Снежный покров является ключевым компонентом климатической системы и оказывает сильное влияние на энергетический и водный баланс на поверхности суши. Вследствие этого снежные аномалии являются значительным источником предсказуемости поверхностного климата, особенно весной, когда сильнейшее влияние на чистое поверхностное излучение оказывает высокий снежный альбедо.
Снежные аномалии
Могут вызвать отдаленные климатические реакции с помощью атмосферных явлений. В частности, влияние евразийского снежного покрова на азиатские муссоны широко изучалось и до сих пор вызывает споры.
Совсем недавно была отмечена еще одна важная связь между осенним снежным покровом Сибири и последующей внетропической циркуляцией атмосферы в зимнее время в Северном полушарии.
Имеются данные наблюдений, свидетельствующие о том, что сибирский снежный покров, особенно в октябре, является хорошим предшественником арктических колебаний, которые также описываются как северный кольцевой режим (СКР).
Степень снежного покрова также хорошо коррелирует с североатлантической осцилляцией (САО), которая иногда рассматривается как региональная сигнатура циркулирующего режима.
Эта запаздывающая корреляция имеет важное значение для сезонного прогнозирования, поскольку может привести к улучшению прогнозов АО-НАО и связанных с ними явлений.
Например, ученые использовали простую статистическую модель, чтобы показать преимущества учета сибирского снежного покрова с целью точного прогнозирования аномалий приземной температуры в Северном полушарии зимой.
Физическое объяснение этой статистической взаимосвязи включает относительно сложный механизм, впервые идентифицированный в повторном анализе и более точно описанный.
Шесть этапов этого механизма заключаются в следующем:
1) аномально обширный снег над Сибирью в начале осени;
2) аномалия снега создает сильное термическое воздействие на поверхность, усиливая климатологический максимум Сибири, развивающийся в этот сезон;
3) в соответствии с теорией планетарных волн бароклиническая реакция на снег повышает распространение стационарных волн из тропосферы на этот регион, для которого характерна высокая активность стационарных волн;
4) в конце осени и/или начале зимы струя полярной ночи ослабляется поглощением распространяющихся в стратосферу волн, что приводит к полярному потеплению, чему способствует вторжение в вихрь среднеширотных воздушных масс;
5) по полученным данным, кольцевая зональная аномалия ветра распространяется вниз;
6) несколько недель спустя сигнал полушария выходит на поверхность и проецируется на отрицательную модель АО, причем положительная аномалия сконцентрирована над областью полярного круга, окруженной отрицательными аномалиями над Североатлантическим и Северотихоокеанским регионами.
И наоборот, недостаток снега над Сибирью осенью благоприятствует положительной фазе АО. Эта телесвязь, связанная со стратосферной траекторией, может быть связана с экстремальными холодными явлениями зимы 2009/10 года.
Эксперименты
Несколько численных экспериментов успешно имитировали эту телесвязь с моделями общей циркуляции (МОЦ), подтвердив тем самым предполагаемый стратосферный путь между сибирским снегом и северной зимней циркуляцией атмосферы.
Ученые использовали модель ECHAM3 и предписывали контрастировать снежные аномалии над Сибирью на основе экстремальных значений наблюдаемой снежности осенью 1976 и 1988 гг.
В последующих исследованиях отмечали, что региональные особенности Сибири, такие как орография, сильная климатологическая активность стационарных волн и теплоизоляционный эффект снега, имеют решающее значение для получения значительной реакции на предписанные снежные аномалии.
В частности, ученые подчеркнули важность исходных стратосферных условий для реакции полярных вихрей. Использовали районы снежного покрова, полученные со спутников, которые были доступны с конца 1966 года, для определения реалистичных снежных границ в климатической версии МОЦ "Действие малых исследований" (ARPEGE-Климат).
Была обнаружена связь между снегом и алеутским индексом низких значений температур в конце зимы. Совсем недавно ученые прописали аномальный снежный альбедо над Евразией в модели сообщества атмосферы Национального центра атмосферных исследований.
В ответ на это радиационное воздействие в стратосферу распространился импульс волновой активности, кульминацией которого стала отрицательная фаза арктической осцилляции. Ученые исследовали, смогли ли МОЦ, связанные с океаном и атмосферой текущим поколением, улавливать связь между снегом и АО.
Обнаружили, что все модели, используемые в рамках третьего этапа Проекта взаимного сравнения парных моделей (CMIP3), не отражают такой взаимосвязи.
Для этого назвали две основные причины:
1) выдавливание снега было недостаточным, поскольку межгодовая изменчивость снега, моделировавшаяся над Сибирью, была слишком слабой;
2) локальная атмосферная аномалия снегохода была слишком ограничена в продольном направлении, не позволяя достаточной волновой активности в стратосфере для ослабления полярного вихря.
Также проанализировали чувствительность реакции на вертикальную дискретизацию в стратосфере ("низкая" и "высокая" версии AM2-LM2) и обнаружили не систематическое улучшение, а существенные различия, что говорит о важности среднего состояния модели для моделирования взаимосвязи снег-АО.
Следовательно, до сих пор некоторые МОЦ показали способность моделировать реалистичную реакцию МОП на сибирские снежные аномалии; однако, большинство из них не воспроизводят ее.
Акцент действительно делается на сильной зависимости реакции модели от стратосферной климатологии. Для этого сравниваются две пары симуляций: одна с сильным, но общим смещением в северной внетропической стратосфере, другая с более реалистичным средним состоянием, полученным с помощью релаксационной (или подталкивающей) методологии.
Описание модели
Все моделирование выполнялось использованием версии 4 МОЦ ARPEGE-Климат при укорачивании T63. Использовали низко расположенную конфигурацию модели с 31 вертикальным уровнем и крышкой при 10 гПа, так как увеличенное вертикальное разрешение в стратосфере не улучшает модельную климатологию.
Поверхностный компонент суши представляет собой модель взаимодействия между почвой, биосферой и атмосферой (ISBA) с однослойной моделью снега и простой схемой силового восстановления с улучшенной сетью гидрологии.
В отличие от первоначальной формулы ISBA, фракция снежного покрова обнаженного грунта диагностируется по эквиваленту снежной воды с использованием эмпирической связи для улучшения как климатологии, так и межгодовой изменчивости снежного покрова Северного полушария.
Маскирующий эффект растительности все еще параметризован в соответствии с формулой Дувилла и обеспечивает разумное альбедо поверхности над лесными массивами.
Наконец, ISBA предлагает возможность осуществлять строгий контроль над переменными величинами поверхности суши (здесь и далее имитация массы снега) с помощью простого метода нагона (т.е. релаксации), применяемого на каждом этапе. Эта методология используется для определения постоянной аномалии массы снега над Сибирью.
Результаты
Прежде чем рассматривать реакцию зимней внетропической циркуляции, интересно рассмотреть, как предписанная снежная аномалия нарушает приземный климат в октябре. Положительная снежная аномалия увеличивает альбедо поверхности над сибирским участком примерно на 20%.
Это приводит к сильному охлаждению нижней тропосферы с более выраженным понижением температуры в южной части Сибири, где приходящая солнечная радиация все еще достаточно высока осенью.
Такое сильное охлаждение приводит к укреплению сибирского мороза, выходящего за пределы неспокойного региона на юго-востоке Евразии. Аномальное возвышение над Сибирью связано с отрицательными аномалиями с обеих сторон и, в частности, с усилением алеутской низменности над северной частью Тихого океана.