ОКЕАН КАК ЧАСТЬ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В И Кузин

ОКЕАН КАК ЧАСТЬ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В. И. Кузин e-mail: kuzin@sscc. ru Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, г. Новосибирск Объединённый научный семинар “Глобальные и региональные аспекты в изучении климатической системы Земли” 21 марта 2014, г. Томск 1

Составляющие климатической системы 2

Обратные связи между изменениями климата, морским льдом, осадками, речным стоком и прибрежными зонами океана 3

Температура поверхности Мирового океана 4

Среднегодовая поверхностная соленость 5

Соленость на глубине 1165 метров (Wunsch, Heimbach, 2006) 6

Основные течения циркуляции Мирового океана 7

Схематическая картина термохалинной циркуляции Мирового океана (Atlantic Meridional Overturning – AMO) from Kuhlbrodt et al. 2007 8

Буи нейтральной плавучести (floats, проект ARGO) 9

Спутниковые измерения 10

Среднегодовая аномалия отклонения уровня моря для различных периодов. 1 сантиметр отклонения дает в столбе 4000 м перенос массы около 7 св. Это характеризует существенную межгодовую изменчивость океана, 11

Картина линий тока для Северной Атлантики (август 2010) 12

Модель циркуляции Мирового океана разработана в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (Кузин [1985], Голубева, Платов, Кузин [1992]), Кузин, Голубева, Платов [2006]) 13

14

Поле модельных течений в численной модели Мирового океана на глубине 270 м 15

Atlantic Multidecadal Oscillations Pacific Decadal Oscillations 16

Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) Первые три ЕОФ, имеющие вклад 39. 3%, 14. 6% и 10. 3% соответственно Месячные значения индекса AMO 17

(By Joe D'Aleo, 2008) 18

19

Pacific decadal Oscillation (PDO) является квазидесятилетним циклом климатической изменчивости Тихого океана, влияющего на климат прилежащих материковых территорий , включая США. 20

PDO+AMO и температурные аномалии US 21

22

Десять пространственных классификаций и временное распределение 23

Временное поведение и спектр для классов 7 и 8 24

Эль-Ниньо • Явления Эль-Ниньо и Ля-Нинья являются наиболее сильным сигналом межгодовой климатической изменчивости; • Математическое моделирование дает достаточно реальную картину развития Эль-Ниньо в океане и его последствий в атмосфере, однако прогноз катастрофических Эль-Ниньо в настоящее время возможен только с заблаговременностью в 1. 5 -2 года. 25

Последовательная картина событий при наступлении Эль-Ниньо • Сбой пассатных ветров в тропиках Тихого океана • Возникновение положительной температурной аномалии у восточного побережья тропиков Тихого океана за счет перераспределения вод (Эль-Ниньо) • Смещение зон конвективных потоков тепла и выход мощных потоков тепла и влаги в атмосферу • Распространение аномалий тепла и влаги в атмосфере за счет волнового механизма дальней связи • Катастрофические события в тропических и средних широтах (штормы, наводнения, засухи) • Восстановление климатической ситуации и уход океана в состояние холодной фазы (Ля-Нинья ) 26

Климатическое состояние тропиков Тихого океана 27

Распространение положительной аномалии при наступлении Эль-Ниньо 28

Эль-Ниньо. Южная Осцилляция 29

ЕОФ анализ 1948 – 2002 Климатическое распределение ТПО ЕОФ -2. Межгодовая изменчивость. ( El-Nino & La-Nina) ЕОФ -1. Сезонные вариации Временные изменения ЕОФ -2. Положительные значения соответствую состоянию El-Nino, 30 отрицательные – La-Nina.

Шесть классов временной классификации 31

Эль-Ниньо 1997 г. 32

Катастрофические наводнения в Калифорнии после Эль-Ниньо 1997 г. 33

Лесные пожары в Австралии в 1998 г. 34

Глобальный гидрологический цикл в климатической системе (тыс. куб. км/год) 35

Арктический бассейн как часть гидрологической системы Северный Ледовитый океан, составляя 5% площади Мирового океана и 1. 5% объема, привносит 10% всей пресной воды в Мировой океан. При этом, около 55% притока пресной воды дают Сибирские реки, около 40% дает Берингов пролив. 36

