Криосферный фонд континентальных метель

Замороженные области Земли не являются инертными. Криосфера, а именно морской лед и ледяные щиты Арктики, функционирует как основной драйвер атмосферной циркуляции Северного полушария. Наличие или отсутствие льда непосредственно регулирует температурный градиент между полюсом и экватором. Этот градиент, в свою очередь, контролирует скорость и путь полярного струйного потока, формирование систем высокого и низкого давления и генезис самых мощных зимних штормов. Для регионов Северной Канады и Сибири состояние Арктики является единственным важнейшим фактором определения тяжести и частоты метелей. Понимание этой связи необходимо для планирования инфраструктуры, общественной безопасности и экономической устойчивости в высоких широтах.

Криосферный двигатель: термодинамика замерзшего океана

Определяющей характеристикой арктической климатической системы является баланс поверхностной энергии. В течение полярной ночи не поступает солнечное излучение. Поверхность быстро охлаждается, испуская длинноволновое излучение. При наличии морского льда она изолирует теплую океанскую воду от холодной атмосферы, позволяя поверхности стать чрезвычайно холодной. Это создает стабильный пограничный слой и глубокий бассейн холодного, плотного воздуха.

Эффект альбедо доминирует в летний и плечевой сезоны. Заснеженный лед отражает подавляющее большинство поступающего коротковолнового излучения обратно в космос. Это низкое поглощение энергии поддерживает холодный резервуар. Когда лед тает, темный океан поглощает до 90% солнечной энергии. Это тепло хранится в океане смешанного слоя и высвобождается обратно в атмосферу осенью, задерживая образование нового морского льда.

Это замедленное замораживание является критическим фактором. Открытый Северный Ледовитый океан осенью выделяет в атмосферу огромное количество тепла и влаги. Это ослабляет температурный градиент между Арктикой и средними широтами, напрямую влияя на зимние погодные условия. Сезонный цикл протяженности морского льда показывает последовательное снижение в летней минимальной протяженности, что приводит к более длительному сезону открытой воды и более глубокому накоплению тепла в поверхностном слое океана к осени.

Обратите внимание на последние тенденции в области морского льда в NSIDC Arctic Sea Ice News.

Глубокий холодный бассейн и генерация воздушной массы

Непрерывное охлаждение поверхности над ледяными щитами и морским льдом приводит к образованию Глубокого холодного бассейна (ДХП). Это объем воздуха, который значительно холоднее и плотнее окружающей атмосферы. Глубина и интенсивность этого холодного бассейна контролируются протяженностью ледяного покрова. Более крупный, толстый ледяной пакет поддерживает более глубокий, более холодный бассейн, который простирается выше в тропосферу.

Эта плотная воздушная раковина, создающая систему поверхностного высокого давления. Поверхностные максимумы над Арктикой (высокий Бофорт, высокий Сибирский) являются прямыми проявлениями этого теплового воздействия. Прочность градиента давления на краю этой высокой определяет скорость ветра. Когда система низкого давления приближается с юга или запада, она создает крутой градиент давления, вытягивая холодный воздух из Арктического бассейна и отправляя его на юг. Это рождение вспышки холодного воздуха (]CAO.

Траектория этой вспышки определяет характер последовавшей метели. Прямой выстрел на юг над канадскими прериями или сибирскими степями создает классическую континентальную метель. Траектория, которая перемещает холодный воздух над большим водоемом, таким как Великие озера, Охотское море или Баффиновый залив, превращает его в морскую метель с интенсивным снегопадом и конвекцией. Привлечение над открытой водой обеспечивает тепло и влагу, необходимые для генерации тяжелого, мокрого снега.

Реактивный поток: усиленные волны и блокировка

Полярный струйный поток — граница между холодным бассейном и теплыми средними широтами. Его прочность и путь регулируются балансом теплового ветра. Крутой температурный градиент (сильный холодный бассейн, теплый юг) производит сильный, быстрый и относительно прямой струйный поток, который эффективно блокирует холодный воздух в Арктике. Это сильно зональный поток.

