close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование климата Восточного Средиземноморья и гидродинамическое моделирование его ожидаемых изменений в XXI веке

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Кричак Семен Оскарович Шифр научной специальности: 25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология Шифр диссертационного совета: Д 327.003.01 Название организации: Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российс

На правах рукописи
Кричак Семен Оскарович
ИССЛЕДОВАНИЕ КЛИМАТА ВОСТОЧНОГО СРЕДИЗЕМНОМОРЬЯ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕГО ОЖИДАЕМЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В XXI ВЕКЕ
25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук
Москва 2012
Работа выполнена в Федеральном Государственном Бюджетном учреждении "Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации" Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации и Тель-Авивском Университете Официальные оппоненты:
Доктор физико-математических наук, профессор Крупчатников Владимир Николаевич, Сибирский научно-исследовательский гидрометеорологический институт, Новосибирск
Доктор физико-математических наук, профессор Мелешко Валентин Петрович, Главная Геофизическая Обсерватория, Санкт-Петербург
Доктор физико-математических наук, профессор Тросников Игорь Васильевич, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова
Ведущая организация:
Институт физики атмосферы, РАН
Защита состоится 17 октября в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 327.003.01 при ФГБУ "Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации" 123242 Москва, Большой Предтеченский пер., д. 11-13
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ "Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации"
Автореферат разослан________________2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор географических наукНестеров Е.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Диссертационная работа посвящена исследованию особенностей формирования и оценке перспектив изменения климата юго-восточной части Средиземноморского Региона (СР) [далее, Восточное Средиземноморье (ВС)] как части СР, с использованием метода регионального климатического моделирования (РКМ). Актуальность выполненного исследования. Восточное Средиземноморье (ВС) принадлежит к числу районов земного шара, характеризующихся высокой степенью чувствительности к последствиям глобального изменения климата. Данное обстоятельство, в значительной степени являющееся следствием географического положения региона между зоной средних широт и зоной субтропического пояса, определяет актуальность исследований перспектив изменения его климата. Существенным фактором является также высокая численность населения в Средиземноморском регионе (СР) (более 400 миллионов человек) в целом. Вследствие этого исследование процессов, определяющих изменчивость погодных условий в условиях меняющегося климата (в первую очередь различий в количестве выпавших за сезон осадков), имеет большое значение для хозяйственной деятельности стран региона. Актуальной является задача формулирования научно обоснованной оценки перспектив изменения климата в регионе в первой половине XXI века в условиях глобального потепления вследствие возрастания концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфере.
Цели диссертационной работы
Как климат региона ВС, так и процесс его изменения на фоне глобального потепления, испытывают воздействие ряда факторов различных пространственных и временных масштабов. К числу действующих факторов относятся процессы, определяемые как местными особенностями региона, так и крупномасштабными колебаниями, зависящими, как правило, от развития аномальных долгопериодных процессов в районах климатических центров действия. Очевидной также является важность эффектов взаимодействия между процессами тропической и внетропической зон. Представляется, что перечисленные факторы могут играть значительную роль в процессе изменения климата региона ВС вследствие антропогенного роста концентрации парниковых газов в атмосфере, существенно осложняя определение его ожидаемых перспектив. Основными целями исследования являлись:
* построение физически обоснованной количественной картины антропогенных изменений климата региона ВС;
* реализация численных моделей атмосферы для обеспечения гидродинамического прогнозирования элементов погоды и моделирования экстремально интенсивных синоптических процессов и климата региона и осуществление экспериментов по моделированию процесса его изменения в первой половине XXI века, как следствие возрастания концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфере.
Для достижения указанных целей осуществлялось решение следующих проблем: 1. Разработка системы региональных гидродинамических моделей атмосферы для ее применения в оперативной прогностической практике в Израиле для краткосрочного прогнозирования различных метеорологических характеристик, включая осадки и концентрацию пыли в атмосфере. 2. Подготовка и проведение численных экспериментов по гидродинамическому моделированию характерных синоптических процессов в регионе ВС для определения оптимальной конфигурации гидродинамической климатической модели.
3. Применение разработанных систем при изучении синоптических процессов в регионе ВС с целью определения факторов, ответственных за формирование условий, характеризующихся интенсивными осадками и пылевыми бурями в регионе ВС.
4. Изучение основных механизмов взаимодействия синоптических процессов региона ВС с процессами в тропическом поясе и средних широтах.
5. Разработка модели для осуществления регионального гидродинамического моделирования климата региона ВС.
6. Исследование изменений климата региона ВС в первой половине XXI-го века, вызванных повышением концентрации парниковых газов в атмосфере на основе применения метода регионального гидродинамического моделирования климата. 7. Применение результатов моделирования изменения климата, при решении народно-хозяйственных задач региона.
Положения, выносимые на защиту, и их новизна:
1. Новые варианты гидродинамических моделей атмосферы ММ5 и Eta-Dust, обеспечившие повышение точности оперативного прогнозирования погоды в Метеорологической Службе Израиля и, в частности, возможность прогнозирования пылевых бурь при проведении Израильского Эксперимента по Исследованию Распространения Пыли в Средиземноморском Регионе (MEIDEX).
2. Система регионального климатического моделирования в регионе ВС, основанная на модели RegCM3 и обеспечивающая успешное описание основных климатических особенностей изучаемого региона.
3. Результаты ансамблевого эксперимента по региональному климатическому моделированию изменений климата ВС вследствие повышения концентрации парниковых газов в атмосфере, обеспечивающие построение физически обоснованной количественной картины ожидаемого изменения климата региона ВС в первой половине XXI века. 4. Количественные оценки изменений количества выпадающих осадков и приземной температуры воздуха в регионе, включая определение тенденций к изменению частоты и интенсивности экстремальных событий (частоты дней с экстремальными значениями приземной температуры воздуха и частоты дней с экстремальным количеством осадков) вследствие процесса глобального потепления. Связь с планами НИР
Диссертация представляет собой результат завершенных исследований в рамках ведомственных НИОКР СССР и значительного числа научных проектов в Израиле. Выполнение первого этапа исследования было начато автором в 1973 г., в период выполнения исследований по программе морской советско-индийской научно-исследовательской экспедиции ИСМЕКС 73. В ходе данного этапа выполнения работы диссертант являлся ответственным исполнителем раздела темы по сотрудничеству между Гидрометцентром СССР и Метеорологическим Департаментом Индии и одним из ответственных исполнителей тем и разделов тем научно-исследовательских проектов планов НИР и ОКР Госкомгидромета СССР (1.09.79(1978-80 г), 1.08б.01.1(1981-83 г), 1.08б.01.8 (1984-1985 г). Выполнение второго этапа исследований осуществлялось автором в рамках его участия в ряде научных проектов в Израиле (Министерство Науки, 1993-1996; Научный Фонд Израиль-США, 1999-2002; Министерство Науки, 1998-1999, 1999-2003; Министерство Обороны - MEIDEX,1998-2001; Научный Фонд Израиль - США, 2003-2004; Министерство Образования и Исследований Германии, Министерство Науки Израиля - Glowa Jordan River, 2001-2011; ТАУ, 2005; Компания Mecorot , 2005-2010; Заводы Мертвого Моря Ltd., 2007-2011; EС 6я программа CIRCE, 2007-2010; Управление Водных Ресурсов, Министерство Инфраструктур, 2010-2011; Министерство Охраны Природы, 2009-наст. вр.; Научный Фонд Израиль-США, 2010-наст. вр.)
Практическая значимость результатов работы
В период работы диссертанта в Гидрометцентре СССР им осуществлена разработка регионального варианта 6-уровенной модели по полным уравнениям, использовавшегося для обеспечения прогностических подразделений Гидрометцентра СССР оперативными гидродинамическими прогнозами метеорологических характеристик. В сотрудничестве с коллегами из Индии, им была также разработана первая в Индии региональная модель по полным уравнениям. Указанная модель была в дальнейшем использована при развитии системы оперативного прогнозирования погоды в Индии. В Гидрометцентре СССР, диссертантом, совместно с В.М. Кадышниковым и В.М. Лосевым, разработана 15-уровенная региональная прогностическая модель атмосферы. Опыт применения модели ММ5 в целях оперативного прогнозирования погоды в Израиле использован при построении аналогичной системы в 2004 г. для ее использования в Гидрометцентре Российской Федерации и Московском Гидрометбюро. Результаты исследований автора в Израиле (с 1990 по настоящее время) использованы при оперативном прогнозировании элементов погоды, включая осадки и пылевые бури, в ТАУ и метеорологической службе Израиля и при народно-хозяйственном планировании государственного развития в условиях изменения климата. Внедренная и усовершенствованная автором модель атмосферы для прогноза пылевых бурь использована при проведении первого космического эксперимента MEIDEX (США [Национальное Агентство Космических Исследований, NASA] - Израиль) с участием израильского космонавта полковника Илана Рамона в 2003 г. Личный вклад соискателя
Личное участие автора в выполненной работе и опубликованных при его участии совместных статьях заключалось в его определяющей роли на всех этапах работы - в постановке задачи, в разработке и реализации алгоритмов, анализе, оценке и обобщении полученных результатов.
Диссертантом осуществлены адаптация ряда гидродинамических моделей (ММ4, ММ5, RAMS, Eta-Dust) и построение вариантов этих систем, обеспечивающих их применение при оперативном прогнозировании погоды в регионе ВС. В работе с моделями Ета-Dust и ММ5 впервые в Израиле реализована технология получения данных для обеспечения регулярного расчета прогнозов для обеспечения эксперимента MEIDEX. Лично диссертантом выявлен физический механизм, определяющий особенности формирования интенсивных синоптических процессов с экстремальными осадками и пылевыми бурями в регионе ВС, связанный с эффектом атмосферных рек (АР) - переносом влажных воздушных масс тропического происхождения в узких зонах в нижней тропосфере.
Лично диссертантом проведены исследования с целью оптимального конфигурирования модели RegCM3 для осуществления моделирования климата. Определена конфигурация модели, обеспечивающая воспроизведение климата региона. Модель RegCM3 в данной конфигурации использована диссертантом совместно с другими участниками работы при проведении многолетних экспериментов по моделированию изменения климата региона ВС, вследствие возрастания концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфере. Анализы, результаты которых представлены в диссертации, также проведены автором лично. Большая часть научных исследований автора в ТАУ осуществлена в рамках выполнения научно-исследовательских проектов, в которых он являлся ответственным исполнителем совместно с П. Альпертом. В этих работах диссертант отвечал за разработку и реализацию методик исследований и осуществлял руководство работами по гидродинамическому моделированию. Апробация результатов Результаты проведенных автором предварительных исследований по теме диссертации в рамках разработки методов регионального гидродинамического прогнозирования погоды были рассмотрены и рекомендованы ЦМКП 14.05.80 (п. 1.2) для оперативного использования в Гидрометцентре России и учреждениях Росгидромета (рекомендация реализована, о чем свидетельствует Акт от 10.11.1987 об ее внедрении в оперативную практику).
Результаты прогнозирования погоды с помощью, разработанного диссертантом, варианта модели ММ5 (использовались в оперативной работе Метеослужбы Израиля (с 2001 по 2008), что подтверждено письмом директора Метеорологической Службы Израиля д-ра Х. Беркович).
Вариант системы прогнозирования пылевых бурь (результаты использованы при обеспечении эксперимента MEIDEX в 2003 г.- апробация подтверждена письмом Главы отделения Геофизики, Атмосферных Наук и Наук о Земле, Тель-Авивского Университета (ТАУ), проф. К. Прайса). Результаты исследований роли процесса глобального потепления в изменении климата региона ВС (применение полученных оценок при осуществлении народно-хозяйственногопланирования в Израиле подтверждено письмами главного ученого Министерства Охраны Природной Среды д-ра С. Нетаниягу, начальника отдела исследований окружающей среды Министерства Науки д-ра Х. Масалха, зав. отделом исследований Управления Водных Ресурсов Министерства Инфраструктур д-ра А. Гивати). Различные разделы исследования обсуждались на многочисленных международных научных конференциях и совещаниях, заседаниях научного семинара Тель-Авивского и Иерусалимского университетов, научных конференциях Метеорологического общества Израиля, заседаниях Европейского Союза Геофизических Наук и Европейского Метеорологического Общества. Список публикаций автора настоящей работы приведен в конце автореферата. Благодарности
На различных этапах работы и в совместных публикациях принимали участие С.Л. Белоусов, Л.В. Беркович, И.С. Брейтганд, Г.Ю. Калугина, В.М. Кадышников, П. Кища, П. Кунин, Н.И. Лисогурский, В.М. Лосев, С.А. Машкович, К. Г. Рубинштейн, И.Г. Ситников, М. В. Цидулко, В. Аренс, П. Альперт, Х.С. Беди, Р.К. Датта, М. Даян, С.Б. Фельдштейн, С. Гуалди, Й. Йосеф, Г. Каллос, З. Левин, П. Лионелло, Т.Н. Кришнамурти и другие коллеги. Исследования роли эффектов зимнего Индийского муссона и субтропического струйного течения осуществлены в рамках проекта межнационального научного фонда США - Израиль (BSF). Разработка модели ТАУ для прогноза пылевых бурь осуществлена в рамках научно-исследовательского проекта BSF (1998-2002) с дополнительной поддержкой из эксперимента MEIDEX. Исследования роли удаленных связей в развитии синоптических процессов с интенсивными осадками на территории ВС проведены в ходе выполнения проектов CIRCE FP6 (контракт GOCT 036961) и проекта межнационального научного фонда США - Израиль (2009-2013), грант No. 2008436.
Исследования по разработке и применению системы регионального моделирования климата осуществлены в рамках проекта Glowa Jordan River (Министерство Науки Израиля - Министерство Образования и Исследований Германии, BMBF) с участием специалистов из Германии, Израиля, Швеции, Иордании и Палестинской Автономии. Результаты проведенного моделирования использованы в рамках проекта Партнерская Инициатива в Области Наук о Земле в Северной Евразии (NEESPI) при изучении климата южных районов европейской территории России и его ожидаемых изменений в первой половине ХХI в. Автор приносит свою искреннюю благодарность коллегам из Научно-исследовательского Гидрометцентра России, Отделения Геофизики, Атмосферных Наук и Наук о Земле, Факультета Точных Наук Тель-Авивского университета, а также участникам научных проектов ISMEX-73, MONSOON-77, GLOWA Jordan River, INDOEX, CIRCE, MEDEX, MEIDEX, MedClivar, NEESPI за конструктивные дискуссии, творческую и вдохновляющую рабочую атмосферу и поддержку.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, приложения и списка литературы. Общий объем работы составляет 329 страниц, включая 139 рисунков и 16 таблиц. Список литературы содержит 305 наименований. Основные результаты диссертации изложены в 63 научных публикациях. Из них 42 публикации опубликованы в рецензируемых научных журналах, признаваемых ВАК.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении перечисляются цель, основные задачи и применяемые методы исследования, обосновываются актуальность проблемы и представлена краткая характеристика содержания диссертационной работы.
