Аннотация результатов, полученных в 2017 году
I. Благодаря привлечению большого числа спутниковых данных цвета океана по выбранным морям в северной Атлантике, Арктике и северному Тихому океану и временному промежутку 1998-2013 гг. были осуществлены: • настройка алгоритма идентификации районов цветения E. huxleyi и их оконтуривания путем установления статистически-высоко надежных порогов спектральных значений коэффициента отражения для дистанционного зондирования, Rrs. В результате был создан инструментарий, позволяющий с высокой степенью достоверности идентифицировать в спутниковых изображениях водных акваторий области свободные от цветений фитопланктона (ультра-олиготрофные области), области цветений некальцифицирующего фитопланктона (e.g.диатомовых микроводорослей), и областей цветения кальцифицирующего фитопланктона (E. huxleyi). Причем в отношении последнего удалось дифференцировать области его цветения на различных стадиях – от начала цветения до его завершения. • настройка алгоритма оценки содержания в верхнем перемешанном слое содержания взвешенного неорганического углерода, содержащегося в виде кальцита в кокколитах E. huxleyi. • разработка алгоритма определения парциального давления углекислого газа в области ветения E. huxleyi. Полученные результаты за указанный выше временной период позволили установить существенные различия в характере пространственно-временной динамики явления массового развития E. huxleyi в исследовавшихся субполярных и полярных морских акваториях. Это особенно четко прослеживается при сравнении, например, Баренцева и Берингова морей, в первом из которых цветения происходят практически ежегодно, а во втором – лишь в течение короткого временного промежутка 1997/1998-2001 гг. Существенны также и отличия в длительности вегетационного периода E. huxleyi для указанных акваторий: до ∼ 50 и ∼300 суток, соответственно. II. Для северного полушария (выше 20° с. ш.) сформирован банк данных расчетов моделей общей циркуляции атмосферы и океана CMIP5 всемирной программы исследований климата, а для арктического домена - климатических моделей (РКМ) международного проекта CORDEX. III. Сформированы и структурированы в файловые системы исторических и текущих данных высокого пространственного разрешения по приземной температуре воздуха, относительной и удельной влажности воздуха и атмосферном давлении за период 1979-2016 гг. из базы данных Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды. Загружены и структурированы в файловые системы данных: значения спектрального коэффициента для дистанционного зондирования (1998-2016 гг), температуры поверхности океана (1998-2014гг. из данных Pathfinder v 5.3; 2015 –н. в. из данных MODIS- Aqua ), солёности поверхностных вод океана (2010-2016 гг. – данные SMOS; 1955-2012 - in situ данные World Ocean Database 2013), течения в арктических морях (1998-2016 гг), концентрации биогенных элементов, в том числе и нитратов (климатологические данные за период 1955-2012 гг. и in situ данные за период 1972-2013 гг.), глубины перемешанного слоя (ежемесячные климатологические значения за период 1990-2011 гг.), ледовым полям/концентрации льда и площадям снежников (1998-2017 гг.). IV. Сформирован массив данных реанализа ORA-IP для (а) проведения на более поздних этапах выполнения проекта верификации модельных расчетов на современном периоде для регионов исследуемых морей, (б) оценки способности моделей воспроизводить соответствующие региональные особенности распределения климатических параметров, и (в) выбора сценариев возможной динамики содержания парниковых газов в атмосфере. V. Создано специализированное хранилище как компонент комплексной ГИС, включающей механизмы хранения и каталогизации с возможностью поиска и быстрого получения данных с использованием настольного или веб-интерфейсов. VI. Разработана и реализована клиент-сервисная структура комплексной ГИС на платформе с открытым исходным кодом QGIS, включающей механизмы хранения и каталогизации с возможностью поиска и быстрого получения данных. Этот продукт обеспечивает быстрый просмотр картографических и табличных форматов данных.