КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 18-77-10076

НазваниеМезомасштабные конвективные системы над территорией России: диагностика и моделирование, механизмы формирования, связь с изменениями климата

РуководительЧернокульский Александр Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук, г Москва

Срок выполнения при поддержке РНФ07.2018 - 06.2021

КонкурсКонкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-602 - Диагноз и моделирование климата

Ключевые словамезомасштабные конвективные системы, экстремальные гидрометеорологические явления конвективного характера, изменение климата, спутниковые данные, машинное обучение, данные допплеровских метеорологических радиолокаторов, мезомасштабные модели, глобальные климатические модели

Код ГРНТИ37.23.31


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Последние три десятилетия в Северной Евразии, включая территорию Российской Федерации, стали самыми теплыми за всю историю метеорологических наблюдений. Рост температуры сопровождается интенсификацией конвективных процессов в атмосфере и увеличением частоты и магнитуды экстремальных погодно-климатических явлений, которые определяют основные риски для населения и окружающей среды, связанные с современными изменениями климата. К важному классу таких явлений относятся опасные гидрометеорологические явления конвективного характера, развивающиеся преимущественно в летний период – ливневые осадки, смерчи, шквалы, грозы, крупный град – и формирующиеся в мезомасштабных конвективных системах (МКС). В России за последнее десятилетие прохождение МКС и формирование сопутствующих им опасных гидрометеорологических явлений привели к экономическому ущербу в несколько десятков миллиардов рублей и гибели более 200 человек (это, в том числе, ливневые осадки и вызванные ими наводнения в Крымске в 2012 году, воздушные смерчи в Краснозаводске (2009 г.), Благовещенске (2011 г.), Ефремове (2013 г.), Янауле (2014 г.), Рузском районе Московской области (2016 г.), мощные шквалы на севере европейской территории России в 2010 году, в Москве в 2017 году). При этом до сих пор недостаточно полно изучены конкретные механизмы, определяющие формирование и изменчивость МКС. Это связано как с редкой сетью данных наблюдений и нехваткой знаний о пространственно-временной структуре этих явлений, так и с недостаточно точным описанием ряда ключевых процессов в климатических региональных и глобальных моделях (например, процессов конвекции и осадкообразования, требующих высокого пространственного разрешения). До сих пор отсутствуют данные не только о долговременных (климатических) тенденциях изменений МКС и сопутствующих им экстремальных явлений конвективного характера на масштабе территории Северной Евразии, но и о климатологии важных характеристик этих событий. Предлагаемый проект направлен на получение новых знаний о пространственно-временной структуре МКС и сопутствующих им экстремальным явлениям конвективного характера, причинах и механизмах их изменчивости, оценке риска формирования и связанных с ними последствий. Впервые для территории России планируется оценить основные закономерности пространственно-временной изменчивости (климатологии) МКС, выявить причины наблюдающейся изменчивости. В рамках проекта условия формирования и основные характеристики МКС будут уточнены на основе новейших данных наблюдений и численного моделирования с наиболее продвинутыми мезомасштабными негидростатическими моделями. Впервые будет дана количественная оценка риска формирования МКС в регионах России и вероятности их прохождения через населенные пункты, определены регионы с наибольшим риском формирования подобных явлений, выявлены тенденции изменений риска в условиях глобальных климатических изменений при различных сценариях антропогенного воздействия. Результаты проекта позволят лучше понять механизмы формирования МКС и сопутствующих им опасных гидрометеорологических явлений конвективного характера в Северной Евразии. Как следствие, они будут способствовать повышению заблаговременности прогнозирования подобных явлений и минимизации связанных с ними социально-экономических рисков.

