Предсказуемость климата в Северной Евразии: от механизмов региональной изменчивости к улучшению качества прогноза

Цель проекта: 

Основная цель проекта – повысить точность региональных климатических прогнозов, в том числе прогнозов экстремальных погодноклиматических явлений, в средних широтах на основе разработки и применения новых подходов для оценки предсказуемости. Исследования в рамках проекта прежде всего будут направлены на изучение климатических процессов в Северной Евразии на временных масштабах от нескольких недель до столетия. Для повышения точности климатического прогноза будут использованы наилучшие на сегодняшний день методики ансамблевых расчетов с использованием глобальных и региональных климатических моделей в сочетании с анализом современных баз данных наблюдений, передовыми эмпирическими подходами и методами машинного обучения. Достижение указанной цели подразумевает решение конкретных научных задач, состоящих из двух основных направлений: (1) разработки теоретической основы для понимания предсказуемости климата, основанной на разделении климатической изменчивости на детерминированное и вероятностное слагаемые; и (2) применение этого подхода для повышения точности и надежности численного прогноза климата и экстремальных климатических явлений в Северной Евразии на временном масштабе от нескольких недель до столетия с использованием современных моделей климата.

Задачи проекта:

1. Количественная оценка вклада быстрой (атмосферной) и медленной (климатической) компонент в изменчивость климата Северной Евразии на масштабах времени от нескольких недель до столетий. Быстрая атмосферная компонента (в т.ч. погодные режимы, блокирующие события) будет оцениваться с помощью аналогового и кластерного анализа, а также методов машинного обучения на основе данных наблюдений и экспериментов с климатическими моделями. Медленная климатическая компонента (например, изменения структуры аномалий температуры океана) будут оцениваться как остаточная изменчивость после исключения изменчивости, связанной с быстрой динамикой атмосферной компоненты. При таком методологическом подходе быстрая и медленная компоненты представляют собой вероятностно и детерминированно предсказуемые компоненты.

2. Определение источников предсказуемости климата Северной Евразии на разных временных масштабах (от недель до столетий) на основе количественной оценки воздействия медленной климатической компоненты и внешнего радиационного воздействия на быструю и медленную динамику атмосферы. Данная задача будет включать анализ взаимодействия атмосферы с океаном во внетропических широтах, морским льдом и земной поверхностью, а также исследование дальних связей в атмосфере. Будут использованы лучшие на сегодняшний день данные наблюдений для оценки влияния разрешения моделей и параметризации физических процессов на предсказуемость климата Северной Евразии в целом и экстремальных погодно-климатических событий в частности.

3. Повышение качества и достоверности прогнозов климата Северной Евразии на разных временных масштабах (от недель до столетий) на основе статистической и динамической настройки моделей, основанной на результатах предлагаемого в задачах 1 и 2 теоретического подхода. Статистические поправки на неверное воспроизведение источников предсказуемости будут использоваться для перенастройки вероятностного прогноза быстрой (атмосферной) компоненты и детерминированного прогноза медленной (климатической) компоненты. Далее, для более точных детерминированных прогнозов будут применяться новые методы интерактивного модельного ансамбля. Будут использоваться доступные мультимодельные прогнозы из глобальных центров оперативного прогноза и моделирования, а также передовые системы прогнозирования из Норвегии и России.

4. Улучшение способности прогнозирования рисков экстремальных гидрометеорологических явлений в Северной Евразии на субсезонном временном масштабе и создание более точных сценариев изменений частоты и интенсивности экстремальных климатических явлений в ближайшие десятилетия. Проект будет сфокусирован на предсказуемости и будущих изменениях характеристик экстремальных погодно-климатических явлений, наносящих наибольший ущерб (таких как экстремальные волны жары, экстремальные осадки, шквалы) с использованием фундаментального подхода (цели 1 и 2) и улучшенных сезонных и климатических прогнозов (цель 3). Для этого, в том числе, будет проведен ряд специализированных расчетов с глобальными и региональными атмосферными моделями для выявления источников предсказуемости экстремальных явлений, что будет способствовать улучшению системы оперативного прогнозирования.

Для достижения заявленных проекте целей в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук (ИФА РАН) будет создана новая Лаборатория предсказуемости климата (ЛПК), которой будет руководить профессор Ноэл Кинлисайд, ведущий мировой эксперт в области предсказуемости климата. Объединение знаний и опыта ведущих специалистов в области моделирования климата, исследования атмосферы и океана позволит комплексно подойти к проблеме предсказуемости климата. Участие в лаборатории ведущих ученых из Гидрометцентра России будет способствовать практическому внедрению ожидаемых фундаментальных результатов. Важно, что ряд ключевых участников ЛПК являются профессорами МГУ им. М.В. Ломоносова и, в своих курсах на тему динамики климата, атмосферы и смогут передать новые теоретические и прикладные результаты мирового уровня студентам и аспирантам, тем самым привлекая лучших студентов и молодых ученых к важной и быстро развивающейся области прогноза погоды и климата, образуя важную связку между высшим образованием, фундаментальной наукой и внедрением. Ноэл Кинлисайд будет активно передавать свои знания, полученные им при создании Норвежской модели прогнозирования климата (активно используемой в Центре климатических исследований им. Бьеркнеса). Работая под его руководством, сотрудники Лаборатории предсказуемости климата будут получать актуальные фундаментальные и прикладные результаты, способствующие созданию и долгосрочному развитию Российской системы климатического прогнозирования.

Планируемые результаты проекта:

Главным научным достижением проекта будет впервые полученная комплексная оценка теоретического потенциала и практически реализуемой предсказуемости климата и экстремальных гидрометеорологических явлений в Северной Евразии на временных масштабах от двух недель до столетия. При этом будут получены следующие основные результаты:

1. Количественная оценка вклада быстрой (атмосферной) компоненты и медленной (климатической) компоненты в изменчивость климата на указанных временных масштабах.

2. Количественная оценка предсказуемости медленной и быстрой компонент на разных временных масштабах (от 2 недель до десятилетий) на основе данных наблюдений и моделей, включая оценку основных ограничений существующих климатических моделей и разработку новых подходов к перенастройке/модификации данных прогноза для повышения его точности и достоверности.

3. Количественная оценка вклада внешнего радиационного воздействия и внутренней климатической изменчивости в динамику как быстрой (атмосферной), так и медленной (климатической) компонент для современного исторического периода и предстоящего столетия, включая оценку неопределенности модельных результатов и разработку методов для уменьшения этой неопределенности.

4. Количественная оценка существующего потенциала для прогнозирования экстремальных гидрометеорологических явлений над Северной Евразией на суб-сезонном временном масштабе и оценка влияния изменений климата на характеристики экстремальных событий со сценарными прогнозами таких изменений в XXI веке.

Теоретический подход, который будет разработан на основе разделения изменчивости на вероятностную и детерминированные компоненты, станет еще одним важным результатом проекта, который может быть применен для понимания и оценки предсказуемости климата, что приведет к улучшению качества климатического прогнозирования не только в России, но и во всем мире.

Ключевым практическим результатом станет создание инструментов перенастройки прогнозов и улучшенных, на основе полученных результатов, проекций климата и экстремальных гидрометеорологических явлений в Северной Евразии, которые послужат основой для прикладных задач Гидрометцентра и позволят разработать более качественное климатическое обслуживание в целях устойчивого развития общества и экономики российских регионов.

Важным практическим результатом станет внедрение Норвежской модели прогнозирования климата в ЛПК, что значительно расширит существующие возможности в России для изучения изменчивости, предсказуемости и изменений климата, и, таким образом, позволит значительно улучшить достоверность климатического прогноза для регионов Северной Евразии.

Научные результаты будут опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и представлены на международных конференциях самого высокого уровня. Численные модели и инструменты диагностики будут доступны и задокументированы, а компьютерные алгоритмы адаптированы для основных компьютерных платформ. Полученные результаты будут распространяться среди исследователей и заинтересованных сторон в виде массивов данных в электронной форме через Интернет и другие средства массовой коммуникации