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.
Сегодня мы наблюдаем значительные климатические изменения по всему миру, но в Арктике эти изменения происходят намного быстрее. Это феномен называется Арктическим усилением. Рядом ученых предполагается, что характер долгосрочной изменчивости климата Арктического региона связан с долгосрочной изменчивостью характера океанической циркуляции. Появившиеся в настоящее время массивы океанических реанализов открывают возможности для изучения этих долгосрочных связей в климатической системе.
Моря Северо-Европейского бассейна являются главными воротами для поступления океанического тепла в Арктику. Долгосрочная изменчивость этих потоков регулируется интенсивностью Атлантической меридиональной океанической циркуляции (АМОЦ), что во многом формирует термохалинные характеристики и вертикальную структуру верхнего слоя Северного Ледовитого океана. При увеличении потока Атлантических вод происходит сокращение ледяного покрова в Евразийском секторе Арктики, увеличение теплоотдачи океана в атмосферу в полярных районах, изменение характера атмосферной циркуляции. Одновременно запускается большое количество прямых и обратных связей в системе океан-лед-атмосфера, что, предположительно, приводит к увеличению температуры воздуха обширных областей Арктического региона. При этом, изменение условий существования фитопланктона приводит к изменению первичной продуктивности региона, что отражается на всех звеньях трофической цепи морских экосистем.
В настоящем проекте предполагается произвести мониторинг долгосрочной климатической изменчивости Атлантической меридиональной океанической циркуляции, связанных с этой изменчивостью изменений температуры воды и воздуха Евразийского сектора Арктики, а также влияния этой изменчивости на первичную продуктивность морей Арктического региона.
Полученные результаты позволят уточнить природу ускоренного потепления Арктики, а также влияния климатических процессов на состояние экосистем этого стратегически важного региона, и внесут вклад в укрепление позиций России в области научного освоения Мирового океана и Арктики, согласно указа «О Стратегии научно-технологического развития РФ» президента Российской Федерации В.В. Путина.
В рамках выполнения проекта получены следующие результаты:
*Временной ряд индексов изменчивости расхода верхней ветви АМОЦ, потока тепла и солености за период 1958-2017 годов (по данным ORAS4), что существенно расширило временной интервал анализа с 17 до 63 лет;
*На основе кросс-вейвлет анализа выделены основные цикличности различного масштаба, которые характеризуют изменчивость расхода верхней ветви АМОЦ и потоков тепла и соли на всей исследуемой акватории;
*Даны оценки линейных трендов для определения тенденций изменения количества Атлантического тепла и соли на входе в Арктику на основе самых современных результатов, проведена кросс-верификация результатов по различным моделям реанализа;
*Оценен характер влияния АМОЦ на распределение потоков океанического тепла и соли в северной Атлантике и Евразийской части Северного Ледовитого океана, а также подготовлено описание эффективности связи между количеством поступающей соли в Арктику и количеством уходящей из Арктики пресной воды на основе продолжительных временных рядов данных.
В рамках ЗАДАЧИ 2 (2021-2022 гг.): Анализ долгосрочной изменчивости термохалинных характеристик океана и температуры атмосферы полярных областей с связи с изменчивостью интенсивности АМОЦ
Получены следующие результаты:
*На основе кросс-вейвлет анализа выделены основные цикличности различного масштаба, которые характеризуют изменчивость теплосодержания, количества пресной воды и стартифицированности вод северной Атлантики и Евразийской части Северного Ледовитого океана;
*Даны оценки линейных трендов теплосодержания, количества пресной воды и стартифицированности вод северной Атлантики и Евразийской части Северного Ледовитого океана на разных горизонтах;
*Оценена роль потоков тепла и соли (и в частности потоков, связанных с АМОЦ) на изменчивость указанных выше термохалинных характеристик вод океана на разных горизонтах, а также подготовлено описание потенциальных механизмов изменчивости характера стратификации в исследуемых акваториях.
В рамках ЗАДАЧИ 3 (2021-2022 гг.): Анализ характера изменчивости морских экосистем (сообщества фитопланктона) в Атлантическом секторе Арктики; оценка возможной связи с изменчивостью АМОЦ
*Рассчитана первичная продуктивность северной Атлантики и свободных ото льда районов Евразийской части Северного Ледовитого океана по спутниковым данным; выделены сезоны; проведено районирование по характеру весенне-летнего «цветения» фитопланктона и его межгодовой изменчивости;
*Проведен анализ межгодовой изменчивость концентрации хлорофилла-а и первичной продуктивности (1998-2020 гг.), выявлены тренды и цикличности;
*Получена гармонизированная база данных по цветениям E. huxkey (1998-2020 гг.) и согласованным массивам параметров окружающей среды, которые могут определять эти цветения;
*Проведен экспертный анализ основных факторов изменчивости параметров цветений E. huxkeyi.
На третий (2023) год проекта исследования дополнены углубленным анализом влияния региональных океанических и атмосферных процессов на динамику переноса тепла Северо-Европейского бассейна, а также региональная оценка изменчивости продуктивности всего сообщества фитопланктона и его специфического таксона E. huxley за 1998-2022 гг.
В рамках Задачи 1 в 2023 г. продолжено исследование динамики конвекции в Гренландском море под влиянием океанической адвекции тепла и соли, в том числе в связи с изменчивостью АМОЦ
* На основе разработанной ранее методики анализа водных масс и более полных массивов данных получены новые, уточненные индексы глубокой конвекции в Гренландском море;
* Рассмотрен новый механизм глубокой конвекции в результате океанических затоков: развитие потенциальной неустойчивости за счет приток соленых и теплых вод с последующей теплоотдачей. Эта гипотеза была сформулирована в проекте на основе анализа балансовых уравнений теплообмена и потоков пресной воды в зонах конвекции в Гренландском море (Bashmachnikov et al., 2021)
В рамках Задачи 2 в 2023 г. проведен анализ регионального и локального влияния циркуляции атмосферы на изменчивость адвекции океанического тепла через Северо-Европейский бассейн, а также механизмы возможных обратных связей океан атмосфера в этом регионе.
* Проведена оценка связи региональных атмосферных индексов (NAO, EA и др.) и изменчивости характера атмосферной циркуляции на изменчивость скорости течения, температуры воды и интенсивностью адвекции тепла в различных областях Северо-Европейского бассейна. В частности, исследованы причины усиления атмосферных потоков тепла через южную границу Баренцева моря, которые связаны с усилением потоков океанического тепла
* Проведена оценка работы механизма положительной обратной связи усиления скорости Норвежского течения при усилении потока теплых вод из Атлантики
В рамках Задачи 3 в 2023 г. проведена оценка изменчивости продуктивности всего сообщества фитопланктона и его специфического таксона E. huxley в Северо-Европейском бассейне.
В рамках задачи 3 построены и проанализированы временные ряды динамики первичной продукции фитопланктона, а также продукции неорганического углерода E. huxley и протяженности зон цветения этого таксона на промежуток времени 1998-2022 гг.
Выявлены сроки и продолжительность весеннего «цветения» фитопланктона (по концентрации основного фотосинтетического пигмента хлорофилла-а) и проанализирована их межгодовая изменчивость за период 1998-2022 г. по данным дистанционного зондирования цвета океана.
Выполнение указанных Задач 1 и 2 позволило более полно оценить механизмы долгопериодных изменений климата, связанных с динамикой АМОЦ, а также выявить характер влияния изменения климатических условий на биоту субполярных и полярных морей. Результаты выполнения Задачи 3 имеет несомненную практическую значимость, по крайней мере, в двух аспектах. Во-первых, полученные нами количественные оценки продукции неорганического углерода в зонах массового развития/цветения Е. huxleyi (как наиболее распространенного в Миром океане кокколитофора) будут несомненно востребованы для моделирования биохимических процессов как составной части экологии морских сред и углубленного понимания влияния происходящих климатических изменений. Во-вторых, полученные в проекте результаты по уровню и временной динамике первичного продуцирования органического углерода могут иметь и непосредственное практическое значение для рыболовства (выявление перспективных зон отлова рыбы и прогноз рыбных ресурсов) поскольку от уровня первичной продуктивности, находящейся на низшем уровне трофический взаимодействий в морской экосистеме, напрямую зависит продуктивность на более высоких продукционных уровнях, начиная от зоопланктон и заканчивая ихтиофауной, морскими млекопитающими и морскими птицами/орнитофауной.
