Влияние меридиональных атмосферных потоков тепла и влаги на климатические обратные связи в Арктике и формирование Арктического усиления

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 23-77-01046

НазваниеВлияние меридиональных атмосферных потоков тепла и влаги на климатические обратные связи в Арктике и формирование Арктического усиления

Руководитель Латонин Михаил Михайлович, Кандидат географических наук

Организация финансирования, регион Научный фонд "Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию имени Нансена" , г Санкт-Петербург

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова Арктика, потоки тепла и влаги, климатические обратные связи, атмосферная циркуляция, морской лёд, Арктическое усиление, теплосодержание океана, энергетический баланс, потепление климата, сезонность, ступенчатые изменения

Код ГРНТИ37.23.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Достоверно установлено, что в настоящее время климатическая система Земли находится в фазе продолжающегося глобального потепления, начавшегося в 1980-х гг. При этом изменения приповерхностной температуры воздуха в Арктике происходят быстрее, чем в нижележащих широтах Северного полушария и относительно глобального среднего. Это явление известно как Арктическое усиление – фундаментальное свойство глобальной климатической системы. При этом несмотря на огромный интерес учёных всего мира к этому явлению, о причинах и следствиях Арктического усиления в научном сообществе до сих пор нет единого мнения. Таким образом, предлагаемый проект посвящён чрезвычайно актуальной теме современных климатических изменений в Арктике и направлен на изучение внутренних механизмов климатической системы Арктики. Главная цель проекта – оценить, как взаимодействие меридиональных атмосферных потоков тепла и влаги с климатическими обратными связями в Арктике может влиять на формирование Арктического усиления. В исследовании будут использованы новейшие данные климатического реанализа ERA5, а также российских климатических моделей общей циркуляции атмосферы и океана INM-CM4-8 и INM-CM5-0, участвующих в международном проекте по сравнению глобальных климатических моделей CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 6). Согласно современному научному пониманию Арктическое усиление формируется вследствие ряда климатических обратных связей, обусловленных взаимодействием атмосферы, океана, морского льда и суши. Колебания меридионального переноса энергии (тепла и влаги) в Арктику атмосферной и океанической циркуляцией также вносят существенный вклад в формирование и изменчивость Арктического усиления. К наиболее важным причинам Арктического усиления относят обратные связи альбедо поверхности, вертикального градиента температуры воздуха, Планка и др. Большинство таких связей действует и в низких широтах, однако в ряде исследований было показано, что в полярных регионах положительные обратные связи наиболее эффективны, а отрицательные обратные связи, в целом, менее эффективно стабилизируют климатическую систему, чем в умеренных широтах или тропиках. Это объясняет бóльшие изменения температуры воздуха, возникающие в полярных регионах в ответ на внешние возмущения. Несмотря на значительные успехи в понимании механизмов Арктического усиления, достигнутые в прошедшем десятилетии, относительная важность каждого из этих механизмов остаётся неопределённой. Более того, о ряде процессов нет единого мнения, являются ли они причиной Арктического усиления или его следствием. Таким образом, основная научная новизна предлагаемого исследования состоит в оценке способности меридиональных атмосферных потоков тепла и влаги выступать в качестве триггера климатических обратных связей в Арктике, которые в свою очередь приводят к формированию Арктического усиления.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Латонин М.М., Башмачников И.Л., Семенов В.А. Enhanced convergence of atmospheric and oceanic heat fluxes in the Barents Sea region under present climate warming Геофизический центр Российской академии наук, Тезисы докладов Международной конференции к 70-летию Геофизического центра РАН и 300-летию РАН «Наука о данных, геоинформатика и системный анализ в изучении Земли». г. Суздаль, 25–27 сентября 2024 г. С. 80. (год публикации - 2024)
10.2205/2024-GCRAS70