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Временные ряды изменчивости факторов, влияющих на цветения E. huxleyi в 6 морях в субарктических и арктических широтах, viz. Северное, Норвежское, Лабрадорское, Гренландское, Баренцево и Берингово моря продлены и их продолжительность теперь составляет 21 год (1998 – 2018 гг.). Речь идет о временных рядах динамики (i) площади цветения, (ii) содержания взвешенного неорганического углерода и (iii) величины парциального давления в СО2 в зоне цветения, а также (iv) его превышения фонового значения, и наконец, (v) моментов возникновения цветения и (vi) его продолжительности. Продленные временные ряды подтвердили как ранее полученные нами численные оценки обозначенных выше параметров, так и общие закономерности их динамики, что укрепило достоверность этой совокупности данных. В частности, было подтверждено, что феномен необычно интенсивных цветений E. huxleyi в Беринговом море в период с ~ 1996 по 2001 гг. в последующие годы, вплоть до настоящего времени, не возникал вновь. Это позволило выдвинуть гипотезу о его происхождении, основанную на выявленных особенностях пространственно-временной динамики поверхностных течений в упомянутый выше период. Расширение длительности временных рядов позволило также повысить достоверность результатов выявления факторов, доминантно влияющих на возникновение и развитие цветений E. huxleyi в исследованных морских акваториях 2. На количественом уровне (i) выявлено все разнообразие условий, в которых возникало и развивалось цветение E. huxleyi в 6-ти исследованных морских акваториях, т.е. были установлены характер и плотность распределения исследуемых влияющих факторов в пределах диапазона изменчивости, установленной по спутниковым данным, и (ii) установить (а) диапазоны значений одного влияющего фактора, в пределах которых реализуются значения интенсивности цветения, и (б) взаимосвязь положительной или отрицательной динамики значений влияющего фактора и интенсивности цветения. Выявлены существенные различия в диапазонах значений, типичных для цветений, даже в тех случаях, когда разница между диапазонами фоновых значений в период цветения и значений за весь вегетационный период незначительна. Наблюдаемые в большом количестве случаев существенные различия в условиях обитания E. huxleyi в разных акваториях, а также широкий совокупный количественный диапазон значений параметров среды, в которых наблюдались цветения (например, больше 20 градусов для температуры поверхности воды) - важный результат, показывающий высокую экологическую адаптивность этого таксона. Эти новые данные существенно дополняют информацию из лабораторных экспериментов, связанных с исследованиями подходящих для E. huxleyi условий среды. Оцененная межгодовая динамика пиковых цветений была сопоставлена с условиями, в которых эти цветения реализовались. Показано, что существует некоторая зона оптимума для повышенной интенсивности цветений, причем эти зоны специфичны для каждого моря. Применение к вышеуказанным результатам алгоритма Random Forest Classifier для каждого исследуемого моря для двух периодов (т.н. длинный 1998-2016 и короткий 2010-2016 периоды) позволило получить 5 лучших моделей, способных наиболее успешно оценивать вклад (важность) каждого влияющего фактора на цветение E. huxleyi. Показано, что влияющий фактор или набор таковых, определяющий (ие) наличие или отсутствие цветений для каждого моря индивидуален (ьны). Так, в Гренландском и Лабрадорском морях наиболее значимой выступает температура (более 80%), а в Баренцевом море определяющими становятся совместно температура и ФАР. В Северном море помимо температуры заметное влияние вероятно оказывает скорость течений (до 20%). Было обнаружено, что сохранение ранжирования для длинного и короткого периодов наблюдалось не во всех исследуемых акваториях. Так, в Норвежском море в период 2010-2016 гг определяющим фактором выступает глубина экмановского слоя (~50%), но при расширении временного ряда, его значимость падает до 9-12%, а наиболее значимыми выступают температура и ФАР. В Беринговом море доминантное значение оказалось у солености (до 40 %), что может объяснять перераспределение значимостей и существенно более низкие метрики качества в длинный период. Выдвинута и обоснована гипотеза о причинах возникновения необычно высокой активности развития цветений E. huxleyi в 1998-2001г.г. в Беринговом море. Выяснилось, что в Беринговом море чередование сезонов с наличием сильного цветения и его отсутствием находится в тесной связи с изменчивостью особенностей циркуляции его водных масс, в частности, от распределения притока вод из Тихого океана через проливы, располагающиеся в южной части Берингова моря вдоль гряды Алеутских островов. Период интенсивного цветения E. huxleyi совпадет с периодом усиленного водообмена через восточные створы Алеутской гряды. Обратные траектории течений, построенные для областей цветения, также подтверждают, что поверхностные водные массы в период наиболее интенсивных цветений пришли в район цветения именно через проливы восточной части Алеутской гряды. Примечательно, что анализ динамики течений в акваториях северной Атлантики не выявил заметной их межгодовой изменчивости, что может свидетельствовать, что этот фактор не является хоть сколько-нибудь значительным для интерпретации межгодовой изменчивости динамики цветений E. huxleyi в этих морях. 