Долгосрочный прогноз летнего муссона в Индии

Елена Суровяткина,
доктор физико-математических наук
Институт космических исследований РАН (Москва)
«Природа» №2, 2017

Начало и завершение сезона муссонных дождей в центральной части Индии теперь можно прогнозировать, причем значительно раньше, чем это было возможно для муссонов вообще. Новая методология их прогноза, разработанная международной группой исследователей, в которую вошли специалисты Германии, Швейцарии, США и России, недавно представлена в журнале Geophysical Research Letters (GRL) [1].

Основной механизм, ответственный за наступление муссонов, — сезонные изменения атмосферной циркуляции и осадков, связанные с асимметричным нагревом суши и моря (суша нагревается сильнее и быстрее, чем море), а также с сезонным глобальным перемещением так называемой внутритропической зоны конвергенции (В3К) — зоны низкого давления вдоль экватора, где встречаются пассаты (тропические ветры) Северного и Южного полушарий, что приводит к образованию максимального количества осадков. Поскольку ВЗК следует за максимумом солнечной радиации, она перемещается вместе с сезонным изменением склонения солнца (в пределах ±23°27′). Так, с наступлением лета в Северном полушарии она смещается к северу, принося летний муссон в Индию.

Юго-западный муссон приходит на территорию этой страны в виде двух основных ветвей — из Бенгальского залива и Аравийского моря. Обычно примерно 1 июня он обрушивается на территорию штата Керала на южной оконечности п-ова Индостан, а затем на время уходит в Бенгальский залив, чтобы вернуться уже с востока. При этом страна замирает в ожидании этого события, так как доходы бедных (а это 70% населения, в основном занятого в сельском хозяйстве), продовольственная безопасность и запасы питьевой воды зависят от сезона дождей.

Характерная черта муссона — внезапность его наступления и завершения, причем даты могут варьировать от года к году в течение месяца. По этой причине прогноз муссона по всей территории Индостана представляет сложнейшую и еще не решенную научную проблему. В настоящее время Департамент метеорологии Индии прогнозирует начало сезона дождей 15 мая только для штата Керала. Его приход и завершение по всей стране констатируют лишь постфактум (т. е. эти события не прогнозируются).

Исследования муссона проводились на основе данных реанализа NCEP/NCAR (Национального центра океанических и атмосферных исследований, США) и ERA-40 (Европейского центра среднесрочных прогнозов) о среднесуточной приповерхностной температуре и относительной влажности воздуха. В работе использовались данные за 1951–2015 гг. с широтно-долготным разрешением 2,5×2,5°. Ученым удалось выявить в пространственной организации муссона такие регионы, в которых зарождаются критические условия, необходимые для его возникновения, причем это явление происходит существенно раньше начала сезона дождей. Один регион расположен в районе горного хребта Восточные Гаты (точка с координатами 20° с. ш., 80° в. д.), здесь локализуется главный критический элемент образования муссона в Индии, другой — в Северном Пакистане, где муссона как такового не бывает, но именно здесь формируется второй критический элемент, который задает направление его распространению. Оба региона становятся системообразующими элементами муссона в Индии.

Чтобы их обнаружить, авторы предложили новый метод определения места зарождения критических элементов, основанный на явлении предбифуркационного роста флуктуаций приповерхностной температуры накануне критических переходов. Главные положения метода были разработаны в 2004 г. сотрудниками Института космических исследований РАН Ю. А. Кравцовым и Е. Д. Суровяткиной [2]. Говоря упрощенно, перед переходом системы в новое состояние величины некоторых переменных начинают быстро и довольно сильно «раскачиваться», флуктуировать. И если внимательно следить за ходом этих флуктуаций, то можно предсказать надвигающиеся критические события, например переход системы в другое состояние, что важно в технических системах для предотвращения аварий. Однако в природных системах, когда необходимо предсказать конкретное время перехода (в частности, начало муссона), это можно было сделать только по уже имеющимся данным наблюдений. В новом методе предлагается альтернатива — использовать критические флуктуации для обнаружения не времени, а места зарождения критического перехода.

Идентификация критических элементов муссона. Усиление роста флуктуаций (средние значения) в распределении приповерхностной температуры в районе п-ова Индостан в преддверии муссона по данным ERA-40 за 1971–2002 гг. (а, б, в). Голубыми линиями обозначено распределение направления ветров. Разность флуктуаций между третьей (а) и последней (в) неделей перед муссоном (г). Предмуссонный рост флуктуаций в Восточных Гатах и Северном Пакистане и средние значения флуктуаций по полуострову (д). Видно, что флуктуации в критических элементах увеличиваются перед муссоном, в то время как среднее значение флуктуаций снижается, не показывая предвестников начала муссона

Итак, накануне муссона в центре Индии возникают два кластера (Восточные Гаты и Северный Пакистан), в которых наблюдается усиление флуктуаций приповерхностной температуры. Оно вызвано несколькими причинами. Во-первых, в Восточных Гатах в этот момент солнце находится в зените — данная область широт становится самой горячей точкой на п-ове Индостан. Во-вторых, географическое положение способствует образованию в регионе зоны с пониженным давлением. В-третьих, здесь встречаются два мощных воздушных потока (ветви муссона) из Аравийского моря и Бенгальского залива. В результате в Восточных Гатах формируется сильный циклон, который аккумулирует влагу из двух источников сразу. В Северном Пакистане в этот момент образуется антициклон. Флуктуации приповерхностной температуры возникают раньше и растут сильнее всего в центрах циклона и антициклона. Их столкновение в Восточных Гатах совпадает с тем, что в это же время туда прибывает внутритропическая зона конвергенции, и это приводит к июньским муссонным дождям в регионе, которые продолжаются потом севернее на протяжении четырех месяцев. Фактически авторам исследования впервые удалось объединить в концепции критических элементов две причины возникновения муссона: асимметричный нагрев суши и моря и сезонное перемещение ВЗК.

Второе важное свойство муссона, обнаруженное учеными, — равенство значения температур в Восточных Гатах и Северном Пакистане накануне сезона дождей. После его наступления температура в первой зоне падает, а во второй растет. Момент начала муссона — это критический переход, после которого возврат в премуссон уже невозможен. Эффект усиления флуктуаций исчезает. Подобное явление выравнивания температуры в исследуемых регионах возникает и в преддверии завершения сезона дождей.

Эти свойства муссона специалисты положили в основу нового метода прогноза, согласно которому сравнительный анализ данных внутри критических областей позволяет определять даты наступления и завершения сезона дождей в центральной части Индии. Проверка метода показала положительный результат в 84% случаев за последние 57 лет наблюдений.

Статья в GRL с описанием концепции критических элементов была опубликована в апреле 2016 г., а прогноз начала муссона по новой методологии появился 6 мая, за 40 дней до события. По опубликованным данным, сезон дождей в Восточных Гатах должен был начаться 13 июня 2016 г. (с погрешностью ±4 дня). Муссон пришел туда 17 июня. 27 июля того же года, за 70 дней до даты прогноза, ученые опубликовали данные о завершении муссона 5 октября (с погрешностью ±5 дней). Его окончание пришлось на 10–12 октября. Оба события попали в предсказанный диапазон дат. Принимая во внимание, что метеослужбы предсказывают погоду только на 5 дней вперед, долгосрочный прогноз по новой методологии оказался весьма успешным.

Концепция критических элементов не ограничивается приложением к Индийскому муссону, а может быть применена для предсказания внезапных критических переходов в геофизике, технических системах, биофизике и медицине.

Литература
1. Stolbova V., Surovyatkina E., Bookhagen B., Kurths J. Tipping elements of the Indian monsoon: Prediction of onset and withdrawal // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. P. 3982–3990.
2. Surovyatkina E. D., Kravtsov Yu. A., Kurths J. Fluctuation growth and saturation in nonlinear oscillator on the threshold of bifurcation of spontaneous symmetry breaking // Phys. Rev. E. 2005. V. 72. № 4. P. 046125-1–046125-7.