ИСТИНА

Арктика - наиболее чувствительный к изменениям климата регион на земном шаре, это касается как физических связей в климатической системе, так и экологических систем. Однако, географическое распределение происходящих климатических изменений в регионе неоднозначно, существуют различные оценки трендов тех или иных метеорологических параметров в разных акваториях и прибрежных зонах российской и зарубежной Арктики. С учётом растущего числа опасных явлений и перспектив по освоению арктического побережья и Северного морского пути, особую актуальность приобретает задача обеспечения региона детализированной гидрометеорологической и климатической информацией с горизонтальным разрешением по крайней мере в несколько километров. В качестве инструмента решения этой задачи целесообразным представляется использование регионального климатического моделирования. В результате длительных климатических экспериментов впервые будет получен комплексный архив гидрометеорологических величин на территории Арктики для текущих климатических условий с пространственным разрешением менее 5 км (региональный реанализ). Такая детализация гидрометеорологических полей в Арктике за длительный период времени (1980 - 2016 гг.) позволит получить новые, более подробные и обоснованные оценки происходящих региональных климатических изменений, а также экстремальных явлений погоды. Это предоставит широкие возможности для детальных климатических оценок арктического региона России, исследовательского анализа большого количества параметров климата последних десятилетий. В частности, данные могут применяться для экологических исследований и изысканий современных изменений природной среды, например, для задач строительства различных сооружений, объектов инфраструктуры на побережьях и морском шельфе, долгосрочного планирования морских операций, обеспечения безопасного судоходства по Северному морскому пути и многих других. Научно-исследовательская значимость регионального реанализа заключается возможности использования информации в качестве входных данных для моделирования характеристик океана (волнение и динамика ледового покрова), прибрежных экосистем (турбулентные потоки тепла, влаги, парниковых газов), экспериментов по более детальному изучению отдельных явлений на вложенных сетках (экстремальных ситуаций, опасных погодных явлений и др.), анализе трендов повторяемости экстремальных событий и особенностей их пространственного распределения, изучении гидрометеорологического режима прибрежных территорий, исследовании климатологии полярных мезоциклонов, их трекинга. Научная и прикладная значимость используемой методологии заключается также в дальнейшем её применении для даунскейлинга климатических проекций глобальных моделей международного проекта CMIP5 (или CMIP6) и, соответственно, для детализированных оценок изменений климата и окружающей среды в Арктике в XXI веке на региональном масштабе.

The Arctic is the region most sensitive to climate change on the globe, it concerns both physical feedbacks in the climate system and ecological systems. However, the spatial distribution of the climate changes in the region is ambiguous, there are various estimates of the trends of certain meteorological parameters in different water areas and coastal zones of the Russian and foreign Arctic regions. Taking into account the increasing number of dangerous phenomena and outlooks for the the Arctic coast and the Northern Sea Route development, the task of providing the region detailed hydrometeorological and climatic information with a horizontal resolution of at least several kilometers becomes particularly topical. As a tool for solving this task, it seems efficient to use regional climate modeling. As a result of long-term climate experiments, an integrated archive of hydrometeorological parameters will be obtained for the first time in the Arctic for current climatic conditions with a spatial resolution of less than 5 km (regional reanalysis). Such detailed hydrometeorological fields in the Arctic over a long period (1980 - 2016) will provide new, more thorough and justified estimates of the current regional climate changes, as well as extreme weather events. This will provide broad opportunities for detailed climate assessments of Russian Arctic region, a research analysis of a large number of climate parameters during recent decades. In particular, the data can be used for environmental studies and the modern environmental changes researches, e.g., for the construction of various buildings, infrastructure facilities on the coast and the sea shelf, long-term planning of maritime operations, safe navigation along the Northern Sea Route and many others. The scientific significance of regional reanalysis is the possibility of using information as inputs to modeling the ocean's characteristics (wind waves and dynamics), coastal ecosystems (turbulent heat and moisture fluxes, greenhouse gases), experiments on more detailed research of individual phenomena on nested domains (extreme situations, hazardous weather events, etc.), analysis of trends in the frequency of occurrence of extreme events and features of their spatial distribution, the hydrometeorological regime of coastal areas studies, climatology and tracking of polar mesocyclones, etc. The scientific and applied importance of the used methodology is also its further application for downscaling of the global CMIP5 (or CMIP6) project climate projections and for detailed assessments of climate and environmental changes in the Arctic in the 21st century on a regional scale, accordingly.

В результате выполнения работ за первый год Проекта будут получены результаты многочисленных модельных экспериментов продолжительностью до первых лет с использованием различных входных данных, параметров модели, в частности настройки “спектрального наджинга” и турбулентной диффузии в пограничном слое атмосферы. Отдельной большой работой будет проведение верификации всех экспериментов, т.е. сравнение модельных данных с большим количеством наблюдений и архивов, на основе которого будет выбрана оптимальная конфигурация модели, воспроизводящая реальное состояние атмосферы с наименьшими ошибками. После выбора конфигурации будут подготовлены полностью начальные данные, внешние параметры модели и осуществлен длительный эксперимент на базовом домене с разрешением ~15 км на весь предполагаемый период (1980 - 2016 гг.). Будут получены первые характеристики пространственного и временного распределения основных метеорологических параметров, сравнения с имеющимися данными наблюдений и реанализами и проведены первичные оценки качества модельного архива.

