Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Главной научной проблемой, на решение которой направлен данный проект, является понимание механизмов взаимодействия океана и атмосферы через количественные оценки влияния атмосферной циркуляции и циклонической активности на характеристики океанской циркуляции. Это принципиально важная проблемы современной динамики климата, решение которой не может быть получено без детального анализа отклика динамики океанского перемешанного слоя, глубокой конвекции в океане и межгодовой изменчивости интенсивности вентиляции океана. На первых трех этапах реализации (2017-2020 гг.) проекта нами была разработана уникальная реконструкция атмосферной циркуляции с пространственным разрешением 14 км, позволяющая в явном виде разрешать такие особенности мезомасштабной циркуляции атмосферы, как полярные мезоциклоны, атмосферные фронты и детальную структуру полей атмосферных осадков - RAS-NAAD (Russian Academy of Sciences - North Atlantic Atmospheric Downscalling, https://naad.ocean.ru/). На текущем этапе реализации проекта (2020-2021 г.) мы выполнили качественно новые исследования с использованием NAAD. Мы перешли к моделированию динамики океана и использованием высокоразрешающего атмосферного "форсинга", т.е. атмосферных условий на верхней границе моделируемого океана. Современные исследования динамики океана на основе океанского моделирования используют атмосферный "форсинг", основанный на глобальных реанализах грубого разрешения (от 50 до 100 км). В то же время в современных вихревых моделях общей циркуляции океана используется разрешение менее 1/10°, что эквивалентно нескольким километрам в субполярных широтах и иногда переход к 1/50° - 1/60° в некоторых региональных симуляциях. Эти эксперименты сосредоточены на, по существу, мелкомасштабных особенностях океана, однако роль мелкомасштабных атмосферных процессов остается неясной, когда используется относительно грубое разрешение. Таким образом мы реализовали адекватный по пространственному атмосферный "форсинг", а также оценили качественно и количественно как переход в форсингу высокого разрешения влияет на результаты реализации океанской модели. Рисунок 1. (a) Средние за период 2002-2015 гг. скорость и направление поверхностных течений в области моделирования региональной конфигурации NNATL12 (цветом – скорость течений в м/с) и расположение станций разреза по 59.5 с.ш. Мы провели серию экспериментов с региональной моделью общей циркуляции океана NNATL12 (региональная конфигурация NEMO для Северной Атлантики, рис. 1а) и продемонстрировали, что при переходе от пространственного разрешения атмосферного «форсинга» 70 км к разрешению 14 км, межгодовая изменчивость и тренд поверхностной температуры в Северной Атлантике воспроизводится лучше (ближе к наблюдениям) на 15%, этот сигнал характеризуется существенной пространственной неоднородностью и наиболее явно проявляется в прибрежных областях и у восточного побережья Гренландии. Такие различия достигаются за счет воспроизведения атмосферной моделью с более высоким пространственным разрешением мезомасштабной динамики атмосферы, более высоких и реалистичных скоростей ветра, что приводит к более интенсивным турбулентным потерям с поверхности океана и отражается и в общем теплосодержании океана. Показано, что теплосодержание океана на промежуточных глубинах (700-1500 м) при использовании форсинга высокого разрешения ниже, что может быть связано с более интенсивной вентиляцией этого слоя за счет процессов глубокой конвекции. Далее, мы впервые провели качественное и количественное сравнение данных натурных наблюдений за состоянием океана вдоль 59.5 градуса с.ш. с океанским реанализом GLORYS12. Первый полномасштабный разрез по разрезу 59.5N ИО РАН был проведен НИС «Профессор Штокман» в 1997 году. Затем с 2002 года по настоящее время проводились регулярные ежегодные исследования (обычно с июня по сентябрь). Мы показали, что средняя термохалинная структура океана на разрезе 59.5 с.ш., выявленная по данным наблюдений на разрезе, хорошо представлена реанализе GLORYS12, за исключением придонной структуры. Согласование полей температуры и солености, является самым высоким ниже основного термоклина в бассейнах Ирмингера и Исландском, где наблюдается слабая стратификация. Однако согласие слабее в пределах хорошо стратифицированного основного термоклина (между изотермами 5°C и 8°C). Мы продемонстрировали, что на большей части разреза 59,5 с.ш. в Северной Атлантике система реанализа GLORYS12 может реалистично воспроизводить среднюю термохалинную структуру океана, за исключением области каскадинга. Это важное несоответствие подчеркивает необходимость создания буев для глубоководных буев ARGO в будущем и улучшения модели для представления этих процессов. Низкая способность GLORYS12 воспроизводить характеристики океана областях восточных пограничных течений и областях с преобладанием океанских вихрей предполагает необходимость использования альтиметрии с более высоким разрешением в следующих поколениях GLORYS12. В этом отношении ожидания, связанные со спутниковой миссией SWOT по полосовой альтиметрии обнадеживают, но потребуют надлежащей адаптации системы усвоения данных. Наша гипотеза о том, что существующая сеть буев ARGO недостаточно плотна, чтобы обеспечить точную оценку состояния океана ниже 2000 м в этом районе, предполагает важность развития глубоководных буев ARGO. Систематизированные данные по наблюдению за состоянием океана вдоль разреза 55,9 градуса северной широты доступны на портале https://sail.ocean.ru/N60.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
- Реализован высокоразрешающий эксперимент с совмещенной моделью океана и атмосферы (конфигурация NEMO с разрешением 1/36 и модель WRF в 1/12 в Северной Атлантике). Результаты эксперимента являются уникальной базой данных для изучения динамики атмосферы и океана, а также мезомасштабного взаимодействия океана и атмосферы. - Проведен анализ изменчивости глубин верхнего перемешанного слоя в модельных экспериментах, выявлена особенно интенсивная изменчивость верхнего перемешанного слоя океан на масштабах суток – суточный цикл в изменчивости глубины перемешанного слоя океане ранее не был описан ни в одном исследовании. Показано региональное преобладание потока плавучести на поверхности океана различного генезиса: поток плавучести за счет коротковолновой солнечной радиации преобладает в области субтропического круговорота, в то время как синоптическая изменчивость турбулентных потоков тепла в средних широтах имеет главную роль в заглублении/стратификации верхнего перемешанного слоя океана. - Разработан подход к совместному анализу траекторий циклонов (среднеширотных и мезоциклонов (в частности polar lows) и характеристик поверхности океана. Подход является довольно сложным в математической реализации. После построения траекторий циклонов и расчета их радиусов по последней замкнутой изобаре, параметры, полученные по океанской модели, сначала интерполируются на виртуальную сетку, соответствующую области циклона, а далее интегрируются вдоль траектории циклона. - На основе полученных ранее в проекте результатов (высокоразрешающая реконструкция атмосферы в Северной Атлантике - NAAD) реализованы дополнительные исследования по моделированию ветрового волнения в Северной Атлантике для валидации результатов натурных наблюдений ветровых волн в Северной Атлантике. - Построены интегральные характеристики изменчивости глубин верхнего перемешанного слоя в Северной Атлантике и проанализированы атмосферные механизмы, ответственные за формирование этой изменчивости, продемонстрирован решающий вклад потока плавучести за счет приходящей солнечной радиации в формирование суточного цикла глубины перемешанного слоя океана. - Реализованы модельные эксперименты на аквапланете. Показано, что волны на поверхности океана способствуют вертикальному перемешиванию и поверхностному напряжению, которое атмосфера оказывает на океан. Это проявляется в углублении перемешанного слоя и ослаблении верхних течений океана, что снижает силу океанических меридиональных опрокидывающих циркуляций в субтропиках и средних широтах. Поверхностные волны способствуют перемешиванию верхних слоев океана как непосредственно, так и через индуцированные изменения плавучести и ветрового течения. Включение параметризации поверхностных гравитационных волн в модель океана увеличивает толщину климатологического перемешанного слоя примерно на 10%, и этот эффект оказывается устойчивым при различных состояниях климата.