Идентификация интенсивных мезомасштабных циклонов над восточным сектором Евразийской Арктики по данным мультисенсорных спутниковых измерений и реанализа

Полярные мезоциклоны (МЦ) являются продуктом интенсивного взаимодействия океана и атмосферы. Они очень быстро возникают и развиваются над морской поверхностью в высоких широтах и вызывают резкое и трудно прогнозируемое ухудшение погоды. Сокращение арктического ледяного покрова и повышение температуры морской поверхности привело к активизации мезоциклонической деятельности над восточным сектором Евразийской Арктики, где ранее она считалась маловероятной (Rasmussen, Turner, 2003). Необходимость изучения мезомасштабного циклогенеза в этом регионе диктуется развитием Северного морского пути, освоением новых районов рыболовства и разработкой добычи полезных ископаемых на арктическом шельфе. В результате предыдущих исследований авторами были получены предварительные оценки внутригодовой и межгодовой изменчивости мезоциклонической активности и выявлены региональные особенности условий формирования и развития МЦ (Zabolotskikh et al., 2015; Гурвич, Заболотских, 2015; Гурвич и др., 2016). Однако достоверный статистический анализ и выявление климатических трендов в восточном секторе Евразийской Арктики осложняется проблемой идентификации МЦ (Варенцов и др., 2016). Трудности идентификации связаны с ограниченной возможностью использования спутниковых видимых и инфракрасных изображений в условиях полярной ночи и меньшей по сравнению с другими регионами мезомасштабного циклогенеза вертикальной мощностью облачной системы МЦ, что при многослойной облачности мешает их обнаружению. Для решения поставленной задачи применялся метод комплексного использования современных реанализов высокого разрешения и мультисенсорных спутниковых данных. Исследование проводилось на основе созданных массивов полей вектора ветра и давления на уровне моря по данным реанализов NCEP-CFSR, ERA Interim, MERRA и ASR, дополненных измерениями скаттерометров SeaWinds (спутник QuikSCAT) и ASCAT (спутники MetOp-A и MetOp-B), полями приводного ветра W, интегрального паросодержания атмосферы V и водозапаса облаков Q по данным микроволновых радиометров AMSR-E (спутник Aqua) и AMSR2 (спутник GCOM-W1), а также видимыми и инфракрасными (ИК) изображениями облачности по данным спектрорадиометра MODIS (спутники Aqua и Terra) и 22-полосного радиометра VIIRS (спутник Suomi NPP). Для восстановления полей W, V и Q применялись оригинальные алгоритмы восстановления параметров атмосферы и океана по данным измерений многоканальных микроволновых радиометров, основанные на физическом моделировании радиояркостных температур уходящего излучения системы океан-атмосфера и их последующем обращении в геофизические параметры при помощи нейронных сетей. МЦ считался идентифицированным, если мезоциклоническая циркуляция обнаруживалась в полях приводного ветра с W ≥ 12 м/с и подтверждалась полями облачности, водяного пара и капельной влаги. Сравнение полей вектора приводного ветра и атмосферного давления на уровне моря по данным перечисленных выше реанализов с данными мультисенсорных спутниковых измерений показало преимущество реанализа NCEP-CFSR. В полях вектора ветра реанализ CFSR достоверно выявляет районы, охваченные мезоциклонической деятельностью. В пределах этих районов адекватно воспроизводятся отдельные МЦ. Часть МЦ из-за недостатка данных не воспроизводится в поле ветра или воспроизводится как слабая мезоциклоническая циркуляция. Анализ видимых и ИК-изображений MODIS и VIIRS выявил также МЦ с отчетливо выраженной спиральной структурой облачной системы при слабой мезоциклонической циркуляции (W ≤ 10 м/с) или отсутствии таковой в полях приводного ветра. Эти МЦ, как правило, обнаруживались вблизи побережья или разреженных ледяных полей, где возрастает погрешность восстановления скорости ветра по активным (скаттерометры) и пассивным (микроволновые радиометры) спутниковым измерениям. Применение алгоритмов восстановления параметров атмосферы и океана, адаптированных к условиям разреженного морского льда,
может уменьшить погрешность восстановления скорости ветра в таких МЦ, что значительно повысит надежность их идентификации.

Работа выполнена при поддержке гранта ДВО РАН 15-I-1-009_о.

Литература

1. Варенцов М.И., Вереземская П.С., Заболотских Е.В., Репина И.А. Оценка качества воспроизведения полярных мезоциклонов по данным реанализов и результатам регионального климатического моделирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13, № 4. С. 168–191.
2. Гурвич И.А., Заболотских Е.В. Мезомасштабные полярные циклоны над восточным сектором Арктики по данным мультисенсорного спутникового зондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 3. С. 101-112.
3. Gurvich I.A., Zabolotskikh E.V., Pichugin M.K. Mesoscale cyclones and cold air outbreaks over the eastern part of the Eurasian Arctic using the satellite multisensor mesurements and reanalysis // 13th European Polar Low Working Group meeting 25-26 April 2016, Paris, France.
4. Rasmussen E.A., Turner J. Polar lows: mesoscale weather systems in the polar regions: Cambridge: Cambr. Univ. Press. 2003. 612 p.
5. Zabolotskikh E.V., Gurvich I.A., Chapron B. New areas of polar lows over the Arctic as a result of the decrease in sea ice extent // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2015, V. 51, No. 9. P. 1021–1033. (Original russian text © E.V. Zabolotskikh, I.A. Gurvich, B. Chapron, 2015, published in Issledovanie Zemli iz Kosmosa, 2015, No. 2, pp. 64–77).