Фронтальне вологоперенесення над територією України

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 551.58:551.571.7

ФРОНТАЛЬНЕ ВОЛОГОПЕРЕНЕСЕННЯ НАД ТЕРИТОРІЄЮ УКРАЇНИ

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

ГРУШЕВСЬКИЙ ОЛЕГ МИКОЛАЙОВИЧ

Одеса 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат географічних наук, доцент Івус Галина Петрівна, Одеський державний екологічний університет, завідувач кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів

Офіційні опоненти: -доктор географічних наук, старший науковий співробітник Ломакін Павло Дем'янович, Морський гідрофізичний інститут НАН України, м.Севастополь, провідний науковий співробітник;

- кандидат географічних наук, старший науковий співробітник Шинкевич Наталія Генадіївна, Український науковий центр екології моря, старший науковий співробітник.

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, географічний факультет, кафедра метеорології та кліматології.

Захист відбудеться “8” грудня_ 2005 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, Одеса, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, Одеса, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ.

Автореферат розіслано 5 листопада_2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Чугай А.В.



АНОТАЦІЇ

Грушевський О.М. Фронтальне вологоперенесення над територією України.-Рукопис. кінетика хмарний планетарний волога

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук.- Спеціальність 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2005.

Дисертацію присвячено дослідженню особливостей фронтального перенесення вологи над територією України у сучасних кліматичних умовах та моделюванню цих процесів.

Шляхом адаптації методів фізичної кінетики для опису хмарних систем планетарного масштабу фронтальні хмарні системи та пов'язане з ними перенесення вологи визначені у фазовому просторі координат та швидкостей втягування та задані функціями їх розподілу у зазначеному просторі.

Моделі клімату для епох з зональним (Дж.Адем) та меридіональним (К.М.Блінова) типами циркуляції доповнені супроводжуючими їх полями атмосферної вологи. Також за результатами чисельних експериментів з моделювання фронтального вологоперенесення отримано висновки щодо особливостей його просторового розподілу в типових для території України синоптичних ситуаціях.

На підставі виділених груп синоптичних процесів, що ведуть до опадоутворення над територією України та їх повторюваністю, підрахованою за період з 1998 р. по 2004 р., встановлений факт найбільш інтенсивного перенесення вологи над територією України циклонами, еволюція та переміщення яких тісно пов'язані з новим розташуванням полярного кліматичного фронту, що підтверджують результати моделювання.

Ключові слова: фронтальне вологоперенесення, функція розподілу хмарності за швидкостями втягування.



Грушевский О.Н. Фронтальный влагоперенос над территорией Украины.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук.- Специальность 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2005.

Диссертация посвящена исследованию особенностей процессов фронтального влагопереноса над территорией Украины в современных климатических условиях.

Понятие климатической эпохи расмотрено не через преобладающие формы циркуляции воздуха, а через географическое расположение арктического и полярного климатических фронтов. Полученное в низкочастотных характеристиках географическое положение арктического и полярного климатических фронтов позволяет определить тренд в развитии макропроцесса, т.е. основу энергетических перестроек в долгосрочном плане. Кроме того, выявлены особенности географического расположения климатических фронтов при зональной и меридиональной форме циркуляции и получена возможность перехода к долгосрочному прогнозу на качественно новой теоретической основе.

Для описания облачных систем планетарного масштаба выполнена адаптация методов физической кинетики, что позволило определить их и связанный с ними влагоперенос в фазовом пространстве координат и скоростей вовлечения воздушных масс в облачные структуры.

Результаты расчетов климатических полей термобарических величин для климатических эпох с меридиональной (Е.Н. Блинова) и зональной (Дж. Адем) формами циркуляции дополнены сопровождающими их полями атмосферной влаги за счет получения функций распределения облачности по скоростям вовлечения.

С помощью проведенных численных экспериментов по моделированию фронтального влагопереноса установлены причины переориентации его преобладающего направления в Атлантико-Европейском секторе в современных климатических условиях и рассмотрено влияние этой переориентации на погодообразующие процессы.