Ожидаемые результаты
Итогом выполнения проекта будет комплексный анализ пространственно-временных характеристик мезомасштабных конвективных систем (в первую очередь, осесимметричных систем) на территории Северной Евразии с выявлением механизмов их формирования, связи с глобальными климатическими процессами в современный период и оценки будущих изменений в 21 веке, оценкой сопутствующих опасных гидрометеорологических явлений конвективного характера. В результате выполнения проекта будут получены следующие основные результаты: 1. Актуальная и наиболее полная статистика мезомасштабных конвективных систем (МКС) на территории России (в первую очередь систем осесимметричной конвекции над европейской территорией России и над югом Сибири) с 2004 года. Создание открытой базы данных по МКС в России. Статистика будет получена на основе использования спутниковых данных Meteosat, данных метеорологических локаторов ДМРЛ-С и методов машинного обучения. 2. Результаты диагностики и исследования основных характерных особенностей и механизмов формирования МКС, включая анализ сопутствующих опасных явлений. Результаты будут получены на основе численного моделирования с помощью современных региональных негидростатических моделей WRF-ARW и ICON-LAM, данных метеорологических локаторов ДМРЛ-С, спутниковых данных о ветровальных нарушениях лесного покрова и дополнительной информации (данных реанализа, наземных и аэрологических наблюдений, синоптических карт). 3. Количественная оценка влияния климатической изменчивости на межгодовую динамику МКС с выявлением роли естественных и антропогенных факторов. Результаты будут получены на основе современных глобальных климатических моделей и систем реанализа в рамках ингредиентного подхода и анализа динамических и термодинамических индексов конвективной неустойчивости, характеризующих условия, благоприятные для формирования МКС. 4. Количественная оценка рисков возникновения и прохождения МКС (и сопутствующих опасных явлений) и районирование территории России с учётом данного риска для современного и будущего климата. Результаты будут получены на основе сформированной в рамках проекта статистики МКС (и сопутствующих опасных явлений) и анализа закритических значений индексов конвективной неустойчивости по модельным данным. Наибольшие риски для населения и окружающей среды, связанные с современными изменениями климата, вызваны не изменением средних гидрометеорологических параметров (например, среднемесячных значений приповерхностной температуры и осадков), а обусловлены увеличением частоты и магнитуды экстремальных погодно-климатических явлений. К важному классу таких явлений относятся опасные гидрометеорологические явления конвективного характера, развивающиеся преимущественно в летний период – ливневые осадки, смерчи, шквалы, грозы, крупный град – и формирующиеся в мезомасштабных конвективных системах (МКС). При этом до сих пор недостаточно полно изучены конкретные механизмы, определяющие формирование и изменчивость МКС. Это связано как с редкой сетью данных наблюдений и нехваткой знаний о пространственно-временной структуре этих явлений, так и с недостаточно точным описанием ряда ключевых физических процессов в климатических региональных и глобальных моделях (например, процессов конвекции и осадкообразования, требующих высокого пространственного разрешения). До сих пор отсутствуют данные не только о долговременных (климатических) тенденциях изменений МКС и сопутствующих им экстремальных явлений конвективного характера на масштабе территории Северной Евразии, но и о климатологии важных характеристик этих событий. В связи с этим, предлагаемый проект, направленный на получение новых знаний о пространственно-временной структуре МКС и сопутствующих им опасных гидрометеорологических явлениях, причинах их изменчивости и риске формирования, обладает высокой научной значимостью. Заявленные результаты планируется получить на основе использования современных данных и современных методов исследований. Основные полученные результаты будут представлены на международных конференциях и опубликованы в международных высокорейтинговых журналах, что подтвердит их соответствие мировому уровню исследований. Запланированные результаты обладают высокой общественной значимостью и перспективой практического использования в экономике и социальной сфере. В частности, результаты районирования территории России по условиям риска формирования МКС и связанных с ними опасных гидрометеорологических явлений в современном и будущем климате (с учётом ожидаемых глобальных изменений) могут быть востребованы в сфере страхования (как для объектов жилого фонда, так и для объектов сельского хозяйства), градостроительства, при планировании развития территорий и инфраструктурной сети. В частности, в дальнейшем может быть проведена оценка ветровой нагрузки на объекты жилого фонда России, объекты энергетики и инфраструктуры, возникающей в связи с формированием подобных явлений.