологического режима динамики океана в исследуемых регионах, в ответ на климатические изменения. Вторая задача определяет влияние изменчивости, происходящей в океане, на состояние нижней тропосферы, а также связанность переноса тепла в системе океан-атмосфера в Арктику. Третья задача посвящена влиянию происходящих изменений окружающей среды на состояние морских экосистем в арктическом и субарктическом регионах. Соответственно, в реализации проекта участвуют ученые различных научных направлений: океанология, динамика атмосферы и динамика морских экосистем.
| Short title | GZ-2022 |
|---|
| Acronym | M1_2021-2 |
|---|
| Status | Finished |
|---|
| Effective start/end date | 1/01/22 → 31/12/22 |
|---|
