Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Создана программная параллельная реализация метода ансамблевой интерполяции для усвоения данных наблюдений в вихреразрешающей модели динамики океана. Проведен анализ результатов численных экспериментов в Северной Атлантике при усвоении данных спутниковой альтиметрии AVISO со спутника Jason-1 на базе программной платформы совместного моделирования CMF3.0. Показано, что ассимиляция альтиметрии дает значительное уменьшение ошибок в трехмерных полях температуры и солености по сравнению с экспериментами без ассимиляции. Ошибки прогноза после усвоения по сравнению с контрольным расчетом уменьшаются почти в два раза, при этом ошибка уменьшается с глубиной. Проанализировано также как конкретно усвоение уровня влияет на те параметры, которые не усваивались непосредственно - температуру и соленость по сравнению с независимыми данными ARGO. Разработана методика кратко- и среднесрочного (до 10 суток) оперативного прогноза состояния океана и морского льда с разрешением 0,25 градуса, показана возможность усвоения мультивариантного вектора данных наблюдений, состоящего из температуры, солёности и уровня океана, с расчетом кросс-ковариаций между различными модельными величинами в модели ИВМИО-CICE разрешения 0.1 градуса. По результатам работы по тонкой настройке метода усвоения данных выбран размер ансамбля и диагональный коэффициент ковариационной матрицы данных наблюдений, проверена корректная работа метода на малочисленных и нерегулярных данных наблюдений. В модели динамики океан ИВМИО включён пакет CVMix. Созданы программные интерфейсы вызовов параметризаций сдвиговой турбулентности Пакановского-Филандера и поверхностного пограничного слоя KPP. В модели океана (комплекс ИВМИО — CMF2.0) реализована аппроксимации стока рек через «жидкие» границы. В отличие от широко распространенного в климатических моделях метода аппроксимации притока плавучести речными водами посредством задания «искусственных» осадков в районе впадения рек, прямая аппроксимация подразумевает задание притока импульса, тепла и соли. С применением прямой аппроксимации «жидких» границ были проведено компьютерное моделирование термодинамических процессов океана и морского льда на шельфе в районах притока рек Енисей, Обь, Лена в рамках моделей Арктика025, Арктика01. Полученное решение показывает улучшение воспроизведения формирования водных масс на азиатском шельфе СЛО. Учёт корреляций ошибок наблюдений спутниковых данных AMV, выполненный в отчётном году, особенно важен в приполярных регионах в виду почти полного отсутствия других видов наблюдений в свободной атмосфере в этих обширных регионах и необходимости из-за этого факта использования всей полноты информации, имеющейся в данных наблюдений. Работы по внедрению блока, ответственного за учёт корреляций ошибок наблюдений, включали в себя разработку алгоритма построения и обращения блочной матрицы ковариаций ошибок наблюдений, рассчитывая для каждой точки модельной сетки значения корреляций между ошибками наблюдений, попадающих в радиус локализации. Указанные корреляции рассчитываются с помощью авторегрессионной функции второго порядка из, значение которой зависит от двух настроечных параметров. Проверка гипотезы о наличии статически значимых различиях в двух выборках, составленных из осреднённых среднеквадратических ошибок ежедневных прогнозов на июнь 2015 года, свидетельствует о том, что ошибки прогнозов статистически значимо уменьшаются при учёте корреляции ошибок наблюдений во время подготовки начальных данных. В практическую работу внедрен программный блок схемы статистической коррекции детерминистских прогнозов гидродинамической модели ПЛАВ для Арктического региона. Проведена настройка схемы на оперативных данных и получены оценки успешности скорректированных прогнозов на независимой выборке. Показано среднее улучшение качества прогнозов, хотя и незначительное, с применением схемы статистической коррекции. Разработана тестовая версия интерфейса программы для автоматического расчета и анализа статистической интерпретации детерминистских сезонных прогнозов и визуализации исходной и выходной прогностической продукции. Разработан метод вероятностного представления прогноза зимней фазы Арктической осцилляции на основе теоремы Байеса. Результаты авторских испытаний метода на историческом материале продемонстрировали превышение мастерства методического прогноза над климатическим прогнозом с уровнем значимости 0,5% в одностороннем тесте. Сформирована база ретроспективных прогнозов различных моделей, входящих в проект S2S (ПЛАВ, ЕЦСПП, NCEP) для анализа и прогноза волн тепла и холода в полярных