Концептуальный подход – новаторская сущность проекта
Поставленные задачи отражают многопрофильную природу данного Проекта. Впервые прибрежные районы будут рассмотрены как единый природный объект, состоящий из многих компонентов и подверженный многим экстремальным природным явлениям, нелинейно взаимодействующим друг с другом и являющимся источниками рисков для человеческой деятельности. Роль океана в генерации катастрофических экстремальных явлений в прибрежных районах будет рассмотрена в двух аспектах – прямые локальные воздействия (ветровые волны, штормовые нагоны, региональная прибрежная динамика океана) и удаленные косвенные воздействия, связанные с ролью океана в гидрологическом цикле на континентальном масштабе. Этот подход позволит нам комплексно охарактеризовать сложную природу прибрежных экстремальных явлений и впервые детально рассмотреть взаимодействие между крупномасштабными процессами, действующими на сравнительно долгих временных масштабах, и региональными факторами, воздействие которых связано с короткими масштабами. С методологической точки зрения эта новаторская общая концепция будет реализована посредством синтетического использования высокоразвитых численных и статистических моделей и наиболее достоверных данных (реанализов, наблюдений in situ), обеспечивающих адекватный анализ как крупно-, так и мелкомасштабных явлений в их взаимодействии друг с другом. Используя прогресс в климатическом моделировании с высоким разрешением и детальные региональные базы данных, мы сможем объединить преимущества гидрометеорологии с региональным анализом состава почв, геохимии и водного баланса. Такой целостный подход позволит получить новые научные результаты, нацеленные на оценку рисков катастрофических природных явлений в прибрежных регионах под влиянием климатических изменений. Эти результаты послужат обеспечению устойчивого развития и минимизации рисков для человека и природной среды в этих плотно населенных районах.
Данные и методы
Чтобы выполнить задачи Проекта, мы будем использовать глобальные и региональные базы данных и численные модели, характеризующие весь спектр экстремальных явлений в прибрежных зонах. Механизмы, связанные с морем, включают приводный ветер, ветровые волны и прибрежную динамику океана. Мы будем использовать глобальные реанализы, покрывающие периоды с 1948 г. (NCEP-1), с 1979 г.(NCEP/DOE ), 1958-2002 гг. (ERA-40), с 1979 г. (JRA, MERRA), с 1989 г. (ERA-Interim) и имеющие разрешение от Т62 в NCEP до Т255 в ERA-Interim и 0,5˚ для NASA MERRA (Kalnay et al. 1996, Kanamitsu et al. 2002; Uppala et al. 2005; Onogi et al. 2007). Наблюдения за ветром и волнением будут получены из уникальной базы данных попутных наблюдений, покрывающих период с 1958 г. по настоящее время (Gulev and Grigorieva 2006) и имеющих максимальную плотность наблюдений в прибрежных зонах. Эти данные дают возможность высокоточного расчета всех волновых статистик, включая характеристики экстремального волнения. Региональные характеристики прибрежной динамики океана будут исследованы на основе долгосрочных буйковых и полигонных измерений в ключевых районах Черного, Баренцева, Балтийского и Каспийского морей. Экспедиционные исследования будут выполнены МГУ в сотрудничестве с ИО РАН и другими российскими исследовательскими институтами.
Поскольку многие компоненты континентального гидрологического цикла крайне недостоверно оцениваются в глобальных и региональных реанализах, особую важность для Проекта имеют высокоточные данные континентальных метеорологических станций. Мы используем данные по осадкам и температурам с суточным и более высоким временным разрешением доступные из архивов Российской гидрометслужбы (РОСГИДРОМЕТ), Немецкой Службы Погоды (DWD), Боннского университета, Королевского Метеорологического Института Нидерландов (KNMI), МГУ и других российских исследовательских институтов (Zolina et al. 2008, 2009). Объединенная база данных составляет более 12000 станций с наблюдениями, начинающимися в 1930 году (Рис. 4). Отдельную часть этого архива составляют данные (7000 станций) с исключительно высоким разрешением (примерно 3 километра) на территории Германии и Нидерландов (Zolina et al. 2008, 2010). Эти данные составят основу для валидации существующих методологий анализа и предсказания экстремальных событий в прибрежных районах Северного и Балтийского морей, разработанных, например, Weisse et al. (2009), которые потенциально могут послужить прототипами региональных систем, которые мы собираемся разработать для прибрежных районов Европейской России.
Рис. 4. Комбинация различных архивов данных Европейских метеостанций.
