Индийский муссон: долгосрочный прогноз становится возможным

24 Окт 2016

Начало и завершение сезона муссонных дождей в центральной Индии теперь можно прогнозировать, причем значительно раньше, чем это было возможно для муссонов вообще. Новая методология была разработана международной группой исследователей, в которую входит ведущий научный сотрудник отдела космической динамики и математической обработки информации ИКИ РАН Елена Суровяткина.

Статья с результатами работы была опубликована в апрельском номере журнала Geophysical Research Letters [1] и вызвала большой интерес у ученых, прессы и правительства Индии и других стран Южной и Юго-Восточной Азии и Персидского залива. Первый прогноз начала муссона, данный учеными за 40 дней, оказался успешным, и сейчас исследователи получили подтверждение о том, что фактическое завершения муссона, предсказанное за 70 дней, также попало в диапазон предсказанных дат.

Слово «муссон» происходит от арабского «mawsim», которое означает время года или сезон дождей. Муссонами также называют ветры, вызывающие сезоны дождей или экстремальные осадки на территории большей части тропиков в Азии, Северной Америке, Южной Америке, Австралии и Африке.

Основной механизм, ответственный за наступление муссонов или сезонов дождей, — сезонные изменения атмосферной циркуляции и осадков, связанные с асимметричным нагревом суши и моря (суша нагревается сильнее и быстрее, чем океан), а также с сезонным глобальным перемещением так называемой Внутритропической зоны конвергенции (В.3.К.) — зоны низкого давления вдоль экватора, где встречаются пассаты (ветры в тропиках) Северного и Южного полушарий и где выпадает максимальное количество осадков. Поскольку В.З.К. следует за максимумом солнечной радиации, она перемещается вместе с сезонным изменением склонения Cолнца (в пределах ±23°27'), в большинстве случаев в то полушарие, в котором лето. Так, с наступлением лета в северном полушарии она смещается к северу, принося летний, или юго-западный муссон в Индию, в течение которого выпадает вплоть до 80 % годовой нормы осадков.

Юго-западный муссон приходит на территорию Индии в виде двух основных ветвей: ветви Бенгальского залива и ветви Аравийского моря. Обычно он впервые достигает территории Индии около 25 мая — Андаманских и Никобарских островов в Бенгальском заливе. Около 1 июня он обрушивается на территорию Малабарского берега в штате Керала, расположенном на южной оконечности Индостана. А затем он на время «уходит» в Бенгальский залив, чтобы вернуться уже с востока, и в это время вся страна замирает в ожидании: доходы бедных (это около 770 миллионов человек или 70% населения), которые в основном заняты в сельскохозяйственном производстве, продовольственная безопасность страны и запасы питьевой воды зависят от сезона дождей (в сезон муссона страна запасает воду на два будущих года).

По этой причине прогноз муссона для центральной Индии представляет не только особый научный интерес, но и насущную необходимость. Но сегодня Департамент метеорологии Индии (Indian Meteorological Department, IMD) прогнозирует начало муссона только для штата Керала. Приход муссона по всей стране лишь констатируется (т.е не прогнозируется) в регионах после того, как 60% метеостанций региона сообщат о 48-часовом ливне.

Международная группа ученых, включающая Веронику Столбову и Юргена Куртса (Jürgen Kurths) из Потсдамского института исследований климатических изменений и их последствий (PIK, Германия) и университета Цюриха (Швейцария), Бодо Букхагена (Bodo Bookhagen) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) и Потсдамского университета и ведущего научного сотрудника отдела космической динамики и математической обработки информации Института космических исследований РАН Елену Суровяткину, предложила новый подход к исследованию явления муссона, который позволил обнаружить его новое физическое свойство.

Рассматривая начало муссона, как время наступления срыва или внезапного перехода системы от одного состояния к другому, ученым удалось выявить в его пространственной организации такие регионы, в которых критические условия для его возникновения зарождаются раньше, чем в других. Эти регионы и являются системообразующими компонентами системы муссона.

Чтобы их обнаружить, ученые предложили новый метод, который основан на явлении предбифуркационного роста флуктуаций накануне критических переходов, основы которого были разработаны ранее в 2004 г. сотрудниками ИКИ РАН профессором Юрием Кравцовым и Еленой Суровяткиной. Говоря упрощенно, перед переходом системы в новое состояние величины некоторых переменных начинают быстро и довольно сильно «раскачиваться», или флуктуировать. И если внимательно следить за ходом этих флуктуаций, то можно попытаться предсказать надвигающиеся критические перемены, например, переход системы в другое состояние.

Исследования муссона проводились на основе данных реанализа (ассимиляции наземных и спутниковых данных) NCEP/NCAR и ERA-40 о среднесуточной приповерхностной температуре, давлении и относительной влажности с пространственным разрешением 2.5˚ за период 1951–2015 гг.

