ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 4, с. 464-471
УДК 551.521:551.510.42
РОЛЬ ВЕСЕННЕЙ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ В ФОРМИРОВАНИИ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ЗАСУХ ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ РАВНИНЫ
2002 И 2010 гг. © 2015 г. А. В. Кислов*, М. И. Варенцов*, Л. Л. Тарасова*, **
*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991 Москва, Ленинские горы, 1 **Гидрометцентр России 123242 Москва, Большой Предтеченский пер., д. 11-13 E-mail: avkislov@mail.ru Поступила в редакцию 16.05.2014 г., после доработки 03.06.2014 г.
На модели COSMO-CLM (региональной негидростатической модели атмосферы, предназначенной для климатических экспериментов) выполнено моделирование летних аномалий метеорологического режима 2010 и 2002 гг. над центральной частью Восточно-Европейской равнины (ВЕР). Показано, что блок моделирования почвенной влаги демонстрирует надежные результаты, а в радиационном блоке модели необходимо учитывать оптические свойства мглы, созданной дымами пожаров лесов и торфяников. Показано, что влагосодержание почвы, сформировавшееся весной, способно, в силу инерционности поведения, посредством изменения структуры теплового баланса участвовать на протяжении 3—4 месяцев в формировании температурно-влажностных аномалий. Наблюдавшаяся экстремальность термического режима лета 2010 г. в центральной части ВЕР определялась (при прочих равных условиях) удельными значениями влагосодержания почвы w0 = 0.6— 0.65. Обнаруженная тонкая зависимость явления от весеннего состояния влажности почвы ставит актуальной задачей совершенствование мониторинга почвенной влаги как важного фактора развития экстремальной погодной аномалии.
Ключевые слова: засуха 2010, COSMO-CLM, моделирование климата, влажность почвы, катастрофическая аномалия.
Б01: 10.7868/80002351515020066
1. ВВЕДЕНИЕ
Летом 2010 г. в центральной части ВосточноЕвропейской равнины (ВЕР) наблюдалась катастрофическая жара в сочетании с засухой, природными пожарами и существенным снижением качества воздуха. Отклонение температуры от нормы за июнь—август превысило 4°С. Непосредственной причиной явилось развитие блокирующего антициклона, который установился над центральными областями ВЕР в третьей декаде июня, и существовал до средины августа [1, 2, 3]. Его стабильность поддерживалась "подпиткой" ядрами высокого давления [4].
В ряде работ [5, 6] отмечается, что процесс блокирования в данном регионе Северного полушария есть достаточно типичная закономерность. Механизм блокирования, рассмотренный с точки зрения стационирования волн Россби и связей волн тепла с состоянием термического режима Атлантического океана, представлен в работе [7].
Установлена генетическая связь двух катастрофических явлений 2010 г: блокирующей ситуации над ВЕР и катастрофических осадков над Пакистаном [8].
Атмосферное блокирование является необходимым, но недостаточным условием формирования засухи и аномальной жары. В работе [9] обращено внимание на предшествовавшее развитию аномалии состояние влажности почвы. В работе [10] показано, что частота засух (при прочих равных условиях) выше в тех регионах, где в летние месяцы типичны средние значения влагосодержа-ния почвы. Здесь достаточно небольшого уменьшения влагосодержания, чтобы на длительное время испарение уменьшилось и выросла доля радиационного баланса, идущего на повышение температуры. Однако по результатам [11] для формирования устойчивой жары (в частности, и события 2010 г.) оказалось важнее, когда область с аномально низкой влажностью почвы располагается "выше по
течению", т.е. когда на территорию приходит воздух уже аномально теплый и сухой.
Сравнивая ситуацию 2010 г. с некоторыми другими примерами длительных блокирующих режимов (1972 и 2002 гг.), также приводивших к засухам и природным пожарам на ВЕР, можно заметить, что аномалия 2010 г. была наиболее мощной. В работе [12] обращено внимание на то, что в этом повинны, в частности, фоновые условия, а именно то, что по сравнению с началом 70-х годов температура в центре европейской территории России выросла приблизительно на 1°С.
Целью настоящей работы является дальнейшее уточнение механизма формирования экстремального события 2010 г.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА
ЦЕНТРАЛЬНОГО РАЙОНА ВЕР В РАМКАХ МОДЕЛИ COSMO-CLM
Для изучения особенностей метеорологического режима в периоды экстремальной жары была проведена серия численных экспериментов с кли-магической моделью COSMO-CLM. Эта модель развивается группой разработчиков (CLM Community, http://www.clm-community.eu/) во главе с немецкой службой погоды (Deutsche Wetterdienst) и представляет собой региональную негидростатическую модель атмосферы, предназначенную для климатических экспериментов.
