|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
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.).
1.Продолжить изучение эффективности малопараметрической модели, описывающей индивидуальные атмосферные вихри. Оценить связь экстремумов скорости ветра в Арктике, выделляемых по признаку несоответствия базовому закону распределения вероятностей, с синоптическими системами Практическая значимость: позволит совершенствовать прогнозирование погоды.. 2.Сравнение термодинамического отклика на Эль-Ниньо Южное Колебание в тропосфере и стратосфере умеренных и полярных широт между Северным и Южным полушарием и анализ механизмов его формирования. Анализ модификации механизмов генерации Эль-Ниньо в условиях меняющегося климата по данным моделей CMIP5. Практическая значимость: позволит оценить влияние крупномасштабных мод климатической изменчивости на частоту возникновения экстремальных погодных явлений во внетропических широтах Северного полушария. 3. Изучение региональных проявлений современного климата в российской Арктике: условия развития и повторяемость гололедно-изморозевых отложений высокой интенсивности, синоптические условия формирования обледенения морских судов на примере Баренцева моря, пространственно-временные особенности его повторяемости. 4. Моделирование COSMO-CLM с высоким разрешением ситуаций экстремальных скоростей ветра в Арктическом регионе, приводящих к формированию сильного волнения и штормов; оценка качества воспроизведения облачности в Арктическом регионе на основе сравнения со спутниковыми данными CERES; оценка воспроизведения и трендов термических и ветроэнергетических ресурсов в Арктическом регионе; оценка ветрового и термического воздействия на разрушение берегов в различных регионах Российской Арктики. Практическая значимость: исследования Арктики имеет стратегическое значение для устойчивого развития экономики РФ 5. Дальнейшее исследование климата Москвы и других урбанизированных территорий: завершение анализа многолетних изменений стратификации за последние 30 лет. Продолжение исследований ветрового режима и его многолетних изменений по данным акустического зондирования, радиозондирования и контактных измерений. 6. Продолжение исследований «островов тепла» малых населенных пунктов на примере Московского региона. По возможности – изучение влияния малых «островов тепла» на оценки температуры в фоновой местности Московского региона с привлечением данных спутников. Исследование климатических характеристик опасных метеорологических явлений в Москве – гроз, шквалов и пр., а также их влияния на состав воздуха. Практическая значимость (пункты 5 и 6): позволит предсказывать более точно опасные явления погоды урбанизированных территорий. 7. Продолжение исследований радиационного климата Москвы по данным радиационного измерительного комплекса MSU-RAD (BSRN), оценка радиационных потоков. Исследование причин возникновения условий с положительным длинноволновым балансом у земной поверхности по данным расчетов и измерений. Оценка изменчивости УФ радиации области А и биологически активной ультрафиолетовой эритемной радиации в Москве и ее причин. 8. Исследование пространственно-временной неоднородности условий термического комфорта на территории РФ согласно различным сценариям изменения климата к середине и концу XXI века. Практическая значимость (пункт 7 и 8): адаптация населения в современном и будущем климате. 8. Изучение радиационного и светового режима Москвы. Оценка изменчивости ФАР на различных временных отрезках с учетом влияние на вегетацию (1980-2023) (ФАР по 5, 10 дневкам и т.д.). Разработка комплексного подхода к оценке вегетационного периода. Практическая значимость: способствует улучшению прогнозирования урожайности сельхозкультур. 9. Оценка возможного отклика потоков СО2 и СН4 на экстремальные погодные явления (положительные и отрицательные аномалии температуры и осадков) по результатам пульсационных и камерных наблюдений на карбоновых полигонах. 10. Разработка модельного алгоритма для решения обратной задачи дистанционного зондирования по восстановлению приземных потоков парниковых газов у земной поверхности по данным измерений пространственного распределения концентрации парниковых газов в атмосферном пограничном слое. Практическая значимость (пункт 9 и 10): исследование углеродного цикла необходимо для планирования мероприятий по снижению выбросов парниковых газов.
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. Продолжено развитие методики исследования уединенных вихрей с помощью ЭОФ-разложения. Сделана попытка использования методики для исследования движущихся вихрей путем перемещения окна ЭОФ-разложения вместе с вихрем. Алгоритм протестирован на примере блокирующего антициклона 2010г. 2. Выполнен анализ вековых изменений температуры воздуха в Москве и Подмосковье за 243 года. Исследован полный ряд среднемесячных и среднегодовых значений температуры воздуха Т в Москве за весь период регулярных инструментальных измерений, начиная с 1779 г., дополненный ранее не известными данными, и на его основе уточнён коэффициент линейной регрессии в уравнении линейного тренда среднегодовой температуры воздуха за 243 года как для Москвы, так и для условно фоновой местности Подмосковья. 3. 70-летнее обобщение . годового и суточного хода гроз показало, что в среднем за год в Москве наблюдается 26 грозовых дней (от 13 до 45 в разные годы) и 37 отдельных гроз (от 15 в 2002 г. до 71 в 2013г.). Средняя продолжительность одной грозы составляет 49 мин, общая продолжительность гроз за год – в среднем 30 ч. (рекордно долгая гроза в Москве 18 июля 1957 г. продолжалась 10 ч 40 мин.). 4. На основе высотных измерений, проводимых на телебашне Останкино, метеорологической мачте Обнинска, данных радиозондирования в г. Долгопрудном, а также данных содара «ECHO-1» (МО МГУ) исследована многолетняя изменчивость термической стратификации в пограничном слое Московского региона за 1991–2022 гг. в условиях глобального потепления. 5. Продолжено изучение явления «островов тепла» на примере малых населённых пунктов Московского региона. Проведены экспедиционные исследования – новые микроклиматические съёмки в деревнях Афанасово и Бяконтово. Получены оценки интенсивности «островов тепла» малых населённых пунктов в зимние месяцы. 6. Проведена методическая работа по выявлению и исправлению ошибок в архивах ежедневных данных зондирования в г. Долгопрудном, и особенно, по выявлению неисправностей датчиков на мачте в Обнинске. На основе сделаны рекомендации по внесению корректировок в архивы. 7. Для принятия решения о возможности продолжения мониторинга радиационных параметров атмосферы в МО МГУ приборами фирмы «Kipp & Zonen» в течение двух лет проводились параллельные наблюдения типовыми и приобретенными приборами. На основе этих наблюдений сформулированы необходимые требования к проведению мониторинга новым комплексом. 8. На основе многолетних данных МО МГУ (единственной станции в России, где ведутся наблюдения за освещенностью) проведено исследование световых ресурсов Москвы. Представлена климатическая структура освещенности земной поверхности, дается оценка режима естественной освещенности, требующаяся для решения прикладных задач. 9. Получены климатические данные на различных временных отрезках с учетом влияния на вегетацию (1980-2023) (ФАР по 5, 10 суткам и т.д.). Отмечена незначимая тенденция к увеличению поступления ФАР в теплый период. Наряду с увеличением продолжительности вегетационного периода, ростом температуры и влагосодержания атмосферы, это может привести к улучшению условий вегетации растений в Московском регионе. 10. На примере Москвы проанализирована изменчивость основных характеристик отопительного периода (ОП). Средняя продолжительность ОП за весь период наблюдений уменьшилась на 19 суток, что обусловлено сокращением первой и в большей степени второй частей ОП. От начала наблюдений до 2019 г. температура отопительного периода возросла на 2,3°С. 11. Оценено влияние различного распределения яркости по небосводу на естественную освещенность в помещении. Предложен подход к учету различий в световом климате местности, основанный на применении стандарта Международной комиссии по освещению. Получены значения коэффициентов светового климата с учетом различной яркости небосвода. Применение полученных коэффициентов будет способствовать повышению точности расчетов естественного освещения помещений при учете особенностей светового климата местности. 12. Показано, что в течение 2023 года наблюдались значительные отклонения радиации от многолетних норм в связи, главным образом, с изменчивостью облачности вследствие изменения синоптических процессов. С января по март наблюдалось занижение продолжительности солнечного сияния (ПСС) до 20-36% относительно многолетних норм (1981-2010), что вызвало существенное уменьшение прямой коротковолновой радиации (30-40%) и, как следствие, суммарной коротковолновой радиации и коротковолнового баланса. Особенно сильное занижение ПСС (40-50%), и компонент коротковолнового баланса отмечалось с октября по декабрь. 13. Внутригодовая изменчивость месячных сумм ультрафиолетовой радиации области 315-400 нм и эритемной УФ радиации в 2023 году характеризовалась значительными вариациями (в диапазоне плюс минус 25% относительно многолетних норм (1999-2018 г.)). Ее занижение в январе-феврале ( -13-27%) было связано с преобладанием облачности нижнего яруса, характеризовавшейся увеличенной оптической толщиной. Максимальное превышение нормы наблюдалось в сентябре (22-27% соответственно). 14. На основе анализа данных измерений потоков диоксида углерода методом турбулентных пульсаций на станциях Тура (лиственничный лес) и Игарка (плоскобугристое болото) в центральной Сибири с 2019 по 2023 годы были получены оценки чувствительности потоков диоксида углерода к изменению условий внешней среды. Выявлена значительная межгодовая и внутригодовая изменчивость потоков, определяемая в основном приходящей солнечной радиацией, температурой воздуха, и влажностью почвы, влияющей на функциональную активность растительных сообществ. Обе экосистемы на протяжении вегетационного периода служили стоком диоксида углерода из атмосферы. 15. Разработан и протестирован алгоритм для инверсионного моделирования приземных потоков парниковых газов с высоким пространственным разрешением с использованием двухуровневых измерений концентраций парниковых газов и свойств воздушного потока над неоднородной подстилающей поверхностью. 16. На основе результатов полевых измерений и моделирования высокого пространственного разрешения получены оценки пространственной неоднородности потоков парниковых газов у поверхности почвы и над растительным покровом для трех участков карбоновых полигонов в Московской области, Краснодарском крае и Чеченской республики. 17. Проведен анализ реакции потоков углекислого газа и водяного пара на экстремальные погодные условия в тундровых сообществах приполярной зоны. Показано, что тундровых и лесотундровых экосистемах полярных широт влияние температуры на потоки СО2 доминирует над влиянием влажности почвы. 18. Модифицирован алгоритм решения обратной задачи оценки потоков парниковых газов над неоднородной подстилающей поверхностью, что позволило уменьшить погрешность восстановления потоков. Модификация состоит в выделении характерных подобластей на исследуемой территории и расчете потока на горизонтальной плоской поверхности выше уровня растительности, а не огибающей рельеф поверхности, как в исходном варианте алгоритма. 19. Выполнены расчеты орографической компоненты осадков в двух контрастных горных регионах России: селеопасном районе Черноморского побережья Кавказа, а также в высокогорных районах Камчатки. Результаты показали реалистичность работы использованной модели, разработанной на кафедре метеорологии и климатологии и в отделе гляциологии ИГ РАН. 20 Впервые была рассчитана аккумуляция и стратиграфия снежного покрова с помощью модели SNOWPACK, использующих данных реанализа ERA5, предварительно скорректированные с помощью параметризации орографического добавка к осадкам. Задача реализована для условий горного оледенения Эльбруса и Камчатки. 21. Разработана вычислительно эффективная параметризация тепло-, влаго- и радиационного обмена системы «почва-растительность» с атмосферой с разделением «взаимодействующей» с атмосферой температуры на температуру поверхности почвы и температуру верхней части крон растительности («скин-температура»). 22. Выявлены области с максимальной и минимальной повторяемостью среднего годового числа дней с обледенением различной интенсивности. Показано, что в некоторых районах Баренцева моря среднее число дней с экстремальным обледенение составляет более 30 дней в году. 23. Проведены эксперименты по микромаштабному моделированию метеорологических параметров на опытных площадках в Московском мегаполисе с помощью модельного комплекса Envi-Met, с помощью которого оценено возможное влияние зеленых крыш на городской микроклимат, показано, что такой подход не является в условиях Средней Полосы России самым эффективным. 24. Проведена оценка качества прогноза загрязнения атмосферы в республике Казахстан на основе модели COSMO-ART. Наихудшие результаты происходят в условиях неустойчивой синоптической ситуации, при ошибках в прогнозировании скорости ветра.