Оказалось, что в пространственно-временной системе муссона существует два критических элемента (в статье они названы tipping elements), которые обеспечивают установление сезона дождей в центральной части Индии: один расположен в районе горного хребта Восточные Гаты (Eastern Ghats, EG), другой — в Северном Пакистане (North Pakistan, NP).

Восточные Гаты, а именно точка с координатами 20N, 80E, — это фактически, центральный элемент муссона в Индии. Однако интересно, что вторым критическим элементом оказался Северный Пакистан, где муссона как такового не бывает. Именно второй критический элемент задает направление распространения муссона.

Формирование критических элементов муссона

Формирование критических элементов муссона. Сверху, A, B, C: предмуссонный рост флуктуаций средних за неделю значений приповерхностной температуры (за 1958-2001, по данным ERA-40). Голубыми линиями показан ветер. Рисунок D слева внизу — разность между A и C. График E: Предмуссонный рост флуктуаций в Восточных Гатах и Северном Пакистане показан розовым и голубым соответственно, среднее значение флуктуаций по всему полуострову Индостан показано зеленым: видно, что флуктуации в критических элементах гораздо сильнее и увеличиваются пред самым муссоном, в то время как среднее значение флуктуаций по полуострову плавно снижается, не показывая никаких предвестников начала муссона

Как видно на рисунке, накануне муссона в центре Индии возникают два кластера (EG и NP), в которых наблюдается усиление флуктуаций приповерхностной температуры. Оно вызвано следующими причинами. Во-первых, в Восточных Гатах в этот момент Солнце находится в зените: эта область широт — самая горячее место на индийском полуострове. Во-вторых, географическое положение Восточных Гат способствует образованию зоны с пониженным давлением в этом месте. В-третьих, это место встречи двух мощных воздушных потоков (ветвей муссона): из Аравийского моря и из Бенгальского Залива. В результате в этой области формируется сильный циклон, который аккумулирует влагу из двух источников сразу. В Северном Пакистане в этот момент возникает антициклон. Флуктуации приповерхностной температуры возникают раньше и растут сильнее всего в центрах циклона и антициклона. 

Столкновение циклона и антициклона в Восточных Гатах совпадает с тем, что в этот момент туда же прибывает В.З.К. Это приводит к тому, что в июне в Восточных Гатах начинаются муссонные дожди, которые продолжаются здесь, а потом и севернее на протяжении четырех месяцев.

Фактически, ученым впервые удалось объединить в концепции критических элементов две причины возникновения муссона: асимметричный нагрев суши и моря и сезонное перемещение В.З.К.

Второе важное свойство муссона, которое обнаружили ученые, — накануне его начала в Восточных Гатах (EG) значения температур в EG и NP становятся равными. После этого температура в EG падает, а температура в NP растет. Момент начала муссона — это критический переход, после которого возврат в премуссон уже невозможен. Эффект усиления флуктуаций исчезает.

Подобное явление выравнивания температуры в EG и NP возникает накануне завершения муссона. Оно наблюдалось в 84% лет наблюдений. Ученые используют это свойство для долгосрочного прогнозирования начала и завершения муссона в центральной Индии, а именно в точке с географическими координатами: (20N, 80E), где локализуется критический элемент EG.

Если смотреть на графики средней дневной температуры за год, то линии для двух регионов EG и NP пересекаются дважды: на 166 и 284 дни года (14 июня и 10 октября в 2016).

Это открывает для исследователей возможность прогнозировать начало муссона существенно заранее, за месяц или даже полтора до его начала. А это имеет критическое значение для Индии, где цикл сельскохозяйственных работ очень крепко связан с сезоном дождей: например, вспашка должна начаться за месяц до муссона.

Статья с описанием концепции критических элементов EG и NP была опубликована в апреле, а прогноз начала муссона в 2016 году по новой методологии был опубликован 6 мая. Согласно ему, сезон дождей в EG должен был начаться 13 июня с погрешностью +/-4 дня.

Прогноз оказался успешным — муссон пришёл в Восточные Гаты 17 июня [2]. 27 июля ученые опубликовали прогноз на завершение муссона за 70 дней до даты прогноза, установив его на 5 октября (с погрешностью 5 дней) [3]. Завершение муссона (10–12 октября) также попало в предсказанный диапазон дат. Принимая во внимание, что метеослужбы дают прогноз только на 5 дней вперед, долгосрочный прогноз ученых оказался весьма успешным. Его схема представлена на рисунке.

Слева — прогноз начала (A, C), справа — завершения (B, D) муссона в 2016 году по новой методологии

Слева — прогноз начала (A, C), справа — завершения (B, D) муссона в 2016 году по новой методологии. Вверху — данные по приповерхностной температуре (A, C), внизу — по относительной влажности (B, D), данные реанализа NCEP/NCAR для точки (20N, 80E) в Восточных Гатах (EG) и для точки (32.5N, 72.5E) в Северном Пакистане (NP). Серым цветом показаны все данные за предыдущие 14 лет, черным — средние значения за 14 лет. Данные за 2016 год показаны красным для EG, голубым — для NP. Оранжевые пунктирные линии показывают тренд средних значений, а голубые — тренд 2016 года.
Точки пересечения кривых средних значений температуры и влажности совпадают со средними значениями дат начала (<OD> от “onset date”) и завершения (<WD> “withdrawal date”) муссона.
Значения температуры и влажности в точках пересечения слева (A, C) соответствуют критических значениям температуры и относительной влажности, которые достигаются в момент начала муссона. Значения во втором пересечении (графики B, D справа) соответствует значениям температуры и влажности на дату завершения муссона. День, когда тренды температуры и влажности 2016 года в NP (данные показаны голубым) достигают критических порогов, соответствует дате начала муссона — 17 июня  (прогноз исследователей был - 13 июня +/-4 дня), завершение муссона (B,D), по прогнозу, предполагалось 5 октября +/-5 дней, фактически сезон муссона для точки (20N, 80E) завершился 10-12 октября. Данные фактического начала и завершения муссона соответствуют показаниям метеостанций в Индии

Работа вызвала огромный интерес в Индии и других странах [4]. По приглашению правительства штата Телангана (центральная Индия, население более 35 млн человек) Елена Суровяткина представила результаты исследований членам правительства. Выступая на встрече, министр финансов штата Этала Раджендер (Etala Rajender) образно сказал, что министром финансов в Индии на самом деле является муссон, потому что именно от него зависит благосостояние страны. Дефицит воды — главная угроза сельскохозяйственному производству. От ошибок прогноза муссона прежде всего страдает бедное население, которое в основном занято в сельском хозяйстве. Министр призвал ученых продолжить эти исследования c целью «накормить бедных».

Обычно Департамент метеорологии Индии (IMD) даёт прогноз на начало муссона 15 мая для штата Керала, который встречает сезон муссонных дождей первым на территории полуострова в среднем 1 июня. IMD использует для прогноза традиционный набор метеорологических данных: осадки, ветер, уходящую длинноволновую радиацию.

«Наши и IMD подходы к прогнозу муссона различны: прогнозы осуществляются в двух разных местах (на побережье в штате Керала в случае IMD, в центре полуострова в Восточных Гатах — в нашем случае), а также с использованием различных данных – говорит Елена Суровяткина. — Оба подхода имеют одинаковую точность (+/- 4 дня для начала муссона, +/- 5 дней — для завершения). Но мы прогнозируем наступление муссона раньше, чем IMD, и наш прогноз может помочь IMD прогнозировать продвижение муссона по полуострову. Оба подхода взаимно дополняют друг друга, что будет только способствовать повышению точности прогноза муссона и поможет населению Индии, численность которого составляет 17,84% населения планеты».

Совещание по прогнозу муссона: министр лесного хозяйства Jogu Ramanna, министр сельского хозяйства Pocharam Srinivasa Reddy, министр финансов Etala Rajender и член парламента Channamaneni Ramesh штата Telangana и Елена Суровяткина (слева направо). Фото из газеты NamastheTelangana

Совещание по прогнозу муссона: министр лесного хозяйства Jogu Ramanna, министр сельского хозяйства Pocharam Srinivasa Reddy, министр финансов Etala Rajender и член парламента Channamaneni Ramesh штата Telangana и Елена Суровяткина (слева направо). Фото из газеты NamastheTelangana

- О.З.

Дополнительная информация: 
  1. Stolbova, V., E. Surovyatkina, B. Bookhagen, and J. Kurths (2016): Tipping elements of the Indian monsoon: Prediction of onset and withdrawal. Geophys. Res. Lett., 43, 1–9 [doi:10.1002/2016GL068392] / Вернуться
  2. Successful early forecasting of Indian Monsoon. 14.07.2016 Пресс-релиз Потсдамского института исследований климатических изменений и их последствий / Вернуться
  3. Prediction of Monsoon withdrawal. 27.07.2016 Сообщение Потсдамского института исследований климатических изменений и их последствий / Вернуться
  4. СМИ о прогнозе: New method for predicting India's monsoon; Foreign scientists beat Met dept in monsoon prediction; German institute sets Oct 5 for monsoon retreatGermans develop new method to predict India’s monsoon (.pdf) / Вернуться