Концептуальная модель гидрологического цикла в Арктике (New Hampshire University). A = потоки влаги в атмосфере АПС B = атмосферная динамика C = обмен между поверхностью земли и атмосферой (с динамикой вегетации и зон вечной мерзлоты) D= поверхностные и речные стоки E = обмены водной массой из болотных и озерных систем F = баланс и динамика льда G = взаимодействие побережья и шельфа H= изменения баланса ледниковых масс и связанных с ними стоков I = грунтовый сток в океан J = динамика Арктического океана и формирование донных вод K = динамика биологической продуктивности в океане 37

3 D численная модель циркуляции Арктика – Северная Атлантика Модель циркуляции океана для бассейнов Арктического океана и Северной Атлантики на сопрягающихся сетках разработана в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН. (Кузин, Голубева, Платов [2006], Голубева, Платов, Кузин [1992], Голубева, Платов [2007]) Данные 1948 -2010 NCEP/NCAR 38

Моделирование океанической системы Арктика - Северная Атлантика Создана система вложенных моделей для детального изучения Арктических морей. Картина толщины и дрейфа льда Арктического бассейна 39

Формирование ледового режима Арктического океана для периода 1948 – 2007 гг. Сокращение Арктического льда (млн. кв. км) Минимум ледового покрытия в 2007 г. 2. 7% за 10 лет Наблюдения Моделирование ИВМи. МГ СО РАН 40

Североатлантическая осцилляция (NAO) является региональным проявлением Арктической осцилляции (AO), и является полусферной модой изменчивости усиления и ослабления полярного вихря [Thompson and Wallace, 1998; Hurrell, 1995; Ting et al. , 1996]. Положительные и отрицательные фазы NAO ассоциируются с усилением и ослаблением разности давления между Исландским минимумом и Азорским максимумом 41

42

Два основных состояния Арктического океана как отклик на изменения индекса Северо-Атлантического Колебания (NAO) 1948 -2005 гг. Отрицательный индекс антициклональный режим Положительный индекс – циклональный режим 1960, 1961, 1963, 1965, 1966, 1969, 1970 -1973, 1977 -1980, 1982 -1983, 1985 -1986, 1988, 1992, 1994, 1996, 1998, 2001 1967, 1968, 1981, 1984, 1989, 1993, 1995, 1997, 1999, 2000, 2002, 2003 43

Траектория распространения «Большой соленостной аномалии» в Арктике Северной Атлантике в 1968 -1979 (модель) Наблюдения траектории соленостной аномалии в 1968 -1982 гг. (Raymond W. Schmitt) (http: //www. whoi. edu/oceanus) 44

ЦЕЛИ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ • Воспроизвести основные пути распространения вод Тихого океана и Сибирских рек. • Изучить баланс пресной воды в Северном Ледовитом океане и Северной Атлантике и оценить влияние межгодовой изменчивости Сибирских рек на распространение пресной воды в этих бассейнах. Схематическая картина Циркуляции Северного Ледовитого океана и Северной Атлантики. Красные стрелки представляют относительно теплые воды низких широт, проникающие в Арктику, голубые и синие линии представляют экспорт холодных вод из Арктики. (G. Holloway, Institute of Ocean Sciences, Sidney, British Columbia). «Конвеерный» пояс в Мировом океане «Большая соленостная аномалия» 70 -х изменила условия формирование глубинных вод Северной Атлантики. Это повлияло на меридиональную термохалинную циркуляцию. 45

Тихоокеанская вода в Арктическом океане 46

Сдвиг границ распределения Атлантических и Тихоокеанских вод зависимости от режимов циркуляции (a) – 1970, Красные стрелки - Атлантическая вода, (b) – 1990. Синие стрелки – Тихоокеанская вода При антициклональной циркуляции тихоокеанские воды (ТВ) проникают далеко на запад вдоль Сибирского шельфа и выносятся трансполярным дрейфом через пролив Фрама. При циклонической циркуляции ТВ отжимаются к побережью Америки и распространяется в Северную Атлантику через Канадский архипелаг. 47

Циркуляция Тихоокеанских вод (ТВ) в 1960 -х • Антициклоническая циркуляция в Канадском бассейне приводит к распространению Тихоокеанской воды через центральную часть • Основной вынос ТВ осуществляется Трансполярным переносом через пролив Фрама • Только слабая ветвь проходит через Канадский 48 архипелаг