районах. Произведены расчеты рекомендованных ВМО климатических индексов, характеризующих экстремальные явления, и сопоставлены статистические характеристики индексов для двух периодов 1961-1985 и 1986-2010 гг. Определены основные статистические особенности выбросов и экстремумов за указанные периоды. Выявлена степень согласованности расчетных характеристик волн тепла по прогнозам и по данным реанализов. Проведены эксперименты с комплексированием результатов исторических прогнозов по моделям, входящим в проект S2S, на базе простого осреднения, средних с весовыми коэффициентами и регрессионных моделей с весовыми коэффициентами. Проведены расчеты оценок качества гидродинамических детерминированных и вероятностных прогнозов индексов атмосферной циркуляции, характеризующих крупномасштабные моды атмосферной изменчивости, во внутри сезонном масштабе. Сформирована база данных наблюдений за термохалинными параметрами верхнего слоя Северного Ледовитого океана (СЛО) за период, характеризующийся быстрыми изменениями состояния морского льда (2007-2016). Выполнены расчеты теплосодержания верхнего слоя океана и сделаны оценки продолжительности безледных периодов для характерных районов СЛО. Обосновано кардинальное изменение вертикальной структуры вод в приатлантической Арктике с тенденцией к возрастания глубины зимнего конвективного перемешивания, приводящего к возрастанию продолжительности безледного периода (Баренцево море и бассейн Нансена) до 2-3-х месяцев. Разработана новая параметризация вертикального распределения температуры в водной массе и донных отложениях озер. Показано, что новая параметризация способна воспроизводить более широкий диапазон вертикальных профилей, чем параметризация, используемая в модели в настоящее время. Выполнены объединение гидротермодинамической модели FLake с разработанным Eco-блоком в единый программный код FLakeEco. Объединенная модель FLakeEco протестирована по данным натурных наблюдений. На основании результатов моделирования сделан вывод о возможном образовании в озерах арктического региона придонных бескислородных зон. Построена конфигурация модели COSMO-Ru-Arc для прогноза мезомасштабных атмосферных процессов в российской Арктике. Оценена чувствительность прогноза полярных циклонов к заданию температуры поверхности океана и границы льда. Оценена возможность применения разработанного в Гидрометцентре России стохастического генератора (SPG) для учета неопределенности прогнозов, возникающих за счет несовершенства модели атмосферы. Проведены численные эксперименты по ансамблевому прогнозированию, в которых в модель COSMO с разрешением 2.2 км вводились возмущения с помощью метода стохастических возмущений физических тенденций (SPPT) и с помощью стохастического генератора (SPG). Выполнено сравнение результатов моделирования с прогнозами по ансамблевой системе без учета возмущений. Установлены устойчивость прогнозирования с новой схемой и быстрый рост разброса ансамбля при применении SPG без потери качества прогноза. Выявлена корреляция получаемых возмущений температуры с орографией. Построена новая математическая модель глобального переноса многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей в атмосфере и формирования полярных стратосферных облаков (ПСО) в обоих полушариях. Проведены численные эксперименты по воспроизведению , пространственно-временной изменчивости химического состава и спектра ПСО в обоих полушариях для зимнего периода Показано формирование ПСО с участием частиц NAT в зимнее время в Арктике.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Проведены численные эксперименты по усвоению мультивариантного вектора данных наблюдений. Проведены дополнительные работы по тонкой настройке метода усвоения EnOI из-за появления данных льда в составе вектора-наблюдений, реализованы необходимые процедуры препроцессинга (интерполяция, первичный контроль качества) данных концентрации льда. Cкорректирован размер ансамбля и диагональный коэффициент ковариационной матрицы ошибок данных наблюдений R. Использование ансамблевого метода усвоения EnOI (Ensemble Optimal Interpolation) и учет кросс ковариационных связей между различными модельными величинами позволило усваивать данные о состоянии льда не нарушая термодинамический баланс модели и точно рассчитывать сплочённость ледяного покрова в Арктике. Проанализированы результаы прогноза по независимым данным. Выполнено сравнение с результатами полученными другими научными коллективами для Арктического региона, доступными через сервис Copernicus (системой TOPAZ разрешения 0.125° и MERCATOR 1/12°). Проведены эксперименты по численному моделированию состояния вод и льда в Арктике с усвоением мультивариантного вектора данных наблюдений состоящего из: данных температуры и солёности с дрифтеров ARGO; спутниковых данных уровня океана ADT (Absolute Dynamic Topography, along-track, спутник Jason-2, проект AVISO); спутниковых данных сплоченности льда SIC (eng. Sea Ice Concentration, проект EUMETSAT OSI SAF). Анализ результатов этих экспериментов подтвердил эффективность работы всей системы включающей в себя: модель океана ИВМИО (Ибраев и др., 2012; Ушаков и др., 2015; Ushakov, Ibrayev, 2018); модель морского льда CICE;компактную вычислительную платформу CMF3.0 (Kalmykov et al., 2018); сервиса усвоения данных DAS (Кауркин и др., 2018). 