ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 4. С. 168-191

Оценка качества воспроизведения полярных мезоциклонов по данным реанализов и результатам регионального климатического моделирования

М.И. Варенцов 1, 2 , П.С. Вереземская 3, 4 , Е.В. Заболотских 5 , И.А. Репина 1, 6 
1 Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва, Россия
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
3 Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский вычислительный центр, Москва, Россия
4 Институт Океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия
5 Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург, Россия
6 Институт космических исследований РАН, Москва
Одобрена к печати: 25.08.2016
DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-8-168-191
Полярные мезоциклоны являются важным составляющим климатической системы полярных регионов. Но из-за относительно небольших размеров и короткого времени жизни их идентификация, анализ и изучение на основе стандартной синоптической информации и продуктов глобального реанализа затруднены. В настоящей работе с использованием спутниковых данных в различных спектральных диапазонах проводится оценка качества воспроизведения структуры и динамики полярных мезоциклонов современными реанализами и региональными климатическими моделями. Используются реанализы NCEP-NCAR, ERA-Interim, MERRA, а также данные регионального арктического реанализа ASR и расчеты с региональной климатической моделью COSMO-CLM. Показано, что разрешения современных реанализов недостаточно для адекватного воспроизведения характеристик полярных погодных мезосистем. Наилучшее соответствие с данными дистанционного зондирования дают результаты динамического даунскейлинга данных реанализа моделью COSMO-CLM c использованием «спектрального притягивания», хотя в отдельных случаях модель может отклоняться от данных наблюдений. Среди реанализов лучшее соответствие показывает региональный реанализ ASR, также являющийся результатом даунскейлинга реанализа региональной моделью. Следовательно, для корректной идентификации мезомасштабных циклонов и оценки их характеристик и траекторий перемещения необходимо совместное использование данных наземных и спутниковых наблюдений, ассимилированных в реанализах, и результатов регионального моделирования с более высоким пространственным разрешением.
Ключевые слова: полярные мезоциклоны, региональное моделирование климата, даунскейлинг, реанализ, мультиспектральное спутниковое зондирование
Полный текст

Список литературы:

  1. Вереземская П.С., Степаненко В.М. Численное моделирование интенсивных полярных мезомасштабных циклонов моделью WRF // Международная конференция и школа молодых ученых по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды. Томск: Изд-во Томского ЦНТИ, 2014. С. 67–71.
  2. Вереземская П.С., Баранюк А., Степаненко В.М. Структура и эволюция полярного мезоциклона в Карском море по данным численного моделирования WRF // Труды международной молодежной школы и конференции по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде CITES–2015. Томск, 2015. С. 28–29.
  3. Гурвич И.А., Митник Л.М., Митник М.Л. Мезомасштабный циклогенез над дальневосточными морями: исследование на основе спутниковых микроволновых радиометрических и радиолокационных измерений // Исследование Земли из космоса. 2008. № 5. С. 58–73.
  4. Заболотских Е.В., Митник Л.М., Бобылев Л.П. Сравнительная оценка существующих и перспективных методов исследования в области мониторинга и прогнозирования мезо-масштабных циклонических вихрей, включая полярные циклоны // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 3. С. 23–29.
  5. Заболотских Е.В., Гурвич И.А., Шапрон Б. Новые районы распространения полярных циклонов в Арктике как результат сокращения площади ледяного покрова // Исследование Земли из космоса. 2015. № 2. С. 64–77.
  6. Зарипов Р.Б. Обзор современных методов повышения детализации метеорологических полей // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. 2010. Т. 1. № 1. C. 1–12.
  7. Иванов В.В., Алексеев В.А., Алексеева Т.А., Колдунов Н., Репина И.А., Смирнов А.В. Арктический ледяной покров становится сезонным? // Исследования Земли из космоса. 2013. № 4. С. 50–65.
  8. Луценко Э.И., Лагун В.Е. Полярные мезомасштабные циклоны в атмосфере над Баренцевым и Карским морями // Проблемы Арктики и Антарктики. 2013. № 2 (96). С. 76–89.
  9. Мохов И.И., Акперов М.Г., Лагун В.Е., Луценко Э.И. Интенсивные арктические мезоциклоны // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43. № 3. С. 291–297.
  10. Blechschmid A.M. A 2-year climatology of polar low events over the Nordic Seas from satellite remote sensing // Geophys. Res. Lett. 2008. Vol. 35. No. 9. DOI:10.1029/2008GL033706.
