FEEDBACK MODELING OF THE CLIMATE FORMING PROCESSES IN THE ARCTIC OCEAN

The calculations of the model of joint circulation of the Atlantic (from 200 S), the Arctic Ocean and the Bering Sea have been conducted, with latitude and longitude resolution of 0.250, for the period of 1958-2006. The results are compared with observation data and with simulations from other models. The analysis of the mode structure of the fields of movement and masses in the Norwegian and Greenland Seas allowed for a first time to obtain a feedback system, which is responsible for regulating the exchange of waters of the Arctic and the Atlantic. The main dynamic mechanism of the marked feedback is the combined effect of baroclinicity and the floor relief (SCEBFR). There is an inverse relationship between the barotropic and the baroclinic components of the flow velocity, which stabilizes water exchange between Atlantic and the Arctic in long time periods and holds them at a certain climate level. A positive feedback has been found between the thickness of fresh water and the anti-cyclonic vorticity in the circulation of the Beaufort (CB). Three periods of increased values of the thickness of fresh water, combined with enhanced anti-cyclonic vorticity in CB are marked: 1960, 1980 and the period from 1999 to the present. The evolution of anticyclonic flow vorticity outpaces the changes in the thickness of fresh water in CB by 1.75 years.

1. Саркисян А. С. Сорок лет открытию роли совместного эффекта бароклинности и рельефа дна в моделировании климатических характеристик океана // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. — 2006. — Т. 42, № 5. — С. 582—603.
2. Belkin I. M., Levitus S., Antonov J., Malmberg S. ‘Great salinity anomalies’ in the North Atlantic // Progress in Oceanography. — 1998. — Vol. 41. — P. 1—68.
3. Karcher M., Gerdes R., Kauker F. et al. Arctic Ocean change heralds North Atlantic freshening. Geophysical Research Letters // 2005. — Vol. 32. — L21606 (doi:10.1029/2005GL023861).
4. Aagaard K., Carmack E. C. The role of sea ice and fresh water in the Arctic circulation // J. Geophys. Res. — 1989. — Vol. 94. — Р. 14485—14498.
5. Carmack E. C. The Arctic Ocean’s freshwater budget: Sources, storage and export // The freshwater budget of the Arctic Ocean: NATO Science Series / Ed. by E. L. Lewis. — Norwell, Mass.: Kluwer Academic Press, 2000. — Р. 91—126.
6. Polyakov I. V., Alexeev V. A., Belchansky G. I. et al. Arctic ocean fresh water changes over the past 100 years and their causes // J. of Climate. — 2008. — Vol. 21, № 2. — Р. 364—384.
7. Proshutinsky A., Bourke R. H., McLaughlin F. A. The role of the Beaufort Gyre in Arctic climate variability: Seasonal to decadal climate scales // Geophys. Res. Lett. — 2002. — Vol. 29 (23) (doi:10.1029/2002GL015847).
8. Proshutinsky A., Yang J., Krishfield R. et al. Arctic Ocean Study: Synthesis of Model Results and Observations // EOS, Transactions American Geophysical Union. — 2005. — Vol. 86, № 40 (doi:10.1029/2005EO400003).
9. Алексеев Г. В., Пнюшков А. В., Иванов Н. Е. и др. Комплексная оценка климатических изменений в морской Арктике с использованием данных МПГ 2007—2008 // Проблемы Арктики и Антарктики. — 2009. — № 1 (81). — C. 7—14.
10. Алексеев В. В., Залесный В. Б. Численная модель крупномасштабной динамики океана // Вычислительные процессы и системы: Вып. 10 / Под ред. Г. И. Марчука. — М.: Наука, 1993. — С. 232—252.
11. Дианский Н. А., Багно А. В., Залесный В. Б. Сигма-модель глобальной циркуляции океана и ее чувствительность к вариациям напряжения трения ветра // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. — 2002. — Т. 38, № 4. — С. 537—556.
12. Bryden D., San S., Bleck R. A new approximation of the equation of state for seawater, suitable for numerical ocean models // J. Geoph. Res. — 1999. — Vol. 104, № C1. — Р. 1537—1540.
13. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. — М.: Наука, 1980. — 535 с.
14. Zalesny V. B., Gusev A. V. Mathematical model of the World ocean dynamics with temperature and salinity variational data assimilation algorithms // Russ. J. Numer. Anal. Math. Modeling. — 2009. — Vol. 24, № 2. — Р. 171—191.
15. Мошонкин С. Н., Дианский Н. А., Эйдинов Д. А., Багно А. В. Модель циркуляции Северной Атлантики и Северного Ледовитого океана // Океанология. — 2004. — Т. 44, № 6. — С. 811—825.
16. Steele M., Morley R., Ermold W. PHC: A global ocean hydrography with a high–quality Arctic Ocean // J. Climate. — 2001. — Vol. 14, iss. 9. — Р. 2079—2087.
17. Griffies S. M., Boning C., Bryan F. O. et al. Developments in ocean climate modeling // Ocean Modelling. — 2000. — Vol. 2. — Р. 123—192.
18. Кочергин В. П., Климок В. И., Сухоруков В. А. Однородный слой океана в рамках «дифференциальных» моделей // Численные методы механики сплошной среды. — 1977. — Т. 8, № 5. — С. 102—114.
19. Яковлев Н. Г. Совместная модель общей циркуляции океана и эволюции морского льда в Северном Ледовитом океане // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. — 2003. — Т. 39, № 3. — С. 394—409.
20. Large W. G., Yager S. G. Diurnal to Decadal Global Forcing for Ocean and Sea-Ice Models: The Data Sets and Flux Climatologies / Climate and Global Dynamics Division. National Center for Atmospheric Research. — Boulder, Colorado, 2004. — 113 p.
21. Hakkinen S., Proshutinsky A. Freshwater content variability in the Arctic Ocean // J. Geophys. Res. — 2004. — Vol. 109. — C03051 (doi: 10.1029/2003JC001940, 2004).
22. Kuzin V. I., Golubeva E. N., Platov G. A. Numerical simulation of impurity and fresh water propagation in the Arctic-North Atlantic system // Russ. J. Numer. Anal. Math. Modelling. — 2006. — Vol. 21, № 4. — Р. 321—343.
23. Maslowski W., Marble D., Walczowski W. et al. On climatological mass, heat, and salt transports through the Barents Sea and Fram Strait from a pan-Arctic coupled ice-ocean model simulation // J. Geophys. Res. — 2004. — Vol. 109. — C03032 (doi:10.1029/2001JC001039).
24. Мошонкин С. Н., Дианский Н. А. Диагноз и моделирование аномалий температуры верхнего слоя океана в средних широтах // Вычислительные процессы и системы: Вып. 10 / Под ред. Г. И. Марчука. — М.: Наука, 1993. — С. 164—202.
25. Arctic Climatology Project. Environmental Working Group joint U.S.-Russian atlas of the Arctic Ocean — winter period / Ed. by L. Timokhov and F. Tanis. — Ann Arbor, MI: Environmental Research Inst. of Michigan in association with the Natrional Snow and Ice Data Center, 1998. — CD-ROM.
26. Proshutinsky A., Krishfield R., Timmermans M.-L. et al. The Beaufort Gyre Fresh Water Reservoir: state and variability from observations // J. Geophys. Res. — 2009. — Vol. 114. — C00A10 (doi: 10.1029/2008JC005104).
27. McPhee M. G., Proshutinsky A., Morison J. H. et al. Rapid change in freshwater content of the Arctic Ocean // Geophysical Research Letters. — 2009. — Vol. 36. — L10602 (doi:10.1029/2009GL037525).
28. Sea Ice Index: Sea Ice Animation Tool / National Snow and Ice Data Center. 2009 — URL: http://nsidc.org/data/seaice_index/archives/image_select.html.
29. Ибраев Р. А. Реконструкция климатических характеристик течения Гольфстрим // Известия PАН. Физика атмосферы и океана. — 1993. — Т. 29, № 6. — С. 803—814.
30. Иванов В. Ф., Саркисян А. С. Сравнение диагностического и прогностического методов расчета течений в Южной Атлантике // Метеорология и гидрология. — 1974. — T. 8, № 4. — C. 71—79.
31. Sarkisyan A. S., Demin Ju. L. A semidiagnostic method of sea currents calculation // Large-scale oceanographic experiments in the WCRP. — 1983. — Vol. 2, № 1. — P. 210—214.
32. Sarkisyan A. S. Large-scale ocean circulation modeling // Vistas in applied mathematics: Numerical analysis, atmospheric sciences, immunology (A87-51326 23-64). — New York: Optimization Software, Inc., 1986. — Р. 265—287.
33. Sarkisyan A. S. Analysis of model calibration results // J. Marine Systems. — 1995. — Vol. 6. — Р. 47—66.
34. Sarkisyan A. S. Some recent results of ocean/sea modeling by using observed data // Proc. of Inter. Symp. on Circulation Research of the East Asian marginal Seas (CREAMS). — Fukuoka, Japan, 1997. — Р. 1—6.
35. Левитус С., Саркисян А. С. Динамические характеристики океана, полученные путем синтеза климатических данных и информации программы ВОСЕ // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. — 2001. — Т. 37, № 4. — С. 534—546.
36. Fahrbach E., Meinke J., Osterhus S. et al. Direct measurements of volume transports through Fram Strait // Polar Research. — 2001. — Vol. 20, № 2. — P. 217—224.
37. Dukhovskoy D. S., Johnson M. A., Proshutinsky A. Arctic decadal variability: An auto-oscillatory system of heat and fresh water exchange // Geophysical Research Letters. — 2004. — Vol. 31. — L03302 (doi:10.1029/2003GL019023).