Ослабленный температурный градиент, однако, производит более слабый, более медленный струйный поток. Этот более медленный струйный поток склонен к более крупным меандрам, известным как волны Россби. Эти волны могут стать настолько большими, что они ломаются, образуя отсечные минимумы или блокирующие максимумы. Блок Омега — это классический рисунок, где система высокого давления окружена двумя системами низкого давления, напоминающими греческую букву Омега. Этот рисунок может сохраняться в течение нескольких недель, направляя непрерывный поток арктического воздуха в конкретный регион, что приводит к метели спина к спине.

Полярный вихрь Стратосферы (SSP)

Над тропосферой лежит стратосфера и стратосферный полярный вихрь. Это массивная циклоническая циркуляция, формирующаяся над Арктикой зимой. Это резервуар чрезвычайно холодного воздуха. Сильный, стабильный вихрь SSP сосредоточен над полюсом и удерживает холодный воздух в себе. Однако, когда мощные волны Россби из тропосферы распространяются вверх, они могут нарушить вихрь. Это возмущение ослабляет вихрь, замедляет его, и может заставить его растянуться или расколоться.

Расщепленный вихрь является крупным событием. Одна доля вихря часто опускается на юг, в результате чего стратосферный холодный бассейн опускается в тропосферу над Сибирью или Северной Америкой. Через несколько недель после крупного внезапного стратосферного потепления (SSW) и разрушения вихря вероятность серьезной вспышки холодного воздуха и связанных с ней метель в Канаде и Сибири резко возрастает. Исследование, связывающее потерю осеннего морского льда в Баренцево-Карском море и увеличение сибирского снежного покрова с более слабым стратосферным полярным вихрем, является основным направлением современных исследований климата.

Прочитайте углеродный анализ арктической амплификации и зимней погоды .

Северная Канада: архипелаг и клиппер

География Северной Канады представляет собой ряд каналов для холодного воздуха. Канадский Арктический архипелаг направляет холодный бассейн на юг через определенные коридоры. Долина реки Маккензи является основным каналом для холодного воздуха, протекающего из моря Бофорта в прерии. Топография заставляет плотный холодный воздух стекать на юг, часто подрезая более теплый, влажный воздух на юг.

Альбера Клиппер

Когда холодный воздух скачет вниз по долине Маккензи, он встречает относительно более теплый, влажный воздух над предгорьями Скалистых гор. Это создает мощную бароклиническую зону — область сильного температурного контраста. Небольшое нарушение, движущееся вдоль этой границы, может быстро усиливаться, образуя Альберта Клиппер. Эти штормы характеризуются сильными ветрами, резким падением температуры и кратковременным всплеском легкого пушистого снега.

В то время как исторически Альберта Клипперс были относительно сухими штормами, потепление климата меняет их характер. По мере того, как воздух становится немного теплее, он может удерживать больше влаги (отношение Клаузиуса-Клапейрона). Это означает, что Клипперс все чаще доставляют сильные снегопады, а не только ветер и холод. «Саскачеванский крикун» является региональным вариантом, который приносит условия метели в центральные провинции.

Гудзонова бухта и Баффиновая бухта

Гудзонова бухта выступает в роли резервуара холодного воздуха зимой. Воздух над замерзшим заливом невероятно холодный и стабильный. Когда система низкого давления пролегает через северные Великие озера, она притягивает этот холодный воздух на юг, создавая классическую «откатную» метель для Онтарио и Квебека. Контраст между холодным воздухом из залива и относительно теплым воздухом над озерами может вызвать интенсивные снежные шквалы и грозы.

Баффиновый залив и Лабрадорское море — это место, где холодный воздух с архипелага встречается с относительно теплыми водами Североатлантического дрейфа. Это основной регион для взрывного циклогенеза (погодные бомбы]. Эти штормы невероятно мощные, приносят ураганные ветры, ослепляющий снег и расширение морского льда. Они влияют на судоходство, рыболовство и прибрежные сообщества Нунавута, Лабрадора и Гренландии.

Сибирь: Сибирское Высокое и Пурги

Сибирь — место самого сильного континентального холода на планете.Сибирское Высокое — полупостоянный антициклон, который доминирует в регионе большую часть зимы. Его образование напрямую связано с охлаждением суши и замораживанием обширных мелководных шельфовых морей Карского, Лаптевого и Восточно-Сибирского морей.

