Заведующий лабораторией
член-корреспондент РАН, д.г.н., профессор
Сотрудники отдела:
Федотов Александр Борисович — старший научный сотрудник (к.ф.-м.н.)
Мельникова Елена Борисовна — старший научный сотрудник (к.н.)
Аверьянова Екатерина Анатольевна — научный сотрудник (к.ф.-м.н.)
Торбинский Антон Викторович — научный сотрудник (к.ф.-м.н.)
Серебренников Александр Николаевич — научный сотрудник
Сухонос Павел Алексеевич — старший научный сотрудник (к.ф.-м.н.)
Гребнева Елена Александровна — младший научный сотрудник
Валле Александра Андреевна — младший научный сотрудник
Губарев Алексей Владимирович — младший научный сотрудник
Еремеев Леонид Андреевич — ведущий инженер
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ
1. Исследование пространственно-временной изменчивости меридиональной циркуляции и переносов тепла, а также их отдельных компонент в Северной Атлантике:
– исследование изменчивости поверхностной циркуляции и вертикальной структуры течений Северной Атлантики;
– оценка вклада различных механизмов в формировании интегрального меридионального переноса тепла (МПТ).
2. Исследование климатической изменчивости Атлантико-Евразийского региона, Арктики и Антарктики:
– исследование изменчивости температуры верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) Северной Атлантики;
– исследование изменчивости касательного напряжения трения ветра, скоростей течений и их завихренностей в Северной Атлантике;
– исследование изменений температуры и осадков в Европейском регионе;
– исследование климатической изменчивости блокингов;
– исследование изменчивости гидролого-гидрохимических характеристик Черного моря;
– исследование ледово-термических характеристик морей Арктического бассейна;
– исследование изменчивости положения границы кромки льда в Южном океане.
3. Исследование закономерностей и механизмов формирования региональных климатических тенденций и гидрометеорологических аномалий под влиянием глобальных процессов в системе океан-атмосфера-литосфера:
– исследование низкочастотной изменчивости меридиональной термохалинной циркуляции и переносов тепла Атлантики и механизма формирования АМО;
– исследование низкочастотной изменчивости потоков тепла и влаги на границе океан-атмосфера Мирового океана;
– оценка влияния глобальных климатических сигналов САК, АМО, АК, ТДО на изменчивость гидрометеорологических характеристик Атлантико-Европейского региона и Арктики;
– установление зависимостей появления аномалий в приземных гидрометеорологических полях в Евразийском регионе от межгодовой-десятилетней изменчивости крупномасштабных полей температуры поверхности океана;
– исследование влияния низкочастотных аномалий океанических характеристик на повторяемость блокирования в средней тропосфере на разных долготах Атлантико-Европейского региона и соответствующих изменений в приземных полях температуры воздуха и осадков;
– исследование влияния межгодовой изменчивости поля ветра в Северном субтропическом антициклоническом круговороте на расходы Гольфстрима и Флоридского течения.
4. Численное моделирование процессов в системе океан-атмосфера:
– исследование геострофических течений в океане под воздействием ветра на основе численных вихреразрешающих моделей;
– оценка качества воспроизведения климатических изменений в приземных гидрометеорологических полях в Европейском регионе на основе прогностических расчетов глобальных климатических моделей проектов CMIP3\CMIP5;
– моделирование климатических изменений в приземных гидрометеорологических полях в Евразийском регионе, в связи с крупномасштабными низкочастотными аномалиями океанических характеристик;
– исследование изменчивости термохалинной циркуляции Северной Атлантики с помощью малопараметрической модели.
5. Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем Черного и Азовского морей на основе современных методов контроля состояния морской среды и гридтехнологий:
– организация комплексных эколого-геологических и гидрофизических исследований прибрежных территорий России, мониторинга их состояния, создание автоматизированных баз данных измерений на стационарных полигонах;
– мониторинг прибрежной зоны Азово-Черноморского бассейна: наблюдательные системы, ГИС-технологии;
– океанографическая/климатическая географические информационные системы (ГИС) Черного моря.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ
Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование климатической системы на масштабах от глобального до регионального. Закономерности и механизмы формирования региональных климатических тенденций и гидрометеорологических аномалий под влиянием глобальных процессов в системе океан-атмосфера, численное моделирование изучаемых процессов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На основе современных многолетних данных контактных наблюдений (WOCE, RAPID, NOAA, WODB), атмосферных (NCEP/NCAR, ERA40) и океанического (ORA-S3) реанализов и прямых расчетов тепломассопереносов были выявлены особенности пространственно-временной изменчивости и исследованы механизмы формирования меридиональной циркуляции и переносов тепла в Северной Атлантике. С помощью четырехбоксовой модели циркуляции и данных глобальной модели рельефа (Gridded Global Relief Data – ETOPO2v2) и океанического реанализа ORA-S3 исследована устойчивость термохалинной циркуляции в современную эпоху.
На основе обобщенного анализа оценок интегральных меридиональных тепломассопереносов и их отдельных компонент за последние ~ 65 лет уточнены положения их максимумов в Северной Атлантике и оценен вклад различных механизмов в интегральный МПТ. Максимального значения (1,4 ± 0,19 ПВт) интегральный МПТ достигает в окрестности 30° с.ш. Субтропической Атлантики. Вблизи максимума вклад горизонтальной свердруповской циркуляции составляет 40%, а дрейфового меридионального переноса – не превышает 30%. Показано, что нестационарные эффекты в целом не оказывают существенного влияния на формирование стационарного МПТ в океане, за исключением внутригодовых вариаций, которые особенно важны в экваториально-тропической зоне. Роль вихрей в переносе тепла возрастает в окрестности фронтальных зон и может достигать 10% интегрального МПТ [Полонский, Крашенинникова, 2006, 2007, 2010].
Выявлено, что максимум интегрального МПТ в Субтропической Атлантике наблюдается в конце лета (1,9 ПВт), минимум – весной (0,8 ПВт). Амплитуда годовой гармоники дрейфового переноса массы (тепла) максимальна на 10° с.ш. и равна ~ 5 Св (~0,5 ПВт). [Полонский, Крашенинникова, 2007]. Севернее 15° с.ш. увеличивается роль полугодовой гармоники в их изменчивости, а на внутригодовые флуктуации касательного напряжения ветра, скоростей течений и их завихренностей приходится ~30%, на низкочастотную (НЧ) изменчивость ~70% суммарной дисперсии. Максимальная НЧ изменчивость суммарных турбулентных потоков тепла наблюдается зимой в области формирования Североатлантической глубинной водной массы [Базюра (Аверьянова), Полонский, Юровский, 2009].
Впервые на основе анализа прямых оценок интегральных переносов массы (тепла) и их отдельных компонент подтверждено, что типичный период их междекадной изменчивости в Северной Атлантике составляет ~ 60 – 65 лет. Показано, что эти вариации обусловлены изменчивостью системы зональных ветров соответствующего масштаба, которая представляет собой одно из проявлений Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО) – основного процесса в североатлантической системе океан-атмосфера десятилетнего масштаба, определяющего климатические изменения Атлантико-Европейского региона; усиление меридиональной циркуляции и переноса тепла в Северной Атлантике в 60 – 90-е гг. связано с интенсификацией Североатлантического колебания (САК), усилением западных ветров и северо-восточных пассатов, что сопровождается смещением Северного субтропического антициклонического круговорота (ССАК) в океане в южном направлении и его сужением в меридиональном направлении. Начиная с 90-х гг. происходит уменьшение индекса САК, ослабление меридиональных тепломассопереносов в Северной Атлантике, и, соответственно, смещение ССАК на север и увеличение его размера в меридиональном направлении [Полонский, Крашенинникова, 2015].