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Выполнены все запланированные на отчетный этап работы и получены все запланированные результаты. На основе различных источников были определены известные случаи прохождения мезомасштабных конвективных систем (МКС), на основе которых была создана выборка из образов (сигнатур) для модели машинного обучения (ММО) основанной на сверточной нейронной сети. При этом, был создан программный пакет, позволяющий в клиент-серверном режиме проводить пространственную разметку климатических данных, который существенно упростил процесс разметки спутниковых снимков для выделения контуров МКС и последующего обучения ММО. Были заказаны, скачаны и подготовлены данные спутниковых наблюдений METEOSAT за 2012-2018 гг., по которым произведен первичный поиск с помощью ММО и сформирована первичная статистика МКС для европейской территории России за указанный период (требует дальнейшего уточнения). Написан программный комплекс, позволяющий рассчитывать почти три десятка индексов конвективной неустойчивости. Заказаны, скачаны и подготовлены срочные данные (3/6/12-часовые) по вертикальной структуре температуры, влажности и ветра для реанализа ERA-Interim (также начат процесс для получения данных ERA-5), ряда моделей ансамбля CMIP-5, данные аэрологического зондирования IGRA, данные идеализированных экспериментов с разными граничными и начальными условиями. Индексы конвективной неустойчивости рассчитаны для указанных данных, подготовлены массивы индексов. Поставлены и проведены численные эксперименты с мезомасштабными моделями (WRF-ARW, COSMO-Ru) по моделированию нескольких МКС. Подобраны конфигурации параметризаций и параметров моделей WRF-ARW и COSMO-ru, включая начальные и граничные условия, позволяющие адекватно воспроизводить возникновение и эволюцию МКС. Получены результаты валидации отдельных запусков на основе сравнения со спутниковыми данными. В частности, показано, что при использовании начальных данных ECMWF ERA-5 модель WRF лучше воспроизводит структуру МКС и их пространственное положение (чем при использовании начальных данных из модели GFS). Подготовлены данные о населенных пунктах России (с градацией по численности населения и административному статусу). В дополнение к изначально запланированным также получены результаты по анализу характеристик МКС на основе радарных данных; определены особенности МКС, в которых зафиксировано возникновение смерчей (результаты опубликованы, doi: 10.21046/2070-7401-2019-16-1-223-236); создана статистика сильных ливней и показан общий рост ливневых осадков в России в последние десятилетия (результаты опубликованы в журнале первого квартиля, doi: 10.1088/1748-9326/aafb82). Рассмотрена возможность идентификации мезомасштабных конвективных систем (МКС) и суперячеек, сопровождавшихся образованием смерчей, по снимкам прибора SEVIRI спутника Meteosat-8. В качестве особенностей МКС рассмотрена радиояркостная температура верхней границы облаков, сигнатуры пробоя тропопаузы (Overshooting Tops), кольце- вые и U/V-образные структуры в поле ТВГО. Анализ проведён для 2017–2018 гг. на примере нескольких случаев вспышек смерчей на европейской территории России и Урале. Случаи смерчей выявлены по данным очевидцев, сообщениям в СМИ, а также на основе анализа вызванных смерчами ветровалов в лесных массивах по снимкам Landsat-8 и Sentinel-2. Выполненное совмещение снимков Meteosat-8 с треками смерчей позволило впервые для территории России определить особенности МКС или суперячейковых облаков, в которых зафиксировано возникновение смерчей. Показано, что экстремально низкие значения температуры верхней границы облаков и пробои тропопаузы имеют сравнительно слабую связь с возникновением смерчей. В то же время выявлена связь наиболее мощных смерчей с появлением кольцевых U- или V-образных структур в поле ТВГО. Их можно считать признаком наличия достаточно мощных мезоциклонов. Отмечено влияние условий устойчивости атмосферы, наблюдаемых во время формирования смерчей. Показано, что по снимкам Meteosat в первую очередь могут быть идентифицированы смерчеопасные МКС и суперячейки, которые возникают на фоне сильной кон- вективной неустойчивости. Однако локальные суперячейковые облака, которые способны генерировать смерчи даже на фоне умеренной или слабой неустойчивости, зачастую не имеют характерных признаков на ВГО, и их обнаружение по спутниковым данным затруднительно. Получена статистика сильных ливней. Оценены долгосрочные изменения ливневых и обложных осадков в Северной Евразии за последние пять десятилетий. Различные типы осадков разделены в соответствии с их генезисом с использованием стандартных метеорологических наблюдений за осадками, погодными условиями и морфологическими типами облаков за период 1966–2016 гг. Анализ проведен для 326 станций (из изначальных 538 станциях), которые не имеют пропусков и соответствуют критериям отсутствия артефактных разрывов в данных. Показано, что слабое изменение общего количества осадков за анализируемый период сопровождается относительно сильным ростом ливневых осадков и одновременным уменьшением обложных осадков. Отмечены значимые изменения суммы ливневых и обложных осадков, интенсивности осадков и суммы особо сильных осадков (95-перцентиль) (главным образом летом), относительного вклада двух типов осадков в общее количество осадков (включая вклад особо сильных ливней)(особо сильные в переходные сезоны). Вклад сильных ливней в общее количество осадков увеличивается со статистически значимой тенденцией 1–2% за десятилетие в большинстве районов Северной Евразии (до 5%/десятилетие на некоторых станциях). Наибольшее увеличение наблюдается на юге Дальнего Востока, главным образом из-за положительных изменений интенсивности ливневых осадков с линейной тенденцией более 1 мм/день/десятилетие (увеличение на 13,8% на 1 °C потепления). В целом, обложные осадки уменьшаются в большинстве регионов Северной Евразии во все сезоны, кроме зимы. Это уменьшение происходит несколько медленнее, чем растут ливневые осадки. В целом, изменения в характере осадков в Северной Евразии характеризуются перераспределением типов осадков, которое характеризуется ростом интенсивности ливневых осадков и повторяемости особенно сильных ливней.

