Ученые Карельского научного центра РАН и Главной геофизической обсерватории им. Воейкова создают глобальную систему моделирования и прогнозирования климата в Арктике

Сотрудники лаборатории моделирования природно-технических систем Института прикладных математических исследований КарНЦ РАН разрабатывают численную модель Северного Ледовитого океана и его атмосферы. Это основной этап создания общей системы моделирования и прогнозирования климата в Арктике.

Как в кипящей кастрюле

25 июня 2021 года в канадской провинции Британская Колумбия зафиксировали рекордную жару. Столбик термометра поднялся до 49,6°С, что для северной страны стало абсолютным рекордом. Местные метеорологи в последующие дни зафиксировали самую высокую температуру за всю историю наблюдений.

Североамериканский регион с холодным климатом находится на 50 параллели северной широты. Его можно сравнить по расположению с Хабаровским краем. Поэтому аномальная жара стала для канадцев настоящим испытанием. Только за первую неделю аномальной погоды там было зафиксировано около 500 внезапных смертей. Большинство тел были обнаружены в душных непроветриваемых помещениях.

Эпицентром огромной волны теплого воздуха стал городок Литтон в Британской Колумбии. Жара накрыла буквально всю западную часть Канады, а заодно и северо-запад США. Более 40 городов только в этом регионе значительно обновили температурные рекорды.

Климатологи назвали явление «тепловым куполом», из-за того, что оно представляет из себя неподвижную зону высокого давления, действующую подобно крышке над кастрюлей. Ее границы раскинулась от Калифорнии до арктических территорий Канады и проникли вглубь континента на 800 км вплоть до штата Айдахо.

Жителям Литтона и других городов пришлось провести последние дни июня под кондиционерами и вентиляторами, спасаясь от аномальной погоды. Некоторые городские администрации даже оборудовали специальные зоны для охлаждения, а многие магазины и рестораны просто закрылись из-за невыносимой духоты внутри.

Обычная летняя погода для таких холодных широт редко поднимается выше +25°С. Сложно даже представить, чтобы с другой стороны Тихого океана, например в Комсомольске-на-Амуре, стояла жара под +50°С.

Но аномальная жара стала для жителей Литтона лишь началом лета. За высокой температурой в регион пришли грозы, а за ними – лесные пожары. В начале июля на территории Канады зафиксировали более 12 тысяч ударов молний, которые стали причиной более 100 лесных пожаров. Вся коммуна была эвакуирована спасателями из-за угрозы огня.

В итоге разрушительная сила стихии уничтожила 90% Литтона, а также десятки других населенных пунктов северо-западной части североамериканского континента.

Погодные аномалии стали нормой

Климатологи всего мира стали следить за тепловым куполом над Канадой. В последующие дни он стал постепенно смещаться на восток. Следующими жертвами изматывающей волны теплого воздуха стали канадские провинции Саскачеван и Альберта. Но им повезло больше, власти заранее предупредили жителей о надвигающейся климатической угрозе.

После длительного изучения Американское Национальное управление океанических и атмосферных исследований связало тепловую аномалию с разницей температуры воды в Тихом океане. Воздух у поверхности воды нагревался, а затем поднимался в атмосферу, что способствовало образованию купола. А его движение блокировало высокое атмосферное давление. В итоге «крышка» оказалась настолько плотной, что перестала пропускать другие циклоны, которые могли бы охладить воздух в регионе.

Ученые говорят, что подобный феномен превратил Венеру в самую горячую планету в Солнечной системе. Плотный покров облаков удерживает тепло на поверхности и разогревает ее до 471°C.

Эксперты сошлись во мнении, что изменение климата приведет к тому, что аномальная погода на Земле будет встречаться все чаще. А экстремальная жара в холодных арктических регионах будет только провоцировать дальнейшее развитие глобального потепления.

Позже, в ноябре 2022 года, группа ученых в области гляциологии и мерзлотоведения представила на международном климатическом саммите отчет о криосфере Земли, которая представляет из себя совокупность ледников Земли. Авторы показали, что темпы таяния полярных ледяных щитов, горных ледников и вечной мерзлоты продолжают нарастать. Объемы льда в мире уменьшаются с нарастающей скоростью, и основная причина – глобальное потепление.

Дело в том, что огромная площадь северных льдов круглосуточно отражает основную часть падающих солнечных лучей обратно в космос. При этом обычная вода в океане частично поглощает тепло, усиливая арктическое и общемировое потепление.

Ученые также представили четыре сценария развития ситуации на планете. При самом оптимистичном варианте, который потребует огромных ресурсов на удержание темпов глобального потепления, исчезновение многолетних льдов в Арктике произойдет уже к 2050 году. Но при этом удастся стабилизировать общее исчезновение криосферы Земли. Если же ничего не делать, то коллапс экосистемы планеты наступит уже к 2030 году.

Опасения климатических экспертов подтверждают другая группа ученых, которая в июле 2023 года представила сенсационный доклад. Согласно исследованию, течения системы Гольфстрим могут исчезнуть уже в 2025 году. Это одна из основных систем циркуляции океана на Земле. Гольфстрим активно перераспределяет тепло на нашей планете, так как переносит теплую воду океана на север, где она охлаждается и опускается на глубину. Это оказывает большое влияние на климат.

