Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2026. № 1 (399). С. 69-101

69

DOI: https://doi.org/10.37162/2618-9631-2026-1-69-101

УДК 551.515.6

Оценка чувствительности модели ICON-Ru

к изменениям площади морского льда

и температуры поверхности океана при прогнозе

образования и развития полярных мезоциклонов

М.А. Никитин¹, А.П. Ревокатова^1,2, И.Р. Ломакин^1,3,

И.А. Розинкина¹, Г.С. Ривин¹

¹Гидрометеорологический научно-исследовательский центр

Российской Федерации, г. Москва, Россия;

²Институт глобального климата и экологии имени Ю.А. Израэля, г. Москва, Россия;

³Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,

географический факультет, г. Москва, Россия

revokatova@gmail.com, Arhin@yandex.ru, ilja.lomakin2@yandex.ru

Изучена чувствительность конфигурации ICON-Ru модели ICON (ICOsahedral

Nonhydrostatic) с шагом 2,0 км к изменениям площади морского льда и температуры

поверхности океана при прогнозировании образования и развития полярных мезо-

циклонов. Представлены результаты численных экспериментов для Норвежского и

Баренцева морей для холодного периода 2022–2024 гг. на примере анализа жизнен-

ных циклов нескольких циклонов. Показано, что уменьшение площади морского льда

и повышение температуры воды в арктических морях может повысить интенсивность

полярных мезоциклонов.

Ключевые слова: полярные мезоциклоны, морской лед, баротропная неустойчи-

вость, конвективная неустойчивость, численный детализированный прогноз погоды,

модель ICON

Evaluation of the ICON-Ru model sensitivity

to the changes in the sea ice extent

and sea surface temperature in forecasting

the formation and development of polar lows

M.A. Nikitin¹, A.P. Revokatova^1,2, I.R. Lomakin^1,3,

I.A. Rozinkina¹, G.S. Rivin¹

¹Hydrometeorological Research Center of Russian Federation, Moscow, Russia;

²Yu.A. Israel Institute of Global Climate and Ecology, Moscow, Russia;

³Moscow State Lomonosov University, Geographical Faculty, Moscow, Russia

revokatova@gmail.com, Arhin@yandex.ru, ilja.lomakin2@yandex.ru

The paper deals with studying the sensitivity of the ICON-Ru model with a grid spacing

of 2.0 km to changes in the sea ice extent and sea surface temperature when forecasting the

formation and development of polar lows (PLs). The results of numerical experiments for

the Norwegian and Barents seas for the cold season of 2022–2024 are presented by the

example of analyzing the life cycles of several PLs. It is shown that decreasing sea ice

extent and increasing water temperatures in the Arctic seas can increase the intensity of

PLs.

70

Расчеты и прогнозы элементов режима морей и океанов

Keywords: polar lows, sea ice, barotropic instability, convective instability, detailed

numerical weather prediction, ICON model

Введение

Короткое время жизни полярных мезоциклонов (ПМЦ), их малые раз-

меры в совокупности с практически полным отсутствием наземных метео-

рологических наблюдений над арктическими морями создают трудности

при их прогнозировании, которые нередко являются причиной экстремаль-

ных погодных явлений (снегопадов с низкой видимостью, штормового

ветра), морских штормов и обледенения судов. Развитие и перемещение

ПМЦ по арктическим морям может оказывать серьезное влияние на устой-

чивое функционирование Северного морского пути. Прогноз даже на бли-

жайшие часы этих формирований представляется затруднительным при

экстремально малом количестве наземных наблюдений в арктическом ре-

гионе, при этом численное негидростатическое моделирование несет в себе

значимый потенциал повышения предсказуемости этих синоптических

объектов. Практическая возможность реализовать такой прогноз при по-

мощи конфигурации ICON-Ru модели ICON (ICOsahedral Nonhydrostatic)

[22] консорциума COSMO (COnsortium for Small-scale MODelling)

(http://www.cosmo-model.org) была показана ранее [16]. Данная статья

посвящена дальнейшему изучению чувствительности конфигурации

ICON-Ru с шагом 2,0 км к изменениям в структуре поля морского льда и

температуры поверхности океана (ТПО) и их влияния на образование и раз-

витие ПМЦ.

Среди механизмов образования полярных мезоциклонов над морской

поверхностью обычно описываются три фактора: бароклинная неустойчи-

вость, конвективная неустойчивость и баротропная неустойчивость. При

этом роль разных факторов в формировании ПМЦ различается в зависимо-

сти от региона и других сопутствующих условий (например, наличие хо-

лодной высотной ложбины на высоте 500 гПа, близость струйного течения,

циклоническая завихренность крупномасштабного потока). Свойства под-

стилающей поверхности, в первую очередь распределение морского льда и

температура поверхности океана, во многом определяют условия формиро-

вания ПМЦ [5, 17]. Влияние того или иного фактора на образование ПМЦ

можно отследить с использованием численного моделирования. Авторы ра-

боты [4], где разбирается подробно случай возникновения ПМЦ над Барен-

цевым морем, проводили три численных эксперимента: контрольный,

с убранным в районе Шпицбергена льдом и с повышением температуры

поверхности моря на 5 К (от 68° до 84° с. ш., от 18° до 50° в. д.). Анализ

результатов этих экспериментов позволил сделать вывод о том, что факт

формирования данного ПМЦ был обусловлен бароклинной неустойчиво-

стью, в то время как конвективная неустойчивость была важна во время его

развития.

