Исследование климатических изменений в Чукотском море и море Бофорта на основе численного моделирования

На основе численного моделирования с использованием региональной модели океана и морского льда исследуются климатические изменения в Чукотском море и море Бофорта. Численные эксперименты проводились для временного периода 2000–2019 гг. Данные реанализа атмосферы NCEP/NCAR использовались для определения потоков на поверхности океана и морского льда. Температура, соленость и расход тихоокеанских вод, поступающих в Северный Ледовитый океан, задавались в виде граничных условий на Беринговом проливе. Для проведения экспериментов использовались три типа граничных значений: среднемесячные климатические данные, характерные для 1990–2004 и 2003–2015 гг.; среднемесячные данные измерений в период 2016–2019 гг. Исследовалась чувствительность модели к изменчивости расхода и температуры поступающих тихоокеанских вод, анализировалось влияние на теплосодержание верхнего слоя моря, объем и распределение ледового покрова.

В численных экспериментах моделируется перенос теплых тихоокеанских вод через Чукотский шельф в северном направлении и на шельф моря Бофорта, процесс переноса теплых вод склоновой конвекцией в осенне-зимний период. В последние годы расчета в точках на границе шельфовой и глубоководной областей происходит увеличение амплитуды сезонных колебаний температуры поверхностного слоя и значительное повышение температуры на глубине 100 м. Результаты расчетов демонстрируют увеличение теплосодержания вод и сокращение объема льда в море Бофорта и Чукотском море, вызванное повышением температуры атмосферы. Показано, что повышение температуры и расхода тихоокеанских вод, начавшееся после 2003 года, способствовало дополнительному повышению теплосодержания вод обоих морей, сокращению площади ледового покрова и задержке сроков формирования льда в Чукотском море.

1. Nikiforov E.G., Shpaikher A.O. Regularities of formation of large-scale oscillations of hydrological regime of the Arctic Ocean. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1980. 270 p. (in Russian).

2. Shtokman V.B. Influence of wind on the currents in the Bering Strait, the reasons for their high speeds and its prevailing northern direction. Critical review of modern ideas about currents in the Bering Strait and their causes. Trudy IOAN USSR. 1957, XXV, 171–197 (in Russian).

3. Gudkovich Z.M. On the nature of the Pacific current in Bering Strait and the causes of its seasonal variations. Deep Sea Research. 1962, 9, 507–510.

4. Coachman L.K., Aagaard K. On the water exchange through Bering Strait. Limnology and Oceanography. 1966, 11, 44–59.

5. Serreze M.C., Barrett A.P., Slater A.G., Woodgate R.A., Aagaard K., Lammers R.B., Steele M., Moritz R., Meredith M., Lee C.M. The large-scale freshwater cycle of the Arctic. Journal of Geophysical Research. 2006, 111, C11010. doi:10.1029/2005JC003424

6. Coachman L.K., Aagaard K., Tripp R.B. Bering Strait: The regional physical oceanography / Seattle, WA: University of Washington Press, 1975. 172 p.

7. Steele M., Morison J., Ermold W., Rigor I., Ortmeyer M. Circulation of summer Pacific halocline water in the Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research. 2004, 109, C02027. doi:10.1029/2003JC002009

8. Aagaard K., Coachman L., Carmack E. On the halocline of the Arctic Ocean. Deep-Sea Research Part I. 1981, 28, 529–545. doi:10.1016/0198-0149(81)90115-1

9. Woodgate R.A., Aagaard K., Weingartner T.J. A year in the physical oceanography of the Chukchi Sea: Moored measurements from autumn 1990–1991. Deep-Sea Research Part II. 2005, 52 (24–26), 3116–3149. doi:10.1016/j.dsr2.2005.10.016

10. Pickart R.S., Weingartner J.T., Pratt L.J., Zimmermann S., Torres D.J. Flow of winter-transformed Pacific water into the Western Arctic. Deep-Sea Research. 2005, 52, 3175–3198. doi:10.1016/J.DSR2.2005.10.009

11. Spall M.A., Pickart R.S., Fratantoni P., Plueddemann A. Western Arctic shelfbreak eddies: Formation and transport. Journal of Physical Oceanography. 2008, 38, 1644–1668. doi:10.1175/2007JPO3829.1

12. Watanabe E., Hasumi H. Pacific Water transport in the western Arctic Ocean simulated by an eddy-resolving coupled sea ice–ocean model. Journal of Physical Oceanography. 2009, 39, 2194–2211. doi:10.1175/2009JPO4010.1

13. Timmermans M.-L., Proshutinsky A., Golubeva E., Jackson J., Krishfield R., McCall M., Platov G., Toole J., Williams W. Mechanisms of Pacific Summer Water variability in the Arctic’s Central Canada Basin. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2014, 119, 111, 7523–7548. doi:10.1002/2014JC010273

14. MacKinnon J.A., Simmons H.L., Hargrove J. et al. A warm jet in a cold ocean. Nature Communications. 2021, 12, 2418. doi:10.1038/s41467-021-22505-5

15. Spall M.A. Circulation and water mass transformation in a model of the Chukchi Sea. Journal of Geophysical Research. 2007, 112, C05025. doi:10.1029/2005jc003364

16. Woodgate R., Stafford K., Prahl F. A Synthesis of Year-Round Interdisciplinary Mooring Measurements in the Bering Strait (1990–2014) and the RUSALCA Years (2004–2011). Oceanography. 2015, 28, 46–67. doi:10.5670/oceanog.2015.57

