Войти на сайт
МЕЖДУНАРОДНЫЕ ЕЖЕГОДНЫЕ КОНФЕРЕНЦИИ
"СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА"
(Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, природных и антропогенных объектов)

Восемнадцатая Всероссийская Открытая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)»

Участие в конкурсе молодых ученых 

XVIII.D.528

Холодные вторжения над морями Российской Арктики: климатология, тренды, связь с крупномасштабной циркуляцией, облачно-радиационные характеристики атмосферы

Нарижная А.И. (1), Чернокульский А.В. (1), Эзау И.Н. (2)
(1) Институт физики атмосферы имени А. М. Обухова РАН, Москва, Россия
(2) Научный фонд Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию имени Нансена (Фонд "Нансен-центр"), Берген, Норвегия
В связи с глобальным потеплением во многих регионах земного шара происходят значительные изменения в распределении радиационных потоков и потоков тепла и влаги между океаном и атмосферой. В частности, во время холодных вторжений (ХВ) – продолжительной адвекции холодного воздуха над открытой морской поверхностью, – изменения радиационных потоков и обменных процессов достигают наибольшей амплитуды. Поток явного тепла от морской поверхности во время ХВ может достигать 400-500 Вт/м2 [3]. В связи с этим, исследование климатологических характеристик ХВ имеет важное значение для изучения процессов, определяющих энергообмен в акваториях высоких широт. Существенное значение при этом играет характер облачности. В целом, несмотря на имеющиеся исследования холодных вторжений, облачные характеристики для ХВ изучены в недостаточной мере [1]. В данном исследовании изучен широкий набор случаев ХВ над морями западной и восточной акваторий Российской Арктики, с выделением отдельных наиболее интенсивных вторжений с целью анализа трансформации облачно-радиационных характеристик при прохождении ХВ над открытой водой, а также с целью изучения взаимосвязи ХВ с мезомасштабной циркуляцией атмосферы, в частности, с циклонической активностью [2].
Вначале были выделены сроки, когда над акваториями морей Российской Арктики наблюдались холодные вторжения. Вторжения выделяли на основе индекса ХВ, рассчитанного с использованием 6-часовых данных о температуре поверхности и потенциальной температуре реанализа Era-Interim. Индекс ХВ определялся по аналогии с работой Колстада [7] как разность потенциальной температуры на уровне 800 гПа и температуры поверхности. В зависимости от значений индекса ХВ отдельно выделялись слабые, средние и сильные ХВ [6]. Отдельно для областей с максимальной повторяемостью ХВ для западной и восточной части морей Российской Арктики была рассчитана межгодовая и внутригодовая изменчивость ХВ.
C целью анализа облачно-радиационных характеристик ХВ для территории Баренцева моря были составлены композитные карты для случаев сильных ХВ. Далее, для подобных выбранных случаев по спутниковым данным CERES [4] был проведен анализ различных облачно-радиационных характеристик атмосферы. Анализировались в том числе облачно-радиационный эффект в длинноволновой и коротковолновой части спектра на поверхности и верхней границе атмосферы, балл облачности, водозапас и ледозапас облаков. Также по данным архива NOAA [5] рассматривалась зависимость этих вторжений от различных параметров: свойств воздушной массы (температуры и влажности), температуры поверхности Баренцева моря, удаленности от кромки льда. В частности, на основе регресcионного анализа показано, что рост температуры поверхности Баренцева моря на 1 градус приводит к росту длинноволнового облачно-радиационного эффекта во время холодных вторжений на 6,1 Вт/м2, росту нижней облачности на 6,9% и увеличению влагосодержания в облаках на 9,4 г/м2. В свою очередь, удаление кромки льда на 100 км приводит к увеличению количества облачности нижнего яруса на 3,8% и повышению содержания водяного пара в нижней облачности на 5,7 г/м2. Увеличение интегральной водности начальной воздушной массы на 1 кг/м2 приводит к росту влагосодержания в облаках на 9,1 г/м2, балла облаков нижнего уровня на 9,8% и длинноволнового облачно-радиационного эффекта на 4,0 Вт/м2.
Анализировалось также влияние мод климатической изменчивости внетропических широт Северного полушария на характеристики ХВ. В частности было показано, что в положительные фазы Североатлантической осцилляции и Атлантической мультидесятилетней осцилляции следует ожидать ослабления холодных вторжений и уменьшения их интенсивности, а в отрицательную – наоборот (коэффициенты корреляции составляют -0,17 и -0,25, соответственно).
В работе была выявлена значимая связь между характеристиками облаков, полученными на прибрежных российских метеорологических станциях, и характеристиками вторжений — усиление или учащение ХВ приводит к росту конвективных форм облаков (Cu, Cb) и к уменьшению слоистых форм (St, Ns): коэффициенты корреляции повторяемости умеренных холодных вторжений и доли небосвода, закрытой конвективными и слоистыми облаками на отдельных станциях достигают 0,47 и -0,4 соответственно.
Полученные в рамках данной работы результаты могут быть в дальнейшем использованы для валидации моделей земной системы, которые до сих пор не способны корректно воспроизводить некоторые аспекты трансформации воздушных масс и облачно-радиационных характеристик во время холодных вторжений, а также отклик характеристик холодных вторжений на изменения климата и климатическую изменчивость.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 18-05-60216) и РНФ (проект № 18-47-06203).

Ключевые слова: Холодные вторжения, Российская Арктика, изменение климата, композитный анализ, облачно-радиационные характеристики, спутниковые данные, крупномасштабные процессы.
Литература:
  1. Чечин Д. Г., Пичугин М. К. 2015. Холодные вторжения над океаном в высоких широтах и связанные с ними мезомасштабные циркуляции в атмосфере: проблемы численного моделирования. – Исследование Земли из космоса, № 3, c. 71.
  2. Fletcher J. K., Mason S., Jakob C. 2016. A climatology of clouds in marine cold air outbreaks in both hemispheres. – Journal of Climate, vol. 29, №. 18, pp. 6677-6692.
  3. Kolstad E. W., Bracegirdle T. J. 2008. Marine cold-air outbreaks in the future: an assessment of IPCC AR4 model results for the Northern Hemisphere. – Climate Dynamics, vol. 30, № 7-8, pp. 871-885.
  4. National Aeronautics and Space Administration. CERES Data Products. – Электронный ресурс. URL: https://ceres.larc.nasa.gov/products-info.php?product=SYN1deg (дата обращения 15 января 2020).
  5. Pithan, F., Svensson, G., Caballero, R., Chechin, D., Cronin, T. W., Ekman, A. M., Neggers, R., Shupe, M. D., Solomon, A., Tjernström, M., Wendisch, M. 2018. Role of air-mass transformations in exchange between the Arctic and mid-latitudes. – Nature Geoscience, vol. 11, № 11, pp. 805-812
  6. Zahn, M., Akperov, M., Rinke, A., Feser, F., Mokhov, I. I. 2018. Trends of cyclone characteristics in the Arctic and their patterns from different reanalysis data. – Journal of Geophysical Research: Atmospheres, vol. 123, № 5, pp. 2737-2751.

Дистанционные методы исследования атмосферных и климатических процессов

167