Jednym z podstawowych zadań projektu jest szczegółowa walidacja sprzężonych (atmosfera-ocean-lód) modeli klimatu w globalnej konfiguracji, ze szczególnym uwzględnieniem rejonów Północnego Atlantyku i Arktyki. Długoterminowa przewidywalność klimatu Arktyki zależna jest od różnorodnych składowych klimatu ziemskiego i w wielu przypadkach maskowana przez niepewności (biases) w predykcjach modeli klimatycznych. Oprócz błędów wynikających z inicjalizacji modeli oraz chaotycznej natury klimatu, błędy modeli powodują systematyczny dryf średniego stanu modelu od stanu rzeczywistego oraz niepoprawne odwzorowanie zmienności modelowanych pól w różnych skalach czasowych. Realistyczna predykcja systemu Arktyki w modelach klimatycznych zależy w dużym stopniu od zdolności modeli do poprawnej reprezentacji istotnych procesów fizycznych. W przypadku predykcji zmian w rejonach Północnego Atlantyku i Arktyki niezwykle istotna jest realistyczna symulacja cyrkulacji oceanicznej, właściwości mas wodnych (szczególnie głębokich) oraz strumieni pędu i ciepła (transportu masy i energii) w tych obszarach. Ocena poprawności wyników modelowych odbywa się przez ich wszechstronną walidację przy użyciu adekwatnych zbiorów danych obserwacyjnych oraz poprzez porównanie ze sprawdzonymi już innymi modelami

Celem Zadania 1 jest identyfikacja, pozyskanie i odpowiednie opracowanie danych obserwacyjnych (in situ i satelitarnych) z dostępnych źródeł oraz wyników sprawdzonych modeli. Dane te w kolejnych Zadaniach użyte zostaną do szczegółowej weryfikacji modeli klimatycznych projektu NAtMAP oraz do wypracowania rekomendacji, które ulepszenia modeli projektu (przez zastosowanie nowych parametryzacji oraz lokalne zwiększanie rozdzielczości siatki modelu) dają najlepsze efekty w postaci zmniejszenia błędów modelu. W ramach Zadania 1 pozyskane zostaną długoterminowe dane obserwacyjne z rejonów Północnego Atlantyku i Oceanu Arktycznego z następujących źródeł: długoterminowe pomiary hydrograficzne IOPAN w rejonie Mórz Nordyckich i Oceanu Arktycznego, serie czasowe zmiennych oceanicznych z baz danych oraz atlasów cyfrowych (baza danych ICES, Hydrodata2, WOA2009 oraz WOA2013 v2, atlas klimatologii oceanu PHC3.0). Dane satelitarne używane będą do weryfikacji temperatury powierzchniowej oceanu (SST), pokrycia lodem morskim oraz położenia jego krawędzi, dryfu lodu morskiego oraz innych parametrów mierzonych metodami satelitarnymi.

Pierwszym etapem prac w projekcie NAtMAP będzie weryfikacja poprawności odwzorowania oceanu w modelach klimatycznych wykorzystywanych w projekcie w konfiguracji podstawowej przez wprowadzeniem ulepszeń w postaci nowych parametryzacji procesów fizycznych oraz planowanych lokalnych zagęszczeń siatek modeli. Planowana jest szczegółowa walidacja modelu FESOM1.4 i FESOM2.0 dla symulacji przeprowadzonych na standardowej siatce, przy czym główna uwaga zostanie poświęcona poprawności odwzorowania cyrkulacji oceanicznej w rejonach Morza Labradorskiego i Mórz Nordyckich, właściwości, zmienności czasowej i rozmieszczenia mas wodnych w Północnym Atlantyku i Oceanie Arktycznym, transportu mas wodnych w Północnym Atlantyku oraz wymiany masy i ciepła między Północnym Atlantykiem a Oceanem Arktycznym. Walidacja modeli klimatycznych INM skupiona będzie na szczegółowym porównaniu wyników modeli w wersji INMCM4 (podstawowa rozdzielczość) i INMCM5 (umiarkowanie zwiększona rozdzielczość zakładająca odwzorowanie wirów) oraz ich walidację przy użyciu danych obserwacyjnych i satelitarnych

Celem Zadania 2 jest przeprowadzenie szczegółowej walidacji symulacji referencyjnych przeprowadzonych przy użyciu modeli lodu i oceanu FESOM1.4 i FESOM2.0 (symulacje prowadzone przez AWI) oraz modeli klimatycznych INMCM4/INMCM5 (symulacje prowadzone przez INM) w konfiguracji podstawowej, przez wprowadzeniem ulepszeń w postaci nowych parametryzacji procesów fizycznych oraz planowanych lokalnych zagęszczeń siatek modeli. Główna uwaga skupiona będzie na rozpoznaniu poprawności sumulowanej charakterystyki mas wodnych i cyrkulacji w rejonie Północnego Atlantyku oraz wpływu tych czynników na poprawność predykcji zmienności oceanu, atmosfery i lodu w Arktyce. Dodatkowym celem będzie również zbadanie wpływu wielkoskalowych oscylacji atmosferycznych na anomalie strumieni i zawartości ciepła w Oceanie Arktycznym i morzach subarktycznych sektora atlantyckiego oraz wpływu oceanicznych strumieni ciepła przez Morze Barentsa i Cieśninę Fram na anomalie zasięgu i grubości lodu w Oceanie Arktycznym w sezonie letnim na podstawie symulacji referencyjnych modeli projektu NAtMAP.

Wyniki modelu INMCM4 o rozdzielczości umożliwiającej reprodukcję wirów (rozdzielczość rzędu 1/6 do 1/8 stopnia w oceanie) porównane zostaną z wynikami nowego modelu INMCM5. Model INMCM5 charakteryzuje się umiarkowanie zwiększoną rozdzielczością horyzontalną w atmosferze i oceanie (w porównaniu z INMCM4), jak również ulepszoną mikrofizyką chmur, zastosowaniem nowego modułu aerozoli oraz znacząco zwiększona rozdzielczością pionową w atmosferze (73 poziomy zamiast 21). Szczegółowej analizie poddany zostanie wpływ rozdzielczości horyzontalnej siatki modeli klimatycznych na poprawność odwzorowania cyrkulacji oceanicznej w Północnym Atlantyku i Oceanie Arktycznym, szczególnie w rejonach, gdzie duże znaczenie ma poprawne rozwiązanie wirów mezoskalowych. Na tej podstawie wyznaczone zostaną kluczowe rejony, gdzie zastosowanie podwyższonej rozdzielczości może potencjalnie znacznie zmniejszyć niedokładności modeli klimatycznych.

Celem Zadania 3 jest identyfikacja kluczowych rejonów w Północnym Atlantyku oraz Arktyce, dla których zwiększenie rozdzielczości siatek modeli klimatycznych ma potencjał znacznego zmniejszenia niedokładności symulowanej cyrkulacji oceanicznej, parametrów, zmienności i rozmieszczenia mas wodnych oraz strumieni wymiany masy i ciepła między Północnym Atlantykiem a Oceanem Arktycznym. Dodatkowym celem Zadania jest również zbadanie, jak rozdzielczość przestrzenna modelu wpływa ogólnie na poprawność odwzorowania cyrkulacji oceanicznej w Północnym Atlantyku i Oceanie Arktycznym. Przeprowadzona zostanie również weryfikacja stopnia ulepszenia modelu INMCM4 w porównaniu z modelem INMCM5 w kontekście innych niż oceaniczne zmian konfiguracji modelu (lepsza mikrofizyka chmur, dynamika aerozoli, wysoka rozdzielczość pionowa w stratosferze).

Zaplanowane prace z obejmują walidację symulacji numerycznych modelu z wykorzystaniem nieregularnych (adaptacyjnych) siatek modelu o lokalnie zwiększonej, bardzo wysokiej rozdzielczości przestrzennej (odwzorowującej wiry) dla zwiększenia poprawności cyrkulacji reprodukowanej przez model w kluczowych rejonach oceanicznych Północnego Atlantyku i Arktyki. Zwiększenie rozdzielczości przestrzennej ma w szczególności pomóc w usunięciu niedokładności modelu związanych z niepoprawnym odwzorowaniem prądów w Morzu Irmingera, Grenlandzkim i Labradorskim, w poprawnym odwzorowaniu wirów w Morzu Grenlandzkim dla usunięcia błędów modelu w głębokich warstwach (właściwości głębinowych mas wodnych), poprawieniu symulacji głębokowodnego transportu w Cieśninie Duńskiej i przez Grzbiet Szkocko-Islandzki (overflow), lepszemu odwzorowaniu wirów w Cieśninie Fram i Morzu Barentsa (dla uzyskania realistycznych wartości wymiany transportu masy i ciepła między Północnym Atlantykiem a Oceanem Arktycznym) oraz prądów granicznych wokół Oceanu Arktycznego. Poprzez zachowanie umiarkowanej rozdzielczości w pozostałych rejonach, możliwe jest obliczeniowo efektywne rozwiązywanie modelu w skali globalnej. Zaplanowane symulacje modelowe prowadzone będą przy użyciu modelu FESOM2.0, rozwiniętego w ostatnich latach w Instytucie Alfreda Wegenera