Время заморозки

Сроки осенней заморозки этих шельфовых морей являются критической переменной. Задержка заморозки (из-за теплых арктических условий) означает, что океан продолжает выделять тепло и влагу в атмосферу хорошо в ноябре и декабре. Эта влажность питает циклогенез над Северным Ледовитым океаном. Дополнительное тепло задерживает укрепление Сибирского максимума.

Однако, как только моря замерзают и Высокое усиливается, холодный бассейн может быть глубже и интенсивнее, чем при чисто континентальном сценарии. Результирующие вспышки холодного воздуха могут быть экстремальными, с температурами, опускающимися ниже -50 ° C (-58 ° F) в бассейнах Якутии. Деревни Оймякон и Верхоянск являются эпицентрами этого холода, регулярно регистрируя самые низкие температуры на Земле для обитаемых мест.

Пурги и наземные метели

Сибирская метель известна как Пурги. Уникальной характеристикой сибирской зимней бури является преобладание «земной метели» или «отбеливания». Снеговая метель в Сибири исключительно сухая и рыхлая. Когда Сибирская высокая усиливается и градиент давления кружит, ветры через тундру могут разгоняться до штормовой силы. Ветер размывает снежный покров, поднимая в воздух миллионы тонн снега.

Этот дрейфующий снег сводит видимость к нулю на несколько дней за один раз. Факторы охлаждения ветра опускаются ниже -70 °C. Это основная опасность для инфраструктуры Северного морского пути, газовых месторождений полуострова Ямал и городов Норильска и Магадана. Нередко здания полностью засыпаются дрейфами, и запреты на поездки являются стандартными во время этих событий. Арктическое побережье Сибири невероятно мелководное, и динамика морского льда здесь напрямую влияет на притяжение и тяжесть этих прибрежных пурги.

Физика метельницы: снег, ветер и приманка

Буря определяется сочетанием сильных ветров (более 35 миль в час) и падающего или дующего снега, что снижает видимость до менее 400 метров в течение как минимум трех часов.Однако удельная физическая динамика значительно варьируется между морским и континентальным режимами Канады и Сибири.

Сухой против мокрых режимов

Уравнение Клаузиуса-Клапейрона диктует, что более холодный воздух содержит экспоненциально меньше водяного пара. В сердце зимы над Сибирью или Канадской Высокой Арктикой воздух настолько холоден, что может поддерживать только неглубокий слой облака. Снегопад состоит из крошечных угловых кристаллов, которые свободно упаковываются. Этот легкий снег легко разрушается ветром, создавая сухие, дрейфующие условия, типичные для наземной метели.

Напротив, метели в субарктике (прибрежная Норвегия, Берингово море, Южная Канада) часто включают более теплый, влажный воздух. Эти штормы производят тяжелый, «липкий» снег, который прилипает к линиям электропередач и деревьям, вызывая широко распространенные повреждения и перебои с электроснабжением. Этим мокрым снежным событиям часто предшествуют или сопровождаются ледяным дождем, поскольку теплый воздух наводняет холодный поверхностный слой, создавая опасный ледяной шторм.

Fetch и состояние Whiteout

"Приманка" - это расстояние, которое ветер проходит над однородной поверхностью. Над открытым океаном приманка определяет высоту волны. Над тундрой или замерзшим озером приманка определяет концентрацию выдувающегося снега. Длинный приман над безликой тундрой позволяет ветру загружать атмосферу с высокой плотностью частиц снега. Это создает отбеливание .

При отбеливании свет равномерно рассеивается частицами снега, устраняя тени и горизонт. Глубинное восприятие теряется полностью. Это основная причина гибели во время зимних штормов, так как люди становятся дезориентированными и теряются даже в привычном окружении.

Громовая Снежка

Интенсивные метели, особенно те, которые формируются над Великими озерами, Японским морем или заливом Баффина, могут производить молнии и гром. Громовой снег возникает, когда воздушная масса очень нестабильна. Холодный воздух, движущийся по относительно теплой воде, создает глубокий конвективный слой. Приводы в этих конвективных облаках достаточно сильны, чтобы зарядить облако и произвести молнию. Звук грома сильно приглушен снегом, придавая ему отличительное, приглушенное качество. Это надежный показатель экстремального мезомасштабного снежного события со скоростью снегопада, превышающей 5 см в час.

Предсказание будущего арктических метель

Климатические модели являются нашим основным инструментом для понимания того, как модели метели будут меняться с продолжающимся потеплением в Арктике. Нынешнее поколение моделей, входящее в фазу 6 проекта совместного моделирования (CMIP6), показывает устойчивую тенденцию к потеплению, но реакция зимних штормов сложна и неопределенна.

Гипотеза и модель неопределенности WACC

Гипотеза о тёплых арктических холодных континентах (WACC) предполагает, что продолжающееся усиление Арктики приведет к более частым вспышкам холодного воздуха и сильным зимним штормам в средних широтах. Некоторые наблюдательные данные подтверждают это: зимы 2021/22 и 2023/24 годов видели рекордные холода и метели по всей Сибири и части Канады.

Однако теория не является общепринятой. Некоторые модели предполагают, что сильно усиленная Арктика в конечном итоге приведет к общему потеплению зимой, с меньшим количеством экстремальных холодных явлений. Проблема «сигнал-шум» преследует это исследование. Естественная изменчивость атмосферы (шум) очень велика, что затрудняет обнаружение долгосрочной тенденции (сигнала) в частоте зимних штормов.

Проблема разрешения

Одна из проблем заключается в разрешении морского льда в глобальных климатических моделях. Модели, которые представляют собой пакет льда в виде единого, равномерного слоя, не учитывают сложные обратные связи между свинцом (трещины во льду), многолетним льдом и атмосферой. Модели высокого разрешения, которые явно разрешают динамику морского льда и смешанного слоя океана, необходимы для улучшения прогнозов полярных минимумов и континентальных метель.

Сезонное прогнозирование

Энергетические компании Северного моря, Канады и Сибири полагаются на сезонные прогнозы для планирования зимних операций. Страховая отрасль использует их для оценки риска. Центры прогнозирования, такие как Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), вкладывают значительные средства в представление начального состояния морского льда. Лучшее представление толщины и протяженности морского льда осенью приводит к лучшему прогнозу зимних штормовых трасс и силы Сибирского максимума.

Узнайте, как ECMWF интегрирует данные о морском льде в свои прогнозы].

Социальное воздействие: устойчивость и риск

Общности Северной Канады и Сибири тысячелетиями жили в метели. Традиционные знания о погодных условиях и методах выживания глубоки. Однако возрастающая изменчивость и интенсивность современных зимних штормов создают новые риски для современной инфраструктуры.

Инфраструктура — это первичная уязвимость. В Норильске, Сибири, здания строятся на вечной мерзлоте и возводятся на сваях. Зима с сильными снеговыми нагрузками может дестабилизировать вечную мерзлоту, если снег изолирует землю, заставляя ее оттаивать. В Северной Канаде метели закрываются, отгораживая отдаленные сырьевые рынки. Продовольственная безопасность становится ненадежной, поскольку охота становится невозможной, а цепочки поставок нарушаются непроходимыми дорогами. Стоимость поисково-спасательных операций в условиях отбеливания огромна. Растущая частота метеобомб в Северной Атлантике напрямую влияет на судоходство в Арктике и безопасность морских нефтегазовых операций.

Арктический двигатель и его южный выход

Связь арктических ледяных щитов с снежными узорами в Северной Канаде и Сибири — прямая, физическая связь.Лед не является пассивной жертвой изменения климата; он является активным архитектором погоды, определяющей северную зиму.Потеря морского льда, ослабление полярного струйного потока и разрушение стратосферного полярного вихря переписывают правила возникновения зимних штормов.

Пока будущее содержит значительную неопределенность, ясно одно: изменчивость зимней погоды увеличивается. Бури 21-го века будут отличаться от метели 20-го века. Они могут быть менее частыми в некоторые месяцы, но они будут более интенсивными, когда они происходят. Вспышки холодного воздуха будут вызваны более горячим арктическим двигателем, парадоксом, который определяет эту эпоху изменения климата. Данные ICESat-2, CryoSat-2 и NSIDC - это не просто научное исследование; это основа готовности к чрезвычайным ситуациям и экономической стабильности для северного мира.

Исследование NASA показывает, что потеря арктического морского льда приводит к большему количеству зимних снегопадов.