научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЧЕТА ВЫСЫХАНИЯ КРУПНЫХ ОЗЕР НА ТОЧНОСТЬ ЧИСЛЕННОГО ОПИСАНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ (НА ПРИМЕРЕ АРАЛЬСКОГО МОРЯ) Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЧЕТА ВЫСЫХАНИЯ КРУПНЫХ ОЗЕР НА ТОЧНОСТЬ ЧИСЛЕННОГО ОПИСАНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ (НА ПРИМЕРЕ АРАЛЬСКОГО МОРЯ)»

УДК 551.509.313:551.588.1(262.54)

Исследование влияния учета высыхания крупных озер на точность численного описания метеорологических полей (на примере Аральского моря)

К. Г. Рубинштейн*, M. М. Смирнова*, В. И. Бычкова*, С. В. Емелина*, Р. Ю. Игнатов*, В. М. Хан*, В. А. Тищенко*, E. Роже**

Описано влияние высыхания Аральского моря на локальный климат и его учета — на численный прогноз в регионе. Приведен анализ двух серий численных экспериментов с использованием модели ШКЕ-АКШ (численный прогноз и исследование погоды) с пространственным разрешением 5 км и 28 а-поверх-ностями по вертикали до поверхности 50 гПа для района Аральского моря. В первой серии прогнозов для января и июля 2009 г. использованы характеристики подстилающей поверхности из базы данных MODIS. В них маска поверхности воды соответствует конфигурации Аральского моря 1970-х годов. В другой серии характеристики подстилающей поверхности акватории Аральского моря заменены на соответствующие характеристики окружающей суши. Для изучения влияния изменения свойств поверхности проанализированы температура воздуха, влажность, облачность, осадки, ветер. Показано, что задание в модели условий отсутствия Аральского моря приводит к значительному увеличению континентальности регионального климата и улучшению оценок прогноза. Высказано предположение, что в связи с изменением климата регулярное, не реже раза в 3—5 лет, обновление глобальных баз данных с описанием свойств подстилающей поверхности может приводить к заметному улучшению качества численных прогнозов и моделирования изменений климата.

1. Введение

Развитие гидродинамического моделирования атмосферных процессов и климата привело к созданию и развитию глобальных баз данных с описанием свойств подстилающей поверхности. Эта информация используется в численных моделях при расчетах обмена теплом, влагой и количеством движения атмосферы с подстилающей поверхностью. На создание подобных баз потрачены заметные усилия больших международных коллективов, значительные ресурсы ЭВМ и достаточно длительное время. В наборах данных нового поколения информация о типах и свойствах подстилающей поверхности получена в основном по спутниковой информации. Базы отличаются по своему пространственному разрешению и по числу типов растительности и ландшафтов.

В связи с изменением климата и вследствие активной хозяйственной деятельности на карте мира значительно изменяются ландшафты и типы подстилающей поверхности. Например, активно исчезают леса и появляются новые,

* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: k.g.rubin@gmail.com.

** Университет г. Жерона, физический факультет, Испания.

высыхают крупнейшие озера. Еще в 1990-е годы были известны результаты численных экспериментов по моделям общей циркуляции атмосферы (ОЦА) с анализом влияния изменения площади лесов в районе Амазонки [12], в Средиземноморье [8] и Сибири [3]. Примером высыхания крупных озер является оз. Чад в Республике Чад в центральной части Африки. Оно почти исчезало в 1963 г., а потом отчасти восстанавливалось в 1972 (рис. 1а), а потом опять исчезло к 2008 г. (рис. 16). Другими примерами высыхания крупных озер могут служить исчезнувшие озера на северо-востоке Китая. Так, оз. Лобнор исчезло окончательно приблизительно к 1972 г. [15].

Самое большое в Центральной Азии море-озеро Аральское стремительно уменьшается в объеме [1]. По сравнению с началом 1970-х годов объем моря к настоящему времени сократился почти в 10 раз. На рис. 1в—д представлены спутниковые фотографии Арала в 1989, 2003 и 2010 гг. Можно видеть, что озеро с 1989 по 2006 г. стремительно уменьшалось в размерах и разделилось на Малый Арал на севере и Большой Арал на юге, который в настоящее время состоит из двух частей, соединенных глубоким каналом [16]. Изменение водного баланса Аральского моря в будущем для его частей оценивается по-разному [2]. В западном, более глубоководном, бассейне уровень воды продолжает мед-

с» б)

Рис. 1. Изменения со временем площади зеркала воды в оз. Чад (Африка): 1972 г. (а), 2008 г. (б), а также Аральского моря: 1989 г. (в), 2003 г. (г), 2010 г. (д).

ленно понижаться. Ожидается, что в скором времени наступит равновесное состояние остаточной части моря, при котором избыточное испарение будет компенсировано подземным стоком [6]. Мелководный и плоскодонный восточный бассейн претерпевает более значительные изменения [13]. В 2011 г. констатировалось его полное высыхание. Малый Арал при наличии дамбы и регулярно поступающего стока р. Сырдарья, возможно, вернется к условно-естественному состоянию примерно в 2020 г.