В рамках ЗАДАЧИ 1 в 2023 г. получены следующие результаты:
* Уточнен характер межгодовой изменчивости глубокой конвекции в середине 20го века в Гренландском море, когда прямых наблюдений недостаточно для корректной оценки этого явления.
* Выявлена зависимость динамики конвекции в Гренландском море от интенсивности океанической адвекции и тепло/влагообмена океан атмосфера за последние 70 лет, включая новые механизмы межгодовой динамики глубокой конвекции
В рамках ЗАДАЧИ 2 в 2023 г. получены следующие результаты:
* Получены оценки локального взаимодействия океана и атмосферы на изменчивость скорости течения, температуры воды и интенсивность адвекции тепла в морях Северо-Европейского бассейна, эффективность которых будет оцениваться в сравнении с изменчивостью АМОЦ для разных временных масштабов изменчивости
* Выявлен новый механизм изменчивости Норвежского течения (как элемента АМОЦ) и оценена его роль в переносе температурных аномалий в Северо-Европейском бассейне
В рамках ЗАДАЧИ 3 в 2023 г. получены следующие результаты:
* Сформированы и проанализированы временные ряды зон/площадей цветения кокколитофора E. huxleyi в исследуемых акваториях Северо-Европейского бассейна
* Сформированы и проанализированы временные ряды концентрации неорганического углерода в зонах цветения кокколитофора E. huxleyi в соответствующих акваториях Северо-Европейского бассейна
* Сформированы и проанализированы временные ряды парциального давления СО2 в поверхностных водах в зонах цветения E. huxleyi в соответствующих акваториях Северо-Европейского бассейна
* Сформированы ряды данных дистанционного зондирования концентрации хлорофилл-а и других параметров среды (ФАР, ТПО и др.) с дискретностью 8 дней и 4х4 км для весенне-летнего периода с 1998 по 2022 год.
* Разработан метод определения начала «цветения» фитопланктона для Северо-Европейского бассейна
* Выделены сроки начала и продолжительности весеннего «цветения» фитопланктона (по данным концентрации хлорофилла-а).
* Оценена межгодовая изменчивость сроков и продолжительности весеннего «цветения» фитопланктона.
В рамках ЗАДАЧ 1 и 2 в 2023 гг. будут проведены следующие работы:
Башмачников И.Л.
1. Осуществлять общее руководство проектом. Выполнение планируемых показателей на 2023 г. согласно Приложению №2.
2. Рассчитать уточненные индексы глубокой конвекции за последние 70 лет для Гренландского моря.
3.В рамках выполнения работ по проекту обеспечить в срок до 31.12.2023 года подачу 1 публикации с аффилиацией с СПбГУ, совместно с другими членами коллектива, в журналах, индексируемых в наукометрических базах данных WoS, Scopus или RSSI
Яковлева Д.А.
1. Провести оценку стерических градиентов уровня моря на различных отрезках Норвежского течения.
2. Провести оценку работы механизма положительной обратной связи усиления скорости Норвежского течения при усилении потока теплых вод из Атлантики
3. В рамках выполнения работ по проекту обеспечить в срок до 31.12.2023 года подачу 1 публикации с аффилиацией с СПбГУ, совместно с другими членами коллектива, в журналах, индексируемых в наукометрических базах данных WoS, Scopus или RSSI.
Кузнецова Д.А.
1. Подготовить материалы для оценки индексов глубокой конвекции в Гренландском море.
2. Проанализировать изменчивость характеристик глубинных водных масс в связи с изменчивостью конвекции
3. В рамках выполнения работ по проекту обеспечить в срок до 31.12.2023 года подачу 1 тезисов с аффилиацией с СПбГУ, совместно с другими членами коллектива, на всероссийскую или международную научную конференцию.
Каледина А.С.
1. Выделить затоки теплых и соленых вод в Гренландское море в рамках анализа их влияния на глубокую конвекцию;
3 Оценить характер изменчивости вод затока в связи с тепло/влагообменом океан-атмосфера и смешением с окружающей водой;
3. В рамках выполнения работ по проекту обеспечить в срок до 31.12.2023 года подачу 1 публикации с аффилиацией с СПбГУ, совместно с другими членами коллектива, в журналах, индексируемых в наукометрических базах данных WoS, Scopus или RSSI.