Сегодня циркуляция в Атлантическом океане уже находится в своем самом слабом состоянии за последние 1600 лет. Но совсем скоро течение может совсем исчезнуть. Всему виной приток пресной воды из-за ускоряющегося таяния ледяной шапки Гренландии, который подавляет систему течений.

Исследователи считают, что исчезновение Гольфстрима оставит без дождей Индию, Южную Америку и Западную Африку, а также приведет к значительному снижению температуры в Европе и повышению уровня моря на восточном побережье Северной Америки.

Арктика – ключ к климату планеты

Все последние исследования однозначно утверждают, что изучение погоды в северных широтах Земли и в Арктике должно быть приоритетной задачей для ученых всего мира.

В России много научных учреждений занимается проблемами климата и Арктики. Например, специалисты Федерального исследовательского центра «Карельский научный центр Российской академии наук» (КарНЦ РАН) много лет изучают погоду. Прямо сейчас здесь идет кропотливая работа над созданием системы моделирования и прогнозирования климата в Арктике.

Это часть важнейшего инновационного проекта государственного значения «Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ». Выполнение задачи необходимо для управления экологическими и климатическими рисками в России и прилегающих территориях и акваториях.

На текущем этапе ученые ведут разработку численной модели Северного Ледовитого океана и его атмосферы. Цифровая модель, в частности, сможет давать сценарии, что именно будет происходить в Арктике при изменении различных климатических факторов. Например, как отразится дальнейшее потепление на таянии полярных льдов.

«Численная модель – один из способов изучения реальности. Например, что происходит в океане? Там есть течения, горизонтальные и вертикальные. У воды есть соленость и есть температура, они меняются. Меняется уровень моря. В море стекает пресная вода рек, попадают осадки. Воду приводит в движение ветер. Она испаряется с поверхности. Возникает и тает лед, при этом соль вытесняется в воду или, наоборот, вода распресняется. Рассчитать все это и есть задача численного моделирования океана», – пояснил старший научный сотрудник лаборатории моделирования природно-технических систем Института прикладных математических исследований (ИВПС) КарНЦ РАН Илья Чернов.

Численная модель состоит из множества показателей, которые описывают закономерности в поведении конкретного объекта. И это уже не первый подобный опыт для российских ученых. Еще в 1980-х годах в Вычислительном Центре СО АН СССР была разработана численная модель циркуляции Мирового океана. За прошедшие десятилетия ее несколько раз улучшали, что позволило проводить эксперименты даже на тысячелетнем периоде.

Для атмосферы тоже существуют детальные численные модели. Например, модель атмосферы Арктики была создана Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. Карельские исследователи совместили ее с конечно-элементной моделью Северного ледовитого океана со льдом (FEMAO), созданной в начале 2000-х годов доктором физико-математических наук Николаем Яковлевым из Института вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН. Туда же добавили численную модель Белого моря JASMINE, которая является адаптированной под особенности водоема версией FEMAO.

«Нам необходимо модернизировать и объединить эти две модели – атмосферы и океана – так, чтобы они успешно обменивались данными. Только тогда можно будет делать достоверные прогнозы. Но это непросто. Модели созданы в разных координатных системах. Кроме того, у них не совпадают географические границы. Эти и другие проблемы мы и пытаемся сейчас решить», – объяснил задачу Илья Чернов.

Верификацией данных разных моделей в проекте занимается руководитель лаборатории географии и гидрологии ИВПС КарНЦ РАН Алексей Толстиков. Он сравнивает, как данные моделирования согласуются с измерениями, которые были собраны в ходе различных экспедиций и полевых работ, а также с информацией, полученной спутниковыми методами исследования.

«Когда данные моделирования и измерений не совпадают, мы ищем ошибку: где-то динамика течения получается выше, где-то границы или речной сток заданы не совсем точно, где-то завышена толщина льда. Мы смотрим, с чем это связано, работаем над тем, чтобы устранить причины и улучшить результат», – объяснил Алексей Толстиков.

Технология сопоставления данных отработана учеными на численной модели Белого моря, корректность которой карельские специалисты доказали на практике. Сейчас дополнительно идет создание численной модели беломорского льда. Данные моделирования сравнивают со спутниковыми наблюдениями, а также с данными из экспедиций.

Например, марте 2023 года команда ученых под руководством Алексея Толстикова занималась полевыми исследованиями на Беломорской биологической станции «Картеш». Они собрали данные о биологических, физических и химических процессах во время ледостава. Готовая математическая модель в дальнейшем сможет применяться как в фундаментальной науке, так и практических целях – в навигации, строительстве арктической инфраструктуры, развитии аквакультуры и прогнозировании последствий антропогенного воздействия.

Когда объединенная численная модель будет готова, ученые должны проверить все вычисления и убедиться, что она выдает корректные данные. На финальном этапе федерального проекта, когда все работы будут закончены, планируется внедрение объединенной модели в структуру сезонных и сценарных климатических прогнозов. Это даст возможность планировать реализацию крупных инвестиционных проектов, результат которых зависит от оценок долгосрочных изменений климата в регионах.

Также частные численные модели, например Белого моря или атмосферы Арктики, уже сейчас помогают установить зоны антропогенного воздействия и последствия возможных экологических катастроф. Общая модель сможет детально предсказать, к чему приведет глобальное потепление в Арктике и какие погодные аномалии на Земле стоит ждать уже в ближайшее время.

Источник