Оценки влияния аэрозолей на прогнозирование погоды в Аркическом регине на примере модели Enviro-HIRLAM

В работе исследованы результаты прогнозирования модели Enviro-HIRLAM с включенным и выключенным блоком аэрозолей для Арктического региона Российской Федерации. Полученные результаты (отклонение приземной температуры составило 30С как в сторону завышения результатов, так и в сторону их занижения, а для относительной влажности амплитуда отклонений достигала 30%) показывают важность учёта аэрозолей при прогнозировании погоды и климата и доказывают необходимость проведения дальнейших научных изысканий для совершенствования методов моделирования.
Трудно переоценить значение влияния атмосферных аэрозолей на состояние воздушной оболочки Земли. Главная задача при изучении атмосферных частиц состоит в учёте влияния аэрозолей на метеорологические и климатические параметры. Здесь стоит учесть, что в остаточном эффекте частицы влияют на радиационный баланс атмосферы и подстилающей поверхности как в положительную, так и в отрицательную сторону (Береснев, 2008; Kok, 2023). Следует отметить, что количественные характеристики радиационных возмущений, возникающих из-за флуктуаций аэрозолей различного типа так и не определены, до сих пор не выяснены многочисленные механизмы, происходящие во время жизненного цикла аэрозольных частиц, которые как нагревают, так и охлаждают климатическую систему.
В исследовании были проведены 8 численных экспериментов на атмосферной модели Enviro - HIRLAM (Environment-High Resolution Limited Area Model) (Baklanov, 2017) с учётом влияния аэрозолей и без него по одному месяцу (январь, апрель, июль, октябрь) для каждого из четырёх сезонов 2010 года. Полученные данные были обработаны с помощью программ на языке Python и представлены в виде полей разностей между метеорологическими величинами, смоделированными с включённым и с выключенным блоком аэрозолей.
При анализе результатов исследования было выявлено, что в зимний период отклонения приземных температур под влиянием аэрозолей незначительна, несколько десятых долей градуса, весной она местами составляет один градус, летом и осенью разница достигает уже трёх градусов, как в сторону завышения, так и в сторону занижения результатов (завышения до 3 градусов фиксируются над Карским морем и над морем Лаптевых, в районе Средне - Сибирского плоскогорья, Верхоянского хребта; понижение до 3 градусов - в долине реки Лены), причём одновременно наблюдаются как области занижения до трёх градусов, так и завышения тоже до трёх градусов (от южной части Обской губы до плато Путорана и на Таймыре).
Для относительной влажности воздуха в зимой и весной характерна незначительная разница между результатами этих двух экспериментов, достигающая местами нескольких процентов. В летний и осенний периоды отклонения достигают 30% как в сторону завышения расчетной величины, так и в сторону занижения (между Печорой и Уральскими горами, а также в районе реки Лены фиксируются резкие скачки отклонений от 30% в сторону завышения до 30% в сторону занижения результатов).
При исследовании суточного хода разности приземных температур воздуха выяснилось, что за сутки 2 января 2010 года на фоне незначительных отклонений приземной температуры воздуха за счёт влияния аэрозолей появилось несколько сильных (свыше трёх градусов) очагов разности результатов изучаемых экспериментов. Срок жизни некоторых (на Кольском полуострове и на Среднесибирском плоскогорье) был невелик, от 6 до 12 часов, а очаг, который за сутки сместился от Динского залива Белого моря до полуострова Канин к началу следующих суток только увеличился. Летом на примере 2 июля 2010 также наблюдаются сильные различия сроков жизни очагов влияния аэрозолей на температуру воздуха. Над Кольским полуостровом завышение в 1-1,5 градуса в срок 00 часов за последующие 6 часов усилилось местами до 3 градусов, а к сроку 12 часов сменилось занижением: сначала очагами до двух градусов, а затем практически над всей территорией полуострова до 1 градуса.
В ходе анализа суточного хода отклонений результатов прогнозирования относительной влажности без учёта влияния аэрозолей выяснилось, что в тёплое время года влияние аэрозолей на относительную влажность усиливается, зафиксированы отклонения до 30% в сторону завышения результатов и до 20% в сторону занижения, причём области максимального завышения и занижения могут примыкать друг к другу и, что самое важное, срок жизни очагов отклонений может составлять несколько часов.
В исследовании более подробно был изучен один из самых сильных очагов разности значений приземной температуры воздуха, смоделированной с учётом влияния аэрозолей и без учёта влияния аэрозолей (около полуострова Канин) 2 июля 2010 года. Выяснено, что области завышения и занижения результатов моделирования температуры занимают относительно небольшую площадь и расположены близко друг к другу, причём участки отклонения как в сторону завышения, так и в сторону занижения могут чередоваться через 30 - 50 километров. Амплитуда отклонений температуры расположенных рядом участков может колебаться от четырёх градусов в сторону занижения результатов до трёх градусов в сторону их завышения. Причиной возникновения ярко выраженного очага могут быть выбросы аэрозолей от природных пожаров в Московской области, так как в рассматриваемый срок наблюдалось перемещение антициклонической воздушной массы со стороны региона Москвы, которое могло переносить аэрозольные частицы от горения леса и торфяных болот, учитывая, что 1 - 2 июля 2010 года в Московской области было зафиксировано 130 очагов природных пожаров на площади 880 гектаров, в том числе 67 торфяных пожаров общей площадью около 178 гектаров (Приходько, 2023; Сирин, 2022). В районе южной части полуострова Канин продвижению воздушной массы, переносящей аэрозольные соединения из Московской области, препятствовала воздушная масса с востока, поэтому в месте столкновения возможно скопление аэрозольных частиц, а следовательно, более яркое проявление эффекта влияния аэрозолей на температуру воздуха. К сроку 00 часов 3 июля 2010 года на территории очага влияния аэрозолей господствовали циклонические ветры со стороны Карелии, а скопление аэрозольных частиц и, соответственно, область проявления их влияния, прекратили своё существование .
По результатам исследования можно сделать вывод, что разность значений приземных температур, полученных при расчётах с включённым и выключенным блоком аэрозолей достигает 3 градусов Цельсия как в сторону завышения, так и в сторону занижения. При этом максимальная разность наблюдается в летний и осенний сезоны, в то время как в зимний период она не настолько значительна. Максимальную амплитуду отклонений относительной влажности, достигающую 30%, можно увидеть в летний сезон, а в зимой и весной она местами доходит до 10%. Объяснением данной ситуации может служить увеличение выбросов от лесных пожаров летом и ранней осенью.
Территории охвата эффекта влияния аэрозолей могут быть как обширными, так и локальными. Наиболее сильные отклонения проявляются относительно небольшими очагами.
Время жизни очагов влияния аэрозолей в исследуемый период варьируется от нескольких часов до нескольких дней.
Все вышеперечисленные факты значительно затрудняют коррекцию влияния аэрозолей с помощью коэффициентов и поправок при прогнозировании. Особенно важно, что влияние аэрозолей может как завышать, так и на занижать значения прогнозируемых величин, поэтому любая фиксированная поправка может удвоить ошибку прогноза.
Таким образом, существенная разница значений результатов численных экспериментов с учётом влияния аэрозолей и без учёта влияния аэрозолей доказывает важность включения влияния аэрозолей в процесс прогнозирования температуры воздуха и относительной влажности, а также проведения дальнейших научных изысканий для совершенствования методов моделирования влияния аэрозолей на значения метеорологических параметров.
Исследование проведено в рамках гранда ФНС № 23-77-30008.