Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Климат восточного Средиземноморья 17
1.1 Климат и синоптические процессы региона 17
1.2 Колебания климата региона 22
1.3 Заключение 26
Глава 2 Региональное гидродинамическое моделирование крупномасштабных атмосферных процессов 28
2.1 Направления развития метода 28
2.2 Гидродинамическое моделирование процессов региона ВС 33
2.3 Характеристики используемых моделей 35
2.3.1 Региональная модель ММ5 35
2.3.2 Региональная климатическая модель RegCM3 38
2.3.2.1 Параметризация кучевой конвекции по схеме Грелла 39
2.3.2.2 Параметризация кучевой конвекции по схеме MIT 41
2.3.3 Региональная модель RAMS 42
2.3.4 Региональная модель Eta 43
2.3.4.1 Прогноз пыли в варианте модели Eta-Dust 47
2.3.5 Глобальная модель университета штата Флорида 52
2.4 Заключение 53
Глава 3. Гидродинамическое прогнозирование интенсивных синоптических процессов 54
3.1 Моделирование процессов с интенсивными осадками 54
3.1.1 Синоптический процесс 2-3 ноября 1994 г. 54
3.1.2 Синоптический процесс 4-5 декабря 2001 г. 56
3.2 Моделирование синоптических процессов с пылевыми бурями 60
3.2.1 Воспроизведение среднемесячного распределения пыли в атмосфере 62
3.2.2 Успешность прогнозирования пыли согласно данным лидарного зондирования 70
3.2.3 Успешность воспроизведения характерных синоптических процессов 78
3.3 Заключение 90
Глава 4. Механизмы формирования интенсивных синоптических процессов ВС 91
4.1 Синоптические процессы с пылевыми бурями 93
4.1.1 Синоптический процесс 15-16 марта 1998 г. 94
4.1.2 Синоптический процесс 17-20 марта 1999 г. 104
4.2 Синоптические процессы с интенсивными осадками 109
4.2.1 Взрывной генуэзский циклон 3-5 марта 1982 г. 109
4.2.2 Активная ложбина Красного моря 1-5 ноября 1994 г. 119
4.2.2.1 Роль эффектов микрофизики облаков 120
4.2.2.2 Роль турбулентных потоков тепла и влаги 120
А.2.23 Роль эффектов влажной динамики атмосферы 126
4.2.3 Кипрский циклон 4-5 декабря 2001 г. 129
4.3 Роль атмосферных рек в синоптических процессах СР 135
4.3.1 00:00 ВСВ 3 марта 1982 г. (АР в восточной Атлантике) 137
4.3.2 12:00 ВСВ 1 ноября 1994 г. (АР в восточной Атлантике) 138
4.3.3 12:00 ВСВ 1 ноября 1994 г. (АР над восточной Африкой) 138
4.3.4 00:00 ВСВ 15 марта 1998 г. (АР в восточной Атлантике) 139
4.3.5 00:00 ВСВ 17 марта 1999 г. (АР в восточной Атлантике) 139
4.3.6 00:00 ВСВ 1 декабря 2001г. (АР в восточной Атлантике) 140
4.4 Формирование ложбины Красного моря 141
4.5 Заключение 145
Глава 5. Роль телеконнекций в колебаниях количества осадков в регионе ВС 146
5.1 Роль вариаций европейских телеконнекций в распределении осадков в ВС 146
5.2 Совместный эффект EAWR и NAO 150
5.2.1 Роль европейских телеконнекций в осадках региона ВС 150
5.2.2 Особенности атмосферной циркуляции в периоды с осадками в ВС 152
5.2.3 Картины атмосферной циркуляции в дождливые в ВС сезоны в периоды высоких и низких фаз EAWR 156
5.2.4 Особенности атмосферной циркуляции в сухие и дождливые зимние сезоны в регионе СР 159
5.2.4.1 NWMCMP 164
5.2.4.2 NEMCMP 164
5.2.4.3 SEMCMP 165
5.3 Заключение 166
Глава 6 Выбор и обоснование конфигурации РКМ с целью моделирования климата региона ВС 168
6.1 Успешность воспроизведения климата различных регионов 171
6.1.1 Успешность воспроизведения климата южных районов центральной и восточной Европы 171
6.1.2 Успешность воспроизведения климата региона СР-ВС 176
6.2 Телескопизация результатов глобального моделирования 179
6.2.1 Успешность воспроизведения современного состояния климата 181
6.2.1.1 Приземная температура 181
6.2.1.2 Осадки 184
6.2.1.3 Ветер 186
6.2.1.4 Радиационные потоки 187
6.2.2 Воспроизведение процесса изменения климата в РКМ эксперименте 188
6.3 Роль положения и размеров области моделирования 194
6.4 Заключение 201
Глава 7. Гидродинамическое моделирование изменений климата региона ВС в первой половине XXI века 202
7.1 Постановка эксперимента 202
7.2 Успешность воспроизведения современного климата 203
7.3 Моделируемое изменение климата 209
7.4 Заключение 215
Глава 8. Использование результатов гидродинамического моделирования изменения климата в регионе ВС при решении народно-хозяйственных задач 216
8.1 Коррекция результатов крупномасштабного моделирования 217
8.2 Применение результатов РКМ-эксперимента в гидрологических исследованиях 230
8.2.1 Моделирование гидрологических характеристик в условиях современного состояния климата 234
8.2.1.1 Методология использования данных РКМ 234
8.2.1.2 Модель HYMKE 235
8.2.1.3 Коррекция результатов РКМ моделирования осадков 238
8.2.1.4 Коррекция потенциального испарения 239
8.2.2 Моделирование гидрологических характеристик в условиях будущего климата 242
8.2.3 Эффект будущих изменений климата для гидрологии региона 253
8.3 Оценки изменения экстремальности климата региона ВС 256
8.3.1 Методика анализа 257
8.3.2 Моделируемые изменения экстремальности климата 262
8.3.2.1 Индексы экстремальной температуры 262
8 3.2.2 Индексы экстремальных осадков 265
8.3.2.3 Последствия изменения климата в регионе ВС 266
8.4 Заключение 268
Выводы 269
Список публикаций автора 275
Список литературы 286
Приложение 320
- Климат и синоптические процессы региона
- Взрывной генуэзский циклон 3-5 марта 1982 г.