Вклад тепловых потоков на верхней границе верхнего квазиоднородного слоя в низкочастотную изменчивость температуры верхнего слоя океана особенно существенен в северо-западной части Субтропической Атлантики и составляет 30 – 60%, при этом ключевая роль в эволюции температуры океана на указанных масштабах принадлежит адвективным переносам тепла и горизонтальному перемешиванию. Максимальная низкочастотная изменчивость суммарных потоков тепла отмечается зимой в области формирования Североатлантической глубинной водной массы [Полонский, Сухонос, 2015].
Проанализированы физические механизмы, обуславливающие внутри- и межгодовые изменения температуры верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) океана в Северной Атлантике. Показано, что на внутригодовом масштабе в целом важны все компоненты бюджета тепла ВКС. Вместе с тем, существуют ярко выраженные региональные особенности в формировании сезонного хода температуры ВКС. Среднегодовой бюджет тепла в ВКС главным образом обусловлен балансом адвективных переносов тепла и горизонтального турбулентного обмена. Выделены характерные временные масштабы изменчивости адвективных переносов тепла. В области Северного субтропического антициклонического круговорота преобладает межгодовая изменчивость, связанная с Североатлантическим колебанием, в Северном субполярном циклоническом круговороте – низкочастотная изменчивость адвективных переносов с периодами более 30 лет [Полонский, Сухонос, 2015].
Исследованы основные особенности внутригодовой изменчивости касательного напряжения трения ветра, скоростей течений и их завихренностей в Северной Атлантике. Получено, что усиление (ослабление) циклонической завихренности касательного напряжения трения ветра и течений в субполярной зоне происходит в январе (июле), в тропической зоне — в августе – сентябре (январе). Усиление (ослабление) антициклонической завихренности касательного напряжения трения ветра и течений в субтропической зоне происходит в январе и июне – июле (мае и сентябре – октябре). Показано, что севернее 15 – 20º с. ш. на внутригодовые изменения касательного напряжения трения ветра, скоростей течений и их завихренностей в целом приходится менее одной трети суммарной изменчивости, остальная дисперсия обусловлена межгодовыми-десятилетними колебаниями [Полонский, Шокурова, Сухонос, 2015].
На основе ежемесячных данных реанализа NCEP за 1948–2012 гг. выявлены сезонные особенности пространственного распределения турбулентных (явных и скрытых) потоков тепла на границе раздела океан-атмосфера, оценена их низкочастотная изменчивость. Наибольшие величины СКО турбулентных потоков тепла на низких частотах получены для зимы Северного полушария в Северной Атлантике в области формирования Североатлантической глубинной водной массы и на кромке льда в Северном Ледовитом океане. В целом, тренды суммарных потоков тепла на большей части акватории Мирового океана (за исключением западных частей антициклонических круговоротов и тропической зоны Индийского океана) отрицательны. Ежегодное уменьшение притока тепла в нижнюю тропосферу в Мировом океане в результате ослабления турбулентного теплообмена океана с атмосферой одного порядка с дополнительным притоком тепла, обусловленным глобальным потеплением. Таким образом, океан демпфирует потепление нижней тропосферы посредством уменьшения суммарных потоков тепла [Базюра (Аверьянова), Полонский, Юровский, 2009].
На основе ежемесячных данных реанализа NCEP за 1948–2012гг выявлены особенности пространственного распределения потоков влаги (осадки минус испарения) на границе раздела океан-атмосфера, оценена их изменчивость на различных временных масштабах для Атлантического океана. Средний отрицательный тренд потоков влаги в Атлантическом океане свидетельствует об увеличении переноса пресных вод из океана на материки. Наибольшая низкочастотная изменчивость потоков влаги отмечается для зимнего периода Северного полушария в окрестности Восточно- и Западно-Гренландского течений и в западных частях Атлантического океана, расположенных между 40° с.ш. и 40° ю.ш.: в западных пограничных течениях субтропических круговоротов в обоих полушариях [Аверьянова, Санников, Полонский, 2014]
Получило дальнейшее развитие изучение формирования естественной изменчивости гидрометеорологических полей межгодового-десятилетнего масштаба в Атлантико-Евразийском регионе с использованием данных наблюдений и разных типов ре-анализа. Получены новые количественные оценки, которые подтверждают, что квазидесятилетняя изменчивость САК является следствием автоколебаний в системе океан-атмосфера в Северной Атлантике [Башарин, Полонский, 2009].
