Изменения климата Арктики: уменьшение неопределенности будущих сценариев и взаимосвязь с погодно-климатическими процессами в Евразии

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 23-47-00104

НазваниеИзменения климата Арктики: уменьшение неопределенности будущих сценариев и взаимосвязь с погодно-климатическими процессами в Евразии

Руководитель Семенов Владимир Анатольевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №74 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-602 - Диагноз и моделирование климата

Ключевые слова Климат Арктики, морской лед, изменений климата, внутренняя изменчивость климата, неопределенность проекций климата, метод обобщенных связей, экстремальные явления, десятилетний прогноз

Код ГРНТИ37.21.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Арктика играет важную роль в формировании и в изменениях глобального климата. В последние десятилетия потепление в Арктике происходит как минимум в два раза быстрее, чем глобальное потепление и сопровождается резким, на 10% в десятилетие в летний период, сокращением площади арктических морских льдов. Такие тенденции, согласно ансамблевым модельным оценкам, с большой вероятностью продолжатся в будущем и в ближайшие 30 лет Арктика может стать сезонно свободной ото льда. На фоне изменений климата Арктики происходит увеличение частоты и интенсивности экстремальных погодных и климатических явлений во многих регионах средних широт Северного полушария, что может быть связано с быстрым потеплением и существенными изменениями теплообмена океана и атмосферы в Арктике. Оценки будущих изменений арктического климата и их возможных последствий в ближайшие десятилетия имеет большое научное и практическое значение. Однако в количественных прогностических оценках климатических изменений климата Арктики, основанных на результатах ансамблевых расчетов с моделями климата, по многим причинам сохраняется большая неопределенность. В рамках данного проекта планируется выявить основные источники неопределенности в сценарных прогнозах изменения климата Арктики и лучше понять механизмы климатической изменчивости, уделяя особое внимание прогнозам эволюции арктического морского льда, важнейшего компонента климатической системы Арктики и криосферы Земли, на основе анализа данных наблюдений и реанализов, результатов расчетов с ансамблем моделей климата последнего поколения и проведения специальных численных экспериментов. Главной целью проекта является уменьшение неопределенности прогностических оценок изменений климата Арктики на временном диапазоне до 50 лет, связанной с различиями в структуре моделей и с внутренней изменчивостью климата. Для этого будут использоваться современные физико-статистические методы, в т.ч. метод обобщенных связей (observational constraint method), методы Байесовской статистики, прогностические эксперименты с моделью климата с применением инициализации начального состояния. В результате выполнения проекта планируется получить физически обоснованные прогностические оценки изменений климата Арктики с уменьшенной неопределенностью, включая оценку времени наступления сезонного освобождения Арктики от морских льдов. Кроме того, в рамках проекта предполагается исследовать возможные будущие изменения погоды и климата Арктики и Евразии, их взаимосвязь и влияние на сезонную предсказуемость погоды и характеристик морского льда. Результаты проекта позволят лучше понять механизмы изменчивости и предсказуемости изменений климата Арктики, их последствий, а также предоставят важную информацию о будущих перспективах и возникающих рисках для экономики и населения Китая и России, связанных с изменением климата в Арктике.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Семенов В.А., Черенкова Е.А., Алдонина Т.А. Современные и ожидаемые характеристики сезонного хода ледового покрова в морях Российской Арктики Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, том 511, No 1, с. 112–118 (год публикации - 2023)
10.31857/S2686739723600649

2. Аржанов М.М., Мохов И.И., Парфенова М.Р. Байесовы оценки площади снежного покрова в Евразии в XXI веке по результатам расчетов с ансамблем климатических моделей CMIP6 Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, т.513, №2 (год публикации - 2023)
10.1134/S1028334X23602547

3. Парфенова М.Р., Аржанов М.М., Мохов И.И. Изменения площади снежного покрова в Евразии в XXI веке по расчетам с ансамблем климатических моделей CMIP6 Известия РАН. Физика атмосферы и океана, T. 59, № 3, стр. 299-308 (год публикации - 2023)
10.31857/S0002351523030070

4. Плосков А.Н., Елисеев А.В., Мохов И.И. Impact of the uncertainty of reconstruction of climate changes in the last glacial cycle on modelling of ice sheets dynamics Proc. SPIE, 12780, 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 127805Y (год публикации - 2023)
10.1117/12.2690746

5. Акперов М.Г., Елисеев А.В., Ринке А., Мохов И.И., Семенов В.А., Дембицкая М.А. и др. Future Projections of Wind Energy Potentials in the Arctic for the 21st Century Under the RCP8.5 Scenario From Regional Climate Models (Arctic-CORDEX) Anthropocene, Volume 44, December 2023, 100402 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ancene.2023.100402

6. Шихов А., Антохина О., Гочаков А., Ажигов И., Газимов Т., Колкер А., Тарабукина Л., Ярынич Ю., Чернокульский А. Severe convective outbreak in Siberia in May 2020: Event analysis and high-resolution simulation Atmospheric Research, Volume 298, 107139 (год публикации - 2023)
10.1016/j.atmosres.2023.107139

7. Мохов И.И. Сезонные особенности изменений повторяемости описанных метеорологических явлений в российских регионах в последние десятилетия Метеорология и гидрология, №11, С.50-64 (год публикации - 2023)
10.52002/0130-2906-2023-11-50-64

8. Акперов М.Г., Мохов И.И. Изменения связанного с атмосферными циклонами приземного ветра во внетропических широтах Северного полушария в последние десятилетия Известия РАН. Физика атмосферы и океана, том 59, No 4, с. 398–406 (год публикации - 2023)
10.31857/S0002351523040028

9. Семенов В.А., Алдонина Т.А., Ли Ф., Кинлисайд Н.С., Вонг Л. Arctic Sea Ice Variations in the First Half of the 20th Century: A New Reconstruction Based on Hydrometeorological Data Advances in Atmospheric Sciences, V. 41. № 8. P. 1483-1495 (год публикации - 2024)
10.1007/s00376-024-3320-x

10. Акперов М.Г., Гиппиус Ф.Н., Мохов И.И. Связь морского волнения с циклонической активностью в атмосфере Северного полушария по данным реанализа ERA5 Метеорология и гидрология, № 3. С. 21-30 (год публикации - 2024)
10.52002/0130-2906-2024-3-21-30

11. Малахова В.В., Елисеев А.В. Subsea permafrost and associated methane hydrate stability zone: how long can they survive in the future? Theoretical and Applied Climatology, V. 155. № 4. P. 3329-3346 (год публикации - 2024)
10.1007/s00704-023-04804-7

12. Малахова В.В., Елисеев А.В. Чувствительность температуры придонного слоя морей арктического шельфа к температуре воздуха в XX–XXIII вв. по данным CMIP6 Вестник Московского университета. Серия 5. География, V. 155. № 4. P. 3329-3346 (год публикации - 2024)
10.55959/MSU0579-9414.5.79.2.9

13. Медведев А.И., Елисеев А.В., Мохов И.И. Байесовы оценки изменения стока российских рек в XXI веке на основе результатов ансамблевых модельных расчетов CMIP6 Известия РАН. Физика атмосферы и океана., Т. 60. № 2. С. 135-156 (год публикации - 2024)
10.31857/S0002351524020021

14. Нарижная А.И., Чернокульский А.В. Cloud characteristics during intense cold air outbreaks over the Barents Sea based on the satellite data Atmosphere, V. 15. № 3. 317 (год публикации - 2024)
10.3390/atmos15030317

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
- Проведен анализ изменчивости штормтреков, блокингов, а также волн тепла и холода над Арктикой и Евразией с использованием расчетов с моделью земной системы CESM2 (пространственное разрешение-1.9x2.5) с заданными различными режимами концентрации морских льдов в Арктике. Модельные расчеты выполнены для периодов, соответствующих срднеклиматическому и безледному режиму морских льдов в Арктике. Для безледной Арктики отмечено увеличение повторяемости штормтреков в высоких широтах Северного полушария, в частности, над Северной Евразией и незначительное уменьшение в средних широтах. Летом, увеличение штормтреков наблюдается над обширными территориями в Евразии и над Северной Америкой. В безледной Артике растет повторяемость волн тепла над Европейской частью РФ и над Дальним востоком летом, что связано с увеличением блокингов над данной территорией. При этом над Ямало-Ненецким АО отмечается увеличение волн холода зимой. Также в безледной Арктике растет повторяемость блокирующих антициклонов, особенно в зимний сезон. - На основе модельных расчетов с моделями CMIP6, пересчитанными с высоким пространственным разрешением с использованием методов статистического даунскейлинга и метода коррекции систематической ошибки модельных данных, рассчитаны значения индекса конвективной неустойчивости 3D (являющегося хорошим индикатором конвективной неустойчивости): средние значения за теплый период с мая по сентябрь)и повторяемости пороговых значений (превышения 95-го и 99-го процентилей распределения для исторического периода). Проведен расчет для регионов России для периода 1991–2010 (historical), 2021-2040 и 2081-2100 (для сценариев SSP1-2.6, SSP5-8.5). - Анализ результатов численных экспериментов с моделями ансамбля CMIP6 показал, что переход к безлёдной Арктике в исключительной экономической зоне России летом предположительно будет осуществлен после 2031‒2040 гг. Ожидается, что сезонное освобождение ото льда в период 2061-2080 гг. в окраинных морях российской Арктики будет происходить в среднем на месяц раньше по сравнению с 1981-2020 гг. - По расчётам с ансамблем климатических моделей CMIP6 (Coupled Models Intercomparison Project, phase 6) с использованием байесова осреднения проведён анализ изменений в XXI веке стока основных российских рек, впадающих в Северный Ледовитый океана - Оби, Енисея, Лены. Байесовы веса учитывали качество воспроизведения моделями стока (многолетнего среднего стока, линейного тренда стока на временном интервале с доступными наблюдениями за стоком, межгодовой и междесятилетней изменчивости). Качество воспроизведения характеристик стока отдельными моделями ансамбля CMIP6 наи более сильно различается для среднего многолетнего стока, тренда стока и, в меньшей степени, для межгодовой изменчивости. В XXI веке средний по ансамблю сток увеличивается. Это увеличение более выражено при сценариях с большими антропогенными воздействиями. Особенно оно значимо для сценария SSP5-8.5 (Shared Socioeconomic Pathways, 5-8.5), при котором тренд увеличения стока в 2015-2100 гг. относительно его современного среднего многолетнего значения составляет (10±4)% для Оби, (16±3)% для Енисея и (39 ± 7)% для Лены. Основной причиной изменения ансамблевого среднего стока в XXI веке в моделях при всех сценариях SSP является изменение осадков. Учёт различий качества моделей при воспроизведении стока рек в среднем для 2015–2100 гг. уменьшают межмодельные отклонения относительно соответствующих значений при однородном взвешивании результатов модельных расчетов на 6–18% в зависимости от сценария SSP и речного водосбора. - Методами кластерного анализа по данным ERA5 получены погодные режимы в Северной Евразии в зимний и летний периоды за 1940 – 2022 гг. Численными методами показано, что в зимний период оптимально кластеризуются четыре погодных режима, такое число выбрано и для летнего сезона. Зимой повторяемость режимов стабильна, летом три из четырех режимов имеют статистически значимые линейные тренды повторяемости, растёт повторяемость летнего режима Уральского блокирования. Исследовано распределение режимных событий по частоте и продолжительности, 60% исследованного периода занимают режимные события продолжительностью 10 и более суток. Обнаружены статистически значимые цепочки переходов между режимами. Проанализирована связь между повторяемостью зимних и летних режимов и индексом Nino 3.4 и площадью морского льда в Северном полушарии в предшествующие режимам сезоны осени и весны. - Построена реконструкция концентрации морcких льдов в Северном Ледовитом океане SIC для периода 1901-2019 гг. на основе установленной ковариации между SIC и приземной температурой воздуха, температурой поверхности моря и давлением на уровне моря. В нашей реконструкция площадь льдов SIA значительно уменьшется в 1920-1940 гг. - период потепления начала XX века в Арктике. Такая отрицательная аномалия SIA отсутствует в данных HadISST1.1. Амплитуда аномалии SIA достигает около 0,8 млн км2 в марте и 1,5 млн км2 в сентябре. Эта аномалия примерно в три раза сильнее, чем в наборе данных SIBT1850. Более значительное уменьшение SIA в сентябре в значительной степени связано с более сильным уменьшением SIC в западном секторе Северного Ледовитого океана в широтной зоне 70°-80° с.ш. Наша реконструкция предоставляет месячные данные на сетке, которые могут быть использованы в качестве граничных условий для атмосферных реанализов и модельных экспериментов для изучения климата Арктики в первой половине XX века. - Произведена оценка качества воспроизведения среднегодовых аномалий приземной температуры воздуха по данным 400 реализаций моделей из ансамбля CMIP6 в сравнении с сеточными данными наблюдений HadCRUT5 (60-90 с.ш.) для периода 1900-2014 гг. Получено, что отдельные реализации ансамбля моделей CMIP6 способны достаточно качественно воспроизводить динамику изменений приземной температуры в Арктике в ХХ веке, что может указывать на важную роль внутренней изменчивости климатической системы в формировании потепления середины века, в том числе и на междекадных временных масштабах.

Публикации