Математическое моделирование аномальных природных явлений в динамически неустойчивой климатической системе Земли по данным радиационных наблюдений из космоса

На основе теоретических предпосылок и результатов космических наблюдений проанализированы факторы, влияющие на интенсивность, частоту и географическое распределение аномальных природных явлений, происходящих в системе «океан-атмосфера»: мощных тропических циклонов (ураганов, тайфунов). Детально рассмотрены особенности тропического циклогенеза. В ходе исследований были выявлены особенности взаимодействия ураганов с окружающей средой: рассмотрены не только факторы, определяющие формирование и эволюцию ураганов, но и обратное их влияние на параметры окружающей среды. На основе расчетов лаговых корреляций энергетических характеристик ураганов с большим набором параметров окружающей среды проанализированы не только причины, но и следствия. Полученные результаты позволили уточнить набор потенциальных предикторов, а также наметить пути совершенствования моделей, описывающих важные характеристики генезиса ураганов.
Лучшие современные модели вполне удовлетворительно описывают глобальный внутригодовой циклогенез. Значительно хуже ими воспроизводится межгодовая изменчивость. Данная особенность определяется отсутствием в них параметров, адекватно описывающих межгодовые и декадные осцилляции климата. В первую очередь, это относится к характеристикам эволюции составляющих радиационного баланса Земли (РБЗ) и учету влияния феномена Эль-Ниньо/Южное колебание (ЭНЮК). В последние годы в связи с интенсификацией глобального потепления авторами уделялось большое внимание исследованию аномальных перераспределений составляющих РБЗ. Отметим, что в климатической системе Земли уходящее длинноволновое излучение (УДР) занимает совершенно особое место. УДР является одним из основных климатологических факторов в существенной степени определяющих динамику явлений в системе «подстилающая поверхность-атмосфера» Земли. Космический мониторинг характеристик УДР Земли является важнейшим элементом глобального слежения за текущим состоянием климатической системы и основным информационным ресурсом при диагностике и прогнозе изменений климата. Детектирование климатических сигналов глобальных энергетических процессов и выявление их взаимосвязей с аномальными природными явлениями базируется на данных временных рядов космических наблюдений за составляющими РБЗ, одним из компонентов которого является УДР. В последние годы, благодаря введению в эксплуатацию космических аппаратов системы EOS «Terra» и «Aqua», существенно расширились возможности решения этой важнейшей проблемы.
В работе реализована компьютерная «информационная» модель урагана, как физического явления с использованием набора физических параметров, определяющих текущее энергетическое состояние. В отличие от «чисто» физической, информационная модель основывается не только на теоретических предпосылках и эмпирических данных о природе явления, но и на включении в модель «внешних» факторов, являющихся носителями информации (в том числе и ретроспективной) не только об изучаемом явлении, но и состоянии окружающей среды. Дело в том, что даже в случае наиболее полной физической модели такого сложного явления, каким является ураган, существует ряд параметров, имеющих недостаточно четкую интерпретацию. Поэтому важным этапом построения модели была настройка (идентификация) параметров по эмпирическим данным. В разрабатываемой модели этот этап особенно существен, поскольку данные рядов наблюдений являются практически единственным источником экспериментальной информации. С использованием модели было проведено численное моделирование сильнейших ураганов 2005 г. на акватории Атлантического океана («Катрина», «Рита», «Вилма»). Получено удовлетворительное соответствие рассчитанных и наблюденных значений приповерхностной скорости ветра. Анализ результатов вычислительных экспериментов позволяет сделать вывод о том, что включение в модель урагана «информационной» составляющей, правильно учитывающей влияние окружающей среды, в том числе поверхностного слоя океана, приводит к существенному улучшению количественного описания состояния и эволюции важнейших энергетических характеристик.
В рамках выполненного исследования получены также результаты, подтверждающие интенсификацию активности ураганов вследствие глобального потепления. В настоящее время устоявшимися являются общетеоретические представления об усилении интенсивности ураганов с ростом средних глобальных температур. В то же время исследования, связанные с наблюдениями активности ураганов, базирующиеся, в основном, на частоте их появления, не выявили статистически значимого положительного тренда. В предлагаемом подходе к оценке активности ураганов был использован индекс потенциальной разрушительной способности PDI, который базируется на оценке полной диссипации энергии, проинтегрированной по всему времени жизни урагана. Начиная с середины 70-х годов, значения PDI значительно росли, что связано, как с более продолжительным временем жизни ураганов, так и большей их интенсивностью. Временной ряд PDI тесно коррелирует с температурой поверхности океана (ТПО) в тропиках, что отражает хорошо документированные климатические сигналы последних десятилетий: мультидекадные осцилляции в северных акваториях Тихого океана и глобальное потепление. Ураганы не реагируют непосредственно на ТПО, однако, это соответствующая мера термодинамической среды – потенциальной интенсивности, которая зависит не только от поверхностной температуры, но и от всего температурного профиля тропосферы. Кроме того, интенсивность ТЦ также зависит от распределения температуры в приповерхностном слое океана и является в некотором смысле признаком увеличения температуры в этом слое. Выполненные исследования показывают, что только часть наблюдаемого роста энергии диссипации в ТЦ напрямую связана с увеличением температуры приповерхностной среды; остающаяся часть может быть объяснена изменением других факторов, в частности значения уходящей длинноволновой радиации (УДР), которая в значительной степени определяет динамику активности ураганов в системе «океан-атмосфера».