Ученые обнаружили скрытый сигнал, который может улучшить прогнозы погоды на зиму

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что мощная волна в стратосфере может повысить надежность прогнозов на вторую неделю зимних холодов в центральной Канаде и на Среднем Западе. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

По-прежнему сложно дать точный прогноз погоды на две недели и более вперед. Некоторую помощь может оказать ситуация на гораздо более высоких уровнях атмосферы, в стратосфере, слое воздуха над тем, где происходят погодные явления.

Согласно новым исследованиям, когда в этом районе формируется огромная волна, прогнозы зимних холодов в центральной Канаде и на Среднем Западе становятся более достоверными на второй неделе.

Это превращает волну в сигнал, за которым могут следить синоптики: промежуток времени, когда долгосрочный прогноз заслуживает большего доверия, чем обычно.

Работу возглавляет Сююань Дин из программы по атмосферным и океаническим наукам Принстонского университета. Соавторы исследования работают в Лаборатории геофизической гидродинамики Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и Университете Вирджинии.

Команда не проверяла прогнозы в режиме реального времени. Они работали с прогнозами, повторно составленными для 20 прошлых зим, и сопоставляли их с тем, как вела себя погода на самом деле.

«Наши результаты не означают фиксированное количество дополнительных дней прогноза в каждой ситуации», — говорит Дин.

Вместо этого результаты указывают на то, что команда называет «окном возможностей», когда прогнозы могут стать более надежными.

Большинство погодных явлений происходит в нижнем слое атмосферы. Над ней находится стратосфера, где изменения в воздухе происходят медленнее, и их закономерности можно предсказать на более длительный срок.

Согласно использованной командой системе прогнозирования, состояние нижней стратосферы оставалось предсказуемым примерно 20 дней. Дин оценивает это примерно в две-три недели. Большинство исследований, посвященных стратосфере и погоде на поверхности Земли, сосредоточено на одном типе явлений.

Зимой вокруг Северного полюса образуется кольцо сильных ветров, называемое полярным вихрем, которое иногда быстро разрушается — это явление известно как внезапное стратосферное потепление. Эти сбои часто связаны с резкими похолоданиями. Однако над Северной Америкой их влияние на местности, как правило, менее предсказуемо, чем над Северной Атлантикой и Европой.

Некоторые исследования связывали похолодание в Техасе в феврале 2021 года с потеплением, произошедшим месяцем ранее, в то время как прогнозные исследования предполагали, что потепление оказало лишь ограниченное влияние.

Команда работала с SPEAR, системой прогнозирования, разработанной в GFDL, которая связывает атмосферу, океан, сушу и морской лед. Она повторно запускала прогнозы на каждую зиму с 2000 по 2019 год, при этом период с ноября по март считался зимой.

Новый прогноз составлялся каждые пять дней. Каждый прогноз выполнялся 10 раз. Вместо того чтобы искать наиболее выраженные закономерности в нижней стратосфере, исследователи искали наиболее предсказуемые. Две из трех наиболее значимых закономерностей отражали силу полярных ветров.

Третий эффект представлял собой одну огромную волну: обширную область высокого давления над Северной Америкой и аналогичную область низкого давления над Евразией. Ученые называют это волнообразным паттерном 1-го типа, потому что один максимум и один минимум охватывают все полушарие.

Чтобы найти реальные примеры, команда проверила реконструкцию погоды за прошлые периоды, подготовленную Европейским центром среднесрочных прогнозов погоды. С 1950 по 2021 год волна достигала пика интенсивности 138 раз, и 39 из этих событий пришлись на зиму 2000-2019 годов.

После усиления снежной волны над Аляской образовался антициклон, а к востоку от него – ложбина низкого давления. Вместе они принесли холодный воздух на большую часть Северной Америки.

«Примерно через неделю циркуляция воздуха, как правило, меняет свою форму в сторону холодных условий в Северной Америке», — говорит Дин.

Исторические данные подтверждают эту закономерность. В 77% из 39 недавних случаев во вторую неделю в Северной Америке было холоднее, чем обычно. Вероятность необычно холодных условий возросла примерно на 50% по сравнению с аналогичными периодами других зим.

Волна не гарантировала сильных зимних морозов. Она лишь повышала вероятность их наступления. Группа исследователей обнаружила связь с волнами энергии, распространяющимися между стратосферой и воздухом под ней, включая некоторые из них, которые затем возвращались обратно к поверхности. Этот путь отличается от пути, по которому происходит разрушение полярного вихря.

Далее команда сравнила прогнозы, составленные в течение пяти дней после одного из таких волновых явлений, с прогнозами, составленными в те же календарные даты в другие зимние периоды. Это означало 41 прогноз волны против 679 обычных.

Для региона, расположенного в центральной Канаде и на Среднем Западе, прогнозы температуры на вторую неделю совпали с реальными условиями примерно на 15% лучше. С учетом случайных факторов, прирост составил от 2% до 28%. Наибольший прирост наблюдался там, где были самые сильные морозы.

По расчетам авторов, в этом регионе проживает более 69% населения Канады и более 30% населения США. Для этих людей синоптик, знавший о приближении волны, мог больше обычного доверять прогнозу на вторую неделю похолодания.

Также улучшились прогнозы относительно частоты сильных морозов. Соответствие между прогнозируемым и наблюдаемым количеством дней с сильными морозами увеличилось на 28%.

Дин говорит, что положительный эффект может сохраняться до третьей недели для прогнозов, составленных незадолго до начала волнового явления. Команда обнаружила это не только в одной системе прогнозирования.

Та же самая волна наблюдалась среди наиболее предсказуемых паттернов еще в трех системах, включая систему ECMWF. После этого их прогнозы температуры для Северной Америки также в целом улучшились.

Все это стало возможным благодаря повторному проведению прогнозов задним числом.

«Основные компоненты уже имеются, поскольку системы прогнозирования регулярно предсказывают состояние стратосферы», — объясняет Дин. «Однако наше исследование основано на ретроспективных прогнозах, поэтому это пока не оперативный инструмент прогнозирования. Внедрение в режиме реального времени еще впереди».

Цепочка событий от стратосферы до поверхности Земли получена путем усреднения множества случаев. Авторы отметили, что это не доказывает, что каждый шаг вызывает следующий, и это можно проверить в экспериментах, в которых стратосфера модели приближается к реальной.

Модель прогнозирования имеет свои недостатки. SPEAR завышает прогнозы по полярным ветрам, и величина выигрыша может зависеть от подобных ошибок. Следующий шаг авторов — более масштабное тестирование различных систем прогнозирования, чтобы выяснить, почему одни лучше других отражают эффект волны.