Celem Zadania 4 jest szczegółowa weryfikacja, w jakim stopniu lokalne zwiększenie rozdzielczości w modelu o nieregularnej siatce (unstructured mesh) wpływa na poprawę odwzorowania cyrkulacji oceanicznej i właściwości mas wodnych w Północnym Atlantyku, a także w Oceanie Arktycznym. Zwiększanie rozdzielczość po kolei w poszczególnych kluczowych rejonach w różnych kombinacjach ma na celu uzyskanie oceny ilościowej ulepszenia modelu (większej wiarygodności odwzorowania procesów w oceanie), wynikającego z lokalnie wyższej rozdzielczości, jak również umożliwi rozpoznanie, jaką rolę pełnią poszczególne kluczowe rejony w powstawaniu powszechnie występujących niedokładności modeli oraz w przewidywalności zmian klimatu Arktyki. Celem tego zadania jest w szczególności systematyczne zbadanie wpływu lokalnego zagęszczenia siatki modelu na mody zmienności w północnym Oceanie Atlantyckim oraz potencjalnego wpływu na przewidywalność lodu morskiego w Oceanie Arktycznym.

Planowane prace obejmują analizę niedokładności symulowanej cyrkulacji w Północnym Atlantyku oraz reprodukowanej przez model zmienności w Arktyce w odpowiedzi na wybór oraz lepsze dopasowanie parametryzacji procesów fizycznych w modelu klimatycznym INMCM4 o rozdzielczości umożliwiającej reprodukcję wirów (rozdzielczość rzędu 1/6 do 1/8 stopnia w oceanie). Specjalna uwaga poświęcona będzie parametryzacji wirów mezoskalowych w oceanie, parametryzacjom procesów fizycznych w warstwie granicznej na styku atmosfera-ocean(lód morski) oraz parametryzacjom procesów transportu wód głębinowych (overflow). Eksperymenty numeryczne prowadzone będą również przy użyciu nowej wersji globalnego modelu klimatycznego INMCM5, obecnie rozwijanego przez INM. Głównym celem tych eksperymentów będzie ocena efektu „stopniowego” ulepszania modelu na symulowany klimat, zmienność i potencjalną przewidywalność zmian klimatycznych w rejonie Arktyki.

Celem Zadania 5 jest jakościowa i ilościowa ocena, w jakim stopniu wprowadzenie nowych lub ulepszenie dotychczas stosowanych parametryzacji procesów fizycznych wpływa na zmniejszenie błędów w reprodukowanych przez model modach zmienności oceanu, atmosfery i lodu, szczególnie w kluczowych rejonach Północnego Atlantyku, mających wpływ na wiarygodność predykcji klimatycznych w Arktyce. Dodatkowo Zadanie 5 ma na celu uzyskanie odpowiedzi na pytanie, w jakim stopniu efekt ulepszenia parametryzacji fizycznych zależy typu i rozdzielczości indywidualnych modeli.

Partnerzy projektu pracujący nad rozwojem modeli E6F oraz INMCM4/INMCM5 zobowiązali się do dostarczania wyników symulacji numerycznych prowadzonych w ramach NAtMAP do repozytorium danych modelowych projektu nowego projektu CMIP6 (Climate Models Intercomparison Project), stanowiącego nową fazę kończącego się projektu CMIP5. Daje to również możliwość przeprowadzenia szczegółowych porównań i walidacji wyników tych modeli klimatycznych przy użyciu wyników innych modeli klimatycznych, biorących udział w CMIP6, w szczególności tych o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, które nie były częścią CMIP5. Zgodnie z harmonogramem prac grupy CMIP6 pierwsze wyniki eksperymentów numerycznych przy użyciu modeli z grupy CMIP6 powinny być dostępne w końcowej fazie projektu NAtMAP (Meehl et al., EOS Transactions, 2014). Prace w Zadaniu 6 obejmować będą uzyskanie dostępu do wyników symulacji modeli CMIP6, osiągalnych podczas trwania projektu NAtMAP oraz porównanie wyników modeli E6F oraz INMCM5 z wynikami symulacji CMPI6 dla podobnych scenariuszy. Jeśli wyniki symulacji modeli CMIP6 nie staną się dostępne podczas trwania projektu (sytuacja ta jest niezależna od partnerów projektu), porównania ulepszonych symulacji FESOM2.0 i INMCM5 prowadzone będą z najnowszymi wynikami modeli z grupy CMIP5.

Celem Zadania 6 jest walidacja modeli klimatycznych wykorzystywanych w projekcie NAtMAP poprzez porównanie z wynikami najnowszych osiągalnych globalnych modeli klimatycznych, udostępnianych w ramach kolejnej fazy projektu CMPI (CMIP6). Przy pomocy metod statystycznych i graficznych przeprowadzona zostanie analiza, mająca na celu zidentyfikowanie obszarów, szczególnie w rejonie Północnego Atlantyku, dla których symulacje modeli E6F oraz INMCM5 odbiegają od powtarzalnych i wiarygodnych wyników symulacji przy użyciu innych modeli z grupy CMIP6. Szczególna uwaga zostanie poświęcona porównaniom z wynikami nowych modeli klimatycznych o zwiększonej rozdzielczości, które nie były dostępne w ramach poprzedniej fazy projektu CMIP (CMIP5).

Ostania faza projektu poświęcona jest syntezie rezultatów, uzyskanych we wcześniejszych zadaniach, jak również przygotowaniu artykułów naukowych, zawierających opis osiągnięte wyników i ogólne rekomendacje dla środowiska naukowego, zainteresowanego rozwijaniem globalnych modeli klimatu. W ramach tego zadania zostaną wzajemnie porównane i ocenione efekty ulepszeń zastosowanych w modelach projektu, ze szczególnym uwzględnieniem stopnia poprawy odwzorowania cyrkulacji oceanicznej, właściwości i rozmieszczenia mas wodnych, głębokowodnego transportu oraz reprezentacji struktur wirowych w rejonie Północnego Atlantyku. Zadanie to obejmuje również bardziej ogólną analizę, opartą na wynikach symulacji numerycznych i zebranych danych obserwacyjnych, poświęconą zbadaniu wcześniej nieznanych lub nieprawidłowo opisywanych mezoskalowych zależności, interakcji i telekoneksji w systemie lód morski-ocean-atmosfera w rejonach Północnego Atlantyku i Oceanu Arktycznego.

Celem Zadania 7 jest zebranie i usystematyzowanie wniosków, osiągniętych w wyniku analiz prowadzonych we wcześniejszych zadaniach, ze szczególnym uwzględnieniem porównania skuteczności ulepszeń wprowadzonych w modelach projektu (zwiększanie rozdzielczości w różnych rejonach, nowe lub ulepszone parametryzacje fizyczne). Głównym celem tego zadania będzie również wypracowanie rekomendacji, opartej na zebranych rezultatach walidacji ulepszonych modeli i dotyczącej najbardziej efektywnych metod poprawy cyrkulacji i charakterystyki mas wodnych w Północnym Atlantyku reprodukowanych przez globalne modele klimatyczne. Zadanie 7 ma również na celu ocenę, w jakim stopniu i poprzez jakie mechanizmy poprawa symulacji Północnego Atlantyku w modelach klimatycznych wpływa na poprawienie wiarygodności predykcji klimatu Arktyki, jak również przewidywalności zmian zachodzących obecnie w pokryciu Oceanu Arktycznego lodem morskim. Końcowym celem Zadania 7 jest rozpowszechnianie rezultatów projektu NAtMAP w postaci artykułów w renomowanych czasopismach naukowych oraz ich prezentacji na konferencjach międzynarodowych w Europie i USA.