Изучение полярных циклонов в морях Северо-Европейского бассейна по данным спутниковых микроволновых радиометров Смирнова Юлия Ефимовна

Введение к работе

Актуальность темы диссертации

Полярные циклоны (ПЦ) представляют собой кратковременные, но исключительно интенсивные атмосферные мезомасштабные вихри, образующиеся над свободной ото льда морской поверхностью к полюсу от основной бароклинной зоны (полярного фронта или другой обширной бароклинной зоны). Характерный пространственный размер этих вихревых образований составляет менее 1000 км, а время жизни, как правило, не превышает 1-2 дня, что в совокупности зачастую не позволяет обнаруживать ПЦ на синоптических картах. Скорость приповерхностного ветра, развиваемая в ПЦ, превышает 15 м/с, что является главной особенностью, позволяющей выделить их в отдельный подкласс мезомасштабных циклонов.

Актуальность исследований ПЦ, в первую очередь, обусловлена их большой разрушительной силой и создаваемой ими угрозой безопасности судоходства в высоких широтах в целом и по Северному морскому пути в частности. Специфическую опасность для морской деятельности представляет обледенение, вероятность и интенсивность которого возрастает за счет штормового ветра и высоких волн, сопутствующих ПЦ. Наиболее интенсивные ПЦ могут предоставлять угрозу для платформ по добыче углеводородов на Арктическом шельфе. Кроме того, изучение ПЦ приобретает актуальность и в связи с резким уменьшением в последние годы площади Северного Ледовитого океана, покрытой многолетними морскими льдами, что приводит к появлению новых районов открытой воды, являющихся потенциально пригодными для возникновения и развития ПЦ в акваториях морей российского сектора Арктики.

Кроме того, ПЦ в Арктическом регионе оказывают влияние на крупномасштабную циркуляцию океана. За счет высоких скоростей приводного ветра и, как следствие, интенсивного взаимодействия между морем и атмосферой тепловые потери поверхности моря могут превышать 1000 Вт/м² (Condron and Renfrew, 2013). Этого достаточно для того, чтобы увеличить глубину, частоту и площадь глубокой конвекции в морях Северо-Европейского бассейна, что, в свою очередь, может повлиять на термохалинную океаническую циркуляцию (Marshall and Schott, 1999).

Однако, несмотря на большое значение ПЦ как для производственной деятельности в Арктике, так и для климатической системы Земли, их изученность на данный момент явно недостаточна. Это обусловлено как трудностями их обнаружения на приземных картах погоды, моделирования и прогнозирования, так и недостатком данных наблюдений. В районах основного распространения ПЦ регулярные гидрометеорологические наблюдения практически отсутствуют, поэтому основным источником информации о ПЦ являются спутниковые наблюдения. Начиная с появления первых искусственных спутников Земли в 60-х годах прошлого столетия и по настоящее время, изучение ПЦ, в основном, базируется на визуальном анализе спутниковых изображений облачного покрова, полученных инфракрасными (ИК) радиометрами (Wilhelmsen, 1985; Blechschmidt, 2008).

Однако, статистика ПЦ, полученная при анализе снимков в ИК диапазоне, может оказаться заниженной, поскольку эти данные содержат информацию лишь о верхнем слое облаков. И, несмотря на относительно высокое пространственное разрешение (например, 1 км для ИК измерений Advanced Very High Resolution Radiometer; AVHRR), часть ПЦ оказывается скрыта верхними облаками и не идентифицируется в полях облачности. Пространственно-временные распределения ПЦ в Северо-Европейском бассейне, приведенные в ряде работ (Wilhelmsen, 1985; Blechschmidt, 2008; Zahn and von Storch, 2008; Noer et al., 2011), основаны либо на визуальном анализе спутниковых ИК изображений или приземных карт погоды, либо на анализе данных глобальных атмосферных реанализов и результатов численного моделирования. Данные реанализов также не позволяют обнаруживать значительное число ПЦ, в том числе при использовании их в качестве входных параметров для численных моделей (Zappa et al., 2014; Laffineur et al., 2014). Таким образом, существующие оценки частоты образования ПЦ и основных районов их образования в регионе исследования являются неточными.

Существенно меньшее количество исследований ПЦ основано на использовании данных пассивных микроволновых радиометров, по которым возможно восстановление интегральных параметров атмосферы, а не только характеристик верхней границы облаков. Отдельные работы, описывающие некоторые случаи обнаружения ПЦ с использованием микроволновых радиометрических данных, появились лишь в последние годы. Систематизация же ПЦ по этим данным, позволяющим более точно оценить частоту зарождения ПЦ в высоких широтах, не осуществлена до сих пор. Кроме того, микроволновые радиометрические измерения предоставляют принципиально новые возможности для детального расчета ряда характеристик ПЦ (максимальное и минимальное значение влагозапаса атмосферы, диаметр, время жизни, максимальная скорость приводного ветра, пройденное расстояние и скорость передвижения). Использование этих возможностей позволит углубить знания о таких малоизученных явлениях, как ПЦ.