| МГУ имени М.В. Ломоносова | Соисполнитель |
| госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
| # | Сроки | Название |
| 1 | 11 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Погодные и климатические процессы различных пространственно-временных масштабов в условиях антропогенного воздействия (ГЗ) |
| Результаты этапа: 1. Показано, что ослабление стратосферного циркумполярного вихря в Арктике в ответ на аномалии температуры поверхности океана (ТПО), связанные с восточно-тихоокеанским (ВТ) Эль-Ниньо, наблюдается в средней стратосфере в течение всех зимних месяцев. Значимый отклик на центрально-тихоокеанское (ЦТ) Эль-Ниньо появляется только в феврале, в связи с чем максимальные различия в отклике на два типа Эль-Ниньо в северном полушарии отмечаются в начале зимы. 2. В южном полушарии влияние Эль-Ниньо на стратосферный циркумполярный вихрь имеет место только в случае ЦТ Эль-Ниньо в августе и сентябре перед пиком Эль-Ниньо, когда в приэкваториальном Тихом океане наблюдается максимальная скорость роста аномалий ТПО, а влияние радиационных процессов в перестройке стратосферной циркуляции с зимней на летнюю еще не выходит на первый план. 3. Создан алгоритм расчета составляющих бюджета тепла верхнего перемешанного слоя океана. Рассчитаны составляющие бюджета тепла верхнего перемешанного слоя океана (горизонтальная и вертикальная адвекция, нелинейный динамический нагрев) по данным моделей проекта CMIP5 в современном (сценарий historical) и будущем климате (сценарий rcp8.5). 4. Продолжено развитие подхода к математическому описанию индивидуальных вихревых систем в тропических регионах. Показано, что значительная часть изменчивости вихревой системы может быть описана с помощью нескольких первых естественных ортогональных функций (ЕОФ). 5. Для блокирующих антициклонов, которые определяли погоду летом 2021 года, были построены траектории их перемещения. Показано, что они были достаточно подвижными, что характерно для антициклонов теплого периода. 6. Продолжено изучение турбулентного теплообмена между акваторией западного сектора Российской Арктики (Баренцево и Карское моря) с атмосферой. Создан календарь синоптических ситуаций для экстремально больших и малых турбулентных потоков тепла между морем и атмосферой для западного сектора российской Арктики. 7. Спектральный анализ позволил выявить, что в многолетнем ходе среднемесячных за февраль и август потоков явного и скрытого тепла отмечаются колебания с периодичностью главным образом 4-5 лет в феврале и 2-4 года в августе. Наибольший вклад в изменчивость атмосферного давления на уровне моря в Баренцевом море вносят колебания с периодом 2-3 года. 8. На основе данных сопоставления моделей климата проекта PMIP3 и натурных данных изотопного состава повторно-жильных льдов совместно выполнена верификация реконструкции температуры холодного периода в период позднеплейстоценового максимума оледенения на севере криолитозоны России (21 тыс.л.назад). 9. По данным метеорологической сети Москвы и Московского региона за 2018÷2020 гг. показано, что функции распределения интенсивности «острова тепла» близки к нормальному закону только летом и весной; зимой и осенью им присуща заметная положительная асимметрия. 10. Период жёстких карантинных ограничений во время пандемии коронавирусной инфекции весной и в начале лета 2020 г. привёл к резкому и статистически достоверному ослаблению «острова тепла» Москвы. 11. Завершены работы по анализу климатических характеристик опасного явления грозы в Москве по многолетним данным Метеорологической обсерватории МГУ с 1954 года, а также проведено сравнение с грозами в Индии. 12. Показано, что с моментом окончательного разрушения утренней приподнятой инверсии связано ускорение роста содержания O3 и скачкообразное уменьшение уровней NO2. Напротив, в условиях долгоживущих приподнятых инверсий оседания, существующих обычно осенью и зимой на больших высотах, не выявлено достоверных изменений в приземном содержании малых газов. 13. Проведены эксперименты по моделированию ветровых условий внутри городской застройки на юго-западе Московского мегаполиса с помощью модельного комплекса Envi-Met с разрешением 5х5 метров. По итогам работы был создан и успешно визуализирован прообраз системы ветровой безопасности Москвы (для кампуса МГУ), основанной на изучении статистики усилений ветра при обтекании препятствий (здания, деревья, и другие городские объекты). 14. Показано, что освещенность земной поверхности в условиях пасмурного неба и при средних условиях облачности может различаться до 50%, а освещенность стен различной ориентации в несколько раз. В период залегания снежного покрова, при сплошной облачности нижнего яруса за счет многократного переотражения от снега и облаков отраженная составляющая освещенности увеличивается до 30% и более. 15. В XXI веке усилились тенденции уменьшения аэрозольной мутности атмосферы, роста прямой и уменьшения рассеянной радиации. Практически вдвое увеличилась скорость повышения длинноволнового и радиационного баланса, температуры поверхности почвы. 16. Выявлены особенности аэрозольного загрязнения весной 2020 года в Москве в период локдауна: получено 30-40% уменьшение массовой концентрации взвешенных частиц с диаметром менее 10мкм относительно 5-летних средних за 2015-2019 гг. для апреля и мая 2020 г. Выявлен ряд особенностей циркуляционных и погодных условий, которые повлияли дополнительно на уменьшение уровня загрязнения приземным аэрозолем в Москве. 17. . Получено, что в 2020 году главными факторами, определившими изменчивость эритемной УФ радиации являлись озон и эффективный балл облаков. В последние годы можно отметить тенденцию к уменьшению роста УФ за счет меньших отрицательных аномалий озона в Москве. 18. По данным экспериментов с модельюCOSMO-CLMс учётом и без учёта городской подстилающей поверхности были оценены пространственные распределения наиболее важных характеристик, определяющих и отражающих формирование конвективных опасных явлений – максимальные приземные скорости ветра, вертикальные скорости на нескольких уровнях, осадки (часовые и суточные суммы), а также параметр updrafthelicity (UH25) в слое 2 – 5 км. 19. Изучена временная динамика биологически активной эритемной УФ-радиации (Qery) и факторов, её определяющих, в 2018–2019 гг. на территории Государственного природного заповедника Карадагский (КНС — ПЗ РАН — филиал ФИЦ ИнБЮМ) в Крыму.На основании данных измерений Qery оценены УФ-ресурсы в разные месяцы года. 20. На основании проведенного анализа результатов пульсационных (eddycovariance) измерений и модельных расчетов потоков парниковых газов на сплошной вырубке было показано, что по сравнению с нарушенным древостоем несмотря на оптимальные условия почвенного увлажнения она характеризуется более низкими значениями эвапотранспирации, валовой первичной продукции и экосистемного дыхания на протяжении вегетационного периода. 21. Разработанная ранее и модифицированная трехмерная гидродинамическая модель, применена для расчета вертикальных и горизонтальных турбулентных и адвективныхпотоков углекислого газа между поверхностью и атмосферой для верхового болота “Старосельский мох” (Тверская область).Результаты моделирования продемонстрировали существенную неоднородность потоков, обусловленную мозаичной структурой растительности, особенно сильную вблизи границ растительных сообществ. 22. Расширен объём данных, доступных онлайн на репозитории figshare.com (добавлены приземные потоки явного и скрытого тепла, прямой, рассеянной и суммарной радиации, излучения атмосферы и общего радиационного баланса; увеличен период (1980 – 2008, 2010 – 2016) (https://figshare.com/account/home#/collections/5186714). 23. Показано, что причиной повышенной лавинной опасности зимних сезонов на Северном Кавказе являются не сезонная аномалия осадков по региону, а продолжительная отрицательная аномалия температуры воздуха. Длительные холодные периоды является причиной аномально высокого снегонакопления даже при сезонных суммах осадков, близких к норме. 24. На основе данных реанализов и численного моделирования выполнена предварительная оценка связи водности облаков с выпадающими осадками, которая использована в созданной ранее простой схеме параметризации орографического добавка осадков в горных районах. Показано, что доля осадков, выпадающих из облака, на среднемесячных масштабах линейно зависит от температуры, и меняется от 25-30 % при температуре воздуха на уровне конденсации более 10 °С до 75-80% при температуре ниже -20 °С. 25. С целью более подробного изучения условий формирования ледяного шторма в Приморье были проведены численные эксперименты с использованием мезомасштабной атмосферной модели WRF-ARW, которые позволили представить основные синоптические механизмы выпадения замерзающего дождя в виде наглядных схем. 26. В городе Надым проведены первые измерения влияния города на содержание частиц РМ10 и РМ2.5 в приземном слое воздуха. Также с помощью модели WRF-ARW проведены первые эксперименты по моделированию мощности и частоты приземных инверсий для Салехарда и Норильска. | ||
| 2 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Погодные и климатические процессы различных пространственно-временных масштабов в условиях антропогенного воздействия (ГЗ) |
