Создание системы моделирования и прогнозирования климата в Арктике

Работа ведется в рамках важнейшего инновационного проекта государственного значения (ВИП ГЗ) "Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ". Со стороны Карельского научного центра РАН в разработке участвуют сотрудники Института прикладных математических исследований (ИПМИ) и Института водных проблем Севера (ИВПС).

Ученые создают совместную цифровую модель всего Северного Ледовитого океана со льдом и атмосферой. Она, в частности, сможет давать сценарии, что будет происходить в Арктике при изменении того или иного климатического фактора. Например, как будет таять лед при дальнейшем потеплении климата.

"Численная модель — один из способов изучения реальности. Например, что происходит в океане? Там есть течения, горизонтальные и вертикальные. У воды есть соленость и есть температура, они меняются. Меняется уровень моря. В море стекает пресная вода рек, попадают осадки. Воду приводит в движение ветер. Она испаряется с поверхности. Возникает и тает лед, при этом соль вытесняется в воду или, наоборот, вода распресняется. Рассчитать все это — и есть задача численного моделирования океана", – пояснил старший научный сотрудник лаборатории моделирования природно-технических систем ИПМИ КарНЦ РАН Илья Чернов.

Создание системы началось в 2022 году. Для старта ученые имели серьезный задел. В Главной геофизической обсерватории разработана и успешно применяется модель атмосферы Арктики. Модель Северного ледовитого океана со льдом FEMAO в России была создана в начале 2000-х годов доктором физико-математических наук Николаем Яковлевым из Института вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН. У карельских ученых накоплен большой опыт работы с ней: с 2011 года они работают над численной моделью Белого моря JASMINE, адаптировав FEMAO к особенностям водоема.

"Нам необходимо модернизировать и объединить эти две модели – атмосферы и океана – так, чтобы они успешно обменивались данными. Только тогда можно будет делать достоверные прогнозы. Но это непросто. Модели созданы в разных координатных системах. Кроме того, у них не совпадают географические границы. Эти и другие проблемы мы и пытаемся сейчас решить", – рассказал Илья Чернов.

По словам руководителя лаборатории географии и гидрологии ИВПС КарНЦ РАН Алексея Толстикова, в географии существуют различные подходы к выделению даже отдельных морей в Арктике.

"Например, в Северной Атлантике три моря – Норвежское, Гренландское и Ирмингера – часто определяют как одно (море GIN). Мы решили рассматривать их отдельно. В целом мы уже пришли к консенсусу, какую акваторию и каким образом мы рассматриваем. Теперь предстоит техническая работа по заданию границ между морями. Особенно сложны для моделирования жидкие границы, когда одно море переходит в другое", – добавил Алексей Толстиков.

В проекте ученый занимается верификацией: сравнивает, как данные моделирования согласуются с данными измерений, собранными в ходе различных экспедиций и полевых работ, а также с информацией, полученной спутниковыми методами исследования.

"Когда данные моделирования и измерений не совпадают, мы ищем ошибку: где-то динамика течения получается выше, где-то границы или речной сток заданы не совсем точно, где-то завышена толщина льда. Мы смотрим, с чем это связано, работаем над тем, чтобы устранить причины и улучшить результат", – рассказал Алексей Толстиков.

Эта технология уже отработана карельскими учеными на численной модели Белого моря. Опыт оказался успешным – корректность работы системы JASMINE доказана. Так, сейчас ученые параллельно занимаются созданием численной модели беломорского льда, и в ноябре 2022 года они сверили ее работу со спутниковыми наблюдениями. В результате данные моделирования оказались сопоставимыми с реальными.

Финальным этапом федерального проекта станет внедрение объединенной модели в структуру сезонных и сценарных климатических прогнозов. Эта работа важна для планирования и реализации крупных инвестиционных проектов, результат которых зависит от оценок долгосрочных изменений климата в регионах. Многим отраслям экономики также приходится адаптироваться к климатическим изменениям – система моделирования позволит заблаговременно учесть факторы риска. Наконец, численные модели водных объектов помогают установить зоны антропогенного воздействия и предсказать последствия возможных экологических катастроф.

Источник: Карельский научный центр РАН