3. Выполнена верификация расчетов 29 моделей общей циркуляции атмосферы и океана CMIP5 и 5 региональных климатических моделей CORDEX на современном периоде (1979-2005 г.г.) для территории исследуемых морей Баренцева, Берингова, Гренландского, Лабрадорского, Северного и Норвежского и в среднем для Арктики выше 66,34° с.ш. Выбраны модели, наиболее адекватно воспроизводящие региональные особенности распределения климатических параметров по результатам системного анализа – оценки межгодовой изменчивости, многолетнего сезонного хода и комплексного пространственно-временного анализа по основным статистическим показателям (среднеквадратическая ошибка, коэффициент корреляции, стандартное отклонение). Для каждого исследуемого региона получен оптимальный набор климатических моделей, с использованием которых на третьем этапе будет выполнен прогноз изменения факторов, влияющих на цветения E. huxleyi, для периода в будущем 2021-2050 гг. Всего получено 28 наборов моделей: четыре параметра для семи регионов. Пополнена база данных расчетами выбранных моделей для двух сценариев концентраций парниковых газов и аэрозолей – RCP4.5 и RCP8.5 для периода 2021-2050 гг. 4. Продолжены временные ряды до 2017 г сезонной и межгодовой изменчивости скалярных влияющих факторов, таких как индексы атмосферной циркуляции, дата отступления ледовой кромки, площадь открытой воды. На заключительном этапе выполнения проекта эти факторы будут включены в общий анализ для ранжирования всей совокупности влияющих факторов, 5. Для дополнительной популяризации результатов выполнения проекта был создан специальный веб-сайт, включающий изложение основных задач и результатов выполнения проекта в научно-популярной форме, информацию об участниках проекта, список всех статей и публичных выступлений по тематике проекта. Вся информация соответствует моменту представления настоящего отчета. Адрес веб-сайта проекта в сети Интернет: http://coccolithophores.niersc.spb.ru

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Временные ряды изменчивости факторов, влияющих на цветения E. huxleyi в 6 морях в субарктических и арктических широтах, viz. Северное, Норвежское, Лабрадорское, Гренландское, Баренцево и Берингово моря продлены и их продолжительность теперь составляет 22 года (1998 – 2019 гг.). Речь идет о временных рядах динамики (i) площади цветения, (ii) содержания взвешенного неорганического углерода и (iii) величины парциального давления СО2 в зоне цветения, а также (iv) его превышения фонового значения, и наконец, (v) моментов возникновения цветения и (vi) его продолжительности. Продленные временные ряды подтвердили как ранее полученные нами численные оценки обозначенных выше параметров, так и общие закономерности их динамики, что укрепило достоверность этой совокупности данных. Однако в случае Берингова моря, было обнаружено указание на то, что феномен необычно интенсивных цветений E. huxleyi в период с ~ 1996 по 2001 гг. вновь возник в 2019 г. Согласно выдвинутой нами гипотезе, указанный феномен обусловлен возникновением в определенные периоды времени специфических условий интенсификации поступления тихоокеанских вод (обедненным железом) в район, характерный для обширных цветений этого таксона фитопланктона. 2. Расширение длительности временных рядов позволило также повысить достоверность результатов выявления факторов, доминантно влияющих на возникновение и развитие цветений E. huxleyi в исследованных морских акваториях. На количественном уровне подтверждены ранее выявленные нами за период 1998-2018 гг. как установленные по спутниковым данным диапазоны условий, в которых возникало и развивалось цветение E. huxleyi в 6-ти исследованных морских акваториях, так и характер и плотность распределения исследуемых влияющих факторов (ВФ) в пределах диапазонов их изменчивости; для каждого из шести морей подтверждены: (i) установленные нами ранее индивидуальные диапазоны значений ВФ, в пределах которых реализуются значения интенсивности цветения, (ii) взаимосвязь положительной или отрицательной динамики значений ВФ и интенсивности цветения, и (iii) высокая адаптивность этого таксона к условиям окружающей среды. 