  11. Böhm U., Kücken M., Ahrens W., Block A., Hauffe D., Keuler K., Rockel B., Will A. CLM – the climate version of LM: Brief description and long-term applications // COSMO Newsletter. 2006. Vol. 6. P. 225–235.
  12. Bromwich D.H., Hines K.M., Bai L.-S. Development and testing of Polar WRF: 2. Arctic Ocean // J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114. D08122. DOI:10.1029/2008JD010300.
  13. Businger S. The synoptic climatology of polar low outbreaks // Tellus A. 1985. Vol. 37. No. 5. P. 419–432.
  14. Businger S. The synoptic climatology of polar-low out-breaks over the Gulf of Alaska and the Bering Sea // Tellus. 1987. Vol. 39A. P. 307–325. DOI:10.1111/j.1600-0870.1987.tb00310.x.
  15. Businger S., Baik J.-J. An arctic hurricane over the Bering Sea // Mon. Wea. Rev. 1991. Vol. 119. P. 2293–2322, DOI:10.1175/1520-0493(1991)119,2293: AAHOTB.2.0.CO;2.
  16. Chen F., Geyer B., Zahn M., von Storch H. Toward a Multi-Decadal Climatology of North Pacific Polar Lows Employing Dynamical Downscaling // Terr. Atmos. Ocean. Sci. 2012. Vol. 23. No. 3. P. 291–301. DOI:10.3319/TAO.2011.11.02.01(A).
  17. Condron A., Bigg G.R., Renfrew I.A. Polar mesoscale cyclones in the northeast Atlantic: Comparing climatologies from ERA-40 and satellite imagery // Mon. Wea. Rev. 2006. Vol. 134. No. 5. P. 1518–1533.
  18. Condron A., Renfrew I.A. The impact of polar mesoscale storms on northeast Atlantic Ocean circulation // Nature Geoscience. 2013. Vol. 6. No. 1. P. 34–37.
  19. Dee D.P., Uppala S.M., Simmons A.J., Berrisford P., Poli P., Kobayashi S., Andrae U., Balmaseda M.A., Balsamo G., Bauer P., Bechtold P., Beljaars A.C.M., van de Berg L., Bidlot J., Bormann N., Delsol C., Dragani R., Fuentes M., Geer A.J., Haimberger L., Healy S.B., Hersbach H., Hólm E.V., Isaksen L., Kållberg P., Köhler M., Matricardi M., McNally A P., Monge-Sanz B.M., Morcrette J.-J., Park B.-K., Peubey C., de Rosnay P., Tavolato C., Thépaut J.-N., Vitart F. The ERA‐Interim reanalysis: Configuration and performance of the data assimilation system // Quart. J. R. Meteorol. Soc. 2011. Vol. 137. No. 656. P. 553–597. DOI:10.1002/qj.828.
  20. Duncan C.N. A numerical investigation of polar lows // Quart. J. R. Meteorol. Soc. 1977. Vol. 103. P. 255–267.
  21. Ebert E.E. Fuzzy verification of high-resolution gridded forecasts: a review and proposed framework // Meteorological applications. 2008. Vol. 15. No. 1. P. 51–64.
  22. Feser F., Barcikowska M. The influence of spectral nudging on typhoon formation in regional climate models // Environmental Research Letters. 2012. Vol. 7. No. 1. P. 14–24.
  23. Figa-Saldaña J., Wilson J.J., Attema E., Gelsthorpe R., Drinkwater M.R., Stoffelen A. The advanced scatterometer (ASCAT) on the meteorological operational (MetOp) platform: A follow on for European wind scatterometers // Canadian Journal of Remote Sensing. 2002. Vol. 28. No. 3. P. 404–412.
  24. Hines K.M., Bromwich D.H. Development and testing of Polar WRF. Part I. Greenland Ice Sheet meteorology // Mon. Wea. Rev. 2008. Vol. 136. P. 1971–1989. DOI:10.1175/2007MWR2112.1.
  25. Hines K.M., Bromwich D.H., Bai L.-S., Barlage M., Slater A.G. Development and testing of Polar WRF. Part III. Arctic land // J. Clim. 2011. Vol. 24. P. 26–48. DOI:10.1175/2010JCLI3460.1.
  26. Kalnay E., Kanamitsu M., Kistler R., Collins W., Deaven D., Gandin L., Iredell M., Saha S., White G., Woollen J., Zhu Y., Leetmaa A., Reynolds R., Chelliah M., Ebisuzaki W., Higgins W., Janowiak J., Mo K.C., Ropelewski C., Wang J., Jenne R., Joseph D. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project // Bulletin of the American meteorological Society. 1996. Vol. 77. No. 3. P. 437–471.