Никитин М.А., Ревокатова А.П., Ломакин И.Р., Розинкина И.А., Ривин Г.С.

71

Похожее исследование было проведено и для Гудзонова залива [5]. В

одном из экспериментов температура поверхности океана была увеличена

на 8 К, что привело к усилению скорости ветра в ПМЦ до ураганных зна-

чений. Роль баротропной неустойчивости в развитии ПМЦ также была

предметом ряда исследований второй половины XX века [8, 12]. В послед-

ние годы были продолжены исследования влияния орографии и распреде-

ления морского льда на образование ПМЦ в Норвежском и Баренцевом мо-

рях [20]. Эти эксперименты показали, что ПМЦ в северо-восточной части

Атлантического океана могут выдерживать большие изменения в маске

«суша ‒ море» (такие как «удаление» Шпицбергена). Таким образом, со-

гласно результатам работы [20], орография Шпицбергена и окружающий

его морской лед влияют на ПМЦ в Норвежском море, но они модулируют,

а не являются доминирующим фактором возникновения ПМЦ.

Ранее с использованием модели COSMO-Ru уже проводились иссле-

дования влияния пространственно-временных вариаций температуры по-

верхности моря и параметров морского льда на эволюцию полярных цик-

лонов [2, 3]. Также было показано, что мезомасштабные системы прогноза

погоды COSMO-Ru (с шагами сетки 6,6 и 13,2 км) и ICON-Ru (с шагом

сетки 6,6 км) способны предсказывать возникновение и эволюцию поляр-

ных циклонов, их стадии развития и траектории, а также успешно воспро-

изводить такие опасные погодные явления, как сильные осадки и порыви-

стый ветер на масштабе времени до двух суток [16]. Результаты этих работ

показали, что системы прогноза высокой детализации COSMO-Ru [6] и

ICON-Ru [22] могут выступать как инструментом исследования свойств и

механизмов зарождения полярных циклонов, так и средством их прогноза.

В 2015 году консорциум COSMO перешел на модель ICON в качестве сред-

ства оперативного численного прогноза. Первое сравнение способностей

двух моделей – COSMO-Ru и ICON-Ru – воспроизводить полярные мезо-

циклоны было приведено в [16]. Там было показано, что ICON позволяет

более детально воспроизводить как положение самого циклона, так и ме-

теопараметры в нём.

Целью настоящей работы является дальнейшее изучение возможно-

стей модели ICON с шагом сетки 2,0 км для прогноза и изучения ПМЦ, в

частности, подбор оптимальных конфигураций для Арктического региона,

учитывающих состояние океана и морского ледяного покрова. Мы ставили

перед собой следующие задачи: выявить наиболее интересные и разнооб-

разные по своему генезису случаи ПМЦ за холодные периоды 2022‒

2024 гг., для каждого случая провести численные эксперименты при по-

мощи ICON-Ru с шагом сетки 2 км, оценить чувствительность модели к

изменению границы морского льда и повышению ТПО, выявить основные

закономерности чувствительности модели к отсутствию льда в зависимо-

сти от природы образования ПМЦ, сделать выводы о целесообразности

использования изменяющейся границы морского льда во время прогнозов

ПМЦ с заблаговременностью 24‒48 часов.

72

Расчеты и прогнозы элементов режима морей и океанов

1. Методы

1.1. Исследуемая территория

Среди множества ПМЦ, возникающих по всему миру, наибольшее вли-

яние на Россию оказывают вихри, образующиеся в Северной Атлантике, в

Норвежском и Баренцевом морях. Известны также случаи образования

ПМЦ над Карским морем, но они значительно более редкие, поскольку в

течение всего холодного периода оно покрыто льдом. Максимум случаев

возникновения приходится на Норвежское и Баренцево моря [18]. Кроме

того, этот регион является наиболее исследованным [21]. ПМЦ могут вли-

ять на морской транспорт, авиацию, условия работы на нефтяных и газовых

месторождениях. Существует некоторое количество архивов ПМЦ, однако

все они имеют существенную задержку по времени (от нескольких лет до

десятилетий) [19]. Для отбора новых случаев возникновения ПМЦ требу-

ется постоянный мониторинг спутниковых снимков (мы использовали ар-

хив Antarctic Meteorological Research Center, https://amrc.ssec.wisc.edu/data/

ftp/archive/), прогнозов ветра над северными морями и предупреждений,

которые

выкладываются

на

сайте

(https://www.barentswatch.no/

polarelavtrykk/). На основании этих данных была составлена карта зарож-

дения и перемещения основных ПМЦ за холодные сезоны 2022/2023 и

2023/2024 гг. (рис. 1). Видно, что основными регионами возникновения

ПМЦ являются прибрежные районы к югу от Шпицбергена и области к во-

стоку от Гренландии. В обеих областях в непосредственной близости рас-

полагается граница морского льда. Основными районами «затухания»

ПМЦ являются север Скандинавского полуострова, Лофотенские острова,

север Архангельской области, острова архипелага Новая Земля. Основное

направление движения ПМЦ – с запада на восток, что определяется веду-

щим в этих широтах западным переносом, однако на картах отмечено не-

сколько случаев образования ПМЦ над Баренцевым морем, при которых

вихри начинали двигаться в западном направлении и достигали западных

берегов Скандинавского полуострова.

