Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе выполнения проекта были получены характеристики долговременной изменчивости всех параметров экстремальных осадков на Европейском континенте на основе станционных наблюдений и реанализов, а также оценки интегральных характеристик экстремальных осадков с учетом их продолжительности на Европейском континенте. Было выполнено сравнение характеристик экстремальных осадков, а также продолжительностей влажных и засушливых периодов, оцененных по данным станций и реанализов с учетом зависимости оценок от пространственно-временных масштабов. Нами было проанализировано несколько суточных массивов данных по осадкам в западной и центральной Европе, показаны преимущества и недостатки каждого из массивов данных, в частности массив, основанный на осадкомерных станциях, три спутниковых массива данных и два реанализа. Сравнение проводилось с высокоразрешающим массивом осадкомерных станций. Во-первых, анализировалась пространственная структура и частотные распределения, используя обобщенные статистики для всех массивов данных. Затем результаты сравнивались с осадкомерными станциями. В ходе выполнения проекта нами была разработана методология оценивания экстремальных осадков и соответствующих масштабных зависимостей. Сначала сравнивалось пространственное распределение осадков и распределения функций плотности вероятности, затем были проанализировали возможности каждого массива данных воспроизводить индивидуальные случаи выпадения осадков в зависимости от масштабов. Для выделения дней со значимыми осадками использовалось пороговое значения 1 мм. Такое пороговое значение исключает из рассмотрения очень слабые осадки, являющиеся очень неопределенными как в данных наблюдений по станциям, так и в спутниковых данных и реанализах. Статистики осадков предоставлены для четырех сезонов: зима (с декабря по февраль), весна (с марта по май), лето (с июня по август) и осень (с сентября по ноябрь). Для оценки пространственной структуры и распределений осадков использовалось среднее количество осадков за все дни (мм/день) (MEAN), интенсивность (мм/день) - среднее значение по всем влажным дням (INT), количество дней с осадками (NWET), 10-й, 90-й и т.д. - перцентили, полученные по эмпирическому распределению влажных дней (мм/день) (Q10, Q90), длина влажных и сухих периодов (дни) - количество последовательных дней с осадками и без осадков (WSs и DSs), осредненная разница, поделенная на среднее, для каждого массива данных по отношению к массиву ECMWF (bias ratio), эмпирическое распределение частот суточных осадков (PDF) и кумулятивное распределение частот суточных осадков (CDF). В ходе работы было показано, что большая часть анализируемых массивов достаточно хорошо отображает пространственное распределение средних осадков, количества влажных дней и интенсивности осадков. Например, данные реанализа HIRLAM имеет тенденцию завышать эти величины, тогда как спутниковые данные TMPA и CMORPH занижают значения средних и интенсивностей. Знак и значение разниц сильно различаются для разных данных и разных районов. Для большинства массивов данных, карты MEAN-BR аналогичны картам NWET-BR; таким образом, обнаружение осадков является основной причиной выявленных различий для средних осадков. Только для E-OBS BR интенсивность (среднее значение для района составляет 0.91) больше отличается от 1, чем BR для NWET (среднее значение 1.06). E-OBS показывает лучшие результаты в Германии, где плотность станции самая большая, но немного занижает MEAN над Францией и слегка завышает MEAN над Великобританией. HIRLAM и PERSIANN обычно завышают количество осадков в данном регионе (средние значения BR NWET 1.40 и 1,54, соответственно). Самые высокие значения наблюдаются в Испании, на средиземноморском побережье и в Румынии. TMPA и CMORPH занижают количество влажных дней в северо-западной Европе, особенно вдоль береговых линий, и завышают в юго-восточной Европе. Для оценивания экстремальных осадков был разработан алгоритм, основанный на определении временных и пространственных окрестностей вокруг отдельных ячеек сетки на каждом временном шаге. Количество ячеек сетки и временных шагов определяют размер получаемой 2-D/3-D окрестности и, следовательно, пространственно-временную шкалу: например, окрестность, покрывающая 