| Результаты этапа: Основные результаты работы за 2022 год: 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.Выполненаоценка качества сезонных прогнозов колебаний Маддена-Джулиана (MJO) моделью ИВМ РАНна основании сравнения прогнозов по модели с результатами реанализа NCEP/NCAR за 35-ти летний период (1980-2014 гг.) для 2-х временных промежутков: зимний период (с 01.11.1980 по 31.03.2014) и летний период (с 01.05.1980 по 30.09.2014). 3. Рассчитан вклад составляющих бюджета тепла в формирование положительных аномалий ТПО с учетом разделения Эль-Ниньо на два типа по данным моделей CMIP5. На основании сравнения с данными реанализавыбраны модели, лучше всего воспроизводящие бюджет тепла верхнего перемешанного слоя. Они будут использованы в дальнейшем для анализа изменений в будущем климате (сценарий RCP8.5). 3. Обобщены материалы, позволяющие развить теорию изменений климата в плейстоцене. Диагностированы синоптические ситуации, при которых наблюдаются экстремальные осадки в Арктике. 4. Продолжено развитие подхода к математическому описанию индивидуальных вихревых систем. На примере субтропического антициклона оценены основные факторы, управляющие его эволюцией. 5. 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. 6. 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. 7. 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. 8. 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. 9. В разрабатываемом программном обеспечении для радиационного комплекса RAD-MSU(BSRN) в МО МГУ реализована визуализация измерений, расчеты радиационных потоков, а также критериев качества измерений. Анализ данных радиационного комплекса за 2021 г. выявил более тесные связи между продолжительностью солнечного сияния и суммарной коротковолновой радиацией по сравнению с УФ-радиацией. Показано также, что в сентябре 2021 г. в некоторые дни в Москве отмечались нетипично высокие уровни эритемной УФ-радиации, опасные для здоровья. На основании данных измерений и модели реконструкции УФ радиации показано, что в последние годы изменения биологически активной УФ радиации в равной степени связаны с уменьшением общего содержания озона и уменьшением эффективного балла облачности (вклад каждого параметра составляет около 3%). 10. 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. 11. 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). 12. 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). 13. 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. 14. Проведен анализ изменений повторяемости условий холодового стресса в Казахстане за последние десятилетия. Выявлено, что наиболее подверженным холодовому стрессу в Казахстане является Петропавловск. 15.Проведена оценка качества прогнозов загрязнения в республике Казахстан по модели SILAM. Выявлено, что прогнозирование концентраций монооксида углерода и оксида серы является наилучшим, а прогноз концентраций оксида азота наихудшим. Причиной ошибок прогноза являются пространственное разрешение модели (модель SILAM дает прогноз концентраций ЗВ, осредненный по ячейке сетки со стороной 14 км), а также устаревшие или недостоверные базы данных о количестве выбросов предприятий. В целом использование модели SILAM для прогноза ЗВ в Казахстане является перспективным, однако необходимо учитывать существенное занижение прогнозируемых концентраций по модели. 16. 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. 17. 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. 18. 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. 19. 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». 20. Развита стохастическая модель динамики Каспийского моря на основе уравнения Фоккера-Планка, с оценкой параметров на основе архива моделей CMIP6. 21. 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. | ||
| 3 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Погодные и климатические процессы различных пространственно-временных масштабов в условиях антропогенного воздействия (ГЗ) |
| Результаты этапа: 1.Выполнено обобщение материалов для развития теории изменений климата в плиоцене-плейстоцене и голоцене, в том числе проведены новые расчеты изменений инсоляции для разных временных срезов последних 20 тысяч лет; развиты теоретические модели временной изменчивости в масштабе флуктуаций от 1 года до 1 000 000 лет, основанные на законе «-5/3» Колмогорова и «-2» Хассельмана. 2. Была исследована термодинамическая структура отклика тропосферы и стратосферы умеренных и полярных широт Северного и Южного полушарий на два типа Эль-Ниньо. Выявлено, что различия в циркуляционном отклике на ВТ и ЦТ Эль-Ниньо аналогичны в умеренных и полярных широтах, при этом отклик на ВТ Эль-Ниньо и Ла-Ниньяпрактически противоположен. В стратосфере и тропосфере можно выделить два типа отклика, характерных для Азиатско-Тихоокеанско-Американского и Атлантико-Европейского сектора. 3. С помощь индекса RMM оценена способность различных версий модели ИВМ воспроизводить характеристики Колебания Маддена-Джулиана (КМД). Показано, что все версии модели корректно воспроизводят восточное распространение КМД и усиление амплитуды колебаний зимой Северного полушария, однако версии модели INM-CM5-0 и INM-CM6-L существенно недооценивают амплитуду индекса RMM. 3. Для развития теории индивидуальных вихрей использована математическая теория параметризации неучитываемых (подсеточных) масштабов для квадратичной нелинейности MTV (Majda et al). Основой теории служит значение завихренности, поскольку использование спиральности в качестве характеристики вихревой динамики оказалось неэффективным. 4. Рассмотрена межгодовая динамика субтропических антициклонов и оценена их интенсивности и локализации поля завихренности за период 1980-2021гг. Показано, что наиболее стабильными антициклонами на межгодовом масштабе являются Гавайский и Азорский, самым изменчивым – Южно-Тихоокеанский. Самые большие значения относительной завихренности характерны для Южно-Атлантического и Маскаренского антициклонов. 5. Изучение синоптических аспектов формирования экстремумов скорости ветра в полярных регионах по данным наблюдений, реанализа и моделирования на примере Норвежского, Баренцева и Карского морей и влияние на них полярных мезомасштабных циклонов показало, что в большей части случаев максимальные скорости формируются в рамках крупномасштабного циклона и они больше, чем экстремумы скорости ветра, связанные с полярным мезомасштабным циклоном. Лишь в отдельных ситуациях особенно высокая скорость связана с мезомасштабным циклоном. 6. Арктическое усиление рассмотрено с позиций изменения турбулентного теплообмена на фон интенсивного потепления Арктики. Выявлено, что наибольшая пространственная и временная изменчивость потоков наблюдаются в южном и юго-западном секторах Баренцева моря. Продемонстрировано, что зимние значения пространственной изменчивости потоков тепла превышают летние в 2 – 5 раз, а годовые суммы потоков тепла в Баренцевом море в 3 – 5 раз больше, чем в Карском. 7. Исследовано пространственное распределение наблюдений атмосферных явлений, приводящих к образованию гололедно-изморозевых отложений на побережье Карского моря. Показано, что на территории наиболее часто повторяющимися гололедно-изморозевыми отложениями, является кристаллическая изморозь. В среднем по всем станциям ее повторяемость составляет около 70%. На втором месте – отложения мокрого снега (около 20%). Оставшиеся 10% отложений образуются в виде гололеда и зернистой изморози. В холодное время года, с ноября по март, подавляющее количество наблюдаемых на метеорологических станциях гололедно-изморозевых отложений образуется в виде кристаллической изморози. В переходные сезоны наиболее часто выпадет мокрый снег. Гололед и зернистая изморозь образуются довольно редко в течение всего года. 8. В 2023 году с помощью модельных инструментов WRF + Envi-Met проведены исследования волн жары 2010 и 2021 года. Показано, что для волн жары 2021 года не обнаруживаются географические предикторы пространственной неоднородности термического режима Московского мегаполиса. Проведенные вычислительные эксперименты для Nature Based Solutions – «зеденых» и «белых» крыш для Москвы в течение летних волн жары показывают заметное влияние ландшафтных преобразований на термический режим мегаполиса. 9. В 2023 году были продолжены исследования явления «острова тепла» применительно к Москве и к малым населённым пунктам Московского региона. Был проведён цикл экспериментов по прямым измерениям температуры воздуха (микроклиматическим съёмкам) в разных точках г. Вереи, дер. Афанасова и Бяконтова и в их окрестностях для исследований малых «островов тепла». 10. Проанализированы уровни естественной освещенности в зависимости от балла и формы облаков, получены эмпирические зависимости естественной освещенности при сплошном покрове облаков различных ярусов и форм. На основании модельных расчетов методом Монте-Карло сделаны теоретические оценки изменения освещенности земной поверхности для сплошной облачности различной оптической толщины. 11. Получены статистически достоверные сведения о многолетней (1955-2022 гг.) динамике радиационных параметров атмосферы. Оценены особенности радиационного режима в XXI веке. Предложены критерии подбора энергосберегающего остекления с учетом солнечной радиации, поступающей на фасады зданий. Показано, что актуальным является расчет солнечной радиации в ясные дни при оценке влияние окружающей застройки на поступление прямой, рассеянной и отраженной солнечной радиации. 12. Проведены работы по усовершенствованию программного обеспечения для радиационного комплекса RAD-MSU(BSRN), предназначенного для приема данных измерений, их визуализации и обработки. Создан архив измерений радиационного комплекса RAD-MSU(BSRN), который включает минутные и часовые значения радиационных потоков. 13. Проведен детальный анализ радиационного режима в Москве с использованием радиационного комплекса RAD-MSU(BSRN), по данным 2022 года выполнены сравнения измеряемых потоков со стандартными радиационными измерениями в МО МГУ, принятыми на сети Росгидромета, которые показали сходимость стандартных измерений компонент коротковолнового баланса и измерений радиационного комплекса RAD-MSU(BSRN) с учетом погрешностей измерений приборов. 14. Получено, что за счет вариаций аэрозольной оптической толщины потери суммарной радиации варьируются от 37 до 186 Вт/м2 (или около 18-22%) на разных высотах Солнца при значительном снижении прямого излучения и увеличении рассеянного излучения из-за многократного рассеяния. Выявлено, что высокое альбедо снежной поверхности, меньшее содержание аэрозоля и водяного пара в зимний период приводит к росту суммарной радиации примерно на 45 Вт/м2 (или на 9%) при высоте Солнца 30 градусов. В то же время коротковолновый радиационный баланс значительно снижается из-за преобладающего влияния высокой отражательной способности снега. Определена нелинейная зависимость облачного пропускания для суммарной радиации и коротковолнового баланса от продолжительности солнечного сияния. 15. Оценены месячные аномалии эритемной радиации, которые выявили положительные значения в летний период года (+17%, +13%, +18% в июне, июле, августе, соответственно, относительно средних многолетних значений за период 1999-2019 гг.). Наибольшая положительная аномалия эритемной радиации в августе связывается с высокой продолжительностью солнечного сияния, которая также отразилась в значениях других коротковолновых радиационных потоков. 16. Анализ данных измерений эритемной радиации и длинноволновой УФ радиации в области А (315-400 нм) после проведения коррекций на однородность рядов показал, что в летний период солнечная радиация в обоих спектральных диапазонах была выше месячных норм на 10-18% за счет меньшего балла облаков, в то время, как в зимние месяцы, наоборот, отмечались пониженные значения УФР, особенно для эритемной радиации (-9–29%). Длинноволновая УФ радиация ближе к норме в зимний период года. Отмечается синхронность между отклонениями эритемной радиации и УФ радиации области А с коэффициентом корреляции выше 0.9. 