Известно, что современные эволюции климата определяются активностью процессов антициклогенеза, которые приводят к нарушению зонального переноса и, как следствие, аномальному распределению влаги. Исходя из этого, в Атлантико-Европейском секторе выделены основные типы антициклонов, возникновение и развитие которых может приводить к ситуациям устойчивого блокирования. Поскольку наиболее долговременные процессы блокирования обусловливают волны солитонной структуры, то для каждого из выделенных типов проведена серия численных экспериментов с целью определения вида функций тока и функций распределения облачности характерных для установления процессов блокирования солитонного типа.

Для выполнения верификации результатов численного моделирования использованы данные спутниковых снимков облачности в периоды с наличием ситуаций блокирования. Проведенное сопоставление фактических расположений облачных систем с экстремумами функции распределения облачности по скоростям вовлечения воздушных масс, показывает достоверность результатов моделирования. Кроме того, на основе совместного анализа результатов моделирования и данных спутниковых снимков облачности представляется возможным выявить как различия, так и некоторые общие закономерности, характерные для эволюции солитонов Россби, и очертить круг физических механизмов, ведущих к их образованию.

Выполнено моделирование процессов влагопереноса на территорию Украины в типовых синоптических ситуациях при отсутствии блокирования и в условиях блокирования зонального переноса. Путем моделирования определены критерии устойчивого блокирования барических образований и проведена проверка этих результатов на фактическом материале.

Выделены группы синоптических процессов, ведущих к осадкообразованию над территорией Украины, подсчитана их повторяемость за период с 1998 г. по 2004 г. Установлено, что в указанный период наиболее интенсивный перенос влаги на территорию Украины обусловливают циклоны, эволюция и перемещение которых тесно связано с новым положением полярного климатического фронта, что подтверждает результаты моделирования.

Кроме того, частично рассмотрены особенности межфронтального влагопереноса с дальнейшим построением функций распределения подинверсионной слоисто-дождевой облачности, пересчитанных на величины водности. В работе освещена роль фронтальных низкотропосферных струй как механизма привлечения периферийного запаса бароклинной неустойчивости в солитонную структуру, что определяет их как одну из составляющих поступления энергии в волны солитонного типа.

Ключевые слова: фронтальный влагоперенос, функция распределения облачности по скоростям вовлечения.



Grushevsky O.M. Frontal moisture transference above the territory of Ukraine. - Manuscript.

Thesis for a Candidate degree of geographic sciences by speciality 11.00.09- meteorology, climatology, agricultural meteorology - Odessa State Environmental University, Odessa, 2005.

The thesis is dedicated to the research of frontal moisture features transference above the territory of Ukraine under present-day climatic conditions as well as simulation of these processes.

By means of adaptation of physical kinetics methods for description of the cloud systems of planetary scale the frontal cloudy systems and related to them moisture transferences have been defined in phase space of coordinates and involvement velocities and have been set by the functions of their distribution in the definite space.

The climates models for epochs with zonal (J. Adem) and meridional (Y.N. Blinova) circulations types are amplified with attendant fields of atmospheric moisture.

As a result of numerical experiments in frontal moisture transference simulation conclusions are drawn in relation to the features of its spatial distribution under weather patterns which are characteristic for the territory of Ukraine.

According to detailed synoptically processes groups which are the cause of precipitations formation above the territory of Ukraine and their frequency for 1998 to 2004 period the fact of the most intensive moisture transference by cyclones was determined above the territory of Ukraine. Evolution and transference of these cyclones are closely connected with new location of polar climatic front, which is confirmed by simulation results.

Key words: frontal moisture transference, the clouds distribution function.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Актуальність дослідження та неформального інтересу вчених до проблеми клімату підтверджується організацією і проведенням багатьох національних і міжнародних програм, які забезпечують значний прогрес у створенні теоретичної та емпіричної баз даних. Тому досить природньо, що увага до окремих, найрізноманітніших складових клімату знайшла своє відображення в роботах багатьох вчених відповідних галузей науки.

Як відомо, однією з складових клімату є загальна циркуляція атмосфери, яка виступає визначальним чинником в ідентифікації типу кліматичної епохи. Тому пошук предикторів, що зумовлюють той чи інший тип циркуляції, пояснення їх впливу з точки зору фізики атмосфери, геофізики є логічним продовженням вирішення поставленої проблеми.

На даний момент наявність цілого ряду аномальних типів погод, що виникають в різних частинах земної кулі, актуалізують активність досліджень у вказаному напрямку (Кондратьєв К.Я., Шакіна Н.П., Єфімов В.А., Мартазінова В.Ф. та ін.). В Атлантико-Європейському секторі до однієї з аномалій погоди відносяться штормові циклони, проходження яких в останні 5-7 років супроводжується ураганними вітрами, випадінням значно вищої за норму кількості опадів та, як наслідок, виникненням катастрофічних повеней. Приклади виходу подібних, із значним вологозапасом циклонів з особливою гостротою ставлять питання як про можливість переорієнтації домінуючого напрямку перенесення атмосферної вологи, так і про пошук причин цієї переорієнтації.

Крім того, актуальність дисертаційної роботи визначається практичною необхідністю мати надійну інформацію про надходження атмосферної вологи на територію України. Особливу важливість представляють характеристики вологообігу між морськими акваторіями та материковими територіями України. Необхідні подібні відомості й про трансграничне перенесення вологи зі суміжних з Україною територій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної работи відповідає основним напрямкам наукової діяльності кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів Одеського державного екологічного університету і виконана в складі держбюджетних науково-дослідницьких робіт “Дослідження аномальних атмосферних процесів в Україні” № ДР 0199U001139, розділ 3 “Дослідження режиму вітру у граничному шарі атмосфери для території Причорномор'я” та “Моделювання аномальних атмосферних процесів в Україні” № ДР 0104U000291, розділ 2 “Моделювання процесів цикло- і антициклогенезу, атмосферних фронтів”.

Мета і задачі дослідження.

Метою дисертаційної роботи є знаходження надійних предикторів для визначення розташування в просторі гілок полярного й арктичного фронтів і пов'язаного з ними фронтального вологоперенесення в сучасних кліматичних умовах та обумовлюючих встановлення стійкого блокування західних перенесень вологи над Атлантико-Європейським сектором.

Основні задачі наукового дослідження:

- розробити типові форми фронтогенезу, які можуть служити головним критерієм, як для підбору аналогів, так і для середньострокових (3-10 діб) прогнозів на основі гідродинамічного моделювання;

- ідентифікувати низькочастотні процеси, що визначають основний тренд в розвитку макропроцесу, для можливості застосування гідродинамічного моделювання процесів фронтогенезу, які супроводжують певні типи загальної циркуляції атмосфери;

- отримати географічне розташування арктичного і полярного фронтів в низькочастотних характеристиках та визначити основи гідродинамічного прогнозу саме в цих параметрах (що, крім іншого, може бути основою для підбору провідного аналогу на фізичній основі);

- здійснити моделювання фронтального і частково міжфронтального вологообігу для виявлення особливостей його просторового розподілу як над Атлантико-Європейським сектором в цілому, так і над Україною зокрема для різних типів циркуляції та синоптичних ситуацій.

Об'єкт дослідження-атмосферна волога та її розподіл в різних кліматичних умовах.

Предмет дослідження- фронтальне вологоперенесення на територію України та його особливості у сучасних циркуляційних умовах.

Методи дослідження- математичне моделювання і чисельний експеримент, просторово-часове узагальнення даних, фізико-статистичний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в моделюванні фронтального вологоперенесення, дослідженні його особливостей над Атлантико-Європейським сектором в цілому та над територією України зокрема з урахуванням сучасних циркуляційних умов. Крім того, наукова новизна представленої роботи визначається наступними положеннями:

- вперше для опису хмарних систем планетарного масштабу застосовані методи фізичної кінетики, які дозволили визначити їх та пов'язаний з ними вологообіг в фазовому просторі координат і швидкостей втягування;

- моделі клімату Дж.Адема та К.М.Блінової вперше доповнені системою рівнянь фізичної кінетики відносно функцій розподілу хмар різного генезису;

- уточнено результати моделювання кліматичних полів термобаричних величин для епох із зональною та меридіональною формами циркуляції шляхом врахування притаманного їм вологообігу;

- отримано розташування кліматичних фронтів - арктичного і полярного - у низькочастотних характеристиках та виділені особливості їх географічної локалізації для обох типів кліматичних епох. Одержані висновки про причини переорієнтації домінуючого напрямку атмосферного вологообігу в сучасних циркуляційних умовах;

- виконано моделювання фронтального вологоперенесення над територією України для:

а) синоптичних ситуацій за відсутності блокування циклонічних траєкторій;

б) процесів блокування, що ведуть до аномального розподілу вологи;

- отримана можливість часткової переорієнтації методик аналогових прогнозів на якісно нову гідродинамічну основу.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що отримали розвиток моделі, в яких прогнозуванню підлягає низькочастотний процес, що діє під впливом провідного фактору, який визначає основу енергетичних перебудов в довгостроковому плані. В результаті є можливість переходу до довгострокового прогнозу на якісно новій теоретичній основі.

Розроблено методи моделювання атмосферного вологоперенесення в різних синоптичних ситуаціях, визначені критерії процесів його стійкого блокування, які приводять до аномального розподілу вологи над конкретною територією. Практичне значення визначається також тим, що будь-яке покращення метеорологічного забезпечення аграрного сектору приводить до суттєвого економічного зиску для сільского господарства.

Отримані в дисертації наукові результати впроваджені в навчальні дисципліни “Газова динаміка”, “Стихійні метеорологічні явища в Україні”, “Динаміка глобальних атмосферних процесів”, “Аномальні погодні умови”. Частково результати досліджень використані в оперативній практиці Українського Гідрометцентру (м.Київ) та в Головному Гідрометеорологічному Центрі Генерального Штабу Збройних Сил України.

Особистий внесок здобувача. Постановка наукового завдання дослідження виконана здобувачем спільно з науковим керівником. Дисертантом самостійно одержані наступні результати:

- проведено фізико-статистичний аналіз процесів вологоперенесення над територією України за період 1995-2004рр. з використанням даних приземних синоптичних карт, карт баричної топографії (АТ-850, 700, 500, ОТ-500/1000), карт конвективних явищ, кулепілотних спостережень (журнали КАЕ-1), супутникових знімків хмарності системи NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), даних радіозондувань і щоденників погоди;

- виконано адаптацію методів фізичної кінетики для опису хмарних систем планетарного масштабу, що дозволило визначити їх і пов'язане з ними вологоперенесення у фазовому просторі координат і швидкостей втягування;

- знайдені нові предиктори для моделювання фронтального вологоперенесення, що супроводжує кліматичні поля термобаричних величин, розроблений новий підхід для його діагнозу та прогнозу з врахуванням особливостей сучасних кліматичних умов;

- визначені особливості фронтального вологоперенесення для кліматичних епох із зональною та меридіональною формами циркуляції, на підставі чого сформульовані висновки про причини сучасних перебудов у циркуляційних процесах;

- встановлені особливості розподілу атмосферної вологи при типових синоптичних ситуаціях над територією Украіни і в випадках аномальних процесів її надходження;

- проведена верифікація результатів чисельного моделювання із використанням даних супутникових знімків хмарності, приземних карт погоди та карт баричної топографії.

В опублікованих спільно з керівником наукових роботах, керівникові належить постановка наукового завдання та систематизація результатів, а дисертанту практична реалізація проекту [3, 4, 5]. В публікаціях [1, 2] авторський вклад полягає в знаходженні способу обробки метеорологічної і аеросиноптичної інформації, виконанні розрахунків, що стосуються виявлення механізму передачі атмосферної вологи уздовж фронтальних розділів, проведенні чисельних експериментів, їх верифікації та інтерпретації одержаних результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи докладалися на засіданнях кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів Одеського державного екологічного університету (2003-2005рр.), на конференціях молодих вчених ОДЕКУ (2003-2005рр.), науково-технічній конференції наукових і науково-педагогічних працівників ОДЕКУ (2005р.).

Публікації. Основні результати дисертації викладено в п'ятьох наукових працях у фахових наукових виданнях, у тому числі в чотирьох, які входять до відповідного переліку ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (105 найменувань), 27 додатків. Дослідження містить 45 рисунків, 5 таблиць. Загальний обсяг роботи із додатками складає 171 сторінку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовуються вибір теми, її актуальність, визначається наукова новизна дисертаційної роботи, формулюються мета і завдання дослідження, теоретичне значення роботи, можливості її практичного використання, викладаються основні положення та наукові результати, що виносяться на захист.