3 ячейки сетки в каждом направлении и 3 дня, приводит к сумме 3x3x3 = 27 значений и, следовательно, 0,75° по пространству и 3 дня по времени. Мы использовали Fractions Skill Score (FSS) для оценки возможностей разных массивов данных для детектирования случаев выпадения экстремальных осадков по сравнению с эталонным массивом данных. Каждое событие определяется с использованием порогового значения. Были выполнены оценки качества воспроизведения экстремальных гидрометеорологических событий в ансамбле региональных климатических моделей EURO-CORDEX на основе валидации модельных экспериментов для современного климата, а также результаты региональной валидации климатических моделей EURO-CORDEX. Для этого были проанализированы отдельные экстремальные события в ансамбле моделей CORDEX для современного климата. Их анализ в сопоставлении с наблюдениями дает возможность выявить региональные рассогласования. Нами были проанализированы численные эксперименты с ансамблем EURO-CORDEX для различных доменов с высоким разрешением (12,5 км и выше, включая совместные эксперименты с моделью TerrSysMP, ориентированной на региональный анализ экстремальных климатических изменений в гидрологических событиях в Европе. Совместный анализ результатов моделей EURO-CORDEX и экспериментов с TerrSysMP с высоким разрешением позволил определить и физически описать региональные механизмы формирования экстремальных гидрометеорологических событий и оценить их предсказуемость. Качество воспроизведения отдельных характеристик экстремальных осадков оценивалось путем сопоставления результатов моделирования с данными станционных наблюдений, спутниковых массивов и региональных реанализов. Для выполнения масштабного анализа и оценки возможностей разных массивов детектировать экстремальные осадки мы проанализировали совпадение в пространстве и во времени разных случаев выпадения экстремальных осадков в разных массивах данных. Для этого мы использовали критерий FSS, описанный ранее. Он был рассчитан из количества совпадений в пространстве и во времени (временного и пространственного) с разрешением 0.25°. Было установлено, что при максимальном масштабе по времени 7 дней средние значения FSS в исследуемом районе на 20-35% ниже значений FSS для максимального масштаба по пространству – 2.25°. Из всех массивов данных, исключая станционные, лучше всех HERZ. Летом на масштабе 3 дня и пространственном масштабе 1.25°, средние значения FSS составляют около 0.68, при этом около 90% ячеек сетки, показывают FSS> FSSusefull. Для всех других массивов данных (исключая измерения на станциях), аналогичные значения FSS наблюдаются только при более длинных временных и больших пространственных масштабах, например, для HIRLAM для 3-х дней и 1.75° (среднее значение FSS ~ 0.66), для CMORPH, TMPA и PERSIANN для 7-и дней и 2.25° (средние значения FSS ~ 0.67, ~ 0.66 и ~ 0.63, соответственно). Был создан банк данных циклонических траекторий и определение параметров жизни циклонических образований на основе реанализов, включая реанализы 20-го столетия ERA-CLIM и 20CR. Анализ циклонической активности был основан на алгоритме, разработанном в ИО Мы проанализировали характеристики циклонов в Северном полушарии при использовании всех доступных на сегодняшний день реанализов, которые являются главным источником для анализа характеристик циклонической активности. В частности, были исследованы такие пробелы в анализе циклонов, как «устойчивость» региональных характеристик жизненного цикла внетропических циклонов, включая интенсивность циклонов, их время жизни, скорость углубления и распространения и согласованность межгодовой изменчивости характеристик циклонической активности, которые до сих пор не были описаны ни в одном исследовании. Для оценки переноса атмосферной влаги и ее связи с циклонической активностью мы адаптировали Эйлеровскую численную методологию, обогащенную лагранжевым подходом на основе использования алгоритма FLEXPART. Для определения происхождения воздушных масс строились 5-дневные лагранжевы обратные траектории. Траектории вычислялись для различных типов экстремальных событий и классифицировались с использованием формальную неконтролируемой методологии классификации. Это позволило исследовать связь между региональным влагосодержанием, переносами влаги на