3. Показано, что, за исключением Берингова моря, непосредственно межгодовая изменчивость поверхностных течений в акваториях Северной Атлантики и Арктики не выявила заметной связи с межгодовой динамикой цветений E. huxleyi; механизм влияния межгодовой изменчивости индексов атмосферной циркуляции, таких как NAO и AO на динамику цветений E. huxleyi в исследованных морях, очевидно, опосредствовано связан с изменениями, прежде всего, таких параметров окружающей среды как температура и соленость воды и уровень ФАР. В случае же Берингова моря обнаруживается (в совокупности с атмосферной циркуляцией) влияние PDO и ONI, которое реализуется через модуляции поверхностных течений (обусловившими изменение интенсивности Аляскинского течения и усиление переноса тихоокеанских вод через аляскинскую гряду в юго-восточную часть БМ), которые, в свою очередь, обусловливают вариации как ВФ, так и концентраций биогенов, в том числе и микробиогенов (а именно, железа), но при этом, однако, механизм воздействия не носил явно термического характера. 4. Принципиально важным является надежно установленный (на временном промежутке в 22 года, для 6 морей в субарктической и арктической зонах, а также одного моря в средних широтах) факт существенного (на многие десятки процентов) увеличения парциального давления СО2 i) в зонах цветения E. huxleyi и ii) в атмосферном столбе над цветениями (на несколько первых процентов). Это является количественно оцененным свидетельством способности этого таксона фитопланктона оказывать влияние как на углеродный цикл в водах его обитания, так и на абсорбционную эффективность морских акваторий (по крайней мере в ареалах цветения) в отношении СО2. Учитывая характерные для E. huxleyi чрезвычайно протяженные зоны цветения (от сотен тысяч до ~ миллиона квадратных километров) и их распространение в обоих полушариях, указанные влияния имеют явно климатическое и водно-экологическое измерения. Это, в свою очередь, является очевидным аргументом (особенно в свете прогностических результатов, см. п. 5, в пользу высокой целесообразности продолжения этих исследований и расширения их на весь мировой океан. 5. Использование сценариев развития глобальной экономики и общества и соответствующих концентраций парниковых газов и аэрозолей – RCP4.5 и RCP8.5 (из пула моделей CMIP5) показало, что основными прогнозируемыми изменениями в исследованных морях (и более конкретно в зонах, включающих ареалы устойчиво возникающих цветений E. huxleyi) является повышение температуры поверхности моря и снижение солености морской воды во всех исследуемых акваториях и по двум сценариям. По сценарию RCP4.5 больше всего в период ближайшего будущего потеплеет Лабрадорское и Берингово моря – 0,036 и 0,031°С/год соответственно. По сценарию RCP8.5 – Баренцево море (0,047°С/год), для Лабрадорского и Берингова морей также получены высокие тренды повышения температуры – 0,043°С/год. Для коротковолновой солнечной радиации ожидается преимущественно ее сокращение, кроме Лабрадорского моря, исследуемая область которого является самой южной, для нее получены тренды повышения на 0,15-0,11 Вт/м2/год. Тренды изменений скоростей ветра и течений не значительные, кроме Берингова моря, для которого ожидается усиление скорости ветра на 0,03 м/с/год по сценарию RCP4.5. Наибольшие изменения в динамике пространственного распределения исследуемых факторов в период 2021-2050 относительно периода современного климата 1981-2010 гг. ожидается в Баренцевом море, а именно повышение температуры поверхности моря в восточной части акватории (2-2,4°С); снижение солености в юго-восточной части до 1,3‰ и повышение на севере акватории до 2‰; увеличение количества солнечной радиации на юге до ~ 6-7 Вт/м2 и уменьшение на севере до ~ 7-8 Вт/м2; увеличение скорости ветра на севере акватории до 0,5 м/с. Что касается других исследуемых морей, проекции изменений факторов имеют более однородный характер, т.е. меньшую амплитуду значений пространственного распределения. 6. На основе использования i) рядов спутниковых данных по ВФ, площади цветения (S) E. huxleyi, и их продолжительности (T), ii) разработанных нами статистических моделей (позволяющих на основе спутниковых значений ВФ воспроизводить индивидуально для каждого из шести морей параметры S и T) и iii) применения отобранных климатических моделей (или их сочетаний) численно установлены значения трендов изменчивости параметров S и T в шести исследовавшихся нами морях на период до 2050 г. 7. Показано, что установленные 30-летние тренды динамики S и T весьма специфичны для каждого моря; в частности, для Баренцева моря можно ожидать, что площади цветения E. huxleyi будут охватывать практически половину площади моря (45.6%) [против 14% в среднем за 1998-2019 гг. ] и длиться до ~23 недель [против, ~6 недель на период 1998-2019 гг.]; в других же исследованных морях феномен цветения E.huxleyi в средне-срочной перспективе, по крайней мере, сохранится в своих параметрах. 8. Результаты работ, выполненных в 2019 году представлены (наряду с результатами работ двух предыдущих лет, а также информация об участниках проекта, список всех статей и публичных выступлений по тематике проекта) на веб-сайте проекта в сети Интернет: http://coccolithophores.niersc.spb.ru