17. Выявлено значительное влияние Москвы на экстремальные осадки и максимальную приземную скорость ветра, а также на поля вертикальной скорости и спиральность восходящего потока в слое 2–5 км (UH25), благоприятствующее более высокой частоте и интенсивности конвективных опасных явлений погоды (КОЯП). Значимый эффект был получен для средних суточных сумм осадков, количества дней с осадками >1 мм, повторяемости экстремальных осадков (R20mm, R30mm и более), индексов R95TOT, R99TOT с максимумом над городом и шлейфом на его подветренной стороне (северо-восток). Наиболее яркое увеличение, более 100%, отмечено для повторяемости суточных сумм осадков >30 и 40 мм в пределах города, наиболее плотной застройки. 18. Структура влияния города (разности “URB–noURB”) имеет максимумы над центром города, в том числе для случаев интенсивных осадков (>20 мм/сут.), демонстрируя роль вертикального переноса в формировании интенсивных осадков, в том числе при формировании и развитии КОЯП. Влияние города на максимумы UH25 имеет схожую пространственную структуру с максимумом над центром города и шлейфом на северо-восток. Значимое превышение повторяемости UH25 выше различных порогов также отмечается в экспериментах URB над экспериментами noURB. 19. Проведена оценка влияния экстремальных погодных явлений (значительных положительных и отрицательных аномалий температуры воздуха и осадков) на потоки диоксида углерода (СО2) в лесных экосистемах внетропических широт в Северном полушарии. Показано, что различия в отклике потоков СО2 на аномалии температур и осадков обусловлены, главным образом, типом лесной экосистемы, ее географическим положением, региональными климатическими условиями, видовым составом и фенологией растительности. Экстремально высокая температура воздуха в любое время года преимущественно приводит к усилению эмиссии СО2 в атмосферу во всех исследуемых типах лесов, при этом наибольший отклик отмечается в хвойных лесах. 20. Результаты измерений потоков СО2 и СН4 методом экспозиционных камер показали хорошее согласование результатов с измерениями потоков методом турбулентных пульсаций. Потоки СН4, N2O и NH3 значительно варьировали по времени и в пространстве от отрицательных к положительным значениям, определяясь преимущественно температурой и влажностью почвы. 21. Параметризация орографической составляющей осадков, разработанная на кафедре метеорологии и климатологии Географического факультета МГУ, относится к «моделям наветренного склона», и основана на вычислении скорости конденсации водяного пара по данным реанализа ERA5. Данная схема представляет собой комбинацию уравнения Клаузиуса-Клапейрона с упрощённым уравнением притока тепла для случая адиабатического охлаждения воздушной частицы, вынужденно поднимающейся вдоль горного склона. 22. Выполнены оценки качества предложенной модели на основе сравнения с данными сетевых метеостанций по территории Северного Кавказа и Алтая. Выполнены расчеты орографического добавка осадков за период 1980 – 2020 гг. с суточным разрешением. Результаты сравнения с горными метеостанциями (Шаджатмаз, Терскол, Клухорский перевал) показали удовлетворительные результаты работы предложенной модели на месячных и сезонных масштабах: коэффициент детерминации для зимнего сезона составляет 0.6 – 0.7, для летнего сезона 0.35 – 0.5. Таким образом, предложенная модель может быть использована для оценок сезонного снегонакопления на горных склонах и на ледниках Кавказа, а в перспективе использоваться в качестве процедуры уточнения осадков в горных районах в рамках Моделей Земной Системы. 23. Проведена оценка трендов приземных скоростей ветра в Российской Арктике по модельному архиву COSMO-CLM Russian Arctic hindcast (1980–2016 гг.) с шагом сетки ~12 км, покрывающему атлантические моря Российской Арктики и прилегающую акваторию Северной Атлантики (https://figshare.com/account/home#/collections/5186714). 24. Составлен сводный календарь полярных мезоциклонов (ПМЦ), попадающих внутрь модельной области COSMO-CLM Russian Arctic hindcast (436 случаев), послуживший основой для проверки разработанного алгоритма трекинга. Алгоритм подбора кандидатов для трекинга ПМЦ позволяет определять положение центров ПМЦ на основе модельных данных о локальных минимумах давления и максимумах относительной завихренности с различной степенью фильтрации. В результате реализации алгоритма трекинга была создана база данных, содержащая информацию о кандидатах ПМЦ, в том числе: их координаты, значения минимума давления и максимума завихренности, расстояния между кандидатами и координатами по различным календарям, между минимумом давления и максимумом завихренности, значения циркуляции и индексы присутствия кандидатов в фильтрованных полях. 25. Были проведены серии модельных экспериментов COSMO-CLM по воспроизведению случаев интенсивных осадков в Московском регионе 29–31 мая 2020 г. и 28–29 июня 2021 г. Эксперименты проводились по схеме «вложенных сеток», базовая расчетная область имела шаг сетки 0,027º (~3 км, 500*500 узлов), вложенная – с шагом сетки 0,009º (~1 км, 200*200 узлов) с различной заблаговременностью и продолжительностью (4 и 6 дней). 26. Проведена оценка способности различных версий климатической модели Института вычислительной математики РАН воспроизводить явление Эль-Ниньо в исторических прогнозах за период 1850-2014гг. Осуществлено сравнение результатов, полученных по моделям INM-CM5-0, INM-CM6-L (версии 2022 и 2023 гг.) и модели INM-CM6-M (по данным исторического эксперимента) с данными реанализа (HadISST), а также результатами моделей CMIP6. По картам распределения EOF1 и EOF2 выделены границы «модельных» районов Nino3 (максимум EOF1) и Nino4 (максимум EOF2). Показано, что модель INM-CM6-M практически точно воспроизводит локализацию региона ВТ Эль-Ниньо, и гораздо лучше воспроизводит локализацию региона ЦТ Эль-Ниньо по сравнению с предыдущими версиями модели. | ||
| 4 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Погодные и климатические процессы различных пространственно-временных масштабов в условиях антропогенного воздействия (ГЗ) |
| Результаты этапа: 1. Продолжено развитие методики исследования уединенных вихрей с помощью ЭОФ-разложения. Сделана попытка использования методики для исследования движущихся вихрей путем перемещения окна ЭОФ-разложения вместе с вихрем. Алгоритм протестирован на примере блокирующего антициклона 2010г. 2. Выполнен анализ вековых изменений температуры воздуха в Москве и Подмосковье за 243 года. Исследован полный ряд среднемесячных и среднегодовых значений температуры воздуха Т в Москве за весь период регулярных инструментальных измерений, начиная с 1779 г., дополненный ранее не известными данными, и на его основе уточнён коэффициент линейной регрессии в уравнении линейного тренда среднегодовой температуры воздуха за 243 года как для Москвы, так и для условно фоновой местности Подмосковья. 3. 70-летнее обобщение . годового и суточного хода гроз показало, что в среднем за год в Москве наблюдается 26 грозовых дней (от 13 до 45 в разные годы) и 37 отдельных гроз (от 15 в 2002 г. до 71 в 2013г.). Средняя продолжительность одной грозы составляет 49 мин, общая продолжительность гроз за год – в среднем 30 ч. (рекордно долгая гроза в Москве 18 июля 1957 г. продолжалась 10 ч 40 мин.). 4. На основе высотных измерений, проводимых на телебашне Останкино, метеорологической мачте Обнинска, данных радиозондирования в г. Долгопрудном, а также данных содара «ECHO-1» (МО МГУ) исследована многолетняя изменчивость термической стратификации в пограничном слое Московского региона за 1991–2022 гг. в условиях глобального потепления. 5. Продолжено изучение явления «островов тепла» на примере малых населённых пунктов Московского региона. Проведены экспедиционные исследования – новые микроклиматические съёмки в деревнях Афанасово и Бяконтово. Получены оценки интенсивности «островов тепла» малых населённых пунктов в зимние месяцы. 6. Проведена методическая работа по выявлению и исправлению ошибок в архивах ежедневных данных зондирования в г. Долгопрудном, и особенно, по выявлению неисправностей датчиков на мачте в Обнинске. На основе сделаны рекомендации по внесению корректировок в архивы. 7. Для принятия решения о возможности продолжения мониторинга радиационных параметров атмосферы в МО МГУ приборами фирмы «Kipp & Zonen» в течение двух лет проводились параллельные наблюдения типовыми и приобретенными приборами. На основе этих наблюдений сформулированы необходимые требования к проведению мониторинга новым комплексом. 8. На основе многолетних данных МО МГУ (единственной станции в России, где ведутся наблюдения за освещенностью) проведено исследование световых ресурсов Москвы. Представлена климатическая структура освещенности земной поверхности, дается оценка режима естественной освещенности, требующаяся для решения прикладных задач. 9. Получены климатические данные на различных временных отрезках с учетом влияния на вегетацию (1980-2023) (ФАР по 5, 10 суткам и т.д.). Отмечена незначимая тенденция к увеличению поступления ФАР в теплый период. Наряду с увеличением продолжительности вегетационного периода, ростом температуры и влагосодержания атмосферы, это может привести к улучшению условий вегетации растений в Московском регионе. 10. На примере Москвы проанализирована изменчивость основных характеристик отопительного периода (ОП). Средняя продолжительность ОП за весь период наблюдений уменьшилась на 19 суток, что обусловлено сокращением первой и в большей степени второй частей ОП. От начала наблюдений до 2019 г. температура отопительного периода возросла на 2,3°С. 11. Оценено влияние различного распределения яркости по небосводу на естественную освещенность в помещении. Предложен подход к учету различий в световом климате местности, основанный на применении стандарта Международной комиссии по освещению. Получены значения коэффициентов светового климата с учетом различной яркости небосвода. Применение полученных коэффициентов будет способствовать повышению точности расчетов естественного освещения помещений при учете особенностей светового климата местности. 12. Показано, что в течение 2023 года наблюдались значительные отклонения радиации от многолетних норм в связи, главным образом, с изменчивостью облачности вследствие изменения синоптических процессов. С января по март наблюдалось занижение продолжительности солнечного сияния (ПСС) до 20-36% относительно многолетних норм (1981-2010), что вызвало существенное уменьшение прямой коротковолновой радиации (30-40%) и, как следствие, суммарной коротковолновой радиации и коротковолнового баланса. Особенно сильное занижение ПСС (40-50%), и компонент коротковолнового баланса отмечалось с октября по декабрь. 