ИСТИНА

Анализ пространственно-временных атмосферных процессов и развитие концепции формирования погоды и климата в условиях антропогенного воздействия

Spatio-temporal analysis of atmospheric processes and the development of the concept of the formation of weather and climate under anthropogenic impact includes the study of the relationship between climate change and circulation systems. This is the study of the interaction of the leading modes of variability with climatic trends, as well as the development of the theory of individual vortex systems (blocking modes) under conditions of climate change. Another direction is the study of the climate of Moscow and other urbanized areas, including the study of the urban "heat island", the composition of air and precipitation, extreme meteorological phenomena, atmospheric radiation (including ultraviolet radiation) based on measurements (ground network, acoustic and radio sounding, mast measuring complexes, satellite data) and modeling (see below). The third direction is the study of a number of objects, the dynamics of which are effectively influenced by climate change. This is a study of the impact of anthropogenic disturbances in forest and bog ecosystems on the flow of greenhouse gases. This is the study of the water balance and fluctuations in the level of the Caspian Sea. This is the study of variations in mountain glaciation (including the Caucasus). This is a study of changes in climate-dependent socio-economic indicators for various regions of Russia. The fourth block is the development of computer modeling methods using atmospheric models (COSMO-CLM / ICON-CLM, COSMO-ART, WRF-ARW, as well as turbulent-resolving ones) and estimates from high-resolution databases for use in solving all of the above problems. And also to study the mechanisms of formation of extreme phenomena (including wind regime, precipitation, ice deposits, air pollution, etc.) in specific topographic and landscape conditions (Arctic, Caucasus, urbanized areas, etc.).

Планируемые результаты сгруппированы по пунктам 1 - 4. 1. Продолжение развития теории индивидуальных вихревых систем с использованием нового подхода, связанного с использованием спиральности в качестве интегральной характеристики вихревой динамики. Изучение Арктического усиления и его региональных проявлений в западном секторе российской Арктики. Исследование роли полярных мезомасштабных циклонов в турбулентном теплообмене между океаном и атмосферной на примере Баренцева моря. Будет исследовано распространение аномалий геопотенциала и температуры воздуха, возникающих в результате прохождения колебания Маддена-Джулиана, в умеренные широты (по данным реанализа и модели INM-CM5 Института вычислительной математики РАН). Будет исследована термодинамическая структура отклика тропосферы и стратосферы умеренных и полярных широт Северного и Южного полушарий на два типа Эль-Ниньо. 2. Анализ явления городского «острова тепла» на примере Москвы, а также малых городов Московского региона. Планируется провести подробный статистический анализ влияния на интенсивность «остров тепла» Москвы разных метеорологических величин и процессов, а также исследовать эмпирические функции его интенсивности от температуры воздуха, скорости ветра и пр. Создание базы данных естественной освещенности при различной облачности. Создание эмпирической и математической моделей естественной освещенности в облачных условиях. Сравнение моделей с независимой выборкой наблюдений освещенности земной поверхности в облачной атмосфере. Совершенствование программного обеспечения для нового комплекса МО МГУ стандарта BSRN, провести методические исследования результатов радиационных измерений; на основании данных измерений оценить радиационные эффекты атмосферы в 2022 гг. Создание однородного временного ряда, необходимого для оценки многолетней изменчивости УФ радиации. Провести анализ биологически активной эритемной УФ радиации и длинноволновой УФ радиации в Москве по данным измерений в МО МГУ в 2022 г. с использованием данных измерений и модели реконструкции. 3. Будет выполнен начальный этап типизации синоптических процессов, которые являются триггером крупных аномалий метеорологического режима в основных горно-ледниковых районах России (Кавказ, Алтай, Камчатка). На основании анализа результатов полевых экспериментов и численного моделирования будут предложены модельные алгоритмы для расчета потоков парниковых газов над земной поверхностью с неоднородной растительностью и сложной топографией. На основании данных измерений методом турбулентных пульсаций и экспозиционных камер будут получены данные о временной изменчивости потоков парниковых газов (СО2, СH4 и N2O) при лесовосстановлении на антропогенно-нарушенных участках земной поверхности. Будет проведен анализ аномалий потоков парниковых газов в лесах умеренной зоны и тундровых сообществах приполярной зоны, и выполнена оценка отклика нетто СО2 обмена лесных сообществ с атмосферой на экстремальные колебания температуры воздуха и количества осадков в лесных экосистемах умеренных и приполярных широт. 4. Будут проведены оценки воспроизведения ветрового волнения в шхерах и заливах различных пространственных масштабов в зависимости от форсинга – NCEP/CFSR и COSMO-CLM на основе модели WAVEWATCHIII на примере Карского моря. На основе модельного архива данных COSMO-CLMс разрешением ~1 км за летние периоды 2007 – 2016 гг. с шагом по времени 1 час для Московского региона по данным экспериментов с учётом и без учёта городской подстилающей поверхности будет оценено влияние московской агломерации на механизмы формирования опасных атмосферных явления конвективного характера. Развитие методики мезомасштабного и микромаштабного моделирования метеорологических параметров на опытных площадках в Московском мегаполисе с помощью модельных инструментов WRF + Envi-Met на микромасштабе. Изучение микроклимата и метеорологических условий, влияющих на качество воздуха в городах Российской Арктики, с помощью региональных климатических моделей.

Освоено суперкомпьютерное гидродинамическое моделирование атмосферы на базе лучших мировых моделей COSMO и WRF ARW (с шагами сетки от нескольких км до 1 км) – метод, использующийся при выполнении большинства разделов. Освоена работа с базами данных различного наполнения (реанализы, архивы CMIP, спутниковые данные, архивы Гидрометцентра России и ВНИИГМИ-МЦД, и др.) Доступна для использования постоянно обновляемая база данных наблюдений Метеорологической обсерватории МГУ (основанная на данных эколого-климатического мониторинга, осуществляемого (в своих основных компонентах) более 65 лет), позволяющая анализировать климат Московской агломерации, а также динамику островов тепла, влажности/сухости и загрязнений, биологически-активной УФ радиации, прозрачности атмосферы и др. Доступна для использования постоянно обновляемая база данных, позволяющая выполнять анализ аэрозольных свойств атмосферы по данным солнечно/небесного фотометра CIMEL сети AERONET. Разработаны и готовы к использованию методы анализа индивидуальных вихревых систем синоптического масштаба. Развиты подходы к исследованию Эль-Ниньо и других мод низкочастотной изменчивости в системе атмосферы и океана, в том числе с учетом изменений климата. Имеются обобщения результатов в виде монографий и современных учебников.

1. На основании камерных измерений на лесных участках карбоновых полигонов в Краснодарском крае и Чеченской республике и расчетов с помощью гидродинамической модели получено, что почвы в исследуемых лесных экосистемах в летние месяцы служат устойчивым источником СО2, изменяясь от 0.8 до 6.5 мкмоль СО2/(м2 с), и преобладающим стоком СН4 из атмосферы, изменяясь от 0.5 до 0.55 нмоль СН4/(м2 с). Определяющими факторами изменения скорости почвенной эмиссии СО2 и поглощения CН4 в летний период служат температура и влажность верхних почвенных горизонтов, а также запасы органического углерода в почвенном профиле. 2. Обобщены материалы, позволяющие развить теорию изменений климата в плейстоцене. Диагностированы синоптические ситуации, при которых наблюдаются экстремальные осадки в Арктике. 3. Продолжено развитие подхода к математическому описанию индивидуальных вихревых систем. На примере субтропического антициклона оценены основные факторы, управляющие его эволюцией. 4. Установлено, что созданный на кафедре арктический ретроспективный прогноз COSMO-CLM в случаях образования полярных мезомасштабных циклонов позволяет существенно детализировать пространственные особенности полей турбулентного теплообмена между поверхностью морей и атмосферой по сравнению с данными реанализа ERA-Interim, где разрешение сетки 0.125 градусов по широте и долготе. 5. Показано, что созданный арктический реанализ COSMO-CLM реалистично воспроизводит наиболее высокие значения потоков явного и скрытого тепла в ПМЦ в областях сильных северных ветров в западных частях ПМЦ. 6. Расчет многолетней изменчивости среднемесячных сумм потоков турбулентного тепла показал, что наибольшая изменчивость характерна для холодного сезона, при этом ее значения, особенно потока скрытого тепла, в Баренцевом море в несколько раз больше, чем в Карском. 7. Завершён анализ многолетних изменений интенсивности «поверхностного острова тепла» по данным всего архива снимков спутников Terra и Aqua, начиная с 2000 года. Получен предварительный вывод о замедлении роста и стабилизации значений интенсивности «поверхностного острова тепла» в последнее десятилетие, что согласуется с аналогичным выводом касательно «острова тепла» в приземном слое воздуха. 8. Разработано программное обеспечение для радиационного комплекса RAD-MSU(BSRN) в среде программирования Qt, предназначенное для приема данных измерений, их визуализации и обработки. В состав комплекса RAD-MSU(BSRN) входят приборы для измерения нисходящей коротковолновой и длинноволновой радиации, продолжительности солнечного сияния, УФ-радиации, восходящей коротковолновой и длинноволновой радиации. 9. Проанализированы экстремумы и основные тенденции в многолетней изменчивости радиационных параметров атмосферы по сезонам и в целом за год. Оценка относительной величины тренда для средних годовых значений за 65-летний период наблюдений МО МГУ показала: увеличение на 8% и 7% общей и нижней облачности; уменьшение на 50% аэрозольной оптической толщины атмосферы; увеличение на 15% влагосодержания атмосферы; уменьшение на 1% суммарной и на 11% отраженной солнечной радиации; рост продолжительности солнечного сияния на 7%. Сократился период со снежным покровом на 17% , бесснежные октябрь, ноябрь стали для Москвы нормой. 10. Осуществлено дальнейшее усовершенствование трехмерной гидродинамической модели для расчета вертикальных и горизонтальных потоков парниковых газов между неоднородной подстилающей поверхностью и атмосферой (модифицированы граничные условия для давления на свободных границах). 11. В разработанную 3-х мерную гидродинамическую модель добавлен химический блок, учитывающий реакции, в которые вступают окислы азота NOxи озон. Это позволило на основе системы уравнений диффузии-реакции-адвекции рассчитывать распространение NOи NO2от наземных источников (почва, автотрассы) в приземном слое атмосферы в областях с мозаичной растительностью, а также при наличии непроницаемых препятствий (зданий). 12. Выполнена оценка метеорологических условия и причин крупных селей на Черноморском побережье Кавказа (ЧПК). Показано, что причиной 80 % селей являются сильные ливни, причем типичные пороговые значения, составляющие 30 мм (опасное явление погоды) и 55 мм (особо опасное явление погоды) по окрестным метеостанциям являются разумной величиной. 13. Создана технологическая модельная цепочка (WRF+BEM - ENVImet), позволяющая комплексно исследовать поля метеорологических переменных в Москве на мезомасштабе с использованием различных начальных данных. Впервые в России было произведено мезомасштабное моделирование крупного мегаполиса с использованием современной многоуровневой параметризации городской подстилающей поверхности ВЕМ, учитывающей потоки тепла внутри зданий и антропогенные потоки тепла. 14. В рамках работ по применению детализированного модельного архива Russian Arctic COSMO-CLM hindcast(https://figshare.com/account/home#/collections/5186714) проводилась дальнейшая оценка качества воспроизведения им характеристик приземных экстремальных скоростей ветра и температур, а также полярных мезоциклонов. 15. По результатам сравнения модельных данных со спутниковыми снимками SAR методом Fraction SkillScore(FSS) удалось установить, что модельный архив COSMO-CLM успешно справляется с воспроизведением тех ситуаций, для которых его разрешения достаточно, а также во многих случаях улавливает общую, но не детальную структуру явлений меньшего масштаба. 16. Была создана и размещена в свободном доступе не имеющая аналогов база данных о термических ощущениях людей за 40 лет для территории Северной Евразии «North EurasianThermal Comfort IndicesDataset (NETCID): New Gridded Database fortheBiometeorological Studies». 17. Развита стохастическая модель динамики Каспийского моря на основе уравнения Фоккера-Планка, с оценкой параметров на основе архива моделей CMIP6. 18. Выявлены основные механизмы образования ледяных наростов для территории Крайнего Севера России. Численные эксперименты с моделью WRF-ARW оказались успешными и воспроизвели основные признаки аккреции инея. Результаты показывают, что модель успешно воспроизвела время начала обледенения и распределение интенсивности обледенения на протяжении всего численного эксперимента.