14.607.21.0023

Основной целью предлагаемого проекта является установление и физическое описание механизмов формирования изменений климата Арктики под влияние Атлантического океана и построение экспертной системы для его прогнозирования, основанной на наблюдательном модуле и блоке моделирования климата.

Современные климатические изменения в Арктике являются беспрецедентными за всю историю инструментальных наблюдений. В течение последних 30 лет рост поверхностных температур в Арктике ускорился по сравнению с предыдущими десятилетиями и составляет примерно 0.4 градуса в десятилетие при вдвое меньшем среднеполушарном сигнале. Принципиальной особенностью наблюдаемого резкого потепления Арктики является его большая интенсивность в зимний сезон по сравнению с летним. Арктическое потепление сопровождается беспрецедентным сокращением ледового покрова в Арктике. За последние 30 лет это сокращение составило более 25%. Прямая экстраполяция таких трендов допускает возможность исчезновения плавучих льдов, по крайней мере, в летний период через 2-3 десятилетия.
В свою очередь, Арктика обладает своими механизмами формирования климатических сигналов, которые, помимо изменений площади Арктических льдов, включают массированные выбросы метана на арктическом шельфе. Развитие этого процесса может вызвать климатические изменения в сторону потепления, поскольку метан относится к категории парниковых газов. Кроме того, эти процессы приводят к существенной трансформации физико-механических свойств верхней осадочной толщи. Что может может привести к трудно предсказуемым рискам при освоении нефтегазовых месторождений Арктики. Очевидно также, что явление аномальной эмиссии метана на шельфе должна учитываться при анализе перспектив эксплуатации Северного Морского пути. По существующим оценкам общие экономические потери за счет аномальной эмиссии метана к середине 21-го века могут составить 60 триллионов долларов США, что сравнимо с ВВП всей мировой экономики в 2012 году.

Для расчета потоков энергии океан-атмосфера нами использован архив попутных метеорологических наблюдений в Мировом океане I-COADS (International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set) (Worley et al. 2005, 2010), пришедший на смену долгое время использовавшемуся архиву COADS (Woodruff et al. 1998). Наиболее важными отличительными особенностями I-COADS, по сравнению с предыдущими версиями архива, являются уникальная длительность, покрывающая 150-летний период, обеспеченность данных сведениями о типах измерительных платформ и приборов за счет включения в массив данных ВМО “International list of selected, supplementary and auxiliary ships” (WMO47, 1973-), унифицированная система контроля данных и использование единого формата LMRF-6.1 для всех данных за весь период наблюдений. Мы также использовали в оценках поверхностные метеорологические данные и рассчитанные потоки из реанализов NCEP-NCAR, ERA-40, ERA-Interim, MERRA и JRA. Эти реанализы обеспечивают данные с 6-часовым разрешением на регулярной сетке (от 0.35 в MERRA до 2.0 градуса в NCEP-NCAR) за период последних десятилетий. Хотя эти данные не являются наблюденными, они обеспечивают равномерное пространственно-временное покрытие акватории Мирового океана.

В рамках данного проекта мы использовали принципиально новый подход к синтезу различных типов оценок потоков энергии на поверхности океан-атмосфера. Для расчетов потоков энергии на границе океан-атмосфера для Мирового океана нами использованы методы коррекции индивидуальных попутных метеорологических наблюдений, учитывающие эффекты влияния макроструктуры судов на измеряемые величины и методы выполнения измерений. Для непосредственного расчета потоков океан-атмосфера нами использованы наиболее развитые параметризации процессов обмена на границе, такие как COARE-3.5 для оценки турбулентных потоков явного и скрытого тепла (Fairall et al. 2003), считающийся наиболее проверенной и технологичной схемой, Josey et al. (2003) для расчетов потоков длинноволновой радиации на поверхности моря и новая параметризация коротковолновой радиации, разработанная в моей лаборатории (Sinitsyn et al. 2007, 2013) и учитывающая, помимо балла общей облачности, формы облаков и состояние диска Солнца. Мы также провести сопоставление рассчитанных величин осадков с немногочисленными данными прямых наблюдений и спутниковыми данными об осадках миссий TRMM, C-MORPF, SSM/I. Это позволило, при необходимости, внести необходимые коррекции в используемые параметризации.

1. Количественные оценки вклада основных механизмов в формирование переноса вод и тепла между Атлантикой и Арктикой, а также их связь с характеристиками энергообмена на границе океан-атмосфера в субполярной и субарктической Атлантике.

2. Высокоточные расчеты меридиональных переносов тепла и результаты их сопоставления с оценками, получаемыми на основе расчетов потоков энергии на границе океан-атмосфера.

3. Методология построения полей потоков энергии, гарантирующей замыкание балансов, по крайней мере, на региональном масштабе.

4. Результаты экспериментов с современными моделями климата, оценивающие вклад естественных и антропогенных факторов в изменение климатических условий и ледовитости Арктики на разных временных масштабах.

В ходе выполнения проекта исследованы и физически описаны основные механизмы формирования современных изменений Арктического климата, в том числе под влиянием переноса вод и тепла на границе Северной Атлантики и Арктики и процессов взаимодействия океана и атмосферы. В ходе реализации проекта совместно использованы все основные наблюдательные подходы к изменчивости климата - анализ долговременных рядов наблюдений, анализ исторических данных, включая палеоданные, анализ спутниковых измерений. Наблюдательный компонент объединен с модельным компонентом, представленным современными климатическими моделями, которые позволят учесть новые механизмы климатических изменений в прогнозировании высокоширотного климата на ближайшие десятилетия. Все это позволило построить концепцию эффективной и экономичной системы наблюдений и прогноза климата Арктики, условий хозяйственной деятельности в ближайшие десятилетия и прогнозов судоходности Северного морского пути.

Разрабатываемые рекомендации позволят существенно улучшить долгосрочные прогнозы климата в высоких широтах и снизить риски неэффективного планирования хозяйственной деятельности. Возможными потребителями ожидаемых результатов являются Росгидромет в части обеспечения долгосрочными прогнозами организаций, осуществляющих морскую деятельность в Арктике, Минтранс РФ и компании-судовладельцы в части долгосрочного планирования характеристик закупаемого и строящегося флота для операций в Арктике и на трассе Северного морского пути, а также компании, ведущие разведку и добычу полезных ископаемых в Арктике (Роснефть, Лукойл) и осуществляющих строительные операции на Арктическом побережье.