Трансформация мезомасштабных облачных структур в ходе арктических холодных вторжений: результаты проекта COMBLE-MIP
Что происходит, когда ледяной арктический воздух пересекает кромку льда и оказывается над открытым, относительно теплым океаном? Это явление ученые называют морским вторжением холодного воздуха (MCAO). Это состояние экстремальной неустойчивости: большая разница температур между водой и воздухом порождает мощные восходящие движения и турбулентные потоки тепла и влаги. В результате в пограничном слое атмосферы формируются облачные структуры — от узких «облачных улиц» до обширных ячеистых полей. Даже при сильно отрицательных температурах облака в MCAO смешанные: в них одновременно есть переохлажденные капли воды и кристаллы льда.
В новом исследовании международной группы ученых из 21 научной группы со всего мира, в том числе специалистов российских научных организаций: ИФА РАН (Д. Г. Чечин), ИВМ РАН и Гидрометцентра России (Р. Ю. Фадеев, М. А. Толстых), а также МГУ имени М. В. Ломоносова (А. В. Дебольский, Е. В. Мортиков, Н. И. Силин), — рассматривается, почему современные климатические модели до сих пор «спотыкаются» при воспроизведении облачных процессов и как проект COMBLE-MIP помогает это исправить.
Основой модельных экспериментов стали наблюдения COMBLE. Ученые использовали измерения наземных станций, комплексов дистанционного зондирования на островах в Норвежском море и данные самолетных наблюдений для описания состояния атмосферы во время интенсивного холодного вторжения 13 марта 2020 года — от Шпицбергена до Кольского полуострова и побережья Норвегии.
Использовалось два класса моделей:
1. LES (Large Eddy Simulation): модели с высоким разрешением (до 100 м), способные напрямую воспроизводить крупные атмосферные вихри и турбулентность (совместный коллектив МГУ и ИФА РАН).
2. SCM (Single-Column Models): одномерные версии глобальных моделей прогноза погоды и климатических систем. Это «вертикальные срезы» атмосферы, где облака, осадки и турбулентность описываются упрощенно через параметризации (совместный коллектив ИВМ РАН/Гидрометцентр и ИФА РАН).
Облака не изучали «в одной точке»: расчетная область двигалась вместе с воздушной массой от кромки льда в сторону открытого моря (метод Лагранжева переноса). Это позволило проследить эволюцию облачного слоя от зарождения до распада.
Почему современные модели «спотыкаются» на облаках?
Исследование показывает, что главная сложность кроется в смешанном фазовом составе облаков. Даже незначительная активация процессов ледообразования запускает каскадный механизм: за счет разности давления насыщенного пара над водой и льдом кристаллы растут значительно быстрее капель (эффект Бержерона-Финдайзена), что приводит к выпадению осадков. В результате облачный покров истощается, его оптическая плотность меняется. Этот переход от «облачных улиц» к разомкнутым конвективным ячейкам кардинально меняет радиационный баланс: «дырявые» облака иначе пропускают солнечную радиацию и удерживают тепло Земли.
Большинство моделей склонны «переувлажнять» пограничный слой или ошибаться в моменте формирования льда. Более сложные модели, способные имитировать крупные атмосферные вихри (LES), справляются значительно лучше, подтверждая, что секрет реалистичного прогноза кроется в детальном описании турбулентности и микрофизики облаков.
Исследование подчеркивает: чтобы понять темпы потепления Арктики, нам нужно научиться моделировать облака как сложную динамическую систему, где каждое фазовое превращение напрямую влияет на климатический отклик планеты.
Подробнее читайте в статье в журнале Atmospheric Chemistry and Physics: «The Cold-Air Outbreaks in the Marine Boundary Layer Experiment model-observation intercomparison project (COMBLE-MIP) — Part 1: Model specification, observational constraints, and preliminary findings».