Латонин М.М.
1. Провести оценку связи региональных атмосферных индексов (NAO, EA и др.) и изменчивости характера атмосферной циркуляции на изменчивость скорости течения и температуры воды в различных областях Северо-Европейского бассейна.
2. Провести оценку связи региональных атмосферных индексов (NAO, EA и др.) и изменчивости характера атмосферной циркуляции на изменчивость интенсивности адвекции тепла в различных областях Северо-Европейского бассейна
3. Исследовать причины усиления атмосферных и океанических потоков тепла через границы Баренцева моря в последние десятилетия.
Белоненко Т.В.
1. Проанализировать топографический фактор и предельные переходы в уравнениях для субинерционных волн
2. Провести оценку вклада доплеровского эффекта в океане для волн Россби в океане. Представить сравнительный анализ старых и новых новые подходов.
3. В рамках выполнения работ по проекту обеспечить в срок до 31.12.2023 года подачу 1 публикации с аффилиацией с СПбГУ, совместно с другими членами коллектива, в журналах, индексируемых в наукометрических базах данных WoS, Scopus или RSSI.
Новоселова Е.В.
1. Изучить трансформацию кинетической и доступной потенциальной энергии при вытягивании мезомасштабных вихрей в филаменты
2. Получить оценку вихрей со свойствами неминуемого вытягивания для всего Мирового океана и отдельных акваторий
3. В рамках выполнения работ по проекту обеспечить в срок до 31.12.2023 года подачу 1 публикации с аффилиацией с СПбГУ, совместно с другими членами коллектива, в журналах, индексируемых в наукометрических базах данных WoS, Scopus или RSSI.
В рамках ЗАДАЧИ 3 в 2023 гг. будут проведены следующие работы:
Лобанова П.В.
1. Координация работ по анализу первичной продукции в Северо-Европейском бассейне.
2. Подготовка публикации совестно с Кузьминой С.К. и Малышевой А.С. Написание отчета по результатам работ, выполненных в 2023 г.
Кузьмина С.К.
1. Сбор данных дистанционного зондирования океана (хлорофилл-а, коэффициент диффузного ослабления света в морской воде, спектральный коэффициент яркости, температура поверхности воды, солёность, ФАР, глубине перемешанного слоя и др.) за период 1998-2022 гг.
2. Сбор судовых данных (биогенные микроэлементы) с дискретностью месяц за период 2020-2022 гг. для морей Северо-Европейского бассейна.
Поздняков Д.В.
1. С учетом результатов в рамках выполнения задачи 2, анализ полученных данных по временным рядам изменчивости площади цветения E. huxleyi и концентрации неорганического углерода в зоне цветения этого таксона;
2. С учетом результатов в рамках выполнения задачи 2, анализ полученных данных по временным рядам изменчивости парциального давления СО2 в поверхностном слое в зоне цветения E. huxleyi;
3. Написание отчета по результатам работ, выполненных в 2023 г.
Фролова А.В.
1. Расчет концентрации неорганического углерода в зонах цветения E. huxleyi в морях Северо-Европейского бассейна;
2. Расчет парциального давления СО2 в поверхностном слое в зонах цветения E. huxleyi в морях Северо-Европейского бассейна
3. Построение временных рядов изменчивости площади цветения E. huxleyi, концентрации неорганического углерода и парциального давления СО2 в зонах цветения E. huxleyi в 2022 г.
Малышева А.С.
1. Сбор данных дистанционного зондирования (спектральным коэффициентам отражения и др.) с дискретностью 8 дней, климатических индексов и др. за период 1998-2022 гг. в морях Северо-Европейского бассейна, где происходят цветения Е. huxley
2. Определение сроков начала и продолжительности весеннего «цветения» фитопланктона, оценка их межгодовой изменчивости.
3. Сбор данных спутниковых данных по значениям спектральных коэффициентов для дистанционного зондирования по Северо-Европейского бассейну
4. Расчет площадей цветения Е. huxleyi в морях Северо-Европейского бассейна.
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-2023 |
|---|
| Acronym | M1_2021 - 3 |
|---|
| Status | Finished |
|---|
| Effective start/end date | 1/01/23 → 31/12/23 |
|---|