Глава 1. Климат восточного Средиземноморья
В разделе 1.1 обсуждаются основные синоптические процессы и климат региона. Регион СР простирается от южных районов Западной Европы и ее юго-востока на севере до западной (центральной) Азии на востоке (северо-востоке) и северной Африки на юге. Как СР в целом, так и ВС, в частности, характеризуются изменчивыми погодными условиями и периодически дождливой погодой с умеренной температурой в холодный период года и сухой и жаркой погодой летом. Эти характеристики климата соответствуют средиземноморскому типу, согласно классификации Кёппена [Koppen and Geiger, 1936]. Географическое положение различных частей СР существенно определяет особенности режима осадков. Около 70 % выпадающих в ВС осадков связано с т.н. кипрскими циклонами, в значительном числе случаев развивающимися в результате регенерации сформировавшихся ранее генуэзских циклонов. Также существенную роль играют синоптические системы, обеспечивающие перенос влажных воздушных масс из районов тропической Африки и, в частности, ориентированные на север суданские ложбины (ложбины Красного Моря - ЛКМ). ЛКМ является продолжением африканской муссонной ложбины. Выпадение чрезвычайно интенсивных осадков в южной части региона ВС наблюдается в случаях развития активных ЛКМ (АЛКМ), которые характеризуются совместным формированием направленной на север ложбины в нижней тропосфере и направленной на юг ложбины в средней тропосфере. В весенний и осенний сезоны, характеризующиеся более северным, нежели зимой, положением бароклинной зоны средних широт , число циклонов над СР уменьшается. Для этих периодов года более характерными являются: (1) быстро перемещающиеся вдоль Северного побережья континента Африки термические циклоны Шарав; и (2) -ЛКМ (либо АЛКМ). Повышенная частота формирования систем ЛКМ в промежуточные (осенний и весенний) сезоны определяется положением северной границы нисходящего потока в ячейке Гадлея и связанного с ним субтропического струйного течения в верхней тропосфере. В летний сезон, характеризующийся высокими приземными температурами, развитие облачности и осадков в регионе ВС затруднено вследствие устойчивого оседания в гребне высокого давления. Важным для понимания синоптических и климатических особенностей региона фактором является также пыль минерального происхождения, поступающая из африканских пустынь. Перенос пыли из Африки либо Аравийского полуострова в направлении СР осуществляется с помощью возмущений среднего потока в циклонах. Весна и начало лета являются наиболее благоприятными периодами для развития циклонов типа Шарав к югу от гор Атласа. Такие циклоны смещаются на восток в направлении Египта и Израиля и далее. Летом пыль переносится в западные и центральные районы СР. Климатические колебания региона являются следствием, как внутренних колебаний динамической системы, так и вариаций, вызываемых внешними факторами. В разделе 1.2 обсуждается роль в климате региона ВС основных действующих в Европе удаленных связей (телеконнекций). Наиболее существенным для понимания климата Средиземноморского региона и региона ВС представляется вклад Северо-Атлантической Осцилляции (NAO) и Восточно-Атлантической - Западно-Русской Картины (EA/WR) [Barston, Livezey, 1987; Lionello et al., 2006]. Оба указанные режима удаленных связей характеризуются аномалиями в поле приземного давления либо высоты изобарических поверхностей в нижней и средней тропосфере (см. www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip.shtml). Наряду с указанными двумя режимами европейских телеконнекций, климат региона ВС испытывает определенные воздействия картин циркуляции над более удаленными районами - Скандинавская Осцилляция, Арктическая Осцилляция (в значительной степени являющаяся аналогом Северо-Атлантической Осцилляции), Эль-Нино Южного колебания и др. [Alpert et al., 2005; 2006a-c; Price et al., 1998; Trigo et al., 2006]. На современном этапе развития науки, учет указанных факторов в полной мере, при моделировании изменения климата региона ВС, существенно затруднен. Постиндустриальный период (с ~1870 г. по настоящее время) характеризуется существенными изменениями климата земного шара. Многочисленные исследования демонстрируют факт возрастания средней приземной температуры воздуха на 0.76°С за последние 100 лет. Около двух третей роста средней температуры пришлись на последнее десятилетие. В принципе, факт такого роста температуры не является экстраординарным в истории климата планеты. Следует учитывать, однако, что среди причин климатических изменений в доиндустриальную эпоху вклад антропогенных эффектов отсутствовал. Изменения климата вызывались лишь природными (геофизическими) колебаниями. С начала XIX-го века положение изменилось и наблюдающиеся климатические изменения определялись совместными эффектами как природного, так и антропогенного характера. При этом роль антропогенного фактора постепенно возрастала. В последние годы возрастание концентрации парниковых газов идет особенно быстро. Необходимость оптимального приспособления общества к новым климатическим условиям представляется несомненной. Анализ изменений климата региона СР и, в частности, ВС в течение последних десятилетий существенно затруднен как недостаточной детальностью имеющихся данных наблюдений, так и ограниченностью современного понимания действующих механизмов. Согласно имеющимся данным, имело место уменьшение количества выпадающих осадков в большей части районов, сопровождающееся возрастанием частоты и интенсивности экстремальных синоптических процессов. Были отмечены существенные изменения климата в СР, выражающиеся в уменьшении количества выпадающих осадков, возрастании продолжительности периодов засух и волн тепла и возрастании частоты периодов с осадками экстремальной интенсивности [IPCC, 2007b]. Глава 2. Региональное гидродинамическое моделирование крупномасштабных атмосферных процессов Основы метода (см. раздел 2.1) гидродинамического моделирования атмосферы были заложены в 1916 - 1922 гг. Л.Ф. Ричардсоном, предпринявшим первую в истории попытку численного решения уравнений гидродинамики, включающих три уравнения движения, уравнение притока тепла, уравнение неразрывности и уравнение сохранения удельной влажности. Несмотря на неудачу эксперимента, данное исследование послужило началом нового научного направления. Дальнейшие международные усилия [А.А. Фридмана (1922 г.), Р. Куранта, К. Фридрихса и Х. Леви (1928 г.), К.-Г. Россби (1939 г.) и других ученых] обеспечили последовательное решение возникающих проблем на начальном этапе работы. В России, исследования в области гидродинамического моделирования атмосферы были продолжены Н.Е. Кочиным, Е.Н. Блиновой, Л.С. Гандиным, И.А. Кибелем, Г.И. Марчуком, А.С. Мониным, С.А. Машковичем, А.М. Обуховым, М.И. Юдиным и др. [см. напр. Кибель, 1957; Марчук, 1974; Монин, Обухов, 1954; Толстых, Фролов, 2005]. Методика гидродинамического моделирования процессов в атмосфере допускает ее применение не только при моделировании короткопериодных процессов в атмосфере и кратко- и среднесрочном прогнозировании погоды, но и при долгосрочном прогнозировании погоды и моделировании климата. Современные глобальные климатические модели, как правило, являются совместными, т.е. описывают процессы в атмосфере (в ряде случаев с учетом эффектов аэрозолей и вулканической деятельности), поверхностном слое почвы и океане. Представляется очевидным, что в перспективе глобальные модели будут характеризоваться существенно более высоким, чем в настоящее время, пространственным разрешением. В настоящее время, однако, обычно используемое пространственное разрешение глобальных климатических моделей, как правило (Gualdi et al., 2012), является достаточно грубым (100- 200 км и более), что препятствует осуществлению описания процессов малого масштаба, которые важны для правильного описания особенностей регионального климата - и, в частности, синоптических процессов экстремальной интенсивности. С целью преодоления данной проблемы была предложена методика регионального гидродинамического климатического моделирования (РКМ) [напр. Dickinson et al., 1989; Giorgi and Bates, 1989; Giorgi and Mearns, 1999; Giorgi, 1990; Christensen et al., 1997; Дымников, Лыкосов, Володин и др., 2005]. Применение данного подхода предполагает эффективное использование опыта регионального гидродинамического прогнозирования погоды, успешность которого существенно определяется точностью определения исходных данных. При интегрировании моделей на длительные периоды времени, однако, роль исходных данных уменьшается. При РКМ, определяющей является роль сравнительно слабых, но непрерывно действующих климатообразующих эффектов [Giorgi 1990; Кислов, Бабина, 2008; Кислов Бабина, Лебедев, 2008; Калинин, Кислов, Бабина и др., 2010; Кричак, 2008; Школьник, Мелешко, Павлова, 2000; Школьник, 2001; Школьник, Мелешко, Гаврилина, 2005]. Вопросы гидродинамического моделирования процессов региона ВС обсуждены в разделе 2.2. В период 1973-1989 гг. была осуществлена серия совместных исследований Госкомгидромета СССР и Метеорологического Департамента Индии в области изучения атмосферных процессов в регионе действия индийского муссона (эксперименты ISMEX-73 и МONEX-1977), в которых участвовал автор настоящей работы [Годболе, Кричак, Колесников, 1975; Кричак, Лисогурский, Петричев, 1975]. Результатом этих работ явилось построение первой индийской гидродинамической модели атмосферы по полным уравнениям для описания и краткосрочного прогнозирования синоптических процессов в районе действия индийского муссона [Беди и др., 1976; Sikka, 2009]. Область прогноза по модели частично включила также и регион ВС. Была также реализована версия модели, обеспечивающая возможность прогноза над существенно большей территорией, также включающей регион ВС [Krichak, 1981]. Анализ результатов применения разработанных моделей продемонстрировал необходимость существенного повышения их пространственного разрешения. В 1979 - 1989 гг. осуществлялась разработка региональной модели атмосферы по полным уравнениям с использованием как отечественного, так и зарубежного, опыта [см. напр. Анцыпович и Кричак, 1979]. Были построены гидродинамические модели атмосферы (6-уровенная модель по полным уравнениям с пространственным разрешением 180 км [Кричак, 1981] и 15-уровенная модель по полным уравнениям с шагом по пространству 75 км [Кадышников и др., 1989]). Важным для реализации последующих усилий по развитию методов гидродинамического регионального моделирования в ВС явилось создание моделей ММ4, ММ5 и, в дальнейшем, WRF, Eta, HRM DWD, COSMO и др. Указанные региональные модели послужили основой для проведения многочисленных анализов в различных странах, включая исследования, в Израиле [Alpert et al., 2002b; Krichak & Alpert, 1994; Alpert et al., 1996a,b; Krichak et al., 1997a; Krichak & Alpert, 1998b; Krichak & Tsidulko, 1998; Krichak et al., 1999a,b, 2003]. В 1991 г. в метеослужбе Израиля совместно с Тель-Авивским университетом (ТАУ) был разработан 16-уровенный вариант модели ММ4 с горизонтальным разрешением 180 км [Krichak & Alpert, 1994; Krichak & Alpert, 1998b]. В последующем были также подготовлены варианты моделей ММ5, Eta, FSU GSM, CSU RAMS, WRF. Ряд моделей был внедрен в практику работы Научного Центра Исследований Погоды Тель-Авивского университета (НЦИП-ТАУ) [Krichak et al., 1997a; Krichak et al., 2005; Gershtein, 2008]. Опыт использования модели ММ5 и разработанная технологическая система оперативного получения данных в Израиле были в дальнейшем применены [Berkovich et al., 2005] при построении системы с использованием ММ5 в Гидрометцентре РФ (отв. Л.В. Беркович и К.Г. Рубинштейн) и Московского Гидрометбюро (отв. Г.Ю. Калугина). В настоящее время в Гидрометцентре Росси и Московском Гидрометбюро при оперативном региональном прогнозировании погоды используются региональные модели, разработанные как в России, так и за рубежом (СOSMO,WRF, ММ5, Eta) [см. напр., Вильфанд, Ривин, Розинкина, 2010a,b].
В разделе 2.3 дается краткое описание гидродинамических моделей, использованных при проведении исследования.
В негидростатической мезомасштабной модели ММ5 (раздел 2.3.1) [Grell, et al., 1994; Dudhia, 1993; Dudhia et al., 2001] прогнозируемыми характеристиками являются отклонения от стандартных значений атмосферных характеристик (http://www.mmm.ucar.edu/мм5/overview.html):
(1)
Вертикальная координата σ определена по значениям давления:
, (2)
где ps и pt - значения давления на поверхности земли и на верхней границе модели. Суммарное значение давления в точке сетки определяется как
, (3)
где .
Уравнения модели записываются в следующем виде [Dudhia, 1993].
Уравнения движения:
(4)
(5)
Третье уравнение движения (для вертикальной составляющей скорости ветра) имеет вид
(6)
Изменение давления по времени описывается уравнением
(7)
Уравнение для температуры имеет вид
, (8)
где
(9)
и
(10)
Используемая аппроксимация соответствует разнесенной сетке Arakawa B. При дискретизации по вертикали значения вертикальной скорости определяются на основных уровнях, в то время как значения всех остальных переменных модели определяются на промежуточных уровнях. В варианте ММ5 в ТАУ использовано разрешение 60 и 20 км и 37 уровней по вертикали [Krichak, Tsidulko, 1998] (таблица 1). Таблица 1 Успешность прогнозирования высоты поверхности 500 гПа в Израиле ]WMO, 1992; Alpert et al., 2002]. ПараметрПрогностический центрПрогноз АТ500 на 24 часа.Метеослужба ИзраиляМетеослужба ИзраиляНЦИП-ТАУПериод осреднения1991 (I - XII)2002 (I - VIII)2002 (I-VIII)Коэфф. корреляции (тенденций)0.840.940.95 Применение модели ММ5 в оперативной практике НЦИП-ТАУ в 2002 г. обеспечило успешность прогнозов сопоставимую с оперативной прогностической моделью метеорологической службы Израиля. Так, среднее значение коэффициента корреляции между прогнозируемыми с заблаговременностью 24 часа и фактическими изменениями высоты поверхности 500 гПа по модели Метеослужбы Израиля (за период с января по апрель 2002 г.) составило 0.94. При этом успешность аналогичных прогнозов по модели ММ5 в ТАУ за этот же период составила 0.95 [Alpert et al., 2002b]. В соответствии с результатами проведенных испытаний, результаты прогнозов с моделью ММ5 рассчитываемых в НЦИП-ТАУ, в период с 2001 г. по 2008 г. передавались в метеорологическую службу Израиля с целью их применения при формулировании оперативных прогнозов погоды для региона ВС.
Региональная климатическая модель RegCM3 (раздел 2.3.3) [Giorgi et al., 2004a,b; Pal et al., 2007] является гидростатическим вариантом 5-й версии мезомасштабной модели ММ5, основанной на решении уравнений для сжимаемой атмосферы в σ-системе координат. В настоящем исследовании применяется третья версия модели RegCM3. Модель RegCM3 по ряду характеристик отличается от ее прогностического прототипа (ММ5), включая использование более экономичных и энергетически сбалансированных методик параметризации физических процессов. В частности, в RegCM3 использованы физические схемы из климатической модели Community Climate Model version 3 (CCM3) [Kiel et al., 1996]. В модели осуществляется учет процессов радиационного переноса, процессов на поверхности почвы, в слое вегетации и в планетарном пограничном слое, турбулентных потоков с поверхности океана, процессов на боковых границах области моделирования. В частности, параметризация процессов кучевой конвекции осуществляется в соответствии с Grell [1993], c замыканием FC [Fritsch and Chappell, 1980], либо АS ]Arakawa-Shubert, 1974]. При построении системы для прогнозирования пылевых бурь (раздел 2.3.4) в рамках космического эксперимента MEIDEX была применена региональная модель атмосферы Eta.
В модели использованы уравнения, записанные для случая вертикальной координаты модели η [Chen et al., 1996; Mesinger, 1984; Mesinger et al., 1988; Janjic, 1990; Mesinger and Lobock, 1991; Mesinger and Jovic, 2004; Black, 1994]:
, (11)
где
(12)
здесь, pT - давление на верхней границе модельной атмосферы, psfc и zsfc -давление и высота на нижней границе в модели, pref типичное значение в вертикальном профиле давления (например, давление согласно стандартной атмосфере). Согласно определению координаты ,
при p=pT ,
" z=zsrf=0, (13)
" z=zsrf
Нижнее и верхнее граничные условия для вертикальной скорости определяются следующим образом:
на и на , и (14)
p=pT=const на . (15)
С использованием вертикальной координаты уравнения модели в случае адибатического потока без учета силы трения имеют вид:
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
(21) (22)
Здесь d/dt - полная производная по времени, v - вектор горизонтальной скорости, f - параметр Кориолиса, k - вертикальная составляющая единичного вектора,  - геопотенциал, R - универсальная газовая постоянная, и  = R/cp, , где cp - удельная теплоемкость при постоянном давлении.
В ТАУ в 1998 г. был реализован вариант модели Eta (Eta-Dust), обеспечивающий возможность прогнозирования пыли пустынь для обеспечения двустороннего (США - Израиль) эксперимента MEIDEX (Mediterranean Israeli Dust Experiment) с участием первого израильского космонавта (Илан Рамон). Построенная система является вариантом разработанной ранее, в рамках проекта MEDUSE, в Афинском университете, модели SKIRON [Nickovic et al., 1998; Krichak et al., 1999a,b]. В данной системе обеспечена возможность расчета горизонтальной адвекции пассивных примесей (включая концентрацию частиц пыли) с использованием положительно определенной схемы с сохранением. Построена методика описания процессов мобилизации и переноса пыли, а также эффектов сухого и влажного оседания пыли пустынь [Nickovic et al., 1997a, 1997b; Nickovic and Dobricic, 1996; Nickovic et al., 1998; Krichak et al., 1999a,b; Marticorena and Bergametti, 1995]. Учитываются эффекты динамической скорости трения, выпадения осадков, влажности почвы и распределение областей источников пыли. Перенос пыли в модели описывается уравнением неразрывности для концентраций, интегрируемым по времени вместе с другими прогностическими уравнениями модели Ета [Nickovic et al., 1998; Janjic, 1997] (в стандартном варианте модели не осуществляется учет влияния пыли на остальные параметры модели [Krichak et al., 2003]). Значительную проблему представляет моделирование процессов эмиссии пыли с поверхности земли. В существующих моделях задание нижнего краевого условия осуществляется на основании определения потока частиц пыли, либо ее концентрации на поверхности. При этом значительную сложность представляет определение областей источников пыли в районах с большой концентрацией аллювиальных отложений на поверхности древних морей. В качестве возможных решений проблемы были предложены различные подходы к определению районов источников пыли - по типу вегетации; высоте подстилающей поверхности; величине (и знаку) первой производной от высоты поверхности и т.д. Учет процессов образования и переноса пыли минерального происхождения особенно существенен при описании условий в ВС регионе.
Пыль в модели характеризуется определенным априори числом размеров частиц. Приведенное ниже описание методики расчета соответствует состоянию модели на июнь 1998г. В рамках построенной системы прогнозируется распространение частиц пыли одного размера с эффективным диаметром 2-2.5 мкм. Для прогноза концентрации пыли использовано уравнением неразрывности для пыли в следующей форме. (23)
здесь C - концентрация пыли выбранного радиуса, u и v - горизонтальные компоненты вектора ветра, - вертикальная скорость в системе, - коэффициент горизонтальной диффузии, - коэффициент вертикального турбулентного обмена, S - член уравнения, описывающий источники и стоки.
При определении интенсивности воспроизводства пыли используется модель вязкого подслоя (viscous sublayer, VSL) при предположении физического подобия между турбулентным перемешиванием в океане и над пустыней [Chamberlain et al., 1984; Segal et al., 1990]. А именно, предполагается, что при наличии невозмущенного потока над пустыней образуется тонкий вязкий слой. Переход к условиям в возмущенном потоке ведет к увеличению турбулентного перемешивания. В случае интенсивной турбулентности вязкий подслой исчезает, что приводит к развитию условий для мобилизации и сальтации частиц над поверхностями с источниками пыли. Такие условия характеризуются интенсивными выбросами пыли в атмосферу. Высота слоя VSL z1S определяется как
, (24)
где и M - эмпирические константы, соответствующие климатическим условиям региона, Rr - число Рейнольдса; Sc - число Шмидта;  = 0.000015 m2s-1 - коэффициент молекулярной диффузии импульса;
z0=max(0.018,1.59 х 10-5 м) - высота слоя шероховатости; - параметр, характеризующий турбулентный поток импульса по вертикали в поверхностном слое (скорость трения). Концентрация пыли C1 на верхней границе VSL определяется как , (25)
где CS - концентрация на поверхности,  - коэффициент вязкой диффузии, FS - турбулентный поток над VSL. Концентрация пыли CS на поверхности определяется из следующего соотношения как функция скорости трения
(26) где максимально допускаемое значение скорости трения , - эмпирическая безразмерная константа. Коэффициент  описывает эффекты влагосодержания почвы в определении интенсивности воспроизводства пыли:
, (27)
где wt = 0.2 кг/м3 - максимальное количество влаги в почве. Согласно этому определению, производство пыли прекращается в случаях, когда влагосодержание почвы достигает wt. Турбулентный поток пыли определяется как , (28)
где KS - турбулентный коэффициент обмена для пыли (равен значению коэффициента для случая ощутимого тепла), ∆z - глубина нижнего слоя модели и - концентрация пыли на нижнем уровне модели. При наличии непрерывности потоков на верхней границе VSL , концентрация на этом уровне определяется как
; (29)
Здесь C1 представляет нижнее граничное условие для схемы, используемой при описании процессов турбулентного перемешивания. C1 может рассматриваться как взвешенное среднее CS и CLM. Используются два пороговых значения скорости трения u = 0.225 м/c и u = 0.7 м/c разделяющие три решения уравнения (как функция значения числа Рейнольдса и соответственно скорости трения потока) (a) невозмущенный, (b) возмущенный, и (c) сильно возмущенный с мобилизацией и сальтацией частиц пыли . При достижении первого из указанных пороговых величин, значение эмпирически выбранной константы M (см. выше) меняется с 30 до 10 в соответствии с фактическими данными [Liu et al., 1979]. При расчете процесса сухого оседания пыли W = w-vg используются переменные значения скорости гравитационного и турбулентного оседания (для режимов со значениями числа Рейнольдса Rr < 0.13; 0.13 < Rr < 2.00; Rr>2.00), определяемые как функция радиуса частиц и их плотности в соответствии с формулой Стокса. Скорость оседания влажных частиц пыли в каждом слое вычисляется с учетом количества осадков, выпадающих из конвективных и крупномасштабных облаков, с использованием постоянных значений коэффициента вымывания пыли.
Реализованный в ТАУ для использования в эксперименте MEIDEX вариант модели (Eta-Dust) (50 км с 32 уровнями по вертикали) обеспечивает возможность прогнозирования концентрации пыли над значительным регионом, включающим Средиземноморский регион, северную Африку, и частично акватории Атлантического и Индийского океанов [Krichak et al, 1999]. В модели Eta-Dust реализован оригинальный подход к определению исходного распределения пыли в атмосфере по данным спутниковых наблюдений Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) Aerosol Index (AI) и информации о средне-климатическом вертикальном распределении пыли в атмосфере [Alpert et al., 2004a]. Согласно определению [Herman et al., 1997], AI = -100 {log10 () - log10 ()}, (30) где I - излучение обратного рассеяния, измеренное TOMS на волнах 340 и 380 nm, I - излучение, вычисляемое в рамках модели переноса излучения для случая чисто Релеевской атмосферы.
Данные TOMS могут использоваться для определения распределения атмосферных аэрозолей, поглощающих ультрафиолетовое излучение. Разделение между двумя видами аэрозолей в атмосфере поглощающих ультрафиолетовое излучение [Herman et al., 1997; Torres et al., 1998[ оказывается возможным на основании дополнительной информации о распределении областей с источниками пыли, сельскохозяйственных площадей и концентрации тропических лесов [Husar et al., 1997].
Используемая в модели методика описания процесса пылеобразования и переноса пыли также дополнительно усовершенствована при ее применении в ТАУ [Alpert et al, 2002a]. А именно, распределение районов источников пыли на поверхности земли в варианте ТАУ определяется по данным топографии региона. При определении вертикального распределения пыли в атмосфере по данным TOMS AI используются следующие соображения. В стандартных условиях можно предположить, что AI является функцией высоты z центра гравитации облака пыли, оптической толщины t и альбедо единичного рассеяния w аэрозоля. В этом случае допустимо предположение о линейной зависимости между интегралом массы пыли и значениям AI с коэффициентом порядка 2.0 [Alpert et al., 2002]. В соответствии с этим в последующих расчетах (при выбранных характеристиках плотности пыли и размере частиц) суммарное содержание пыли в атмосферном столбе DL (г/м2) определяется по данным AI как DL = 0.5 AI. Вертикальные профили для концентраций пыли определяются отдельно по четырем категориям профилей для TOMS AI (0.7 - 1.1, 1.1 - 1.5, 1.5 - 1.9, and > 1.9).
В разделе 2.3 обсуждаются основные характеристики региональной негидростатической модели RAMS 3b [Levin et al., 1997; Pielke et al., 1992], университета штата Колорадо и глобальной спектральной квазистатической модели атмосферы университета штата Флорида (FSU GSM) [Krishnamurti et al., 1993], также использованных при проведении обсуждаемых ниже исследований. Глава 3. Гидродинамическое прогнозирование интенсивных синоптических процессов В данной главе обсуждаются результаты анализа особенностей климата региона ВС основанного на данных, полученных при краткосрочном гидродинамическом прогнозировании синоптических процессов в оперативных условиях, а также, осуществлении экспериментального гидродинамического моделирования. Конечной целью анализа, являлось определение конфигураций моделей (параметров области моделирования, разрешения и используемых методов параметризации), обеспечивающих успешное описание рассматриваемых процессов в модели. В разделе 3.1 обсуждены результаты проведенного моделирования процессов с интенсивными осадками. В п. 3.1.1 анализируются результаты анализа синоптического процесса, характеризовавшегося интенсивными осадками в Израиле 2-3 ноября 1994 г., предпринятого с целью изучения неудачного оперативного прогноза погоды в Израиле [Krichak et al., 1997c,d; Krichak et al., 1998; Krichak et al., 2000; Krichak & Levin, 2000]. Было показано, что успешное описание данного синоптического процесса требует использования высокого разрешения по пространству. Процесс 2-3 ноября 1994 г, характеризовавшийся формированием мелкомасштабного циклона в АЛКМ, был успешно смоделирован в проведенных экспериментах с моделями ММ5 и RAMS, что обеспечило возможность определения требуемого разрешения модели, а также оптимального размера и положения области моделирования. Целью дополнительной серии экспериментов ]Dayan, 2003; Krichak et al., 2007a[ (п. 3.1.2) являлось определение оптимальных характеристик прогностической системы для ее применения при моделировании интенсивного синоптического процесса 4-5 декабря 2001 г. Указанный период характеризовался чрезвычайными осадками в Израиле. В отдельных районах интенсивность осадков достигала 260 мм за сутки (т.е. более трети годовой нормы). Необычная интенсивность осадков не была предсказана ни с помощью оперативной системы метеослужбы Израиля, ни с помощью модели ММ5 в ТАУ. Согласно результатам экспериментов, быстрая интенсификация циклона, вызвавшего проливные дожди в Израиле, произошла вскоре после смещения на юг центра низкого давления в средней тропосфере. Процесс характеризовался формированием узкой зоны с проникновением воздушных масс из стратосферы в тропосферу к 00:00 ВСВ (всемирное скоординированное время) 5 декабря 2001 г., а также направленным на север потоком влажного воздуха тропического происхождения в струйном течении на нижних уровнях тропосферы. Выбор оптимальной конфигурации модели для моделирования данного синоптического процесса основывался на результатах сравнения успешности прогнозирования осадков с использованием различных вариантов конфигурации модели, соответствующих различным вариантам преимущественных физических условий (успешность прогнозов осадков рассчитывалась по данным наблюдений на нескольких станциях в северной части прибрежной зоны Израиля). Вопросы прогностического моделирования синоптических процессов с пылевыми бурями рассмотрены в разделе 3.2. Вариант модели Eta-Dust ТАУ был использован при проведении серии экспериментов по прогнозированию выбросов пыли с заблаговременностью 48 часов. В таблице 2 приведены оценки успешности прогнозирования интегрального содержания пыли в атмосфере. Оценки рассчитаны по данным для двух временных периодов в марте и июне 2000 г. При оценке успешности прогнозов использованы как данные спутниковых измерений индекса аэрозоля (AI), так и данные наземных наблюдений в Израиле. Проанализированы три возможности определения концентрации пыли на момент начала расчета прогноза: (1) нулевая концентрация на момент начала расчета, (2) начальная концентрация определяется по данным из предыдущего прогноза и (3) начальная концентрация пыли определяется по данным TOMS AI с привлечением информации о средне-климатическом распределении пыли в атмосфере. Таблица 2
Успешность прогноза пылевых бурь в марте и июне 2000 г. в НЦИП ТАУ при различных вариантах задания исходных данных о концентрации пыли в атмосфере [Alpert et al., 2002] (в скобках указано число рассмотренных случаев) Индекс угрозы (Threat score)Корреляция массыОшибка в ориентации (градусы)Ср. расстояние
между центром массы (км)12 ч36 ч12 ч36 ч12 ч36 ч12 ч36ч10.22(18)0.20(17)0.04(20)0.49(20)23.0(12)17.1(12)448.4(12)355.4(12)20.25(13)0.17(11)0.86(15)0.91(14)18.8(14)15.6(13)485.7(14)500.3(13)30.28(13)0.22(13)0.72(16)0.65(16)13.9(14)14.0(14)351.7(14)351.6(14)40.47(27)0.43(27)0.77(27)0.72(27)12.0(36)13.3(30)193.2(36)175.0(30) В таблице приведены результаты оценки успешности прогнозов пыли с заблаговременностью 12 и 36 часов для четырех вариантов задания исходных данных о концентрации пыли: (1) отсутствие пыли в атмосфере на момент начала расчета при определении распределения областей источников пылеобразования по данным о распределении пустынь и полупустынь, (2) начальная концентрация пыли определяется по данным предшествующего (-24 ч) прогностического расчета в условиях распределения областей источников пылеобразования в соответствии с положением пустынь и полупустынь, (3) задание начальных значений концентрации пыли согласно (2), но при распределении районов образования пыли в соответствии с топографией земной поверхности.
