КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-27-00172
НазваниеМодельное исследование радиационных воздействий сибирского дымового аэрозоля на метеорологические процессы в восточной Арктике
Руководитель Коновалов Игорь Борисович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл
Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-607 - Химические процессы, малые газовые составляющие, аэрозоли
Ключевые слова радиационный эффект аэрозоля, дымы, сибирские пожары, органический аэрозоль, химическая метеорологическая модель, радиационные процессы в Арктике, арктические циклоны, моделирование климата Арктики
Код ГРНТИ37.21.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Происходящие драматические изменения климата и окружающей среды Арктики ставят перед российским научным сообществом комплекс актуальных задач, связанных с необходимостью долгосрочного прогноза этих изменений, поиска путей их митигации, планирования и обеспечения условий для эффективной и безопасной хозяйственной деятельности в Арктике. Решение таких задач требует понимания основных факторов, определяющих наблюдаемые изменения или влияющих на них. Данный проект нацелен на достижение лучшего понимания одного из таких факторов – дымового аэрозоля, образующегося в результате лесных и травяных пожаров в Сибири. Основными задачами проекта являются исследование «полупрямого» радиационного эффекта (ППРЭ) сибирского дымового аэрозоля (СДА) – т.е. радиационного эффекта, определяемого воздействием аэрозоля на метеорологические процессы без учета его влияния на ядра конденсации облаков, а также оценка значимости учета радиационных эффектов СДА при выработке модельных прогнозов зарождения и эволюции арктических циклонов (на примере рассмотрения Большого арктического циклона 2012 года). Исследование будет осуществляться путем численного моделирования на основе сопряженных региональных моделей WRF и CHIMERE, первая из которых обеспечивает детальное представление и прогноз метеорологических процессов, а вторая - описание источников, переноса и атмосферных трансформаций аэрозоля. Применение оригинальной методологии выделения и исследования ППРЭ дымового аэрозоля, предполагающей выполнение комплекса модельных расчетов как с учетом, так и без учета влияния аэрозоля на метеорологические процессы, согласование рассчитанных значений основных оптических характеристик дымового аэрозоля с данными наблюдений путем оптимизации параметров его источников и адекватный учет атмосферных трансформаций органической компоненты дымового аэрозоля, определяет высокую степень научной новизны предлагаемого исследования. Ожидается, что в результате реализации проекта будут (а) определены основные физические механизмы ППРЭ СДА в Арктике, (б) продемонстрирована ключевая роль непоглощающей фракции СДА в формировании определяемого им ППРЭ, что позволит расширить и уточнить современное фундаментальное понимание аэрозольного ППРЭ, который традиционно связывается исключительно с поглощающими компонентами аэрозоля, а также (в) показана значимость учета радиационных эффектов СДА для улучшения прогнозов зарождения и дальнейшей эволюции мощных арктических циклонов. Ожидаемые результаты придадут стимул для расширения исследований комплексных нелинейных взаимодействий аэрозольных, радиационных и метеорологических процессов в Арктике и обозначат новые перспективные возможности для совершенствования технологий численного прогноза погоды и климатических моделей.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
И.Б. Коновалов, Н.А. Головушкин
Analysis of the radiative impact of Siberian biomass burning aerosol on cloudiness characteristics in the eastern Arctic
Proceedings of SPIE, V. 12780, P. 1278007-1 - 1278007-8 (год публикации - 2023)
10.1117/12.2688067
2. Коновалов И.Б., Головушкин Н.А. Модельный анализ механизмов формирования полупрямого радиационного эффекта сибирского дымового аэрозоля в Арктике Оптика атмосферы и океана (год публикации - 2024)
3. Коновалов И.Б., Головушкин Н.А. Анализ радиационного воздействия сибирского дымового аэрозоля на характеристики облачности в Восточной Арктике Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXIX Международного симпозиума., А-54 - А-57 (год публикации - 2023)
4. Коновалов И.Б., Головушкин Н.А. Анализ механизмов формирования полупрямого радиационного эффекта сибирского дымового аэрозоля в Арктике МЕЖДУНАРОДНЫЙ СИМПОЗИУМ «АТМОСФЕРНАЯ РАДИАЦИЯ и ДИНАМИКА» (МСАРД – 2023), 21 – 24 июня 2023. Тезисы, с. 136-137 (год публикации - 2023)
5. Коновалов И.Б., Головушкин Н.А. Изменения интенсивности осадков в ландшафтах Сибири и восточной Арктики вследствие радиационного воздействия сибирского дымового аэрозоля: результаты численного моделирования Аэрозоли Сибири. Юбилейная XXX конференция: Тезисы докладов., с. 42 (год публикации - 2023)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Путем совместного анализа результатов трехмерного моделирования воздействий атмосферного аэрозоля на метеорологические процессы и спутниковых данных, характеризующих эмиссий от природных пожаров и атмосферные осадки, получены оценки обратного влияния сибирского дымового аэрозоля (СДА) на его эмиссии от природных пожаров посредством индуцированных дымами изменений интенсивности осадков. Найдено, что в летних условиях 2016 года ингибирующее воздействие СДА на осадки вследствие возмущений, вносимых им в радиационные потоки в атмосфере, обусловило положительную обратную связь между дымами и их эмиссиями в тайге и привело к увеличению последних на 27 (±7) % относительно гипотетической ситуации, в которой дымы на метеорологические процессы не влияли. В то же время, увеличение осадков над охваченными пожарами территориями тундры, вызванное обусловленными дымами взаимосвязанными возмущениями радиационных и микрофизических процессов, привело к формированию отрицательной обратной связи между пожарами и дымами и снижению эмиссий дымов на 14 (±6) %. Полученный результат свидетельствует о необходимости учета обратного влияния сибирских дымов на образующие их пожары в тайге и тундре в контексте изучения климатических эффектов дымового аэрозоля и эмиссий парниковых газов от пожаров, а также при прогнозировании эпизодов экстремального загрязнения атмосферы, вызываемых природными пожарами в Сибири.