Показано, что устойчивость первых двух мод гидрометеорологических полей Евразии к климатическому сдвигу 1976–77 гг. обеспечивается стабильностью регионального влияния Североатлантического и Южного колебаний на межгодовом-десятилетнем масштабе. Этот сдвиг приводит к изменению других пространственно-временных мод температуры воздуха, давления и осадков. – Установлено, что зимой-весной межгодовая изменчивость двух/четырех недельных флуктуаций поля приземной температуры воздуха в Европе определяется, главным образом, Южным колебанием, которое при развитии события Эль-Ниньо в Тихом океане приводит к увеличению дисперсии приземной температуры воздуха в Европейском регионе.
Для Атлантико-Европейского региона проанализирована климатическая изменчивость блокингов, основываясь на данных длительного ре-анализа ХХ столетия. В работе рассматривается влияние аномалий температуры поверхности океана на появление событий блокирования и определены их проявления в изменчивости приземной температуры воздуха и осадков Европейского региона.
На основе расчетов глобальных климатических моделей в рамках двух сценариев выбросов парниковых газов (RCP4.5 и RCP8.5) получены пространственные распределения будущих изменений в полях приземной температуры воздуха и осадков, уточняющие опубликованные оценки в Европейском регионе.
На основе ежемесячных данных реанализа NCEP за 1950 – 2001 гг. оценены коэффициенты линейных трендов смещения границы кромки льда в Южном океане в зимний период [Аверьянова, Полонский, Юровский, 2009].
В зимний и в летний периоды обнаружена квазипериодическая изменчивость концентрации кислорода с типичным временным масштабом в несколько десятков лет, выраженная в верхнем 50-метровом слое Черного моря. В зимний период эта изменчивость в основном связана с региональными изменениями температуры воды. Летом (особенно на северо-западном шельфе Черного моря) важны и другие факторы (вариации стока рек, фотосинтез и др.). [Полонский, Огородова, 2015].
В рамках четырехбоксовой модели термохалинной циркуляции показано, что для современной климатической эпохи характерен квазипериодический осцилляционный режим ТХЦ, проявляющийся в естественных колебаниях климата с периодом ~ 60 – 80 лет. Развитие термохалинной катастрофы при этом маловероятно [Аверьянова, Санников, Полонский, 2014].
Выявлены и исследованы особенности вихревого движения в геострофическом приближении, дана их физическая интерпретация [Федотов, 1988, 1994, 1997].
С помощью ГИС-программы MapInfo создана карта функционального зонирования территории Большого Севастополя; проведено районирование с выделением 11 эколого-географических районов (ЭГР) с различной структурой природопользования, степенью хозяйственной нагрузки, различной экологической обстановкой при использовании ландшафтно-геохимического метода; для выделенных ЭГР был вычислен коэффициент антропогенной нагрузки [Новикова, 2011].
Проанализированы возможности современных ГИС-программ и их инструментов, позволяющих собирать в единую базу данных, анализировать и визуализировать разрозненные данные по состоянию морской и прилегающей воздушной и земной сред. Для более детальной оценки и дальнейшей разработки океанографической ГИС Чёрного моря была выбрана свободная кроссплатформенная геоинформационная система QGIS [Новиков, Новикова, 2014].
Проанализированы возможности некоторых статистических модулей QGIS для решения практических задач оперативной оценки качества данных, а также проведена оценка интерполяционных модулей QGIS, использующих методы кригинга и радиальных базисных функций, при работе с массивом данных малой и нормальной обеспеченности на примере построения климатических карт температуры вод поверхностного слоя Чёрного моря [Новикова, 2015].
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ЗА ПОСЛЕДНИЕ 30 ЛЕТ