13. Внутригодовая изменчивость месячных сумм ультрафиолетовой радиации области 315-400 нм и эритемной УФ радиации в 2023 году характеризовалась значительными вариациями (в диапазоне плюс минус 25% относительно многолетних норм (1999-2018 г.)). Ее занижение в январе-феврале ( -13-27%) было связано с преобладанием облачности нижнего яруса, характеризовавшейся увеличенной оптической толщиной. Максимальное превышение нормы наблюдалось в сентябре (22-27% соответственно). 14. На основе анализа данных измерений потоков диоксида углерода методом турбулентных пульсаций на станциях Тура (лиственничный лес) и Игарка (плоскобугристое болото) в центральной Сибири с 2019 по 2023 годы были получены оценки чувствительности потоков диоксида углерода к изменению условий внешней среды. Выявлена значительная межгодовая и внутригодовая изменчивость потоков, определяемая в основном приходящей солнечной радиацией, температурой воздуха, и влажностью почвы, влияющей на функциональную активность растительных сообществ. Обе экосистемы на протяжении вегетационного периода служили стоком диоксида углерода из атмосферы. 15. Разработан и протестирован алгоритм для инверсионного моделирования приземных потоков парниковых газов с высоким пространственным разрешением с использованием двухуровневых измерений концентраций парниковых газов и свойств воздушного потока над неоднородной подстилающей поверхностью. 16. На основе результатов полевых измерений и моделирования высокого пространственного разрешения получены оценки пространственной неоднородности потоков парниковых газов у поверхности почвы и над растительным покровом для трех участков карбоновых полигонов в Московской области, Краснодарском крае и Чеченской республики. 17. Проведен анализ реакции потоков углекислого газа и водяного пара на экстремальные погодные условия в тундровых сообществах приполярной зоны. Показано, что тундровых и лесотундровых экосистемах полярных широт влияние температуры на потоки СО2 доминирует над влиянием влажности почвы. 18. Модифицирован алгоритм решения обратной задачи оценки потоков парниковых газов над неоднородной подстилающей поверхностью, что позволило уменьшить погрешность восстановления потоков. Модификация состоит в выделении характерных подобластей на исследуемой территории и расчете потока на горизонтальной плоской поверхности выше уровня растительности, а не огибающей рельеф поверхности, как в исходном варианте алгоритма. 19. Выполнены расчеты орографической компоненты осадков в двух контрастных горных регионах России: селеопасном районе Черноморского побережья Кавказа, а также в высокогорных районах Камчатки. Результаты показали реалистичность работы использованной модели, разработанной на кафедре метеорологии и климатологии и в отделе гляциологии ИГ РАН. 20 Впервые была рассчитана аккумуляция и стратиграфия снежного покрова с помощью модели SNOWPACK, использующих данных реанализа ERA5, предварительно скорректированные с помощью параметризации орографического добавка к осадкам. Задача реализована для условий горного оледенения Эльбруса и Камчатки. 21. Разработана вычислительно эффективная параметризация тепло-, влаго- и радиационного обмена системы «почва-растительность» с атмосферой с разделением «взаимодействующей» с атмосферой температуры на температуру поверхности почвы и температуру верхней части крон растительности («скин-температура»). 22. Выявлены области с максимальной и минимальной повторяемостью среднего годового числа дней с обледенением различной интенсивности. Показано, что в некоторых районах Баренцева моря среднее число дней с экстремальным обледенение составляет более 30 дней в году. 23. Проведены эксперименты по микромаштабному моделированию метеорологических параметров на опытных площадках в Московском мегаполисе с помощью модельного комплекса Envi-Met, с помощью которого оценено возможное влияние зеленых крыш на городской микроклимат, показано, что такой подход не является в условиях Средней Полосы России самым эффективным. 24. Проведена оценка качества прогноза загрязнения атмосферы в республике Казахстан на основе модели COSMO-ART. Наихудшие результаты происходят в условиях неустойчивой синоптической ситуации, при ошибках в прогнозировании скорости ветра. | ||
| 5 | 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Погодные и климатические процессы различных пространственно-временных масштабов в условиях антропогенного воздействия (ГЗ) |
| Результаты этапа: NI. Исследование связи изменений климата и циркуляционных систем, включающее изучение взаимодействия ведущих мод изменчивости (Эль-Ниньо — Южное Колебание, Североатлантическое колебание и др.) с климатическими трендами для оценки удалённого влияния на изменения климата Российской Арктики, а также развитие теории индивидуальных вихревых систем (режимов блокирования). Работы данного направления были ориентированы на выявление физических механизмов, связывающих изменения крупномасштабной атмосферной циркуляции с наблюдаемыми и прогнозируемыми климатическими изменениями. Особое внимание уделялось как диагностике индивидуальных вихревых структур, так и анализу статистических свойств ведущих мод климатической изменчивости в современном и будущем климате. Физика индивидуальных атмосферных вихрей (или вихревых систем) на сегодняшний день остаётся изученной недостаточно полно, в том числе вследствие отсутствия универсальных и надёжных методов их диагностики. В рамках настоящей работы был разработан метод, позволяющий описывать вихревые образования ограниченным набором параметров. Метод основан на разложении поля геопотенциала по эмпирическим ортогональным функциям (ЕОФ), которое, в отличие от традиционных подходов, применено к перемещающимся вихрям, что составляет новизну исследования. Для реализации данного подхода система координат «привязывалась» к центру вихря. Модификация метода заключалась в использовании ЕОФ-разложения геопотенциала именно для движущихся вихревых структур. Для проверки предложенного подхода он был применён к данным реанализа ERA5 при анализе режима блокирования над Восточно-Европейской равниной летом 2010 г. Показано, что эволюция области повышенного давления в данном случае может быть адекватно описана тремя модами ЕОФ-разложения, которые в совокупности объясняют около 84 % дисперсии поля геопотенциала. Полученные результаты подтверждают эффективность метода для диагностики и анализа динамики атмосферных блокирований. (Кислов А.В., Мухартова Ю.В.) В развитие исследований циркуляционных процессов было выполнено изучение воспроизведения основных мод климатической изменчивости — Арктической (АО) и Антарктической (ААО) осцилляций, Северо-Атлантического колебания (NAO), Северо-Тихоокеанского колебания (PNA) и ряда других — в климатической модели INM-CM, а также анализ их возможной модификации в будущем климате. Сравнение результатов исторического эксперимента модели INM-CM6-M с данными реанализа ERA5 показало, что модель корректно воспроизводит пространственные структуры всех исследуемых мод циркуляции в современном климате (1985–2014 гг.): коэффициенты пространственной корреляции модельных и полей реанализа составляют 91. % для АО, 92.2 % для ААО и 84.1 % для PNA. В то же время установлено, что модель переоценивает вклад дисперсии АО в общую изменчивость поля геопотенциала, тогда как вклад ААО и NAO недооценивается. Это может быть связано с перераспределением вклада других циркуляционных мод в модельной динамике. Во всех рассмотренных сценариях социально-экономического развития SSP (SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, SSP5-8.5) выявлено статистически значимое снижение временной дисперсии мод климатической изменчивости по сравнению с историческим экспериментом. Такое уменьшение дисперсии указывает на подавление естественной вариабельности циркуляционных режимов в условиях усиливающегося антропогенного воздействия, связанного с ростом концентрации парниковых газов, что может приводить к более устойчивым циркуляционным состояниям и уменьшению амплитуды связанных с ними климатических аномалий к концу XXI века. В сценариях с высокими выбросами (SSP3-7.0 и SSP5-8.5) модель INM-CM6-M прогнозирует смещение среднего состояния АО и NAO в положительную фазу. Это смещение обусловлено усилением меридионального градиента температуры в верхней тропосфере, вызванного увеличением концентрации парниковых газов. При этом показано, что статистически значимых изменений формы распределений индексов всех исследуемых мод циркуляции в будущем климате не ожидается, что свидетельствует о сохранении их фундаментальных статистических свойств даже при существенном антропогенном воздействии. Усиление положительной фазы АО в сценарии SSP5-8.5, прогнозируемое моделью INM-CM6-M, согласуется с результатами ансамбля моделей CMIP6 и может приводить к более мягким зимним условиям в средних широтах Северного полушария, а также к усилению таяния морского льда в Арктике вследствие смещения шторм-треков к полюсу. Дополнительно была проведена оценка воспроизведения взаимодействия между внутрисезонной тропической изменчивостью и явлением Эль-Ниньо в модели INM-CM6 и моделях ансамбля CMIP6. Показано, что модели CMIP6 в целом значительно лучше воспроизводят механизм воздействия колебаний Маддена–Джулиана на центрально-тихоокеанский тип Эль-Ниньо по сравнению с восточно-тихоокеанским. Модели CanESM5, EC-Earth3, MIROC6 и MPI-ESM1-2-LR продемонстрировали наилучшие результаты для центрального типа Эль-Ниньо, адекватно воспроизводя как пространственную, так и временную локализацию соответствующего сигнала. Анализ нестационарности взаимосвязей показал, что лишь ограниченное число моделей способно корректно воспроизвести наблюдаемую декадную изменчивость взаимодействия между внутрисезонной тропической изменчивостью и явлением Эль-Ниньо. На основании проведённого анализа из ансамбля CMIP6 были отобраны модели, наиболее адекватно воспроизводящие механизмы взаимодействия колебаний Маддена–Джулиана и волн Россби с Эль-Ниньо; на следующем этапе они будут использованы для оценки возможных изменений этих процессов в будущем климате. (Гущина Д.Ю., Железнова И.В.) В рамках данного направления также выполнен анализ компонент теплового бюджета перемешанного слоя экваториального Тихого океана (2° ю.ш. – 2° с.ш.) по данным климатической модели Института вычислительной математики РАН в различных конфигурациях (INM-CM6P, INM-CM6LM). На основе месячных данных о зональной и меридиональной компонентах скорости течений, а также потенциальной температуре воды рассчитаны значения адвективных членов в верхнем 100-метровом слое океана, характеризующие вклад ключевых процессов (зональной адвекции температуры, термоклинной и экмановской обратных связей через апвеллинг и др.) в эволюцию аномалий теплосодержания данного слоя. По данным об аномалиях температуры поверхности океана (АТПО) были выделены периоды, соответствующие явлениям Эль-Ниньо и Ла-Нинья. Для событий Эль-Ниньо на основе АТПО определены их типы по двум классификациям (сильные/умеренные и восточнотихоокеанские/центральнотихоокеанские). Для каждого события выполнена оценка вкладов адвективных членов в период формирования явления и показана их роль в развитии положительных аномалий АТПО. Установлено, что новые версии модели (INM-CM6P, INM-CM6LM) в современном климате (сценарий Historical) лучше воспроизводят соотношения между ключевыми процессами, определяющими рост положительных аномалий АТПО на стадии зарождения и развития Эль-Ниньо, по сравнению с предыдущей версией модели (INM-CM5-0). Вместе с тем сохраняется недооценка общего вклада адвекции в эволюцию АТПО, а также завышение вклада экмановской обратной связи и недооценка термоклинной обратной связи. (Осипов А.М.) II. Исследование климата Москвы и других урбанизированных территорий, включающее изучение городского «острова тепла», состава атмосферного воздуха и осадков, экстремальных метеорологических явлений и атмосферной радиации (в том числе ультрафиолетовой) на основе данных измерений и численного моделирования Работы данного направления были направлены на комплексное изучение климатических изменений в условиях крупного города и прилегающих территорий, а также на выявление роли урбанизации в формировании региональных климатических особенностей и экстремальных явлений. Исследования основывались на длительных рядах наблюдений, данных дистанционного зондирования и результатах численного моделирования, что обеспечило сопоставимость и физическую интерпретацию полученных результатов. В отчётном 2025 году выполнен подробный анализ многолетних изменений климата Москвы по данным наблюдений Метеорологической обсерватории МГУ за 71 год. Были исследованы тенденции основных метеорологических величин, потоков солнечной радиации и кислотности осадков, а также рассчитаны и сопоставлены климатические нормы и годовой ход показателей для трёх стандартных периодов (1961–1990, 1981–2010 и 1991–2020 гг.). Для обеспечения полноты анализа проведено обновление электронных баз данных, включая ввод и верификацию рядов исходных значений с бумажных носителей. Анализ показал, что за весь период наблюдений МО МГУ (1954–2024 гг.) температура воздуха и подстилающей поверхности в Москве возрастала со средней скоростью около 0,04 °C/год. В то же время на глубине 320 см под естественным покровом потепление почвы происходило заметно медленнее, что, вероятно, связано с теплоизолирующей ролью снежного и травяного покровов, а также с инерционностью прогрева грунтовых вод. Рост годового количества осадков, наблюдавшийся в 1950–1960-е гг., в последние десятилетия сменился их стабилизацией. Несмотря на выраженное зимнее потепление климата, максимальная высота снежного покрова остаётся в целом стабильной вследствие увеличения зимних осадков. Установлено, что парциальное давление водяного пара увеличивается в среднем на 0,01 гПа/год, тогда как относительная влажность воздуха имеет тенденцию к снижению, главным образом за счёт роста температуры. В годовом ходе относительной влажности минимум, ранее характерный для мая, за последние 30 лет сместился на апрель–май. Существенное увеличение общей облачности и уменьшение суммарной солнечной радиации за последние три десятилетия выявлены только в январе и феврале, что связано с усилением циклонической деятельности; в остальные месяцы и в среднем за год статистически значимых изменений не обнаружено. Радиационный баланс поверхности устойчиво возрастает вследствие уменьшения альбедо, особенно в зимний период, и, как следствие, сокращения отражённой радиации. Кислотность осадков в среднем за период 1983–2024 гг. заметно увеличилась лишь в марте и апреле, что обусловлено быстрым весенним потеплением в эти месяцы. В дополнение к анализу температурно-влажностного режима были исследованы многолетние изменения снежного покрова и сезонного промерзания грунта, включая вариации высоты снежного покрова и глубины промерзания, а также календарные даты начала и окончания соответствующих процессов. Для указанных характеристик рассчитаны климатические нормы. Кроме того, проанализированы многолетние изменения повторяемости опасных и неблагоприятных метеорологических явлений в Москве по данным МО МГУ с привлечением информации с других метеорологических станций Москвы и ближнего Подмосковья. Полученные результаты позволили сделать выводы о влиянии крупного города на повторяемость и интенсивность различных опасных явлений. Совместно рассмотрены случаи сильной жары и сильного мороза, а также аномально тёплой и аномально холодной погоды. В отчётном году уточнены оценки фоновых изменений климата Московского региона по данным московских и подмосковных станций (Подмосковная, Новый Иерусалим, Павловский Посад), две из которых близки к фоновым условиям. На основе комбинированных рядов данных показано, что среднегодовая температура воздуха в фоновой местности Московского региона за последние 245 лет увеличилась не менее чем на 1,5 °C и, вероятно, приблизительно на 2,0 °C. В соответствии с этим уточнены оценки интенсивности городского «острова тепла» Москвы за период 1780–2024 гг. Получены также предварительные оценки фоновых изменений климата Москвы и Московского региона за 2000–2020 гг. на основе анализа спутниковых данных о температуре поверхности. (Локощенко М.А.) Для физической интерпретации приземных климатических изменений выполнен анализ многолетней изменчивости термической стратификации в пограничном слое атмосферы по данным радиозондирования за 1991–2022 гг. (г. Долгопрудный). Показано, что в ночные часы (03 ч) среднегодовой вертикальный градиент температуры в нижнем 100-метровом слое имел отрицательные значения, что свидетельствует о преобладании устойчивой стратификации. До 2010 г. наблюдалась тенденция к увеличению абсолютных значений градиента, после чего отмечалось его уменьшение, наиболее выраженное в 2017 г. Аналогичная, хотя и менее выраженная, тенденция выявлена и в слое 2–300 м. Анализ повторяемости типов стратификации показал, что в ночное время наблюдается доминирование устойчивой стратификации с ростом её повторяемости с 1991 по 2014 гг. до 97 % и последующим снижением до 84 %. При этом примерно в половине случаев устойчивая стратификация сопровождалась наличием приземных инверсий или изотермии. Начиная с 2015 г. в ночные часы отмечено увеличение повторяемости неустойчивой стратификации — с 2–4 % в 2006–2014 гг. до 10–12 % в 2016–2022 гг. Внутригодовой ход вертикальных градиентов характеризуется слабоположительными среднемесячными значениями в холодный сезон и максимальной устойчивостью в июне и августе. В дневные часы (15 ч) выявлено уменьшение вертикальных градиентов температуры до 2017 г. и их рост в последующие годы в слое 2–100 м при отсутствии выраженных тенденций в нижнем 300-метровом слое. Повторяемость неустойчивой и устойчивой стратификации в дневное время демонстрирует сложную, не монотонную динамику, что указывает на необходимость дальнейших исследований. (Алексеева Л.И.) В 2025 году продолжался мониторинг компонентов радиационного баланса, продолжительности солнечного сияния и ультрафиолетовой радиации с использованием радиационного комплекса RAD-MSU стандарта BSRN. Были разработаны и внедрены новые критерии контроля качества данных, включая требования к числу наблюдений при расчёте часовых осреднений и критерии корректности наведения приборов на Солнце. Усовершенствовано программное обеспечение регистрации и обработки данных, которое было протестировано и введено в оперативную практику. Анализ радиационных данных за 2024 год показал, что доля измерений с пониженным качеством невелика (в июле — 1–5 % в зависимости от вида измерений). Вариации полного радиационного баланса в течение года в основном определялись суммарной радиацией (коэффициент корреляции r = 0,98), на которую существенно влияли облачность, высота Солнца и альбедо поверхности. Установлена тесная связь между месячными значениями продолжительности солнечного сияния и коротковолновым (r = +0,95) и длинноволновым (r = −0,96) компонентами радиационного баланса. В зимние месяцы и в ноябре полный радиационный баланс был отрицательным и достигал минимума в январе (средняя суточная сумма −1,49 МДж/м²), что было связано с особенностями радиационного режима и длинноволнового излучения. В феврале 2024 г. облачная погода привела к снижению коротковолнового баланса на 40 %. В весенне-летний период вариации коротковолнового баланса, как правило, не превышали 10 % относительно климатической нормы, тогда как в сентябре наблюдалось его увеличение на 30 % вследствие существенного роста продолжительности солнечного сияния. Продолжены исследования особенностей длинноволнового радиационного баланса и его влияния на температуру приземного воздуха с использованием данных комплекса RAD-MSU, температурного профилемера MTP5 и численных расчётов по модели ICON с пространственным разрешением 1 км. Показано, что ошибки в воспроизведении нисходящей длинноволновой радиации в холодный период года могут приводить к погрешностям прогноза приземной температуры воздуха до 5 °C. Коэффициент корреляции между ошибкой воспроизведения температуры и ошибкой длинноволновой радиации составляет 0,78. Для Московского региона установлено, что занижение модельных значений нисходящей длинноволновой радиации в зимний период сопровождается недооценкой температуры приземного воздуха примерно на 2 °C. Анализ ультрафиолетовой радиации в 2024 году показал, что максимальные среднесуточные значения биологически активной эритемной УФ-радиации наблюдались в июне и июле и составляли около 2,9 кДж/м², что было обусловлено высокими высотами Солнца, малооблачной погодой и незначительными отклонениями общего содержания озона от нормы. В сентябре вследствие значительного увеличения продолжительности солнечного сияния порог образования витамина D превышался даже при минимальных значениях УФ-радиации, тогда как в декабре 2024 г. данный порог не достигался. Анализ факторов отклонений УФ-радиации от нормы показал, что в среднем за год превышение нормы составило около 10 %, главным образом за счёт уменьшения облачности и аэрозольной оптической толщины, тогда как рост общего содержания озона оказывал слабое компенсирующее влияние. (Чубарова Н.Е., Полюхов А.А., Жданова Е.Ю.) Анализ УФ радиации (2024 г.) выявил максимумы эритемной УФ радиации (2.9 кДж/м²) в июне–июле, обусловленные высокими углами Солнца и малой облачностью. В сентябре превышение порога образования витамина D наблюдалось даже при минимальных значениях УФ радиации вследствие увеличенной продолжительности солнечного сияния. В декабре порог образования витамина D не достигался. По реконструкции установлено, что годовое превышение УФ фоновой нормы составило ≈10 %, главным образом за счёт уменьшения облачности (+10.6 %) и аэрозольной оптической толщины (+1.4 %); рост озона слегка снижал УФ радиацию (-1.9 %). (Чубарова Н.