Европейском континенте и крупными региональными телекоммуникациями. Моды, используемые в анализе, включали Североатлантическую (САК), Восточно-Атлантическую (ВА), Восточно-Атлантическую - Западную Российскую (ВАЗР), Полярно-Евразийскую (ПОЛ) и Скандинавскую (СКА) телеконнекции. Их регулярно обновляемые индексы, охватывающие период с 1950 года по настоящее время, можно получить на веб-сайте Центра прогнозирования климата (CPC) NOAA. Было получено, что САК наиболее существенно влияет на межгодовую изменчивость числа холодных дней. По результатам работы в течение первых 5 месяцев проекта сданы в печать 3 статьи (Lockhoff et al. 2018, Zveryaev and Arkhipkin 2018, Ziulyaeva et al. 2018), на все из которых получены положительные отзывы c просьбой о доработке.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе выполнения проекта в 2019 году было выполнено статистическое моделирование и исследование межгодовой изменчивости экстремальных осадков на разных пространственно-временных масштабах по данным наблюдений на Европейском континенте. Для этого было проанализировано несколько модельных и наблюдательных массивов данных, а также реанализов. Был разработан алгоритм высокоточной интерполяции осадков на единую сетку, позволяющий учесть фрактальную структуру осадков. Этот алгоритм основан на точном расчете количества осадков за 6 часов, выпадающих в ячейке сетки каждого отдельного массива данных. В результате моделирования были получены помимо стандартных характеристик, осадков, перцентили, полученные по экстремальным распределениям влажных дней (мм/день), длину влажных и сухих периодов (дни) по усеченному геометрическому распределению и кумулятивное распределение частот суточных осадков. Была выполнена оценка характеристик влажности почвы и экстремальных температур суши на континентальном и региональном масштабах. Мы использовали массив почвенной влаги (ПВ) за 1980-2017 гг. GLEAM (Global Land Evaporation Amsterdam Model) (версия v3.0a). Для изучения пространственно-временной структуры межгодовой изменчивости ПВ в Европейской России мы провели ЭОФ анализ среднемесячных значения ПВ отдельно для каждого летнего месяца (т. е. июнь, июль, август) за период с 1980 по 2017 год. Затем были рассчитаны корреляции между главными компонентами почвенной влаги и соответствующими месячными полями атмосферного давления, температуры, осадков и локального испарения. Показано, что циклонические / антициклонические (т. е. отрицательные / положительные) аномалии давления связаны с ростом / уменьшением почвенной влаги Европе. Были также исследованы соотношения между ведущими модами изменчивости ПВ и полями испарения в европейской части России в течение летнего сезона и рассмотрена взаимосвязь между запаздыванием и опережающими модами EOF почвенной влаги и региональным испарением. Это позволило установить механизмы формирования аномалий ПВ за счет осадков и испарения, а также динамики атмосферного влагопереноса. В рамках исследования атмосферного переноса влаги и его связи с циклонической активностью, а также исследования роли атмосферных рек в динамике экстремальных влагопереносов был развит и адаптирован к исследуемому району метод расчета атмосферных переносов влаги, разработанный нами ранее. После адаптации алгоритма нами было проведено тестирование результатов расчетов по данным реанализов, а также высокоразрешающего массива, полученного в ИО РАН в рамках большого проекта NAAD (North Atlantic Atmospheric Downscaling) по данным высотных зондирований атмосферы над территорией Европы. После тестирования расчеты по данным реанализов были выполнены для всего Европейского континента за период 1979-2018 гг. и на их основании было проведено сравнение переносов влаги в различных реанализах, а также проанализирована межгодовая и сезонная динамика влагопереносов. Была установлена связь влагопереносов с источниками влаги в Северной Атлантике и Средиземном море, а также начаты работы по установлению такой связи для Черного моря и Балтики. Блок работ, направленный на моделирование характеристик гидрологического цикла в ансамбле исторических экспериментов EURO-CORDEX и CMIP5 включал анализ данных ансамбля EURO-CORDEX с шагом сетки по горизонтали 0,44° и 0,11°, которые были объединены с моделью TSMP, предоставленной немецкими коллегами из