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.