2. Латонин М.М. Резкое изменение зимнего климата Арктики в 2005 году в Восточном полушарии, связанное с радиационными процессами в атмосфере Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук, Сборник тезисов докладов V Всероссийской конференции с международным участием «Турбулентность, динамика атмосферы и климата», посвященной памяти академика Александра Михайловича Обухова. г. Москва, 19–21 ноября 2024 г. М.: Физматкнига, 2024, С. 84. (год публикации - 2024)

3. Латонин М.М., Демченко А.Ю. A robust stepwise jump in the Arctic wintertime warming in 2005 coherent with the increased clear-sky downward longwave radiation flux Dynamics of Atmospheres and Oceans, Vol. 108, 101503 (год публикации - 2024)
10.1016/j.dynatmoce.2024.101503

4. Латонин М.М., Башмачников И.Л., Радченко Ю.В., Гнатюк Н.В., Бобылев Л.П., Петтерссон, Л.Х. Meridional Oceanic and Atmospheric Heat Fluxes at the Entrance to the Atlantic Sector of the Arctic: Verification of CMIP6 Models and Climate Projections Based on the Selected Sub-Ensembles Russian Journal of Earth Sciences, Vol. 24, № 4, ES4007 (год публикации - 2024)
10.2205/2024es000917

5. Латонин М.М., Демченко А.Ю. Устойчивый ступенчатый скачок зимнего потепления Арктики в 2005 году, связанный с возросшим нисходящим длинноволновым потоком радиации при ясном небе Институт космических исследований Российской академии наук, Материалы 22-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». г. Москва, 11–15 ноября 2024 г. Москва: ИКИ РАН, 2024. C. 255. (год публикации - 2025)
10.21046/22DZZconf-2024a

6. Латонин М.М., Башмачников И.Л., Семенов В.А. Enhanced Wintertime Convergence of Atmospheric and Oceanic Heat Transports in the Barents Sea Region under Present Climate Warming Russian Journal of Earth Sciences (год публикации - 2025)

