Интенсивные атмосферные вихри и их динамика: теоретические проблемы, анализ данных, лабораторные эксперименты и численное моделирование

член-корр. РАН И.И.Мохов, рук.; зав.лаб. О.Г.Чхетиани, нс А.В.Чернокульский, внс М.В.Курганский, снс М.В.Калашник, гнс Е.Б.Гледзер, нс М.Г.Акперов, асп. А.А.Тимажев, внс С.Г.Чефранов, снс С.А.Ситнов, нс Ю.Л.Черноусько, снс А.Е.Гледзер, снс А.А.Хапаев, асп. Н.В.Вазаева, асп. М.А.Прокофьева

Вихревая активность играет ключевую роль в атмосфере Земли и в целом в земной климатической системе. При этом особое значение имеют наиболее интенсивные вихри. В рамках проекта намечено разностороннее взаимосвязанное исследование целой совокупности атмосферных вихрей различного пространственно-временного масштаба - от микро- до планетарного, включая торнадо, полярные мезоциклоны, тропические циклоны, внетропические циклоны и антициклоны, блокинги, центры действия, циркумполярные вихри.

Планируется анализ условий формирования и эволюции интенсивных вихрей в атмосфере с определением взаимосвязи и взаимовлияния вихрей различного масштаба. Будет проведен анализ существующих проблем в области детектирования атмосферных вихрей по современным данным и определения основных характеристик интенсивных вихрей различного пространственного и временного масштаба. Особый интерес представляет анализ условий формирования интенсивных вихрей при глобальных климатических изменениях, с оценкой относительной роли собственной климатической изменчивости и внешних естественных и антропогенных факторов. Важное значение при этом имеет количественная оценка роли интенсивных атмосферных вихрей в формировании погодно-климатических аномалий.

Сильнейшие региональные погодно-климатические аномалии связаны с продолжительными блокирующими антициклонами, для которых характерна слабая предсказуемость. В рамках лабораторных экспериментов и численного моделирования предполагается определить области изменения параметров системы, при которых возможна генерация крупномасштабных квазистационарных (в том числе блокирующего характера) структур с размерами порядка внешнего масштаба течений.

Планируется исследование влияния квазициклических климатических процессов на предсказуемость экстремальных вихревых режимов в атмосфере. Целый ряд результатов планируется получить впервые в мире.

В рамках проекта планируется получить новые результаты, связанные с формированием, развитием и разрушением интенсивных вихрей различного пространственно-временного масштаба.

Будут изучены условия формирования воздушных смерчей (торнадо) в регионах Северной Евразии при возможных изменениях климата, дана прогностическая оценка вероятности формирования воздушных смерчей в ближайшие десятилетия.

В рамках проекта планируется исследовать влияние глобальных климатических изменений на условия формирования и изменения основных характеристик интенсивных циклонов и антициклонов во внетропических и полярных широтах Северного полушария (повторяемость, размеры, интенсивность и др.) с оценкой роли естественной климатической изменчивости и антропогенных факторов. Намечено проведение методологического сравнения результатов определения характеристик циклонов и антициклонов с использованием автоматизированного метода и ручной обработки синоптических карт.

Планируется получить оценки взаимосвязи характеристик блокирующих антициклонов с процессами крупномасштабной климатической изменчивости в условиях меняющегося климата в XX и XXI веках. Намечен анализ влияния блокирующих антициклонов на формирование погодно-климатических аномалий в Северном полушарии в XX и XXI веках.

Планируется получить количественную оценку роли облачности в эволюции Сибирского антициклона.

Будет проведено теоретическое исследование интенсивных атмосферных вихрей мезо- и микромасштабов с акцентом на выяснение гидродинамических условий образования «торнадо-мезоциклонов», из которых образуются наиболее сильные смерчи (торнадо), а также интенсивных атмосферных мезоциклонов, включая полярные мезоциклоны (полярные «бомбы»).

Будет построена аналитическая модель нестационарного мезомасштабного вихря, развивающегося во времени благодаря совместному (синергетическому) действию выделения скрытой теплоты парообразования и взаимодействия вихря с подстилающей поверхностью, включая эффекты экмановского трения и орографических неоднородностей.

Будут сделаны оценки изменений параметров интенсивных мезоциклонических вихрей (их интенсивности, пространственных размеров и др.), сопровождающих вероятные изменения климатических условий в атмосфере.

В рамках лабораторных экспериментов и численного моделирования предполагается определить области изменения параметров системы, при которых возможна генерация крупномасштабных квазистационарных (в том числе и блокирующего или заблокированного характера) структур с размерами порядка внешнего масштаба течений.

Ожидаемые результаты в рамках проекта наряду с научной значимостью исключительно важны с точки зрения социально-экономических последствий в связи с увеличением риска экстремальных вихревых режимов при изменениях климата. Самые экстремальные погодно-климатические аномалии в российских регионах в последние годы были связаны с продолжительным блокированием зонального переноса в атмосфере – с блокирующими антициклонами, в том числе рекордное наводнение на Амуре в 2013 г., и засуха и пожары на европейской территории России летом 2010 г. Длительный блокирующий антициклон летом 2013 г., установившийся над Тихим океаном, заблокировал зональный перенос в атмосфере и способствовал формированию над восточной частью Азии (включая бассейн реки Амур) аномального циклонического режима с продолжительными интенсивными осадками. Летом 2010 г. длительный блокирующий антициклон над европейской частью России способствовал также формированию продолжительных дождей западнее (в Восточной Европе) и юго-восточнее (над Азией).

Полученные в рамках предлагаемого проекта результаты должны способствовать более адекватной оценке риска экстремальных событий, связанных с экстремальными вихревыми режимами в атмосфере.

Запланированные результаты будут соответствовать мировому уровню исследований. Результаты работ предполагается опубликовать в ведущих рецензируемых журналах, в том числе: Известия РАН. Физика атмосферы и океана, Метеорология и гидрология, Доклады академии наук, Письма в ЖЭТФ, ЖЭТФ, Механика жидкости и газа, Global and Planetary Change, Theoretical and Applied Climatology, Atmospheric Research, J. Fluid Mech.. По результатам проекта планируется 26 публикаций в рецензируемых журналах и подготовка итоговой коллективной монографии.