Динамика глубокой конвекции в субполярных и полярных районах океана в условиях меняющегося климата, ее связь с потоками пресной воды и тепла и влияние на Атлантическую меридиональную термохалинную циркуляцию

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-17-01151

НазваниеДинамика глубокой конвекции в субполярных и полярных районах океана в условиях меняющегося климата, ее связь с потоками пресной воды и тепла и влияние на Атлантическую меридиональную термохалинную циркуляцию

Руководитель Башмачников Игорь Львович, Кандидат географических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-502 - Крупномасштабные и синоптические процессы в океане

Ключевые слова глубокая конвекция, объемы пресной воды, теплосодержание, Атлантическая термохалинная циркуляция, изменения климата

Код ГРНТИ37.25.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью данного проекта является оценка межгодовой изменчивости интенсивности глубокой конвекции (ГК) в Гренландско- Норвежском регионе и районе Лабрадорского моря – моря Ирмингера, как элемента глобальной климатической системы. Глубокая конвекция в Гренландском, Лабрадорском морях и море Ирмингера является основным источником вод атлантической термохалинной циркуляции (АТХЦ) и, таким образом, представляет собой важную составляющую глобальной климатической системы (Buckley & Marshall, 2016). Некоторыми авторами предполагается, что изменения климатической системы Земли в прошлом могли быть связаны с изменением интенсивности АТХЦ, и, в частности, с изменением интенсивности глубокой конвекции, как результата увеличения поступления пресной воды в приполярные районы (Lockwood, 2001). АТХЦ считается одним из основных механизмов вывода из атмосферы избытка СО2 (Kostov et al., 2014). Предполагается, что ослабление АТХЦ приведет изменению стратификации океана и уменьшению суммарной биомассы планктона в Атлантике на 50% (Schmittner, 2005). Рядом авторов рассматриваются также связи колебаний интенсивности АТХЦ и межгодовой изменчивости климатических характеристик различных регионов Евразии (Мохов и др., 2008; Li et al., 2008; Yu et al. 2009; Marshall et al., 2014). Тенденции к потеплению современного климата наиболее выражены в полярных регионах. Так, потепление в Арктике в среднем идет в 2 раза быстрее, чем увеличение средней по Земному шару температуры приземного воздуха (Johannessen et al., 2016). С идущим потеплением связывают и усиление потоков пресной воды в приполярные районы Северного полушария (Peterson et al., 2006). Достаточно быстрые климатические изменения, связанные с ослаблением АТХЦ, могут спровоцировать экономическую рецессию со спадом мировой экономики от 1% до 25% (Nordhaus, 1993, 2008; Mastrandrea & Schneider 2001; Kovalevsky et al., 2014, 2015: Anthoff et al., 2016). В связи с этим, в последние годы особенно актуален вопрос об возможной резкой изменчивости интенсивности глубокой конвекции в этих регионах в будущем (Glessmer et al., 2014; Moore et al., 2015; Boning et al., 2016; Luo et al., 2016; Yang et al., 2016). Сочетание мезомасштабных ячеек ГК, где происходит образование вод АТХЦ, и глобальности самого АТХЦ существенно затрудняет изучение связи между этими явлениями, как в натурных исследованиях, так и в гидродинамических моделях. Так, 1-градусное разрешение климатических моделей океана-атмосферы недостаточно для воспроизведения многих элементов динамики АТХЦ: ячеек ГК, вихрей, узких струйных течений (Kawasaki & Hasumi, 2014). Проекции с помощью самых современных климатических моделей CMIP5 показывают весьма значительный разброс интенсивности АТХЦ - от практически неизменной интенсивности до уменьшения на 50% к концу XXIв. (Cunningham et al., 2007, 2010; Buckley & Marshall, 2016). Оценка изменчивости интенсивности ГК в субполярных районах северного полушария, как элемента АТХЦ, остается одной из важнейших научных и прогностических задач океанологии и климатологии (Kostov et al., 2014; Cunningham et al., 2007, 2010; Buckley & Marshall, 2016; Tol et al., 2016), Научная новизна проекта состоит: в выявлении значимых трендов и цикличностей различных областей ГК в приполярных районах северного полушария н основе ряда оригинальных индексов и моделей развития ГК, в исследовании когерентности между главными источниками ГК, в комплексном анализе причин изменчивости ГК, а также в поиске связи межгодовой изменчивости ГК с изменчивостью интенсивности АТХЦ на разных временных масштабах. Успешное выполнение поставленных задач базируется на значительно выросшей за последние десятилетие доступной базы наблюдений в районах ГК, на существенном прогрессе в точности спутниковых данных и новейших методиках их обработки, а также на существенных успехах последних лет в области реанализа с помощью реализации вихреразрешающих моделей океана. Комплексность применения данных, а также современные методики анализа, позволят значительно продвинуться в понимании причин межгодовой изменчивости ГК и модуляции межгодовой изменчивости АТХЦ. На первом этапе предлагаемого проекта предполагается выявить характер межгодовой изменчивости (тренды и цикличности) ГК в Гренландском море, Лабрадорском море и море Ирмингера, а также когерентность этих изменений в разных морях. Акцент будет сделан анализе различных термодинамических (Алексеев и др., 2001; Alekseev et al., 2001), динамических (Ковалевский, 2002) и других индексов ГК (Schlosser et al., 1991; Bonisch et al., 1997 и др.), их верификации на максимально широком наборе литературных источников и материале натурных наблюдений. Глубина конвекции и объем перемешанных вод зависит от фоновой стратификации верхнего слоя океана. В связи с этим, на втором и третьем этапах работы будет выявлен характер межгодовой изменчивости (тренды и цикличности) стратификации верхнего слоя океана в районах ГК, а также содержания пресной воды и теплосодержания в этих регионах (Deshayes et al., 2014; Glessmer et al., 2014). На четвертом этапе будет выявлена связь долгопериодной изменчивости объема пресной воды и теплозапаса в районах ГК с потоками тепла и пресной воды в регионы. Здесь будут исследована межгодовая изменчивость океанических потоков тепла и пресной воды через границы регионов, а также теплообмена на границе океан-атмосфера. В рамках этой задачи будут проанализированы: межгодовая изменчивость жидкого и ледового пресного стока через пролив Фрама и Канадский архипелаг, межгодовая изменчивость характеристик затока атлантических вод, межгодовая изменчивость стока с Гренландии. Отдельное внимание будет уделено межгодовой изменчивости ледового режима и интенсивности циклонической активности в районах ГК. На пятом этапе, будут рассмотрены механизмы «доставки» тепла и пресной воды от границ бассейна в районы ГК, как-то мезомасштабные вихри и Экмановский перенос. Интегральная межгодовая изменчивость этих явлений может оказывать влияние на межгодовую изменчивость ГК (Gascard и др., 2002; Kawasaki & Hasumi, 2014). На шестом этапе работы будут сделаны оценки связи изменчивости ГК и изменчивости АХТЦ на различных временных масштабах, а также проекции развития ГК и АТХЦ при разных сценариях изменчивости климата до 2100г. с помощью выбранных моделей CMIP5.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Башмачников И.Л., Юрова А.Ю., Весман А.В., Бобылев Л.П. Связь изменчивости океанических и атмосферных потоков тепла в районе Баренцева моря. Материалы докладов "Моря России: наука, безопасность, ресурсы", 3 - 7 октября 2017, Севастополь, С. 217-218 (год публикации - 2017)

2. Белоненко Т.В., Башмачников И.Л., Колдунов А.В., Куйбин П.А. О вертикальной компоненте скорости в Лофотенском мезомасштабном вихре Норвежского моря. ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, том 53, № 6, с. 728–737 (год публикации - 2017)
10.7868/S0003351517060071

3. Белоненко Т.В., Федоров А.М., Башмачников И.Л., Фукс В.Р. Current Intensity Trends in the Labrador and Irminger Seas Based on Satellite Altimetry Data Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 54, No. 9, pp. 1031–1038 (год публикации - 2018)
10.1134/S0001433818090074

4. Белоненко Т.В., Федоров А.М. Steric Level Fluctuations and Deep Convection in the Labrador and Irminger Seas Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 54, No. 9, pp. 1039–1049 (год публикации - 2018)
10.1134/S0001433818090086

5. Белоненко Т.В., Сандалюк Н.В. Оценка нелинейности в изменчивости уровня океана по данным спутниковой альтиметрии. Тезисы докладов "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", 13 - 17 ноября 2017, Москва, Россия (год публикации - 2017)

6. Белоненко Т.В., Башмачников И.Л., Колдунов А.В., Куйбин П.А. On the Vertical Velocity Component in the Mesoscale Lofoten Vortex of the Norwegian Sea. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics,, Vol. 53, No. 6, pp. 641–649 (год публикации - 2017)
10.1134/S0001433817060032

