В настоящее время Арктика привлекает повышенное внимание, как регион, где значительные климатические изменения открывают новые возможности для навигации, коммерческого рыболовства, добычи полезных ископаемых и других сфер социально-экономической деятельности. Согласно «Морской доктрине Российской Федерации на период до 2020 г.», национальная морская политика на Арктическом региональном направлении определяется «богатствами исключительной экономической зоны и континентального шельфа Российской Федерации, а также возрастающим значением Северного морского пути для устойчивого развития Российской Федерации». Решение новых проблем Арктики возможно при понимании и умении прогнозировать сложные, до сих пор остающиеся неисследованными физические, биохимические, экологические процессы, происходящие в различных (атмосфера, лед, океан, почва, геосфера) средах Арктического региона.

Созданная в Гидрометеорологическом Научно-исследовательском Центре России в рамках проекта Российского Научного Фонда лаборатория гидрометеорологии Арктики (ЛаГАр) своей основной целью ставит создание современной совместной модели системы «океан-морской лед – атмосфера – суша» со сверхвысоким пространственным разрешением. Основная задача такой модели: прогноз физических процессов в гидрометеорологической компоненте Арктической климатической системы для информационного обеспечения управленческой и социально-экономической деятельности в российской Арктике. Лаборатория ЛаГАр была сформирована 2 октября 2014 года в соответствии с Соглашением № 14-37-00053 от 17 сентября 2014 года между Российским научным фондом, руководителем проекта Ивановым В.В. и ФГБУ «Гидрометцентр России» в лице директора Вильфанда Р.М.

Научно-исследовательская деятельность лаборатории структурирована в рамках следующих научных направлений:

  1. Обработка и анализ натурных и модельных данных;
  2. Cуперкомпьютерное моделирование океана и льда;
  3. Глобальный численный прогноз состояния атмосферы;
  4. Параметризация подсеточных процессов в моделях атмосферы и океана;
  5. Статистическая интерпретация результатов модельных экспериментов;
  6. Численный прогноз мезомасштабных процессов в Арктике.

В рамках проекта РНФ на сотрудников лаборатории возложено решение следующих концептуальных задач (Рис. 1):

  1. Диагноз современного состояния компонент арктической системы на основе статистической обработки данных наблюдений и реанализа.
  2. Разработка комплексной, высокотехнологичной модели физических процессов в атмосфере, морском льде, океане и суше на основе существующих глобальных моделей для различных сред.
  3. Анализ внутригодовой и межгодовой (на масштабе до декады) изменчивости состояния океана, атмосферы и морского льда Северного Ледовитого океана.
  4. Исследование обратных связей в системе «атмосфера – морской лед - океан» на внутрисезонном, сезонном и межгодовом временном масштабе с целью выявления возможного прогностического потенциала
  5. Исследование существующих и разработка новых параметризаций процессов подсеточного масштаба в моделях атмосферы и океана.
  6. Опытные численные прогнозы состояния компонент арктической системы различной заблаговременности по архивным начальным данным реанализа ERA Interim и сравнение результатов этих прогнозов с наблюдениями.

В соответствии с утвержденным в Соглашении с РНФ планом работ сотрудниками лаборатории были получены следующие научные результаты:

  • Разработаны параметризации для расчета потоков тепла, влаги, импульса и углекислого газа в Арктике при различных фоновых условиях, а том числе над всторошенной поверхностью и поверхностью, покрытой разводьями. Выполнены оценки характерных значений турбулентных потоков тепла, влаги, импульса, углекислого газа и метана над различными поверхностями, характерными для Северного Ледовитого океана. Получена их сезонная и региональная изменчивость.
  • Получены оценки качества прогнозов глобальной полулагранжевой модели (ПЛАВ), разработанной в ИВМ РАН совместно с ФГБУ Гидрометцентр России, позволяющие оценить способность прогностической системы воспроизводить макромасштабную атмосферную циркуляцию на длительных (месячных и сезонных) интервалах времени. Определены возможные пути дальнейшего повышения качества долгосрочных метеорологических прогнозов за счет использования совместной модели океана и атмосферы, а также более точного выражения и учета в модели атмосферы снежного покрова.

  • Проведены тестовые численные эксперименты для разработки среднесрочных метеорологических прогнозов с модифицированной версией модели ПЛАВ, имеющей повышенное пространственное разрешение над Арктикой (около 10 км). Результаты экспериментов показали работоспособность модели.

  • Создана совместная модель динамики океана и морского льда высокого пространственного разрешения (2-5 км) с биполярной сеткой над арктическим регионом. Модель обладает высокими численными характеристиками (локализация данных и вычислений, согласованность расчётных областей, декомпозиций и сеток, настройка численных методов, балансировка вычислительной нагрузки), обеспечивающими масштабируемость решения на массивно-параллельных вычислительных системах, что является необходимым условием для возможности исследования физических процессов и прогнозирования состояния земных систем. Компоненты по отдельности являются современными моделями, обладающими набором реалистичных параметризаций физических процессов. Проведена первичная верификация модели в эксперименте по воспроизведению внутригодовой изменчивости океанской циркуляции, что позволяет сделать вывод о готовности совместной модели к проведению экспериментов запланированного сверхвысокого горизонтального разрешения для Северного Ледовитого океана (характерные линейные размеры вычислительных ячеек для океана – единицы километров, для морского льда – порядка 1000 метров).

  • Разработаны детерминистский (на основе регрессии) и вероятностный (на основе теоремы Байеса) методы даунскейлинга из глобальных прогнозов модели ПЛАВ и получены верификационные оценки их применения к станциям Северной Евразии.

  • Собран архив метеорологической информации, включающий в себя среднесуточные данные измерений суммарной коротковолновой солнечной радиации, температуры и влажности воздуха, скорости ветра, общей облачности и атмосферного давления. Собран архив данных натурных наблюдений за термическим режимом озер Большеземельской тундры, находящихся за полярным кругом. Выполнена адаптация математической модели FLake (www.lakemodel.net) к условиям арктических озер (определены типы вертикальных профилей температуры, подобраны соответствующие граничные условия на нижней границе деятельного слоя донных отложений, определены величины ветрового разгона и др.). Успешно выполнена верификация математической модели FLake по данным натурных наблюдений на двух разнотипных арктических озерах. По результатам моделирования выполнен анализ основных особенностей процессов перемешивания в озерах, годового цикла их термического и ледового режимов.

  • Подготовлены исходные материалы для запланированной в 2015 году адаптации модели COSMO-Ru к Арктическому региону. Выбраны три вложенные территории с шагами сетки равными, соответственно, 13.2, 6.6 и 2.2 км. Подготовлены фактические данные (один эпизод за 2014 г.) для исследования и верификации прогноза полярного циклона Проведен постановочный численный эксперимент с этими данными и начат анализ полученных результатов.

Полученные результаты составили основу для пяти подготовленных к публикации научных статей и были представлены в 8-ми докладах на российских и международных научных конференциях.