  27. Kistler R., Collins W., Saha S., White G., Woollen J., Kalnay E., Chelliah M., Ebisuzaki W., Kanamitsu M., Kousky V., van den Dool H., Jenne R., Fiorino M. The NCEP-NCAR 50-year reanalysis: Monthly means CD-ROM and documentation // Bulletin of the American Meteorological society. 2001. Vol. 82. No. 2. P. 247–267.
  28. Laffineur T., Claud C., Chaboureau J.P., Noer G. Polar lows over the Nordic Seas: Improved representation in ERA-Interim compared to ERA-40 and the impact on downscaled simulations // Mon. Wea. Rev. 2014. Vol. 142. No. 6. P. 2271–2289.
  29. Mailhot J., Hanley D., Bilodeau B., Hertzman O. A numerical case study of a polar low in the Labrador Sea. Tellus. 1996. Vol. 48A. P. 383–402. DOI:10.1034/j.1600-0870.1996.t01-2-00003.x.
  30. Noer G., Saetra Ø., Lien T., Gusdal Y. A climatological study of polar lows in the Nordic Seas // Quart. J. R. Meteorol. Soc. 2011. Vol. 137. No. 660. P. 1762–1772.
  31. Rasmussen E. A case study of a polar low development over the Barents Sea. Tellus. 1985. Vol. 37A. P. 407–418. DOI:10.1111/j.1600-0870.1985.tb00440.x.
  32. Rasmussen E.A., Turner J. Polar lows. Cambridge: Cambridge University press, 2003.
  33. Rienecker M.M, Suarez M.J., Gelaro R., Todling R., Bacmeister J., Liu E., Bosilovich M.G., Schubert S.D., Takacs L., Kim G., Bloom S., Chen J., Collins D., Conaty A., da Silva A., Gu W., Joiner J., Koster R.D., Lucchesi R., Molod A., Owens T., Pawson S., Pegion P., Redder C.R., Reichle R., Robertson F.R., Ruddick A.G., Sienkiewicz M., Woollen J. MERRA: NASA’s Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications // J. Clim. 2011. Vol. 24. P. 3624–3648.
  34. von Storch H., Langenberg H., Feser F. A spectral nudging technique for dynamical downscaling purposes // Mon. Wea. Rev. 2000. Vol. 128. No. 10. P. 3664–3673.
  35. Sadovnichy V., Tikhonravov A., Voevodin V., Opanasenko V. “Lomonosov”: Supercomputing at Moscow State University // Contemporary high performance computing: from petascale toward exascale. 2013. P. 283–307.
  36. Tsai W.Y., Spencer M., Wu C., Winn C., Kellogg K. Sea Winds on QuikSCAT: sensor description and mission overview // Proc. International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS 2000). Honolulu. 2000. Vol. 3. P. 1021–1023.
  37. Turner J., Lachlan-Cope T., Thomas J. A comparison of Arctic and Antarctic mesoscale vortices // J. Geophys. Res. 1993. Vol. 98. P. 13019–13034.
  38. Wentz F.J., Meissner T. Supplement 1: Algorithm theoretical basis document for AMSR-E ocean algorithms // RSS Technical Report 051707. 2007. 6 p.
  39. Wilhelmsen K. Climatological study of gale-producing polar lows near Norway // Tellus. 1985. Vol. 37A. P. 451–459. DOI:10.1111/j.1600-0870.1985.tb00443.x.
  40. Wilson A.B., Bromwich D.H., Hines K.M. Evaluation of Polar WRF forecasts on the Arctic System Reanalysis Domain: 2. Atmospheric hydrologic cycle // J. Geophys. Res. 2012. Vol. 117. D04107. DOI:10.1029/2011JD016765.
  41. Yanase W., Niino H., Watanabe S.I.I., Hodges K., Zahn M., Spengler T., Gurvich I.A. Climatology of polar lows over the Sea of Japan using the JRA-55 reanalysis // J. Clim. 2016. Vol. 29. P. 419-436. DOI: 10.1175/JCLI-D-15-0291.1.
  42. Zahn M., von Storch H. A longterm climatology of North Atlantic polar lows // Geophys. Res. Lett. 2008. Vol. 35. No. 22. DOI:10.1029/2008GL035769.
  43. Zappa G., Shaffrey L., Hodges K. Can polar lows be objectively identified and tracked in the ECMWF operational analysis and the ERA-interim reanalysis? // Mon. Wea. Rev. 2014. Vol. 142. No. 8. P. 2596–2608.