У першому розділі наводиться огляд стану досліджень з питань ідентифікації типів кліматичних епох та їх стадій (Россбі К.Г., Блінова К.М., Вангенгейм Г.Я., Гірс А.А.), параметризації процесів конвекції (Аракава, Франк, Чео, Лорд та ін.), що в значній мірі формують атмосферне вологоперенесення, та виконується адаптація методів фізичної кінетики для опису хмарних систем планетарного масштабу (Коган М.М., Матвєєв Л.Т.). Крім того, уточнюються основні напрямки авторських розробок.

Насамперед, поняття кліматичної епохи розглядається не через переважаючі у ній форми циркуляції атмосфери (Гірс, 1960), а визначається у категоріях геофізично впливаючих факторів, таких як активність процесів антициклогенезу та географічного розташування арктичного та полярного кліматичних фронтів. Це дозволяє, з одного боку, наповнити поняття атмосферної циркуляції геофізичним змістом, з іншого - перейти до розгляду процесів атмосферного вологоперенесення, основна частина якого зосереджена саме у зонах атмосферних фронтів.

На хмарність підінверсійного типу, що розташовується, як правило, за межами дії фронту, припадає у літній час лише 10-13% загального вологоперенесення. Вологоперенесення у центрі циклону має вигляд спіральної хмарної структури, де шаруваті хмари нижнього ярусу займають до 70% бальності, проте їх вологомісткість складає лише 20% від запасу всієї спіральної структури. У зимовий час, коли фронтальна конвекція послаблена, підвищується роль обкладних опадів хмарних систем міжфронтального простору (які будуть розглянуті нижче), але зливовий сніг з фронтальної хмарності дає переважну кількість опадів.

Таким чином, оскільки основне фронтальне вологоперенесеня здійснюється в системах конвективної хмарності, то було доцільним застосування методу А.Аракави, який дозволяє виконати параметризацію процесів конвекції та оцінити комплекс сил, що діють у мезомасштабних конвективних системах.

Для розрахунку розподілу хмарності у системі вологообігу різних типів циркуляції атмосфери були застосовані методи фізичної кінетики. Рівняння відносно функцій розподілу хмар різного генезису для s-часткової функції розподілу хмарності за швидкостями втягнення повітряних мас задається системою рівнянь BBGKY (Боголюбов-Борн-Грін-Кірвуд-Івон):



, (1)

де V_і- координати швидкостей втягування в - фазовому просторі;

F_s- функція розподілу щільності імовірності хмарного ансамбля s-го класу;

-сили, що викликають токи втягування;

m- маса хмар s-го класу;

- просторові координати;

N- кількість класів хмарних систем;

s=1,2,…- нумерує класи хмарних систем (купчасті, шаруваті і т.д.);

z- координати об'єкта в - фазовому просторі координат і швидкостей втягування.

Контрольним при розв'язанні системи BBGKY є рівняння Ліувілля:

, (2)

за умови виконання рівняння нерозривності:

, (3)

де ,

F_N - функція розподілу щільності імовірності хмарного ансамбля з N об'єктів;

_i - швидкості втягування повітряних мас.

З аналізу системи (1) видно, що в рівняння для функції F_s входить функція F_s+1, тобто маємо зчеплену систему рівнянь. Таким чином, різні форми хмарності пов'язані одне з одним за генезисом.

Для розрахунку розподілу хмарності у системі вологообігу кліматичної епохи з зональною (W) формою циркуляції (на підставі моделі клімату Дж.Адема) виконувалося інтегрування рівнянь BBGKY. При цьому для моделювання зон фронтальних розділів зручно застосувати функціональний запис багатьох диполів, розташованих в ряд, за допомогою періодичної функції з довжиною періода в один диполь і з полюсом у центрі диполя:

, (4)

де l - відстань між конвективними хмарами або лінійний розмір періоду;

z₀ - координата центру лінії конвективних збурень;

z=x+iy - комплексне число;

Г - величина циркуляції швидкості (циркуляція навколо диполя);

k - порядковий номер вихорного джерела;

або у вигляді:

(5)

де w - комплексний потенціал швидкості;

а_k - координати джерел та стоків, об'єднаних розташуванням у просторі.