- Успешность воспроизведения современного климата
- Моделирование гидрологических характеристик в условиях будущего климата
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию особенностей формирования и оценке перспектив изменения климата юго-восточной части Средиземноморского Региона (СР) [далее, Восточное Средиземноморье (ВС)] как части СР, с использованием метода регионального климатического моделирования (РКМ).
Актуальность выполненного исследования. Восточное Средиземноморье (ВС) принадлежит к числу районов земного шара, характеризующихся высокой степенью чувствительности к последствиям глобального изменения климата. Данное обстоятельство, в значительной степени являющееся следствием географического положения региона между зоной средних широт и зоной субтропического пояса, определяет актуальность исследований перспектив изменения его климата.
Существенным фактором является также высокая численность населения в Средиземноморском регионе (СР) (более 400 миллионов человек) в целом. Вследствие этого исследование процессов, определяющих изменчивость погодных условий в условиях меняющегося климата (в первую очередь различий в количестве выпавших за сезон осадков), имеет большое значение для хозяйственной деятельности стран региона. Актуальной является задача формулирования научно обоснованной оценки перспектив изменения климата в регионе в первой половине XXI века в условиях глобального потепления вследствие возрастания концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфере.
Цели диссертационной работы
Как климат региона ВС, так и процесс его изменения на фоне глобального потепления, испытывают воздействие ряда факторов различных пространственных и временных масштабов. К числу действующих факторов относятся процессы, определяемые как местными особенностями региона, так и крупномасштабными колебаниями, зависящими, как правило, от развития аномальных долгопериодных процессов в районах климатических центров действия. Очевидной также является важность эффектов взаимодействия между процессами тропической и внетропической зон. Представляется, что перечисленные факторы могут играть значительную роль в процессе изменения климата региона ВС вследствие антропогенного роста концентрации парниковых газов в атмосфере, существенно осложняя определение его ожидаемых перспектив.
Основными целями исследования являлись:
построение физически обоснованной количественной картины антропогенных изменений климата региона ВС;
реализация численных моделей атмосферы для обеспечения гидродинамического прогнозирования элементов погоды и моделирования экстремально интенсивных синоптических процессов и климата региона и осуществление экспериментов по моделированию процесса его изменения в первой половине XXI века, как следствие возрастания концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфере.
Для достижения указанных целей осуществлялось решение следующих проблем:
-
Разработка системы региональных гидродинамических моделей атмосферы для ее применения в оперативной прогностической практике в Израиле для краткосрочного прогнозирования различных метеорологических характеристик, включая осадки и концентрацию пыли в атмосфере.
-
Подготовка и проведение численных экспериментов по гидродинамическому моделированию характерных синоптических процессов в регионе ВС для определения оптимальной конфигурации гидродинамической климатической модели.
-
Применение разработанных систем при изучении синоптических процессов в регионе ВС с целью определения факторов, ответственных за формирование условий, характеризующихся интенсивными осадками и пылевыми бурями в регионе ВС.
-
Изучение основных механизмов взаимодействия синоптических процессов региона ВС с процессами в тропическом поясе и средних широтах.
-
Разработка модели для осуществления регионального гидродинамического моделирования климата региона ВС.
-
Исследование изменений климата региона ВС в первой половине XXI-го века, вызванных повышением концентрации парниковых газов в атмосфере на основе применения метода регионального гидродинамического моделирования климата.
-
Применение результатов моделирования изменения климата, при решении народно-хозяйственных задач региона.
Положения, выносимые на защиту, и их новизна:
-
Новые варианты гидродинамических моделей атмосферы ММ5 и Eta-Dust, обеспечившие повышение точности оперативного прогнозирования погоды в Метеорологической Службе Израиля и, в частности, возможность прогнозирования пылевых бурь при проведении Израильского Эксперимента по Исследованию Распространения Пыли в Средиземноморском Регионе (MEIDEX).
-
Система регионального климатического моделирования в регионе ВС, основанная на модели RegCM3 и обеспечивающая успешное описание основных климатических особенностей изучаемого региона.
-
Результаты ансамблевого эксперимента по региональному климатическому моделированию изменений климата ВС вследствие повышения концентрации парниковых газов в атмосфере, обеспечивающие построение физически обоснованной количественной картины ожидаемого изменения климата региона ВС в первой половине XXI века.
-
Количественные оценки изменений количества выпадающих осадков и приземной температуры воздуха в регионе, включая определение тенденций к изменению частоты и интенсивности экстремальных событий (частоты дней с экстремальными значениями приземной температуры воздуха и частоты дней с экстремальным количеством осадков) вследствие процесса глобального потепления.
Связь с планами НИР
Диссертация представляет собой результат завершенных исследований в рамках ведомственных НИОКР СССР и значительного числа научных проектов в Израиле.
Выполнение первого этапа исследования было начато автором в 1973 г., в период выполнения исследований по программе морской советско-индийской научно-исследовательской экспедиции ИСМЕКС 73. В ходе данного этапа выполнения работы диссертант являлся ответственным исполнителем раздела темы по сотрудничеству между Гидрометцентром СССР и Метеорологическим Департаментом Индии и одним из ответственных исполнителей тем и разделов тем научно-исследовательских проектов планов НИР и ОКР Госкомгидромета СССР (1.09.79(1978-80 г), 1.08б.01.1(1981-83 г), 1.08б.01.8 (1984-1985 г).
Выполнение второго этапа исследований осуществлялось автором в рамках его участия в ряде научных проектов в Израиле (Министерство Науки, 1993-1996; Научный Фонд Израиль-США, 1999-2002; Министерство Науки, 1998-1999, 1999-2003; Министерство Обороны – MEIDEX,1998-2001; Научный Фонд Израиль - США, 2003-2004; Министерство Образования и Исследований Германии, Министерство Науки Израиля – Glowa Jordan River, 2001-2011; ТАУ, 2005; Компания Mecorot , 2005-2010; Заводы Мертвого Моря Ltd., 2007-2011; EС 6я программа CIRCE, 2007-2010; Управление Водных Ресурсов, Министерство Инфраструктур, 2010-2011; Министерство Охраны Природы, 2009-наст. вр.; Научный Фонд Израиль-США, 2010-наст. вр.)
