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

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

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 30 июня 2018 г.-31 декабря 2018 г. Подготовка исходных данных и формулировка рабочих гипотез
Результаты этапа: Выполнен систематический анализ материалов гидрологических наблюдений в Баренцевом море. Получены результаты анализа, включающие распределения гидрологических параметров на вертикальных разрезах, TS-диаграммах и на вертикальных профилях в отдельных точках, а также базовые статистики для повторяющихся разрезов/профилей (напр. разрез «Кольский меридиан»).
2 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Отладка и тестирование моделей и выполнение предварительных расчетов
Результаты этапа: Выполненная за отчетный период работа полностью соответствовала запланированным на первый год проекта задачам. Проведен систематический анализ материалов гидрологических наблюдений в Баренцевом море, содержащихся в базе данных Климатического Атласа Северо-Европейского бассейна. В дополнение к имеющимися в базе данных профилям, в рабочий массив были включены новейшие данные, полученные в экспедиции «Трансарктика-2019» (1-й этап) в Баренцевом море, в которой принимали участие участники проекта. Проведен предварительный анализ гидрологических данных. Рассчитаны базовые статистики для повторяющихся разрезов/профилей и построены временные ряды. Загружены в базу данных проекта данные океанского реанализа МЕРКАТОР по Баренцеву морю за временной интервал 2007-2019. Разработан и протестирован графический интерфейс пользователя для загрузки данных атмосферного реанализа ECMWF ERA5, который заменит функционирующий до середины 2019 года атмосферный реанализ ERA-Interim. Выполнено обобщение существующих сведений о наиболее вероятных процессах формирующих современные гидрологические условия в приатлантической Арктике, включающей Баренцево море и западную часть бассейна Нансена. Для исследования особенностей многолетней изменчивости стерического уровня в Баренцевом море была проведена выборка квадратов, наиболее обеспеченных океанографическими данными и рассчитаны сезонные и межгодовые статистики. Были систематизированы документированные случаи холодных вторжений в Баренцево море. В качестве индекса холодных вторжений использовалась разность среднесуточных потенциальных температур поверхности моря и на высоте 700 гПа. Для каждого дня были рассчитаны средние значение индекса для свободной ото льда акватории Баренцева моря. Установлено, что наибольших значений индекс достигает в период со второй половины декабря и до конца марта, что соответствует поступлению наиболее холодного воздуха в Баренцево море. Выполнены расчеты параметров ветрового волнения в Баренцевом море с 2011 по 2017 год на неструктурированной сетке при помощи волновой модели WAVEWATCH III 4.18. В результате проведенных расчетов для каждого узла получены трехчасовые характеристики ветрового волнения. Объединение расчетных данных с уже имеющимся массивом позволило сгенерировать реанализ характеристик ветрового волнения в Баренцевом море с шагом 3 часа с 1979 по 2017 гг. Были выполнены расчеты турбулентных потоков тепла с учетом морского волнения по реанализу CFSR. Показано, что при учете морского волнения при расчетах шероховатости, турбулентные потоки тепла возрастают в среднем на 14-16 % относительно средней по акватории величины потоков. Наибольшая «добавка» в потоках тепла за счет увеличения шероховатости при волнении отмечается на юго-западе и в центральной части моря, где наблюдается наибольшая средняя высота волн. В холодное время года в этих районах поток явного тепла увеличивается на 25-30 %, а поток скрытого тепла – на 20-25 %. Были проведены тестовые численные эксперименты с моделью WRF-ARW по усвоению данных о шероховатости, полученных из волновой модели. На примере нескольких случаев холодных вторжений, связанных с новоземельской борой, показано, что уменьшение шага сетки модели с 30 км до 5 км в среднем для всей области к западу от Новой Земли приводит к увеличению турбулентного потока явного тепла лишь на 3-4 Вт/м2 (то есть на 5-10 %), хотя амплитуда значений потоков тепла увеличивается почти в 2 раза, что связано с существенно мезомасштабной структурой боры. Были собраны и проанализированы современные материалы, опубликованные в рецензируемых научных журналах, монографиях, отчетах крупных международных и национальных проектов за последнее десятилетие, представляющие современное понимание метеорологических процессов, происходящих в регионе Баренцева моря, механизмы изменений климата в данном регионе, особенности взаимодействия моря и атмосферы, экологические и экономические последствия. Проведено исследование межгодовой изменчивости приповерхностная температура воздуха, являющейся важным индикатором климатической изменчивости в Арктике в силу наличия положительной обратной связи с площадью морских льдов. Полученные оценки увеличения приповерхностной температуры воздуха согласуются как с данными наблюдений, так и со спутниковыми данными. В результате выполненной классификация атмосферных процессов выявлены основные типы барического поля. Для каждого выделенного типа поля атмосферного давления рассчитывалось соответствующее поле температуры воздуха, осредненной по тем же периодам времени, когда существовал данный тип циркуляции. Такой композитный анализ позволил определить положительные аномалии температуры воздуха для района Баренцева моря, обусловленные обширным циклоном и областью блокирования над ним. В межгодовом ходе такая тенденция усилилась в период 2011-2015гг., что должно было способствовать уменьшению доли площади морского льда в регионе.
3 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Анализ результатов обработки данных наблюдений и моделирования
