Институт Океанологии РАН
Физика океана, морская геология, морская биология, морская техника
English | Russian
Главная arrow Лаборатории физического направления arrow Лаборатория взаимодействия океана и атмосферы и мониторинга климатических изменений
Лаборатория взаимодействия океана и атмосферы и мониторинга климатических изменений Печать E-mail

Руководитель лаборатории - главный научный сотрудник, член-корр.  Гулев Сергей Константинович

Перейти на сайт лаборатории

Лаборатория занимается исследованиями процессов обмена на границе океан-атмосфера и их роли в формировании климата Земли. Энергомассобмен на границе океан-атмосфера формирует аномалии атмосферной циркуляции, существенно влияет на циклоническую активность в атмосфере и, в конечном счете, определяет экстремальные погодные и климатические условия на континентах.

Лаборатория ведет очень широкий круг климатических исследований. Наши интересы простираются от глубинных вод океана до стратосферы и от микро-масштабных процессов передачи энергии до анализа экспериментов с глобальными моделями климата. Мы ведем как экспериментальные и диагностические исследования, так и проводим эксперименты с численными моделями океанской и атмосферной циркуляции. С 1994 г.  Лабораторией руководит доктор физико-математических наук, профессор Гулев С.К.

В Лаборатории на основе длительных высокоточных наблюдений в субполярной Северной Атлантике и высокоразрешающих расчетов характеристик теплообмена океан-атмосфера обнаружен и физически объяснен новый механизм формирования промежуточных вод Северной Атлантики и возвратного потока Атлантической термохалинной циркуляции. Было установлено, что образование промежуточных вод, формирующих возвратный поток, происходит не только в море Лабрадор, но и в море Ирмингера, где характеристики конвекции достаточно похожи. Причем аномалии потоков тепла океан-атмосфера, определяющие интенсивность конвективных процессов на поверхности в Лабрадорском море и море Ирмингера, связаны с разными модами Северо-Атлантического колебания.

увеличить
Генерализованная схема основных механизмов формирования изменчивости циркуляции в Северной Атлантике.
Красные стрелки показывают перенос в верхнем слое системой западных пограничных течений, а также перенос в системе субполярного круговорота. Цилиндры с желтыми стрелками показывают конвекцию в районах Лабрадорского моря и моря Ирмингера. Желтые и зеленые стрелки соответствуют промежуточному и глубинному возвратным потокам. На меридиональном разрезе приведена характерная зонально-осредненная функция тока и результирующая схема меридиональной циркуляции. Перенос вод и тепла на север в верхнем слое осуществляется системой западных пограничных течений, в частности Гольфстримом и Северо-Атлантическим течением в средних широтах.

Исследования изменений климата океана позволяют нам оценивать влияние аномалий океанской циркуляции в Атлантике на формирование и развитие атмосферных среднеширотных циклонических образований и, как следствие, на Европейскую погоду и климат. На рисунке приведена гипотетическая схема влияния Северной Атлантики на климат Европы. В рамках этой схемы аномалии обмена энергией на границе океан-атмосфера, обеспечивающие условия для формирования циклонов, образуются под влиянием изменений меридионального переноса тепла в Атлантике и интенсивности Гольфстрима, а циклоны, распространяющиеся над Северной Атлантикой, переносят тепло и влагу на Европейский континент, где и формируют экстремальные температурные аномалии и осадки.

увеличить
Гипотетическая схема влияния Северной Атлантики на климат Европы.
На карте красным цветом показаны потоки тепла океан-атмосфера. В областях максимального энергообмена над Гольфстримом и морем Лабрадор формируется диабатический нагрев нижних слоев атмосферы. Циклоны, переносящие тепло и влагу на Европейский континент (синий цвет), представлены ведущей модой поля давления в диапазоне 2-6 суток, на Европейском континенте показаны экстремальные осадки 95%-ной повторяемости.

В Лаборатории была создана одна из самых современных методологий оперативной численной идентификации циклонических образований и определения параметров их жизненного цикла. На основе этой методологии и более чем пятидесятилетних глобальных массивов реанализов нами был построен ансамбль глобальных климатологий циклонической активности на Земле. Это в частности позволило обнаружить новый механизм формирования циклонов над акваторией Атлантического океана за счет процессов взаимодействия океана и атмосферы. Этот механизм связан с локальным нагреванием нижних слоев атмосферы над Гольфстримом и регулируется остротой фронта Гольфстрима. Кроме того, была построена модель изменения жизненного цикла циклонов и выноса влаги с Атлантики на Европейский континент. Эта модель позволяет оценивать влияние Атлантики на климат Европы. На основе обработки рядов наблюдений над осадками над Европейским континентом за период с 1900 по 2005 гг., нами было установлено, что происходит существенный рост экстремальных осадков, при этом средние величины меняются слабо. Изменения для Европы составляют 3-5% в десятилетие. Максимальный рост интенсивностей обнаруживают именно сильные и экстремальные осадки, а интенсивность слабых и умеренных осадков убывает.

увеличить
Оценки линейных трендов в высотах значимых волн (см/десятилетие) по данным визуальных наблюдений за период 1958-2002 годы (Gulev and Grigorieva, 2006, Григорьева 2006).
В лаборатории была создана уникальная база наблюдений за ветром и волнами на поверхности Мирового океана за более чем столетний период. Эти данные составляют основу нашего сегодняшнего знания о штормовой активности в океане. На основе этой климатологии были получены характеристики изменчивости ветрового волнения на поверхности Мирового океана в широком диапазоне масштабов. На основании временных рядов продолжительностью более 100 лет были впервые оценены все основные статистические параметры ветрового волнения, включая экстремальные высоты волн (например, волны 100-летней повторяемости), и выполнены оценки многолетних изменений этих характеристик. Кроме того, было установлено, что в течение последних 50 лет высоты волн в Мировом океане возрастают примерно на 1см в год. Максимальные положительные линейные тренды отмечаются в Центральной Атлантике и северо-восточной части Тихого океана, где обнаружено устойчивое возрастание значимых высот ветровых волн до 1,5 см/год. В Атлантике этот климатический тренд обеспечивается не только ветром, но и волнами зыби. Сотрудниками Лаборатории был обнаружен и физически объяснен механизм роста волн зыби при увеличении частоты циклонов даже без обязательного роста скоростей ветра.

Результаты работ Лаборатории используются в оценках изменений климата Межправительственной группой экспертов по климатическим изменениям, при формировании Морской доктрины Российской Федерации и структуры ряда федеральных целевых программ. В Лаборатории работает 1 доктор и 5 кандидатов наук.

Важнейшие результаты исследований лаборатории за 2003-2006 год  

На основе длительных высокоточных наблюдений над гидрологическими характеристиками в субполярной Северной Атлантике и высокоразрешающих расчетов характеристик теплообмена океан-атмосфера обнаружен и физически объяснен новый механизм формирования промежуточных вод Северной Атлантики - главного климатического сигнала для глобальной термохалинной циркуляции. Эти воды формируются под влиянием взаимодействия океана и атмосферы и определяют интенсивность меридиональной циркуляции.

На правых панелях приведены характерные картины аномалий теплообмена с положительными аномалиями в море Лабрадор (вверху) и в море Ирмингера (внизу).
характерные картины аномалий теплообмена
Установлено, что их формирование происходит не только в море Лабрадор, но и в море Ирмингера, где характеристики конвекции достаточно похожи. Причем аномалии потоков тепла океан-атмосфера, определяющие интенсивность конвективных процессов на поверхности в Лабрадорском море и море Ирмингера связаны с разными модами Северо-Атлантического колебания. Формирование вод в области моря Ирмингера инициируется усилением восточно-арктического переноса и существенным ослаблением зональной молы. Формирующиеся в результате поверхностной трансформации промежуточные водные массы, образующие возвратный поток океанской термохалинной циркуляции и определяющие интенсивность межокеанского конвейера, идентифицируются не только по температуре и солености, но и содержанию кислорода. На рисунке на правых панелях приведены характерные картины аномалий теплообмена с положительными аномалиями в море Лабрадор (вверху) и в море Ирмингера (внизу). Два разреза показывают величины растворенного кислорода в море Лабрадор и море Ирмингера по данным экспедиционных рейсов, подтверждая возможность формирования вод в обоих бассейнах. (Рук. работ – проф. Гулев С.К.).

