СОВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ В АЗИАТСКОЙ ЧАСТИ АРКТИЧЕСКОГО СЕКТОРА РОССИИ
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Современные изменения климата и особенности грозовых процессов в Арктике 6
1.1 Проявление и тенденции глобального потепления в Арктическом регионе 6
1.2 Особенности грозовой активности в высоких северных широтах 8
1.3 Современные методы и средства изучения гроз в Арктике 10
2 Материалы и методика работы 14
2.1 Определение и описание территории исследования 14
2.2 Расчет пороговых значений индекса неустойчивости атмосферы Total Totals на
станциях азиатской части Арктического сектора РФ 19
2.3 Оценка соответствия значений индекса неустойчивости Total Totals, полученных по
данным реанализа ERA5 и аэрологического зондирования 22
3 Анализ современных изменений грозовой активности в азиатской части Российской
Арктики 28
3.1 Пороговые значения индекса неустойчивости атмосферы Total Totals 28
3.2 Верификация значений индекса Total Totals, полученных по данным реанализа
ERA5, с результатами аэрологического зондирования 37
4 Синоптические особенности возникновения грозовых явлений в азиатской части
Арктического сектора России 44
4.1 Конвективный шторм вблизи Северного полюса 01.07.2020 г. (арх. Северная Земля,
«Ледовая база «Мыс Баранова») 44
4.2 Гроза на станции о. Диксон 15.08.2020 г 49
4.3 Гроза на станции Тикси 02.07.2021 г 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 63
ПРИЛОЖЕНИЕ А 68
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 69
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Современные изменения климата и особенности грозовых процессов в Арктике 6
1.1 Проявление и тенденции глобального потепления в Арктическом регионе 6
1.2 Особенности грозовой активности в высоких северных широтах 8
1.3 Современные методы и средства изучения гроз в Арктике 10
2 Материалы и методика работы 14
2.1 Определение и описание территории исследования 14
2.2 Расчет пороговых значений индекса неустойчивости атмосферы Total Totals на
станциях азиатской части Арктического сектора РФ 19
2.3 Оценка соответствия значений индекса неустойчивости Total Totals, полученных по
данным реанализа ERA5 и аэрологического зондирования 22
3 Анализ современных изменений грозовой активности в азиатской части Российской
Арктики 28
3.1 Пороговые значения индекса неустойчивости атмосферы Total Totals 28
3.2 Верификация значений индекса Total Totals, полученных по данным реанализа
ERA5, с результатами аэрологического зондирования 37
4 Синоптические особенности возникновения грозовых явлений в азиатской части
Арктического сектора России 44
4.1 Конвективный шторм вблизи Северного полюса 01.07.2020 г. (арх. Северная Земля,
«Ледовая база «Мыс Баранова») 44
4.2 Гроза на станции о. Диксон 15.08.2020 г 49
4.3 Гроза на станции Тикси 02.07.2021 г 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 63
ПРИЛОЖЕНИЕ А 68
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 69
Глобальные климатические изменения, активно обсуждаемые в последние десятилетия как в научном сообществе, так и среди обывателей, способны кардинально поменять привычный уклад жизни человечества в обозримом будущем. Северные регионы, в числе которых Арктика, наиболее уязвимы в этом плане: здесь наблюдаются устойчивая тенденция роста температур воздуха, значительное сокращение площади морских льдов, а также изменения в атмосферной циркуляции. Важным маркером глобального потепления в высоких северных широтах является участившееся число опасных конвективных явлений, к которым относятся грозы.
Данные Всемирной сети определения местоположения молний (WWLLN) показывают, что количество молний в Арктике (выше 65° с.ш.) утроилось за последние десять лет [49]. Ежегодный отчет Vaisala [60] подтверждает возросшую грозовую активность в высоких северных широтах; в отчете также упоминается о самой северной грозе из когда-либо зафиксированных на данный момент, произошедшей в 2019 году всего в 52 км от Северного полюса.
По оценкам ученых из разных стран [4, 56], экстремальность климата на севере будет только возрастать, и, возможно, арктические грозы в скором времени станут обычным летним явлением.
К сожалению, на сегодняшний день Россия не располагает достаточным количеством метеорологической информации об Арктическом секторе из-за малого числа наблюдательных станций, особенно в азиатской его части, что осложняет изучение атмосферы региона в условиях меняющегося климата. Однако игнорировать возросшую повторяемость грозовых явлений научное сообщество не в праве.
Всестороннее изучение климатических особенностей в Российской Арктике является одной из приоритетных задач, обозначенных в Указе Президента Российской Федерации «О стратегии развития Арктической зоны РФ и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года», в связи с чем настоящее исследование представляется крайне актуальным и востребованным как в научном, так и в прикладном аспектах.