2. Разработана и реализована методика долгосрочного прогнозирования с помощью совместной модели атмосферы ПЛАВ (разрешение 0,9х0,72 градуса, 96 гибридных уровней по вертикали), модели океана ИВМИО (разрешение 0.5 градуса, 49 уровней по вертикали) и модели морского льда CICE (разрешение 0,5 градуса). Подготовлены начальные данные для расчета долгосрочных прогнозов по совместной модели, выполнены расчеты долгосрочных прогнозов по архивным данным. Усовершенствован алгоритм расчетов путем добавления цифровой фильтрации в начале расчета для полей в атмосфере с последующей синхронизацией полей в атмосфере, океане и льде, что позволило уменьшить амплитуду переходных процессов. Построен «климат каждого дня» атмосферной компоненты совместной модели, а также получены предварительные оценки практической предсказуемости атмосферной циркуляции в Арктическом регионе на масштабах от двух недель до сезона. Исследовано влияние качества начальных данных для модели атмосферы, оказалось, что для регионов Северной Евразии применение начальных данных Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды несколько уменьшает ошибки прогноза приземной температуры на первую и вторую неделю прогноза, далее влияние начальных данных убывает. В рамках участия лаборатории в международном проекте по изучению переходных процессов в совместных моделях LRFTIP, выполнен корреляционный анализ ошибок прогнозов метеорологических полей, вызванных переходными процессами в прогнозах совместных моделей атмосферы и океана на основе из прогнозов трех ведущих мировых центров базы данных проекта ВМО S2S. 3. Улучшен учет автокорреляций в локальном наборе спутниковых наблюдений ветра, усваиваемом в ансамблевой системе усвоения данных на основе LETKF. Это привело к дальнейшему ( по сравнению с 2017 г) уменьшению ошибок прогнозов, рассчитанных моделью ПЛАВ по начальным данным разрабатываемой системы усвоения, в Арктике. Отлажено программное обеспечение, позволяющее с использованием усовершенствованной специализированной базы данных для Арктического региона проводить статистическую коррекцию прогнозов температуры воздуха и осадков на месяц и сезон по модели ПЛАВ в оперативном режиме. Апробированы несколько методов статистической коррекции ансамблевых полей гидродинамической модели ПЛАВ для Арктического региона. Проведен анализ системы верификации прогнозов для обеспечения эффективной проверки прогнозов на месяц-сезон основных метеопараметров для Арктического региона. Полученные оценки скорректированных оперативных прогнозов по модели ПЛАВ, выпущенных в 2015-2018 г.г., показали улучшение качества детерминистских прогнозов и позволяют дать рекомендации по практическому использованию системы коррекции для задач прогноза. Существенное улучшение качества прогнозов по всем показателям проявляется в переходные сезоны практически для всей территории и зимой в Европейском секторе Арктики. В эти сезоны возможно практическое использование разработанной системы коррекции в соответствии с таблицами средних оценок качества. Создана база различных характеристик экстремальных метеорологических явлений на внутрисезонных интервалах времени с использованием прогнозов различных моделей, участвующих в проекте S2S. Предложен новый подход к представлению экстремальных метеорологических явлений на внутрисезонных интервалах времени на основе различных подходов к аппроксимации распределений волн тепла и холода выраженных в форме индексов экстремальности EFI и SOT. Разработан блок верификации прогноза экстремальных характеристик с учетом их редкой повторяемости и выборочных ограничений. Проведено предварительное тестирование блока верификации на примере конкретных случаев, когда в Арктическом регионе наблюдались значительные аномалии температуры воздуха. Статистические эксперименты с сезонными прогнозами зимнего индекса арктической осцилляции (АО) текущей версией модели ПЛАВ показали, что некоторое повышение успешности вероятностных ансамблевых сезонных прогнозов для Арктики может быть достигнуто в результате Гауссовой аппроксимации прогностических ансамблей. Проведено исследование влияния зимней АО на сток рек бассейна Баренцева моря (р. Онега, Северная Двина, Мезень, Печора) в течение последующего года с месячным разрешением по рядам наблюдений. Показано, что весеннее половодье после зим положительной фазы АО статистически значимо превышает половодье после зим отрицательной фазы АО и смещается на более ранние сроки. 