7. Селюженок В., Махони А.Р., Крумпен Т. Кастеллани Г., Джердес Р. Mechanisms of fast ice development in the southeastern Laptev Sea: a case study for winter of 2007/08 and 2009/10. Polar Research, в печати (год публикации - 2017)
10.1080/17518369.2017.1411140

8. Башмачников И.Л. Сезонная и межгодовая изменчивость положения динамических и термических фронтов Баренцева, Норвежского и Гренландского морей. Материалы докладов "Моря России: наука, безопасность, ресурсы", 3 - 7 октября 2017, Севастополь, С. 29-30 (год публикации - 2017)

9. Федоров А.М., Кубряков А.А., Белоненко Т.В., Башмачников И.Л. Изменчивость крупномасштабной циркуляции в Северной Атлантике по спутниковым данным. Тезисы докладов "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", 13 - 17 ноября 2017, Москва, Россия (год публикации - 2017)

Публикации

1. Юрова А., Бобылев Л.П., Зу Ю., Дави Р., Коржиков А.Ю. Atmospheric heat advection in the Kara Sea region under main synoptic processes International Journal of Climatology (год публикации - 2018)
10.1002/joc.5811

2. Башмачников И.Л., Юрова А.Ю., Бобылев Л.П., Весман А.В. Seasonal and Interannual Variations of Heat Fluxes in the Barents Sea Region Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 54, No. 2, pp. 213–222 (год публикации - 2018)
10.7868/S0003351518020149

3. Федоров А.М., Башмачников И.Л., Белоненко Т.В. Локализация областей глубокой конвекции в Северной Атлантике Вестник СПбГУ. Науки о Земле, 63 (3), 345-362 (год публикации - 2018)
10.21638/spbu07.2018.306

4. Башмачников И.Л., Федоров А.М., Весман А.В., Белоненко Т.В., Колдунов А.В., Духовской Д.C. Термохалинная конвекция в субполярных морях Северной Атлантики и Северо-Европейского бассейна СЛО по спутниковым и натурным данным. Часть 1: локализация областей конвекции Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (год публикации - 2018)

5. Башмачников И.Л., Федоров А.М., Весман А.В., Белоненко Т.В., Духовской Д.C. Термохалинная конвекция в субполярных морях Северной Атлантики и Северо-Европейского бассейна СЛО по спутниковым и натурным данным. Часть 2: индексы интенсивности конвекции Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (год публикации - 2018)

6. Башмачников И.Л., Ковалевский Д.В. Exact Solutions and Stability Analysis of a Nonlinear Model of Open-Ocean Deep Convection that Allows Multiple Steady States Discontinuity, Nonlinearity, and Complexity, vol. 8 (2) (год публикации - 2019)

7. Ковалевский Д.В., Башмачников И.Л. Nonlinear Dynamics of Deep Open-Ocean Convection: An Analytical Approach Springer, Switzerland, глава в книге “Nonlinear Dynamics, Chaos, and Complexity II: In Memory of Valentin Afraimovich (1945-2018)" (год публикации - 2019)

8. Федоров А.М. Положение областей глубокой конвекции в северном Атлантическом океане по данным натурных измерений за 1993-2015 Сборник статей XIV Большого географического фестиваля, с. 251-254. г. Санкт-Петербург (год публикации - 2018)

9. Федоров А.М., Башмачников И.Л., Весман А.В., Белоненко Т.В., Колдунов А.В. Оценки межгодовой изменчивости интенсивности конвекции в морях Лабрадор, Ирмингера и Гренландском Процессы в геосредах, № 3(17). С. 321-322, КИМО-2018, 21-25.05.2018, Ст.Петербург, Россия (год публикации - 2018)

10. Весман А.В., Башмачников И.Л. Сезонная и межгодовая изменчивость адвекции потоков тепла в Северо-Европейском бассейне Материалы докладов "Моря России: наука, безопасность, ресурсы", 24 -28 сентября 2018, Севастополь, с.122-123 (год публикации - 2018)

11. Башмачников И.Л., Федоров А.М., Весман А.В. Индексы межгодовой изменчивости глубокой конвекции в субполярных морях северной Атлантики и Северного Ледовитого океана Материалы докладов "Моря России: наука, безопасность, ресурсы", 24 -28 сентября 2018, Севастополь, с.211-212 (год публикации - 2018)