Целью магистерской диссертации является оценка конвективного потенциала азиатской части Арктической зоны Российской Федерации.
В качестве объекта исследования выступает слой атмосферы до 6 км над Арктическим сектором России. Предметом является индекс неустойчивости атмосферы — Total Totals.
Опираясь на поставленную в работе цель, формируются следующие задачи исследования:
1. Сформировать два массива данных за период с 2015 по 2024 гг. (май— сентябрь) на станциях азиатской части Арктического сектора России: первый — для определения пороговых значений индекса неустойчивости Total Totals в дни с грозами и второй — для верификации данных реанализа ERA5 с данными высотных аэрологических наблюдений;
2. Определить пороговые значения индекса неустойчивости атмосферы Total Totals на станциях азиатской части Российской Арктики;
3. Проанализировать полученные результаты и сравнить с пороговыми значениями для разных регионов Арктики и Субарктики;
4. Провести оценку соответствия значений индекса неустойчивости Total Totals за 2015—2024 гг. (май—сентябрь), полученных по данным реанализа ERA5 и аэрологического зондирования;
5. Подробно рассмотреть отдельные грозовые дни на некоторых станциях Российской Арктики с использованием синоптической информации и результатов спутникового зондирования.
Материалами исследования являются два массива данных за теплый период с мая по сентябрь 2015—2024 гг. на станциях азиатской части Арктического сектора России: первый необходим для определения пороговых значений индекса неустойчивости Total Totals в дни с грозами и формируется по атмосферным явлениям, передаваемым метеостанциями, и результатам аэрологического зондирования; второй нужен для верификации данных реанализа ERA5 с данными аэрологических наблюдений.
При выполнении научной работы используются следующие методы: определение и описание территории исследования, формирование базы данных, методы описательной статистики, определение пороговых значений индекса неустойчивости, анализ результатов и их сравнительная оценка с другими регионами, верификация значений индекса неустойчивости по данным реанализа ERA5 с результатами аэрологического зондирования, анализ синоптической ситуации в дни с грозами на станциях Российской Арктики («кейс- стади» (case study)).
В рамках написания магистерской диссертации будут получены следующие результаты: пороговая шкала значений индекса неустойчивости Total Totals для азиатской части Российской Арктики; сравнительная оценка пороговых значений Total Totals для Арктического сектора РФ и других регионов Арктики и Субарктики; вывод о применимости продукта «Total Totals» реанализа ERA5 для установления факта наличия гроз и их локализации в Арктике; синоптические условия, характерные для грозовых событий в высоких северных широтах.
Все это позволит улучшить методики прогноза конвективных явлений в Заполярье и усовершенствовать глобальные и региональные климатические модели, а также может быть применено на практике в различных отраслях экономики севера.
Данные Всемирной сети определения местоположения молний (WWLLN) показывают, что количество молний в Арктике (выше 65° с.ш.) утроилось за последние десять лет [49]. Ежегодный отчет Vaisala [60] подтверждает возросшую грозовую активность в высоких северных широтах; в отчете также упоминается о самой северной грозе из когда-либо зафиксированных на данный момент, произошедшей в 2019 году всего в 52 км от Северного полюса.
По оценкам ученых из разных стран [4, 56], экстремальность климата на севере будет только возрастать, и, возможно, арктические грозы в скором времени станут обычным летним явлением.
К сожалению, на сегодняшний день Россия не располагает достаточным количеством метеорологической информации об Арктическом секторе из-за малого числа наблюдательных станций, особенно в азиатской его части, что осложняет изучение атмосферы региона в условиях меняющегося климата. Однако игнорировать возросшую повторяемость грозовых явлений научное сообщество не в праве.
Всестороннее изучение климатических особенностей в Российской Арктике является одной из приоритетных задач, обозначенных в Указе Президента Российской Федерации «О стратегии развития Арктической зоны РФ и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года», в связи с чем настоящее исследование представляется крайне актуальным и востребованным как в научном, так и в прикладном аспектах.
Целью магистерской диссертации является оценка конвективного потенциала азиатской части Арктической зоны Российской Федерации.
В качестве объекта исследования выступает слой атмосферы до 6 км над Арктическим сектором России. Предметом является индекс неустойчивости атмосферы — Total Totals.
Опираясь на поставленную в работе цель, формируются следующие задачи исследования:
1. Сформировать два массива данных за период с 2015 по 2024 гг. (май— сентябрь) на станциях азиатской части Арктического сектора России: первый — для определения пороговых значений индекса неустойчивости Total Totals в дни с грозами и второй — для верификации данных реанализа ERA5 с данными высотных аэрологических наблюдений;
2. Определить пороговые значения индекса неустойчивости атмосферы Total Totals на станциях азиатской части Российской Арктики;
3. Проанализировать полученные результаты и сравнить с пороговыми значениями для разных регионов Арктики и Субарктики;
4. Провести оценку соответствия значений индекса неустойчивости Total Totals за 2015—2024 гг. (май—сентябрь), полученных по данным реанализа ERA5 и аэрологического зондирования;
5. Подробно рассмотреть отдельные грозовые дни на некоторых станциях Российской Арктики с использованием синоптической информации и результатов спутникового зондирования.
Материалами исследования являются два массива данных за теплый период с мая по сентябрь 2015—2024 гг. на станциях азиатской части Арктического сектора России: первый необходим для определения пороговых значений индекса неустойчивости Total Totals в дни с грозами и формируется по атмосферным явлениям, передаваемым метеостанциями, и результатам аэрологического зондирования; второй нужен для верификации данных реанализа ERA5 с данными аэрологических наблюдений.
При выполнении научной работы используются следующие методы: определение и описание территории исследования, формирование базы данных, методы описательной статистики, определение пороговых значений индекса неустойчивости, анализ результатов и их сравнительная оценка с другими регионами, верификация значений индекса неустойчивости по данным реанализа ERA5 с результатами аэрологического зондирования, анализ синоптической ситуации в дни с грозами на станциях Российской Арктики («кейс- стади» (case study)).
В рамках написания магистерской диссертации будут получены следующие результаты: пороговая шкала значений индекса неустойчивости Total Totals для азиатской части Российской Арктики; сравнительная оценка пороговых значений Total Totals для Арктического сектора РФ и других регионов Арктики и Субарктики; вывод о применимости продукта «Total Totals» реанализа ERA5 для установления факта наличия гроз и их локализации в Арктике; синоптические условия, характерные для грозовых событий в высоких северных широтах.
Все это позволит улучшить методики прогноза конвективных явлений в Заполярье и усовершенствовать глобальные и региональные климатические модели, а также может быть применено на практике в различных отраслях экономики севера.
Учитывая стремительные климатические изменения и возрастающую частоту проявления опасных конвективных явлений в Арктическом секторе России, сегодня как никогда актуально комплексное исследование атмосферы высоких широт. Азиатская часть Российской Арктики до сих пор остается слабо изученным регионом ввиду ограниченного числа наблюдательных станций и сложных климато-географических условий. В этой связи повышение осведомленности о происходящих процессах в таком труднодоступном регионе, как Арктика, востребованно и перспективно.
В настоящем исследовании была произведена оценка конвективного потенциала азиатской части Арктической зоны Российской Федерации за теплый период с мая по сентябрь 2015—2024 гг. В ходе работы была подробно изучена теоретическая сторона вопроса, климатические и физико-географические особенности региона, отобраны действующие метеорологические и аэрологические станции, сформированы два массива данных — для расчета пороговых значений индекса неустойчивости Total Totals и для проведения процедуры верификации значений индекса, рассчитанных по данным реанализа ERA5 и аэрологического зондирования, определены пороговые значения Total Totals для азиатской части Российской Арктики, выполнено сравнение полученных порогов с данными для других регионов, произведена оценка соответствия значений индекса неустойчивости Total Totals, полученных по данным реанализа ERA5 и аэрологического зондирования, а также рассмотрены отдельные грозовые дни на некоторых станциях с использованием синоптической информации и результатов спутникового зондирования.
В результате представляется возможным сделать следующие основные выводы исследования:
- значения индекса неустойчивости атмосферы Total Totals в более поздний срок зондирования (12 ч ВСВ) выше, чем в срок 00 ч ВСВ;
- пороговые значения Total Totals также больше в срок 12 ч ВСВ, особенно для 90%-ой вероятности развития грозы;
- для образования гроз в Арктике атмосферная неустойчивость должна достигать высоких значений (Total Totals > 45 единиц), что хорошо согласуется с аналогичными оценками для севера Сибири;
- наиболее грозовой месяц для Арктики — июнь;
- межгодовая изменчивость грозовых дней значительна, однако за рассмотренное десятилетие самым грозовым годом можно считать 2020;
- значения индекса неустойчивости Total Totals, рассчитанные по данным аэрологических наблюдений и реанализа ERA5, существенно отличаются;
- прибрежные арктические станции демонстрируют наилучшее согласие в значениях индекса Total Totals с данными реанализа, а внутриконтинентальные — наоборот;
- реанализ ERA5 систематически занижает значения индекса и характеризуется значительными ошибками в расчетах, особенно в сложных климатических и географических условиях (ст. Тикси);
- применение реанализа ERA5 для реконструкции значений индекса неустойчивости Total Totals может быть отличным вспомогательным инструментом для установления факта гроз на слабозаселенных территориях Арктики, но требует предварительных оценок соответствия значений с натурными данными и учета климато-географических особенностей конкретной территории;
- грозы в высокоширотной Арктике, как правило, связаны с грозовыми фронтами, переместившимися из умеренных широт, а также с прохождением фронтов мезомасштабных арктических циклонов (теплые фронты и фронты окклюзии).
