Роль увеличения температуры поверхности Черного моря в

Заседание Научного совета РАН по теории климата Земли
3 декабря 2015 г. ИФА РАН
Роль увеличения температуры поверхности
Черного моря в формировании экстремальных
осадков в Крымске в 2012 году
В.А. Семенов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
Институт географии РАН
vasemenov@mail.ru
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
0.5 ºC
< 25 лет
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Изменение среднегодовой температуры 1901-2012 (°С) (IPCC AR5)
Максимальное потепление на Европейской территории России и в
Центральной Сибири
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Как установить связь экстремальных событий с потеплением?
Можно исследовать статистически значимые изменения характеристик
экстремальных событий при потеплении с использованием данных наблюдений
Экстремальные события случаются редко, данных мало
Можно сравнить наблюдаемые тенденции изменений экстремальных событий с
модельными результатами
Модели не совершенны, сценарии антр. воздействия неопределенны,
естественная изменчиость «маскирует» сигнал
Можно изучать физические механизмы влияния потепления на формирование
экстремальных погодных явлений
Процессы могут быть очень сложны
Можно использовать климатические модели для воспроизведения экстремального
события и изучения его чувствительности к факторам глобального потепления
Модели несовершенны, часто такие эксперименты требуют
значительных ресурсов, возможны только «case studies»
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Наводнение в Крымске, 6-7 июля 2012 г.
171 погибший, 34,000 пострадавших
Самое большое кол-во жертв с 1973 г.
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Collaborative study by IAP RAS (Moscow Russia) and GEOMAR (Kiel, Germany)
scientists in frame of Russian-German Helmholtz Association-RFBR project
“European and Russian Extreme Events: Mechanisms, Variability and Future
Climate Change (EUREX)”
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Мметеорологические условия 6 июля 2012 г.
Column integrated precipitable water
(kg m-2) and sea level pressure (hPa)
on June 6th 2012, at 18Z (based on
NCEP Final analyses)
172 мм осадков 6 июля на метеорологической станции в Крымске
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Беспрецедентное количество осадков в Крымске с 1935 г.
Максимальные ежедневные осадки в Крымске, мм/день
Вероятность события 6 июля 2012 г. 1 / 70,000,000 лет, если оценивать
функцию распределения экстремальных значений до события
и 1 / 740 лет, если включить событие
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Прогнозы национальных метслужб на 6 июля 2012 г.
осадки, мм/день
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Климатические тренды ТПО в июне-июле
June-July SST trends
1982-2012 (K/31 yrs)
Black Sea average
June-July SST trends
1982-2012 (K/31 yrs)
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Событие в Крымске: проблема связи с глобальным потеплением
Есть ли связь между увеличением температуры поверхности Черного
моря в последние десятилетия и беспрецедентным количеством
осадков в июле 2012 г.?
• Нужно попробовать воспроизвести это событие в региональной модели
атмосферы высокого пространственного разрешения с использованием
наблюденных условий на боковых и нижней границе домена
• Если это удастся, то
• Можно исследовать чувствительность этого явления к граничным условиям
Могло бы случиться такое событие в условиях «холодного» климата
1980-1990 гг.?
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Постановка экспериментов
Weather Research and Forecasting Model (WRF)
simulation domain
Three nested domains: 15km, 3km, 600m
Lateral and initial boundary conditions from NCEPFNL, SST forcing from high resolution NOAA-OI
dataset (0.25°)
No convection parametrization in the inner domain
Large-scale dynamics (U,V) is nudged in the outer
domain only above PBL: the observed cyclone is
embedded
The only difference in boundary forcing – SST field
past cold
observed present
future warm
20% increments
Each state (11 in total) simulated with 6 ensemble
runs with different initial conditions
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Экстремальные осадки в Крымске в 2012 г.: результаты
экспериментов с моделью WRF
Daily precipitation on 6th of July simulated using
observed Black Sea temperature on the day of
the event
Daily precipitation on 6th of July simulated using
colder Black Sea temperature as it used to be in
back in 1980s
No extreme precipitation if cyclone would come over colder Black Sea
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Экстремальные осадки в Крымске в 2012 г.: результаты
экспериментов с моделью WRF
Observed Black Sea temperature
“Cold” Black Sea temperature
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Механизм формирования экстремальных осадков – инициация
глубокой конвекции при увеличении т-ры поверхности моря
Changes in specific humidity, vertical velocity and
precipitation between simulation with realistic and
“cold” Black Sea temperatures
Ensemble mean vertical velocity
maxima (vectors) and specific humidity
(contours)
Green and magenta lines show 24-hour
precipitation totals of the observed and
“cold” simulations
Tan filling represent orography
Difference is due to deep convection
triggered in the observed state and
absent in the „cold“ state simulations
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Нелинейность отклика при росте т-ры поверхности моря
Krymsk precipitation as a function of Black Sea temperature
Deep
convection
triggered
stabilization
Instability threshold
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Почему прекращается рост экстр. осадков при дальнейшем
увеличении ТПО Черного моря?
Key role of explicit convection representation at high spatial resolution
mean precipitation
extreme precipitation
parametrized
convection
permitted (resolved)
convection
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Почему прекращается рост экстр. осадков при дальнейшем
увеличении ТПО Черного моря?
Convective downdrafts in CP simulations prevent further precipitation increase
downdraft velocities
latent heating
parametrized
convection
permitted (resolved)
convection
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Выводы
Экстремальные осадки в Крымске невозможно воспроизвести в условиях более
холодной температуры поверхности Черного моря. Установлена связь между
увеличением интенсивности экстремальных осадков в прибрежных регионах с
ростом ТПО.
Механизм резкого увеличения экстремальных осадков связан с достижением
порога неустойчивости и инициализации режима глубокой конвекции.
Отклик осадков на рост ТПО нелинеен. Порог неустойчивости пройден в конце
1990-х гг.
Предложенная методология может быть использована для оценки будущих
изменений экстремальных событий в прибрежных регионах.
Прекращение роста экстремальности осадков при дальнейшем потеплении
связано со стабилизацией нижней тропосферы нисходящими потоками.
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Спасибо за внимание!
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
The beginning of the 21st century was marked by a number of unprecedented
weather extremes
(IPCC Special Report on Extreme Events 2012)
Hydrological extremes in European region
2000 – England and Wales, the wettest autumn since 1766 г.
2002 – Germany, strongest daily precipitation in the record since 1901, Dresden and Prague floods
2010 – record breaking precipitation and flood in Pakistan
2013 – Amur flood
2012 – extreme precipitation (maximal since 1931) an flood in Krymsk, Russia
2013 – flood in Czech Republic and Southern Germany
2014 – flood in Serbia and Bulgaria
2015 – flood in Sochi, Russia, and Nice, France
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
“Cold winters” of the 21st century
DJF temperature anomalies (2001-2010) – (1991-2000)
Observed (GISS) DJF (2001-2010) – (1991-2000), K
Probability of strong negative Moscow
winter temperature anomalies in the 21st
century is 3 times higher than two
decades before
Hamburg
“cold yrs” < 0 °C
period
N
Prob.
Moscow
“cold yrs” < -8 °C
N
Prob.
1950-1987
11
0.29
18
0.47
1988-2002
1
0.07
1
0.07
2003-2013
3
0.21
4
0.36
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
“Cold winters” of the 21st century
Winter temperature (T) and sea level pressure (P) anomalies for 2005-2012
(NCEP reanalysis data)
T, °C
“Hot Arctic – Cold Continent”
P, hPa
“Barents Anti-cyclone”
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
“Cold winters” of the 21st century
Fraction of the Barents Sea covered by sea ice in winter (%)
2005 regime shift
Is there a link between the sharp sea ice reduction and European weather?
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
“Cold winters” of the 21st century
Simulations with atmospheric model forced by sea ice anomalies in the Barents
Sea revealed a non-linear response to sea ice reduction with a cooling as a
response to present-day sea ice reduction (Petoukhov and Semenov 2010)
Temperature changes induced by gradual sea ice reduction as simulated by climate model, ºC
sea ice decreases
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
A possible mechanism of the non-linear response
Т
Interaction between
convection and thermal
wind
North
South
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Reducing Arctic sea ice may lead to formation of cold winter anomalies over
Eurasia
The response is essentially non-linear with further warming in the future
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS