Воспроизведение циркуляции Северной Атлантики в различные фазы атлантической мультидекадной осцилляции

На кафедре физики моря и вод суши есть группа, возглавляемая главным научным сотрудником Николаем Ардальяновичем Дианским, которая занимается моделированием циркуляции океана и изменений климата. Н.А. Дианский является ответственным разработчиком океанического блока Модели Земной системы ИВМ РАН, представляющей Россию в программах МГЭИК/IPCC. Эта модель общей циркуляции океана является одной из версий модели INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) [Дианский Н.А., 2013].

Существуют международные данные используемые при моделировании циркуляции океана — это данные наблюдений за температурой и солёностью EN4, подготовленные в MetOffice (Великобритания), а также данные WOA2013, подготовленные в NOAA (США).

Стоит заметить, что в настоящее время весьма актуальна проблема изменения климата Земли. Поэтому в мире существует востребованность результатов моделирования климатических изменений, а также выявления причин и следствий этих изменений. Одним из основных способов решения отмеченных задач является метод численного моделирования, интенсивно развиваемый в ведущих научно-исследовательских коллективах и мировых климатических центрах. В МГУ проводятся семинары под руководством ректора Виктора Антоновича Садовничего, связанные с моделированием климата.

Для моделирования глобальной циркуляции океана или циркуляции для больших акваторий, например, для Атлантического и Северного Ледовитого океана на длительный интервал времени требуются значительные вычислительные ресурсы, поэтому, иногда, для моделирования используются суперкомпьютеры МГУ, известные под названиями «Ломоносов» и «Ломоносов-2».

Так как тема климата Земли является одной из важнейших на сегодняшний день, работа в этом направлении проводится совместно, сотрудничая с факультетом Вычислительной Математики и Кибернетики (ВМК) МГУ имени М.В.Ломоносова, институтами РАН, такими как Институт Вычислительной Математики (ИВМ) имени Г.И. Марчука, а также с Федеральной службой России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ГИДРОМЕТСЛУЖБОЙ) — Государственный Океанографический Институт (ГОИН) им. Н.Н. Зубова.

Стоит отметить, что Атлантический океан является важным звеном климатической системы Земли. Имеются основания того, что мультидекадные (здесь под декадой понимается 10-ти летний период) изменения климата во многом порождаются долгопериодными собственными изменениями в термохалинной циркуляции Северной Атлантики (область Атлантического океана от экватора до 70° с.ш.), природа которых до сих пор до конца не изучена. Термохалинная циркуляция Северной Атлантики — медленное движение, которое переносит поверхностные воды с юга на север. Далее примерно на 60° с.ш. они опускаются и возвращаются на юг в глубинных слоях. Поскольку сверху переносится более тёплая вода, океан отдаёт свое тепло атмосфере, благодаря этому этого температура в средних широтах в которых мы живем на 10°C выше. Климатические изменения, вызываемые собственными изменениями в термохалинной циркуляции Северной Атлантики, могут быть сравнимыми или даже превышать современный долгопериодный тренд потепления климата Земли, в свою очередь вызванный внешними, в основном, антропогенными факторами. Мультидекадные (главным образом квази-шестидесятилетние) колебания климата хорошо проявляются в так называемом индексе Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО) [Enfield, D.B. и др, 2001], который рассчитывается по осредненной по области Северной Атлантики поверхностной температуре. Временной ход среднегодовых значений индекса показан на рис. 1. В ряде работ выявлено воздействие индекса на климатические условия в Северном полушарии. Так индекс Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО) может оказывать влияние на изменения температуры воздуха, осадков и стока рек в Северной Америке, Европе и Арктике [Enfield, D.B. и др, 2001, Knight, J.R. и др., 2006], на активность ураганов [Trenberth, K.E., и Shea, D.J, 2006] в Северной Атлантике, а также на атмосферные переносы тепла и влаги в Атлантико-Европейском регионе [Панин Г.Н., и Дианский Н.А., 2014] и существенно трансформирует скорость продукции североатлантических вод.

Для изучения состояния вод и циркуляции Северной Атлантики в различные фазы индекса использовались данные наблюдений EN4 об исторических изменениях температуры и солености во всем Мировом океане, подготовленными в MetOffice, Великобритания [Good S.A. и др., 2013]. По этим данным были рассчитаны средние климатические состояния температуры и солёности для семи периодов индекса (см. рис. 1): трёх «теплых» (1951–1959, 2000–2008, 2009–2017), когда индекс больше 0.1°С, двух «холодных» (1973–1981, 1982–1990), индекс АМО меньше -0.1°С, и для двух переходных — от «тёплой» к «холодной» фазе (1973–1981) и наоборот (1982–1990). Каждый период осреднения составлял 9 лет (см. рис. 1).

Рис. 1. Значения среднегодового индекса Атлантической Мультидекадной Осцилляции (АМО), по данным NOAA. Плавная кривая — результат низкочастотной фильтрации с отсечением периодов до 8 лет. Штриховой линией показано выделение значительных положительных и отрицательных значений индекса АМО (на плавной кривой) по модулю больших 0.1°С.

Из анализа изменений температуры и солёности (см. рис. 2) был обнаружен очень интересный факт, что в тёплые периоды индекса по сравнению с холодными в верхнем 1-км слое Северной Атлантики происходит потепление и осолонение, а ниже 1-км слоя — похолодание и распреснение. Этому факту пока нет четкого объяснения. В связи с этим была поставлена задача — изучить это состояние океана и его взаимосвязи с циркуляцией вод Северной Атлантики.

Для воспроизведения циркуляции в Северной Атлантики за каждый из выделенных периодов индекса Атлантической мультидекадной осцилляции использовалась хорошо апробированная российская модель океана INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) [Дианский Н.А., 2013], реализованная для Северной Атлантики с пространственным разрешением ?°. Расчёт циркуляции для каждого из семи выделенных периодов индекса проводился по методу диагноза-адаптации, предложенным известным российским океанологом академиком А.С. Саркисяном. При таком подходе роль модели вторична, поскольку она главным образом используется для восстановления циркуляции океана по данным наблюдений о температуре и солёности. При этом вычислялась и меридиональная зонально осредненная функция тока (циркуляция) Северной Атлантики. Эта циркуляция показывает в среднем медленное движение вод в приповерхностных слоях океана (до глубин 1 км) от экватора на север и возвращение их в глубинных слоях.

Меридиональная циркуляция океана имеет крайне важное значение для климата Земли, поскольку она переносит огромнейшее количество тепла от экватора в высокие широты. Так если бы ее не было, то климат в наших широтах был бы на 10°С холоднее. Для примера, когда в один из ледниковых периодов климат был «всего» на 6°С холоднее современного, на территории Москвы был ледник толщиной, сравнимой с высотой главного здания МГУ. Меридиональная циркуляция измеряется в Свердрупах по имени известного шведского океанолога Свердрупа: 1 [Св] = 106 [куб.м/сек]. Гольфстрим переносит объем воды в среднем приблизительно 50 Св.

Рис. 2. Разностные композиты (показаны цветом) зонально осредненных температуры (°С, слева), солёности (‰, справа) в координатах широта-глубина (м).

После расчёта вышеописанным методом с помощью модели циркуляции океана INMOM было выявлено, что в тёплые периоды индекса Атлантической мультидекадной осцилляции (см. рис. 1) по сравнению с холодными, происходит замедление Гольфстрима.

Анализ результатов моделирования также показал, что поверхностные аномалии температуры и солёности в Северной Атлантике формируются мультидекадными аномалиями меридиональной циркуляции и атмосферного воздействия. Далее уже сама меридиональная циркуляция переносит эти аномалии на север в области примерно от 25° с.ш. до 65° с.ш. и затем вглубь океана. Этот процесс показан на рис. 3. Из этого рисунка видно, что океаническая циркуляция, переносит аномалии по «часовой стрелке» — в тёплые периоды индекса (рис. 3a, f, g) Атлантической мультидекадной осцилляции (см. рис. 1), а также при переходе от тёплого к холодному периоду индекса (рис. 3b) способствует опусканию тёплых вод в глубинные слои ниже 1-км и поднятию холодных вод из глубинных слоев на поверхность. В холодные же периоды индекса (рис. 3c, d) и при переходе от холодного к тёплому периоду (рис. 3e), циркуляция способствует опусканию холодных и поднятию тёплых вод. И этот процесс происходит приблизительно с периодом около 60 лет.

Рис. 3. Зонально осредненные аномалии потенциальной температуры в различные периоды с вычетом тренда, (°С, показана цветом) и наложенная на неё функция тока меридиональной циркуляция (Св, изолинии, стрелками показано направление движения вод меридиональной циркуляции).

Остается открытым вопрос о формировании самих аномалий меридиональной циркуляции. Очевидно, именно они отвечают за формирование временного хода индекса Атлантической мультидекадной осцилляции. На решение этой проблемы направлены усилия отечественных и зарубежных ученых.

Необходимо выразить благодарности Российскому фонду фундаментальных исследований (грант №18-05-01107) и Российскому научному фонду (грант №17-17-01295) за поддержку представленных исследований.

Список литературы

1. Enfield, D.B., Mestas-Nunez, A.M., Trimble, P.J.: The Atlantic multidecadal oscillation and its relation to rainfall river flows in the continental // U.S. Geophys. Res. Lett. 28(10), P. 2077–2080, 2001.

2. Good S.A., Martin M.J. and Rayner N.A., EN4 (EN.4.2.0.): quality controlled ocean temperature and salinity profiles and monthly objective analyses with uncertainty estimates // Journal of Geophysical Research: Oceans, 118, P. 6704–6716, 2013

3. Knight, J.R., Folland, C.K., Scaife, A.A.: Climate impacts of the Atlantic multidecadal oscillation. Geophys. Res. Lett. 33(17), L17706 (2006). doi: 10.1029/2006GL026242.

4. Trenberth, K.E., Shea, D.J.: Atlantic hurricanes and natural variability in 2005. Geophys. Res. Lett., 33(12), L12704 (2006). doi: 10.1029/2006GL026894.

5. Дианский Н.А., Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия. М.: Физматлит, 2013, 272 с.

6. Панин Г.Н., Дианский Н.А. Колебания уровня Каспийского моря и климата Северной Атлантики. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014, Т. 50, №. 3, с. 304–316.

Аспирант кафедры физики моря и вод суши Багатинский В.