1.2. Модель и выбор домена

Для моделирования ПМЦ был выбран домен, который в дальнейшем

будем именовать WestArctic. В этой конфигурации шаг сетки равняется

2,0 км, шаг по времени – 20 секунд, широтно-долготная область интегри-

рования располагается между 63° и 83° с. ш. и между 27° и 87° в. д. Таким

образом, данная конфигурация охватывает акваторию Гренландского, Ба-

ренцева, а также часть Норвежского и Карского морей, что позволяет вос-

производить подавляющее большинство ПМЦ, наблюдавших в данном

районе (рис. 2).

В качестве начальных и граничных условий для данного домена ис-

пользовались результаты расчётов глобальной модели ICON-Ru (шаг сетки

13,2 км) с вложенным доменом N29.5 (шаг сетки 6,6 км, охватывает все тер-

ритории к северу от 29,5° с. ш.).

Никитин М.А., Ревокатова А.П., Ломакин И.Р., Розинкина И.А., Ривин Г.С.

73

.

Рис. 1. Карта траекторий ПМЦ за холодный период 2022/2023 (зеленые

круги) и 2023/2024 гг. (желтые круги) на основе карты морского льда из ар-

хива National Snow and Ice Data Centre (https://nsidc.org/home) на дату

31.12.2023, оранжевая линия показывает среднюю многолетнюю границу

льда за период 1981‒2010 гг.

Fig. 1. Map of PLs trajectories for the cold period of 2022-2023 (gren circles)

and 2023-2024 (yellow circles) based on the sea ice map from the National

Snow and Ice Data Centre archive (https://nsidc.org/home) on the date of

31.12.2023. The orange line shows the average multi-year ice boundary for

1981-2010.

Рис. 2. Конфигурация модели ICON-LAM WestArctic (зелёная) и область

изменения характеристик льда и ТПО (голубая).

Fig. 2. Configuration of the ICON-LAM WestArctic model (red) and the region

of ice and SST characteristics variation (blue).

74

Расчеты и прогнозы элементов режима морей и океанов

В связи с прекращением в конце февраля 2022 года научно-техниче-

ского сотрудничества между Гидрометцентром России и DWD (Deutscher

Wetterdienst, Немецкая служба погоды), моделирование ПМЦ, наблюдав-

шихся во время холодного сезона 2022/2023 гг., оказалось невозможным.

Однако с 30 июля 2023 г. был возобновлён выпуск прогнозов глобальной

модели ICON-Ru в квазиоперативном режиме, что позволило возобновить

численные эксперименты с ПМЦ, наблюдавшимися в холодный сезон

2023/2024 годов.

1.3. Конфигурации численных экспериментов

Одним из факторов, влияющих на возникновение и эволюцию ПМЦ,

является состояние подстилающей поверхности: температура поверхности

океана, доля льда, его толщина и температура. Численные эксперименты с

параметрами льда позволяют понять, насколько велико это влияние и в чём

именно оно проявляется.

Для того чтобы осуществить изменение этих параметров, была создана

программа подготовки полей характеристик морского льда (свидетельство

о государственной регистрации программы для ЭВМ №2024680189). Она

способна модифицировать (как увеличивать, так и уменьшать) все связан-

ные со льдом и имеющиеся в начальных данных модели поля: температуру,

высоту и долю льда в ячейке, а также температуру поверхности океана.

ПМЦ характеризуются широким набором мест возникновения и воз-

можных траекторий. Таким образом, можно либо подбирать область изме-

нения параметров льда для каждого конкретного случая, либо же сделать

её достаточно обширной, покрывающей все траектории полярных мезоцик-

лонов, рассматриваемых в данной серии экспериментов. С целью обеспе-

чения однородности данных и возможности их корректного сравнения был

выбран второй подход. В результате область изменений параметров льда

располагается между 68° и 80,5°с. ш. и между 15° и 70° в. д., занимая су-

щественную часть домена WestArctic (см. рис. 2).

В ходе исследования полярных мезоциклонов проводилась серия из

четырёх экспериментов: в контрольном эксперименте температура воды и

характеристики льда никак не изменялись, в IceCut лёд отсутствовал, в

IceCutTemp5, помимо обнуления толщины льда, увеличивалась темпера-

тура воды, а в IceBuild увеличивалась площадь льда. Подробнее параметры

экспериментов приведены в таблице.

2. Выбор случаев для исследования

Так как одной из целей данной работы являлось выявление основных

закономерностей восприимчивости модели к отсутствию льда в зависимо-

сти от природы образования ПМЦ, то представлялось необходимым

отобрать случаи ПМЦ, различные по своему генезису, интенсивности, вре-

мени жизни, пройденному расстоянию и сезону возникновения.

Никитин М.А., Ревокатова А.П., Ломакин И.Р., Розинкина И.А., Ривин Г.С.

75

Таблица. Параметры численных экспериментов в ходе исследования поляр-

ных мезоциклонов

Table. Parameters of numerical experiments with varying sea ice boundary and

sea surface temperature

Параметры

ТПО и льда

Контрольный

эксперимент

IceBuild

IceCutTemp5

IceCut

Минимум

273,15 K

Минимум

278,15 К

ТПО

Не изменялась

263,15 К

1,4 м

Толщина

льда

0

Доля льда

в ячейке

Не изменялась

Нет

0

1

Область

изменений

параметров

льда

Между

68° и 80,5°с.ш. 68° и 80,5°с.ш. 68° и 80,5°с.ш.

и между

15°з.д. и 70°в.д.

и между

15°з.д. и 70°в.д. 15°з.д. и 70°в.д.

Для этого все представленные на рис. 1 случаи оценивались по ряду

факторов: наличие облачной «запятой» или другой структуры на спутни-

ковых снимках в течение некоторого времени, позволяющее проследить

путь ПМЦ; наличие области с повышенной скоростью ветра по данным

прогнозов над северными морями или по данным реанализов (CARRA

[https://confluence.ecmwf.int/pages/viewpage.action?pageId=272321315], NORA3

[https://thredds.met.no/thredds/projects/nora3.html]), а также архива на основе

спутниковых данных CCMP (v3.1) (Cross-Calibrated Multi-Platform). Этот

архив представляет собой комбинацию данных, полученных от нескольких

типов спутниковых микроволновых датчиков, и фонового поля, получен-

ного по данным реанализа. CCMP включает в себя большинство американ-

ских, японских и европейских спутников, запущенных на сегодняшний

день, по которым определяется скорость и направление ветра. Сюда входят

скаттерометры QuikScat, ASCAT-A и ASCAT-B, а также радиометры SSM/I,

SSMIS, TMI, GMI, ASMR-E, AMSR2 и WindSat [10]. Важным фактором яв-

лялся выход ПМЦ на сушу, так как это позволяет провести верификацию

прогнозов, используя станционные данные наблюдений. Как было сказано

выше, нас интересовала природа возникновения вихря и наличие связи со

струйным течением, поэтому при отборе случаев мы также рассматривали

карты АТ500, T850 (доступные в архиве www.wetterzentrale.de) и синопти-

ческие карты. Для проверки, подпадают ли выбранные случаи под опреде-

ление полярного циклона, в дополнение к наиболее распространённому

критерию интенсивности (скорости ветра более 15 м/с) было рассмотрено

несколько других критериев. Учитывая, что в атмосфере с малой статиче-

ской устойчивостью формируется большое количество ПМЦ, в качестве

критерия часто используется разница между температурой поверхности

океана и температурой на поверхности 500 гПа (Т500). Большинство

авторов рассматривают пороговое значение ТПО – T500 > 43 K [11] или

ТПО – T500 > 40 K [9].

76

Расчеты и прогнозы элементов режима морей и океанов

В результате было отобрано 4 случая возникновения ПМЦ:

1) 16‒18 марта 2022 г. (ПМЦ-1). Это самый долгоживущий ПМЦ, об-

разовавшийся у западных берегов Гренландии и прошедший около 3000 км

на восток до северной оконечности острова Новая Земля (рис. 3а). Этот

случай представляется интересным по нескольким причинам: во-первых,

скорость перемещения вихря и те расстояния, которые ему удалось преодо-

леть, указывают на связь ПМЦ со струйным течением; во-вторых, при-

мерно половина пути вихря (от Шпицбергена до Новой Земли) пролегала

над поверхностью, покрытой морским льдом, поэтому можно предполо-

жить, что изменение границы морского льда может оказать на траекторию

ПМЦ заметное влияние.

а)

б)

в)

г)

Рис. 3. Спутниковые снимки ПМЦ: 16‒18 марта 2022 г., 19 ч ВСВ 17.03.2022

(а); 6‒8 января 2024 г., 9 ч ВСВ 07.01.2024; 18‒19 января 2022 г., 9 ч ВСВ

19.01.2022 (в); 18‒19 сентября 2023 г., 14 ч ВСВ 18.09.2023 (г). Желтым цве-

том показан ПМЦ-1, голубым ПМЦ-2, салатовым ПМЦ-3.

Fig. 3. Satellite images PL: March 16-18, 2022, 19:00 UTC March 17, 2022 (а);

January 6-8, 2024, 9:00 UTC January 7, 2024 (б); January 18-19, 2022, 9:00 UTC

January 19, 2022 (в); September 18-19, 2023, 14:00 UTC September 18, 2023 (г).

Satellite images taken from The Antarctic Meteorological Research Center (AMRC,

https://amrc.ssec.wisc.edu/). PL-1 is shown in yellow; PL-2 is blue, PL-3 is light

green.

Никитин М.А., Ревокатова А.П., Ломакин И.Р., Розинкина И.А., Ривин Г.С.