(4) использование данных спутниковых наблюдений и определении распределения районов образования пыли согласно топографии земной поверхности.
При оценке успешности прогноза по данным измерений TOMS AI рассчитывались значения индекса угрозы (threat score), коэффициенты корреляции между количествами прогнозируемой и наблюденной общей пылевой массы, ошибки в определении ориентации центра факела пыли и ошибки в определении расстояния центра массы. Последний из перечисленных параметров определялся как средневзвешенное значение (в точках сетки модели, либо по пикселям базы данных TOMS AI) расстояний от центра массы облака пыли. Ориентация пылевого факела для расчета определялась посредством оптимального выбора параметров соответствующих эллипсов, наиболее близких к реализованным в расчете (либо наблюденным).
Результаты анализа послужили основой для принятие решения об использовании варианта модели в эксперименте MEIDEX и его дальнейшем применении при проведении регулярных расчетов ]Alpert et al., 2002]. В п. 3.2.1 обсуждены результаты анализа данных регулярных расчетов прогнозов пыли по модели Eta-Dust в ТАУ [Alpert et al., 2004a]. Целью исследования являлся анализ особенностей пространственного распределения среднемесячных характеристик содержания пыли в атмосфере над Африкой по данным регулярного прогнозирования пыли над северной Африкой и регионом СР-ВС с помощью модели в ТАУ (данные ежедневных прогнозов на 48 час. с ноября 2000 г. по июль 2003 г.). Полученные результаты анализа послужили основой для последующего усовершенствования системы прогноза пыли в ТАУ. В п. 3.2.2 В исследовании [Kishcha et al., 2005] использованы данные станции лидарного зондирования атмосферы, функционирующей на окраине Рима (41.84° с.ш. - 12.64° в.д., 130 м над уровнем моря) с 2001 г. Измеряемые профили содержания пыли архивируются в виде 10-минутных средних с вертикальным разрешением 37.5 м от 300 м до 14 км. Указанный набор данных был использован для изучения успешности ежедневных прогнозов на 48 часов с моделью Eta-Dust ТАУ по данным за 12:00 ВСВ каждого дня в период с марта 2001г. по июль 2003 г (таблица 3). Таблица 3.
Среднемесячные значения числа дней с повышенной концентрацией пыли в Риме (N  стандартное отклонение) полученное по данным TOMS и лидара. Данные TOMS рассчитаны для TOMS AI > 0.2 над областью (41°с.ш.-43°с.ш., 12°в.д.-14°в.д.) вблизи Рима за 15 летний период (1979-1993) [Kishcha et al., 2005]. МесяцыTOMS
1979-1993 гг.ЛИДАР
2001-2003 гг.Январь3.4  2.40.5  0.7Февраль3.3  2.40.3  0.6Март5.6  3.77.0  4.6Апрель6.9 3.23.3  2.1Май7.0  3.58.3  3.0Июнь5.6  3.16.7  0.6Июль5.8  2.76.0Август4.2  1.8-Сентябрь2.7  1.70.5  0.7Октябрь2.1  1.65.0  4.6Ноябрь1.9  2.34.7  1.5Декабрь2.3  2.41.3  2.3 Здесь приведены данные о количестве дней (N) с повышенной концентрацией пыли над ограниченной областью вблизи Рима. Согласно этим данным, максимум количества дней с пылью (N = 7) приходится на апрель-май, а минимум наблюдается в ноябре. Также приведены данные лидарных наблюдений за более короткий период времени (2001 - 2003 гг). Несмотря на наличие определенных расхождений, отмечается достаточно хорошее в целом соответствие данных лидарных и спутниковых наблюдений в период с марта по июнь, что свидетельствует в пользу применения обоих видов данных наблюдений с целью анализа успешности прогнозирования пыли с помощью модели.
Была проанализирована успешность прогнозирования пыли с помощью модели в период 2001 - 2003 гг. Выбранные случаи (34 события) были распределены по следующим четырем категориям (I - IV):
I) результаты расчета хорошо совпадают с данными измерений в диапазоне высот 1.6 - 5.1 км (т.е. в диапазоне с типичными значениями высот нижней и верхней границ слоя пыли);
II) модельные и измеренные профили концентраций пыли не совпадают, но имеет место подобие между их распределениями по вертикали;
III) профили моделируемой концентрации совпадают с результатами измерений лишь в части пылевого слоя (нижней, средней, верхней);
IV) нет соответствия между профилями.
Согласно результатам анализа, в 38% из рассмотренных случаев имели место условия соответствующие категории I, отмечается некоторое занижение прогнозируемого количества пыли по сравнению с фактическим. Также успешными могут считаться результаты расчета в 29% рассмотренных ситуаций относящихся к категории II. 33% рассмотренных случаев относятся к категориям III и IV (неудачные прогнозы). Выявлен факт недостаточной надежности результатов оценки по данным лидара вблизи подстилающей поверхности. В п. 3.2.3 проведено рассмотрение трех синоптических ситуаций, соответствующих обсуждаемым выше категориям. Успешность прогнозирования характеристик пыли с помощью модели может зависеть от степени успешности прогнозирования стандартных метеорологических полей - ветра, приземного давления, высот изобарических поверхностей и температуры. Целью анализа ]Kishcha et al., 2005] являлось изучение роли атмосферной составляющей в определении успешности прогнозирования концентрации пыли. Была проанализирована успешность прогнозов ряда метеорологических характеристик в регионе 25o с.ш. - 45o с.ш., 10o в.д.- 25o в.д. по данным для выбранных 34 случаев расчета прогноза. Также рассчитывалась успешность прогнозирования объема пылевой массы. Результаты анализа приведены в таблице 4. Таблица 4.
Среднеквадратические ошибки (RMSE) для I - IV категорий успешности прогнозирования пыли и различных характеристик (см. Примечание)
TYPESLPH500T850U1000V1000U850V850U500V500dVaveI1.8310.183.311.250.982.372.002.392.373.79II1.789.493.061.271.032.201.942.252.3017.62III1.608.293.010.900.981.861.592.142.125.53IV1.6911.652.451.151.242.271.902.472.2655.70 Примечание: приведены значения ошибок (RMSE) вычисленные по данным за период с 2001 по 2003 гг. (34 случая) для следующих характеристик: SLP - атмосферное давление над уровнем моря (гПа), H500 - высота поверхности 500 гПа (м), T850 - температура воздуха на поверхности 850 гПа (°С), U-, V- 1000, 850, 500 - компоненты u, v скорости ветра на поверхностях 1000, 850 и 500 гПа (м/с), dVave - абсолютные значения разностей 25oс.ш. - 45oс.ш., 10oз.д. - 25oв.д. (10-12см3/см3) согласно лидарным и прогностическим данным.
Согласно результатам анализа, уровень успешности прогнозирования метеорологических характеристик на 24 часа, в условиях, характеризующихся выбросами пыли в районе Рима, является удовлетворительным. Не выявлено значимой зависимости успешности прогнозирования объема пылевой массы от степени успешности прогнозирования метеорологических характеристик. На этом основании, наиболее существенным для повышения успешности прогнозирования пыли, было признано усовершенствование блоков модели ответственных за описание процессов связанных с формированием и эволюцией пылевой массы. В соответствии с этим, было осуществлено дальнейшее развитие системы прогнозирования пыли в ТАУ, В результате, был подготовлен новый вариант прогностической системы, основанный на применении разработанной ранее [Nickovic et al., 2001] модели Eta - Dust Regional Atmospheric Model (DREAM). Произведено сравнение точности прогнозов с помощью трех вариантов модели Ета (1) Dust Regional Atmospheric Model (DREAM) (пыль четырех размеров - бин (0.7, 6.1, 18.0 и 38 microns), (2) более старый вариант модели SKIRON (1 бин) университета Афин (UOA), и (3) разработанный для эксперимента MEIDEX 1 бин Ета-Dust (ТАУ) [Kishcha et al., 2007a,b]. Результаты анализа свидетельствуют о более высоком уровне успешности прогнозов пыли с помощью новой системы.
В 2006 г используемая в ТАУ прогностическая система Eta-Dust, с использованием частиц пыли одного размера, была заменена на систему DREAM, с использованием четырех, а в дальнейшем восьми бин частиц пыли [Kishcha et al., 2007a,b].
Глава 4. Механизмы формирования интенсивных синоптических процессов ВС Количество выпадающих в ВС осадков зависит от особенностей синоптических процессов, сопровождающихся дождями и пылевыми бурями в регионе. Характерной особенностью климата региона является значительная роль циклонов с интенсивными осадками, в ряде случаев составляющими более 30-40% годовой нормы в соответствующих пунктах. Проливные дожди и пылевые бури в регионе ВС, как правило, являются следствием интенсивных синоптических процессов, развивающихся не только в ближайшей окрестности региона ВС, но и в удаленных от ВС областях [Krichak et al, 2004; Buzzi, 1995; Лаврова и др., 2010; Шакина, Скриптунова, Иванова, Хоменко, 2003; Chakina et al., 2001, 2003]. Учет данного обстоятельства представляется важным для повышения успешности регионального гидродинамического моделирования. Излагаемые в данном разделе анализы имели целью решение обсуждаемых ниже двух основных задач: 1) - определение оптимальных конфигураций используемых гидродинамических моделей для их дальнейшего применения при краткосрочном прогнозе погоды в регионе ВС, 2) - выяснение физических (синоптических) механизмов, ответственных за развитие анализируемых экстремально интенсивных процессов с целью учета полученной информации при анализе результатов моделирования климата ВС.
Как было указано ранее, климат региона ВС характеризуется периодами с интенсивным взаимодействием воздушных масс тропического происхождения и воздушных масс средних широт. В ситуациях, когда роль данного фактора оказывается существенной, синоптические процессы, как правило, характеризуются условиями погоды с чрезвычайными последствиями (ветры, сильные дожди и пылевые бури). Ввиду этого, при определении параметров конфигурации модели для моделирования климата региона ВС, представлялось целесообразным концентрирование исследовательских усилий на выявлении факторов, ответственных за формирование синоптических процессов, характеризующихся событиями с чрезвычайными последствиями. Обсуждаемые в данной главе анализы сосредоточены на изучении особенностей нескольких таких синоптических процессов холодного периода года и успешности их гидродинамического моделирования. Для моделирования использованы гидродинамические модели, на момент проведения анализа использовавшиеся в ТАУ в целях краткосрочного прогнозирования погоды. Расчеты при моделировании осуществлены с использованием реальных данных, определяемых в узлах регулярных сеток точек.
В разделе 4.1 представлены результаты исследования двух (13-16 марта 1998 г. и 17-19 марта 1999 г.) синоптических процессов с пылевыми бурями. Процессы характеризовались мощными пылевыми бурями в регионе ВС. Период 13-16 марта 1998 г. (п. 4.1.1) характеризовался развитием сильной пылевой бури в Израиле. Также отмечены достаточно высокие значения индекса TOMS AI над Африкой [Hsu et al., 1999]. Изучаемый синоптический процесс характеризовался также формированием циклона Шарав в северной Африке. Может быть отмечен взрывной характер трансформации циклона с 12:00 ВСВ 14 марта до 12:00 ВСВ 15 марта 1998 г. - приземное давление в центре циклона за сутки упало с 1017 до 997 гПа. Одной из задач проведенного анализа являлось определение района формирования пылевого облака. Анализ процесса включил в себя его моделирование (13 - 17 марта 1998 г.) с использованием модели Eta-Dust [Tsidulko et al., 2002]. Использована стандартная область расчета по модели Eta-Dust ТАУ. В качестве исходных данных (и при определении боковых граничных условий) использовались данные объективного анализа Европейского Центра Среднесрочных Прогнозов (ECMWF). Интегрирование модели осуществлено с 00:00 ВСВ 4 марта 1998 г. до 00:00 ВСВ 18 марта 1998 г. в режиме ре-инициализации, т.е. использования нового набора исходных данных через каждые 24 часа эксперимента. Таким образом, проведенный численный эксперимент состоял из четырех последовательных 24-часовых расчетов. Результаты моделирования свидетельствуют об интенсификации циклона около 12:00 ВСВ 15 марта, т.е. после того как он вошел в прибрежную зону северной Африки. На основании результатов анализа сделан вывод, что формирование изучаемого процесса могло быть обусловлено интенсивной адвекцией воздушных масс из окружающих регионов тропической либо субтропической зоны. Роль данного фактора в развитии интенсивных синоптических процессов в регионе ВС ранее не принималась во внимание в нужной мере. Изучение следующего синоптического процесса 17-20 марта 1999 г. (п. 4.1.2), характеризовавшегося мощной пылевой бурей в регионе ВС, осуществлялось в рамках реализации программы исследований международного эксперимента INDOEX 1999 г [Krichak et al., 2002b]. Период зимнего индийского муссона характеризуется устойчивым потоком воздушных масс с территории Индии в Аравийское море и экваториальные районы Индийского океана. В этот период воздушные массы над Аравийским морем характеризуются высоким содержанием атмосферной сажи, сульфатов и других антропогенных аэрозолей. Этот постоянно действующий фактор представляет серьезную потенциальную проблему для климата, как в глобальном масштабе, так и в изучаемом регионе. При проведении анализа процесса, выделена область, расположенная над значительным районом северной Африки, в которой находился моделируемый в эксперименте циклон на 12:00 ВСВ 20 марта 1999 г. (5°c.ш.-18°c.ш.; 0°в.д.-30°в.д). Обсуждаются результаты моделирования рассмотренного синоптического процесса с помощью модели Eta-Dust. В качестве исходных данных для моделирования использованы таковые из архива анализов ECMWF в 00:00 ВСВ 17 марта 1999 г. На основании результатов анализа, сделан вывод о том, что развитие циклона, вызвавшего формирование плотного облака пыли в регионе ВС 16-17 марта 1999 г., явилось следствием интенсивного синоптического процесса. Указанный процесс характеризовался участием влажных воздушных масс, поступающих как из районов восточной Атлантики и Африки, так и районов Аравийского полуострова. Данный результат демонстрирует роль интенсивной адвекции влажных воздушных масс из тропической зоны в развитии синоптических процессов с чрезвычайно интенсивными осадками в регионе ВС.
В разделе 4.2 представлены результаты анализа синоптических процессов с интенсивными осадками. Синоптический процесс 3-5 марта 1982 г. (п. 4.2.1) характеризовался взрывным развитием циклона в Генуэзском заливе в подветренном районе Альп. Барическая система начала развиваться в Генуэзском заливе 3 марта 1982 г. после прохождения высотной ложбины, связанной с интенсивным синоптическим процессом в Атлантике. Процесс характеризовался быстрым углублением циклона (более 6 гПа за 12 часов с 4 по 5 марта), сопровождавшимся выпадением значительного количества осадков. Задачей исследования [Alpert et al., 1996b] явилось выявление физических механизмов ответственных за формирование данного интенсивного процесса. При проведении анализа данного эпизода применен подход, основанный на использовании методики разделения факторов (РФ) (factor separation) Stein and Alpert [1993]. Основные положения метода состоят в следующем. Пусть рассматривается роль лишь одного физического эффекта (фактора) a в развитии изучаемого с помощью модели процесса. В этом случае изменение по времени некоторой характеристики f, вычисляемое при интегрировании по времени системы уравнений модели (базовая система BS) без учета изучаемого физического фактора в какой либо точке сетки, может быть обозначено как F0. При этом изменение f вычисляемое при интегрировании по времени системы нелинейных уравнений модели (базовая система BS) с учетом фактора a , обозначается как Fa + Fa0. (Fa0 - изменение решения системы BS вследствие действия фактора a). Таким образом, для определения вклада одного фактора в моделируемый процесс требуется осуществление, по крайней мере, двух (в случае если ролью взаимодействия с нелинейной системой Fa0 можно пренебречь) расчетов (с учетом и без учета роли эффекта a). Более сложной оказывается ситуация в случае, когда рассматриваются роли двух одновременно действующих факторов. В этом случае система уравнений модели с обоими выключенными факторами может рассматриваться в качестве BS. Суммарное изменение по времени переменной f в точке оказывается результатом суммы вкладов всех действующих эффектов F0, Fa0 , Fb0 , F, F , Fab , то есть вклада каждого из рассматриваемых факторов, взаимодействий между ними и эффектов нелинейного взаимодействия каждого из факторов с BS. Ситуация оказывается сравнительно простой в случаях, когда ролью взаимодействия факторов и их групп с решением BS можно пренебречь. В этом случае, может быть применен метод РФ. Для определения вкладов факторов а и b, Fa Fb и их взаимодействия друг с другом Fab, по методу РФ требуется осуществление четырех экспериментов [(1) - оба фактора выключены, (2) оба фактора включены, (3) включен фактор а, но фактор b выключен, (4) выключен фактор а, но фактор b включен]. В работе Alpert et al. [1996b], проанализирована роль следующих факторов: (1) - топографии (t), (2) атмосферной конвекции, (3) турбулентного потока тепла (s) и влаги (l и (4) - выделения тепла конденсации (r) в развитии изучаемого процесса. Использована модель ММ4 с разрешением по горизонтали 80 км (сетка точек 46 х 34) и 16 уровнями по вертикали с верхним уровнем модели, заданным на высоте 16 км. Как исходные данные, так и боковые граничные условия, определялись по данным объективного анализа ECMWF с 12:00 ВСВ 3 марта по 12:00 ВСВ 6 марта 1982 г. Несмотря на важность вкладов перечисленных эффектов в изучаемом интенсивном процессе, не ими определялась степень экстремальности синоптического процесса 3-5 марта 1982 г. Согласно результатам дальнейшего анализа [Alpert et al., 1996a], взрывной характер циклогенеза в указанный период являлся следствием особенностей развития погоды за пределами области проведенных экспериментов по гидродинамическому моделированию. Изучение эффектов процессов, формирующихся над удаленными районами, в развитии интенсивных синоптических процессов в регионе ВС было продолжено на примере процесса 1-5 ноября 1994 г. (п. 4.2.2). Указанный период времени характеризовался сильными ветрами, проливными дождями и наводнениями над значительной частью региона СР-ВС [Lagovardos et al., 2006] и, в особенности, в юго-восточной части Средиземноморского региона (Египет и Израиль). Как и ранее, целью исследования являлось выявление физических механизмов, вызвавших формирование изучаемого синоптического процесса. В числе возможных факторов, определивших интенсивность осадков в регионе ВС в период рассматриваемого синоптического процесса, были рассмотрены (1) микрофизические процессы в облаках [Krichak & Levin, 2000] (2) турбулентные потоки тепла и влаги [Krichak & Alpert, 2002]. При анализе данного синоптического процесса применена методика частичного (фракционного) разделения факторов (ФРФ) (fractional factor separation, FFS) [Krichak & Alpert, 2002], являющаяся результатов развития стандартного метода РФ. Методика ФРФ обеспечивает возможность выявления роли эффектов нелинейного взаимодействия изучаемых факторов, и их групп, с основным решением BS.
Было также осуществлено дополнительное изучение роли эффектов влажной динамики атмосферы в развитии синоптического процесса [Krichak & Alpert, 1998]. Результаты проведенных анализов продемонстрировали преобладание роли адвекции влажных воздушных масс из тропической зоны в формировании синоптического процесса 1-5 ноября 1994 г. с экстремальными осадками в регионе ВС. Дальнейшее изучение роли выявленного фактора (адвекции влажного воздуха из удаленных районов тропической зоны) в развитии интенсивных циклонов в ВС было осуществлено в рамках анализа еще одного синоптического процесса [Krichak et al., 2004, 2005, 2006] (п. 4.2.3). Данный период (с 00:00 ВСВ 3 декабря по 00:00 ВСВ 5 декабря 2001 г.) характеризовался выпадением чрезвычайно сильных осадков в северных районах Израиля. Интенсивность осадков в некоторых районах достигла 260 мм/сутки- и более (при годовой норме осадков - 600 мм). синоптическому анализу, изучаемый процесс был результатом формирования интенсивного Кипрского циклона.
Исходные данные и боковые граничные условия для эксперимента определены согласно результатам усвоения данных и прогноза глобальной прогностической системы Национального Центра Прогнозов для Окружающей Среды, США (GFS NCEP). Развитие изучаемого процесса было успешно описано с помощью модели ММ5 с высоким пространственным разрешением (60, 15, 5, 1.25 км [Krichak et al., 2007]). Результаты анализа показывают, что интенсивность изучаемого синоптического процесса была определена как особенностями процесса в верхней тропосфере (формирование струйного течения из района Европы в направлении региона СР-ВС), так и эффектами взаимодействия топографии региона со струйным течением низких уровней, характеризовавшегося высокой концентрацией водяного пара тропического происхождения [Krichak et al., 2004, 2006, 2007]. Результаты анализа рассмотренных выше синоптических процессов позволяют сделать вывод, что проливные дожди и интенсивные пылевые бури в регионе ВС, в ряде случаев, являются следствием эффекта атмосферных рек [Krichak, 2008; Krichak et al., 2012]. В разделе 4.3 проведен анализ роли атмосферных рек (АР) в синоптических процессах СР. "Атмосферными реками" называются узкие (порядка 500 км) и длинные (более 2000-3000 км) зоны, с большими значениями суммарного влагосодержания в столбе атмосферы (осажденная вода, ОВ) более 20 мм, высокими скоростями ветра (более 12 м сек-1) и конвергенцией потока в нижних 2.5 - 3 км тропосферы, находящиеся (как правило) в более широких областях направленного на север потока "теплой несущей полосы" [Ralph et al. 2006; Browning 1990; Carlson, 1991]. Результаты проведенного анализа свидетельствуют об обоснованности предположения о роли АР в формировании синоптических процессов с экстремальными осадками холодного сезона в регионе ВС [Krichak, 2008]. В разделе 4.4 исследуются процессы ответственные за формирование ложбины Красного моря. Ввиду географической близости региона Красного моря к региону ВС, среди проанализированных в предыдущих разделах синоптических процессов сопровождающихся чрезвычайными последствиями, значительный интерес представляют процессы формирования ЛКМ [Krichak et al., 1997a,b]. Особое значение для понимания режима осадков региона ВС имеют системы АЛКМ. Согласно разработанной концептуальной модели АЛКМ [Krichak et al., 2012], АЛКМ может рассматриваться как специфическая форма АР в регионе ВС.
Глава 5. Роль телеконнекций в колебаниях количества осадков в регионе ВС
Как указано выше, применение методики гидродинамического климатического моделирования в случае региона ВС предполагает использования синоптически обоснованного определения размеров области моделирования. С целью определения оптимальных размеров области моделирования, осуществлен цикл анализов географического распределения областей влияния, действующих в ВС, режимов телеконнекций на распределение осадков в регионе ВС. В разделе 5.1 приведены результаты анализа роли NAO и EA/WR в осадках ВС. В частности, было выявлено наличие статистически значимой роли колебаний индекса NAO в вариациях температуры воздуха в Израиле [Ben-Gai et al., 1998]. В то же время, не было выявлено какой-либо роли NAO в вариациях количества выпадающих осадков в ВС. Указанный результат свидетельствует о наличии невыясненного циркуляционного механизма, определяющего указанную зависимость. Выявление механизмов влияния основных европейских телеконнекций (NAO и EAWR) в колебаниях погоды в ВС представляется необходимым этапом при определении оптимальной конфигурации системы РКМ для моделирования климата региона. Решению данного вопроса посвящены исследования диссертанта ]Krichak et al., 2000a,b; Krichak et al., 2002a], основанные на использовании архивов среднемесячных данных. Показано, что в центральной и южной части восточного Средиземноморья вклад в осадки эффектов положительной фазы EA/WR в случае также положительной фазы NAO сказывается существенным. В то же время весь СР (северная часть) характеризуется существенно большим количеством осадков в месяцы с отрицательными значениями индекса NAO. В разделе 5.2 анализируется роль EA/WR в осадках. Произведен анализ поля распределения пространственных корреляций между значениями индекса EA/WR и количеством среднемесячных осадков [Krichak et al., 2002a]. Отмечается наличие ранее выявленного положительного тренда индекса. Периоды 1953 - 1962 гг. и 1974 - 1983 гг. характеризовались низкими значениями индекса EA/WR зимой, а периоды 1964 - 1973 гг. и 1984 - 1993 гг высокими значениями индекса. Определены типичные картины циркуляции в нижней тропосфере, характеризующие периоды с осадками в ВС. Полученные картины для низких значений EA/WR вблизи региона ВС характеризуются северо-западным потоком в нижней тропосфере. В то же время циркуляционная картина для периодов с высокими значения индекса EA/WR характеризуется наличием циркуляционной системы с адвекцией воздуха в регион ВС из центральной Европы. Таким образом, роль EA/WR в модуляции колебания индекса NAO и его влияние на распределении осадков в регионе ВС объясняется определением преобладающего направления воздушных потоков. Глава 6. Конфигурирование РКМ с целью моделирования климата региона ВС
Применение метода РКМ для определения проекций ожидаемого изменения климатических характеристик региона вследствие увеличения концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфере основывается на следующих предположениях. (1) Как современное состояние глобального климата, так и основные климатические процессы, являющиеся следствием изменения концентрации парниковых газов в атмосфере, успешно воспроизводятся с помощью глобальной климатической модели, используемой в качестве направляющей.
(2) Прогностический прототип используемой региональной модели атмосферы обеспечивает возможность успешного воспроизведения (прогнозирования) реальных процессов синоптического масштаба.
(3) Конфигурация РКМ, используемая для моделирования процесса изменения климата изучаемого региона, обеспечивает успешное воспроизведение современного состояния климата, как в самом анализируемом регионе, так и в районах, роль мелкомасштабных процессов в которых существенна для формирования изучаемого регионального климата.
На основании изложенных выше результатов анализа и опыта оперативного прогнозирования погоды в Израиле, для осуществления РКМ выбрана модель RegCM3 в конфигурации, обеспечивающей удовлетворение нижеследующим требованиям:
- выбор параметров конфигурации с целью учета методов параметризации подсеточных процессов производится в соответствии с опытом оперативного краткосрочного прогнозирования интенсивных синоптических процессов в регионе ВС;
- выбор области моделирования осуществляется в соответствии с выявленными особенностями циркуляции атмосферы, типичной для синоптических процессов с интенсивными осадками в регионе ВС;
- конфигурация модели должна обеспечивать достаточно детальное описание эффектов взаимодействия субтропического струйного течения в верхней тропосфере с топографией региона в северо-восточной Африке, роли АР тропического происхождения и потоков влажных воздушных масс из районов западной Европы.
В разделе 6.1 обсуждаются вопросы определения конфигурации климатической модели на основании результатов исследования особенностей основных действующих в регионе синоптических процессов. В процессе разработки и оперативного применения модели в оперативной практике были определены оптимальные характеристик их конфигурации, обеспечивающие успешность описания особенностей развития интенсивных атмосферных процессов [Krichak et al., 2002с; 2005]. При моделировании климата в ТАУ использована модель RegCM3 [Krichak et al., 2005с]. На основе анализа результатов проведения проведенных как в ТАУ, так и в ICTP [Giorgi et al., 2003; Pal et al., 2007] расчетов, реализован вариант модели, обеспечивающий учет необходимых для описания климата региона ВС физических процессов. В процессе проведения исследования были проанализированы:
- успешность воспроизведения климата региона ВС и его окрестностей с моделью RegCM3 при задании "точных" боковых граничных условий;
- успешность воспроизведения климата региона ВС с моделью RegCM3 при задании направляющих данных из глобальных экспериментов;
- чувствительность результатов моделирования изменения климата с РКМ к выбору сценария ожидаемой антропогенной эмиссии парниковых газов;
- эффекты размера и географического положения области РКМ;
- роль параметризации процессов конвекции.
Вопросы анализа успешности воспроизведения климата при задании "точных" боковых граничных условий обсуждены в п. 6.1.1.Уровни успешности воспроизводства климата оказываются, как правило, различными, в случаях применения одной и той же модели в различных регионах земного шара. При этом повышение точности описания региональных климатообразующих эффектов в конкретных районах обеспечивается использованием физически сбалансированных методик параметризации физических процессов, ориентированных на описание процессов в каждом из регионов. В соответствии с этим, в процессе определения оптимальной конфигурации модели RegCM3 с целью ее применения для изучения климата региона ВС, осуществлен анализ успешности воспроизведения климатических особенностей в районах, климатические процессы в которых определяют таковые в ВС. В рамках исследования осуществлены два эксперимента с моделью RegCM3 с целью воспроизводства климата (1) южных районов Европы - разработанная методика анализа и результаты представлены в [Кричак, 2008] и (2) значительной части СР [Krichak et al., 2008]. Результаты анализа свидетельствуют об удовлетворительности уровня соответствия между полями рассчитываемых с помощью модели и фактических климатических характеристик в регионе ВС. В разделе 6.2 обсуждаются исследования возможностей применения методики РКМ для уточнения (телескопизации) результатов глобального моделирования. Успешность как описания климата региона, так таковая при моделировании его будущих изменений могут зависеть от выбора источника направляющих данных (поступающих на каждом шаге по времени с боковых границ области регионального моделирования). Осуществлен эксперимент по моделированию процесса изменения климата региона ВС в XXI веке [Krichak et al., 2007b] с использованием модели RegCM3 [Giorgi 2003, Pal et al., 2007] (разрешение 50 км). Эксперимент состоял в проведении трех расчетов на периоды соответствующие настоящему (недавнему) (CT, 1961-1990 гг.) и будущему (2071-2100 гг.) состоянию климата. В качестве направляющих, в эксперименте использованы результаты глобального моделирования климата, проведенного в (1) Климатическом Центре Гадлея Метеорологической Службы Великобритании (U.K. Met. Office Hadley Center) с моделью HadCM3-HadAM3P) и (2) Национальном Агентстве Космических Исследований (NASA) - модель FV-GCM ]Atlas et al., 2005]. Для определения степени чувствительности результатов моделирования к выбору методики параметризации физических процессов, расчеты с данными HadCM3- HadAM3P проведены с использованием двух различных наборов параметров конфигурации модели (PRCS1 и PRCS2). В расчетах с использованием данных модели FV-GCM использован один набор параметров конфигурации модели (FVGCM).
Произведено сопоставление результатов моделирования климата за период 1961-1990 г. с данными климатического архива Climate Research Unit университета Южной Англии [Mitchell et al., 2004]. В районах, расположенных к северу от региона СР (и особенности на Кавказе), результаты эксперимента характеризуются завышением количества выпадающих летних осадков, в особенности конвективных. Распределение температуры воздуха, однако, воспроизводится успешно (в особенности летом - максимальная ошибка воспроизведения температуры ~ 2 °C). В п. 6.2.1 обсуждаются результаты моделирования полей многолетних среднесезонных летних и зимних значений приземной температуры воздуха, ветра, приходящей поглощенной коротковолновой радиации и осадков над областью, включающей южную Турцию, центральный район ВС (Ливан, Сирия и Израиль) и южную часть ВС (Египет и юг Израиля и ПА в современный климатический период (1961-1990 гг.) в сравнении с данными Климатического Центра Университета Восточной Англии [Mitchell et al., 2004] of the University of East Anglia, U.K. (Climate Research Unit,CRU) [Krichak et al., 2007b]. Согласно результатам проведенного анализа успешность воспроизведения регионального климата при РКМ моделировании для региона ВС наиболее чувствительна к отличиям в результатах глобального климатического моделирования. Следующим по значимости оказывается эффект уточнения самой региональной модели. В п. 6.2.2 обсуждены результаты моделирования процесса изменения климата в регионе ВС с моделью HadAM3 [Johns et al., 2003] к концу XXI века [Krichak et al., 2007b]. Картина моделируемого изменения среднего по сезону приземного давления зимой характеризуется структурой диполя с понижением приземного давления над северо-западной Европой (более частые и глубокие циклоны и увеличение количества выпадающих осадков) и его ростом (более частые и мощные антициклоны, холодная и сухая погода) к северу от ВС (восточная Европа и ЕТР). Моделируемый в глобальном эксперименте процесс крупномасштабного изменения поля приземного давления в Европе летом характеризуется понижением давления в центральной и южной России и его ростом в восточной Атлантике. Формирование подобной картины аномалии свидетельствует об усилении северных потоков в ВС. К концу XXI века РКМ экспериментом проецируется ослабление западных потоков (DJF и JJA) в ВС, усиление северных потоков в районе Кипра и возрастание интенсивности потока поглощаемого коротковолнового излучения в северных районах (DJF и JJA) и центральных (DJF) частях СР, что означает возрастание температуры и уменьшение годового количества осадков. Указанное изменение климатических условий в регионе летом оказывается в основном результатом изменений климата в Европе. Иные механизмы оказываются действующими в летний сезон - они связаны с процессами меньшего масштаба в ВС и ролью летнего муссона. В разделе 6.3 обсуждена роль выбора параметров (размера и положения) области моделирования [Krichak et al., 2010]. Как уже отмечено в предыдущих разделах, при использовании РКМ- подхода для воспроизведения климатических особенностей региона ВС, существенным представляется обеспечение успешности моделирования синоптических процессов не только в самой целевой области, но и на значительной части западной и юго-восточной Европы, северо- и юго-западной Азии и северной Африки. Для успешного описания климата региона ВС существенной также представляется успешность описания эффектов Индийского (Азиатского) и Африканского муссонов. Результаты анализа свидетельствуют о существенности эффектов синоптических процессов средних широт и в особенности переноса влаги над западной Европой и субтропической Африкой и Аравийским морем. На основании результатов исследования определены параметры варианта модели, обеспечивающего эффективный учет местных климатических особенностей региона ВС. Глава 7. Гидродинамическое моделирование ожидаемого изменения климата региона ВС в первой половине XXI века В разделе 7.1 обсуждается постановка экспериментов по моделированию процесса изменения климата в рамках проекта Glowa JR. B процессе выполнения исследований в рамках Glowa JR, в Израиле (в ТАУ) и Германии (в Институте Технологии Карлсруэ, Институте Метеорологии и Климатических Исследований, Karlsruhe Institute of Technology, Institute for Meteorology and Climate Research, (IMK-IFU)) были осуществлены подготовка, реализация и анализ результатов двух групп экспериментов по гидродинамическому моделированию регионального изменения климата региона ВС с 1961 г. по 2060 г. В Германии, при проведении РКМ-эксперимента был использован климатический вариант модели ММ5 (с горизонтальным разрешением 54 и 18 км. В Израиле, расчеты проведены с помощью модели RegCM3. Начальные и боковые граничные условия в проведенных расчетах определялись по результатам моделирования климата с глобальными моделями ECHAM5 (Института Макса Планка по Метеорологии, Гамбург, Германия, Max-Plank Institute for Meteorology, Hamburg, Germany) и HadCM3, Hadley Centre, UK). В обоих экспериментах по моделированию процесса изменения климата в регионе ВС использован сценарий А1В ожидаемой эмиссии парниковых газов. Результаты экспериментов обсуждены в Krichak et al., [2009], Smiatek et al., [2011] and Krichak et al., [2011]. В разделе 7.2 обсуждаются результаты воспроизведения современного состояния климата региона ВС в эксперименте, проведенном в ТАУ. В рамках реализации программы работы осуществлен РМК эксперимент по моделированию климата с моделью RegCM3 (направляющие данные из эксперимента ECHAM5, сценарий А1В) с использованием двойного разрешения [Krichak et al., 2009; 2010]. При этом моделирование осуществлялось дважды с использованием более грубого (по горизонтали 50 км (80 x 80 точек), по вертикали 14 уровней) и более высокого (по горизонтали 25 км (160x160 точек), по вертикали 18 уровней) пространственных разрешений. В обоих расчетах использована область моделирования, покрывающая как восточную часть Средиземноморского региона, так и значительную часть окружающих районов от северной Африки до центрального района полуострова Малая Азия. Интегрирование модели произведено в непрерывном режиме на период с 1960 по 2060. Моделирование с использования двойного пространственного разрешения ]Krichak et al., 2009, 2010] обеспечило возможность оценки роли процессов малого пространственного масштаба в процессе изменения климата региона ВС. Осуществлено сравнение успешности воспроизведения указанных выше характеристик климата в эксперименте с разрешением 50 км и 25 км. При использовании разрешения 25 км (вместо 50 км) точность воспроизведения климата осадков существенно возрастает. Менее ясной оказывается роль повышения горизонтального разрешения модели при расчете температуры. Согласно результатам дополнительных анализов, использование более высокого разрешения обеспечивает повышение точности воспроизведения температуры воздуха в прибрежных районах.
Основные особенности современного климата ВС успешно воспроизводятся как в расчете с разрешением 50 km/14L [Krichak et al., 2009], так и при использовании более высокого разрешения 25 km/18L [Krichak et al. 2011; Samuels et al., 2010]. Могут быть отмечены определенные различия, очевидно являющиеся следствием таковых в воспроизведении малых масштабов. В разделе 7.3 обсуждены результаты моделирования процесса изменения климата. Осуществление РКМ с использованием двойного пространственного разрешения обеспечило возможность оценки роли процессов малого пространственного масштаба в процессе изменения климата региона ВС. Применение стратегии моделирования с использованием двойного разрешения обнаруживает возрастание роли зимних мелкомасштабных (конвективных) процессов в регионе ВС при потеплении климата. Согласно результатам эксперимента, температура воздуха будет возрастать в течение всех четырех сезонов года. Моделируемые тренды демонстрируют возрастание роли мелкомасштабных эффектов при изменении климата. Результаты расчета свидетельствуют также об ускорении процесса возрастания приземной температуры воздуха в регионе в течение первой половины XXI века. Указанный эффект представляется следствием того, что изменение климата в регионе ВС в значительной степени определяется таковым над Азией.
В исследовании определены линейные тренды ожидаемого изменения сезонных (DJF, MAM, JJA, SON) количества осадков и температуры воздуха для каждой точки сетки модели. Согласно полученным результатам прибрежная зона в ВС характеризуется отрицательным трендом в осадках в зимний сезон. В районе ВС моделируется существенное уменьшение осадков достигающее -30 мм/декада.
Подобные изменения в сезонных осадках проецируются для севера ВС. Незначительный отрицательный тренд (10 мм/декада) характеризует северную часть ВС весной (MAM). Незначительный и не статистически значимый рост проектируется для количества осадков весной (5 мм/декада) в ВС. Практически отсутствуют изменения осадков летом во всем регионе (JJA). Эксперимент предсказывает также статистически значимое уменьшение количества осадков осенью (~10 мм/декада) в прибрежной зоне.
Весь регион характеризуется статистически значимым возрастанием температуры T2m зимой (0.4ºC-0.5 ºC/декада) Менее интенсивный рост температуры прогнозируется весной (~0.3 ºC/декада) в прибрежной зоне. Более интенсивный рост (0.5 ºC/декада) характеризует континентальные районы в южной Турции и на северо-востоке СР-ВС. Также сравнительно медленный рост Т2m (0.35 ºC/декада) проецируется в прибрежной зоне летом (JJA). Этот тренд более заметен над средним востоком ( > 0.6 ºC/декада) и Малой Азией (0.5 ºC/декада). Температура воздуха растет и осенью (SON) от ~0.2 ºC/декада. Согласно результатам эксперимента в течение первой половины ХХI в. будет происходить постепенное повышение зимней температуры воздуха. Над морем рост температуры составит 1.2 ºC/декада. Рост температуры воздуха составит 1.5-2 ºC/декада в прибрежных районах суши региона ВС и Ближнего Востока. Эксперимент предсказывает еще более значительное повышение зимней температуры воздуха (до 2.5 ºC/декада) в регионе расположенном к юго-востоку от ВС. Проецируется также рост температуры воздуха во время весеннего периода. При этом положение областей минимумов и максимумов в росте весенней температуры существенно отличается от таковых в зимний период. А именно, область с минимальным ростом температуры воздуха смещена на юг по сравнению с зимними условиями. Согласно результатам эксперимента наиболее интенсивный рост приземной температуры воздуха будет происходить в весенний период (до 2.6 °С/декада) над югом, востоком и в особенности юго-востоком региона ВС. Дополнительная область роста весенней температуры воздуха (2°С/декада) расположена над Грецией. Эксперимент проецирует рост приземной температуры воздуха также в летний сезон. Область с максимально интенсивным ростом приземной температуры воздуха в летний сезон (2ºC/декада) располагается в юго-восточной части рассматриваемой области расчета. Дополнительная зона моделируемого роста приземной температуры воздуха располагается над прибрежными районами Греции и Турции. Моделируемый в эксперименте рост летней температуры воздуха оказывается минимальным в районе Египта (1.2ºC/декада) и севере Турции (~1.0ºC/декада). Над районом Израиля экспериментом моделируется умеренный рост летней температуры воздуха (1.2 - 1.6ºC/декада). Моделируемое в эксперименте возрастание осенней температуры составляет (+1.0ºC/декада) с максимумом над морем. В Израиле Турции и Греции экспериментом проецируется умеренный рост температуры (0.2ºC - 0.4ºC/декада). Прогнозируется практически полное отсутствие роста приземной температуры воздуха в осенний период в Египте и других странах Ближнего Востока.
Глава 8. Применение результатов гидродинамического моделирования изменения климата в регионе ВС при решении народно-хозяйственных задач
В данной главе работы излагаются результаты трех серий анализов, целью которых являлась отработка методологии для использования результатов РКМ изменения климата региона ВС при решении прикладных народно-хозяйственных задач. В разделе 8.1 изложены методика (и результаты ее применения) коррекции результатов крупномасштабного моделирования при оценке изменения климата в регионе ВС. Излагаемые в данном разделе результаты основаны на анализе данных РКМ эксперимента произведенного в ICTP в рамках проекта EU PRUDENCE [Deque et al., 2005; Deque et al., 2007]. В эксперименте по моделированию ожидаемого в XXI веке изменения климата использована модель RegCM ]Giorgi et al., 2004a,b; Gao et al., 2006] с разрешением по пространству 50 км и 18 уровнями по вертикали. На боковых границах РКМ в качестве направляющих данных использованы результаты моделирования процесса изменения климата с глобальной сопряженной моделью океана и атмосферы HadCM3-HadAM3H. При моделировании ожидаемых климатических условий использованы сценарии IPCC A2 и B2 для эмиссии антропогенных парниковых газов в ходе XXI века. Анализ результатов эксперимента произведен Giorgi et al. [2004a,b]. При проведении эксперимента использована методология моделирования двух (современного и будущего) состояний климата в периоды 1961-1990 гг. и 2071-2100 гг. В анализе использованы полученные в эксперименте ежедневные данные о значениях приземной температуры воздуха и осадков для региона ВС. Непосредственной целью обсуждаемого исследования являлось получение статистически обоснованной оценки изменения в распределении приземной температуры и осадков в регионе в районе реки Иордан к 2071-2100 гг., вызываемого процессом глобального потепления вследствие возрастания концентрации парниковых газов в атмосфере. Вследствие ограничений при описании реальных процессов и недостаточного пространственного разрешения экстремальные температуры моделируются, как правило, менее удачно, нежели среднесуточные. Таким образом, реалистическая оценка ожидаемых изменений в частотном распределении различных градаций температуры требует осуществления коррекции результатов моделирования. С c этой целью, применяется статистическая коррекция данных, полученных в РКМ в соответствии с оптимизированной для применения в регионе ВС методикой, близкой к таковой, изложенной Deque [2007]. Именно, делается предположение о том, что возникающие при гидродинамическом моделировании систематические ошибки в частотных распределениях климатических характеристик не зависят от концентрации парниковых газов ]Wilby et al., 1998]. В этом случае, можно предположить, что (кумулятивная) суммарная плотность распределения (cumulative-density function, cdf) и функция плотности вероятности (probability density function, pdf) во временных рядах ежедневных данных, полученных из результатов расчета, совпадают с таковыми в данных наблюдений.