Практическая значимость результатов работы
В период работы диссертанта в Гидрометцентре СССР им осуществлена разработка регионального варианта 6-уровенной модели по полным уравнениям, использовавшегося для обеспечения прогностических подразделений Гидрометцентра СССР оперативными гидродинамическими прогнозами метеорологических характеристик.
В сотрудничестве с коллегами из Индии, им была также разработана первая в Индии региональная модель по полным уравнениям. Указанная модель была в дальнейшем использована при развитии системы оперативного прогнозирования погоды в Индии.
В Гидрометцентре СССР, диссертантом, совместно с В.М. Кадышниковым и В.М. Лосевым, разработана 15-уровенная региональная прогностическая модель атмосферы.
Опыт применения модели ММ5 в целях оперативного прогнозирования погоды в Израиле использован при построении аналогичной системы в 2004 г. для ее использования в Гидрометцентре Российской Федерации и Московском Гидрометбюро.
Результаты исследований автора в Израиле (с 1990 по настоящее время) использованы при оперативном прогнозировании элементов погоды, включая осадки и пылевые бури, в ТАУ и метеорологической службе Израиля и при народно-хозяйственном планировании государственного развития в условиях изменения климата. Внедренная и усовершенствованная автором модель атмосферы для прогноза пылевых бурь использована при проведении первого космического эксперимента MEIDEX (США [Национальное Агентство Космических Исследований, NASA] – Израиль) с участием израильского космонавта полковника Илана Рамона в 2003 г.
Личный вклад соискателя
Личное участие автора в выполненной работе и опубликованных при его участии совместных статьях заключалось в его определяющей роли на всех этапах работы - в постановке задачи, в разработке и реализации алгоритмов, анализе, оценке и обобщении полученных результатов.
Диссертантом осуществлены адаптация ряда гидродинамических моделей (ММ4, ММ5, RAMS, Eta-Dust) и построение вариантов этих систем, обеспечивающих их применение при оперативном прогнозировании погоды в регионе ВС. В работе с моделями Ета-Dust и ММ5 впервые в Израиле реализована технология получения данных для обеспечения регулярного расчета прогнозов для обеспечения эксперимента MEIDEX.
Лично диссертантом выявлен физический механизм, определяющий особенности формирования интенсивных синоптических процессов с экстремальными осадками и пылевыми бурями в регионе ВС, связанный с эффектом атмосферных рек (АР) - переносом влажных воздушных масс тропического происхождения в узких зонах в нижней тропосфере.
Лично диссертантом проведены исследования с целью оптимального конфигурирования модели RegCM3 для осуществления моделирования климата. Определена конфигурация модели, обеспечивающая воспроизведение климата региона.
Модель RegCM3 в данной конфигурации использована диссертантом совместно с другими участниками работы при проведении многолетних экспериментов по моделированию изменения климата региона ВС, вследствие возрастания концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфере. Анализы, результаты которых представлены в диссертации, также проведены автором лично.
Большая часть научных исследований автора в ТАУ осуществлена в рамках выполнения научно-исследовательских проектов, в которых он являлся ответственным исполнителем совместно с П. Альпертом. В этих работах диссертант отвечал за разработку и реализацию методик исследований и осуществлял руководство работами по гидродинамическому моделированию.
Апробация результатов
Результаты проведенных автором предварительных исследований по теме диссертации в рамках разработки методов регионального гидродинамического прогнозирования погоды были рассмотрены и рекомендованы ЦМКП 14.05.80 (п. 1.2) для оперативного использования в Гидрометцентре России и учреждениях Росгидромета (рекомендация реализована, о чем свидетельствует Акт от 10.11.1987 об ее внедрении в оперативную практику).
Результаты прогнозирования погоды с помощью, разработанного диссертантом, варианта модели ММ5 (использовались в оперативной работе Метеослужбы Израиля (с 2001 по 2008), что подтверждено письмом директора Метеорологической Службы Израиля д-ра Х. Беркович).
Вариант системы прогнозирования пылевых бурь (результаты использованы при обеспечении эксперимента MEIDEX в 2003 г.- апробация подтверждена письмом Главы отделения Геофизики, Атмосферных Наук и Наук о Земле, Тель-Авивского Университета (ТАУ), проф. К. Прайса).
Результаты исследований роли процесса глобального потепления в изменении климата региона ВС (применение полученных оценок при осуществлении народно-хозяйственногопланирования в Израиле подтверждено письмами главного ученого Министерства Охраны Природной Среды д-ра С. Нетаниягу, начальника отдела исследований окружающей среды Министерства Науки д-ра Х. Масалха, зав. отделом исследований Управления Водных Ресурсов Министерства Инфраструктур д-ра А. Гивати).
Различные разделы исследования обсуждались на многочисленных международных научных конференциях и совещаниях, заседаниях научного семинара Тель-Авивского и Иерусалимского университетов, научных конференциях Метеорологического общества Израиля, заседаниях Европейского Союза Геофизических Наук и Европейского Метеорологического Общества.
Список публикаций автора настоящей работы приведен в конце автореферата.
Благодарности
На различных этапах работы и в совместных публикациях принимали участие С.Л. Белоусов, Л.В. Беркович, И.С. Брейтганд, Г.Ю. Калугина, В.М. Кадышников, П. Кища, П. Кунин, Н.И. Лисогурский, В.М. Лосев, С.А. Машкович, К. Г. Рубинштейн, И.Г. Ситников, М. В. Цидулко, В. Аренс, П. Альперт, Х.С. Беди, Р.К. Датта, М. Даян, С.Б. Фельдштейн, С. Гуалди, Й. Йосеф, Г. Каллос, З. Левин, П. Лионелло, Т.Н. Кришнамурти и другие коллеги. Исследования роли эффектов зимнего Индийского муссона и субтропического струйного течения осуществлены в рамках проекта межнационального научного фонда США - Израиль (BSF). Разработка модели ТАУ для прогноза пылевых бурь осуществлена в рамках научно-исследовательского проекта BSF (1998-2002) с дополнительной поддержкой из эксперимента MEIDEX.
Исследования роли удаленных связей в развитии синоптических процессов с интенсивными осадками на территории ВС проведены в ходе выполнения проектов CIRCE FP6 (контракт GOCT 036961) и проекта межнационального научного фонда США – Израиль (2009-2013), грант No. 2008436.
