На Первом этапе в 2021 году Фондом «Нансен-центр», Получателем гранта, выполнялись следующие задачи:
Задача 1.4. Взаимодействие океан-атмосфера-лед в Арктике в условиях полярных и внетропических циклонов.
В рамках этой задачи на Первом этапе создана база данных случаев прохождения внетропических циклонов над Арктикой для периода 1979–2020 гг. Внетропические циклоны диаметром более 1000 км определялись по данным атмосферного реанализа на основе критерия превышения порогового значения спектрально фильтрованной относительной завихренности.
Задача 2.1. Количественная оценка Арктического усиления для периода 1900-2020 гг.
Выполнены количественные оценки Арктического усиления для периода 1900–2020 гг. по четырем различным метрикам по данным наблюдений приповерхностной температуры воздуха в Арктике Berkeley Earth, реанализа ERA5 и глобальных климатических моделей CMIP6.
Задача 2.2. Атмосферные и океанические потоки тепла в Арктику.
В рамках этой задачи на Первом этапе выполнены количественные оценки меридиональных атмосферных и океанических потоков тепла в Арктику для периода 1958–2017 гг.: рассчитаны средние значения, межгодовая изменчивость, линейные тренды и цикличности по данным реанализа и глобальных климатических моделей CMIP6. Атмосферные меридиональные потоки явного и скрытого тепла в Арктику рассчитаны по данным реанализа ERA5 и моделей CMIP6 через весь круг широты 70° с.ш. для каждой долготы и изобарической поверхности, включая и вход в Атлантический сектор Арктики («Атлантические ворота»). Океанический меридиональный поток тепла на входе в Атлантический сектор Арктики рассчитан по данным океанического реанализа ORAS.
Задача 2.3. Воздействие северной Атлантики на Арктику
В рамках этой задачи на Первом этапе выполнен анализ долгосрочной изменчивости термохалинных характеристик океана и температуры атмосферы полярных областей в связи с изменчивостью интенсивности атлантической меридиональной океанической циркуляции (АМОЦ). Для этого продлен ряд наблюдений АМОЦ до 1950-х гг. путем расчета индексов АМОЦ, выделена связь с АМОЦ долгосрочных тенденций (окно 30 лет) и цикличностей в теплосодержании и количестве пресной воды в Северо-Европейском бассейне Северного Ледовитого океана и смежных акваториях, оценена изменчивость пространственной структуры потоков тепла и соли в связи с изменчивостью интенсивности АМОЦ и определена потенциальная связь долгосрочной изменчивости потока атлантических вод на север и потока пресной воды из Арктики (вынос пресной воды и льда через пролив Фрама). Выделены отдельные регионы, долгосрочная изменчивость температуры и солености которых связана с изменчивостью интенсивности Атлантической меридиональной циркуляции.
Задача 3.1. Проекции будущего климата Арктики на основе моделей CMIP6 и сценариев SSP.
В рамках этой задачи на Первом этапе выбраны и обоснованы для расчетов проекций будущего климата Арктики возможные уровни/пороги будущего глобального потепления, включая зафиксированные в Парижском соглашении, и сценарии будущих изменений в эмиссии парниковых газов и землепользовании, основанные на результатах модельного эксперимента ScenarioMIP. Выполнена верификация глобальных климатических моделей CMIP6 для Арктики для приповерхностной температуры воздуха, протяженности и площади морского льда посредством сравнения модельных расчетов с данными наблюдений для исторического периода (вторая половина прошлого столетия и начало нынешнего). По результатам верификации выбраны из полных ансамблей CMIP6 под-ансамбли лучших моделей для расчета будущих значений указанных параметров.
Задача 4.1. Влияние изменений климата Арктики на ее окружающую среду.
В рамках этой задачи на Первом этапе определены частоты и величины экстремальных значений приповерхностной температуры воздуха (ППТВ), жидких и твердых осадков, приповерхностной скорости ветра и высоты значимых волн в Арктике за период 1950–2020 гг.
Задача 5.2. Корреляционные связи между потеплением в Арктике и аномалиями температуры в средних широтах
Выполнены расчеты корреляционных связей между аномалиями температуры земной поверхности в Арктике и значениями температуры воздуха на уровне 2 м в отдельных выделенных районах на территории России используя базу данных наблюдений Berkeley Earth и климатический реанализ ERA5. Корреляционный анализ выполнен для отдельных сезонов/месяцев и между последующими сезонами/месяцами.