При использовании современного модельного комплекса, позволяющего исследовать влияние атмосферного аэрозоля на метеорологические процессы, выполнена серия расчетов погодных условий и состава нижней атмосферы во время зарождения, последующей эволюции и угасания Великого (большого) арктического циклона (ВАЦ), наблюдавшегося в первой половине августа 2012 года. Расчеты выполнялись как в режиме анализа, так и в прогностическом режиме с горизонтом прогноза от нуля до семи суток. Для определения пространственной области, охваченной циклоном, по данным модельных расчетов был реализован и применен автоматический алгоритм, основанный на поиске замкнутых изобар. При использовании данных спутникового зондирования аэрозоля инструментами MODIS и данных известного спутникового продукта GPM-IMERG выполнена валидация рассчитанных значений аэрозольной оптической толщины и количества осадков.
Результаты выполненных прогностических расчетов проанализированы с целью оценки влияния СДА на предсказуемость основных метеорологических параметров в области ВАЦ, в том числе параметров, характеризующих зарождение и дальнейшую эволюцию циклонов в средних и высоких широтах. В частности, для различных модельных сценариев (в том числе сценариев с учетом и без учета сибирских пожаров) были вычислены и сопоставлены между собой оценки инкремента бароклинной неустойчивости, значения минимального давления внутри циклона, географические координаты центра циклона, пространственно-временные поля осадков, значения максимальных за сутки скорости ветра и температуры воздуха вблизи поверхности. Результаты анализа свидетельствуют о том, что СДА не являлся триггером возникновения ВАЦ, а играл скорее стабилизирующую роль в атмосферных динамических процессах, приведших к развитию ВАЦ. В то же время, установлено, что СДА мог существенно повлиять на траекторию циклона, приводя к ее сдвигу на сотни километров и к заметным изменениям давления в тех точках, в которых, вероятно, находился бы центр циклона при отсутствии эмиссий СДА. Кроме того, было обнаружено значимое влияние СДА, преимущественно обусловленное аэрозольно-радиационным взаимодействием, на рассмотренные метеорологические параметры в зоне ВАЦ. Наиболее сильные возмущения, обусловленные СДА, выявлены в пространственно-временных распределениях количества осадков. В частности, вычисленная величина относительного среднеквадратичного отклонения значений суточного количества осадков согласно прогностическим расчетам с учетом и без учета эмиссий СДА превышает 150 % для прогнозов с горизонтом 6 и 7 суток как в период формирования циклона (1-3 августа), так и в более поздний период (4-6 августа) его эволюции. Возмущения приземной скорости ветра под воздействием СДА также оказались существенными (в среднем достигающими 20 % в случае семисуточных прогнозов для периода 4-6 августа). В целом, результаты выполненного анализа влияния СДА на предсказуемость метеорологических условий в области ВАЦ свидетельствуют о значимом потенциале улучшения прогнозов развития и траекторий крупных летных арктических циклонов, зарождающихся над территорией Сибири в периоды активных пожаров, за счет адекватного учета аэрозольных радиационных эффектов в задымленной атмосфере.
На основе численных экспериментов исследовано влияние СДА на атмосферные осадки во всей восточной Арктике в период с 1 по 15 августа 2012 года. Найдено, что воздействие СДА на метеорологические процессы вызывало нарастающее – по мере увеличения продолжительности воздействия – уменьшение усредненного количества осадков в восточной Арктике. Наиболее существенное ослабление осадков (более чем на 30% после семисуточного воздействия дымов) выявлено в относительно плотных дымах с оптической толщиной, превышающей 0.5. В то же время, выявлено небольшое (менее чем на 10 %) усиление осадков в оптически тонких дымах. Установлено, что выявленные систематические изменения количества осадков в восточной Арктике в результате эмиссий дымов от сибирских пожаров были преимущественно обусловлены радиационными (а не микрофизическими) механизмами воздействия сибирских дымов на метеорологические процессы.
Публикации
1.
Коновалов И.Б., Головушкин Н.А., Бекман М.
Wildfire-smoke-precipitation interactions in Siberia: Insights from a regional model study
Science of the Total Environment, V. 951, P. 175518 (год публикации - 2024)
10.1016/j.scitotenv.2024.175518
2. Коновалов И.Б., Головушкин Н.А. Численное исследование влияния дымов от сибирских лесных пожаров на метеорологические условия в области Большого арктического циклона 2012 года Аэрозоли Сибири. XXXI конференция: Тезисы докладов., C. 40 (год публикации - 2024)
3.
Коновалов И.Б., Головушкин Н.А.
Model analysis of origination of semidirect radiative effect of Siberian biomass burning aerosol in the Arctic
Atmospheric and Oceanic Optics, Vol. 37, No. 3, pp. 382–393 (год публикации - 2024)
10.1134/S1024856024700477
4. Коновалов И.Б., Головушкин Н.А. Модельное исследование влияния дымов от сибирских пожаров на интенсивность осадков в ландшафтах Сибири и восточной Арктики Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXX Международного симпозиума. , c. D88-D91 (год публикации - 2024)
5. Головушкин Н.А., Коновалов И.Б. Оценка влияния дымов от сибирских пожаров на метеорологические условия в области Большого арктического циклона 2012 года Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXX Международного симпозиума. , с. D96 - D99 (год публикации - 2024)