Разработана новая методология оценивания климатических характеристик турбулентных потоков явного и скрытого тепла на границе океан-атмосфера на основе применения двойной экспоненциальной функции распределения. Использование метода позволяет существенно, в 3-8 раз, снизить ошибки репрезентативности при оценивании климатических величин теплообмена океана и атмосферы. Были построены климатологии нового поколения характеристик взаимодействия океана и атмосферы, позволившие достоверно оценивать изменчивость параметров взаимодействия в областях, слабо обеспеченных данными, в первую очередь в Лабрадорском море и Южном океане. На рис. приведены величины ошибок репрезентативности, оцененные в рамках традиционного подхода («прямого осреднения») и с помощью двойных экспоненциальных функций распределения. Их сопоставление обнаруживает уменьшение погрешностей в субполярных областях Северного полушария и в Южном океане на 10-20 Вт/м2.

 ошибки репрезентативности в величинах потоков скрытого тепла в зимний период
Ошибки репрезентативности
На рисунке показаны ошибки репрезентативности в величинах потоков скрытого тепла в зимний период при использовании прямого осреднения потоков (А) и двойных экспоненциальных функций распределения (В). Новая методология позволяет оценивать экстремальные величины турбулентных потоков тепла на границе океан-атмосфера по ограниченному количеству наблюдений. В частности, были оценены величины турбулентных потоков тепла 5%-ной и 1%-ной повторяемости за период 1948-2004 гг. Экстремальные величины потоков могут составлять 2000-2500 Вт/м2 и связаны с тыловыми частями глубоких среднеширотных циклонических образований. Использование новой методологии построения климатических полей турбулентных потоков тепла позволяет существенно улучшить оценивание теплового баланса океана для задач климатического прогнозирования и моделирования океанской циркуляции (Рук. работ – проф. Гулев С.К.).

Диагностика долгопериодных экспериментов с моделями общей циркуляции океана по воспроизведению общей динамики океанической циркуляции и ее изменчивости позволила исследовать основные моды изменчивости меридионального переноса тепла в Атлантике. Исследование динамики меридиональных переносов в высокоразрешающих моделях циркуляции было выполнено для среднеширотной Атлантики, где переносы через 48 с.ш. образуют наиболее значимый климатический сигнал. Бал разработана методика совместного анализа транс-Атлантических разрезов по экспериментальным и модельным данным, которая позволила впервые получить взаимосогласованные оценки меридионального переноса тепла в моделях и по экспериментальным наблюдениям. Это позволило обнаружить изменчивость меридионального переноса на 48 с.ш. в 2-6 раз меньшую, чем недавно обнаруженная Харри Брайденом на 25 с.ш., что косвенно свидетельствует об ошибочности выводов о резких изменениях меридиональной циркуляции и катастрофических для климата Европы последствиях этого коллапса. (Рук. работ - д.ф-м.н. Гулев С.К., чл.корр. РАН С.С.Лаппо).

В течение 2004-2005 гг. в ходе экспедиционных работ на НИС «Академик Иоффе» и «Академик Сергей Вавилов» были впервые проведены систематические одновременные измерения радиационных потоков на границе океан-атмосфера с помощью двух различных радиационных инструментальных комплексов. Эти работы стали стержневым компонентом международной российско-германско-английской программы МОРЕ (“Meridional Oceanic Radiative Experiment”), нацеленной на создание нового поколения параметризаций потоков коротковолновой и длинноволновой радиации на поверхности океана. Собранный в течение 2004-2005 гг. уникальный массив наблюдений за коротковолновой и длинноволновой радиацией позволил построить новые параметризации приходящей коротковолновой радиации и эффективного излучения в зависимости от условий облачности и термодинамических характеристик приводного слоя воздуха в различных широтных зонах и уже сейчас существенно улучшить точность оценивания потоков тепла на поверхности океана. (Рук. работ - д.ф-м.н. Гулев С.К.)

В рамках создания высокоразрешающих полей энергообмена океана и атмосферы ИО РАН была разработан новый подход к построению климатологий потоков тепла на поверхности океана на основе модифицированного двойного экспоненциального распределения. Отметим, что математическое описание такого распределения и доказательство основных теорем имеет самостоятельную ценность в прикладной статистике. Использование этого подхода позволило построить глобальные реконструкции высокоразрешающих характеристик теплообмена на поверхности океана за период последних 50 лет. Эти реконструкции представляют собой климатологию взаимодействия океана и атмосферы нового поколения с существенно более точными величинами потоков в ключевых областях и достоверными региональными и глобальными балансами энергии на поверхности океана. Использование новой методологии позволило существенно уменьшить погрешность замыкания теплового баланса Северной части Атлантического океана с 0.67х1014 Вт до 0.11х1014 Вт. (Рук. работ - д.ф-м.н. Гулев С.К.)

Блок работ, посвященный анализу многолетней динамики ветровых волн в Мировом океане, включает в 2005 году оценки трендовых и межгодовых изменений ветровых волн и их экстремальных величин за последнее столетие. Были исследованы механизмы формирования трендовых изменений высоты ветровых волн в Мировом океане на основе данных попутных судовых наблюдений. Предложена методология уменьшения ошибки репрезентативности в данных и получены однородные ряды за период 1900-2002 гг. Долговременные наблюдения показывают, что в течение последних ста лет происходит регулярный рост ветровых волн в Северной части Тихого океана с максимальной магнитудой 12 см/десятилетие. Анализ, выполненный за последние 50 лет показал, что высоты ветровых волн обнаруживают систематический рост как в Тихом океане, так и в Атлантике с максимальными магнитудами до 14 см/десятилетие, наблюдаемыми в Атлантическом океане. Эти результаты вошли в 4-й отчет Межправительственной комиссии по климатическим изменениям ООН (IPCC, 2007). (Рук. работ – д.ф-м.н. Гулев С.К., чл-корр. РАН С.С.Лаппо).

На основе уникальной климатологии циклогенеза Северного полушария, отмеченного медалью РАН для молодых ученых, исследованы изменения жизненного цикла среднеширотных циклонов, включая их размеры, интенсивность и скорости углубления. Это позволило оценить величины баланса влаги отдельных циклонических образований и установить связи между частотами и интенсивностями Атлантических циклонов с аномалиями тепла и увлажнения над Европейским континентом. На основании анализа самого полного Европейского архива наблюдений над осадками была разработана методология оценивания экстремальных осадков и впервые получены устойчивые оценки тенденций усиления экстремальных осадков на Европейской территории (3-5% в десятилетие в течение 20-го столетия). Эти результаты также вошли в 4-й отчет IPCC. (Рук. работ - д.ф-м.н. Гулев С.К., к.ф-м.н. Золина О.Г.).

Выполнено сопоставление характеристик приводного слоя атмосферы в реанализах NCEP/NCAR и ERA-40 за период 1958-2000гг. Разработка новых параметризаций и метода анализа разнородной информации позволила получить высокоразрешающие поля потоков тепла, влаги и импульса на границе океан-атмосфера и выйти на новый уровень физического описания влияния процессов взаимодействия в ключевых океанских акваториях на изменчивость климата и реакции океана на антропогенные воздействия. (Рук. работ - д.ф.-м.н. Гулев С.К.).

В рамках Межведомственного проекта "Меридиан" продолжены высокоточные измерения структуры вод Северной Атлантики, в результате которых зафиксированы ее долгопериодные климатические изменения, хорошо согласующиеся с изменчивостью крупномасштабной циркуляции океана. Впервые зафиксировано перетекание вод арктического происхождения у восточного материкового склона Северной Атлантики. В сочетании с также зафиксированным усилением двух традиционных источников арктических вод в Северной Атлантике (воды Датского и Фаррерско-Шотландских проливов) это говорит об интенсификации водообмена между арктическим бассейном и Северной Атлантикой. Обнаружено, что за последние пять лет произошло потепление (на 0.2-0.4о) и осолонение вод верхних 200 м, поступающих с Северо-Атлантическим течением в Норвежское море, а также потепление Северо-восточных глубинных вод, приходящих из Норвежского моря в Северную Атлантику. В бассейне Ирмингера за этот период времени произошло резкое потепление (на 0.3-1.5о) всей толщи вод свыше 2000 м. Для слоя термоклина и Лабрадорской воды это потепление сопровождается и осолонением на 0.02-0.04 единицы. Кроме того, структура Лабрадорской водной массы в этом районе стала двухмодовой из-за межгодовой изменчивости глубины проникновения зимней конвекции в море. В слое Северо-западных глубинных вод ситуация обратная - за пять лет произошло охлаждение (более чем на 1оС) и опреснение (на 0.02-0.06 ед.) этой водной массы, причем не у дна, а на 100-500 м выше. Изменения термохалинных характеристик за 40 лет показывают иные тенденции. Наблюдается общее опреснение и охлаждение вод ниже 1000 м. Напротив, в наиболее глубокой части бассейна Ирмингера у дна Северо-западная глубинная вода потеплела на 0.2-0.4о. Все изменения температуры и солености определяются, прежде всего, трансформацией во времени ядер водных масс. (Рук. работ - чл.-корр. РАН С.С.Лаппо, исп. - к.г.н. Соков А.В. ,к.г.н. Шаповалов С.М.)

Исследования климатической изменчивости характеристик ветровых волн позволило впервые выявить тенденции изменений высот волн в Атлантике и Тихом океане за период более ста лет. Было установлено, что в Северной части Тихого океана имеется устойчивая тенденция роста ветровых волн (до 8 см в 10 лет) за период с 1900 года. В то же время, в Атлантическом океане не отмечается сколь либо значимых трендов высот ветровых волн за последнее столетие. Однако, в течение последних четырех десятилетий имеется тенденция существенного роста ветровых волн в обоих океанах (до 8 см в 10 лет). Исследование экстремальных высот волн показало, что вероятные волны столетней повторяемости имели тенденцию к увеличению в северо-восточной Атлантике и северо-восточной части Тихого океана на 30-70 см за 30 лет. Эта изменчивость увязана с усилением интенсивности атмосферных циклонических образований в обоих океанах. (Рук. - член-корр. РАН Лаппо С.С.)

Для анализа роли процессов взаимодействия океана и атмосферы в поверхностной трансформации водных масс были оценены потоки плавучести на поверхности Атлантики за период с 1958 по 1999 гг. Сопоставление результатов с использованием температурно-соленостных и плотностных характеристик по данным моделирования с грубым и высоким разрешением показал, что использование грубого разрешения занижает примерно на 10-20% (0.5-1.0 х 106 кг/м2) оценки потока массы за счет взаимодействия океана и атмосферы. Максимальные различия выявлены в областях максимальной кинетической энергии и вихреобразования - в первую очередь в Гольфстриме при формировании Субтропической модальной воды. Анализ результатов позволил идентифицировать наиболее мощную поверхностную трансформацию соответствующую образованию Лабрадорской воды (13-15 Св) и Субтропической модальной воды (9-12 Св). (Рук. работ - д.ф.-м.н. Гулев С.К.).

В ходе выполнения работ по проекту "Меридиан" были оценены количественные показатели океанских изменений климата в Атлантическом океане на основе высокоточных экспедиционных наблюдений четырёх рейсов НИС "Академик Сергей Вавилов" и "Академик Иоффе". Была установлена устойчивая тенденция потепления и осолонения промежуточных вод субполярной Атлантики, что является показателем блокирования меридиональной циркуляции. В рамках анализа высокоразрешающих полей потоков тепла, влаги и импульса на границе океан-атмосфера были построены многолетние поля пресноводного баланса поверхности океана на основе инструментальных и спутниковых наблюдений. Это позволило достоверно оценивать области распреснения за счёт взаимодействия океана с атмосферой. Впервые получен замкнутый пресноводный баланс Мирового океана.(Рук. работ - член-корр. РАН Лаппо С.С., проф. Гулёв С.К., к.т.н. Соков А.В.).

Получены новые оценки теплового баланса поверхности Мирового океана, которые позволили выполнить анализ перераспределения тепловой энергии в океане на междекадном масштабе, исследовать трендовые и межгодовые компоненты изменчивости и впервые построить картину океанских крупномасштабных изменений исключительно на основании данных о поверхностном тепловом балансе. Была разработана новая методология оценивания теплового баланса, основанная на введении в рассмотрение координат определяющих параметров, в которых и проводилось пространственно-временное осреднение, что позволило оценивать функции распределения для достоверного нахождения пространственно-временного среднего. (Рук. работ - д.ф-м.н. Гулёв С.К.)

 
Российская академия наук
Почтовая система Ocean Институт Океанологии РАН Проект OceanDB