Прототип автоматизированной технологической линии прогноза зарождения и перемещения полярных мезоциклонов для Арктического региона России

В 1994 году Рабочей группой по полярным депрессиям Европейского геофизического общества для наименования облачных вихрей α и β мезомасштаба (от 20 до 2000 км), возникающих над морями к полюсу от полярного фронта, рекомендовано использовать термин «полярный мезоциклон» (polar mesocyclone) [Rasmussen, Turner J. 2003]. Полярные мезоциклоны (ПМЦ) зачастую сопровождаются опасными погодными явлениями.
В Северном полушарии областью наиболее активного мезомасштабного циклогенеза является акватория Северо-Европейского бассейна. Над северными морями России, лежащими к востоку от Новой Земли (Карское море, море Лаптевых и Восточно-Сибирское море), ПМЦ возникают гораздо реже, вследствие меньшей, чем в Северо-Европейском бассейне, площади свободной от льда морской поверхности. В этих областях наблюдается летний максимум в годовом ходе количества ПМЦ в отличие от зимнего максимума в морях западнее Новой Земли. Возникновение ПМЦ над акваториями морей Восточного сектора Арктики связано, в первую очередь, с переносом относительно теплого воздуха с суши на море [Яровая, Ефимов, 2022].
Полярные мезовихри могут иметь различные механизмы образования. Основные, по современной классификации, это бароклинные и конвективные типы мезоциклонов [Гончаров Р.И. и др. 2020, Ефимов В.В., Яровая Д.А., Комаровская О.И. 2020].
В среднем размеры ПМЦ составляют 200 – 600 км, а срок их жизни в большинстве случаев менее полутора суток. Прогноз ПМЦ до настоящего времени остается актуальной проблемой.
Нами было предложено использовать для прогноза ПМЦ индексы конвективной неустойчивости. Поля различных конвективных индексов могут иметь особенности в областях мезоциклонов, возникающих при различных синоптических ситуациях, поскольку связаны как с термическими, так и с динамическими характеристиками атмосферных процессов. Расчет полей конвективных индексов для уже идентифицированных ПМЦ и их сопоставление с наблюдаемыми характеристиками позволили выделить ограниченный перечень этих индексов в качестве предикторов. Для каждого используемого индекса были определены региональные пороговые значения. Суперпозиции их полей, по нашему мнению, дают возможность вероятностного прогнозирования зарождения и формирования прогностической траектории перемещения рассматриваемого ПМЦ.
На основе полученных результатов был разработан программный комплекс, в состав которого входит полярная версия модели WRF (PWRF) и комплекс программ (в том числе и программ запуска расчетов по расписанию), позволяющих в автоматическом режиме формировать вероятностные прогностические карты угроз возникновения и перемещения ПМЦ в заданном районе. Расчетная область в данный момент включает в себя практически всю акваторию Баренцева и Карского морей, а также западную часть моря Лаптевых – это области, где сравнительно часто наблюдаются ПМЦ. Она была выбрана для отладки развернутого прототипа технологической линии построения автоматизированных прогнозов ПМЦ. В качестве начальных и граничных условий при проведении расчетов используются прогностические данные глобальной модели GFS с разрешением 0,5 градуса (счет от 00 ч UTC).
Последовательность расчета прогноза зарождения и перемещения ПМЦ следующая. В процессе расчета на модели PWRF формируются выходные файлы, содержащие прогностические данные по стандартным метеоэлементам в узлах заданной расчетной сетки. На их основе рассчитываются поля индексов конвективной неустойчивости атмосферы. На базе выбранной конфигурации индексов (в настоящий момент это восемь динамических индексов, связанных с завихренностью, спиральностью и сдвигом ветра в пограничном слое) строится поле вероятности образования ПМЦ с учетом предположения о том, что чем больше индексов идентифицировали закритическую область, тем больше вероятность того, что в этой области может быть обнаружен ПМЦ. В выделенных зонах с 80% вероятностью возникновения ПМЦ на построенном пространственном распределении вероятностей рассчитываются геометрические «центры масс» предполагаемых ПМЦ. Расчеты проводятся для каждого момента времени исходного прогноза. По результатам сопоставления «центров масс», рассчитанных за последовательные моменты времени, с учетом определенных условий производится их объединение по принадлежности к одному и тому же ПМЦ. Таким образом, формируется прогностическая траектория перемещения рассматриваемого ПМЦ.
На заключительном этапе работы осуществляется построение карт прогностических траекторий перемещения центров областей с заданной вероятностью обнаружения ПМЦ. Эти траектории, по нашему мнению, в определенной степени отражают возможную картину перемещения реального мезоциклона.
Разработанная технологическая линия была запущена в работу в НПО «Тайфун» в тестовом режиме [Петриченко и др. 2023, 2023]. В 2023 году были проведены ее авторские испытания. В ходе этих испытаний осуществлялись ежедневные прогностические расчеты на 48 часов возможного зарождения и перемещения ПМЦ в пределах выделенной акватории, выбранной в качестве испытательного полигона. Параллельно анализировались космические изображения, публикуемые на сайте ФГБУ «НИЦ космической гидрометеорологии «Планета». Также для идентификации ПМЦ использовались обработанные спутниковые изображения с сайта Метео-Сибирь (https://geosib.rcpod.ru/), полученные со спутника Арктика-М №1. В 2024 году в ААНИИ в три этапа (с 01.04.2024 г. по 15.05.2024 г., с 01.07.2024 г. по 15.08.2024 г. и с 01.10.2024 г. по 15.11.2024 г.) по аналогичной схеме проходят независимые испытания технологии. В ходе этих испытаний результаты прогностических расчетов для ААНИИ выкладываются на ежедневной основе на FTP-сервере НПО «Тайфун». Верификация прогнозов производится в ААНИИ на базе спутниковых изображений с сайта Метео-Сибирь (Арктика-М №1 и №2). На текущий момент по результатам первых двух этапов независимых испытаний общая оправдываемость прогноза оценивается в 70%, доля ложных прогнозов – 5%, пропуск ПМЦ – 23% и 2% составили неверифицируемые прогнозы, из-за отсутствия на это время спутниковых данных. Очевидно, что пока основной проблемой требующей решения является снижение числа пропусков ПМЦ (повышение предупрежденности ПМЦ).
В дальнейшем предполагается продолжить работу по совершенствованию разработанной технологии прогноза ПМЦ. В частности планируется повысить качество прогноза за счет непосредственного усвоения спутниковой информации в блоке расчета метеопараметров.