При корректировке результатов моделирования, как ожидаемого будущего, так и настоящего климатов, используется одна и та же функция коррекции, определяемая по результатам сравнения данных, полученных при моделировании современного климата и наблюдений [Alpert et al., 2008а,b,c].
В разделе 8.2 продолжено обсуждение различных аспектов проблемы применения результатов РКМ моделирования в прикладных исследованиях. В гидрологических (также агрометеорологических) моделях, разработанных с целью их использования при решении соответствующих хозяйственных проблем в конкретных регионах, как правило, осуществляется учет процессов существенно меньших пространственных масштабов, нежели учитываемые в современных региональных (и тем более глобальных) климатических моделях. Детальность гидрологических моделей, как правило, обеспечивается их калиброванием на имеющихся местных данных о количестве воды в поверхностных и подземных потоках. Таким образом, при использовании результатов гидродинамического моделирования климата и его изменений в гидрологических исследованиях возникает необходимость сопряжения получаемых в РКМ сравнительно грубых оценок ожидаемых изменений климата с весьма детальными значениями характеристик реальных водных потоков. В работах Samuels et al., [2009, 2010] представлены результаты определения ожидаемых изменений гидрологического режима региона ВС вследствие изменений климата с использованием детальной гидрологической модели и данных проведенного в ТАУ РКМ-эксперимента. Поскольку на момент проведения данного анализа РКМ эксперимент с использованием разрешения 25 км еще не был завершен, в проведенном анализе использованы результаты РКМ-эксперимента с вариантом модели RegCM3 с пространственным разрешением 50 км и 14 уровней. Основной целью анализа являлось изучение роли изменения в количестве выпадающих осадков и испарения в режиме ежедневного пополнения трех основных источников водозапаса реки Иордан (Jordan River) (притоков рек Дан (Dan) , Хермон (Hermon) и Снир (Snir)) в условиях изменения климата как в ближайшем (2010-2035 гг.), так и более удаленном (2036-2060 гг.) будущем. Ожидаемые последствия изменения климата в регионе ВС и ближнем Востоке в целом вызывают серьезные опасения. Большинство модельных расчетов согласованно прогнозируют уменьшение годового количества осадков и числа дней с осадками и возрастание температуры (в особенности в летний период). Также можно ожидать роста потенциальной испаряемости и возрастания вероятности реализации таких экстремальных климатических событий, как засухи и наводнения [Giorgi et al., 2004b, 2006; IPCC 2007; Krichak et al., 2009; Kunstmann et al., 2007].
В п. 8.2.1 обсуждены результаты применения данных РКМ моделирования при воспроизведении гидрологических характеристик в условиях современного климата. Оценки, основанные на данных РКМ эксперимента, в гидрологических расчетах могут рассматриваться лишь как предварительные, поскольку они основаны на данных из результатов моделирования с использованием весьма грубого разрешения и (как следствие) недостаточно точного описания роли мелкомасштабных эффектов. Для получения более надежных оценок результаты (временные ряды ежедневных данных об осадках и потенциальном испарении (potential evaporation, PE) полученные в ходе описанного в предыдущей главе РКМ- эксперимента, использованы в качестве входных данных для проведения расчетов с помощью гидрологической модели Hydrological Model for Karst Environment [Rimmer & Salinger, 2006].
В п. 8.2.2 приведены оценки будущих изменений в гидрологии региона. В работе Samuels et al., [2010] осуществлен анализ различий между потоками воды в современный "первый" 1980-2005 гг. период и двух других периодах: "второй" 2011-2035 гг. (близкое будущее) и "третий" 2036-2060 гг. (дальнее будущее) периоды. С учетом небольшого (~5%) возрастания среднего годового испарения, указанные изменения ведут к сопоставимому уменьшению в потоках воды. Согласно результатам расчета, 10-процентное уменьшение в количестве осадков означает существенное (10-11%) уменьшение среднего за день базового потока для случая каждой из рек. В случае рек Hermon, Snir and Jordan имеет место 17-процентное уменьшение в ежедневном поверхностном стоке, что свидетельствует о нелинейности реакции системы на этот параметр.
При этом, результаты моделирования свидетельствуют о возрастании вероятности экстремальных гидрологических событий. В разделе 8.3 обсуждены вопросы использования результатов обоих экспериментов проекта Glowa JR [Samuels et al., 2011] (проведенных в Израиле и Германии). Целью анализа являлась идентификация изменений в характеристиках экстремальности в распределениях температуры и осадков. В анализе использованы индикаторы изменения климата, разработанные в международных исследованиях по применению гидродинамического моделирования изменения климата в различных народно-хозяйственных проектах по использованию водных ресурсов, планированию сельского хозяйства, экономике, здравоохранению и др. При проведении исследования использовались как предложенные ранее индикаторы изменения и экстремальности климата ]Karl et al., 1999; Peterson et al., 2001; Alexander et al., 2006], так и таковые, выработанные при обсуждении с участниками проекта GLOWA JR. В обсуждаемых ниже результатах интересно отметить как совпадения, так и различия в результатах моделирования с глобальными и региональными моделями. В случае оценки изменений в поле осадков наиболее важными представляются тренды и изменения, связанные с выбором глобальной модели. Так, результат моделирования ожидаемого в будущем климата региона ВС с моделью HadCM3 (т.е. моделируемый климат) оказывается систематически существенно более теплым, нежели моделируемый с помощью ECHAM5. Для проведения анализа выделены четыре целевые области различных размеров. Самый большой из анализируемых районов (D) включает в себя весь район водосбора реки Иордан. Данный район рассматривался в качестве основного объекта исследования в проекте GLOWA Jordan River. Также выделены две области анализа меньшего размера (A и B), находящиеся на севере и в центральном районе Израиля. Указанные области анализа выбраны ввиду того что именно в этих районах выпадает наибольшее количество годовых осадков в регионе ВС. Вследствие этого данные целевые области могут рассматриваться как наиболее важные с точки зрения имеющихся в реке Иордан водных ресурсов. В дополнение для анализа была также выбрана еще одна область (С) - меньшего размера - область, характеризующаяся наибольшей плотностью населения, вследствие чего изменения климатического распределения приземной температуры воздуха могут иметь наиболее существенные последствия для здоровья и качества жизни. Результаты моделирования предсказывают статистически значимое уменьшение в количестве осадков над прибрежными районами ВС в течение зимнего и весеннего сезонов и увеличение количества осадков в осенний сезон, а также статистически значимый рост температуры во все сезоны года. Результаты расчета предсказывают также увеличение относительной роли конвективных процессов в южном СР-ВС, в особенности с 2050 по 2060 г. В качестве наиболее важных характеристик климата для планирования сельского хозяйства и водных ресурсов были выделены экстремальная температура и осадки. В соответствии с этим, в работе рассмотрены изменения указанных в полях характеристик вследствие изменения климата. Анализ направлен на определение изменений в частоте определенных дней в году либо изменений в частоте или проценте интенсивности между двумя периодами. В работе анализируются также изменения в частоте дней, характеризующихся экстремальными значениями температуры и осадков в различные сезоны года. Согласно результатам анализа, в случае оценки изменения температуры, роль глобальной модели в определении интенсивности трендов оказывается решающей. В случае осадков, однако, выбор региональной модели играет существенно более важную роль, что, по-видимому, является следствием того факта, что в условиях сложной топографии региональные модели демонстрируют большие систематические отличия в статистике осадков ]напр. Schmidli et al., 2007; Smiatek et al., 2009]. Менее определенными оказываются моделируемые тренды в числе последовательно сухих и дождливых дней, определяемые в различных экспериментах. Согласно результатам всех анализируемых экспериментов, можно ожидать увеличения числа длительных сухих периодов на 3 и более дней в южном анализируемом районе. В случае последовательных дней с дождем (CWD), во всех экспериментах прогнозируется сокращение длительности таких периодов на юге региона ВС. В дополнение к прямому эффекту изменений режима осадков в числе последовательных дней с дождем (СWD) и последовательных дней без осадков (СDD) - предсказанные тренды означают возможность серьезных последствий для сельского хозяйства. В Заключении приведены основные результаты работы: - впервые осуществлено исследование ожидаемых изменений климата в регионе Восточного Средиземноморья в первой половине XXI века как следствия процесса глобального потепления, вызванного антропогенной эмиссией парниковых газов в атмосферу; - разработана система для регионального моделирования климата на базе модели ICTP RegCM3 для ее использования в Тель-Авивском университете; - разработана система региональных гидродинамических моделей атмосферы для прогнозирования погоды c целью ее оперативного применения в Метеорологической Службе Израиля (использовалась в оперативной практике в 2000-2008гг.); - впервые разработана система для прогнозирования песчаных и пылевых бурь (Eta-DUST) для Израильского Средиземноморского Эксперимента Пыли (2003г.); - разработан прототип региональной модели атмосферы для численного прогнозирования погоды в интересах авиации; - осуществлены исследования в области регионального климатического моделирования, результаты которых внедрены в Израиле в научной и практической деятельности, координируемой Министерством Науки, Министерством Охраны Среды и Министерством Инфраструктур (Управление Водных Ресурсов);
- осуществлена серия исследований основных факторов, определяющих метеорологические процессы с чрезвычайными последствиями в Средиземноморском регионе, и определен вклад переноса влажных воздушных масс из тропической зоны;
- изучен процесс формирования синоптического процесса Активной Ложбины Красного Моря, опасного для Восточного Средиземноморья, и развита концептуальная модель данного явления в целях ее использования при прогнозировании интенсивных осадков в Израиле. В Приложении дано описание баз данных, использованных автором в процессе работы над диссертацией, а также описание применяемых сценариев ожидаемой эмиссии парниковых газов и глобальных климатических моделей. Список публикаций автора
Основные результаты диссертации изложены в 63 научных публикациях. Из них 42 (отмечены звездочкой) опубликованы в рецензируемых научных журналах признаваемых ВАК: 1(*). Анцыпович В.А., Кричак С.О.,1979, Автоматизированная система оперативного численного анализа и прогноза метеоэлементов в Национальном Метеорологическом Центре США - Метеорология и Гидрология, ном. 6, c. 113-119 .
2(*). Беди Х.С. Датта Р.К., Кричак С.О., 1976: Численный прогноз метеорологических элементов в условиях летнего муссона. Метеорология и Гидрология, 5, c. 39-45.
3. Годболе Р.В., Кричак С.О., Колесников Ю.В., 1975, К вопросу об энергетическом балансе атмосферы над юго-восточной частью Аравийского моря. Труды, вып. 49, с. 47-54, ДВНИГМИ.
4(*). Кадышников В.М., Кричак С.О., Лосев В.М., 1989, Пятнадцатиуровенная региональная модель атмосферы. Метеорология и Гидрология, ном. 10, с. 23-31 5. Кричак С.О, Лисогурский Н.И., Петричев А.З., 1975, Расчет и анализ вертикальных скоростей над Аравийским морем в период летнего муссона в 1973 г. Труды ДВНИГМИ, вып. 49, с. 41-46. 6(*). Кричак С.О., 1981, Неадиабатическая модель атмосферы по полным уравнениям для прогноза метеорологических элементов над Европой, Метеорология и Гидрология, ном. 7, с. 18 - 26.
7(*). Кричак С.О., 2008, Региональное моделирование современного климата Европейской территории России с помощью модели RegCM3. Метеорология и Гидрология, 2008, ном. 1, с. 31-41.
8(*). Alpert, P, S.O. Krichak, T.N. Krishnamurti, U. Stein and M. Tsidulko, 1996a, The relative roles of lateral boundaries, initial conditions and topography in mesoscale simulation of lee cyclogenesis, J. Appl. Meteor., 35, pp. 1091-1099.
9(*). Alpert, P, M. Tsidulko, S. Krichak & U. Stein, 1996b, A multi-stage evolution of an ALPEX cyclone, Tellus, 48A, pp. 209-220.
10(*). Alpert P., S.O. Krichak, M. Tsidulko, H. Shafir and J.H. Joseph, 2002a, A dust prediction system with TOMS initialization, Mon. Wea. Rev., 130, No.9, pp. 2335-2345.
11. Alpert, P., P. Kishcha, M. Dayan, S.O. Krichak, 2002b, Verification of an operational mesoscale model at Tel-Aviv University, 4-th Plinius Conference, Mallorca, Spain, (abstracts).
12(*). Alpert, P., P. Kishcha, A. Shtivelman, S. O. Krichak and J. H. Joseph, 2004a, Vertical distribution of Saharan dust based on 2.5- year model predictions, Atmos. Res., 70(2), pp. 109-130.
13(*). Alpert, P., C. Price, SO Krichak, B. Ziv, H. Saaroni, I. Osetinski, J. Barkan, P. Kishcha, 2005, Tropical teleconnections to the Mediterranean climate and weather, Advances in Geosciences, 2, pp. 157- 160, SRef-ID: 1680-7359/adgeo/2005-2-157.
14(*). Alpert, P., Price, C., S.O. Krichak, B. Ziv, H. Saaroni, I. Osetinsky. 2006a, Mediterranean climate and some tropical teleconnections, Nuovo Cimento Della Societa Italiana Di Fisica C-Geophysics and Space Physics 29 (1), pp. 89-97.
15(*). Alpert, P., M. Baldi, R. Ilani, S.O. Krichak, C. Price, X. Rodo , H. Saaroni, B. Ziv, P. Kishcha, J. Barkan, A. Mariotti, and E. Xoplaki, 2006b, Relations between Climate Variability in the Mediterranean Region and the Tropics: ENSO, South Asian and African Monsoons, Hurricanes and Saharan Dust, pp. 149-177. Mediterranean Climate Variability, 4, Amsterdam, Elsevier, Edited By P. Lionello, P. Malanotte-Rizzoli and R. Boscolo.
16(*). Alpert, P, Krichak S.O., C. Price, B. Ziv, H. Saaroni, I. Osetinsky, 2006c, Mediterranean climate and some tropical teleconnections, Nuovo Cimento Della Societa Italiana Di Fisica C-Geophysics and Space Physics, 2006, 29 (1), pp. 89 - 97.
17(*). Alpert, P, Krichak SO, Shafir H, Haim D, Osetinsky I, 2008a, Climatic trends to extremes employing regional modeling and statistical interpretation over the E. Mediterranean, Global and Planetary Change 63, pp. 163-170.
18. Alpert, P., A. Kitoh, A. Yatagai, Krichak S.O., P. Kunin, and Jin Fengjun., 2008b, First super-high-resolution modeling study that the ancient "Fertile Crescent" will disappear in this century and comparison to regional climate models, Geophysical Research Abstracts, 2008, Vol. 10, EGU2008-A-02811, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2008-A-02811, (abstracts).
19. Alpert, P, A. Kitoh, A. Yatagai, S. Krichak, P. Kunin, F.J. Jin, 2008c, Future change of precipitation and river stream flow based on super-high-resolution modeling in Middle East and comparison to regional climate models, 2nd International HyMeX Workshop, Paris, France, (abstracts).
20. Berkovich, L.V., K.G. Rubinstein, R.Ju. Ignatov, G.M. Kalugina, S.O. Krichak, M.V. Tsidulko, I.E. Zacharov, 2005, Adaptation of the PSU/NCAR ММ5 for high-resolution weather prediction over Russia. Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modeling, J. Cote, Editor, Report No. 35, WMO/TD-No.1276, pp. 5.1 - 5.2.
21. Gualdi, S., and co-authors (including S.O. Krichak), 2012, Future Climate Projections. In Regional Assessment of the Climate Change in the Mediterranean. Eds A. Navarra and L. Tubiana. Springer Verlag (in press).
22(*). Kishcha, P., Barnaba, G.P. Gobbi, P. Alpert, A. Shtivelman, S.O. Krichak, and J.H. Joseph., 2005, Vertical distribution of Saharan dust over Rome (Italy): Comparison between 3-year model predictions and lidar soundings. J. Geophys. Res.-Atmosph. 110 (D6): p. D06208 (DOI 10. 1029/2004JD005480). 23(*). Kishcha, P., P. Alpert, A. Shtivelman, S.O. Krichak, J.H. Joseph, G. Kallos, P. Katsafados, C., Spyrou, G.P. Gobbi, F. Barnaba, S. Nickovic, C. Perez, and J.M. Baldasano , 2007a, Forecast errors in dust vertical distributions over Rome (Italy): multiple size representation and cloud contributions. J. Geoph. Res., 112, D15205б doi:10.1029/2006JD007427, 2007.
24 (*). Kishcha, P., P. Alpert, A. Shtivelman, S. Krichak, J. Joseph, G. Kallos, P. Katsafados, C. Spyrou, G.P. Gobbi, F. Barnaba, S Nickovic, C. Perez and J.M. Baldasano, 2007b, Assessment of dust forecast errors by using lidar measurements over Rome. Air pollution modelling and its applications XVIII. Chapter 1.5, Elsevier, ISSN:1474-8177/DOI:10.1016/S1474-8177(07)06015-9, pp. 44-54.
25. Krichak, S.O., P. Alpert, 1994, Experiments in weather prediction over the Mediterranean with the Penn State/NCAR Limited Area (ММ4) Model. WMO/TD-No.592, Reseach Activities in Atmospheric and Oceanic Modeling, Rep. 19 pp. 5.10-5.11.
26. Krichak, S.O., M. Tsidulko, P. Alpert,1997a, Application of Parallel Computers in Analysis and Prediction of Hazardous Weather Conditions in the Eastern Mediterranean. Symposium on Regional Weather Prediction on Parallel Computer Environments, Abstracts, Athens, Greece. p. 28.
27(*). Krichak, S.O., P. Alpert, T.N. Krishnamurti, 1997b, Interaction of Topography and Tropospheric Flow - A Possible Generator for the Red Sea Trough? Meteorology and Atmospheric Physics, v.63, No. 3-4, pp. 149-158.
28(*). Krichak, S.O., P. Alpert, T.N. Krishnamurti, 1997c, Red Sea Trough/Cyclone Development - Numerical Investigation. Meteorology and Atmospheric Physics, v.63, 3-4, pp. 159-170.
29. Krichak, S.O., Z. Levin, P. Alpert, 1997d, Numerical Simulation of Hazardous Conditions During the Nov, 2, 1994 Eastern Mediterranean Cyclone Development. INM/WMO Intern. Symp. on Cyclones and Hazardous Weather in the Mediterranean. Palma de Mallorca, Spain, pp. 675-681.
30(*). Krichak, S.O., P. Alpert, 1998a, Role of Large Scale Moist Dynamics in November 1-5, 1994 Hazardous Mediterranean Weather. J. Geoph. Res, v. 103, pp. 19,453-19,458.
31. Krichak, S.O., P. Alpert, 1998b, A Global/Regional modeling system for simulating the operational weather forecasts in Israel, Res. Activities In Atmos. And Oceanic Modeling, WMO WPRP, MO/TD-No 865, pp. 5.29-5.30.
32. Krichak, S.O., M. Tsidulko, 1998, Application of parallel processors in prediction of weather conditions for objective analysis data downscalling in the Mediterranean., Notize Dal Cineca, n. 31-32, pp. ii-iv.
33. Krichak, S.O., M. Tsidulko, P. Alpert, A. Papadopoulos, O. Kakaliagou, G. Kallos, 1998, Application of the Eta weather prediction system with the aerosol production/transport/deposition at the Tel Aviv University, 12 Annual Meeting of the Israeli association for aerosol research, p. 26.
34. Krichak, S.O., M. Tsidulko, P. Alpert, 1999a, Application of Eta model at Tel Aviv University for weather prediction over the Eastern Mediterranean, Res. Activities In Atmos. And Oceanic Modelling, WMO WPRP, MO/TD-No 942, pp. 5.27-5.28.
35. Krichak, S.O., M. Tsidulko, P. Alpert, A. Papadopoulos, O. Kakaliagou and G. Kallos, 1999b, Eta weather prediction system with the aerosol production/transport/deposition at ТАУ. Res. Activities in Atmosph and Oceanic Modelling, WMO WPRP, MO/TD- No 942, p. 5.29.
36(*). Krichak, S.O., Z. Levin, 2000, Mesoscale Simulation of Life Cycle of Cloud Microphysics During Hazardous Weather Conditions in the Southeastern Mediterranean Atmospheric Research, 53, pp. 63-89.
37(*). Krichak, S.O., Tsidulko, M, P. Alpert, 2000a, November 2, 1994 Severe Storms in the Southeastern Mediterranean, Atmospheric Research,53,45-62. 38(*). Krichak, S.O., M. Tsidulko, P. Alpert, 2000b, Monthly Synoptic Patterns Associated with Wet/Dry Eastern Mediterranean Conditions. Theor. and Appl. Climatol., 65, pp. 215-229.
39(*). Krichak, S.O., P. Alpert, 2002, A Fractional Approach to the Factor Separation Method. J. Atmosph. Sci., 59, pp. 2243-2252.
40(*). Krichak S.O., P. Kishcha, P. Alpert, 2002a, Decadal Trends of Main Eurasian Oscillations and the Mediterranean Precipitation, Teor. Appl. Climatol., 72, pp. 209-220. 41(*). Krichak, S. O., M. Tsidulko, P. Alpert, 2002b, A study of an INDOEX period with aerosol transport to the eastern Mediterranean area, J. Geophys. Res., 107(D21), 4582, doi:10.1029/2001JD001169.
42. Krichak, S.O., P. Alpert, K., G.A. Grell, 2002c: Impact of ММ5 model resolution and domain-size in regional climate simulations over E. Mediterranean, Conference on Detection and Modeling of Regional Climate Change, Trieste, Italy, (abstracts).
43. Krichak, S.O., P. Alpert, A. Shtivelman, 2003, First results of investigation of radiative effects of mineral dust in an atmospheric model with optimized dust source determination, Geophysical Research Abstracts, Vol. 5, 10329, (abstracts).
44(*). Krichak, S.O., P. Alpert, M. Dayan, 2004, Role of atmospheric processes associated with hurricane Olga in December 2001 flash floods in Israel. J. Hydrometeorol., vol. 5, no. 6. pp. 1259-1270.
45(*). Krichak, S.O., P. Alpert, 2005a, Decadal trends in the East Atlantic/West Russia pattern and the Mediterranean precipitation, Int. J. Climatol, 25, pp. 183-192.
46(*). Krichak, S.O., P. Alpert, 2005b, Signatures of the NAO in the atmospheric circulation during wet winter months over the Mediterranean region, Teor. Appl. Climatol. 82(1-2), pp. 27-39.
47. Krichak, S.O., P. Alpert, M. Dayan, 2005, Tel Aviv University, Israel, Adaptation of the ММ5 and RegCM3 for regional climate modeling over the eastern Mediterranean region, EGU Assembly, Vienna, Austria, (abstracts).
48(*). Krichak, S.O., P. Alpert, M. Dayan, 2006, An evaluation of the role of hurricane Olga (2001) in an extreme rainy event in Israel using dynamic tropopause maps, Meteorol. Atmosph. Phys. DOI 10.1007/s00703-006-0230-7.
49(*). Krichak, S.O., P. Alpert, M. Dayan, 2007a, A southeastern Mediterranean PV streamer and its role in December 2001 case with torrential rains in Israel Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 7, pp. 1-12. www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/7/1/2007/
50(*). Krichak, S.O., P. Alpert, K. Bassat, P. Kunin, 2007b, The surface climatology of the eastern Mediterranean region obtained in a three-member ensemble climate change simulation experiment, Advances in Geosciences Adv. Geosci., 12, pp. 67-80, 2007, www.adv-geosci.net/12/67/2007/
51. Krichak, S.O., 2008, Towards optimized weather prediction over the south-eastern Europe-eastern Mediterranean region, Fall Colloquium on the Physics of Weather and Climate: Regional Weather Predictability and Modelling, International Centre for theoretical Physics, ICTP, 29 September - 10 October, 60 p.
52. Krichak, S.O. P. Alpert, P. Kunin, 2008, Transferability evaluation of the ICTP RegCM3 in simulations of European climate, EGU2008-A-04693, EGU, Vienna, Austria, (abstracts).
53(*). Krichak, SO, P. Alpert, P. Kunin, 2009, Projections of Climate Change over Non-boreal East Europe During First Half of Twenty-First Century According to Results of a Transient RCM Experiment, pp. 55-62, in Regional Aspects of Climate-Terrestrial-Hydrologic Interactions in Non-boreal Eastern Europe, Springer, NATO Science for Peace and Security Series, Series C: Environmental Security, 276 p., (Edited by P. Ya. Groisman and S.V. Ivanov), http://www.springerlink.com/content/ru7360p77q43062w/
54(*). Krichak, S.O., P. Alpert, P Kunin, 2010, Numerical Simulation of Seasonal Distribution of precipitation over the Eastern Mediterranean with a RCM. Climate Dynamics, 34, pp. 47-59, DOI 10.1007/s00382-009-0649-x 55(*). Krichak, S.O., J.S. Breitgand, R. Samuels, P. Alpert, 2011, A double-resolution transient RCM climate change simulation experiment for the Eastern Mediterranean region Theor. and Appl. Climatol., V. 103, Issue 1, pp. 167- 205. DOI: 10.1007/s00704-010-0279-6. 56(*). Krichak, S.O., Breitgand J.S., Feldstein S.B., 2012, A Conceptual Model for Identification of the Active Red Sea Trough Synoptic Events over Southeastern Mediterranean, J. Appl. Meteorol and Climatol. Climatol 5, pp. 962-971, (doi: 10.1175/JAMC-D-11-0223.1). 57(*). Levin, Z., S.O. Krichak, T. Reisin, 1997, Numerical Simulations of dispersal of inert seeding material in Israel Using a Three Dimensional Mesoscale Model (RAMS). J. of Appl Meteorol., v.36, No.5, pp. 474-484.
58(*). Lionello, P, J. Bhend, A. Buzzi, P.M. Della-Marta, S.O. Krichak, A. Jansa, P. Maheras, A. Sanna, I.F. Trigo, R. Trigo, 2006, Cyclones in the Mediterranean Region: Climatology and Effects on the Environment, pp. 325-372. Mediterranean Climate Variability, 4, Amsterdam, Elsevier, Edited By P. Lionello, P. Malanotte-Rizzoli and R. Boscolo.
59. Samuels, R., A. Rimmer, S. Krichak, P. Alpert, 2009, Climate Change impacts on the Jordan River, Israel: Downscaling application from a Regional Climate Model, Geophysical Research Abstracts, Vol. 11, EGU2009-913-1, EGU General Assembly.
60(*). Samuels R., A. Rimmer, A. Hartmann, S. Krichak, P. Alpert, 2010, Climate Change impacts on Jordan River flow: Downscaling application from a Regional Climate Model, Journ. of Hydrometeorol., vol. 11, no. 4, pp. 860-879.
61(*). Samuels R., G. Smiatek, S. Krichak, H. Kunstmann, P. Alpert, 2011, Extreme Value Indicators in highly resolved Climate Change Simulations for the Jordan River Area, J. Geoph. Res., 116, D24123, 9 PP., doi:10.1029/2011JD016322.
62(*). Trigo, R. E. Xoplaki, E. Zorita, J. Luterbacher, S. O. Krichak, P. Alpert, J. Jacobeit, J. Saenz, J. Fernandez, F. Gonzalez-Rouco, R. Garcia-Herrera, X. Rodo, M. Brunetti, T. Nanni, M. Maugeri, M. Turkes , L. Gimeno, P. Ribera, M. Brunet, I. F. Trigo, M. Crepon, and A. Mariotti, 2006, Relations between Variability in the Mediterranean Region and Mid-latitude Variability, pp. 179-226 Mediterranean Climate Variability, 4 , Amsterdam, Elsevier, Edited By P. Lionello, P. Malanotte-Rizzoli and R. Boscolo.
63(*). Tsidulko, M., S. O. Krichak, P. Alpert, O. Kakaliagou, G. Kallos, A. Papadopoulos, 2002, Numerical study of a very intensive eastern Mediterranean dust storm, 13-16 March 1998, J. Geophys. Res., 107(D21), 4581, doi:10.1029/2001JD001168.
2
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
166
Размер файла
536 Кб
Теги
Докторская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа