Холодные вторжения над морями Российской Арктики: климатология, тренды, связь с крупномасштабной циркуляцией, облачно-радиационные характеристики атмосферы

В связи с глобальным потеплением во многих регионах земного шара происходят значительные изменения в распределении радиационных потоков и потоков тепла и влаги между океаном и атмосферой. В частности, во время холодных вторжений (ХВ) – продолжительной адвекции холодного воздуха над открытой морской поверхностью, – изменения радиационных потоков и обменных процессов достигают наибольшей амплитуды. Поток явного тепла от морской поверхности во время ХВ может достигать 400-500 Вт/м2 [3]. В связи с этим, исследование климатологических характеристик ХВ имеет важное значение для изучения процессов, определяющих энергообмен в акваториях высоких широт. Существенное значение при этом играет характер облачности. В целом, несмотря на имеющиеся исследования холодных вторжений, облачные характеристики для ХВ изучены в недостаточной мере [1]. В данном исследовании изучен широкий набор случаев ХВ над морями западной и восточной акваторий Российской Арктики, с выделением отдельных наиболее интенсивных вторжений с целью анализа трансформации облачно-радиационных характеристик при прохождении ХВ над открытой водой, а также с целью изучения взаимосвязи ХВ с мезомасштабной циркуляцией атмосферы, в частности, с циклонической активностью [2].
Вначале были выделены сроки, когда над акваториями морей Российской Арктики наблюдались холодные вторжения. Вторжения выделяли на основе индекса ХВ, рассчитанного с использованием 6-часовых данных о температуре поверхности и потенциальной температуре реанализа Era-Interim. Индекс ХВ определялся по аналогии с работой Колстада [7] как разность потенциальной температуры на уровне 800 гПа и температуры поверхности. В зависимости от значений индекса ХВ отдельно выделялись слабые, средние и сильные ХВ [6]. Отдельно для областей с максимальной повторяемостью ХВ для западной и восточной части морей Российской Арктики была рассчитана межгодовая и внутригодовая изменчивость ХВ.
C целью анализа облачно-радиационных характеристик ХВ для территории Баренцева моря были составлены композитные карты для случаев сильных ХВ. Далее, для подобных выбранных случаев по спутниковым данным CERES [4] был проведен анализ различных облачно-радиационных характеристик атмосферы. Анализировались в том числе облачно-радиационный эффект в длинноволновой и коротковолновой части спектра на поверхности и верхней границе атмосферы, балл облачности, водозапас и ледозапас облаков. Также по данным архива NOAA [5] рассматривалась зависимость этих вторжений от различных параметров: свойств воздушной массы (температуры и влажности), температуры поверхности Баренцева моря, удаленности от кромки льда. В частности, на основе регресcионного анализа показано, что рост температуры поверхности Баренцева моря на 1 градус приводит к росту длинноволнового облачно-радиационного эффекта во время холодных вторжений на 6,1 Вт/м2, росту нижней облачности на 6,9% и увеличению влагосодержания в облаках на 9,4 г/м2. В свою очередь, удаление кромки льда на 100 км приводит к увеличению количества облачности нижнего яруса на 3,8% и повышению содержания водяного пара в нижней облачности на 5,7 г/м2. Увеличение интегральной водности начальной воздушной массы на 1 кг/м2 приводит к росту влагосодержания в облаках на 9,1 г/м2, балла облаков нижнего уровня на 9,8% и длинноволнового облачно-радиационного эффекта на 4,0 Вт/м2.
Анализировалось также влияние мод климатической изменчивости внетропических широт Северного полушария на характеристики ХВ. В частности было показано, что в положительные фазы Североатлантической осцилляции и Атлантической мультидесятилетней осцилляции следует ожидать ослабления холодных вторжений и уменьшения их интенсивности, а в отрицательную – наоборот (коэффициенты корреляции составляют -0,17 и -0,25, соответственно).
В работе была выявлена значимая связь между характеристиками облаков, полученными на прибрежных российских метеорологических станциях, и характеристиками вторжений — усиление или учащение ХВ приводит к росту конвективных форм облаков (Cu, Cb) и к уменьшению слоистых форм (St, Ns): коэффициенты корреляции повторяемости умеренных холодных вторжений и доли небосвода, закрытой конвективными и слоистыми облаками на отдельных станциях достигают 0,47 и -0,4 соответственно.
Полученные в рамках данной работы результаты могут быть в дальнейшем использованы для валидации моделей земной системы, которые до сих пор не способны корректно воспроизводить некоторые аспекты трансформации воздушных масс и облачно-радиационных характеристик во время холодных вторжений, а также отклик характеристик холодных вторжений на изменения климата и климатическую изменчивость.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 18-05-60216) и РНФ (проект № 18-47-06203).