Тепломассопереносы в Атлантическом и Северном Ледовитом океанах как факторы, определяющие изменения гидрологического и ледового режимовНИР

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

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 17 мая 2022 г.-31 декабря 2022 г. Подготовка данных и анализ экспедиционных наблюдений
Результаты этапа: Подготовлены для всей модельной области для усвоения моделью INMOM в формате граничных условий данные об атмосферных параметрах на временном интервале 1993-2021. Подготовлены данные контрольного прогона модели INMOM на временном интервале 1993-2021. Подготовлены для всей модельной области для усвоения моделью INMOM в формате граничных условий данные об атмосферных параметрах для характерных «циклонического» и «антициклонического» типов атмосферной циркуляции над Арктическим бассейном. Рассчитаны ряды ежемесячных интегральных балансов объема, тепла и соли в СЛО, вычисленные как суммы переносов через все жидкие границы СЛО. Подготовлены для расчетов данные реанализа GLORYS12v1 по СЛО с 1993 по 2021 г. Рассчитаны ряды ежемесячных интегральных балансов объема, тепла и соли в СЛО по GLORYS12v1. Опубликованы статьи в журналах из списка Web of Science/Scopus. Проведен численный эксперимент на модели INMOM при атмосферном форсинге, соответствующим выбранному году с характерной «циклонической» атмосферной циркуляцией над СЛО. Систематизтрованы и обобщены материалы экспедиционных наблюдений, полученные в экспедиции в Атлантический океан. Проведен сравнительный анализ данных экспедиционных наблюдений и реанализов, описывающих структурк и циркуляцию вод в экваториальной части Атлантики.
2 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Моделирование тепломассопереносов и сравнение с океанским реанализом
Результаты этапа: Анализ результатов численных экспериментов на модели ИНМОМ при атмосферном форсинге, соответствующим годам с характерной циклонической (1989) и антициклонической (2004) атмосферной циркуляцией над Северным Ледовитым Океаном (СЛО) показал что: (а) в условиях непрерывного 10-летнего «циклонического» атмосферного форсинга в СЛО циркуляция в верхнем слое океана Канадского сектора переходит от антициклонического к циклоническому типу; (б) смена циркуляции на циклоническую особенно сильно влияет на распределение солености в верхнем слое океана, приводя к ее существенному росту (до 1 ЕПС) в Северо-Европейском бассейне (СЕБ), сибирских шельфовых морях и прилегающей зоне глубоководного Арктического бассейна (АБ) по сравнению со среднегодовой соленостью в реальных условиях 1989 года. На распределении температуры воды в верхнем слое океана это сказывается в меньшей степени; (в) мера распреснения/осолонения в Канадской Арктике (глубина пресных вод) показывает уменьшение примерно на 2 м в период летнего минимума в циклическом эксперименте с «циклоническим» форсингом по сравнению с реальными условиями 1989 года; (г) более интенсивный сток объема из глубоководного АБ к концу циклического эксперимента с «циклоническим» форсингом (1989 г.) не приводит к более сильному стоку пресной воды, чем в реальных условиях. Это объясняется вовлечением соленых вод с северо-восточных границ сибирских шельфовых морей в общий сток в сторону пролива Фрама в циклическом эксперименте; (д) разница между результатами циклического эксперимента с «антициклоническим» форсингом и эталонного эксперимента в соответствующем году (2004) невелика из-за фактической большой продолжительности (7 лет) преимущественно антициклонического форсинга к 2004 году; (е) влияние длительного «циклонического» форсинга в СЕБ и к югу от Гренландско-Шотландского хребта на циркуляцию и распределение термохалинных свойств относительно слабое. Наиболее сильный сигнал наблюдается в распределении солености в верхнем слое, что может быть интерпретировано как формирование сильной отрицательной аномалии солености на северной периферии субполярного круговорота, аналогичной Великой соленостной аномалии 1970-х годов. Обобщая результаты выполненных численных экспериментов, можно утверждать, что аномально длительное сохранение «циклонического» атмосферного форсинга в СЛО способно существенно перестроить поле солености в верхнем слое океана. Однако это не может вызвать массированного «мгновенного» оттока распресненной воды через проливы Фрама и Датский, поскольку значительная часть накопленной в круговороте Бофорта пресной воды распространяется вокруг СЛО, следуя циркуляционному полю и не достигает пролива Фрама. Однако тенденция к распреснению верхнего слоя океана в северной части Северной Атлантики за счет сброса распресненной воды из АБ подтверждается в согласии с основной концепцией ослабления Глобального Циркуляционного конвейера. Реалистичность полученных модельных результатов обеспечивается тем, что до 1996 года сохранение «циклонической» и «антициклонической» циркуляции атмосферы в СЛО продолжалось обычно 5-7 лет. Исходя из этого, 10-летняя продолжительность специфической атмосферной циркуляции не может рассматриваться как нечто абсолютно невозможное. Важно также отметить, что «циклонический» и «антициклонический» режимы, помимо направления ветра, обусловливают и ряд других важных характеристик, влияющих на состояние верхнего слоя океана и морской лед, таких как, например, температура приземного воздуха, осадки, речной сток и т.д., которые могут определенным образом влиять на свойства морского льда и верхнего слоя океана, и которые, вероятно, также повлияли на полученные результаты. Выявлены значительные различия теплосодержания и солезапаса атлантической воды (слой с положительной температурой воды) и критерия термической конвекции для случаев длительного сохранения «циклонического» и «антициклоническим» форсинга в СЛО. Установлено, что в конце циклонического эксперимента наблюдается подъем верхней границы атлантического слоя (АВ) в восточно-Атлантическом секторе СЛО по сравнению с антициклоническим на 50-100 м и опускание нижней границы на 100-200 м. За счет расширения атлантического слоя, а также вследствие возрастания температуры воды в этом слое, в условиях длительного «циклонического» форсинга теплосодержание АВ возрастает на 0.5-1.0 х 10**9 Дж/кв.м. причем наибольшее возрастание наблюдается в восточной части бассейна Нансена как в летний, так и в зимний сезоны. Аналогичные закономерности прослеживаются и в различиях солезапаса в циклоническом и антициклоническом экспериментах: при продолжительном циклоническом форсинге возрастание солезапаса составляет 6-10 х 10**8 г/кв.м. по сравнению с антициклоническим. Выявленные отличия подтверждают результаты выполненных циклических экспериментов и связаны с интенсификацией «атлантификации» при «циклоническом» форсинге. Результаты расчетов критерия термической конвекции показали пятнистую структуру распределения его отличий в циклоническом и антициклоническом экспериментах. Установлено, что уменьшение критерия (на -0.5-1.0) наблюдается вдоль траектории АВ в восточной части бассейна Нансена вплоть до рециркуляции этой водной массы на южных отрогах хребта Ломоносова. Это вероятно связано с более дальним распространением теплой и соленой АВ в циклонические годы, что усиливает градиент температуры и солености в пикноклине и приводит к опусканию основания пикноклина. На большей части глубоководного АБ, наоборот, при длительном циклоническом форсинге выявлено возрастание критерия термической конвекции: от 0.1 до 0.5. Наиболее вероятная причина этого – в осолонении верхнего перемешанного слоя, что ведет к ослаблению вертикальных плотностных градиентов в пикноклине. Рассчитаны по данным четырех реанализов тепломассопереносы между арктическими шельфами и глубоководным бассейном. Установлено возрастание потоков объема, тепла и соли с шельфов в глубоководный АБ с 1993 по 2008 год. Для суммарных потоков по периметру АБ выявлено два периода: с 1993 по 2008 – значимый положительный тренд всех трех параметров, и с 2008 по 2020 – практически отсутствие тренда или слабый отрицательный тренд. Полученные результаты подтверждают существующие концепции о возрастании интенсивности водообмена между шельфом и глубоким океаном в условиях отступления ледяного покрова. Определены характерные особенности изменения потоков объема, тепла и соли для отдельных морей. Показано, что ключевой вклад в изменчивость вносят моря сибирского шельфа, в которых наблюдаются ярко-выраженные положительные тренды всех трех параметров. В море Бофорта тренд также положительный, но существенно более слабый, тогда как в морях Баренцевом и Линкольна тренды – слабо-отрицательные. Отрицательные потоки (из бассейна) наблюдаются только м морях Бофорта и Линкольна. Отмечена сезонность изменений потоков: максимум в среднем по всем морям наблюдается в осенне-зимние месяцы, что говорит о важности вклада каскадинга в осуществление водообмена между шельфом и глубоким океаном в СЛО. Предварительный анализ данных экспедиционных наблюдений, полученные в 93-м рейсе на НИС «Академик Мстислав Келдыш» в северо-восточной части Баренцева моря в ноябре 2023, позволил выделить водные массы и ядра горизонтальных переносов вод. Установлены границы двух ветвей Атлантической воды, сливающиеся в единый поток у северной оконечности архипелага Новая Земля. Получены предварительные оценки глубины проникновения вертикальной термической конвекции и степени охлаждения вод в переходный осенний период для характерных форм рельефа дна исследованного района Баренцева моря. Анализ результатов изучения гидрологической структуры поверхностных вод западной и восточной части Тропической Атлантики по данным измерений в 60-м и 63 рейсе НИС «Академик Иоффе» показал, что именно адвекция вод из приустьевых областей Амазонки ответственна за поступление биогенных элементов в поверхностный слой района разлома Вима. Выявлен район экваториального апвеллинга по данным измерений в 63 рейсе НИС «Академик Иоффе», обусловленный подъемом богатых питательными веществами вод из промежуточных слоев на поверхность, сопровождающийся понижением температуры воды. По анализу термохалинных характеристик выделена граница поверхностных вод. Разработан алгоритм расчета массопереносов через угловой разрез (каковым является Гвианский разрез) с учетом выделения границ водных масс по долготе. Выявлены типичные периоды межгодовой изменчивости температуры, солености, переносов массы поверхностных вод через Гвианский разрез 2–4, 6 лет, связанные с процессами крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы. Корреляционный анализ показал значимую связь переносов западной и центральной части разреза на выделенных масштабах изменчивости. Интегральный перенос через разрез повторяет перенос центральной части лишь на более высокочастотном периоде. Установлено, что интегральный массоперенос поверхностных вод через Гвианский разрез изменяется как перенос центральной части, которая находится в противофазе с переносами восточной и западной частей, что получено на смешанных масштабах и выделенных высокочастотном периоде 2–4 года. По результатам анализа динамики термохалинных аномалий в Северной Атлантике установлено, что доминирующая мода в течение всего 16-ти месячного периода (январь – апрель следующего года) в слое 0–300 м – это трипольная структура с аномалиями температуры одного знака в тропических и субполярных широтах Северной Атлантики и противоположного в субтропических широтах. Пространственно–временная эволюция лидирующей моды показывает заглубление аномалий температуры зимой, сохранение и частичное ослабление их в подповерхностном слое в летний период (с максимумом в летнем сезонном термоклине) и появление на поверхности океана в последующий осенне–зимний сезон. На поверхности океана трипольная структура хорошо выражена в первую и последующую зиму, а летом плохо проявляется. В подповерхностном слое трипольная структура сохраняется в течение всего 16-ти месячного периода (январь – апрель следующего года). Площадь областей высоких корреляций временного коэффициента ведущей моды разложения на расширенные эмпирические ортогональные функции (РЭОФ) с временными рядами среднемесячных аномалий температуры в узлах пространственной сетки в подповерхностном слое наибольшая в марте (когда верхний перемешанный слой имеет максимальную глубину) и постепенно уменьшается к апрелю следующего года. Области высоких корреляций на поверхности океана в последующую зиму (с ноября по март следующего года) появляются над областями высоких корреляций в подповерхностном слое, формируя трипольную структуру. Временная эволюция процесса повторного появления трипольной структуры аномалий ТПО в Северной Атлантике, описываемая временным коэффициентом ведущей моды разложения на РЭОФ, хорошо согласуется с изменчивостью главной моды атмосферной циркуляции над Северной Атлантикой на межгодовом масштабе – САК, особенно после 1979 года. Полученные результаты показывают, что тропический центр действия трипольной структуры аномалий ТПО также участвует в повторном появлении крупномасштабного триполя аномалий ТПО. Этот вывод дополняет результаты модельных исследований других авторов, которые рассматривали только субтропический и субполярный центры действия трипольной структуры. Использование методики РЭОФ для анализа повторного появления позволило проследить за эволюцией лидирующей структуры аномалий температуры в каждом месяце с января по апрель следующего года в верхнем 300-м слое. Показано, что в последующую зиму сохраняется около 2/3 от первоначального сигнала. Повторное появление крупномасштабной трипольной структуры аномалий температуры верхнего слоя Северной Атлантики может быть одним из процессов, определяющих термическую инерцию верхнего слоя океана, которая генерирует дополнительную изменчивость САК на межгодовых–десятилетних масштабах.

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".