Результаты этапа: Выполненная за отчетный период работа полностью соответствовала запланированным на второй год проекта задачам. На основе материалов, подготовленных в первый год проекта, были выполнены исследования гидрологических процессов в Баренцевом море, способствующих трансформации вод атлантического происхождения вследствие теплоотдачи в атмосферу и затрат на таяние льда в зимний сезон. Показано, что существующая концепция о трансформации поступающих из Норвежского моря Атлантических вод вследствие зимней конвекции в открытом море, требует пересмотра. Новые данные наблюдений, согласованные с продуктами океанского реанализа, указывают на определяющую роль каскадинга с западного шельфа архипелага Новая Земля, как основного механизма, обеспечивающего интенсивное охлаждение Атлантических вод. Принципиально новым результатом является установление факта, что зимняя конвекция над Центральной банкой может быть чисто термической, т.е. для формирования однородного «столба» уплотненной воды над банкой не обязательно требуется осолонение при ледообразовании, что предполагалось ранее в качестве необходимого условия. Выявлена тенденция к расширению зон ускоренного таяния льда снизу в прикромочной ледовой зоне вдоль траекторий распространения Атлантической воды в Баренцевом-Карском морях и в западной части бассейна Нансена. Были выявлены особенности многолетних стерических колебаний уровня в двух характерных районах Баренцева моря. Обобщенная оценка вклада температуры и солености в повышение стерического уровня в Баренцевом море показала, что повышение стерического уровня обусловлено термической составляющей, тогда как соленостная составляющая имеет обратную тенденцию. По данным атмосферного реанализа сделаны оценки повторяемости экстремальных холодных вторжений над Баренцевым морем. Показано, что ее отличает большая межгодовая изменчивость. Получена высокая корреляция между повторяемостью холодных вторжений и средней за холодный сезон потерей тепла с поверхности Баренцева моря. Эта корреляция обнаружена как для турбулентных потоков явного и скрытого тепла, так и для суммарного потока длинноволновой радиации. Показано, что в годы минимальной ледовитости Баренцева моря в его восточную часть протягивается область максимальных значений потока явного тепла, а поток скрытого тепла и суммарный поток длинноволновой радиации также достигают больших абсолютных значений над свободной ото льда водой. Таким образом, восточная часть Баренцева моря становится подвержена сильному выхолаживанию, что может существенно влиять на процессы трансформации водных масс, стратификацию и перемешивание. По результатам моделирования ветрового волнения, выполненного в первый год проекта, было проведено исследование штормовой активности с применением оригинальной авторской методики. На основе полученного каталога штормов были созданы графические анимации параметров волнения и приземного атмосферного давления для каждого из штормов, а также рассчитана повторяемость штормов в Баренцевом море с 1979 по 2017 год. Установлено, что количество штормов в разные годы может меняться в 2–3 раза. При сопоставлении повторяемости штормового волнения и индекса Арктического колебания обнаружено, что максимальный коэффициент корреляции наблюдается при осреднении индекса и повторяемости с декабря по март и составляет 0.6 для случаев с высотой волн более 7 м, и 0.57 если высота более 8 м. Эксперименты по расчету турбулентных потоков тепла с помощью алгоритма COARE показали, что для разных параметризаций шероховатости, напрямую учитывающих волнение, коэффициент шероховатости и турбулентные потоки могут как увеличиваться, так и уменьшаться по сравнению с параметризацией шероховатости Чарнока, не учитывающей явным образом параметры волнения. Сравнение рассчитанных потоков тепла с данными судовых наблюдений разных лет показало, что во время штормов все параметризации шероховатости сильно переоценивают величину потоков. Численные эксперименты с атмосферной моделью WRF и волновой моделью WW3 показали, что аномалия высоты волн во время сильной боры на востоке Баренцева моря достигает 2-3 м, а влияние боры распространяется на расстояние до 200 км от берега. В результате выполненного анализа установлено, что как влияние параметризаций шероховатости морской поверхности на теплообмен океана с атмосферой, так и влияние коэффициента аэродинамического сопротивления в атмосфере на поле волнения велико во время штормов, холодных вторжений и мезомасштабных ветров в Баренцевом море. Применение методов построения самоорганизующихся карт позволило выделить режимы изменчивости концентрации морского льда, температуры поверхности моря, температуры воздуха, потоков тепла и влаги, оценить их взаимосвязи. Выявлена взаимосвязь индекса повторяемости самоорганизующихся карт атмосферного давления, характеризующего типы атмосферной циркуляции, с изменчивостью индекса Арктической Осцилляции. Выделены характерные типы изменчивости потоков тепла и влаги в Баренцевом море, которые модулируются атмосферной циркуляцией в регионе и адвекцией тепла атлантическими водами. Сопоставление результатов анализа атмосферных полей со спутниковыми данными позволили оценить тренды и общую тенденцию изменений температуры поверхности воды, баристатической компоненты уровня океана, связанной с изменениями массы водного столба, и параметрами ледяного покрова. На основании анализа спутниковых данных GRACE и донного мареографа сделан вывод о репрезентативном представлении баристатического уровня Северного Ледовитого океана спутниковыми данными. Установлено, что изменчивость баристатического уровня в Норвежском, Баренцевом и арктических морях России имеют в основном сезонный и внутрисезонный характер, а вклад процессов межгодовой изменчивости составляет менее 20-30%. Анализ сезонной и многолетней изменчивости энергообмена между атмосферой и океаном над Баренцевым морем позволил сделать вывод о возможном существовании положительного тренда потоков над исследуемой акваторией. Выполненные оценки пространственно-временной изменчивости связи турбулентных потоков с типичными для данного региона элементами общей циркуляции атмосферы показали, что на протяжении последних десятилетий области расположения максимумов и минимумов энергобмена между поверхностью Баренцева моря и атмосферой существенно не изменились по сравнению со второй половиной XX века, но возросли значения потоков в атмосферу.
4 1 января 2021 г.-28 мая 2021 г. Обобщение результатов анализа
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы


Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. zayavka_Ivanov.docx zayavka_Ivanov.docx 77,6 КБ 1 июня 2018 [vladimir.ivanov@aari.ru]