Исследовательского Центра Юлиха. Имплементация TSMP в модели EURO-CORDEX обнаружила существенные различия в результатах экспериментов при различных конфигурациях блока представления грунтовых вод. Проведенные эксперименты позволили сформулировать оптимальную конфигурацию, которая далее будет использоваться в проекте для более высокоразрешающих экспериментов, а также подвергаться валидации. На основе выполненных экспериментов была проведена также дискриминация ансамбля EURO-CORDEX. В частности, были классифицированы модели по их возможности адекватно воспроизводить характеристики гидрологического цикла и экстремальные события. Из 18 членов ансамбля EURO-CORDEX было выделено 6 конфигураций, которые характеризуются наименьшими неопределенностями в части воспроизведения экстремальных осадков, продолжительности влажных периодов и влажности почвы. В исторических экспериментах CMIP5 и EURO-CORDEX были исследованы несколько параметров, в первую очередь осадки, продолжительность влажных периодов, температура и вклад осадков твердой фазы (водного эквивалента снега, SWE) в динамику гидрологического цикла. Для анализа данных в исторических экспериментах с моделями CMIP5 мы использовали два реанализа (NOAA 20-го века, 20CR и NCEP/CFSR), а также массив спутниковых данных Университета Рутгерса и массив данных, объединенный из спутниковых наблюдений, известный как CanSISE. Результаты показали общее завышение SWE практически по всем моделям CMIP5 по сравнению с ансамблевым продуктом CanSISE с разницей в диапазоне от 40 до 120 кг/м2 на большей части Северной Евразии. Анализ разностей модельных экспериментов с данными массива CanSISE показал, что характер различий может быть представлен как систематическими завышениями или систематическими занижениями величин SWE в моделях, так и диполем с завышениями в восточной Евразии и занижениями в западной. Кроме того, был проведен анализ динамики воспроизведения характеристик осадков в сценарных экспериментах по воспроизведению климата 21-го столетия в ансамбле EURO-CORDEX. Динамика экстремальных характеристик гидрологического цикла была сопоставлена с изменчивостью влагопереносов и циклонической активностью. Сверх заявленного плана в течение 2019 года в рамках проекта был проведен анализ динамики стока рек на Кавказском побережье Черного моря. Этот блок работ важен, поскольку это один из районов, для которого планируется выполнение высокоразрешающих экспериментов с моделью TSMP в 2020 году. Для идентификации плюмов использовались карты распределения поверхностной концентрации взвеси, полученные из данных спутникового сканера цвета MERIS-EnviSat в результате их обработки алгоритмом MERIS Case-2 Regional. Данные работы позволили уже в этом году начать формировать долговременный массив спутниковых изображений, которые будут в 2020 году проанализированы совместно с результатами высокоразрешающего моделирования гидрологического цикла для района Черноморского побережья Кавказа. По результатам работы в течение первых 17 месяцев опубликовано 3 статьи в журналах первого квартиля (Lockhoff et al. 2019, Zveryaev and Arkhipkin 2019, Zyulyaeva et al. 2019). Кроме того, опубликованы также 2 статьи в журналах, входящих в РИНЦ. Кроме того, сданы в печать три статьи в журналах первого квартиля (Santolaria Otin and Zolina 2020, Gavrikov et al. 2020, Zolina et al. 2020). На 2 из них получены положительные отзывы с просьбой о доработке, одна все еще на рецензировании. В ближайшее время мы собираемся подать еще 2 статьи в журналы первого квартиля совместно с немецкими коллегами, они упоминаются в отчете.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Были проведены работы по конфигурированию гидрологической модели TSMP и ее объединением с WRF-ARM и EURO-CORDEX на боковых границах (в режиме спектрального наджинга) для всего Европейского континента с горизонтальным разрешением 11 км. Это позволило выполнить долговременные численные эксперименты с объединенной версией модели TSMP--WRF-ARM--EURO-CORDEX за период с 1979 по 2018 гг. и провести валидацию результатов, используя данные станционных и спутниковых измерений и результаты ансамбля EURO-CORDEX в режиме исторических экспериментов. Были проведены эксперименты по оптимизации характеристик спектрального приспособления к боковым граничным условиям (spectral nudging) и оптимальному выбору параметризаций. В значительной части эта работа основывалась на опыте NAAD (Gavrikov et al. 2020), однако ряд параметризаций, были дополнительно включены и изменены, в частности параметризации конвекции в условиях сложной орографии. Главная проблема заключалась в силе спектрального приспособления, количественно определяемой коэффициентом силы спектрального приспособления в уравнениях динамики. Эксперименты с объединенной моделью были выполнены на период с 1979 по 2018 гг. для всего европейского континента с разрешениями 44 км, 22 км и 11 км, что позволило получить долгопериодные временные ряды всех параметров гидрологического цикла над Европой. Валидация результатов проводилась по нескольким независимым источникам данных. Во-первых, это данные аэрологических зондирований IGRA, использованные для валидации расчетов переносов влаги. Еще одним методом валидации стал совместный анализ массы ледников в центральной Европе с использованием влагопереноса и осадков в качестве независимой оценки изменений баланса массы. Еще одним важным направлением работ в период 2020 года была разработка улучшенных климатических проекций характеристик гидрологического цикла и его экстремальных проявлений. В рамках этого блока был выполнен анализ атмосферных источников влаги и ее динамики в модельных экспериментах при различных сценариях на основе CMIP6 и EURO-CORDEX, включая атмосферные переносы и роль циклонической активности, и анализ динамики экстремальных характеристик осадков, водного эквивалента снега, поверхностного стока, влажности почвы и грунтовых вод на середину и конец 21-го столетия в модельных экспериментах. Следующим важным блоком было проведение экспериментов с высокоразрешающей версией модели TSMP-WRF-ARM для отдельных регионов и отдельных экстремальных событий с целью выявления локальных механизмов, ответственных за формирование экстремально сильных осадков и наводнений, а также засух. Мы провели эксперименты для северных областей в области сильного стока реки Оби и Енисея, территории Европы, где исследовались засухи, а также (с использованием ансамбля CMIP6). Нами также был проанализирован аномально теплый период на территории Сибири в первой половине 2020 года, имевший место с января по июнь, который стал самым теплым за всю историю метеонаблюдений. Например, 20 июня 2020 г. на метеостанции в Верхоянске была измерена рекордная температура для районов, расположенных севернее Полярного круга, 38°C. С использованием данных и моделей анализировалась роль антропогенного изменения климата в возникновении аномальной жары в Сибири. Для того, чтобы связать наблюдаемые изменения с антропогенными сигналами, был использован большой набор глобальных климатических моделей, который включает в себя ансамблевые симуляции с высоким пространственным разрешением, выполненные специально для анализа подобных событий. В ходе работ создана конфигурация модельной системы TSMP для различных масштабов (континентального, регионального и локального), адаптированная для воспроизведения экстремальных гидрометеорологических событий. Данная конфигурация апробирована для нескольких регионов, включая районы наводнений и засух в Европе и на территории России. Было показано, что модель воспроизводит последовательность теплых / холодных и влажных / засушливых сезонов в региональном масштабе для различных регионов по сравнению с одним из обычно используемых базовых наборов данных для температуры и осадков с координатной сеткой 0,25 градуса (E-OBS v19, ECA&D). Показано, что накопление воды в столбе, моделируемое TSMP, хорошо согласуется с данными GRACE для двух районах в Германии и южной России. Была также продемонстрирована способность модели воспроизводить водные запасы и глубину водного зеркала, в том числе при экстремальных событиях европейской аномальной жары 2003 и избыточного увлажнения на юге России в 2008 г. При анализе модельных воспроизведений аномальных величин июньских значений максимальной температуры в Верхоянске показано, что модельное воспроизведение аналогичных высоких температур не может быть выполнено на основании модельных реализаций без внешнего воздействия (антропогенного фактора) и обнаруженный возвратный период в 140 лет может быть уменьшен только в сценарных модельных экспериментах.