Як видно з результатів моделювання (рис.1а), кліматична епоха зональної форми циркуляції відзначалася істотною віддаленістю по широті арктичного та полярного кліматичних фронтів та яскраво вираженим західним перенесенням атмосферної вологи.

У другому розділі детально розглянуто сучасні процеси антициклогенезу та їх вплив на розподіл атмосферної вологи.

Оскільки фактичні еволюції сучасного клімату відбуваються, в основному, з переважанням меридіональних форм атмосферної циркуляції, то для їх опису можливе застосування моделі К.М.Блінової, яка найбільше їм відповідає.

Результат розрахунку функції розподілу хмарності за швидкостями втягування для стадії сталого вологообігу за полем геопотенціалу по моделі К.М.Бліново. З нього видно, що атмосферному вологообігу у сучасних кліматичних умовах притаманні наступні особливості:

Ліві зрізи схем розташовані на 10з.д., праві-45с.д., верхні зрізи-75півн.ш., нижні-40півн.ш.

1) зона полярного фронту більш чітко виражена градієнтами функції розподілу хмарності за швидкостями втягування, ніж зона арктичного фронту;

2) максимум функції розподілу хмарності припадає на район Великобританії, а мінімум локалізований в районі Ісландії;

3) мінімум функції розподілу хмарності простежується перед Скандинавією та перешкоджає північним траєкторіям руху циклонів;

4) максимум розподілу хмарності спостерігається на інтервалі довготи від Грінвіча до 10 с.д.

Відповідно, в результаті розвитку стійкої хмарної структури, що знаходиться на південь від центру Ісландського мінімуму, простежується розташування одного напрямку надходження вологи, пов'язаного з полярним кліматичним фронтом та більш вираженому у полі функції розподілу хмарності за швидкостями втягування ніж інший напрямок перенесення вологи, пов'язаний з арктичним фронтом та розташований дещо на північ від Скандинавії.

Відомо, що комплекс погодних умов над великими територіями у значній мірі визначається активністю процесів антициклогенезу, які створюють істотні зміни у системі зонального перенесення. Саме тому, завдання дослідження особливостей фронтального вологоперенесення над територією України включає в себе і виявлення географічної локалізації енергетичних вкладів, необхідних для перебудови стаціонарної хвилі Гаурвіца-Блінової у хвильовий процес по типу солітона Росбі. У такому випадку вологоперенесення на основі блокованих баричних утворень теж стаціонує та змінює структуру процесів опадоутворення над конкретною територією.

У першій типовій ситуації досліджені вторгнення гребенів Сибірського та Арктичного антициклонів на територію України та можливість утворення на їх основі солітонних блокуючих структур. Функція розподілу хмарності за швидкостями втягування для цієї ситуації представлена на рис.1в. Видно, що системи атмосферних фронтів своїми периферіями виходять в райони Чорного та Каспійського морів, що сприяє залученню периферійного запасу бароклінної нестійкості за допомогою фронтальних струменів до центра стаціонарної структури та подальшої реалізації прихованої енергії фазових переходів водяної пари. Для встановлення солітонної структури фронтів необхідний режим відсутності їх енергообміну з навколишнім середовищем. Проте, для регенерації фронтогенезу головна роль фронтів і полягає саме у залученні енергії з навколишнього простору. Якщо фронт поставляє тільки вологозапас, то подальша активація у ньому прихованої енергії і буде внутрішнім енергоживленням фронтальної хвилі солітонного типу. Таке внутрішнє енергоживлення входить до енергетично незалежної структури фронтального солітону, яке у поєднанні з енергетичною солітонною структурою блокуючого гребеня і складе енергоцикл блокування.

В наступній типовій ситуації розглянута можливість стійкого блокування за умови поширення гребеня від Азорського максимуму на територію України. У цьому випадку солітон утворюється на базі хвиль Кельвіна, а солітонна пара має меридіональну орієнтацію. Саме тому, поширення даної гребеневої структури на схід не може бути поясненим тільки з точки зору інерційного руху. Процеси, що здатні перетворювати хвильові коливання у хвилі солітонного типу, реалізуються з поглинанням сонячної енергії у товстих оптичних шарах не тільки у короткохвильовій області, а й у довгохвильовому спектрі теплового випромінювання.

Розглянуті приклади показують, що для утворення хвилі солітонного типу над територією України необхідна парна хвильова структура або на базі хвиль Росбі, або на базі хвиль Кельвіна. Перетворення хвилі Росбі в солітон Росбі, як показують наведені приклади блокуючих структур, виникає за наявності в процесі двох рівноцінних, але протилежних за обертанням вихорних утворень, що замкнені разом з фронтальними розділами в єдиний вихорний та енергетичний баланс. Хоча одному вихорному утворенню, наприклад, антициклонічного обертання, можуть протидіяти декілька вихорів циклонічного типу. Крім того, на утворення стаціонарних, енергетично незалежних хвиль впливають такі чинники як неадіабатичні процеси та бароклінна нестійкість у межах фронтальної зони.

У третьому розділі проведений аналіз аеросиноптичного матеріалу з метою визначення процесів, що обумовлюють інтенсивне надходження вологи на територію України, та подальшого їх співставлення з результатами чисельних експериментів для верифікації останніх. Для вирішення цієї задачі залучалися дані приземних синоптичних карт, кільцевих карт погоди, карт баричної топографії (АТ-850, 700, 500, ОТ-500/1000), карт опадів, супутникових знімків хмарності системи NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) за період 1995-2004рр.

Основні надходження вологи на територію України обумовлюються процесами фронтогенезу, оскільки саме вони мають переважаюче значення у вологоперенесенні порівняно зі звичайною адвекцією вологи внутрішньомасовими повітряними потоками. Переміщення атмосферних фронтів значною мірою визначається характером траєкторій циклонів, з якими вони пов'язані. У зв'язку з цим були виділені чотири основні групи синоптичних процесів, що обумовлюють перенесення вологи (а відповідно, формують утворення опадів) над територією України.

До таких відносяться:

1) скандинавські циклони, які виникають над Північною Атлантикою і потім, в залежності від структури висотного термобаричного поля, зміщуються із заходу на схід приблизно вздовж 60є півн.ш.;

2) південні циклони, які виникають в області 30-45є півн.ш. та зміщуються на північ, північний схід;

3) пірнаючі циклони, напрямок руху яких проходить з північного заходу через Скандинавію, Прибалтику на центральні райони і південний схід України; зароджуються зазначені циклони, зазвичай, над Норвезьким морем;

4) західні циклони, які мають ті самі області утворення, що й західні циклони, але траєкторії руху яких пролягають вздовж 50є півн.ш.

Окрім того, підрахована повторюваність виділених груп за період 1998-2004 рр. (розглянуто 286 випадків) з використанням синоптичних карт погоди за основні строки, яка представлена на рис.2. Як видно, відмінністю являється вкрай низька повторюваність пірнаючих циклонів, проходженням яких раніше і пояснювалися основні аномальні надходження вологи на територію України. В той же час, повторюваність циклонів четвертої групи, в цілому, мало відрізняється від повторюваності скандинавських циклонів.

Отримані результати дозволяють конкретизувати основні напрямки трансграничного перенесення вологи із врахуванням сучасних перебудов циркуляційних процесів. За рахунок посилення інтенсивності та переміщення полярного фронту у більш південні широти пов'язаний з ним напрямок атмосферного вологоперенесення наближається до траєкторій руху західних циклонів, що, очевидно, і пояснює їх значний вологозапас і збільшену повторюваність. Саме з циклонами цієї групи (рис.3), як в Атлантико-Європейському секторі у цілому, так і в Україні зокрема, найчастіше і були пов'язані найбільш інтенсивні процеси опадоутворення за останні 7-8 років.

Крім того, виконано моделювання фронтального вологоперенесення над територією України для синоптичних ситуацій за відсутності блокування циклонічних траєкторій та для процесів блокування, що ведуть до аномального розподілу вологи.

Четвертий розділ дисертації присвячений опису особливостей міжфронтального вологообігу з подальшою побудовою функцій розподілу підінверсійної шарувато-дощової хмарності, перерахованих на величини водності, та фізичному обґрунтуванню механізму залучення периферійного запасу бароклінної нестійкості до центру циклону. У ролі такого механізму виступають фронтальні струмені, утворення яких може бути обумовлено як макроциркуляційними процесами (внаслідок реалізації доступної потенціальної енергії горизонтальних контрастів температури), так і процесами мезомасштабу (формування токів втягнення між конвективними хмарами), що показано у роботі на основі дослідження їх еволюції із залученням даних кулепілотних спостережень.