Основные результаты:
Для составления базы данных случаев прохождения внетропических циклонов над Арктикой для периода 1979–2020 гг. была проведена спектральная фильтрация полей относительной завихренности на уровне 850 гПа реанализа ERA5 с сохранением систем синоптического масштаба, после чего по синтезированным полям было выделено и внесено в базу данных 28620 случаев. Анализ основных параметров базы показал, что межгодовая изменчивость количества образующихся внетропических циклонов невелика и составляет около 5% от среднего значения, внутригодовая изменчивость, в среднем, составляет около 10% от среднего значения. Наибольшее количество циклонов образуется с октября по январь, наименьшее – с июня по июль. Наиболее характерные значения времени существования внетропических циклонов, внесенных в базу данных, составляют 1–2 суток, скорости передвижения – 3–9 м/с, пройденного расстояния – 600–1200 км.
На основе оценки 29-летних скользящих линейных трендов приповерхностной температуры воздуха по данным наблюдений Berkeley Earth определены временные рамки двух глобальных потеплений и похолодания между ними для периода 1900-2020 гг.: 1) первое потепление (потепление начала 20-го века): 1914-1949 гг.; 2) похолодание: 1949-1959 гг.; 3) второе потепление (современное потепление): 1959г.-настоящее время. Предложены четыре новые метрики для Арктического усиления, на основе которых получены количественные оценки его величины для рассматриваемого периода.
Показано, что Арктическое усиление проявляется в обоих периодах потепления и в периоде похолодания, как в среднегодовом выражении, так и во все сезоны, причем наиболее сильно оно выражено зимой и наименее – летом. Арктическое усиление для современного потепления выражено более значительно, чем для первого потепления, и имеет тенденцию к увеличению. Показано, что Арктика сейчас нагревается не в два раза быстрее, чем земной шар в среднем, как считалось ранее, а приблизительно в четыре раза быстрее глобального потепления. Это согласуется с недавними новыми оценками скорости арктического потепления.
Эталонные оценки океанических и атмосферных потоков тепла были получены на основе реанализов ORAS4 и ERA5, соответственно. Проанализирована их взаимосвязанная межгодовая изменчивость за период 1958–2017 гг. Во временных рядах меридиональных интегральных потоков тепла в океане и атмосфере через «Атлантические ворота» (66,5°с.ш., 4,5°з.д.–13,5°в.д. и 66,5°с.ш., 5°з.д.–80°в.д.) в океаническом переносе тепла обнаружено выраженное колебание с периодом 10–15 лет, которое, начиная с 2000-х гг., сменилось более высокочастотными колебаниями. Вейвлет-анализ подтвердил значимость амплитуд 10–15-летнего колебания для первой половины анализируемого интервала времени (1958–1985 гг.). После 1985 г. эти колебания также выделяются в виде максимума вейвлет-спектра, однако их амплитуды уже нельзя считать достоверными; появляются более короткие периодичности. Для переноса тепла в атмосфере характерны более высокочастотные колебания, чем в океане: в 1980–1990-е гг. преобладают 7–9-летние колебания, при этом период доминирующих колебаний со временем уменьшается, уступая место 5–7-летней периодичности в 1995–2010-х гг. и 4-летней периодичности после 2010-х гг. Эти особенности были выявлены на основе вейвлет-анализа, и визуально во временных рядах атмосферного переноса тепла не проявлялись, где ведущую роль играет высокочастотная изменчивость. Для низких частот (10–15 лет) колебания потоков тепла в атмосфере и океане почти противофазны, с некоторым опережением наступления минимумов/максимумов в океане относительно значительно более слабых на этих частотах максимумов/минимумов в атмосфере примерно на 2–4 года. Такая взаимосвязь может свидетельствовать об отсроченном воздействии океана на атмосферу через механизм компенсации Бьеркнеса на декадных временных масштабах.
Для определения степени влияния Атлантической Меридиальной Океанической Циркуляции (АМОЦ) на термохалинные характеристики верхнего слоя Северо-Европейского бассейна и бассейна Нансена Северного Ледовитого океана, где ожидается существенное влияние атлантического потока океанического тепла, была проанализирована межгодовая изменчивость температуры воды верхнего 100-м слоя по массивам ARMOR (с 1993г.), ORAS4 (с 1958г.) и SODA3.4.2 (с 1980г.) методом разложения на ЕОФ компоненты. Ряды АМОЦ были продлены назад, до 1958 г., с помощью индексов по методу Cesar et al. (2018).