4. Установлено, что в годы, характеризующиеся повышенной ледовитостью, накопление тепла в верхнем слое океана в летний сезон практически не влияет на последующее ледообразования в зимний сезон, потому что поглощаемое верхним слоем океана тепло в основном тратится на таяние остаточного льда, а не на нагрев воды. В годы, с пониженной ледовитостью количество тепла, накапливаемого в верхнем перемешанном слое за летний сезон, существенно больше и зависит от продолжительности периода открытой воды и дальности смещения кромки консолидированного льда от точки наблюдений. Значительная «сезонная память», характеризующаяся когерентными изменениями параметров ледяного покрова в последовательные сезоны были выявлены в Евразийском сегменте в период с 2007 по 2017 год. В Амеразийском сегменте такой связи обнаружено не было, несмотря на более сильное сокращение объема/площади льда в летний сезон в этом регионе после 2007 года. Установлено, что аномально низкая площадь ледяного покрова в 2010-е годы, наблюдаемая в бассейне Нансена СЛО в зимний сезон, связана с усилением вертикальной термохалинной конвекции, поднимающей теплую воду из атлантического слоя к поверхности океана и ледяному покрову. Предложено обоснование связи наблюдаемых аномалий параметров ледяного покрова с поступающими из умеренных широт теплыми атлантическими водами через усиление вертикального теплового потока из океана, обусловленного интенсификацией вертикального конвективного перемешивания. Заключение о доминирующей роли вертикальной конвекции в формировании термохалинной структуры и сокращении морского льда зимой подтверждено корреляционным анализом данных реанализа и доступных контактных измерений. Выносимый на теплую воду лед быстро разрушается и тает, следствием чего является длительное сохранение обширных зон открытой воды в западной части бассейна Нансена в зимний сезон. Установлено, что неблагоприятные фоновые условия (толстый и консолидированный морской лед в сочетании с определенными направлениями его дрейфа) могут значительно изменить развитие конвекции. В климатическом контексте полученные результаты могут трактоваться, как усиление «атлантификации» СЛО, заключающейся в продвижении зоны влияния атлантических вод на гидрологический и ледовый режим вдоль траектории распространения этих вод. Выявлено существование так называемых «сибирских атмосферных рек», обеспечивающих подъем теплого воздуха, поступающего в летний сезон с континента на океан. Полученные на основании наблюдений результаты были подтверждены данными численного моделирования и атмосферного реанализа. Анализ исторических данных показал, что САР не являются чем-то необычным, а наблюдались и ранее (но не были надлежащим образом документированы). Локальное испарение и конвергенция влаги важны для формирования и поддержания САР. Предложенная концепция САР может связать изменения в гидрологическом режиме Сибири с потеплением средней тропосферы над СЛО. Установлено, что наличие «вечной мерзлоты» препятствует образованию острого дефицита растворенного кислорода в придонной области арктических озер. Данный эффект достигается за счет низкой температуры воды, снижающей скорость потребления кислорода в процессе бактериального разложения органического вещества в придонной области. Частичная или полная деградация «вечной мерзлоты» приводит к повышению температуры водной массы в придонной области, увеличению скорости поглощения растворенного кислорода и, как следствие, к образованию его острого дефицита вплоть до формирования анаэробных зон. При образовании таких зон в озерах активизируются анаэробные процессы, приводящие к образованию метана, сероводорода и аммиака, которые не только ухудшают качество озерной водной массы, но и могут быть токсичными для гидробионтов. 5. Исследована чувствительность прогноза полярных циклонов с помощью численных экспериментов с конфигурацией COSMO-Ru к временным вариациям температуры поверхности океана (ТПО) и пространственного разрешения модели. С привлечением спутниковой информации показано, что использование более точного анализа температуры поверхности океана позволяет существенно улучшить качество по сравнению с уменьшением шагов сетки.