77

2) 6‒8 января 2024 г. (ПМЦ-2). Этот период примечателен появле-

нием сразу трех ПМЦ, проходящих над акваторией Норвежского и Барен-

цева морей (рис. 3б). Первый ПМЦ (ПМЦ-1) образовался к югу от Шпиц-

бергена в тыловой части обширного синоптического циклона с центром над

Новой Землёй. Он двигался на восток и утром 7 января вышел на о. Кол-

гуев, затем затронул о. Вайгач и юг Новой Земли. ПМЦ-2 и ПМЦ-3 воз-

никли к юго-западу от Шпицбергена, где наблюдались большие горизон-

тальные контрасты между теплым морем и ледяной поверхностью

архипелага.

3) 18‒19 января 2022 г. (ПМЦ-3). 17 января над Гренландским и Нор-

вежским морями проходил крупный синоптический циклон, в тылу у кото-

рого у восточного берега Гренландии в ночь с 17 на 18 января сформиро-

вался интенсивный ПМЦ. Вихрь смещался на юго-юго-восток, и в ночь

на 19 января прошёл в непосредственной близости к острову Ян-Майен

(рис. 3в).

4) 18‒19 сентября 2023 г. (ПМЦ-4). Полярный мезоциклон, возник-

ший 18 сентября 2023 г. ‒ это редкий случай образования ПМЦ в теплый

период. Температура воды в районе его появления на спутниковых картах

составляла 8‒9 градусов, граница морского льда в этот период достаточно

сильно удалена на север и проходит примерно по 81‒82° с. ш. Хорошо

сформированная в поле облачности «запятая» видна на спутниковых сним-

ках 18.09 в 14 ч ВСВ (рис. 3г), разность температуры поверхности и Н500

достигает 42 градуса.

3. Результаты численных экспериментов

3.1 ПМЦ-1, 16-18 марта 2022 года

Одним из критериев возникновения полярных мезоциклонов является

контраст между температурой поверхности и температурой на высоте

500 гПа. На рис. 4а приведена карта разностей температур, исходя из кото-

рой видно, что к востоку от Гренландии вблизи границы морского льда в

период возникновения исследуемых ПМЦ параметр [ТПО – T500] дости-

гает 45 К, что превышает порог в 43 К, указанный в [11]. Можно заметить,

что на спутниковом снимке (см. рис. 3а) присутствуют сразу две «запятые»

– первая несколько слабее выражена, чем вторая. Модель ICON воспроиз-

вела оба этих ПМЦ в поле ветра. В первом ПМЦ они достигают 25 м/с, а

во втором доходят до 30 м/с. Оба ПМЦ подошли к Шпицбергену вечером

17 марта. Прохождение второго – более мощного ПМЦ проявилось в виде

сильного ветра после 19 часов. При приближении к Шпицбергену и к гра-

нице морского льда первый, наименее активный из двух упомянутых по-

лярных циклонов, ослаб и в конечном счете слился в единый ПМЦ со вто-

рым вихрем.

78

Расчеты и прогнозы элементов режима морей и океанов

а)

б)

Рис. 4. Прогностические данные по модели ICON: разница между темпе-

ратурой поверхности и температурой на высоте 500 гПа в 12 ч ВСВ

17.03.2022 (а); скорость порывов ветра и давление, приведенное к уровню

моря по данным модели на 02 ч ВСВ 18.03.2022 (б). Прогноз от 02 ч ВСВ

17.03.2022.

Fig. 4. ICON model forecast data: difference between SST and temperature at

500 hPa for 12 UTC on March 17, 2022 (а); wind gust speed and mean sea-

level pressure at 02 UTC March 18, 2022 (б). Forecast started from 02 UTC on

March 17, 2022.

Для верификации скорости ветра над морем, где отсутствуют метеоро-

логические станции, можно использовать спутниковые данные. Нужными

нам критериями обладает база данных о скорости ветра скаттерометра

ASCAT со спутника Metop-B (разрешение 25 км). К сожалению, эти данные

доступны вплоть до 75° с. ш, что не позволит проследить весь путь ПМЦ,

уходящего севернее, к 77‒78° с. ш. Однако в момент прохождения ПМЦ по

южным районам Шпицбергена и через остров Медвежий, по данным скат-

терометра ASCAT, скорость ветра повышалась до 18 м/с, а ближе к 75° с. ш.

местами до 20,5 м/с. Это неплохо согласуется с модельными данными (на

территории южнее о. Эдж скорости порывов ветра достигали 15‒20 м/с).

Никитин М.А., Ревокатова А.П., Ломакин И.Р., Розинкина И.А., Ривин Г.С.

79

На рис. 5а приведен вертикальный профиль скорости ветра вдоль 77,2°

с. ш. (проходящий через юг Шпицбергена). На долготе 17‒18° в. д. видно,

что в 23 ч, когда центр ПМЦ проходил над островом, скорости ветра в слое

900‒950 гПа достигали 40 м/с. На высотах 250‒300 гПа хорошо видно

струйное течение, скорость ветра в нём достигает 60 м/с (рис. 5а, б). Траек-

тория исследуемого ПМЦ как раз располагается вдоль пути области макси-

мальных скоростей в струйном течении на протяжении всего его переме-

щения через Баренцево море (рис. 5б). До 1980-х гг. считалось, что

струйное течение не может оказать существенного влияния на образование

небольших барических систем, которые развиваются над океанами зимой

[8, 12]. Позже в [14] обсуждалось развитие полярных депрессий и связан-

ных с ними зон сдвига к западу от Шпицбергена, и был сделан вывод о том,

что полярные депрессии могут формироваться как «сдвиговые вихри», то

есть в результате «низкоуровневой баротропной неустойчивости». Авторы

работы [7] рассматривали баротропную неустойчивость как возможный ме-

ханизм формирования полярных депрессий над заливом Аляска, но не

смогли сделать окончательного вывода о роли этого эффекта. В [13], где

исследовались полярные мезоциклоны над Японским морем, было выдви-

нуто предположение, что преимущественно баротропная сдвиговая не-

устойчивость будет способствовать развитию относительно небольших

вихрей.

Для подтверждения того, что в энергетике развивающихся возмуще-

ний доминирует баротропный процесс, в [13] были рассчитаны скорости

баротропного и бароклинного преобразования энергии вокруг вихря, ос-

новное зональное течение внутри полосы, а также потоки вихревого им-

пульса. Авторы показали, что баротропное преобразование энергии доми-

нирует в большей части зоны сдвига, где сконцентрирована вихревая

кинетическая энергия, тогда как бароклинное преобразование энергии дает

незначительный вклад. На основании результатов анализа преобразования

энергии авторы [13] пришли к выводу, что вихри мезомасштаба развива-

лись в основном из-за баротропной сдвиговой неустойчивости. В нашем

случае, по всей вероятности, разность в температуре поверхности и на

H500 в совокупности с наличием мощного струйного течения привела к

формированию исследуемого ПМЦ.

Для анализа чувствительности этого ПМЦ к изменению границы мор-

ского льда была проведена серия экспериментов (раздел 1.3). В контроль-

ном эксперименте температура льда между Шпицбергеном и Новой Землей

очень высокая (-2…-4 °С, температура поверхности в эксперименте IceCut

в этой области составляла 0…-2 °С. Разность температур поверхности

между контрольным экспериментом и IceCut на пути прохождения ПМЦ не

превышает 2 °С, увеличиваясь до 6 °С лишь в отдельных ограниченных об-

ластях. На рис. 6 синей линией показана граница морского льда в контроль-

ном эксперименте (рис. 6а) и в эксперименте с измененным льдом IceCut

(рис. 6б).

80

Расчеты и прогнозы элементов режима морей и океанов

а)

б)

Рис. 5. Вертикальный профиль скорости ветра вдоль 77,2° с. ш. (а); ско-

рость ветра на высоте 300 гПа по данным модели ICON (б). Прогноз от

2 ч ВСВ 17.03.2022. Черный прямоугольник показывает положение ПМЦ

в 21 ч ВСВ 17.03.2022.

Figure 5. Vertical wind speed profile along the 77.2°N (а); wind speed at 300

hPa based on ICON model data (б). Forecast for 02 UTC on March 17, 2022.

The black rectangle marks the approximate location of the polar low for 21

UTC on March 17, 2022.

Можно видеть, что обширная зона между Шпицбергеном и Новой Зем-

лей, занятая льдом в контрольном эксперименте, свободна от него в IceCut

– был «убран» лед по пути движения ПМЦ. Было сделано предположение,

что это должно отразиться на траектории перемещения вихря, поскольку

во втором случае он проходит над открытой водой. Однако значимых изме-

нений траектории вихря не произошло, впрочем, как и в скоростях ветра и

в поле давления (рис. 6).

Никитин М.А., Ревокатова А.П., Ломакин И.Р., Розинкина И.А., Ривин Г.С.

81

82

Расчеты и прогнозы элементов режима морей и океанов

В контрольном эксперименте в 12 ч ВСВ скорости порывов ветра не-

сколько больше в области выхода ПМЦ со льда на открытую водную по-

верхность (рис. 6а). Отсутствие каких-либо значимых изменений во время

передвижения ПМЦ через Баренцево море связано, скорее всего, с темпе-

ратурой того льда, который присутствует в контрольном эксперименте (она

составляет порядка -2 °C), поэтому существенных градиентов между тем-

пературой льда и температурой воды нет. Температура водной поверхности

в районе между Шпицбергеном и Новой Землей находится в диапазоне от

-2° до -4°, при этом толщина льда в этом районе больше полуметра. В тоже

время температура поверхности «модельного» льда в районе Гренландии и

к западу от Шпицбергена существенно ниже: от -6° до -12°. Это предполо-

жение подтверждает и тот факт, что ПМЦ заметно интенсифицируется при

повышении ТПО до 5 °С – в эксперименте IceCutTemp5 (рис. 6в). Инте-

ресно отметить, что при «искусственном» повышении ТПО прогреваются

и вышележащие слои атмосферы, прогрев составляет в среднем 1‒2 °С и

распространяется до высоты 900 гПа в начале прогноза и до 600 гПа спустя

30 часов прогноза в момент выхода на Новую Землю. Порывы ветра в ПМЦ

в эксперименте IceCutTemp5 в среднем на 5 м/с превышают порывы ветра

в контрольном эксперименте. Примечательно, что наиболее сильное влия-

ние на траекторию и развитие ПМЦ оказывает искусственно заданный лёд

в эксперименте IceBuild (рис. 6г): заметно снижаются скорости ветра, рас-

тет давление, во время выхода на Новую Землю порывы скорости ветра не

превышают 20 м/с (в контрольном 30 м/с и более).

Для того чтобы иметь возможность оценить качество прогнозов скоро-

сти ветра и сравнить интенсивности циклонов в разных экспериментах с

искусственно заданным льдом, были построены графики скорости ветра и

давления по данным наблюдений на станциях и по результатам численных

экспериментов. Для получения прогностических данных вблизи станции

брались средние данные с ближайших пяти модельных узлов. На рис. 7

приведен ход скорости ветра в период прохождения ПМЦ и после его ухода

на станциях Хорнсунд и Эдж. Также рассматривались данные на станции

Хопен. Но поскольку она расположена южнее, на ней прохождение ПМЦ

никак не отразилось. Как можно видеть из рис. 7а, начиная примерно с 18 ч

17.03.2022 на станции Хорнсунд начала расти скорость ветра, средние зна-

чения достигали 13 м/с, влияние ПМЦ сохранялось примерно до 2 ч ВСВ

18.03.2022. Модель ICON воспроизвела этот рост скорости ветра во всех

экспериментах, при этом минимальный рост был в эксперименте

с искусственно заданным льдом IceBuild, а максимальные значения скоро-

сти ветра (19 м/с) были получены в эксперименте IceCutTemp5. Примеча-

тельно, что в контрольном эксперименте и экспериментах без льда был

спрогнозирован сначала очень кратковременный рост скорости ветра, а по-

том второй максимум. Во время второго максимума расхождения между

экспериментами увеличились. В эксперименте с искусственно заданным

льдом первый максимум в скорости ветра был практически не выражен.

Никитин М.А., Ревокатова А.П., Ломакин И.Р., Розинкина И.А., Ривин Г.С.

83

Район станции Эдж ПМЦ проходил на два часа позже, чем район станции

Хорнсунд, и здесь средняя скорость ветра достигала 17 м/с. По модельным

данным она была заметно меньше, около 13 м/с (однако в одном из модель-

ных узлов вокруг станции модель давала 14 м/с). В эксперименте IceCut-

Temp5, где ПМЦ интенсифицировался по сравнению с контрольным экспе-

риментом, скорость ветра достигала 19 м/с. Время прихода ПМЦ к острову

Эдж во всех экспериментах, кроме IceCutTemp5, совпадает с реальным

(которое видно из данных наблюдений). В целом, на станцию острова Эдж

ПМЦ вышел в более активной стадии, чем на станцию Хорнсунд, что

можно видеть и из карты прогнозов порывов скорости ветра (рис. 6а).

а)

б)

Рис. 7. Данные наблюдений и модельных экспериментов: ско-

рость ветра на станции Хорсунд (а); скорость ветра на станции

Эдж (б). Прогноз от 2 ч ВСВ 17.03.2022. Красный прямоугольник

обозначает примерный период влияния ПМЦ на метеоусловия

станции.

Fig. 7. Observational and model experiments data: wind speed at

Hornsund station (а); wind speed at Edge Island station (б). Forecast

for 02 UTC on March 17, 2022. The red rectangle indicates the ap-

proximate period of the polar low’s impact on the station’s weather

conditions.

84

Расчеты и прогнозы элементов режима морей и океанов

В момент выхода на север Новой Земли ПМЦ начал затухать и практи-

чески сразу исчез со спутниковых снимков. На рис. 8 видно, что в контроль-

ном эксперименте вихрь начинает терять свою связь со струйным тече-

нием, скорости ветра уже не превышают 27,5 м/с, в то время как в

эксперименте IceCutTemp5 скорость ветра достигает 32,5 м/с, ПМЦ больше

по размеру и имеет устойчивую связь со струйным течением.

Контрольный эксперимент

IceCutTemp5

а)

б)

в)

г)

Рис. 8. Вертикальные профили скорости ветра для двух экспериментов: кон-

трольный (слева), IceCutTemp5 (справа). Сверху профили в момент прохож-

дения ПМЦ юга Шпицбергена, снизу – в момент его выхода на Новую Землю.

Прогноз ICON от 2 ч ВСВ 17.03.2022. Чёрный прямоугольник показывает по-

ложение ПМЦ.

Figure 8. Vertical wind speed profile for control (left) and IceCutTemp5 (right). Top

row is PL moving along Svalbard and bottom row is PL near Novaya Zemlya cost.

Forecast for 02 UTC on March 17, 2022. The black rectangle marks the approxi-

mate location of the PL.

3.2. ПМЦ-2, 5‒7 января 2024 г.

На спутниковом снимке рис. 3б представлены все три ПМЦ, образо-

вавшиеся 5‒7 января над акваторией Норвежского и Баренцева морей. Все

эти вихри были воспроизведены моделью ICON в контрольном экспери-

менте (рис. 9б, в, г).

Никитин М.А., Ревокатова А.П., Ломакин И.Р., Розинкина И.А., Ривин Г.С.

85

Расчеты и прогнозы элементов режима морей и океанов

86

По данным скаттерометра ASCAT со спутника Metop-B, в момент про-

хождения ПМЦ-1 вдоль севера Кольского полуострова и над акваторией Ба-

ренцева моря скорости ветра достигали 30 и 40 узлов соответственно, что

эквивалентно 15 и 20 м/с. По прогнозам ICON, примерно в этот временной

интервал скорость ветра составляла от 17,5 до 25 м/с.

На рис. 10а приведен вертикальный профиль скорости ветра вдоль

73° с. ш. в момент прохождения ПМЦ-2 вдоль побережья Норвегии и се-

вера Кольского полуострова.

а)

б)

Рис. 10. Вертикальный профиль скорости ветра вдоль 73° с. ш. (а); ско-

рость ветра на высоте 400 гПа по данным модели ICON, прогноз от 12 ч

ВСВ 05.01.2024 (б). Черный прямоугольник обозначает примерное поло-

жение ПМЦ в 14 ч ВСВ 06.01.2024. Черные окружности обозначают поло-

жение струйного течения.

Figure 10. Vertical wind speed profile along the 73°N (а); wind speed at

400 hPa based on ICON model data. Forecast for 12 UTC on January 5, 2024

(б). The black rectangle marks the approximate location of the polar low for 14

UTC on January 6, 2024. Black circles mark jet stream location.

87

Никитин М.А., Ревокатова А.П., Ломакин И.Р., Розинкина И.А., Ривин Г.С.

Можно увидеть, что вихрь довольно слабо выражен как в простран-

ственном масштабе по ширине, так и по высоте: он достигает высот

925 гПа, а скорости ветра составляют около 20‒25 м/с. Однако можно заме-

тить (рис. 10а), что прослеживается небольшая связь со струйным тече-

нием, расположенным на высоте 400 гПа. Как видно из рис. 10б, как раз в

момент прохождения ПМЦ над Баренцевым морем ветвь струйного тече-

ния со скоростями до 37,5 м/с протянулась с северо-запада на юго-восток

от Шпицбергена. Восточнее эта ветвь оказывается связанной с синоптиче-

ским циклоном, образовавшимся на арктическом атмосферном фронте.

Для анализа чувствительности этого ПМЦ к изменению границы мор-

ского льда была проведена серия экспериментов, описанных в разделе 1.3.

В эксперименте IceCut заметные изменения относительно контрольного

эксперимента локализованы в зоне к югу от Шпицбергена, где в естествен-

ных условиях проходит граница довольно холодного (относительно преды-

дущего рассмотренного случая) льда с температурой поверхности -8…-12°.

На картах на рис. 11 приведены прогностические значения порывов

ветра при прогнозе на 20 ч ВСВ 06.01.2024, когда все три ПМЦ уже были

достаточно хорошо развиты и видны как на спутниковых картах, так и в

прогнозах ICON. Синей линией показана граница морского льда в кон-

трольном эксперименте (рис. 11а) и в эксперименте со сдвинутым льдом

IceCut (рис. 11б). Можно видеть, что при отодвигании границы морского

льда к северу практически не происходит никаких значимых изменений в

интенсивности (скорости ветра и атмосферном давлении) и в траектории

исследуемых ПМЦ. Вероятнее всего, это связано с тем, что пути переме-

щения ПМЦ изначально проходили над поверхностью, свободной от мор-

ского льда, поэтому существенных различий в свойствах подстилающей

поверхности в эксперименте IceCut не происходит, хотя из-за сдвига гра-

ницы льда Гренландии может несколько уменьшатся горизонтальный кон-

траст температур в месте возникновения ПМЦ-2 и ПМЦ-3. На рис. 11в по-

казаны порывы ветра, прогнозируемые ICON при искусственном

увеличении ТПО до +5 °С. Несмотря на то, что траектории ПМЦ остались

неизменными, скорости ветра как в исследуемых ПМЦ, так и в вихре си-

ноптического масштаба заметно возросли в среднем на 2,5 м/с. Но наибо-

лее сильные изменения отражены на рис. 11г, где представлен эксперимент

с искусственно заданным льдом IceBuild: можно видеть, что морской лёд

практически полностью блокирует развитие ПМЦ. ПМЦ-1 не образуется

совсем, а ПМЦ-2 и ПМЦ-3, имевшие некоторое возмущение в начальных

данных, затухают спустя несколько часов прогноза. Примечательно, что на

полярный мезоциклон, возникший 17 марта 2022 г., наращивание льда по-

влияло не так сильно: вихрь всё равно развился и прошел свой путь до Но-

вой Земли, хотя был заметно слабее (рис. 6г).

Как можно видеть из спутникового снимка (рис. 3б), днем 7 января

ПМЦ-1 проходил вдоль побережья Ненецкого округа к южной части Новой

Земли.