Цели работы

Целью данной работы является анализ пространственно-временного распределения ПЦ над морями Северо-Европейского бассейна (Баренцево, Норвежское и Гренландское моря), а также определение их индивидуальных характеристик (максимальное и минимальное значение влагозапаса атмосферы, диаметр, время жизни, максимальная скорость приводного ветра, пройденное расстояние и скорость передвижения) за период 1995-2009 гг. для выявления общих закономерностей и тенденций, связанных с этим явлением, по данным измерений спутниковых пассивных микроволновых радиометров, ранее не использовавшихся для подобных целей.

Задачи исследования

Для достижения поставленных целей в ходе работы решались следующие задачи:

анализ уже существующих климатологических исследований ПЦ;

формирование базы данных измерений спутниковых микроволновых радиометров Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I) за 1995-2009 гг. над морями Северо-

Европейского бассейна (94976 файла);

применение алгоритма восстановления геофизических параметров атмосферы (Bobylev et al., 2010) ко всему объему данных спутниковых измерений для получения полей влагозапаса атмосферы; получение полей скорости приводного ветра, восстановленных по данным спутникового микроволнового радиометра SSM/I, за соответствующий период из открытого источника ();

идентификация в построенных полях влагозапаса атмосферы вихревых образований, потенциально являющихся ПЦ, т.е. соответствующих критериям: размер и время жизни менее 1000 км и 48 ч, соответственно (Rasmussen and Turner, 2003); применение критерия скорости ветра (более 15 м/с) для определения принадлежности обнаруженных вихревых образований к классу ПЦ;

создание базы данных, включающей в себя все идентифицированные ПЦ;

привлечение дополнительных спутниковых данных (скаттерометрических, инфракрасных, радиолокационных) для всех обнаруженных случаев с целью детального изучения проявлений в них сигнатуры ПЦ;

получение пространственно-временного распределения обнаруженных ПЦ;

расчет и анализ индивидуальных характеристик ПЦ;

определение взаимосвязи между площадью ледяного покрова в исследуемом регионе и частотой образования ПЦ.

Научная новизна

Впервые для изучения ПЦ на большом временном интервале использованы данные измерений спутниковых микроволновых радиометров; обоснована их значимость для исследования ПЦ;

Впервые создана база ПЦ над морями Северо-Европейского бассейна за 14 сезонов с сентября по апрель в период 1995-2009 гг. с применением нового подхода, основанного на обнаружении ПЦ в полях влагозапаса атмосферы, восстановленных по данным спутниковых микроволновых радиометрических измерений;

Уточнены оценки частоты образования ПЦ (количество циклонов в год и в месяц). Обнаружено, что они значительно превышают приведенные в предыдущих работах;

Впервые установлено, что наибольшее количество ПЦ в рассматриваемом районе образуется в марте;

Проведено районирование ПЦ в морях Северо-Европейского бассейна, на основании которого были получены результаты, существенно отличные от предыдущих работ, основанных на ИК данных и результатах моделирования, и позволившие произвести оценку степени угрозы, которой могут подвергаться те или иные локальные регионы исследуемой области. В частности, показано, что число случаев зарождения ПЦ в Баренцевом море значительно выше, чем считалось ранее;

Оценены характерные параметры ПЦ в рассматриваемом регионе, а именно: средние размер и время жизни, скорость перемещения, пройденное расстояние, максимальная скорость приводного ветра, максимальные и минимальные значения влагозапаса атмосферы;

Впервые выявлена высокая корреляция между площадью ледяного покрова в Баренцевом море и частотой образования ПЦ.

Практическая и научная значимость

Составленная в ходе работы база ПЦ в Северо-Европейском бассейне предоставляет возможность проанализировать и уменьшить риски эксплуатации нефтегазовых сооружений, оценить безопасность мореплавания, в том числе по Северному морскому пути, выявить наиболее опасные для рыбного промысла и прибрежного строительства районы из рассматриваемого региона.

Апробированный в данной работе метод обнаружения и изучения ПЦ может быть применен для изучения индивидуальных характеристик и пространственно-временного распределения ПЦ в любом другом регионе, в частности, в морях восточного сектора Арктики.

Анализ пространственно-временного распределения и индивидуальных характеристик ПЦ за достаточно длинный временной ряд (14 сезонов) позволил углубить фундаментальные знания о ПЦ. Кроме того, в ходе данной работы, на примере Баренцева моря, впервые показано, что уменьшение площади Северного Ледовитого океана, покрытой многолетними морскими льдами, ведет к образованию большего количества ПЦ.

