Полярные мезоциклоны по спутниковым наблюдениям, данным реанализа и модельным расчетам

Аннотация

Оценена возможность выявления полярных мезоциклонов (ПМЦ) в атмосфере северо-европейского сектора Арктики по разным данным реанализа (NASA-MERRA, ERA-INTERIM, NCEP-CFSR, ASR) c различным пространственным разрешением и по расчетам с региональной климатической моделью высокого разрешения (HIRHAM5). Сопоставление с данными спутниковых наблюдений в 2002-2008 гг. (проект STARS) свидетельствует, что по данным реанализа можно выявить до 75% полярных мезоциклонов. Отмеченные различия в характеристиках полярных мезоциклонов по данным реанализа зависят от пространственного разрешения и качества ассимилированных данных. При этом следует отметить, что, например, при высоком пространственном разрешении данных арктического реанализа ASR воспроизводится меньше мелкомасштабных ПМЦ, чем по данным реанализа MERRA с более грубым пространственным разрешением. Для выяснения причин отмеченной меньшей повторяемости ПМЦ в расчетах с региональной климатической моделью по сравнению с полученной по данным реанализа необходимо исследование мезомасштабных процессов в модели.

Введение

Одним из наиболее значимых атмосферных вихрей в высоких широтах являются полярные мезоциклоны (ПМЦ). Они характеризующиеся коротким временем жизни (менее суток) и сравнительно небольшими пространственными размерами (диаметр менее 1000 км). ПМЦ характерны для холодного периода года, когда арктический холодный воздух натекает на относительно теплую морскую поверхность (Rasmussen, Turner, 2003; Мохов и др., 2007). Поскольку размеры и время жизни полярных мезоциклонов малы по сравнению с вихрями синоптического масштаба, они не всегда обнаруживаются по данным реанализа, в частности, по данным с низким пространственным разрешением. Проблема также связана с качеством ассимилируемых полей из-за относительно разреженной метеорологической наблюдательной сети в высоких широтах Северного полушария. Отдельные оценки, сделанные на основе данных реанализа ERA40 и ERA-INTERIM, свидетельствуют об ограниченности данных реанализов для воспроизведения всего спектра размеров ПМЦ (Zappa et al., 2014; Laffineur et al., 2014). Однако с появлением данных спутниковых наблюдений, данных реанализа высокого пространственного разрешения, а также региональных климатических моделей для Арктического региона, появились дополнительные возможности для анализа режимов ПМЦ.
В данной работе оцениваются возможности использования различных современных данных реанализа, а также модельных расчетов с Арктической региональной климатической моделью для выявления полярных мезоциклонов в арктической атмосфере.

Методы анализа и используемые данные

Характеристики циклонов (пространственное распределение, повторяемость, размер) над Северо-Европейским сектором Арктики определялись с помощью метода, описанного в (Бардин, Полонский, 2005; Акперов и др., 2007, 2010, 2013; Akperov et al., 2015), используя 6-часовые данные реанализа NASA-MERRA (Rienecker et al., 2011) (далее MERRA), ERA-Interim (Dee et al., 2011) (далее ERAI), NCEP-CFSR (Saha et al., 2010) (далее CFSR), ASR (Bromwich et al., 2009), а также региональной климатической модели (РКМ) HIRHAM5 (далее HIRHAM) для атмосферного давления на уровне моря. Граничные условия для региональной климатической модели HIRHAM брались из реанализа ERA-I. Для сравнения использовались спутниковые наблюдения (далее STARS) для выявления мезоциклонов (Noer et al., 2011). Проводился поиск полярного мезоциклона по спутниковым данным в массиве характеристик циклонов, полученных по данным реанализа. Критерием поиска служило близость расстояния между ПМЦ на основе спутниковых наблюдений и данных реанализа. Данные анализировались для холодного периода года (октябрь-апрель) и периода 2002-2008 гг.

Результаты

Повторяемость ПМЦ, выявленных по данным реанализа, по отношению к соответствующей повторяемости по спутниковым наблюдениям находится в диапазоне от 65% (CFSR) до 75% (MERRA). Наиболее сильные различия повторяемости ПМЦ по спутниковым наблюдениям и данным реанализа отмечается для января, а наилучшее соответствие отмечается для октября. Реанализы MERRA и ASR достаточно хорошо выявляют мелкие ПМЦ (с размерами до 100 км), в то время как по данным реанализа CFSR такие мелкие циклоны не выявляются. Несмотря на высокое разрешение региональной климатической модели (25 км), повторяемость ПМЦ сопоставима с повторяемостью более грубого реанализа ERAI (75 км).

Выводы

По современным данным реанализа и модельным расчетам повторяемость полярных мезоциклонов меньше, чем по спутниковым наблюдениям для Северо-Европейского сектора Арктики. Различия в повторяемости ПМЦ по этим данным получены в пределах 65-75%. Наиболее хорошее соответствие со спутниковыми данными выявлены по данным реанализа MERRA.
Различия в характеристиках полярных мезоциклонов, идентифицированных по данным реанализа, могут быть связаны с пространственным разрешением данных и с качеством ассимилированных данных. Так, например, при высоком пространственном разрешении по данным реанализа ASR воспроизводится меньше мелких ПМЦ, нежели по данным реанализа MERRA с более грубым разрешением.
Повторяемость ПМЦ по данным региональной климатической моделью HIRHAM сопоставима с грубым реанализом ERA-INTERIM. При этом по модельным расчетам идентифицируется больше крупных мезоциклонов относительно реанализа. Одной из причин такой недооценки мелких ПМЦ на основе модели может быть связано с неадекватным учетом мезомасштабных процессов в Арктике и их параметризацией в данной модели.
Работа проведена при поддержке гранта РФФИ № 16-35-60078.