17. Serreze M.C., Crawford A.D., Stroeve J., Barrett A.P., Woodgate R.A. Variability, trends, and predictability of seasonal sea ice retreat and advance in the Chukchi Sea. Journal of Geophysical Research: Ocean. 2016, 121, 10, 7308–7325. doi:10.1002/2016jc011977

18. Woodgate R. Increases in the Pacific inflow to the Arctic from 1990 to 2015, and insights into seasonal trends and driving mechanisms from year-round Bering Strait mooring data. Progress in Oceanography. 2017, 160, 124–154. doi:10.1016/j.pocean.2017.12.007

19. Woodgate R., Peralta Ferriz C. Warming and Freshening of the Pacific Inflow to the Arctic From 1990–2019 Implying Dramatic Shoaling in Pacific Winter Water Ventilation of the Arctic Water Column. Geophysical Research Letters. 2021, 48, 9, e2021GL092528. doi:10.1029/2021GL092528

20. Timmermans M–L., Toole J., Krishfield R. Warming of the interior Arctic Ocean linked to sea ice losses at the basin margins. Science Advances. 2018, 4, 8. doi:10.1126/sciadv.aat6773

21. Golubeva E., Platov G. On improving the simulation of Atlantic Water circulation in the Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2007, 112, C4. doi:10.1029/2006JC003734

22. Golubeva E.N. Numerical modeling of the Atlantic Water circulation in the Arctic Ocean using QUICKEST scheme. Vychislitel’nye Tekhnologii. 2008, 13, 5, 11–24 (in Russian).

23. Leonard B.P. A stable and accurate convective modeling procedure based on quadratic upstream interpolation. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1979, 19, 59–98.

24. Leonard B.P., Lock A.P., MacVean M.K. Conservative explicit unrestricted-timestep multidimensional constancy-preserving advection schemes. Monthly Weather Review. 1996, 124, 2588–2606. doi:10.1175/1520-0493(1996)124<2588:CEUTSM>2.0.CO;2

25. Golubeva E.N., Ivanov Ju.A., Kuzin V.I., Platov G.A. Numerical modeling of the World Ocean circulation including upper ocean mixed layer. Oceanology. 1992, 32, 3, 395–405 (in Russian).

26. Platov G.A. Numerical modeling of the Arctic Ocean deepwater formation: Part II. Results of regional and global experiments. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2011, 47, 377–392. doi:10.1134/S0001433811020083

27. Hunke E.C., Dukowicz J.K. An elastic-viscous-plastic model for ice dynamics. // Journal of Physical Oceanography. 1997, 27, 1849–1867. doi:10.1175/1520-0485(1997)027<1849:AEVPMF>2.0.CO;2

28. Murray R.J. Explicit generation of orthogonal grids for ocean models. Journal of Computational Physics. 1996, 126, 251–273.

29. Kalnay E., Kanamitsu M., Kistler R., Collins W., Deaven D., Gandin L., Iredell M., Saha S., White G., Woollen J. et al. The NCEP/NCAR40-Year Reanalysis Project. Bulletin of the American Meteorological Society. 1996, 77, 437–471. 2.0.CO;2., NCEP/NCAR Global Reanalysis Products, 1948-continuing, Research Data Archive URL: https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html (Accessed: 18.03.2022).

30. Golubeva E.N., Platov G.A., Iakshina D.F. Numerical simulations of the current state of waters and sea ice in the Arctic Ocean. Led i Sneg. 2015, 2 (130), 81–92 (in Russian). doi:10.15356/2076-6734-2015-2-81-92

31. Woodgate R., Aagaard K. Monthly temperature, salinity, and transport variability of the Bering Strait through flow. Geophysical Research Letters. 2005, 32, 4. doi:10.1029/2004GL021880

32. Reynolds R.W., Smith T.M., Liu C., Chelton D.B., Casey K.S., Schlax M.G. Daily High-Resolution Blended Analyses for Sea Surface Temperature. Journal of Climate. 2007, 20, 5473–5496. NOAA high resolution SST data are provided by NOAA/OAR/ESRL PSD (Boulder, CO, USA) from their website URL: https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.highres.html (Accessed: 18.03.2022).

33. Carvalho K.S., Smith T.E., Wang S. Bering Sea marine heatwaves: Patterns, trends and connections with the Arctic. Journal of Hydrology. 2021, 600, 126462. doi:10.1016/j.jhydrol.2021.126462

34. National Snow and Ice Data Center. URL: https://nsidc.org (Accessed: 18.03.2022).

35. Golubeva E.N., Platov G.A. Numerical modeling of the Arctic Ocean ice system response to variations in the atmospheric circulation from 1948 to 2007. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2009, 45, 1, 137–151. doi:10.1134/S0001433809010095

36. Aksenov Y., Karcher M., Proshutinsky A., Gerdes R., de Cuevas B., Golubeva E., Kauker F., Nguyen A.T., Platov G.A., Wadley M. et al. Arctic pathways of Pacific Water: Arctic Ocean Model Intercomparison experiments. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2016, 121, 27–59. doi:10.1002/2015JC011299

37. Nurser A.J.G., Bacon S. The Rossby radius in the Arctic Ocean. Ocean Science. 2014, 10, 967–975. doi:10.5194/os‑10-967-2014