Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В основу исследования положено термогидродинамическое и биогеохимическое моделирование с помощью программного комплекса JASMINE, с разработанным специально для этой цели блоком криосистемы. В течение 2022 г. на программном комплексе выполнялись численные эксперименты для изучения связанных с потеплением изменений характеристик морского льда и морских экосистем на акватории всего моря за многолетний период, а также оценивалась чувствительность компонент модели по отношению к вариациям внешних условий. Тестировался блок криосистемы. В марте проведена комплексная экспедиция для получения сведений о распределении физических, химических и биологических параметров и подледной воде устьевой области р. Кемь в зависимости от фазы приливного цикла и в ледяном покрове. Все эти данные будут в дальнейшем использоваться для настройки модели. Численная модель JASMINE была дополнена подмоделью экологии морского льда. Модель общей циркуляции моря и модель биогеохимического потока были совмещены в режиме онлайн, параметр торосистости льда был настроен для лучшего моделирования динамики морского льда. Воспроизводились характеристики морского льда; показано, что все этапы цикла воспроизводятся правильно. Важно, что модельные данные хорошо согласуются с результатами спутниковых наблюдений. Это свидетельствует о правильном описании теплового баланса в модели. Что касается экологии морского льда, которая также воспроизводилась на специально созданном для этой цели блоке криосистемы, то расчеты согласуются с немногочисленными данными наблюдений концентраций хлорофилла «а», биогенным элементам и биомассой водорослей во льду Белого моря. Эксперименты подтвердили теоретические представления о зимнем режиме Белого моря, такие как ослабление интенсивности течений в зимнее время, сроки образования и разрушения льда, вынос льда из заливов моря. Результаты анализа космических снимков за период 10 лет позволили верифицировать модель. Каждый залив Белого моря имеет свои закономерности продолжительности ледового режима и особенности таяния и выноса льда в другие районы моря, которые демонстрируются при помощи численного моделирования. В 2022 г. в модели добавлено взаимодействие с дном Белого моря. Модуль сопряжения предоставляет пять подпрограмм для инициализации, завершения, временного шага, переноса и сохранения данных (среднесуточных, среднемесячных и т. д.). Было выполнено две итерации: одна без морской экологии; другая с включением полного биогеохимического блока, как пелагического, так и с криосистемой. Были сопоставлены результаты моделирования сплоченности морского льда за 2011 г. со спутниковыми снимками по ресурсу (https://multimaps.ru/) за тот же день. В январе–феврале почти вся акватория Белого моря покрыта плавучими льдами, разрушение начинается в марте. Образуются обширные площади открытой воды и льды выносятся в Баренцево море. Ключевую роль в этом процессе играет ветер. Вдоль берегов образуются полыньи, а льды прижимаются к правым берегам заливов. Сложный процесс поэтапного очищения моря ото льда в весенний период также является в модели правильным, о чем свидетельствуют спутниковые снимки за апрель и май: припай остается в вершинах губ и мелководных губах; плавучие льды скапливаются в проливах при движении в северо-восточном направлении. В последней декаде апреля около 2/3 акватории свободно ото льда. Единственный оставшийся участок льда находится в северо-восточной части моря, также вдоль побережья. К началу лета Белое море полностью освобождается ото льда. Однако, хотя в среднем эта закономерность типична, жизненный цикл льдов характеризуется значительной пространственной и временной изменчивостью. Доля льда, выходящего из Белого моря, значительна: до 50–80%. Эту долю, как и количество уносимого льдом вещества, трудно точно оценить по данным наблюдений, и здесь могут быть особенно полезны численные модели, в частности, программный комплекс JASMINE. Сплоченность льда для всего моря по спутниковым изображениям (ресурс (https://nsidc.org/data/G02135/versions/3)) сравнивалась с результатом по модели. При пространственном разрешении в спутниковых данных ячейка 4×6 км считалась заполненной льдом, если в ней был лед. В модели ячейки