Первые 3 моды ЕОФ описывали порядка 70% дисперсии температуры воды, причем по всем трем массивам данных были получены схожие пространственные распределения этих ЕОФ и их временная изменчивость. Первая мода ЕОФ (описывающая порядка 40% дисперсии) характеризовала общую тенденцию к потеплению Северо-Европейского бассейна в последние десятилетия. Наиболее интересна была вторая мода ЕОФ (порядка 20% дисперсии). Ее главная компонента имела высокую корреляцию с АМОЦ (0.7-0.9, в зависимости от массива), и она рассматривалась нами как показатель вероятного влияния АМОЦ на изменчивость температуры воды в разных районах. Результаты показали, что усилению АМОЦ, которое приводит к потеплению Северной Атлантики и юго-восточной части Норвежского моря, одновременно сопутствует похолодание верхнего слоя Баренцева и Гренландского морей, а также прилегающей к ним части бассейна Нансена. Причины этого похолодания пока неясны и будут исследоваться на Втором этапе проекта в 2022 году.
Для расчета проекций будущего климата Арктики выбраны уровни возможного глобального потепления, сценарии будущих эмиссий парниковых газов и землепользования из набора сценариев SSP (Shared Socioeconomic Pathways), соответствующие этим уровням, и под-ансамбли глобальных климатических моделей нового поколения CMIP6, наиболее хорошо соответствующих данным наблюдений во второй половине 20-о и начале 21-о веков. На первом этапе проекта это сделано лишь для приповерхностной температуры воздуха, протяженности и площади морского льда. Что касается характеристик ледяного покрова, то под-ансамбли моделей выбраны для Арктики в-целом и шести арктических морей в отдельности – Баренцева, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского, Чукотского и Бофорта. Выявлено, что модели из ансамбля CMIP6 дают разные результаты для рассматриваемых территорий, нет ни одной модели, одинаково хорошо моделирующей протяженность и площадь морского льда в Арктике и в шести рассматриваемых морях. Поэтому выбранные под-ансамбли моделей CMIP6 различны для Арктики и ее морей и содержат от 7 до 8 моделей каждый.
Приведены результаты исследования характеристик экстремальных погодных явлений в Арктике, в том числе определены частоты и величины экстремальных значений приповерхностной температуры воздуха, жидких и твердых осадков, приповерхностной скорости ветра и высоты значимых волн в Арктике за период 1950-2020 гг.
Получено, что 2021–2020 гг. относительно 1951–1970 гг. увеличивается частота летних дней, дней сильной жары, а также повторяемость морозных дней. Показатели максимальной и минимальной температуры в ХХI веке увеличились на 3°С и более по сравнению с серединой ХХ века, в частности над Гренландским, Норвежским, Баренцевым, Карским, Восточно-Сибирским морями и морем Лаптевых, а также у западного и северного побережья Гренландии. Наиболее ярко рост максимальной и минимальной температуры выражен над Баренцевым, Карским, Чукотским морем и морем Лаптевых - от 4 до 6°С. Для большей части территории Арктики характерно незначительное увеличение повторяемости сильных осадков выше 10 мм - на 8-10 дней, и осадков свыше 20 мм на 4-5 дней за 20-летний период.
Определены частота и величина экстремальных значений приповерхностной скорости ветра и высоты значимых волн в Арктике за период 1950 2020 гг Показано, что наибольшая частота экстремальных значений обоих параметров наблюдается в районе моря Ирмингера и в открытой части Атлантического океана до 65° с.ш., где значения 99-го перцентиля составляют около 9-10 м и 22-25 м/с для высоты значимых волн и скорости ветра, соответственно. Восточное побережье Гренландии также можно выделить, как район с экстремальными значениями скорости ветра, которые, однако, не приводят к развитию сильного волнения, поскольку, вероятно, катабатические ветра, характерные для региона, не могут предоставить достаточную длину разгона для развития волн.
Выполнены расчеты корреляционных связей между аномалиями температуры земной поверхности в Северном полушарии и, в частности, в Арктике, и значениями температуры воздуха на уровне 2 м в 6-и выделенных районах на территории России и Европы, используя метод базового регрессионного анализа. В результате получены значимые корреляционные связи (значения коэффициента корреляции 0,6-0,7) для смежных сезонов, в особенности с отставанием от весны к лету и от осени к зиме. Основными регионами, которые могут влиять на характер погоды в Евразии определены – море Лабрадор, Канадский архипелаг и регион Северной Атлантики. Также был выполнен анализ возможных механизмов выявленных взаимосвязей. Для этого были проанализированы средние многолетние значения и аномалии приземного давления и зональной и меридиональной компонентов ветра для выбранных 10-ти лет с самой высокой/низкой температурой земной поверхности в Северной Атлантике за период 1979-2020 гг. Была обнаружена взаимосвязь с аномалиями в поле давления и изменениями зональной и меридиональной компонентов ветра на уровне 500 hPa, 200 hPa, 100 hPa, что может способствовать развитию определенных структур планетарных волн летом. Таким образом, холодные/теплые условия весной в Северной Атлантике, вероятно, предопределяют низкие/высокие температуру и давление летом над Северо-Восточной Европой.