Для точного оценивания характеристик сигналов на поверхности океана мы будем использовать высокораз-решающие поля потоков тепла и испарения Вудсхольского Океанографического Института (Yu and Weller 2007), Саутгемтонского океанографического центра (Berry and Kent 2009) и МГУ (Gulev et al. 2010). Анализ атмосферных механизмов переноса влаги с Атлантики на Европейский континент будет выполнен с использованием архива циклонических траекторий и параметров жизненного цикла циклонов (Rudeva and Gulev 2007, 2010), построенный на основе различных реанализов. Более того, мы выполним численную идентификацию циклонов в реанализах нового поколения (MERRA, ERA-75), используя численную методологию развитую в МГУ (Gulev et al. 2001, Rudeva and Gulev 2007), что позволит существенно обогатить в рамках проекта существующие базы данных по циклонической активности.
Используемые модели
Для достижения целей Проекта в различных прибрежных районах Европейской России будут применяться хорошо разработанные численные модели атмосферной и океанской динамики. Региональная диагностика ветрового волнения с высоким разрешением будет выполнена спектральной моделью WAVEWATCH (Tolman 2010), операционный код которой адаптирован в МГУ. Ретроспективный анализ и прогноз региональной прибрежной динамики океана будет выполняться с помощью региональной океанской модели (ROMS), основанной на примитивных уравнениях со свободной поверхностью и гидростатике, и имеющей высокое разрешение (Budgell et al. 2005). Для задания граничных условий в моделях волн и региональной океанской динамики, помимо глобальных и региональных реанализов, мы будем использовать негидростатическую прогностическую модель WRF, разработанную NCAR (Skamrock and Klemp, 2007). Эта модель имеет мощное динамическое ядро, обеспечивает широкий выбор параметризаций основных физических процессов и допускает пространственное разрешение от 750 м до 3-6 км, что крайне важно для анализа прибрежных экстремальных явлений, проявления которых сильно локализованы. Для достоверного описания влияния осадков на гидрологию прибрежной зоны мы объединим модель грунтовых вод MODFLOW (Harbaugh 2005) с новой версией модели TERRA для почвенной влаги. Таким образом, в ходе выполнения проекта мы будем использовать широкий ансамбль моделей всех ключевых явлений и процессов в прибрежной зоне. Сначала эти модели будут применяться для диагностики различных экстремальных событий в современных климатических условиях. Затем, эти же модели будут использованы для регионализации и детализации особенностей экстремальных событий в береговых зонах в условиях климатических изменений для XXI века в соответствии со сценариями МГЭИК. Для этого будут использованы модельные прогнозы климатических изменений для XXI века по результатам ансамблевых экспериментов ОД4 (и ОД5, когда станут доступными) МГЭИК.
Краткий план работы
Для выполнения достоверной оценки региональных воздействий океанских процессов на экстремальные события в береговых зонах мы сначала проанализируем непрерывные временные ряды прибрежных течений и наблюдений за ветровыми волнами в прибрежных частях Баренцева, Балтийского, Черного и Каспийского морей с акцентом на известные из наблюдений экстремальные подъемы уровня моря в течение с 1950 г. по 2010 г. Затем для выбранных случаев экстремальных штормовых нагонов мы выполним численные эксперименты с моделями ветровых волн и динамики океана WAVEWATCH и ROMS, что позволит количественно описать локальные механизмы формирования экстремальных явлений.
Рис. 5 – Пример диагноза приповерхностного ветра (м/с) во период сильного шторма в Баренцевом море 28.01.2008 по данным реанализа грубого разрешения (А) и по результатам интегрирования модели WRF высокого разрешения (В). На рис. C и D показаны результаты диагноза функции тока ветра (C) и скоростей ветра (D) во время шторма в Черном море 02.05.2007.
Для формирования массива граничных условий мы будем использовать модель WRF с очень высоким разрешением (750м – 6 км), что крайне важно для адекватного воспроизведения сильно локализованных экстремальных характеристик ветра, вызывающих катастрофические штормовые нагоны. На рис. 5 показаны результаты экспериментов с моделью WRF с пространственным разрешением 6 км и диагноз ветра по данным реанализа. Рис. 5 четко демонстрирует, что скорость ветра в Баренцевом море во время сильного шторма существенно занижается в реанализе грубого разрешения. Так же очевидно, что сложную локальную структуру шторма в Черном море удается адекватно идентифицировать лишь при воспроизведении полей с высоким разрешением (рис. 5с,d).