сетки имеют одинаковый размер (3×3 км), каждая из которых содержит некоторое значение сплоченности льда от 0 до 1. Это объясняет, почему наблюдаемая сплоченность льда по спутниковым снимкам выше при максимальной ледовитости. Большая часть моря зимой имеет сплоченность морского льда от 0,8 до 0,9, что означает – доля открытой воды между потоками льда составляет от 10 до 20%. Алгоритм отмечает эту область как 100% ледовое покрытие. Время замерзания и таяния морского льда воспроизводится очень хорошо, хотя и не заложено в модель. Это доказывает правильность описания теплового баланса в модели. Поскольку существуют сильные приливо-отливные течения, ветер, сплоченность морского льда может быстро уменьшиться на короткое время из-за торосообразования. Это хорошо видно как по модельным, так и по спутниковым данным. Известно, что Белое море быстро реагирует на форсинг. Толщина льда описана по категориям: серый (10–15 см), серо-белый (15–30 см) и белый (30–70 см) лед. В феврале во всем море преобладают белые и серо-белые льды, но повсеместно в море встречаются торосы. Модель дает среднюю толщину льда 70–80 см, включая толстый торосистый лед. В марте ветер обычно дует на восток, образуя открытые акватории вдоль западного побережья моря; это хорошо воспроизводится моделью. Модель экосистемы сложно настроить, поскольку она требует больших вычислительных мощностей. Используется параллельный расчет на вычислительных кластерах. Первоначальные результаты по криосистеме выглядят адекватными. Модель может имитировать продукцию морских криоводорослей, бактерий и фауны и предсказывает рост (цветение) в марте, снижение биомассы в апреле-мае. По литературным данным пробы, собранные в конце марта 2007–2008 гг., показали, что криосообщества и нефотосинтезирующие бактерии составляют 90–96% и 2,5–10% общей биомассы обитателей льда, соответственно. Сравнивалась суточная биомасса водорослей, нефотосинтезирующих бактерий в морском льду и ледовой фауны в период с февраля по май. Дополнительно использована нормированная освещенность подо льдом (максимум соответствует 35,7 Вт/м2). Результаты моделирования доказывают, что концентрации биогенных элементов снижаются на поздней стадии ледового периода, тогда как свет важен на ранней стадии. Данные показывают сильную изменчивость; модель дает более низкие значения, что объясняется сильной зависимостью цветения от свойств морского льда. Весной, когда света достаточно, лед не только тает, но и уносится из залива. Кроме того, толщина льда, прозрачность льда и наличие снега чрезвычайно важны и быстро меняются в течение этого короткого периода цветения. Модель отражает трофические отношения в заполненных рассолом полостях морского льда: вначале продуцируют автотрофные водоросли, затем гетеротрофные организмы начинают поедать органические остатки, так что вторичная продукция заменяет первичную. Когда биомасса водорослей снижается почти до нуля, органическое вещество утилизируется вплоть до полного таяния льда. Новый лед содержит некоторое количество органического вещества, захваченного из воды, но температура и объем рассола слишком низкие, поэтому активность гетеротрофной фауны и бактерий также низкая. Биогенные элементы в морском льду захватываются осенью и поэтому не зависят от мгновенного речного стока. В 2022 г. опубликовано 2 статьи в журналах Q1 и Q2, сделан устный доклад на заявленной в планах конференции в ЗИН РАН и на конференции в КарНЦ РАН. Разработка моделей динамики и экологии морского льда могла бы стимулировать проведение специальных исследований в экспедициях, что способствует увеличению массивов данных для улучшения и проверки моделей, а также расширению знаний о понимании явлений, происходящих в морском льду.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 г. выполнялись численные эксперименты на модели экологии морского льда. Модель общей циркуляции моря и модель биогеохимического потока ранее были совмещены в режиме онлайн, выполнен обмен данными на каждом временном шаге с адвекцией и диффузией биологических трассеров по тем же алгоритмам, что и для двумерных полей температуры, солености и морского льда. В этом году достигнут прогресс имитации продукции морских криоводорослей, бактерий и фауны и прогнозировании цветения в марте, снижения биомассы в апреле-мае. Проведены комплексные экспедиции в устьевую область р. Кемь (первая декада марта) и губу Чупа Белого моря (третья декада марта), которые позволили получить данные о распределении физических, химических и биологических параметров и подледной воде в зависимости от фазы приливного цикла и в ледяном покрове. В экспедиции на р. Кемь была применена схема выполнения всех работ двумя группами: на станции в зоне смешения речных и морских вод и в более морской станции у причала п. Рбочеостровск. Это сделано для того, чтобы получить пробы подледной воды на малой и полной воде приливного цикла одновременно на обеих станциях. Кроме этого, в течение нескольких суток на каждой станции велась непрерывная запись температуры и солености в подледном и придонном горизонте CTD-зондами. В результате гидрохимических исследований р. Кемь и ее устьевой области, выполненных в марте 2023 г., было установлено, что содержание биогенных элементов в речной воде согласуется с ранее известными данными, при этом отмечается загрязнение нефтепродуктами (2-2,2 ПДК) по нормативам для рыбохозяйственных водоемов. Распространение речных вод происходит в поверхностном слое до причала п. Рабочеостровск, о чем свидетельствуют повышенные значения цветности и содержание кремния, а также пониженная величина электропроводности по сравнению с морскими водами. Содержание Робщ и Nобщ увеличивалось от речной станции к морской независимо от фазы приливного цикла. Во льду в устьевой области р. Кемь содержание биогенных элементов было ниже по сравнению с подледной водой и с данными 2022 г. В воде губы Чупа (мыс Картеш) Робщ был представлен преимущественно минеральными формами (67-90% от Робщ), азот – органическими (92-95% от Nобщ), из минеральных форм азота превалировали нитраты. Во льду из минеральных форм азота преобладал азот аммонийный, его концентрация была выше по сравнению с подледной водой, фосфор был представлен преимущественного органическими соединениями. В эстуарии реки Кемь в начале марта 2023 г численность криофлоры на станциях в зоне смешения речной и морской воды составили 43,5±25,5 млн кл/м3, а в губе Чупа (мыс Картеш) 98,4±37,1 млн кл/м3, биомасса – 3,7±2,1 мг С/м3 в зоне смешения вод и 9,5±7,3 мг С/м3 у причала п. Рабочеостровск. Полученные значения были существенно ниже таковых, выявленных во льду губы Чупа (мыс Картеш) в третьей декаде марта 2023 г. – 319,2±17,8 млн кл/м3 и 20,5±4,8 мг С/м3. Максимальные значения биомассы выявлены в верхнем 10-ти сантиметровом слое льда на всех исследованных станциях. В подледной воде реки Кемь биомасса фитопланктона была низкая и варьировала от 1,35 до 2,3 мг С/м3 в зоне смешения вод и от 0,6 до 1,23 мг С/м3 на станции у причала. Достоверных различий между значениями биомассы водорослей в полную и малую воду не выявлено. В поверхностном горизонте подледной воды губы Чупа (мыс Картеш) обнаружены высокие значения параметров обилия фитопланктона: численность достигала 847 млн кл/м3, биомасса – 31,1 мг С/м3, что соответствует весеннему подледному цветению фитопланктона. На нижних горизонтах станции у мыса Картеш значения численности и биомассы были низкими и сопоставимы с таковыми в реке Кемь. Концентрация хлорофилла «а» соответствовала значениям биомассы водорослей как во льду, так и в подледной воде. Максимальные значения выявлены во льду и поверхностном горизонте подледной воды станции в губе Чупа и составили в среднем 1 мг/м3 талой воды во льду и 0,7 мг/м3 и 0,85 мг/м3 в полную и малую воду приливного цикла, соответственно. В 2023 г. была разработана одномерная модель GOTM-FABM, представляющая собой столб воды, у которого зимой образуется лед, есть обмен с дном и такую модель можно настраивать под конкретную часть акватории. Модель ассимилирует данные, поэтому все результаты, полученные в экспедициях, очень важны для ее верификации. Разработано руководство пользователя одномерной моделью. Важно, что модель GOTM-FABM можно использовать и для других морских и пресноводных водоемов при выполненных условиях настройки, которые указаны в руководстве пользователя. В 2023 г. участники проекта докладывали результаты в трех конференциях. Опубликована 1 статья в журнале "Теоретическая и прикладная экология", входящем в базы WoS и Scopus (Q3).