Исследования по разработке и применению системы регионального моделирования климата осуществлены в рамках проекта Glowa Jordan River (Министерство Науки Израиля – Министерство Образования и Исследований Германии, BMBF) с участием специалистов из Германии, Израиля, Швеции, Иордании и Палестинской Автономии.
Результаты проведенного моделирования использованы в рамках проекта Партнерская Инициатива в Области Наук о Земле в Северной Евразии (NEESPI) при изучении климата южных районов европейской территории России и его ожидаемых изменений в первой половине ХХI в.
Автор приносит свою искреннюю благодарность коллегам из Научно-исследовательского Гидрометцентра России, Отделения Геофизики, Атмосферных Наук и Наук о Земле, Факультета Точных Наук Тель-Авивского университета, а также участникам научных проектов ISMEX-73, MONSOON-77, GLOWA Jordan River, INDOEX, CIRCE, MEDEX, MEIDEX, MedClivar, NEESPI за конструктивные дискуссии, творческую и вдохновляющую рабочую атмосферу и поддержку.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, приложения и списка литературы. Общий объем работы составляет 329 страниц, включая 139 рисунков и 16 таблиц. Список литературы содержит 305 наименований. Основные результаты диссертации изложены в 63 научных публикациях. Из них 42 публикации опубликованы в рецензируемых научных журналах, признаваемых ВАК.
Климат и синоптические процессы региона
Средиземноморский Регион (СР) и его восточная часть, Восточное Средиземноморье (ВС), являются частью системы Евразии и Африки. Регион СР простирается от южных районов западной Европы и ее юго-востока на севере до западной (центральной) Азии на востоке (северо-востоке) и северной Африки на юге. Как СР в целом, так и ВС в частности, характеризуются изменчивыми погодными условиями и периодически дождливой погодой с умеренной температурой в холодный период года и сухой и жаркой погодой летом [Alpert et al., 2005; Alpert et al., 2006a-c; Lionello et al., 2006a,b; Trigo et al., 2006]. Эти характеристики климата соответствуют средиземноморскому типу согласно классификации Кёппена [Koppen & Geiger, 1936].
Климатические особенности региона восточного Средиземноморья в целом существенно определяются его географическим положением и связанными с этим различиями в количестве приходящей солнечной радиации между его южными и северными границами. Характеристики климата региона весьма чувствительны к его изменениям в глобальном масштабе. Сравнительно небольшие изменения в траекториях циклонов средних широт, положении субтропических антициклонов и т.д., приводят к существенным изменениям условий в ВС. Указанное обстоятельство, т.е. повышенная степень чувствительности климата ВС к внешним воздействиям, существенно осложняет определении возможных изменений климата региона в будущем.
Географическое положение различных частей СР существенно определяет особенности режима выпадающих в нем осадков. В то время как в западной части региона около 30% осадков выпадают в летний сезон, в ВС и, в особенности, в его южной части, осадки выпадают почти исключительно в ходе холодного сезона. Этот факт является следствием формирования гребня высокого давления над Азией и северо-восточной Африкой в теплый период года под влиянием процессов индийского муссона. В холодный период года синоптические процессы, связанные с выпадением осадков в регионе, характеризуются высокой степенью бароклинности в нижней тропосфере. Эти процессы в существенной степени определяются таковыми (модулируемыми топографией региона) в Европе и Атлантике.
Синоптические процессы холодного периода года, как правило, характеризуются переносом влажного воздуха из районов восточной Атлантики в СР, - в дополнение к значительному количеству атмосферной влаги, присутствующей над Средиземноморским бассейном вследствие испарения с поверхности. Около 70 % выпадающих в ВС осадков связано с т.н. кипрскими циклонами, в значительном числе случаев развивающимися в результате регенерации циклонов, формирующихся в районе Генуэзского залива (генуэзских циклонов).
Также существенную роль играют синоптические системы, обеспечивающие перенос влажных воздушных масс из районов тропической Африки - ориентированные на север (из района Красного моря) Суданские ложбины (ложбины Красного Моря - ЛКМ). ЛКМ является продолжением африканской муссонной ложбины. В периоды с ЛКМ направление воздушных потоков над ВС зависит от положения оси ложбины [Dayan, 1986].
В ситуациях, когда регион ВС располагается в передней части теплого сектора циклона, условия погоды в ВС характеризуются высокими температурами воздуха и низкой влажностью [Alpert & Ziv, 1989]. Периоды с сухими ЛКМ характеризуются жаркими и сухими погодными условиями в Израиле [Levin & Saaroni, 1999]. Выпадение чрезвычайно интенсивных осадков в южной части региона ВС наблюдается, однако, в случаях развития активных ложбин Красного моря (АЛКМ), которые характеризуются совместным формированием направленной на север ложбины в нижней тропосфере и направленной на юг ложбины в средней тропосфере [Kahana et al., 2002, 2004; Ziv et al., 2006]. В ряде случаев, аналогичные системы образуются несколько восточнее и иногда завершаются формированием т.н. Сирийских циклонов [Kahanaetal., 2004].
Основная часть осадков в ВС выпадает в ходе холодного сезона (октябрь - март). В весенний и осенний сезоны, когда бароклинная зона средних широт расположена севернее нежели зимой, число циклонов над СР уменьшается. Это приводит к уменьшению числа дней с осадками в регионе. В эти периоды года более характерными являются синоптические системы двух типов: (1) быстро перемещающиеся вдоль северного побережья континента Африки, и (2) термические циклоны шарав и ЛКМ.
Повышенная частота формирования систем ЛКМ в переходные (осенний и весенний) сезоны, определяется положением северной границы нисходящего потока в ячейке Гадлея и связанного с ним субтропического струйного течения в верхней тропосфере. Весной и осенью ВТЗК находится в диапазоне широт 15с.ш. - 20с.ш. (вдоль 0 в.д.) (рис. 1.1).
В летний сезон, характеризующийся высокими приземными температурами, развитие облачности и осадков в регионе ВС затруднено, вследствие устойчивого оседания в гребне высокого давления. Важным для понимания синоптических и климатических особенностей региона фактором является также пыль минерального происхождения, поступающая, в основном, из африканских пустынь. Пылевые бури в СР характеризуются четко выраженным сезонным ходом. Ежегодно с весны до осени пыль, образующаяся вследствие эрозии почвы над сухими районами северной Африки, переносится в районы Ближнего Востока и над Средиземным морем в Европу и через Атлантический океан.