12. Федоров А.М., Башмачников И.Л. Точность оценки интенсивности конвекции в зависимости от количества данных наблюдений Материалы докладов "Моря России: наука, безопасность, ресурсы", 24 -28 сентября 2018, Севастополь, с.299-300 (год публикации - 2018)

13. Яковлева Д.А., Башмачников И.Л. Тренды и цикличности теплосодержания и содержания пресной воды в куполе холодных вод моря Лабрадор материалы докладов "Гидрометеорология и экология: достижения и перспективы развития", 19-20 декабря, СПб, с.4 (год публикации - 2018)

14. Калавиччи К.А., Башмачников И.Л. Межгодовая изменчивость океанических и атмосферных потоков тепла в Баренцевом море материалы докладов "Гидрометеорология и экология: достижения и перспективы развития", 19-20 декабря, СПб , с.4 (год публикации - 2018)

15. Кузнецова Д.А. , Башмачников И.Л Межгодовая изменчивость атлантической ветви Меридиональной термохалинной циркуляции материалы докладов "Гидрометеорология и экология: достижения и перспективы развития", 19-20 декабря, СПб , с.4 (год публикации - 2018)

Публикации

1. Башмачников И. Л., Белоненко Т. В., Куйбин П. А. Связь горизонтальной и вертикальной циркуляции в подповерхностном Лофотенском вихре Материалы докладов "Моря России: фундаментальные и прикладные исследования", Севастополь: ФГБУН МГИ, 2019. – С. 40-42 (год публикации - 2019)

2. Калавиччи К.А., Башмачников И.Л. Mechanism of a Positive Feedback in Long-Term Variations of the Convergence of Oceanic and Atmospheric Heat Fluxes and the Ice Cover in the Barents Sea Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 55 (6), 640–649 (год публикации - 2019)

3. Духовской Д. С., Яшаяев И., Прошутинский А., Бамбер Дж. Л., Башмачников И. Л., Шассинет Е. П., Ли К. М., Тедстоун А. Дж. Role of Greenland Freshwater Flux Anomaly as a Possible Driver of the Recent Freshening in the Subpolar North Atlantic Journal of Geophysical Research: Oceans, 124 (5), 3333-3360 (год публикации - 2019)
10.1029/2018JC014686

4. Яковлева Д.А., Башмачников И.Л. Межгодовая изменчивость теплосодержания и содержания пресной воды в куполе холодных вод моря Лабрадор Вестник СПбГУ. Науки о Земле, 64(1), 136-158 (год публикации - 2019)

5. Гнатюк Н.В., Радченко Ю.В., Башмачников И.Л., Бобылев Л.П. Методика выбора климатических моделей CMIP5 для оценки будущих изменений факторов определяющих динамику глубоководной конвекции в Арктических морях Материалы докладов "Моря России: фундаментальные и прикладные исследования", 23 -28 сентября 2019, Севастополь, С. 181-182 (год публикации - 2019)

6. Кузнецова Д.А., Башмачников И.Л Cвязь межгодовой изменчивости глубокой конвекции и меридиональной океанической циркуляции в северной Атлантике Комплексные исследования Мирового океана., Материалы IV Всероссийской научной конференции молодых ученых, г. Севастополь, 22-26 апреля 2019 г., с.94-95 (год публикации - 2019)

7. Калавиччи К.А., Башмачников И.Л. Влияние океанических и атмосферных потоков тепла на межгодовую изменчивость ледового покрова в Баренцевом море Комплексные исследования Мирового океана., Материалы IV Всероссийской научной конференции молодых ученых, г. Севастополь, 22-26 апреля 2019 г., с.68-69 (год публикации - 2019)

8. Яковлева Д.А., Башмачников И.Л. Связь межгодовой изменчивости теплосодержания верхнего слоя моря Лабрадор и индекса Северо-Атлантической Осцилляции (NAOI). Комплексные исследования Мирового океана., Материалы IV Всероссийской научной конференции молодых ученых, г. Севастополь, 22-26 апреля 2019 г., с.197-198 (год публикации - 2019)

9. Селюженок В., Башмачников И., Риккер Р., Весман А., Бобылев Л. Sea ice volume variability and water temperature in the Greenland Sea The Cryosphere, 14 (2), 477-495 (год публикации - 2020)

10. Ковалевский Д.В., Башмачников И.Л., Алексеев Г.В. Formation and decay of a deep convective chimney Ocean Modelling, 148, 101583 (год публикации - 2020)