Имеются лишь две публикации [18, 19] c анализом влияния изменения Аральского моря на локальный климат, но анализ заканчивается 1995 г. Опубликованных результатов исследования влияния высыхания крупных озер на изменение локального климата за последние 15—20 лет с помощью климатических моделей или учета такого изменения свойств поверхности на численный прогноз погоды в регионе с помощью прогностической модели авторам не известно.

Несмотря на существенные колебания уровня озер, не все изменения отражены в глобальных базах данных, содержащих информацию о конфигурации водных объектов. Так, если высыхание оз. Лобнор во всех базах, а изменение поверхности оз. Чад в глобальных данных USGS и USGS Lakes описаны вполне адекватно, то в базах MODIS и MODIS Lakes уменьшение объема оз. Чад не учтено. Ни в одной из доступных баз данных подстилающей поверхности и почвы Аральское море-озеро не описано в соответствии с современными очертаниями. Пространственное разрешение не является определяющим фактором, базы данных с разрешением 900 м имеют похожие очертания с маской разрешения 5 км.

Основными целями данной работы являются исследование потенциального влияния высыхания Аральского моря на локальный климат; изучение влияния неправильного (не соответствующего действительности) описания конфигурации Аральского моря на качество численного прогноза температуры, осадков, влажности, облачности и ветра над Приаральем.

Авторам не известны публикации с исследованием влияния изменения акватории Аральского моря на характеристики региональной атмосферной циркуляции и их учета — на качество численного прогноза в Центральной Азии. Есть несколько публикаций, в которых представлены оценки изменений регионального климата в бассейне Аральского моря на основе анализа эмпирических наблюдений, причем эти оценки несколько отличаются друг от друга. В работе [4] сделан вывод о том, что среднемесячная приземная температура в летний сезон повысилась почти на 6°C. По оценкам, приведенным в монографии [5], аномалия температуры, связанная с высыханием моря, составляет от 1,0 до 1,5°C. В работах [18—20] показано, что средняя, максимальная и минимальная приземная температура воздуха в окрестностях моря претерпела изменения до 6°С за период после 1960-х годов. По данным работы [11], характер длиннопериодной изменчивости температуры воздуха в районе исследования схож со структурой фоновой крупномасштабной изменчивости в Средней Азии в целом. Наиболее значительные климатические изменения отмечались в юго-западной части района.

В основе исследования данной работы стоит сравнение результатов двух численных экспериментов с региональной негидростатической моделью WRF-ARW. В одном из них Арал задан в соответствии с маской 1970-х годов, этот эксперимент в дальнейшем обозначен как "море" (рис. 2а). Во втором эксперименте Аральское море полностью отсутствует (рис. 2б) (эксперимент "суша"). 26

а) б)

58 60 62° в. д. 58 60 62° в. д.

58 60 62° в. д. 58 60 62° в. д.

Рис. 2. Карты типов поверхности в двух экспериментах "море" (а) и "суша" (б), разность между среднемесячными прогностическими значениями температуры воздуха на высоте 2 м в двух экспериментах ("суша" - "море") в январе (в) и в июле (г).

Типы поверхности на рисунках а и б: 1 — водоемы; 2 — редкая растительность; 3 — пахотные земли; 4 — саванны; 5 — переходный тип; 6 — кустарники.

Рабочей гипотезой в данном исследовании было предположение о том, что если изменить характеристики поверхности Аральского моря на сушу, качество прогноза погоды в северной и западной частях Арала, где вода в реальности еще есть, станет хуже, а на юге и востоке области (сейчас нет воды, но в модели поверхность описывается как вода) качество прогноза станет заметно лучше.

Как будет видно из анализа проведенных экспериментов, гипотеза авторов подтвердилась лишь отчасти.

2. Описание версии модели и использованных данных

Две серии численных прогнозов ("море" и "суша") проведены с помощью модели WRF-ARW (численный прогноз и исследование погоды) версии 3.3.1 [17] с горизонтальным шагом 5 км и 28 а-поверхностями по вертикали до 50 гПа. В качестве исходных данных использованы поля Final ANALYSIS (США) с горизонтальным разрешением около 100 км (http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2Z). Как показали специально проведенные расчеты, такой переход почти не влияет на точность расчета приземных метеорологических величин, использование вложенных сеток с постепенным уменьшением пространственного разрешения необходимо в случаях развития сложных мезомасштабных процессов, которых не наблюдалось в рассматриваемые периоды времени.

Для описания подстилающей поверхности рассматриваемой территории (42,5—47,5° с. ш., 57—63° в. д.) использована база данных о подстилающей поверхности MODIS с разрешением 30" (рис. 2). В первой серии прогнозов "море" конфигурация Аральского моря сохранена (рис. 2а) и полностью соответствует базе данных MODIS. Во второй серии под названием "суша" водная поверхность заменена на сушу со свойствами поверхности, примыкающей к морю, в категории "Редкая растительность" (рис. 2б). Все остальные типы поверхностей и параметры постановки численных экспериментов в двух сериях прогнозов идентичны.

В обеих сериях экспериментов не используется параметризация конвекции, так как из-за высокого горизонтального разрешения конвекция рассчитывается явно. Использовались параметризации процессов излучения по работе [14], планетарного пограничного сл

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком