Экстремальная погода и как ее изучают. Интервью с академиком Владимиром Семеновым

Ливни и засухи, морозы и смерчи… Экстремальные погодные явления знакомы всем жителям нашей планеты. Какого погодного «экстрима» стоит ожидать москвичам и жителям черноморского побережья? Как связаны аномально холодные зимы в Европе с глобальным потеплением? Какие экстремальные погодные явления сложнее всего предсказать и есть ли смысл в прогнозах погоды более, чем на десять дней? Об исследованиях экстремальной погоды в России и мире рассказывает директор Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН академик Владимир Анатольевич Семенов.

— Существуют ли какие-либо экстремальные погодные явления, которые особенно часто атакуют нашу планету в современном мире в целом? Возможно, аномальная жара, обильные осадки, сильные холода? Если да, с чем это связано? Или такие явления распределяются достаточно равномерно в зависимости от территорий?

— Полагаю, что выделить класс явлений на Земле, которые тревожат нас больше всего, невозможно, потому что наша планета огромна и обладает различными географическими зонами. Где-то главная проблема — засухи, где-то — интенсивные ливни, где-то — морские волны, где-то — шквалы, сильные порывы ветра, разрушающие инфраструктуру и приносящие беды населению. Экстремальные явления — очень обширный класс, и поэтому, чтобы выделить наиболее серьезные угрозы со стороны стихии, нужно рассматривать каждый регион отдельно.

— Какие технологии используются для прогнозирования экстремальных погодных явлений? Какие факторы влияют на качество прогноза? Как можно совершенствовать подобные прогнозы?

— Уточню, что я буду говорить о гидрометеорологических явлениях, потому что, помимо них, у нас есть всевозможные геологические экстремальные события, тоже имеющие огромное значение, — например, землетрясения. Ни одно другое явление не приносит столько бед, как крупное землетрясение. 

Гидрометеорология изучает такие экстремальные явления, как сильные осадки, волны жары, проблемы, связанные с оттаиванием вечной мерзлоты, сильные порывы ветра, волны в океане, также связанные с интенсивным ветром. Здесь все сводится к задаче прогноза погоды, стоявшей перед человечеством, наверное, тысячи лет. Последние 150 лет к этой деятельности стали подходить систематически: во второй половине XIX в. была впервые создана всемирная сеть наблюдательных станций и люди стали применять в решении этой задачи комплексный научный подход. В начале XX в. были сделаны первые попытки численного прогноза погоды, потерпевшие неудачу. Затем в середине XX в. появились первые гидродинамические модели прогноза погоды, которые используются для подготовки современных прогнозов, передаваемых по телевизору и радио. Они дают нам возможность узнать, какая будет погода в течение следующих трех-пяти дней. За пределами семи-десяти дней прогностическая ценность, к сожалению, теряется. Проблема заключается даже не в моделях и нашем понимании протекающих процессов, а в самой сущности атмосферы, поведение которой теряет предсказуемость за пределами порога примерно в десять дней. Очень маленькие возмущения в состоянии атмосферы через десять дней приводят к такой серьезной ошибке в расчетах, такому сильному расхождению в динамике, что теряются знания о начальных условиях в системе.

То, что я сейчас рассказал, — это своеобразная преамбула. Итак, наша главная задача — предсказать опасное явление. Однако помимо так называемого детерминистского прогноза, при котором мы задаем начальные условия и хотим узнать, что конкретно произойдет через три, пять, максимум десять дней, еще существуют вероятностные прогнозы. В этом случае мы можем примерно оценить, с какой вероятностью повысится риск того или иного события, скажем, через месяц, если у нас, например, в каких-то регионах сформировались определенные аномалии температуры океанических вод. Такой подход перспективен: он дает определенный потенциал предсказуемости в масштабах свыше месяца, нескольких месяцев, иногда полугода. В отдельных случаях, если речь идет о более инерционных компонентах, таких как состояние морского льда или температура поверхности океана, подготовить вероятностный прогноз можно и на годы, а иногда даже на десятилетия вперед. Хотя подобные расчеты существенно уступают в оправдываемости детерминированному прогнозу погоды на ближайшие сутки, тем не менее их потенциал еще далеко не исчерпан. Поэтому огромное количество исследований посвящены именно тому, чтобы максимально выработать эту возможность предсказуемости погоды и спрогнозировать, что, например, следующее лето может быть более жарким или более влажным. В числе прочего это чрезвычайно важно для сельского хозяйства.

— Одно из ваших исследований посвящено изучению механизмов аномально холодных зим в Евразии. Расскажите, пожалуйста, подробнее о причинах экстремальных морозов на материке.

— Это интересная тема. Я бы назвал эти морозы не экстремальными, а скорее аномальными. Суть в том, что температура на Земле повышается из-за глобального потепления. На протяжении XX в. она выросла примерно на 1 °C. Особенно сильно потепление ускорилось с середины 1970-х гг. И температура регулярно била рекорды до тех пор, пока в начале XXI в. на территории Европы вдруг не ударили аномальные зимние морозы, которые не наблюдались до этого в течение 50 лет. В качестве примера можно привести беспрецедентные холода в Англии в 2005 г. Явление затронуло и европейскую часть России. Подобные зимы были в 1960-е гг., но тогда они были привычны: например, в Москве температура воздуха на продолжительное время опускалась до –25 °C и ниже. Помню, когда я ходил в начальную школу, зимой нередко отменяли уроки из-за того, что температура снижалась до –30 °C.

Таким образом, получилось так, что, с одной стороны, массмедиа били тревогу из-за потепления климата и рекордно высоких температур, а с другой стороны, на европейских территориях — в Англии, Германии, на западе России — вдруг наступили аномально холодные зимы. Этот контраст дал повод воспрянуть скептикам, которые немедленно усомнились в реальности глобального потепления.

Однако наш анализ показал, что эти аномально холодные зимы были связаны с антициклоном, развивающимся зимой над южной частью Баренцева моря. Этот антициклон препятствует прохождению теплых воздушных масс с Атлантического океана в Европу и в дополнение к этому «закачивает» на европейскую территорию холодный арктический воздух.

Мы установили, что этот антициклон может быть связан с сокращением площади морских льдов в Арктике. Получается парадокс. В Арктике тают льды, поэтому сейчас в зимний период Баренцево море практически полностью свободно от ледового покрова и с его поверхности в атмосферу испаряется огромное количество тепла, из-за чего в Арктике становится, условно, очень жарко — примерно на 6–8 °C теплее, чем обычно. А в Европе, напротив, становится холоднее. Причина этих аномальных морозов — именно повышенная температура воздуха над Баренцевым морем, которая воздействует на атмосферную циркуляцию. Из-за того что там теплее, над северным морем возникают восходящие потоки воздуха, образующие подобие купола тепла, закручивающего воздух в антициклоническом направлении, по часовой стрелке. Возникающий антициклон блокирует перенос теплого влажного воздуха с Атлантики и, наоборот, заносит в Европу холодный воздух из Арктики. Это первое заключение, к которому мы пришли. Второй вывод, который мы сделали, заключается в том, что этот отклик атмосферы нелинейный. То есть когда мы «нагреваем» Арктику, у нас сначала возникает циклон, затем, как в настоящий период, — антициклон, а если ее совсем «разогреть», мы опять получим циклон.

Эти два интересных вывода, к которым мы пришли, впоследствии многократно обсуждались. Данной теме посвящено много статей. Получается, что у изменения климата есть и такие необычные последствия, когда учащение аномально холодных зим парадоксальным образом оказывается связанным с повышением температуры воздуха и сокращением площади морских льдов в Арктике.

— Впечатляющий парадокс. Еще одна ваша научная работа посвящена изменению особенностей экстремальных осадков в современных условиях. На какие результаты этого исследования вам хотелось бы обратить особое внимание? Какой прогноз по экстремальным осадкам ожидает нашу страну и ее отдельные регионы?

— Тема экстремальных осадков особенно интересна в том числе потому, что она относительно сложна. Результаты исследований современных изменений температуры воздуха достаточно предсказуемы: температура почти повсеместно повышается и, как правило, повышается монотонно. Исключение — пресловутые аномальные морозы в Европе, но опять же, в этом случае аномалия возникает только зимой, летом температура продолжает расти. Последствия потепления приповерхностной атмосферы также очевидны — возникает больше волн жары и становится меньше холодных аномалий.

С осадками все гораздо сложнее. Когда становится теплее, повышается температура Мирового океана. Соответственно, из  него испаряется больше воды в атмосферу. Океан — источник влаги для гидрологического цикла Земли, поэтому если из него испаряется больше влаги, то должно выпадать и больше осадков. Это действительно так: испарение воды из океана растет где-то на 2–3% за столетие, следовательно, в целом по планете увеличивается и количество осадков. Однако это происходит не везде, как можно было бы ожидать: где-то осадков становится больше, а где-то, наоборот, меньше. Например, в Северном полушарии, где проживает бóльшая часть населения Земли, в средних и высоких широтах осадки в целом увеличиваются, а вот в субтропической зоне (примерно от 20° до 40° с.ш.), напротив, снижаются. А южнее, в экваториальной области, осадков снова становится больше. В субтропической полосе, которую я упомянул, как раз живет очень много людей. Она включает Юго-Восточную Азию, захватывает часть нашей страны — черноморское побережье, Краснодарский край. Снижение количества осадков на этих территориях — большая проблема.

Помимо этого, осадки распределяются не только зонально, но и меридионально. Другими словами, одни тенденции, такие как муссонные эффекты, наблюдаются в зонах соприкосновения с океаном, на побережьях, а другие явления, наоборот, происходят в континентальных регионах, где главенствует антициклоническая циркуляция атмосферы.

Поэтому нельзя однозначно сказать, что будет происходить с осадками в том или ином регионе. Для этого нужны очень серьезные исследования. Тем более сложно спрогнозировать, что будет происходить с экстремальными осадками, так как, например, средние осадки могут вырасти, а экстремальные — уменьшиться. И наоборот: количество средних осадков может снизиться, а экстремальные, напротив, будут наблюдаться чаще.

Более 20 лет назад, когда я работал в Германии в Институте метеорологии Общества Макса Планка, мы с его тогдашним директором Леннартом Бенгтссоном опубликовали работу, в которой описали основные тенденции изменения осадков в будущем, опираясь на результаты моделирования климата. Помимо уже описанных мной изменений осадков в разных широтах, мы также пришли к заключению, что везде над сушей будет расти интенсивность осадков, даже если их среднее количество будет падать, так как они будут выпадать меньшее число дней в году. Кроме того, мы сделали вывод, что относительная влажность воздуха будет сохраняться примерно на одном и том же уровне, а вот абсолютная будет расти экспоненциально. В целом результаты нашей научной работы в дальнейшем подтвердились выводами других исследований, анализом других моделей и т.д. Поэтому эта статья хорошо известна и активно цитируется.

Далее мы с коллегами уже изучали особенности осадков в нашей стране. В России есть особенно чувствительные к изменениям климата и их последствиям регионы. Среди них — регион черноморского побережья. Здесь перед метеорологами стоит очень много важных с практической точки зрения и одновременно интересных научных задач. Например, многие помнят экстремальные осадки в Крымске в 2012 г. Из-за сильного июльского ливня произошло сильное наводнение. Крымск расположен в долине, и выпавшие осадки устремились в реку Адагум, которая вышла из берегов и понеслась разрушительным потоком по городу и окрестностям. Ситуацию усугубило и то, что на территории, вопреки правилам, дома были построены прямо рядом с руслом. В результате было очень много жертв, погибли более 170 человек. Выпавшее во время этого ливня количество осадков составило более 180 мм. Такой показатель не наблюдался в Крымске с начала инструментальных наблюдений — с 1930-х гг., то есть практически 100 лет. И по статистическим моделям оно тоже было попросту невероятным. В результате исследования мы пришли к выводу, что на такую интенсивность осадков непосредственно повлияло потепление поверхности Черного моря. Иными словами, если бы циклон, который привел к экстремальным осадкам в Крымске в 2012 г., прошел бы над территорией 30–40 лет назад, когда температура моря была ниже, такого ливня бы не случилось.

Если анализировать данные, можно заметить, что средние осадки в черноморском регионе не растут, а в некоторые месяцы даже падают. А вот экстремальные ливни случаются регулярно: мы постоянно слышим, как дождями заливает то Сочи, то Новороссийск, то Геленджик. Сейчас мы как раз занимаемся этой проблемой и уже опубликовали статью по результатам исследований. Оказывается, глобальное потепление приводит к тому, что расширяется зона Азорского антициклона. Именно благодаря ему Лазурный берег, Средиземноморье славятся своей хорошей солнечной погодой. На территории России антициклон формируется, например, над Якутией. Так вот, с одной стороны, Азорский антициклон, расширяясь из-за повышения температуры воздуха, распространяется в том числе и на черноморское побережье, поэтому в целом осадков над этой территорией становится меньше. Этот эффект оказывает глобальное потепление. Но, с другой стороны, повышение температуры Черного моря вызывает испарение бóльшего объема воды. И из-за этого при прохождении циклона в условиях доступности избыточного количества влаги инициируется совершенно другой режим атмосферной циркуляции — запускается процесс глубокой конвекции, приводящей к экстремальным, очень резким и сильным осадкам. Таким образом, мы наблюдаем борьбу этих двух механизмов, и понять, какие тенденции нас ждут в этом регионе, — очень непростая и нетривиальная задача. Но потому мы и работаем над этой темой — ведь она не только сложная, но и интересная. В мире эта концепция, сейчас весьма популярная, называется tipping points, что можно перевести как «точки неустойчивости». Она описывает ситуацию, когда в ходе медленных изменений системы — в данном случае в условиях глобального потепления — в каких-то регионах перемены достигают значений, при которых, грубо говоря, резко меняется сама динамика процесса.

Еще один научный результат, важный для всей нашей страны, был получен в нашем институте Александром Владимировичем Чернокульским вместе с коллегами. Если тщательно проанализировать данные с метеостанций, можно заметить, что независимо от того, растут или уменьшаются на территории средние осадки, практически везде в России начиная с 1960-х гг. растет количество так называемых ливневых осадков. Поясню, что осадки можно разделить на ливневые и обложные. Понятие «ливень» говорит само за себя. А обложные осадки — это, как правило, несильный продолжительный дождик. Так вот, мы выяснили, что количество ливней растет за счет сокращения количества как раз таких умеренных дождей. И это объяснимо с точки зрения физики — так устроена динамика гидрологического цикла при потеплении. Этот процесс, например, хорошо наблюдается в Москве. В последние годы мы видим в столице летнюю погоду, характерную для южных регионов нашей страны: сначала жара, во время которой воздух напитывается влагой, затем — ливень, все вокруг течет и тонет, далее проходят два-три жарких дня, все опять высыхает — и случается новый ливень. Подобная погода привычна для жителей Ставрополя, Ростова-на-Дону, но теперь к такому климату начинает потихоньку привыкать и Москва.

— Есть ли страны или регионы, для которых прирост количества экстремальных погодных явлений особенно велик? Если да, какие это территории, какие на них происходят явления и с чем это связано? Какую условную строчку занимает Россия в этом «погодном рейтинге»?

— Составлять подобные рейтинги всегда очень сложно, потому что важно учитывать, как оцениваются экстремальные явления. Например, если дождь или волна жары случились на пустынной территории, где нет ни одного человека, или смерч прошел в глухой тайге, этому не будет придаваться большое значение. Поэтому при оценке рисков негативных последствий экстремальных явлений всегда важно учитывать три основных фактора: воздействие — само явление, уязвимость и подверженность. Подверженность характеризует, насколько велика вероятность для инфраструктуры и населения оказаться в зоне воздействия. Грубо говоря, если ураган прошел над пустынной местностью, где нет ни одного человека, и его воздействие никого не затронуло, это одно. А если на этой земле стоит мегаполис, это уже другое. То же самое с уязвимостью: допустим, если на пути урагана окажется деревянный «карточный домик», он будет разрушен, а если здание хорошо укреплено, с ним ничего не случится.

Итак, нужно всегда соотносить три перечисленных фактора. Именно их произведение и показывает нам степень риска опасных явлений. Поэтому здесь нужно учитывать все: и уязвимость инфраструктуры, и численность населения, и собственно особенности физических воздействий, в частности частоту и интенсивность опасных явлений.

Этим объясняется то, что наиболее проблемными в плане экстремальных погодных явлений обычно считаются беднейшие страны — Африки, Юго-Восточной Азии, Латинской Америки. Там люди живут в, условно говоря, «картонных коробках», у них слабо развита система прогноза и предупреждения опасных явлений, оповещения о них и смягчения последствий. Поэтому они страдают больше всего. Если экстремальные погодные явления случаются в более развитых странах, на место катастрофы тут же прибывают спасатели, пострадавшим оперативно помогают, организуется эвакуация жителей. В таких государствах справиться как с самими явлениями, так и с их последствиями гораздо проще.

Таким образом, вопрос о «погодном рейтинге» действительно непростой. Если говорить о России, то оценки тоже расходятся, потому что в разных регионах нашей страны заметно различается структура экономики — где-то важнейшую роль играет сельское хозяйство, где-то — добывающая промышленность, где-то — транспортная инфраструктура.

Тем не менее среди регионов России, наиболее подверженных воздействию экстремальной погоды, пожалуй, можно отметить уже упомянутые Причерноморье, Краснодарский и Ставропольский край. На этих территориях наблюдается серьезный дефицит воды. В юго-восточных регионах, таких как Калмыкия и Поволжье, развивается опустынивание. В данной части страны это большая проблема для сельского хозяйства.

Можно назвать проблемными наши северные регионы, где оттаивает вечная мерзлота, где возведена очень плотная инфраструктура, как жилая, так и предназначенная для добычи полезных ископаемых. Сюда можно отнести Якутск и другие города, где дороги, мосты и прочие сооружения построены на вечной мерзлоте.

Наконец, особенно опасные экстремальные погодные явления атакуют регион Дальнего Востока. Здесь риск больше связан именно с фактором воздействия. В связи с глобальным потеплением тихоокеанские тайфуны — сильные циклоны — все чаще и чаще «залетают» севернее и касаются наших дальневосточных территорий: российского побережья Тихого океана, Сахалина, Камчатки.

Полагаю, можно выделить такие основные опасности, связанные с экстремальной погодой в нашей стране. Но повторюсь, что для каждого региона все индивидуально. Где-то, возможно, большую опасность будут представлять наводнения, где-то — сильные засухи.

— Вы упомянули наводнение в Крымске в 2012 г. На какие еще экстремальные погодные явления, которые случались в России, вам хотелось бы обратить внимание, например, из-за их необычности, масштабов, неожиданности и т.д.? С чем они были связаны и есть ли риск повторения чего-то подобного?

— Прежде всего, я бы отметил волны жары. Все мы помним волну жары 2010 г. в Москве, когда над столицей полтора месяца стоял интенсивный антициклон. Сильное повышение температуры спровоцировало торфяные и лесные пожары, из-за чего к жаре добавилось еще и загрязнение атмосферы смогом. По оценкам, в этот период дополнительная смертность населения превысила 50 тыс. человек. И такие события будут учащаться. Мы видим это как по анализируемым данным, так и по результатам моделей, показывающим, что подобных блокирующих антициклонов при потеплении климата должно становиться больше. Статистика показывает, что в летний период они как раз чаще всего образуются именно над Московским регионом, — такова особенность структуры атмосферной циркуляции. Поэтому определить предпосылки, а также предсказать появление и разрушение подобных антициклонов — пожалуй, одна из основных задач российских метеорологов на сегодня, и она наиболее сложна. Предсказать, когда установится такой блокирующий антициклон, труднее всего, потому что это как раз пример той самой точки неустойчивости, о которой я рассказывал ранее. В атмосфере Северного полушария зональный поток (простыми словами, ветер) дует с запада на восток, в Европе — с океана на континент. Когда этот поток «расщепляется», между двумя его «рукавами» образуется ядро антициклона, огибаемое воздушным течением с севера и с юга. И этот другой режим развивается нелинейно и очень быстро из-за влияния слабых неустойчивостей. Именно поэтому появление и образование такого антициклона предсказать наиболее непросто, как, впрочем, и его разрушение.

Для сравнения: когда над территорией движется циклон, его поведение очень легко спрогнозировать. Он ведет себя как волчок: обладает свойством инерционности и движется с потоком. Поэтому мы можем уверенно предсказать, что условно два дня он будет находиться там, через два дня окажется здесь. Кроме того, мы видим, когда циклон теряет свою энергию, и можем предсказать, что, например, через пять дней он разрушится. А вот антициклон — очень сложный объект исследований. И усилия современной динамической метеорологии, наверное, во многом направлены именно на то, чтобы повысить предсказуемость таких явлений.

Большой вопрос представляет и изучение экстремальных осадков, потому что они очень неоднородны и могут наблюдаться при разных режимах: где-то их вызывает уже упомянутая глубокая конвекция, где-то это фронтальные осадки, связанные с прохождением циклона. Понять, где именно случатся подобные осадки и какие факторы повлияют на их формирование, — еще одна важнейшая задача современной гидрометеорологии.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации

Фото на превью и на главной странице: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия». 

Источники изображений на странице: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия», fanjianhua / фотобанк Freepik, bee32 / фотобанк 123RF, harvepino / фотобанк 123RF, kwangmoo / фотобанк 123RF.