Российские ученые подобрали надежный метод для отслеживания маленьких интенсивных погодных явлений (вихрей с точки зрения физики), таких как грозовые образования, приводящие к аномально сильным ливням, тропические циклоны, полярные мезоциклоны и т. д., на примере атмосферы над Северной Атлантикой. Для этого обработали массив климатических данных почти за 40 лет. В ходе исследований специалисты собрали информацию о вихрях размерами от 50 км и нашли с помощью компьютерного моделирования наиболее подходящий метод для их поиска и изучения. В будущем ученые смогут отслеживать и в других районах мира вихри, о которых сейчас нет информации. Работа специалистов поможет прогнозировать возникновение разрушительных погодных явлений, что важно с точки зрения применения их результатов на практике. Исследование, поддержанное грантом РНФ, опубликовано в журнале Oceanology.
Летние ливни, зимние снежные заряды, тропические циклоны и торнадо — примеры маленьких, или мезомасштабных интенсивных погодных явлений. Несмотря на бурное развитие климатологии в последние годы, ученые все еще мало знают об этих процессах. Исследователи проводят работы по анализу их отдельных проявлений, однако общая картина мезомасштабных явлений остается в «серой зоне» науки. Например, слабо изучено, в каких районах они чаще всего возникают, как долго «живут» в среднем, есть ли у них сезонные изменения и как на них сказывается современное изменение климата.
С точки зрения физики, мезомасштабные интенсивные погодные явления — это структуры, имеющие вихревые свойства (вихри). Если они более-менее стабильно сохраняются в атмосфере в течение продолжительного периода, то получаются когерентные структуры. Их выявление среди массива хаотичных данных, изучение с момента зарождения до исчезновения и автоматизация всего этого процесса — актуальные задачи климатологии.
Ученые из Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН и Московского физико-технического института применили численное моделирование для изучения вихрей Северной Атлантики. Это крайне важный район для климатологов, так как именно тут зарождается погода почти для всего северного полушария Земли. Для работы исследователи обработали данные за 40 лет с 1979 по 2018 гг., использовав массив данных NAAD (North Atlantic Atmospheric Downscaling). Это позволило им находить и отслеживать вихри размером от 50 км. В ходе исследования специалисты оценили возможности нескольких методов выделения когерентных структур для поиска вихрей Северной Атлантики и нашли один, который лучше всего позволяет изучать мезомасштабные погодные явления.
«Теперь у нас есть база данных, в которой можно узнать, где эти вихри ”обитают”, какие они имеют характеристики (сила ветра, сила осадков, приносят ли они сильное похолодание и прочее). На данный момент мы научились выделять и отслеживать вихри, а также получать их общие характеристики. Теперь нам предстоит научиться разделять различные вихри по типам. Например, мы хотим посмотреть отдельно на тропические циклоны или отдельно на торнадо», — рассказывает первый автор публикации Василиса Кошкина, магистр МФТИ и инженер-исследователь лаборатории морской метеорологии Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН.
В первую очередь проделанная работа представляет фундаментальный интерес. У климатологов появляется возможность исследовать общие закономерности, характерные для целого класса малоизученных маленьких процессов в атмосфере, их динамику и вклад в формирование климата (этими вопросами до сих пор не занимался никто). Другими словами, можно выделить климатологию мезомасштабных процессов в отдельное научное направление. При этом работа имеет и практическую значимость. Пользуясь новым методом выделения когерентных структур, специалисты могут научиться предсказывать возникновение интенсивных вихрей в атмосфере значительно заранее, чем это делается сейчас. Также по математическим моделям, которые предсказывают будущий климат, можно будет понять, как станет развиваться мир мезомасштабных процессов и как много будет интенсивных (разрушительных) явлений в будущем. Это поможет, например, скорректировать требования к строительству различных сооружений или дорог.
«В ближайшей перспективе мы планируем предоставить научному сообществу информацию об интенсивных процессах в атмосфере даже там, где их нельзя было бы заметить. Например, в центре океана или в глухом лесу», — добавляет Василиса Кошкина.
1
