Разработка новой расчетной схемы для выявления зон высокой вероятности обнаружения полярных мезоциклонов в Российской Арктике

Северный морской путь, пролегающий через Арктический регион, является активно развивающейся транспортной артерией России. Весомую роль в формировании погоды в данном регионе играют полярные мезоциклоны (ПМЦ) – относительно небольшие по масштабу атмосферные вихри, нередко порождающие опасные явления, представляющие угрозу судоходству (штормовое волнение и ветер, обледенение и снежные заряды с ухудшением видимости). Выход таких циклонов к побережью также сопряжен с рисками повреждения инфраструктуры и причинения вреда жизни и здоровью жителей прибрежных областей.

Известно, что ПМЦ могут иметь различные механизмы образования, основные, по современной классификации, это бароклинные и конвективные [1]. Для прогноза ПМЦ предложено по выходным данным численного моделирования выявлять зоны наиболее вероятного их обнаружения, прослеживать эти зоны во времени и формировать прогностические траектории. Для реализации данного подхода был разработан специализированный программный комплекс, включающий в себя блок запуска расчетов по модели WRF в пределах тестового полигона, на текущий момент включающего в себя акваторию Баренцева и Карского морей, а также набор программных средств постобработки выходной продукции модели. Впоследствии была развернута оперативная технология подготовки прогнозов в ежесуточном режиме, функционирующая на вычислительных мощностях НПО «Тайфун» [2].

Выявление зон ПМЦ осуществляется на основе специально отобранной композиции динамических индексов конвективной неустойчивости, включающей индексы завихренности, спиральности и сдвига ветра, и пороговой методики. Пороги являются региональными. Суперпозиция областей, в которых значения индексов выходят за рамки заданных порогов, формирует вероятностное поле риска обнаружения циклонического вихря. Зоны с вероятностью более 80% помечаются как зоны ПМЦ.

Используемая расчетная схема показала свою работоспособность в ходе независимых испытаний технологии подготовки прогнозов ПМЦ в 2024 г. – оправдываемость прогнозов составила 76%. Вместе с тем обозначились и недостатки данной схемы: формирование ложных траекторий не связанных с ПМЦ и пропуск части циклонов.

В настоящее время проводится работа по разработке новой расчетной схемы для выявления зон высокой вероятности обнаружения ПМЦ. В ходе данной работы на основе специально подготовленного размеченного набора данных пересмотрен состав индексов, включаемых в решающую композицию, и уточнены их пороговые значения.

Размеченные данные представляют собой временные ряды с координатами центров и областей циклонов, построенные на основе данных реанализа ERA5 и CARRA. Разметка проводилась в ручном режиме экспертом с опорой на записи ранее сформированной по спутниковым снимкам базы данных ПМЦ, охватывающей период 2020-2024 гг. В поле ветра на уровне 850 гПа прослеживались характерные для ПМЦ вихревые структуры с часовым шагом по времени. Каждой записи БД сопоставлялся соответствующий размеченный ряд данных (при обнаружении требуемой структуры), на основе которого строилась маска циклона. Эта маска накладывалась на поля индексов конвективной неустойчивости.

По результатам статистического анализа с использованием различных метрик проводилось ранжирование индексов по степени значимости для выделения областей ПМЦ. Определялись оптимальные пороги индексов наилучшим образом разграничивающие область циклона и окружающий его фон. Тестировались различные варианты комбинирования индексов, для каждого варианта оценивалась степень корреляции выделяемой области и маски циклона. По итогам работы отобраны варианты, показавшие высокие результаты, превосходящие по качеству локализации области ПМЦ, результаты первоначальной композиции, используемой в действующей расчетной схеме.

Планируется продолжить работу по разметке областей новых случаев ПМЦ, что позволить расшить объем анализируемых временных рядов, повысить их репрезентативность - учесть различные условия, при которых могут формироваться циклоны и в конечном итоге построить еще более правдоподобную схему распознавания их областей.

Исследование выполнено в рамках Плана научно-исследовательских работ Росгидромета на 2025-2029 гг. (тема 5.1.2, номер государственной регистрации 125101411563-2).