Они выполнялись для периода продолжительностью 4 месяца (с 1 мая по 31 августа) для 2002 и 2010 гг. Чтобы исключить ошибки, связанные с "подстройкой" модели под начальные условия, первый месяц интегрирования не анализировался. Выбор 1 мая в качестве стартовой точки обусловлен тем, что в это время в пределах ВЕР снег уже растаял, а влага, освободившаяся при снеготаянии, большей частью еще остается в почве. Для воспроизведения метеорологических процессов использовалась модельная область размером 3200 х 3200 км с центром в районе Валдайской возвышенности (простирающаяся от центральной Европы до Западной Сибири по широте и от Новой Земли до Малой Азии в долготном направлении), с горизонтальным разрешением 16 х 16 км. С учетом равнинного характера территории, масштаба циркуляционных процессов и отсутствия в 2002 и 2010 гг. значительных осадков такое разрешение (существенно экономящее затраты машинного времени) можно считать приемлемым: это подтверждается тем, что полученные результаты не существенно отличаются от результатов "контрольных" экспериментов с более высоким разрешением (2.8 х 2.8 и 1.1 х 1.1 км).
В качестве начальных и граничных условий для модели использовались данные реанализа ERA-Interim [13]. Временное разрешение данных реана-лиза, использовавшихся для задания граничных условий, составляло 6 часов.
Все модельные эксперименты (см. ниже) проводились с использованием вычислительного кластера "Ломоносов" суперкомпьютерного комплекса МГУ имени М.В. Ломоносова. Эксперименты запускались в режиме параллельных вычислений, время счета одного эксперимента для территории с разрешением 16 х 16 км для 4-х месячного временного периода с использованием 64-х вычислительных ядер (512 процессоров) составляло около восьми часов. Эксперименты с более высоким разрешением для московского региона требовали в несколько раз больше вычислительных ресурсов, однако они показали незначительные отличия от результатов базового эксперимента с разрешением 16 х 16 км.
Для оценки качества моделирования проведено сравнение с данным наблюдений на метеорологических станциях московского региона, в которые интерполировались результаты моделирования. Станции, расположенные непосредственно в Москве, в анализе не использовались, так как микроклимат города очень специфичен, и его моделирование представляет собой отдельную проблему.
Отметим, что если просто сравнить с наблюдениями данные реанализа, то, как оказалось, метеорологические условия лета 2002 и 2010 гг. восстанавливаются успешно. Так, средняя ошибка для температуры воздуха на 2 м (AT = Тмодель - Ттаблюдения) для периода с июня по август 2002 и 2010 гг. для этих станций составила от -0.5 до 0.7°С, а среднеквадратичная ошибка — от 1 до 1.7°С.
В модели COSMO-CLM воспроизведение температурного и гидрологического режима почвы (особенно интересующее нас в данной работе) осуществляется в модуле TERRA-ML. В рамках данного исследования использовано девять уровней почвы, охватывающих верхний слой толщиной в 11 м и имеющих толщину от 2 см вблизи поверхности до 5.8 м вблизи нижней границы. Через верхнюю границу осуществляется обмен теплом и влагой с атмосферой, а внутри деятельного слоя учитывается гравитационное оседание влаги через нижнюю границу деятельного слоя и почвенный сток.
В ходе проведения экспериментов было установлено, что результирующее поведение метеорологического режима зависит от того, каким задается начальная влажность почвы. Поэтому были проведены эксперименты для начальных значений удельной влажности почвы w0, равных 0.5, 0.6, 0.65, 0.7 и 0.75 (w0 = W/W, где W0 — стартовое вла-госодержание почвы, а W — объем порового про-
1030 * 1025
Ç 1020
1015 1010
о
и
8 1005
ч m ce
1000 995 990
U
6
Наблюде ния ---Модель, wq = 0.65
7 8
Месяц
......Модель, Wq = 0.50_____Модель, w0 = 0.60
■ - Модель, w0 = 0.70--Модель, w0 = 0.75
45 40 а 35 £ 30
CS
& 25
I 20
15 10
(а)
е
H
Месяц
Наблюдения Модель, W0 = 0.50
Модель, W0 = 0.65 Модель, W0 = 0.70
Модель, W0 = 0.60 Модель, W0 = 0.75
Рис. 1. Ход атмосферного давления (июнь—август 2010 г.) в Наро-Фоминске по данным наблюдений и результатам моделирования с разными заданными начальными значениями влажности почвы.
странства почв), которые задавались для всего почвенного профиля и для всей модельной области.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
ЛЕТНИХ УСЛОВИЙ 2010 г.: ДАВЛЕНИЕ, ТЕМПЕРАТУРА И ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА
На рис. 1 показан ход атмосферного давления. Видно, что модель хорошо воспроизводит все локальные экстремумы. Это неудивительно, поскольку информация о реальном поведении метеорологических полей (в том числе и давления) содержится в данных реанализа, использованного в качестве текущих граничных условий при интегрировании модели. Отличия от фактического хода наблюдаются только во второй декаде июля — причины такого поведения, проявившиеся и в других полях, неясны.
Общие закономерности хода дневных температур (рис. 2а) воспроизведены верно (опять же как реакция на правильные граничные условия), однако ход температуры зависит от заданного начального значения w0. Его влияние проявляется через различия структуры теплового баланса, а именно из-за различий доли радиационного тепла, затрачиваемого на испарение (Е). Причем в середине июня эти различия затушевываются выпадавшими в это время небольшими осадками, в результате чего верхни
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.