Исследование механизмов долгопериодных изменений циркуляции вод Атлантики для прогнозирования климатических изменений на европейской территории России

На основании данных экспедиционных наблюдений в Северной части Атлантического океана нами было выполнено всеобъемлющее исследование генерации и распространения промежуточных вод в Северной Атлантике. Исследование влияния циркуляционных изменений на формирование и продвижение промежуточных вод позволило впервые проследить распространение промежуточных вод в Атлантике и построить схему распространения промежуточных Лабрадорских вод в среднеширотной и субполярной Атлантике. Полученные результаты свидетельствуют о том, что распространением промежуточных вод управляет целый комплекс процессов, которые имеют достаточно различные временные масштабы. Полученные оценки распространения промежуточных вод были также сопоставлены с модельными расчетами для акватории Северной части Атлантического океана. Они удивительно хорошо совпадают с оценками полученными по данным экспедиционных наблюдений в Северной Атлантике. Лабрадорские воды появляются в восточной Атлантике через 5-7 лет и в районе Большой Ньюфаундлендской банки через 3 года. В результате был обнаружен и физически объяснен новый механизм формирования промежуточных вод Северной Атлантики - главного климатического сигнала для глобальной термохалинной циркуляции. Механизм предполагает, что эти воды формируются под влиянием взаимодействия океана и атмосферы и определяют интенсивность меридиональной циркуляции, регулируя свойства вод и скорость переноса в нижней ветви циркуляции.
В ходе реализации проекта на первом этапе была сформирована в цифровом виде и в настоящее время включает 21 глубоководный разрез в Северной части Атлантического океана, выполненный с вертикальным разрешением от 0.5 до 2 метров и с горизонтальным разрешением от 8 до 16 км. Анализ базы данных позволил установить, что межгодовые изменения меридионального переноса составляют от 0.3 до 0.7 Петавата, существенно превышая уровень синоптической изменчивости. Минимальные значения переноса отмечались в 1996 году, а максимальные межгодовые изменения – в период между 1993 и 1994 гг. Это позволяет обосновать стратегию исследования межгодовой динамики меридионального переноса и циркуляции в Атлантике, основанную на выполнении высокоточных наблюдений на разрезах. Анализ собранной и проконтролированной базы данных позволил обнаружить изменение общего тренда изменчивости термохалинной структуры вод Северной Атлантики на разрезе по 60о с.ш. В период с 1962 по 2002 гг. на разрезе наблюдалось общее охлаждение и распреснение всего глубоководного комплекса водных масс: Лабрадорской водной массы, Северо-восточной глубинной водной массы и Северо-западной глубинной водной массы (ЛВ, СВГВ, СЗГВ, соответственно). Средняя величина распреснения около 0,02 и охлаждения около 0,1-0,2оС.
В ходе выполнения проекта на первом этапе нами была разработана методика высокоточного определения интенсивностей меридионального переноса тепла и массы на зональных разрезах. При этом впервые произведена попытка объединить результаты прямых измерений судовым и погружаемым акустическими доплеровскими профилографами скоростей течений с косвенными расчетами геострофической и ветровой составляющих. В рамках разработанного метода скорость меридионального течения представлялась в виде суммы скорости на некоторой отсчетной поверхности, геострофической скорости на некотором горизонте, скорости Экмановского дрейфа и баротропной компоненты. Затем производилась вариация положения отсчетной поверхности для достижения суммы невязок переноса. Геострофическая составляющая скорости была рассчитана по данным CTD-зондирования (с дискретностью по вертикали 2 дб). В целом, можно говорить о том, что разработанный метод после тестирования на независимых данных может быть применен для расчетов меридионального переноса в ходе выполнения проекта.
Выполнение работ позволило в течение первого этапа выполнения проекта получить следующий результаты в соответствии с календарным планом:
• Оценить количественные параметры изменчивости интенсивности океанский циркуляции в субполярных и средних широтах;
• Разработать новые алгоритмы расчета меридионального переноса на различных широтах по натурным данным;
• Создать электронную база данных судовых наблюдений в Северной Атлантике за период с 1957 по 2006 гг.
Кроме того, в ходе выполнения проекта на первом этапе были достигнуты важные индикативные показатели, гарантирующие достижения программных индикаторов по итогам 2007 года. Работы по проекту обеспечили выполнение международных обязательств Российской Федерации в рамках Среднесрочной Стратегии МОК ЮНЕСКО, Рамочной стратегии Всемирной Программы Исследования Климата, международных наблюдательных программ Глобальной системы наблюдений за океаном (ГСНО) и Глобальной системы наблюдений за климатом (ГСНК). В ведущих научных журналах уже опубликовано 3 работы и одна сдана в печать, представлена к защите одна кандидатская диссертация.
Результаты НИР могут быть использованы для решения многих научных и научно-прикладных задач. В частности, выполненные исследования климатической изменчивости глубокого океана позволяют эффективно планировать океанские наблюдательные системы. Эти результаты также могут быть использованы при построении моделей прогноза глобальных климатических изменений под воздействием антропогенной деятельности. Исследования межгодовой динамики океанского климатического сигнала могут быть использованы при построении прогностических оценок, в частности в рамках подготавливаемого отчета IPCC (2007). Потенциальная эффективность от внедрения полученных результатов в практику может быть достаточно высокой. В частности, улучшение прогнозирования изменений климата, связанных с океаном, позволит минимизировать риски, связанные с ликвидацией последствий наводнений.

Проведены глубоководные экспедиционные наблюдения циркуляции вод Атлантики.
Выполнены расчеты потоков явного и скрытого тепла и потоков импульса на поверхности Атлантического океана. Установлены и оценены изменения циркуляции Атлантики в полях поверхностных потоков тепла.

Были выполнены экспериментальные и теоретические исследования климатических изменений на Европейской территории России с целью оценки потенциальной предсказуемости климатических изменений за счет учета роли океанских процессов.
Проведена оценка качества современных климатических моделей и их пригодности для использования в оценках будущих изменений климата на территории России. Использование моделей разных поколений указывает на улучшение воспроизведения ряда характеристик приземного климата. Полученные результаты уточняют и существенно детализируют оценки будущих изменений климата на территории России, имевшиеся ранее. В рамках проекта впервые для территории России получена столь детальная количественная картина будущих изменений климата, Важным элементом новизны полученных результатов является использование большого ансамбля моделей, позволившее значительно продвинуться в оценке будущих изменений вероятностных функций распределения ключевых характеристик приземного климата.

На основе выполненных расчетов был сделан вывод о том, что процессы динамики в средних и субполярных широтах Северной Атлантики тесно связаны с характеристиками взаимодействия океана и атмосферы. Основным механизмом их связи выступают процессы поверхностной трансформации водных масс. Характеристики поверхностной трансформации водных масс существенно различаются в моделях грубого и высокого разрешения. В области субполярных широт, где даже разрешение 1/6? оказывается недостаточным для адекватного воспроизведения вихревой активности, модель в относительно грубом разрешении позволяет более адекватно воспроизводить характеристики поверхностной трансформации и потоков плотности на поверхности океана.
Коллективом исполнителей были выполнены экспериментальные и теоретические исследования климатических изменений на Европейской территории России с целью оценки потенциальной предсказуемости климатических изменений за счет учета роли океанских процессов. Другим важным элементом исследований на третьем этапе стал расчетно-параметрический анализ и обоснование показателей влияния циркуляции Атлантики на климат Европейской территории России. Этот блок работ позволил оценить один из главных механизмов формирования климатической изменчивости северной части Атлантического океана - скорости распространения возвратных потоков в районе субполярного круговорота Северной Атлантики.