Перенос пыли в направлении СР осуществляется в циклонах, вследствие формирования возмущений основного потока [Alpert & Ziv, 1989; Moulin et al., 1998]. Весна и начало лета являются наиболее благоприятными периодами для развития циклонов типа шарав к югу от гор Атласа [Alpert & Ziv, 1989].
Такие циклоны смещаются на восток в направлении Египта и Израиля и далее на восток. Летом пыль переносится в западные и центральные районы СР [Moulin et al., 1998]. Таким образом, воздушные потоки, связанные с фронтальными зонами, могут считаться ответственными за осуществление переноса пыли в СР.
Синоптические процессы СР, в значительной степени, определяются неоднородностью в распределении характеристик земной поверхности и непрерывно возникающими возмущениями в полях метеорологических параметров, как в самом регионе, так и за его пределами. Процессы развития погоды за длительные периоды и, тем более, процессы формирования и изменения климата, однако, в большой степени определяются такими эффектами, как изменения температуры поверхности мирового океана, запасов снега и льда, влагосодержания почвы, распределения растительности на поверхности суши и т.д. Значительной представляется также роль долгопериодных колебаний основных метеорологических характеристик и климата в районах функционирования действующих в регионе удаленных связей (телеконнекций).
Наиболее изучен вклад двух основных действующих в Европе телеконнекций, а именно NAO и EAWR [Barston &Livezey, 1987; Lionello et al., 2006a].Оба указанные режима удаленных связей характеризуются аномалиями в поле приземного давления либо высоты изобарических поверхностей в нижней и средней тропосфере (см. www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip.shtmn. Так, картина аномалии NAO представлена меридиональным диполем в полях геопотенциала и давления на уровне моря, с двумя центрами действия, расположенными вблизи районов исландского минимума и азорского антициклона [Бардин и Полонский, 2005]. В зимние месяцы, характеризующиеся положительными значениями индекса NAO, наблюдаются аномально низкие значения давления в районе исландского минимума и аномально высокие значения давления в районе азорского максимума.
Зимние периоды с положительными значениями NAO характеризуются более сильными западными потоками в северной Атлантике, нежели аналогичные периоды характеризующиеся нулевыми, либо отрицательными, NAO. В частности, в месяцы с отрицательными (положительными) значениями NAO, как правило, имеет место повышенная (пониженная) частота формирования глубоких и интенсивных циклонов с сильными осадками в северных и западных районах СР. Выявлено, однако, уменьшение роли NAO в восточной, и в особенности юго-восточной части СР [Ben-Gai et al., 2001; Dunkeloh & Jacobeit, 2003; Hurrell, 1995; Lamb & Peppier, 1987; Lionello et al., 2006a,b].
В свою очередь, положительная картина телеконнекции EAWR характеризуется положительной аномалией в поле геопотенциала в западной Европе и отрицательной аномалией к северу от Каспийского моря. Была также выявлена значительная статистически значимая положительная корреляция между значениями индекса EAWR и месячным количеством осадков в северной Африке, Ближнем Востоке, восточной Турции и районе Черного моря. В то же время северо-западные районы СР и область западной Европы характеризуются отрицательными корреляциями между значениями индекса EAWR и осадками [Feldstein и Dayan, 2008; Krichak et al., 2002; Krichak и Alpert, 2005a,b; Trigo et al., 2006; Xoplaki et al., 2004].
Наряду с этими двумя режимами европейских телеконнекции, климат региона ВС испытывает определенные воздействия картин циркуляции над более удаленными районами - Скандинавская Осцилляция, Арктическая Осцилляция (в значительной степени являющаяся аналогом Северо-Атлантической Осцилляции), Эль-Нино Южной Осцилляции и др. [Alpert et al., 2006a,b; Price et al., 1998; Trigo et al., 2006].
Взрывной генуэзский циклон 3-5 марта 1982 г.
Синоптический процесс 3-5 марта 1982г. характеризовался взрывным развитием циклона в Генуэзском заливе в подветренном районе Альп. Барическая система начала развиваться в Генуэзском заливе 3 марта 1982 г. после прохождения высотной ложбины, связанной с интенсивным синоптическим процессом в Атлантике. Процесс характеризовался быстрым (более 6 гПа за 12 часов с 4 по 5 марта) (рис. 4.13а,Ь) углублением генуэзского циклона, сопровождавшимся выпадением значительного количества осадков.
Анализ данного синоптического процесса включал его исследование с использованием метода разделения факторов (Factor Separation, FS) [Stein & Alpert (1993)]. Данный метод был разработан с целью определения вклада различных действующих механизмов (факторов) в развитие изучаемых атмосферных процессов. К настоящему времени метод FS активно используется [Alpert & Tsidulko, 1994; Alpert et al., 1995a,b; Alpert et al., 1996a,b; Khain et al., 1993; Krichak et al., 1997b]. Методика разделения факторов предполагает ее применение в ситуациях, когда изучаемый процесс успешно описывается используемой гидродинамической моделью.
Основные положения метода состоят в следующем. Пусть рассматривается роль лишь одного физического эффекта (фактора) а в развитии изучаемого с помощью модели процесса. В этом случае изменение по времени некоторой характеристики f, вычисляемое при интегрировании по времени системы уравнений модели (базовая система BS) без учета изучаемого физического фактора в какой - либо точке сетки, может быть обозначено как F0. При этом изменение f вычисляемое при интегрировании по времени системы нелинейных уравнений модели с учетом фактора а может быть обозначается как Fa + Fa0. (Fa0 - изменение решения системы BS вследствие действия фактора а). Таким образом, для определения вклада одного фактора в моделируемый процесс требуется осуществление, по крайней мере, двух (в случае если ролью взаимодействия с нелинейной системой Fa0 можно пренебречь) расчетов (с учетом и без учета роли эффекта а).
Более сложной оказывается ситуация в случае, когда рассматриваются роли двух одновременно действующих факторов. Пусть рассматривается роль двух факторов а и b в развитии некоторого синоптического процесса. В этом случае система уравнений модели без учета обоих (а и Ь) факторов представляет базовую систему - BS. Суммарное изменение по времени переменной f в точке оказывается результатом суммы вкладов всех действующих эффектов - F0, Fao, Fbo, Fa, Fb, Fab, то есть вклада каждого из рассматриваемых факторов, взаимодействий между ними и эффектов нелинейного взаимодействия каждого из действующих факторов, с BS.
Проблема значительно упрощается в случаях, когда ролью взаимодействия факторов и их групп с решением BS можно пренебречь. В этом случае [Stein & Alpert, 1993], для определения вкладов факторов а и b, Fa Fb и их взаимодействия друг с другом Fabj требуется осуществление четырех экспериментов по моделированию. А именно, экспериментов, в которых (1) -оба фактора выключены, (2) оба фактора включены, (3) включен фактор а, но фактор b выключен, (4) выключен фактор а, но фактор b включен.
Проведенный в [Alpert et al., 1996b] анализ включил в себя осуществление гидродинамического моделирования исследуемого синоптического периода. Произведен численный эксперимент по моделированию рассматриваемого синоптического процесса. С этой целью использована модель ММ4 с разрешением по горизонтали 80 км (сетка точек 46 х 34) и 16 уровнями по вертикали с верхним уровнем модели, заданным на высоте 16 км [Alpert et al., 1996b]. Как исходные данные, так и боковые граничные условия для проведения данного эксперимента определялись по данным объективного анализа ECMWF в 1200 ВСВ 3-6 марта 1982 г.
При проведении исследования анализировалась роль следующих факторов - (1) эффекты топографии (t), (2) атмосферной конвекции, (3) турбулентного потока тепла (s) и влаги (1) и (4) выделения тепла конденсации (г). Для изучения роли перечисленных эффектов в развитии процесса, была реализована серия из шестнадцати численных экспериментов по моделированию процесса на период 72 часа. Вклад каждого из перечисленных выше эффектов определялся на каждом шаге интегрирования с использованием коэффициента, принимающего двоичное значение (0 либо 1) в зависимости от того, учитывалась или не учитывалась роль данного фактора в конкретном эксперименте. В расчетах определялись вклады не только самих перечисленных выше факторов, но также таковых, двойных (Ftr) и тройных (Ftri) взаимодействий между ними.
Ftr=ftr-(ft+fr) + fo (4.1) Ftr. = ftn - (ft.+ ftr+fr.) + (ft+fi+fr) - fo (4.2) здесь F суть вклады рассматриваемых факторов в изменение характеристики /, afijk- рассчитанные значения/ в экспериментах с включенными факторами i,j,k. Соответственно, в случае если все факторы выключены, результат расчета обозначается как f0.
Изучаемый процесс был успешно воспроизведен в контрольном численном эксперименте, в котором были задействованы все анализируемые факторы (рис. 4.13). Результаты определения вкладов различных рассматриваемых факторов в области моделирования, в которой произошло развитие циклона в период моделирования (72 часа), представлены на рис.4.14а-с. На рисунке представлена временная эволюция вкладов всех 15 рассматриваемых факторов в моделируемый процесс циклогенеза. А именно, на рис. 4.14а представлены графики, отражающие роль пяти эффектов (рассматриваемых факторов и их взаимодействий), оказавших наиболее существенное влияние на развитие процесса. Роли следующих по значимости вкладов рассматриваемых факторов, либо их взаимодействий, даны на рис.4.14Ь и 4.14с, соответственно. Согласно представленным результатам, механический эффект топографии Альп (t) оказался первым, из рассматриваемых в анализе факторов, вызвавшим углубление циклона в течение первых 6 часов расчета (рис. 4.14а). Остальные факторы в этот период интегрирования играли меньшую роль. Затем (в период с 42-54 часов интегрирования) главным был вклад фактора (г). Вклад эффектов топографии при этом быстро ослабевал. В последующий период эффект топографии способствовал заполнению циклона - что, по-видимому, явилось следствием смещения циклона в район с менее благоприятными для циклогенеза характеристиками поля топографии.
Представляет интерес, выявленная в анализе, значительность роли двойных и тройных взаимодействий между факторами. Так, конвекция и связанная с ней конденсация, в сочетании с эффектами топографии (tr) оказалась вторым по интенсивности физическим механизмом, в период с 27 до 36 часов расчета. Тройное взаимодействие, tlr, также играло весьма существенную роль в период с 45 до 60 часов расчета, что, по-видимому, свидетельствует о возрастании роли усиления локального потока ощутимого тепла вследствие интенсификации индуцируемой топографией конвекции.
На рис. 4.15 представлены вклады пяти главных действующих факторов в случае моделирования данного процесса с использованием более грубого пространственного разрешения (180 км) - т.е. с разрешением, более чем вдвое превышающем пространственное разрешение, использованное в ранее обсужденном расчете. Сравнение графиков приведенных на рис. 4.15 и 4.14а показывает, что (как при использовании более высокого, так и более низкого разрешения по пространству) топография оказывала наиболее существенное влияние на развитие изучаемого процесса в начальный период расчета. В дальнейшем (хотя и на 12 часов раньше) эффекты топографии способствовали, однако, заполнению циклона в изучаемом процессе.
Успешность воспроизведения современного климата
В осуществленном в ТАУ эксперименте по моделированию процесса изменения климата, в качестве начальных и направляющих данных использовались данные полученные из архива эксперимента по моделированию процесса изменения климата с совмещенной модели атмосферы и океана Института Макса Планка в Гамбурге ЕСНАМ5 [Roeckner et al., 2003]. Указанный глобальный эксперимент состоял в осуществлении интегрирования модели на период с 1870 г. по 2100 г в соответствии реальными концентрациями парниковых газов в течение периода с 1870 по 2000 гг и сценарием эмиссии парниковых газов А1В начиная с 2001 г.
РКМ-эксперимент в ТАУ осуществлялся с использованием двух вариантов модели RegCM3, с различным пространственным разрешением (более грубым - по горизонтали 50 км, по вертикали 14 уровней; и более высоким - по горизонтали 25 км, по вертикали 18 уровней). В обоих расчетах использован одинаковый набор методик параметризации физических (подсеточных) процессов [Krichak & Alpert, 2005a,b; Krichak et al., 2010]. Стратегии проведения эксперимента с использованием двойного пространственного разрешения [Krichak et al., 2009, 2010], разработана и реализована с целью анализа роли эффектов подсеточного пространственного масштаба в процессе изменения климата региона ВС.
