Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Главной научной проблемой, на решение которой направлен наш проект является понимание цепочки механизмов через которые Мировой океан влияет на климат и погоду на континентах. Современное понимание этих механизмов позволяет с уверенностью сказать, что активная роль океана проявляется на масштабах в несколько десятилетий, в то время как на масштабах лет и десятилетий активная роль принадлежит атмосфере. Практически, это значит, что наблюдая устойчивую аномалию, например, температуры поверхности океана более десятилетия, мы может спрогнозировать, что она повлияет на климат Европы, также на масштабе десятилетия. Или, что изменение даты наступления весеннего половодья, от года к году – это результат собственной динамики атмосферы. Однако, даже в рамках такой парадигмы мы не пришли к пониманию того, как конкретные океанские аномалии влияют на континентальный климат. В нашем проекте мы исследуем в некоторой степени «потерянный» блок связей между аномалиями климатического состояния океана и аномалиями атмосферной циркуляции и климата. А именно, мы хотим полностью проследить цепочку цепочку механизмов, связанных с передачей тепла из океана в атмосферу и формированием климатических аномалий (от процессов энергообмена до формирования экстремальных режимов тепла и увлажнения на континентах). «Языком» взаимодействия океана и атмосферы, является обмен теплом и влагой, а также последующее перераспределение тепла в атмосфере, за счёт различных процессов, в средних широтах, за счет вихревой динамики атмосферы – атмосферных циклонов. В первый год реализации проекта наши исследования были сосредоточены на атмосферном механизме, который управляет передачей тепла из океана в атмосферу. Использую данные климатических реконструкций состояния атмосферы – реанализов, мы разработали методологию для количественной и качественной оценки роли атмосферной циркуляции и атмосферных циклонов в интенсификации или, наоборот, ослаблении теплообмена между океаном и атмосферой. Нашим главным результатом на этом этапе является расширение традиционной парадимы о роли циклонов в формировании теплообмена между океаном и атмоферой. Традиционно, циклонам отводится ведущая роль в интенсификации теплообмена между океаном и атмосферой. Считается, что фронтальная структура циклона – наличие теплого и холодного секторов, всегда приводит к интенсификации теплообмена между океаном и атмосферой, за счет резкого увеличения вертикальных градиентов температуры и влажности в холодном секторе, если циклон распространяется над океаном. В нашей работе, мы впервые качественно и количественно сопоставили турбулетные потоки тепла из океана в атмосферу и траектории и характеристики всех атмосферных циклонов. Мы показали, что не все атмосферные циклоны приводят к значительной интенсификации теплообмена между океаном и атмосферой, а только замыкающие циклоны в серии, в тылу которых присутствует антициклон. На рисунке 1 приведена иллюстрация возникновения атмосферных условий, приводящих к интенсификации теплообмена между океаном и атмосферой (рис. 1, левая и центральная панели) и к значениям теплообмена близким к средним в Северной Атлантике (рис. 1, правая панель). Рисунок 1. Аномалии суммарного (скрытое+явное) потока тепла (цвет), рассчитанные относительно среднеянварских значений LSHF вместе с давлением на уровне моря (SLP, линии) 18:00 03/01/2008 – левая панель, 18:00 22/01/2008 – центральная панель и 06:00 11/01/2008 – правая панель. Чёрной точкой показано положения буя NDBC №41048 Главное отличие случаев, представленных на рис. 1 (левая и центральная панели) и рис. 1 (правая панель) – это наличие и отсутствие интенсивного антициклона над Северной Америкой, при активных циклонах над океаном. На рис. 1 (правая панель) над Атлантическом океаном наблюдаются несколько циклонов – серия, однако сильных аномалий теплообмена нет, за исключеним области в восточной части океана. В ней, как и случаях на левой и центральной панели рис. 1, взамодействие тыловой части циклона и антициклона, приводит к образованию атмосферного диполя, обеспечивающего заток холодного воздуха из северных областей на поверхность океана. Резкое увеличение вертикальных градиентов температуры и влажности между поверхностью океана и приводным слоем атмосферы приводит к возникновению сильной аномали потока тепла из океана в атмосферу. Наши исследования показали, что вклад таких областей (атмосферных диполей) в интегральные значения теплообмена между океаном и атмоcферой составляет от 20 до 90% процентов в различных областях Северной Атлантики. Таким образом, мы продемонстрировали и численное оценили важность зон взаимодействия циклонов и антициклонов для интенсификации взаимодействия океана и атмосферы. Такой механизм был описан впервые. Другим важнейшим результатом нашей работы является разработка численного экперимента по климатической реконструкции атмосферной циркуляции в Северной Атлантике с разрешением 0.08 градуса (14 км) на период более 30 лет (с 1979 по 2016 гг). Доступные на сегодняшний день данные реконструкций состояния атмосферы – реанализов, характеризуются пространственным разрешение от 0.5 до 2.5 градусов. Такое пространственное разрешение не позволяется проанализировать процессы, масштаб которых «проваливается» в расстояние между ячейками сетки. Например, конвективные процессы в атмосфере, экстремально высокие скорости ветра, мезомасштабные циклоны и др. не могут быть достоверно описаны. Одним из главных объектов нашего исследования являются атмосферные реки – узкие коридоры в которых формируется аномально высокий влагоперенос на континенты, как следующее звено переноса влаги из океана на континенты. Для детального исследования этого механизма нами была разработана конфигурация численной модели циркуляции атмосферы WRF ARW с пространственным разрешением 0.08 градуса (14 км). Результаты этого модельного эксперимента позволят достоверно проанализировать возникновение и жизненный цикл атмосферных рек. Схема выполнения эксперимента приведена на рис. 2. Рисунок 2. Область численного интегрирования (в центре) и план-схема постановки численного эксперимента с моделью WRF ARW.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Главной научной проблемой, на решение которой были направлены исследования в рамках проекта за прошедший год является получение достоверных данных высокого разрешения о состоянии атмосферы в Северной Атлантике на климатическом масштабе времени. Такие данные необходимы для последующего детального исследования атмосферных рек, циклонической активности и процессов взаимодействия океана и атмосферы. Исследования динамики атмосферы на синоптическом масштабе давно и успешно проводят при помощи информации, предоставляемой атмосферными реанализами. Однако, климатическая роль субсиноптических и мезомасштабных процессов в современной науке до сих пор является «терра инкогнито». Чтобы учесть эти процессы необходимо обладать высокоразрешающими данными о состоянии атмосферы за длительный (климатический) период времени. В настоящем исследовании основным инструментом является региональная мезомасштабная динамическая модель атмосферы WRF (Weather Research and Forecasting) версии 3.8.1. Фактически, используя данные современных реанализов сравнительно грубого разрешения, мы проводим высокоразрешающую реконструкцию атмосферной циркуляции. Поскольку исследуемым регионом является Северная Атлантика, то полученные данные долговременного (с 1979 по 2018 гг.) атмосферного эксперимента были названы NAAD (North Atlantic Atmospheric Downscaling). При выполнении эксперимента мы используем оптимально подобранный набор параметризаций подсеточных процессов, а также для предотвращения «дрейфа» модельного решения при длительном интегрировании используется процедура спектрального подталкивания. Мы сохраняем из граничных условий (реанализ ERA Interim) колебания с длинной волны более 1100 км в полях геопотенциала, компонент скорости ветра и потенциальной температуры. Таким