Таким образом, поставленные в работе цель и задачи были успешно реализованы. Полученные результаты расширяют представления о современной грозовой активности в азиатской части Российской Арктики и демонстрируют потенциал использования атмосферного реанализа ERA5 при условии его корректной верификации и учета ряда локальных особенностей территорий.
Настоящее исследование может служить основой для дальнейших научных работ в области метеорологии и климатологии высоких северных широт, особенно по анализу состояния пограничного слоя атмосферы, а также быть полезным в прикладных целях — в различных отраслях экономики регионов севера: энергетике, строительстве жилья и коммуникаций, топливной промышленности, транспортной отрасли (в особенности — для безопасного функционирования Северного морского пути), сельском хозяйстве.
Таким образом, настоящее исследование вносит важный вклад в науку и практику, открывая перспективы для дальнейших комплексных исследований атмосферы полярных широт в контексте глобальных климатических изменений.
В настоящем исследовании была произведена оценка конвективного потенциала азиатской части Арктической зоны Российской Федерации за теплый период с мая по сентябрь 2015—2024 гг. В ходе работы была подробно изучена теоретическая сторона вопроса, климатические и физико-географические особенности региона, отобраны действующие метеорологические и аэрологические станции, сформированы два массива данных — для расчета пороговых значений индекса неустойчивости Total Totals и для проведения процедуры верификации значений индекса, рассчитанных по данным реанализа ERA5 и аэрологического зондирования, определены пороговые значения Total Totals для азиатской части Российской Арктики, выполнено сравнение полученных порогов с данными для других регионов, произведена оценка соответствия значений индекса неустойчивости Total Totals, полученных по данным реанализа ERA5 и аэрологического зондирования, а также рассмотрены отдельные грозовые дни на некоторых станциях с использованием синоптической информации и результатов спутникового зондирования.
В результате представляется возможным сделать следующие основные выводы исследования:
- значения индекса неустойчивости атмосферы Total Totals в более поздний срок зондирования (12 ч ВСВ) выше, чем в срок 00 ч ВСВ;
- пороговые значения Total Totals также больше в срок 12 ч ВСВ, особенно для 90%-ой вероятности развития грозы;
- для образования гроз в Арктике атмосферная неустойчивость должна достигать высоких значений (Total Totals > 45 единиц), что хорошо согласуется с аналогичными оценками для севера Сибири;
- наиболее грозовой месяц для Арктики — июнь;
- межгодовая изменчивость грозовых дней значительна, однако за рассмотренное десятилетие самым грозовым годом можно считать 2020;
- значения индекса неустойчивости Total Totals, рассчитанные по данным аэрологических наблюдений и реанализа ERA5, существенно отличаются;
- прибрежные арктические станции демонстрируют наилучшее согласие в значениях индекса Total Totals с данными реанализа, а внутриконтинентальные — наоборот;
- реанализ ERA5 систематически занижает значения индекса и характеризуется значительными ошибками в расчетах, особенно в сложных климатических и географических условиях (ст. Тикси);
- применение реанализа ERA5 для реконструкции значений индекса неустойчивости Total Totals может быть отличным вспомогательным инструментом для установления факта гроз на слабозаселенных территориях Арктики, но требует предварительных оценок соответствия значений с натурными данными и учета климато-географических особенностей конкретной территории;
- грозы в высокоширотной Арктике, как правило, связаны с грозовыми фронтами, переместившимися из умеренных широт, а также с прохождением фронтов мезомасштабных арктических циклонов (теплые фронты и фронты окклюзии).
Таким образом, поставленные в работе цель и задачи были успешно реализованы. Полученные результаты расширяют представления о современной грозовой активности в азиатской части Российской Арктики и демонстрируют потенциал использования атмосферного реанализа ERA5 при условии его корректной верификации и учета ряда локальных особенностей территорий.
Настоящее исследование может служить основой для дальнейших научных работ в области метеорологии и климатологии высоких северных широт, особенно по анализу состояния пограничного слоя атмосферы, а также быть полезным в прикладных целях — в различных отраслях экономики регионов севера: энергетике, строительстве жилья и коммуникаций, топливной промышленности, транспортной отрасли (в особенности — для безопасного функционирования Северного морского пути), сельском хозяйстве.
Таким образом, настоящее исследование вносит важный вклад в науку и практику, открывая перспективы для дальнейших комплексных исследований атмосферы полярных широт в контексте глобальных климатических изменений.