 

Публикации

1. - Ученые проанализировали изменение структуры осадков на территории России с 1966 года ТАСС, - (год публикации - ).

2. - Климатологи узнали, как поменялись дожди в России за последние полвека РИА Новости, - (год публикации - ).

3. - Климатологи выяснили, как за 50 лет изменился характер осадков в России Пресс-служба РАН, - (год публикации - ).

4. - Ученые предупредили о наводнении в результате сильных ливней в Москве Московский Комсомолец, - (год публикации - ).

5. - Много воды утекло: почему за последние полвека в России участились проливные дожди Russia Today, - (год публикации - ).

6. - За последние 50 лет увеличились частота и сила проливных дождей Индикатор, - (год публикации - ).

7. - Ученые доказали резкий рост частоты дождей в России за полвека Известия, - (год публикации - ).

8. - Климатологи: Россия превращается в тропики РТР - Вести, На карте трендов (1:40-2:00) указан номер проекта РНФ (год публикации - ).

9. - В России идут дожди: результаты нового исследования климатологов National Geographic, - (год публикации - ).

10. - Хляби небесные. В России увеличилась частота и интенсивность дождей Поиск, - (год публикации - ).

11. Чернокульский А.В., Козлов Ф.А., Золина О.Г., Булыгина О.Н., Мохов И.И., Семёнов В.А. Observed changes in convective and stratiform precipitation in Northern Eurasia over the last five decades Environmental Research Letters, vol.14, No.4, Article ID: 045001 (год публикации - 2019).

12. Шихов А.Н., Чернокульский А.В., Спрыгин А.А., Ажигов И.О. Идентификация мезомасштабных конвективных облачных систем со смерчами по спутниковым данным Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, т.16, №1, С.223-236 (год публикации - 2019).