образом, мезомасштабная модель «сохраняет» синоптическую моду циркуляции из атмосферного реанализа и при этом воспроизводит мезомасштабную динамику. Полученный массив данных может быть использовать в широком спектре научных задач поэтому в будущем планируется организовать открытый доступ к этим данными другим научным коллективам. Расчет проводился на ресурсах лаборатории ЛВОАМКИ (ИОРАН) с использованием в среднем 512 вычислительных ядер в течении более 365 дней. Объем NAAD составляет около 150 ТВ дискового пространства. На данный момент создан веб-сайт naad.ocean.ru, который находится на стадии наполнения. Одним из наиболее чувствительных к пространсвенному и временному разрешению модели процессов, являются процессы, связанные с конвекцией и, как следствие, и конвективные осадки. На рисунке 1 показаны карты средних осадков за июль (период наиболее развитой конвекции) 2015 года. Ввиду сложности процессов, связанных с выпадением осадков, полного совпадения ожидать не имеет смысла. Однако очевидно, что высокоразрешающий эксперимент (А), лучше всего согласуется данными дистанционного зондирования GPM – Global Precipitation Mission (D), чем все остальные рассмотренные источники, включая самый современный реанализ ERA5 (F). Рис. 1 Среднемесячные суточные накопленные осадки за июль 2015 (mm day-1) в NAAD HiRes (A), LoRes (B), ERA-Interim (C), GPM (D), GPCP (E) и ERA5 (F). Таким образом, можно заключить, что осадки в данных NAAD хорошо согласованы с данными наблюдений, лучше, чем все доступные базы данных, включая реанализы, и могут быть использованы для оценки различных гидрологических характеристик. В том числе и для исследования атмосферных рек. NAAD также (рис. 2) хорошо воспроизводит положение основных штормтреков среднеширотных циклонов в Северной Атлантике в согласии с климатологией штормтреков, основанной на данных глобальных реанализов, однако локальное количество циклонов в NAAD HiRes больше по сравнению с LoRes на 30-60%. Примечательно, что NAAD LoRes также показывает немного большее количество циклонов по сравнению с ERA-Interim, хотя различия находятся в пределах 3-5%. На рисунке 2 показаны зимние (DJF) временные ряды интегрального числа циклонов в области расчета модели различной интенсивности (определенной по значению давления в центре циклона). NAAD HiRes позволяет идентифицировать в 2 раза больше циклонов по сравнению с LoRes, который демонстрирует высокую согласованность с глобальными ренализами (рис. 2a). Важно отметить, что эти различия между HiRes и всеми другими продуктами (включая LoRes) формируются в основном умеренно глубокими и неглубокими циклонами (рис. 2b, d), в то время как количество глубоких циклонов в HiRes лучше согласуется с LoRes и реанализами, и превышает их оценки на 10-15%. Рис. 2 Зимнее (DJF) (1979-2018) количество циклонов в NAAD-HiRes (A) и разница в количестве циклонов между NAAD-LoRes и ERA-Interim (B) и NAAD-HiRes и ERA-Interim (C). Цветом - количество траекторий циклонов за сезон (DJF) прошедших через окружность с радиусом 2° широты (~155 000 км2) Также отметим, что эффективный радиус циклона, характеризующий размер циклона, примерно на 50-100 км меньше в HiRes NAAD по сравнению с NAAD LoRes, а также на 100-150 км меньше по сравнению с ERA-Interim (рисунок не приводится). Для идентификации атмосферных рек (АР) был разработан подход, позволяющий проводить их обнаружение, сегментацию и фильтрацию, получивший условное наименование «SAIL_v1». Согласно неформальному определению, атмосферная река – это узкий протяженный синоптический феномен, связанный с аномальным переносом влаги. В разработанной нами методике обнаружения, сегментации и фильтрации АР применяется подход, основанный на выделении аномалий IVT – Integrated Vapour Transport (например, выше 80го перцентиля), отсеивании ложных кандидатов в атмосферные реки и последующем геометрическом анализе всех связных областей, где аномалия влагопереноса превышает заданное значение перцентиля. На рисунке 3 приведен пример атмосферной реки по данным NAAD, для которого построена билинейная сплайновая аппроксимация срединной оси и показаны отрезки, перпендикулярные к этой оси, вдоль которых оценивается ширина атмосферных рек. Результатом этих оценок является совокупность значений ширины, далее эта выборка подвергается фильтрации аномалий. При этом, как видно, например, на рисунке 3(в), распределение значений ширины несимметричное, поэтому в качестве оценки ширины атмосферной реки принимается эмпирическое медианное значение. (б) (а) (в) Рис. 3 (а) Фигура АРк, для которой оценены значения ширины вдоль всей срединной оси (показана красной линией) по отрезкам (показаны зелеными линиями), перпендикулярным билинейной сплайновой аппроксимации срединной оси; (б) значения ширины АРк, оцененные в точках срединной оси; (в) гистограмма значений ширины АРк после фильтрации аномалий. На основании данных об идентифицированных атмосферных реках оцениваются показатели, характеризующие геометрические характеристики атмосферных рек (длина, ширина, отношение длины к ширине).

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Ученые института океанологии им. П.П. Ширшова РАН разработали и реализовали уникальную 40-летнюю ретроспективную реконструкцию атмосферной циркуляции в Северной Атлантике (10°N - 80°N) – Russian Academy of Sciences North Atlantic Atmospheric Downscalling (RAS-NAAD) с пространственном разрешением 14 км и 50 уровнями по вертикали (до 50 гПа). Реконструкция создана с использованием региональной негидростатической модели WRF-ARW 3.8.1 за период 1979 – 2018 гг. Данные NAAD включают в себя все основные параметры поверхности и свободной атмосферы (на модельных сухогидростических сигма-уровнях) с 3-часовым разрешением по времени. Трехмерный массив отвечает целому спектру исследовательских требований метеорологов, климатологов и океанологов, работающих как в исследовательской, так и в оперативной областях. Использование высокого разрешения и негидростатической модели в NAAD позволяют впервые реалистично воспроизвести мезомасштабную динамику атмосферы, прежде всего, в субполярных широтах. Рисунок 1. Вычислительный домен NAAD. Новая база данных может быть использована для диагностики экстремальных погодных явлений, полярных мезоциклонов, тропических циклонов и других атмосферных явлений, которые не воспроизводятся в данных более грубого пространственного разрешения. В качестве примера мы приводим диагностику интенсивного полярного мезициклона 2 марта 2008 г. вблизи южной оконечности Гренландии. NAAD (A,E) более детально, по сравнению с другими источниками данных – реанализом ERA-Interim (B,F), ERA5 (C,G), ASRv2 (D,H) воспроизводит пространственную структуру (верхние панели) и турбулентный теплообмен (нижние панели) между океаном и атмосферой, а также само наличие полярного мезоциклона в полях давления на уровне моря (черные изолинии) и ветра (цвет). Рисунок 2. Диагностика полярного мезоциклона 2 марта 2008 г. Скорость ветра на 10м (цветом) и давление на уровне моря (изолинии) по данные NAAD (A), ERA-Interim (B), ERA5 (C), ASRv2 (D). Суммарный турбулентный поток тепла из океана в атмосферу (скрытое+явное, цветом) и давление на уровне моря (изолинии) по данным NAAD (E), ERA-Interim (F), ERA5 (G) и ASRv2 (H). Данные NAAD включают прогностические и диагностические переменные на поверхности и в толще тропосферы, предоставленные на сетках NAAD с разрешениями 14 и 77 км для периода 1979 – 2018 гг. Более грубое разрешение используется для контроля эффектов пространственного шага по сетке. Весь архив данных NAAD находится в свободном доступе для исследовательских целей и составляет 150 ТБ с отдельными годовыми файлами в диапазоне от приблизительно 140 МБ в низком разрешении (77 км) до 3,3 ГБ в высоком разрешении (14 км) для поверхностных переменных и примерно 165 ГБ для 3D-полей. Весь вывод данных NAAD организован в виде ежегодных файлов NetCDF по переменным и доступен на сайте www.naad.ocean.ru для загрузки с использованием доступа по FTP и OPeNDAP.