Также в обоих расчетах использована область моделирования (рис. 7.1), покрывающая значительную часть СР и окружающих его районов. Внутренний квадрат на рис. 7.1 указывает размеры подобласти, в которой результатами, динамически определялись в ходе расчета. Внешняя часть области соответствует зоне релаксации, в которой результаты рассчитываются с учетом результатов моделирования с глобальной моделью [Pal et al., 2007].
В эксперименте с разрешением 25 км, область моделирования включала 160x160 точек. В эксперименте с разрешением 50 км указанная область включала 80 х 80 точек.
На рис. 7.2 и 7.4 приведены карты, полученных в результате эксперимента с использованием разрешения 25 км, многолетних средних (за период с 1961 по 1990 гг.) распределений осадков и приземной температуры воздуха в сезоны DJF, МАМ, JJA,SON. Для сравнения на рис. 7.3 и 7.5 приведены распределения соответствующих характеристик, основанные на данных CRU университета Восточной Англии [Mitchell et al., 2004].
Согласно приведенным распределениям климатических характеристик, экспериментом успешно воспроизведены основные климатические особенности региона ВС. Моделируемый в эксперименте климат региона ВС характеризуется умеренными температурами воздуха и переменным режимом осадков в ходе холодного сезона и сухими и устойчивыми погодными условиями летом.
Может быть отмечено, что результаты проведенного моделирования характеризуются несколько завышенными значениями осадков в районах с крутыми горами Кавказа и гор, являющихся продолжением Альпийского хребта в зимний сезон (DJF) (см. рис. 7.2а и 7.3а).
Указанный дефект менее очевиден в случае соответствующих распределений для весеннего сезона (МАМ) (рис. 7.2Ь и 7.3Ь) и осени (SON) (рис. 7.2d и 7.3d).
Данный результат подтверждает сделанный ранее вывод [Krichak et al., 2010], относительно роли успешности воспроизведения климата района Кавказа, при РКМ-моделировании для ВС. Использование оптимальной конфигурации области моделирования, позволяет существенно понизить уровень, вызываемых этим дефектом, ошибок[Кгіспак et al., 2010].
Следует отметить также, что данные CRU характеризуются более грубым разрешением (вдвое), нежели таковое в эксперименте с 25 км. Данный факт может частично быть причиной наблюдаемого различия между результатом моделирования осадков и данными CRU, в особенности в районах с ограниченным количеством данных наблюдений.
Результаты моделирования представляются в целом успешными в случае температуры воздуха для DJF, МАМ, JJA, SON (рис. 7.4), над большей частью южных районов региона ВС. Может быть отмечено незначительное завышение моделируемых в эксперименте значений температуры (по сравнению с данными CRU на юге ВС).
Данный результат может являться следствием недостаточно точного описания процессов испарения воды с поверхности почвы.
Представляют интерес результаты сравнения успешности воспроизведения указанных выше характеристик климата в РКМ-эксперименте при использовании двойного разрешения. В таблице 10 приведены средние многолетние (1961-1990 гг) значения абсолютной разности между осадками и температурой воздуха на 2 м (Т2м) по результатам моделирования и по CRU, осредненные по области (32с.ш.-36с.ш., 36в.д.- 39в.д.). Как следует из табл. 10, при использовании 25 км (вместо 50 км) разрешения, точность воспроизведения климата осадков существенно возрастает во все сезоны года.
Менее очевидным, однако, оказывается вклад повышения горизонтального разрешения при воспроизведении поля температуры воздуха. При этом, использование более высокого разрешения обеспечивает повышение успешности воспроизведения значений температуры воздуха в прибрежных районах.
Основные особенности современного климата ВС успешно воспроизводятся как в расчете с разрешением 50 KM/14L [СМ. также Krichak et al., 2009; Samuels et al., 2010], так и при использовании более высокого разрешения 25 KM/18L.
Имеют, однако, место определенные различия в результатах моделирования, очевидно являющиеся следствием различной точности описания в модели, процессов малых масштабов.
Дополнительные анализы (не приведены) были проведены для случая целевой области (32с.ш.-34с.ш., 35в.д.-37в.д.) (область указана на рис. 7.3d). Данная область может рассматриваться как важная для водных ресурсов и сельскохозяйственной продукции в районах с высокой плотностью населения в Израиле, чувствительных к изменению климата [Samuels et al., 2010].
Моделирование гидрологических характеристик в условиях будущего климата
Согласно результатам РКМ-моделирования, как средняя, так и межгодовая изменчивость интенсивности осадков, в период 2011-2035 гг близки значениям перечисленных характеристик в случае климатических условий в 1980-2004 гг. Следующий "будущий" период (2036-2060 гг.) в результатах РКМ-моделирования, характеризуется, однако, значительным уменьшением количества осадков.
Для иллюстрации сказанного, на рис. 8.16, представлены, средние многолетние значения месячных осадков в районе станции Mt. Hermon, в современных и двух будущих климатических режимах. Результаты РКМ-эксперимента (см. также Рис. 8.17) свидетельствуют о перспективе 10 % уменьшения в количестве годовых осадков к 2036-2060 гг. по сравнению с климатическими условиями в 1980-2004 гг.
Потенциальное испарение
Проецируемый в РКМ-эксперименте климатический тренд может иметь существенные последствия для водного режима региона. Модель HYMKE применена для проведения анализа. Следует учесть, что хотя используемые в обсуждаемом анализе станции располагаются на расстоянии 50 км друг от друга (таблица 13 и рис. 8.10), значения климатических характеристик на этих станциях существенно различаются - ввиду неоднородности топографии в регионе UCJR. Наиболее различны значения, измеренные на станциях Mt. Hermon (2080 м над уровнем моря) и Tabgha (на берегу озера Кинерет, -210 м над уровнем моря). На станции Mt. Hermon температура воздуха оказывается на 15 градусов ниже, глобальная радиация на 5 MJ/м2 выше (особенно летом), а относительная влажность на -20% ниже, (также в летний период). Скорости ветра на станции Mt. Hermon, также, по крайней мере, вдвое, превышают скорости на станции Tabgha.