Следующим шагом станет анализ региональных проявлений гидрологического цикла в прибрежных зонах. Для этой цели мы будем использовать и развивать далее методологии для статистического оценивания вероятностей редких климатических экстремальных явлений (Zhang et al. 2004, Kharin and Zwiers 2005, Zolina et al. 2009). Эти методы включают усовершенствованные статистические процедуры и методы для оценки осадков в моделях высокого разрешения. Затем, после оценивания долгопериодной изменчивости статистик региональных осадков и температур мы попытаемся связать эти сигналы с интенсивностью и частотой наводнений в прибрежных зонах России. Для этой цели будет впервые создан каталог Европейских наводнений и засух с подробным количественным описанием их интенсивности, продолжительности и пространственного распространения. Мы будем использовать Базу данных по расходам основных рек мира, содержащую расходы в 3500 точках за 100 лет. Эти данные будут объединены с базами данных по расходам рек Мирового Центра Данных по Речному Стоку (Кобленц) и временными рядами расходов Европейских рек (7732 ежемесячных и 4892 ежесуточных ряда) Гидрометцентра России. Эти данные будут использованы для установления связей наводнений и засух с региональными и крупномасштабными сигналами в характеристиках экстремальных осадков и температур.
После выполнения количественных оценок характеристик наводнений в береговой зоне мы попытаемся связать их интенсивность, пространственное распространение, продолжительность и сезонность с региональными геохимическими характеристиками почв в прибрежных районах, которые в наибольшей степени подвержены экстремальным гидрометеорологическим угрозам. Для этого нами будет впервые выполнен совместный анализ характеристик почвенной влаги и гидрогеологических характеристик с одной стороны и климатических факторов, определяющих возникновение наводнений и засух, с другой. Мы будем использовать Базу данных по грунтовым водам (GWD), состоящую из 850 000 рядов наблюдений в источниках, пробных скважинах, туннелях, дренажных каналах и траншеях Европы, и 1153 временных ряда наблюдений на автоматических станциях мониторинга в реальном времени, осуществляемого на протяжении нескольких десятков лет. База данных по грунтовым водам будет использована народу с Европейской базой данных по почвам (ESD), содержащей Типологические Единицы Почв (STU)с описанием таких почвенных свойств как текстура, водный режим, каменистость и др.
Для оценки крупномасштабных удаленных воздействий океана на экстремальные события в береговой зоне за счет переноса влаги с океана на континенты нами будет выполнена оценка изменчивости потоков тепла и испарения на поверхности океана на длительных временных масштабах с применением методологии Gulev and Belyaev (2010), позволяющей достоверно оценивать региональные энергетические балансы. Изменчивость этих оценок под влиянием океанской циркуляции и теплосодержания океана (Koltermann et al. 1999, Gouretski and Koltermann 2007) будет использована, как источник сигнала для анализа переноса атмосферной влаги циклонами средних широт и связанных с ним изменений гидрологического цикла (Rudeva and Gulev 2007, 2010, Zveryaev and Gulev 2009). Характеристики этих крупномасштабных сигналов далее будут сопоставлены с интенсивностью локальных экстремальных явлений в прибрежных районах и позволят впервые выявить региональные различия между локальными и крупномасштабными факторами в формировании экстремальных погодных и климатических явлений в береговых зонах.
Яркой отличительной чертой этого Проекта станет анализ сценарных расчетов климата будущего с использованием анасамблевых экспериментов с моделями ОД4 МГЭИК и ОД5 (после их появления). Анализ модельных экспериментов для климатических условий XXI века будет выполнен на основе экспериментов с моделями МГЭИК (ECHAM5/OM, GFDL, NCAR CCM, CCCM, CNRM), в соответствии с различными сценариями экономического развития (SRES B1, A1B, B2) с одной стороны и высокоразрешающих региональных атмосферных и океанских моделей, а также моделей почвенной влаги с другой, что позволит выполнить достоверную регионализацию результатов климатического моделирования. Будучи вооруженными точными оценками интенсивности и частоты экстремальных явлений в прибрежных зонах Европейской России, физическим описанием определяющих механизмов и ретроспективным анализом высокого разрешения наиболее опасных событий (эрозия берегов, изменения геохимии почв, ухудшение качества воды), мы выполним региональную оценку прибрежных опасностей и их рисков что позволит оценить уязвимость прибрежных зон России к климатическим воздействиям. Используя концептуальную парадигму «Риск = уязвимость х воздействие» мы сможем достоверно определить самые разрушительные экстремальные явления для различных прибрежных районов и предложить оптимальные региональные стратегии для снижения рисков и смягчения последствий природных катастроф.