Обнаруженные в ходе работы ПЦ представлены на портале Arctic Syntool () в Лаборатории Спутниковой Океанографии РГГМУ

Положения, выносимые на защиту

За рассматриваемые сезоны (сентябрь-апрель) с 1995/1996 по 2008/2009 над морями Северо-Европейского бассейна обнаружено 637 ПЦ, среднее количество за сезон составляет 45.5;

В 5% случаев ПЦ не обнаруживаются «традиционным» способом, основанном на использовании инфракрасных спутниковых снимков;

За исследуемый период выявлена тенденция к увеличению количества ПЦ (2.6% за сезон);

Наиболее благоприятные условия для развития ПЦ в данном регионе складываются в марте, когда образуется в полтора раза больше ПЦ по сравнению с другими месяцами;

Установлены следующие средние характеристики ПЦ: диаметр 298 км (стандартное отклонение 110 км), время жизни 14.7 ч (стандартное отклонение 7.7 ч), скорость передвижения 8.1 м/с (стандартное отклонение 4.2 м/с), пройденное расстояние 284 км (стандартное отклонение 213 км), максимальная скорость приводного ветра, развивающаяся в ПЦ 19.6 м/с (стандартное отклонение 3.6 м/с);

Выявлены основные районы распространения ПЦ: в Баренцевом море - север Норвегии (мыс Нордкап) и западная часть Новой Земли, в Гренландском море - над Гренландской котловиной, и в Норвежском море - над Лофотенской котловиной. Установлено, что количество ПЦ в Баренцевом море значительно выше, чем показано в предыдущих исследованиях;

Выявлена высокая корреляция между площадью ледяного покрова и частотой образования ПЦ в Баренцевом море (R = -0.85 ).

Достоверность

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается детальным анализом обнаруженных ПЦ с привлечением всех доступных данных. Дополнительный анализ полей облачности и влагозапаса атмосферы за три дня до случая ПЦ и три дня после позволил исключить из рассмотрения атмосферные образования, не являющиеся ПЦ (например, диссипирующие синоптические системы). Основные результаты и выводы, полученные в диссертации, опубликованы в ведущих рецензируемых российских и зарубежных журналах, представлялись на международных и российских конференциях, симпозиумах и семинарах.

Апробация работы и публикации

Результаты, полученные в данной работе, докладывались и обсуждались на семинарах научного фонда «Нансен-Центр», Лаборатории спутниковой океанографии, а также работа была представлена на российских и международных конференциях:

1. International conference «Fluxes and structures in fluids: physics of geospheres» (Москва, Россия, 2009);

2. International Conference for the 50'th anniversary of the IOC UNESCO «50 years of Education and Awareness raising for shaping the Future of the Oceans and Coasts» (Санкт-Петербург, Россия, 2010);

3. International Scientific Conference «Water, Ecology and Hydrology security» under the auspices of UNESCO (Санкт-Петербург, Россия, 2010);

4. 8th Baltic Sea Science Congress (Санкт-Петербург, Россия, 2011);

5. Summer school «Impact of climate change on resources, maritime transport and geopolitics in the Arctic and the Svalbard area» (Шпицберген, Норвегия, 2011);

6. Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования из космоса» (Москва, Россия, 2011)

7. Arctic Frontiers 2012 conference «Energies of the High North» (Тромсё, Норвегия, 2012);

8. Arctic Frontiers 2013 conference «Geopolitics and Marine Production in a Changing Arctic» (Тромсё, Норвегия, 2013);

9. Конференции молодых специалистов по проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Обнинск, Россия, 2013);

10. International conference «Fluxes and structures in fluids: physics of geospheres» (Санкт-Петербург, Россия, 2013);

11. 19th Satellite Meteorology, Oceanography, and Climatology Conference, American Meteorological society (AMS) (Вена, Австрия, 2013);

12. 20th EUMETSAT Meteorological Satellite Conference (Женева, Швейцария, 2014)

13. Международный научный семинар «Remote sensing of dangerous events in the ocean-atmosphere system» (Санкт-Петербург, Россия, 2015).

Результаты работы приведены в 4 статьях, опубликованных в научных журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных Президиумом Высшей аттестационной комиссии и в 3 патентах.

Личный вклад автора

Автор работы принимал участие на всех этапах исследования от постановки задачи до анализа результатов, разрабатывал программы, реализующие методы расчета характеристик ПЦ, производил обработку всего массива спутниковых данных, в том числе визуальный анализ 94976 изображений восстановленных полей влагозапаса атмосферы по данным спутникового микроволнового радиометра.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 113 страницах текста, включая 48 рисунков, 1 таблицу и 3 приложения. Библиография диссертационной работы составляет 72 наименования.