Результаты расчета минимальной и максимальной температуры воздуха в РКМ-эксперименте в большинстве случаев находятся внутри диапазона достоверности результатов измерений на используемых пяти наблюдательных станциях. В то же время, значения рассчитываемой в модели глобальной радиации в окрестности региона UCJR систематически оказываются несколько выше значений, измеряемых даже на станции Mt. Hermon. Также завышенными, по сравнению с результатами измерений (в особенности летом) оказываются вычисляемые в эксперименте значения относительной влажности. В то же время результаты РКМ-моделирования (1980 - 2004 гг.) значений скорости ветра в случае зимнего (летнего) сезона систематически завышены (занижены). В данном анализе не использованы результаты измерений на станции Mt. Hermon. Выявленные дефекты моделирования отражаются на результатах вычислений РЕ RCM Построение методики использования результатов РКМ-моделирования при оценке перспектив изменения водного баланса в районе горы Hermon, потребовало разделения значений PERCM И величин РЕ, измеренных на пяти станциях за 2008 г. (таблица 14), на радиационную и аэродинамическую компоненты, совместно формирующих измеряемые (рассчитываемые) значения РЕ. Полученные значения представлены на рис. 8.18 в сравнении со значениями, вычисленными согласно измерениям РЕА с использованием сезонного графика, согласно уравнению (8.2).
Согласно рис. 8.18, на станциях Kinneret, Upper Galilee FieldCrops Experimental Station (UGFCES), и Kadesh радиационная компонента оказывается большей аэродинамической (которая существенно занижается в результатах расчета по модели вследствие завышенных значений относительной влажности). В то же время, на станции Golan Heights (GES), аэродинамическая компонента оказывается большей, вследствие сильных векторов. На станции Mt. Hermon, радиационная компонента оказывается сравнительно малой, вследствие низких температур, при этом аэродинамическая компонента велика, вследствие низкой влажности и сильных ветров.
Радиационная компонента в результатах РКМ-расчета оказывается завышенной по сравнению с результатами измерений, о чевидно, вследств ие завышения значений потока солнечной радиации. С другой стороны, аэродинамическая компонента в результатах РКМ за нижена, как следствие завышения моделируемых значений относительной влажности и занижения значений скорости ветра (в особенности летом).
Результатом указанных дефектов моделирования, по-видимому, и является весьма удовлетворительная степень соответствия между годовым ходом РЕ согласно результатам РКМ-моделирования и измерениями , хотя занижение значений скорости ветра и завышение значений относительной влажности в результатах расчета с RegCM3 приводят к суммарному занижению значений PERCM по сравнению с результатами измерений РЕА , в особенности летом (рис. 8.13).
Применение гидрологической модели обеспечило получение более реалистичных оценок. При проведении расчета осуществлена коррекция ежедневных значений PERCM С целью вычисления входных данных для гидрологической модели (PES).
При проведении расчета поправочного коэффициента F использовано следующее эмпирическое соотношение
На рис. 8.19 представлено распределение полученных в результате коррекции средних ежедневных значений PES за период 1980-2060 гг. согласно результатам расчета в модели RegCM3. Как и в случае осадков (рис. 8.16с), не наблюдается существенного изменения в PES в случае второго периода (2010-2035 гг.). Период 2036-2060 гг. в результатах РКМ-моделирования, характеризуется, однако, 5% увеличением PES. Осадки и расчет потоков
Для определения вклада процесса изменения климата в модификацию характеристик водопотоков в регионе горы Hermon, осуществлена дополнительная коррекции результатов РКМ-расчета значений интенсивности ежедневных осадков. С этой целью были использованы синтетические данные о ежедневных осадках на "репрезентативной" наблюдательной станции, характеризующей весь район Hermon. С этой целью область Hermon (783 км ) была разделен на 56 слоев равной толщины (50 м) в диапазоне высот от 75 м до 2825 м, после чего были определены ежедневные значения интенсивности моделируемых с РКМ осадков и данных измерений на четырех станциях ( Ein Ziwan, 948 м; GES, 960 м; Malkiya, 690 м; b Ma ayan Barouch, 240 м), были использованы для расчета ежедневных значений осадков для каждого из слоев по высоте на всем водосборе. Полученные таким образом временные ряды ежедневных значений приземной температуры воздуха и осадков, были затем использованы в блоке расчета снегозапаса с целью определения количества воды и снега на каждом из слоев по высоте. Одновременно с этим, определялись значения РЕ с учетом результатов РКМ-расчета. Результататом описанной работы явилось построение 12 временных рядов (базовый поток, поток на поверхности и полный поток) для рек Dan, Snir, Hermon и Jordan.
Представляется обоснованным требование близости годового хода вычисляемых на основе результатов РКМ-моделирования гидрологических характеристик и измеренных значений. Результаты сравнения (рис. 8.20) суммарных распределений рассчитанных потоков с измеренными значениями, (для различных перцентилей - 100%, 99.5%, 97.5%, 90%, 75%, 50%, 25%, 10%, 2.5%), 0.5%), 0%), демонстрируют эффективность процедуры расчета.
Действительно, согласно результатам проверки (корреляции R 0.99 между составляющими обоих распределений), модель успешно описывает реальные процессы. Была также проведена проверка эффективности расчетов таяния снега. Полученные результаты свидетельствуют о том, что на больших высотах имеет место существенное различие между временем реализации эффективных осадков (таяние снега + дождь) по сравнению со случаем, когда таяние снега не рассматривается.
На рис. 8.21 представлены моделируемые вклады трех слоев, представляющих высоту в общем потоке в реке Jordan River во время сезона дождей 1991-1992 гг.
Указанный период характеризовался наибольшим количеством осадков с 1970 г., полученные данные измерений обеспечивают возможность демонстрации эффекта таяния снега. На рис. 8.21а приведены количества эффективных осадков (мм/сутки) для каждого из 50 м высотных слоев. Следует подчеркнуть, что в период октябрь - декабрь 1991 г. значения температуры воздуха были достаточно высоки, в результате чего не происходила аккумуляция снега.
Более того, осадки в ходе этого периода времени вели к насыщению верхнего слоя почвы, ввиду чего поток оказался незначителен (рис. 8.2lb). Значительной, однако, в этот период, была роль процесса таяния снега весной на высотах 2025 м и 2775 м (рис. 8.21а).
Вклад данного эффекта в поток в Jordan River (1000 м3/сутки) (рис. 8.2lb), оказался минимальным, однако, как следствие физических особенностей географической области (рис. 8.21с). Таким образом, изменения в форме осадков (дождь, снег) и таяния снега в рассматриваемый период, привели к незначительным изменениям в значениях ежедневного потока воды. 120