49

Воды Сибирских рек в Арктическом бассейне и Северной Атлантике 50

Перенос пресных вод после 37 лет от начала эмиссии (1966) Тихоокеанская вода Берингова пролива (верхний левый); Воды Енисея (верхний правый); Воды Оби (нижний левый); Вертикальное сечение концентрации вод р. Обь через широту 30 N (нижний правый) (Запад слева) 51

52

Разность объемов наблюдавшегося (эксперимент 2) и климатического (эксперимент 1) стока сибирских рек, аккумулированная с 1948 года Расход пресной воды Проливы Корреляция Фрама -0, 75 Канадский архипелаг 0, 71 Баренцево море 0, 40 Характеристики расходов через основные проливы, соединяющие Северный Ледовитый океан и Северную Атлантику: Коэффициенты корреляции аккумулированной разности речного стока с расходами пресной воды через основные проливы 53

54

Схема региональной подповерхностной циркуляции вследствие изменений, вызванных речной водой. (a): Синяя линия – трансполярное течение (TDC), красная – течение Атлантических вод, слева – циркуляция в море Бофорта. Линия AB показывает сечение , представленное внизу (b). Когда объем ПВ увеличивается градиент давления в подповерхностном слое увеличивается и возникает циркуляция ослабляющая TDC и Атлантическую струю. 55

(a) Перенос пресной воды из Арктики в Северную Атлантику; (b) Перенос пресной воды через проливы из Арктики в твердом состоянии; (c) Перенос пресной воды через проливы из Арктики в жидком состоянии. 56

Разность объемов между наблюденными и климатическими стоками, аккумулированными с 1948 г. Распространение положительной аномалии объема пресной воды с 1958 г. 57

Стрелки в Арктическом океане схематически показывают распространение аномалии пресной воды в 1958 -1962 гг. ; аномалия возникает из-за разности между климатическим и наблюдаемым стоком. Стрелки в Северной Атлантике указывают на траекторию распространения Большой Соленостной Аномалии. Распространение аномалии солености в различных регионах 58

Приток метана в атмосферу из Восточных морей Арктического океана 59

Создана новая версия системы вложенных моделей с высоким разрешением для детального изучения Северного Ледовитого океана и Восточно-Арктических морей. (Голубева Е. Н. , Платов Г. А. ) Расположение сетки региональной модели окрестностей дельты р. Лены и моря Лаптевых. Стрелками обозначены наиболее значимые речные поступления, в том числе красные стрелки указывают на учитываемые протоки р. Лена. 60

Поле льда по результатам крупномасштабного моделирования: август 2008 г. Цветом представлена толщина льда. Результаты регионального моделирования. поле температуры и поле солености на поверхности: август 2008 г. 61

Для оценки масштабов эмиссии метана в атмосферу на шельфе морей восточной Арктики проведены сценарные расчеты в предположении наличия диффузионных выделений газа из донных отложений с учетом динамики субмариной мерзлоты на шельфе. Рис. 1. Пространственное распределение растворенного метана в поверхностном слое воды (нмоль/л), полученное в численном эксперименте для сентября 2007 г. Рис. 2. Поток метана в атмосферу региона в килотоннах, полученный в численных экспериментах для всего безледового периода с учетом летних и зимних месяцев 62

Моделирование современного климата и его изменений в 19 -21 веках в рамках международной программы сравнения климатических моделей CMIP 5 63

а) в) с) а) концентрации СО 2 в экспериментах, в) функция тока для меридиональной циркуляции в Атлантике, с) осредненная поверхностная температура в атмосфере. 64

Изменение меридиональной функции тока в Атлантике 65

Меридиональная функция тока в Атлантике для сценария IPCC и контрольного (модель GFDL). Верхний – 300 -400 годы контрольного эксперимента, нижний – 380 -400 годы сценария 66

67

Меридиональный поток тепла осредненный за последние 10 лет 21 века для контрольного и удвоенного СО 2 сценария IPCC 68

Вместо заключения • Мировой океан является важнейшей частью климатической систем, определяющей вследствие своей инерционности климатические изменения в широчайшем диапазоне временных масштабов; • Океан осуществляет меридиональное перераспределение тепла и переход его в атмосферу; • Океан является ключевым фактором в глобальном гидрологическом цикле; • Океан является аккумулятором растворенных газов и биогенных элементов, поддерживающих всю широчайшую цепочку биоразнообразия водной среды.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! 70