Авторы Проекта обладают обширным опытом использования региональной климатической модели COSMO-CLM, работая с различными её версиями на протяжении уже 4 лет, являются членами ведущего сообщества по развитию модели CLM-Community. В ходе работы с моделью авторы Проекта применяли её для широкого спектра задач: моделирование экстремальных скоростей ветра в Арктике [Platonov, Kislov, 2016; Кислов и др., 2015], исследование особенностей микроклимата городских агломераций [Варенцов и др., 2017] и арктических городов [Varentsov et al., 2017b], моделирование полярных мезоциклонов [Варенцов и др., 2016a], моделирование гидрометеорологических условий бассейна р. Селенги [Чалов и др., 2016], моделирование штормового волнения [Мысленков и др., 2015]. Отдельно необходимо отметить наличие у авторов положительного опыта работы по созданию детализированных региональных реанализов высокого разрешения для региона Охотского моря [Кислов и др., 2018; Platonov et al., 2017(abc)] и Московского региона с использованием специализированных параметризаций городской подстилающей поверхности [Варенцов и др., 2017; Platonov et al., 2017d]. Авторы Проекта принимали участие в разработке и реализации технологии моделирования с “вложенными сетками” и “спектральным наджингом” высокого разрешения для длительных климатических экспериментов. Исполнитель Проекта Варенцов М.И. принимал активное участие в разработке и развитии программного модуля городской параметризации TERRA-URB [Wouters et al., 2016], внедряемой в настоящее время в основной код модели COSMO-CLM, проводил большое количество экспериментов по отладке и оценке её качества [Varentsov et al., 2017a], тестированию воспроизведения микроклимата различных городов. Таким образом, авторы имеют достаточный опыт работы с моделью для выполнения запланированных работ по проекту.

Целью проекта являлось создание детализированного многолетнего архива гидрометеорологической информации для морей Российской Арктики методом гидродинамического моделирования с помощью региональной модели атмосферы COSMO-CLM. В ходе проекта решались задачи подбор оптимальной конфигурации модели, непосредственно проведения многолетних расчетов и анализа полученных данных. Расчеты проводились для области, включающей в себя Баренцево море, Карское море и море Лаптевых, с шагом сетки ≈13 км. Для определения оптимальной конфигурации модели была проведена серия тестовых численных экспериментов с различными настройкам модели. Такие тестовые эксперименты проводились для следующих периодов - август-сентябрь 2015 г., декабрь-январь 2012-2013 гг. Для валидации результатов использовались данные наблюдений более чем 400 метеорологических станций, попадающих в область моделирования. В результате, показано уменьшение модельных ошибок при переходе от использовавшейся в предыдущих исследованиях авторов версии модели 5.0 к новой версии 5.06 с переработанными параметризациями турбулентности, а также при использовании метода “спектрального наджинга”. Также показано, что при использовании начальных и граничных условий по данным реанализа ERA-Interim и более нового и детального реанализа ERA5 получаются схожие результаты, поэтому в окончательной конфигурации расчетов использован реанализ ERA-Interim. Для итоговых многолетних расчетов предложена схема “усвоения” данных о состоянии почвы из глобального реанализа ERA-Interim, чтобы избежать возможного накопления ошибок, в частности, за счёт иссушения почвы в модели. Предложенная методика моделирования использовалась в мировой практике для многолетних расчетов, направленных на создание архивов гидрометеорологических данных. Существенным препятствием для полноценной реализации расчётов на весь запланированный период стал дефицит вычислительных ресурсов. В результате, удалось провести расчеты для периодов 1980 - 1990 гг. и 2010 - 2016 гг. и получить для них набор данных для анализа, включающий в себя более сотни переменных общим объёмом более 58 Тб. В итоговом Отчёте представлен анализ одной из важнейших характеристик - скорости ветра. Предварительный анализ полученного архива метеорологических данных выявил его перспективность для исследования ветрового режима региона и оценки рисков возникновения опасных скоростей ветра. Показано, что климатология средней скорости ветра по данным расчетов COSMO-CLM в целом очень близка к реанализу ERA-Interim, при этом проявляется детализация распределения скорости ветра во многих регионах Арктики, не отражающаяся в глобальном реанализе. В то же время повторяемости высоких скоростей ветра по COSMO-CLM получаются выше, чем по реанализу, особенно для Баренцева моря, островов (в том числе Новая Земля) и некоторых областей материка и побережья. Сравнение двух представленных периодов (1980 - 1990 гг. и 2010 - 2016 гг.) между собой показало, что пространственные закономерности распределения повторяемостей похожи, но в деталях видны различия, которые можно с определёнными оговорками отнести к проявлениям изменений климата в Арктическом регионе.