Е., Полюхов А.А., Жданова Е.Ю.) III. Исследование ряда объектов, на динамику которых эффективно влияют изменения климата В рамках данного направления выполнен комплекс взаимосвязанных исследований, направленных на анализ отклика природных и социально-экономических систем на современные климатические изменения. Основное внимание было уделено потокам парниковых газов в наземных экосистемах, процессам формирования экстремальных и аномальных состояний в криосфере, а также факторам климатической чувствительности различных территорий. На основании результатов измерений потоков CO₂, явного и скрытого тепла методом турбулентных пульсаций в смешанном лесу на карбоновом полигоне «Чашниково» (Московская область) показано, что лесная экосистема на протяжении всего вегетационного периода 2025 года являлась устойчивым поглотителем CO₂ из атмосферы в широком диапазоне погодных условий. Максимальные скорости поглощения CO₂ отмечались в начале лета. Затраты тепла на испарение устойчиво превышали затраты тепла на турбулентный теплообмен, что указывает на доминирующую роль затрат теплана испарение в энергетическом балансе экосистемы. (Ольчев А.В.) В развитие экспериментальных исследований продолжена работа по усовершенствованию прямой и обратной методик оценки потоков парниковых газов над неоднородной подстилающей поверхностью. В прямой задаче были модифицированы начальные условия, что позволило улучшить воспроизведение компонент скорости ветра моделью, а также оптимизирован алгоритм решения начально-краевой задачи для концентрации парниковых газов, что существенно ускорило вычисления. Проведена верификация прямой модели для лесного участка карбонового полигона «Мухрино» (Ханты-Мансийский автономный округ). Сравнение расчётных и измеренных методом турбулентных пульсаций данных показало хорошее согласование суточного хода компонент скорости ветра (R² = 0,99), потока импульса (R² = 0,56) и вертикального потока CO₂ (R² = 0,77). В качестве входных данных использовалась информация о динамической скорости и направлении ветра, высоте атмосферного пограничного слоя, структуре рельефа и растительности, почвенном потоке CO₂, температуре и влажности воздуха, а также приходящей фотосинтетически активной радиации. Рассчитанные поля вертикальных потоков CO₂ применялись в качестве целевых при тестировании обратного алгоритма. В обратной задаче предполагалось наличие измерений концентрации CO₂ на двух высотах, а сам поток определялся путём минимизации функционала среднеквадратичного отклонения модельных и измеренных значений концентрации. Более точная аппроксимация граничных условий в модифицированной версии алгоритма позволила снизить ошибку оценки средних потоков на 15–38 % даже при увеличении погрешности измерений. (Ольчев А.В., Мухартова Ю.В.) Параллельно выполнены микромасштабные и региональные расчёты потоков CO₂ и CH₄ над лесными и болотными комплексами «Мухрино» (ХМАО) и «Ляльский» (Республика Коми) с использованием трёхмерной RANS-модели, данных лидарной съёмки и камерных измерений. Для участка «Мухрино» реконструированы структура радиационного режима и особенности турбулентного переноса над грядово-мочажинным комплексом, что позволило выявить влияние микрорельефа и растительности на формирование локальных максимумов и минимумов потоков CO₂. Для полигона «Ляльский» получены оценки пространственной изменчивости поля ветра и потоков CO₂ на различных высотах в неоднородном лесном массиве; результаты моделирования показали хорошее согласование с пульсационными измерениями. Дополнительно разработаны и протестированы прямые и обратные модели восстановления потоков CO₂ по данным концентраций, измеренных беспилотными летательными аппаратами в приземном слое атмосферы. Совмещение дистанционных наблюдений и трёхмерного моделирования подтвердило применимость данного подхода для получения потоков с высоким пространственным разрешением. Моделирование с использованием модели пограничного слоя SCADIS показало, что станция «Чашниково» регистрирует характеристики турбулентных потоков и газообмена в пределах чётко очерченной зоны влияния. Основной вклад в измеряемые потоки пассивных субстанций, эмитируемых из почвы, формируется в радиусе порядка 120 м, тогда как для субстанций, источником которых является древостой, — в радиусе около 40 м от мачты. Даже при ветре со стороны луга, когда ближайшая кромка леса расположена на расстоянии около 400 м, не менее 80 % измеряемого сигнала формируется лесным пологом. Установлено также, что воздушный поток успевает адаптироваться к изменению шероховатости подстилающей поверхности до достижения уровня установки датчиков, что обеспечивает соблюдение условий корректного измерения вертикальных потоков массы и энергии. Таким образом, конфигурация станции, высота мачты и организация измерений в Чашниково обеспечивают получение репрезентативных данных, характерных для лесного биотопа, с чётко определённой зоной влияния. (Согачев А.Ф.) IV. Развитие методики компьютерного моделирования атмосферных процессов и анализ высокоразрешающих баз данных для изучения механизмов формирования экстремальных явлений в сложных топографических и урбанизированных условиях. В рамках данного направления проводились исследования, направленные на развитие и применение современных методов компьютерного моделирования атмосферных процессов с использованием моделей COSMO-CLM/ICON-CLM, COSMO-ART, WRF-ARW, а также турбулентно-разрешающих моделей. Эти инструменты в сочетании с высокоразрешающими базами данных применялись для изучения механизмов формирования экстремальных атмосферных явлений, включая сильные осадки, гололедно-изморозевые отложения высокой интенсивности, экстремальные скорости ветра, загрязнение воздуха, обледенение морских судов и другие опасные процессы. Особое внимание уделялось регионам со сложными топографическими и ландшафтными условиями — Арктике, Кавказу, Камчатке, а также урбанизированным территориям. Важным этапом работ стала оценка качества воспроизведения климатической моделью Института вычислительной математики РАН INM-CM6M трёхмерной структуры зональной и региональной атмосферной циркуляции в тропосфере и нижней стратосфере. Для этого по данным о зональной и меридиональной компонентах скорости ветра в слое от 1000 до 100 гПа за период 1950–2022 гг. были рассчитаны зональный и региональный индексы циркуляции Петросянца–Гущиной. Полученные индексы, рассчитанные по данным климатической модели, были сопоставлены с соответствующими оценками по данным реанализа ERA5. Зональный индекс циркуляции использовался для характеристики интенсивности зональной компоненты скорости ветра на каждом круге широты, тогда как региональный индекс представлял собой интеграл скорости ветра по замкнутому контуру и рассчитывался для 18 различных центров действия атмосферы. Показано, что модель INM-CM6M в целом реалистично воспроизводит общую структуру зональной циркуляции скорости ветра на всех широтах и вертикальных уровнях, включая пассатную циркуляцию, западный перенос и экваториальные муссоны. Корректно воспроизводятся порядок величин индекса циркуляции и широтное смещение зон максимальной интенсивности в годовом ходе. Наиболее точное воспроизведение глобальной циркуляции отмечается в субтропических широтах обоих полушарий и в умеренных широтах Южного полушария. Вместе с тем выявлен ряд систематических недостатков. Модель переоценивает интенсивность западной циркуляции, особенно в умеренных широтах и в верхней и средней тропосфере. В районе 40–50° ю.ш. некорректно воспроизводится годовой ход зональной циркуляции, а в высоких широтах Северного полушария область западного переноса смещена к экватору. Существенные неточности выявлены и в тропических широтах, где в средней тропосфере вместо восточной циркуляции в модели преобладает западная, особенно в Южном полушарии в период с апреля по октябрь. Региональный индекс циркуляции был рассчитан для центров действия атмосферы, объединённых в четыре группы: экваториальные депрессии, субтропические антициклоны, депрессии умеренных широт и сезонные центры действия атмосферы. Модель INM-CM6M корректно воспроизводит знак регионального индекса, порядок его значений и средний годовой ход для большинства рассмотренных центров. Наиболее успешно моделируется циркуляция в сезонных центрах действия атмосферы над Северной Америкой и в системе Индийского муссона, а также в субтропических антициклонах (за исключением Южно-Тихоокеанского) и экваториальных ложбинах (за исключением средней тропосферы). Наибольшие сложности отмечаются в приэкваториальных широтах в средней тропосфере (около 500 гПа), где модель часто неверно воспроизводит как годовой ход, так и интенсивность региональной циркуляции. В Тихом океане выявлены проблемы с моделированием циркуляции в Южно-Тихоокеанском антициклоне. В умеренных широтах наименее успешно воспроизводится циркуляция в области циклонов умеренных широт Южного полушария, а среди сезонных центров — в Сибирском антициклоне, особенно в области его отрога. Несмотря на выявленные ограничения, в целом модель INM-CM6M достаточно успешно воспроизводит основные черты глобальной и региональной атмосферной циркуляции и может быть использована для анализа её изменений в XXI веке. На следующем этапе был выполнен анализ изменений зональной и региональной циркуляции в условиях меняющегося климата. Одним из ключевых механизмов увеличения частоты неблагоприятных и экстремальных погодных явлений рассматривается перестройка крупномасштабной атмосферной циркуляции, проявляющаяся в изменении локализации и интенсивности центров действия атмосферы, а также в смещении областей активной циклонической деятельности. Учитывая, что скорость роста температуры во внетропических широтах Северного полушария превышает глобальные средние значения, именно эти регионы могут быть наиболее чувствительны к подобным изменениям. В связи с этим было исследовано влияние роста глобальной температуры на зональную и региональную циркуляцию ветра над Северной Евразией в XXI веке с использованием данных умеренного сценария SSP2-4.5 и наиболее жёсткого сценария SSP5-8.5 за период 2071–2100 гг. Согласно полученным результатам, модель INM-CM6M прогнозирует некоторое ослабление интенсивности глобальной зональной циркуляции при сохранении её общей структуры. Ожидается также смещение к полюсу области наиболее интенсивного западного переноса, причём в сценарии SSP5-8.5 эти изменения выражены сильнее, чем в сценарии SSP2-4.5. В годовом ходе отмечается ослабление интенсивности зональной циркуляции в зимне-весенний период в приполярных широтах к северу от 60° с.ш. При анализе отдельных центров действия атмосферы наибольшие изменения также прогнозируются в зимний период. Для депрессий (Алеутского и Исландского минимумов) модель предсказывает усиление циркуляции зимой в обоих сценариях. В антициклонах (Азорском и Гавайском) циркуляция также несколько усиливается в зимний период, тогда как летом и осенью ожидается её ослабление, особенно в нижней и средней тропосфере. При этом различия между сценариями SSP5-8.5 и SSP2-4.5 по величине изменений интенсивности циркуляции в большинстве центров действия атмосферы оказываются сравнительно небольшими. (Железнова И.В.) В течение отчётного года была усовершенствована модель орографического добавка осадков, первая версия которой была разработана на кафедре метеорологии и климатологии географического факультета МГУ и в отделе гляциологии ИГ РАН в 2021–2024 гг. Разработанный алгоритм относится к классу «моделей наветренного склона» и представляет собой комбинацию уравнения Клаузиуса–Клапейрона с упрощённым уравнением притока тепла для случая адиабатического охлаждения воздушной частицы, вынужденно поднимающейся вдоль горного склона. Орографическая составляющая вертикальной скорости ветра рассчитывается на основе упрощённого уравнения неразрывности с учётом стратификации атмосферы, задаваемой через частоту Брента–Вяйсяля во влажном воздухе. Дополнительно учитывается крупномасштабная вертикальная скорость, обусловленная текущим синоптическим процессом. В качестве входной информации используются данные о температуре воздуха, массовой доле водяного пара, компонентах скорости ветра и влагосодержании облаков, получаемые как из спутниковых наблюдений, так и из сеточных данных реанализов и численных расчётов атмосферных моделей. На текущем этапе развития технологии в качестве исходных данных применяется реанализ ERA5. Усовершенствование алгоритма в отчётном году заключалось в нетривиальном учёте крупномасштабной составляющей осадков, в частности в суммировании всех гидрометеоров в атмосферном слое, соответствующем высоте рельефа, а также в учёте конвергенции водяного пара на наветренном склоне. Это позволило существенно повысить качество моделирования осадков в горных районах Кавказа, что подтверждается результатами мониторинга годовой аккумуляции снежного покрова на хорошо изученных ледниках Кавказа (Джанкутат, Гарабаши, Микельчеран) и Алтая (Левый Актру). Численные эксперименты за период 1981–2023 гг. показали, что использование данных реанализа ERA5 приводит к занижению экстремальных сумм осадков в горных районах Кавказа и Алтая в 1,5–2 раза, что является критичным для задач горной гидрологии и гляциологии. Существенным результатом стало получение плювиометрических градиентов в горах Кавказа: на Эльбрусе они составили около 40 мм на 100 м годовой суммы для юго-западного макросклона и около 25 мм на 100 м для северо-восточного. Разработанная версия технологии может допускать значительные ошибки при воспроизведении отдельных эпизодов сильных осадков, однако хорошо воспроизводит форму функции распределения и экстремальные значения в модельных рядах. Это позволяет использовать данную технологию как для параметризации горных осадков в моделях земной системы, включая гляциологические модули, так и в прикладных гидрометеорологических изысканиях при проектировании и строительстве инфраструктурных объектов в горных районах. (Торопов П.А.) В 2025 году в рамках экспедиционных исследований впервые была создана система онлайн-мониторинга приземных температурных инверсий в городах Арктической зоны Российской Федерации и в климатически близких к ним регионах — Якутске, Апатитах и Норильске. На основе полученных данных изучена связь между параметрами температурной стратификации атмосферы и интенсивностью городского острова тепла в условиях субарктического климата. Получены количественные оценки интенсивности приземных инверсий и их повторяемости, а также впервые за последние 50 лет выполнена оценка интенсивности как зимнего, так и летнего острова тепла города Якутска. Дополнительно разработана опытная методика выявления динамики изменений термического комфорта на примере 20 ключевых городов стран БРИКС, включающая совместную оценку трендов термического стресса и изменений площади зелёных насаждений в крупных городских агломерациях. (Константинов П.И.) Проведено исследование условий формирования пространственно-временных особенностей гололедно-изморозевых отложений на территории федеральных округов России по данным визуальных наблюдений за период 1979–2022 гг. Получены количественные оценки диапазонов метеорологических условий, при которых формируются различные типы гололедно-изморозевых отложений, а также оценки среднего годового и максимального числа дней с такими явлениями и линейные тренды их повторяемости. Отдельно рассмотрены условия возникновения явлений погоды, потенциально приводящих к образованию сильных гололедно-изморозевых отложений. (Соколихина Н.Н.) Значительный объём работ был выполнен по внедрению в численную модель атмосферы COSMO городской параметризации TEB (Town Energy Balance), обладающей более широкими возможностями для задач городского моделирования по сравнению с ранее использовавшейся схемой TERRA_URB. Обе параметризации рассматривают городской каньон как расположенный ниже уровня поверхности и предоставляют модели атмосферы нижние граничные условия, однако отличаются подходами к описанию физических процессов. В схеме TERRA_URB модифицируются термодинамические свойства поверхности с учётом геометрии застройки, тогда как TEB явно рассчитывает радиационные и турбулентные потоки внутри городского каньона, а также теплопроводность и аккумуляцию тепла в стенах зданий, дорожном полотне и кровле. Оценка чувствительности модели COSMO к выбору городской параметризации была выполнена для Московского региона для августа 2022 года. Эксперименты были поставлены таким образом, чтобы влияние различий в результатах моделирования определялось исключительно различными подходами к описанию поверхности. Для этого модель TEB использовалась в упрощённой конфигурации с тем же набором внешних параметров, что и TERRA_URB, без учёта антропогенного потока тепла в обеих схемах. Показано, что обе параметризации воспроизводят структуру городского острова тепла, при этом вертикальное распределение и интенсивность температурной аномалии в пограничном слое атмосферы практически совпадают. Сравнение с данными городских метеостанций выявило, что обе схемы недооценивают ночные и утренние значения температуры воздуха, что частично объясняется отсутствием антропогенного потока тепла, а также демонстрируют фазовое запаздывание суточного хода температуры, особенно в первой половине дня. Различия между параметризациями проявляются в более низких ночных и утренних температурах воздуха и поверхности в расчётах с TEB по сравнению с TERRA_URB. Среднемесячные различия температуры воздуха достигают 0,84 °C, что приводит к более сильной недооценке интенсивности городского острова тепла в схеме TEB. Вместе с тем TEB несколько улучшает воспроизведение суточного хода температуры, уменьшая фазовый сдвиг относительно наблюдений. Детальный анализ компонент теплового баланса показал, что за счёт явного расчёта радиационных потоков внутри городского каньона эффективное городское альбедо в TEB оказывается ниже, чем параметризованные значения в TERRA_URB, что приводит к большему поглощению солнечной радиации. Однако различия в альбедо не объясняют более низкие ночные температуры воздуха в TEB, которые, по-видимому, связаны с различиями в описании процессов переноса и аккумуляции тепла внутри городских поверхностей. В частности, используемая в TERRA_URB параметризация теплопроводности, основанная на интегральном индексе поверхности, приводит к увеличению скорости теплообмена на границе поверхность–атмосфера и, как следствие, к повышению температуры поверхности и приземного воздуха в ночные и утренние часы. Хотя внедрение параметризации TEB в модель COSMO в базовой конфигурации не привело к существенному улучшению интегральных показателей качества моделирования, данная схема предоставляет значительно больше возможностей для дальнейшего развития модели за счёт активации и настройки дополнительных компонентов, таких как модель теплового баланса зданий BEM, модуль городской растительности, уточнение входных параметров и совершенствование описания отдельных процессов, включая профиль ветра внутри городской застройки. Следует отметить, что представленные результаты относятся к тёплому периоду года (август 2022 г.), тогда как в холодный сезон различия между параметризациями могут быть более существенными из-за различий в моделях снега и учёте антропогенного теплового потока, который играет ключевую роль в формировании городского острова тепла зимой. (Тарасова М.А., Степаненко В.М.) Завершающим элементом данного направления стал анализ ожидаемых климатических изменений в XXI веке на территории Республики Казахстан на основе ансамбля из 35 климатических моделей проекта CMIP6. Показано, что атмосферное давление в течение XXI века будет снижаться на всей территории страны, причём наиболее выраженные изменения ожидаются в сценарии SSP5-8.5. Максимальные понижения давления прогнозируются в летний период и связаны с усилением прогрева поверхности суши и формированием термических депрессий, особенно в пустынных и полупустынных районах центрального и юго-западного Казахстана. Зимнее понижение давления с максимумом на северо-востоке страны отражает процесс ослабления Сибирского антициклона. По обоим сценариям будущего климата прогнозируется выраженное потепление на всей территории Казахстана, имеющее зональный характер — от максимальных повышений температуры на севере к минимальным на юге. Изменения осадков не демонстрируют чёткой единой тенденции: в среднем по ансамблю моделей на большей части территории ожидается увеличение годового количества осадков, однако отдельные модели прогнозируют их уменьшение. Зимой прогнозируется рост осадков более чем на 40 % преимущественно в северных и восточных регионах, тогда как летом ожидается сокращение осадков, особенно в Прикаспийском регионе, что усиливает вероятность экстремальных явлений, таких как засухи и пыльные бури, и создаёт дополнительные риски для сельского хозяйства. Совместный анализ изменений годовой амплитуды температуры воздуха и годового количества осадков показал увеличение континентальности климата на юге Казахстана за счёт роста температурной амплитуды при незначительных изменениях осадков, тогда как на севере страны континентальность уменьшается вследствие одновременного снижения годовой амплитуды температуры и увеличения осадков. (Гущина Д.Ю.) one | ||
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".
| № | Имя | Описание | Имя файла | Размер | Добавлен |
|---|