7. Латонин М.М., Демченко А.Ю. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ВЗАИМОСВЯЗИ НИСХОДЯЩЕЙ ДЛИННОВОЛНОВОЙ РАДИАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ В АРКТИКЕ Национальный научный центр морской биологии им. А.В. Жирмунского ДВО РАН , Материалы VIII Всероссийской научной конференции молодых ученых «Комплексные исследования Мирового океана». г. Владивосток, 13–17 мая 2024 г. Владивосток: ННЦМБ ДВО РАН, 2024 C. 156-157. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1) Был проведён совместный анализ пространственных структур, полученных при решении задач 1–3 первого года проекта. По его результатам были выбраны районы Арктики преимущественно в Восточном полушарии и над Северным Ледовитым океаном для зимнего сезона и 2005 года ступенчатых изменений. На основе данных климатического реанализа ERA5 были оценены вклады в изменение температуры поверхности Земли современного периода, разделённого от предыдущего периода годом ступенчатых изменений, за счёт различных климатических обратных связей. Для каждого компонента разложения уравнения поверхностного энергетического баланса оценивался вклад в частное изменение температуры поверхности Земли в среднем за современный период 2005–2022 гг. относительно предыдущего базового периода 1959–2004 гг. Было выявлено, что наибольший вклад в современное потепление зимнего климата выделенных районов Арктики за период 2005–2022 гг. относительно периода 1959–2004 гг. внесли изменения поверхностного потока нисходящей длинноволновой радиации при ясном небе. Частное изменение температуры поверхности Земли для этого слагаемого составило 3,83 К. Второй по важности вклад в потепление зимнего климата Восточного полушария Арктики внесли изменения радиационного эффекта облаков, для которых соответствующее частное изменение температуры составило 1,66 К. Вследствие малого притока солнечной радиации в зимний период, другие слагаемые вносят существенно меньший вклад в потепление. При этом фактическое изменение температуры поверхности Земли между двумя периодами составило 5,38 K. Таким образом, суммарный вклад изменений нисходящей длинноволновой радиации при ясном небе и радиационного эффекта облаков в частное изменение температуры на величину 3,83 К + 1,66 К = 5,49 К оказался очень близок к реальному изменению температуры. Фактические изменения приповерхностной температуры воздуха и Арктического усиления между двумя периодами составили 4,83 К и 4,15 К, соответственно. Все изменения температуры в К эквивалентны её изменениям в °C. Для выявленных областей Арктики было установлено, что в среднем по пространству и времени за период 2005–2022 гг. величины вертикально интегрированных в слое 1000–800 гПа меридиональных атмосферных потоков явного и скрытого тепла оказались существенно выше, чем за базовый период 1959–2004 гг. Для атмосферного переноса явного тепла разность составила 51 МВт/м, тогда как для атмосферного переноса скрытого тепла, связанного с переносом влаги, разность составила 2 МВт/м. Поэтому можно сделать вывод, что изменения атмосферного переноса тепла и влаги в Арктику из нижележащих широт способствовали развитию локальных климатических обратных связей в Арктике, приводящих к современному ускоренному потеплению. 2) На основе данных исторического эксперимента российских глобальных климатических моделей INM-CM4-8 и INM-CM5-0 были оценены вклады в изменение температуры поверхности Земли современного периода 2005–2014 гг. относительно предыдущего базового периода 1959–2004 гг. за счёт различных климатических обратных связей. Количественные оценки частных изменений температуры поверхности Земли проводились в зимний сезон для тех же районов Арктики, что и в п. 1 для климатического реанализа ERA5. В модели INM-CM4-8 частные изменения температуры оказались –0,49 К за счёт изменения в нисходящей длинноволновой радиации при ясном небе и –0,23 К за счёт изменения радиационного эффекта облаков, что противоречит результатам по данным реанализа ERA5 даже на качественном уровне. Сумма частных изменений температуры оказалась равной –0,59 К. При этом фактическое изменение температуры поверхности Земли между двумя периодами составило –0,94 К. Поэтому данная модель очень плохо воспроизводит процессы современного потепления климата в Арктике. Результаты по модели INM-CM5-0 существенно лучше согласуются с полученными по данным реанализа ERA5. Частные изменения температуры для двух основных процессов оказали следующими: 1,34 К за счёт изменения в нисходящей длинноволновой радиации при ясном небе и 0,17 К за счёт изменения радиационного эффекта облаков. При этом фактическое изменение температуры поверхности Земли в модели между двумя периодами составило 1,7 К. Карты пространственных распределений частных изменений температуры показали, что данная модель корректно воспроизводит очаг потепления к северу от Новой Земли за счёт изменений в нисходящей длинноволновой радиации при ясном небе. 3) В зимний сезон за период 1959–2017 гг. по данным реанализов ORAS4 и ERA5 над Баренцевым морем была выявлена возрастающая синхронизация конвергенции атмосферного переноса явного тепла в слое нижней тропосферы 1000–900 гПа и океанического переноса тепла через западную границу моря. Коэффициент корреляции между конвергенциями переносов тепла достигает величины 0,76 за период 2003–2017 гг. Это способствует ускорению локального потепления. 4) В среднегодовом выражении глобальные климатические модели CMIP6 плохо воспроизводят межгодовую изменчивость меридиональных атмосферных и океанических потоков тепла в Атлантический сектор Арктики в течение 1958–2014 гг., а средние значения по ансамблям систематически ниже средних значений, полученных по данным реанализов ORAS4 и ERA5. Климатические прогнозы, основанные на выбранных моделях CMIP6, указывают на то, что будущий климат Арктики в 21 в. будет характеризоваться значительно возросшим переносом океанического тепла на входе в Атлантический сектор Арктики по сравнению с периодом 1958–2014 гг. Напротив, у переноса тепла и влаги в атмосфере не будет существенных различий в прогнозируемом климате Арктики по сравнению с периодом 1958–2014 гг.

Публикации