Для визначення особливостей еволюції фронтальних струменів, за їх наявності, був проведений розрахунок величини адвекції температури у пограничному шарі атмосфери за формулою:

, (6)

де Т_m - середня температура шару Дz;

V₁, V₂ - швидкості вітру на верхній і нижній границях шару;

Дб - кут зміни напрямку вітру на верхній і нижній границях шару;

з - поправка на кут повороту вітру, викликаного тертям.

Розрахунки проводилися для холодних фронтів на підставі даних кулепілотних спостережень на ст. Кіровоград. Значення поправки з визначалося за емпіричною моделлю середнього вертикального розподілу вітру до висоти 1000м. У результаті обробки великого обсягу даних кулепілотних спостережень над центральним регіоном Європи було отримано з?7є. Після підставлення відповідних значень у зазначену формулу отримані абсолютні значення коливалися від А=0,2 єС/год до А=0,8 єС/год.

Спільний аналіз розвитку конвективної хмарності та струминних течій нижніх рівнів (СТНР) на підставі даних кулепілотних спостережень дозволяє зробити висновок про різну природу утворення таких струменів. Розраховані за даними про вітер та температуру повітря адвективні зміни температури, що є інтегральною характеристикою термічної адвекції усього шару з СТНР, показують формування одних струменів в термічно однорідному середовищі, інших - при адвекції тепла у дослідженому шарі. Вочевидь, утворення струменів у першому випадку відбувається за рахунок формування токів втягнення між купчасто-дощовими хмарами, у другому - являє собою класичний приклад наявності СТНР в умовах адвекції тепла і конвергенції повітряних течій в передфронтальній теплій несучій смузі.

Можна стверджувати, що в обох випадках СТНР були механізмом перенесення вологи до конвективних систем та, як наслідок, джерелом залучення зовнішньої енергії.



ВИСНОВКИ

У роботі наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення науково-дослідної задачі, що полягає в моделюванні фронтального вологоперенесення, виявленні його особливостей над Атлантико-Європейським сектором в цілому, та над територією України зокрема, з урахуванням сучасних циркуляційних умов і яке дає можливість зробити наступні висновки:

1. Хмарні системи атмосферних фронтів і міжфронтального простору, окрім просторових координат, мають притаманні їм швидкості втягування повітряних мас у свої структури в якості однієї з характеристик. Хмарні системи та пов'язане з ними вологоперенесення визначені у фазовому просторі координат і швидкостей втягування та можуть бути заданими функцією розподілу імовірності їх присутності у зазначеному фазовому просторі.

2. Функції розподілу хмар, що залежать від типу конкретного синоптичного процесу, враховують різновиди їх форм за допомогою зв'язку хмарності різних типів за їх генезисом і утворюють у просторі каркаси атмосферного вологоперенесення, які є свого роду його кластерами. Це дозволяє усі форми хмарності звести до єдиної характеристики і визначити їх динаміку єдиною системою рівнянь.

3. Генезис хмарних систем залежить від вологовмісту повітряних мас та випаровування з підстильної поверхні, над якою ці маси формуються. Фізична кінетика хмарних систем, у макромасштабному її визначенні, додатково включає в себе питання бароклінної нестійкості, фізику атмосферних хвильових процесів (хвилі та солітони Росбі), які у підсумку групуються у термінології функцій розподілу хмарності.

4. Відмінністю сучасних кліматичних умов в Атлантико-Європейському секторі є збільшення інтенсивності та зміщення розташування в просторі полярного кліматичного фронту і пов'язаного з ним напрямку фронтального вологоперенесення у більш південні широти. Основні аномальні надходження атмосферної вологи як на територію України, так і на територію Центральної та Східної Європи у теперішній час пов'язані з проходженнями “західних” циклонів, що зміщуються приблизно вздовж 50є півн. ш., виникнення та переміщення яких тісно пов'язане з сучасним розташуванням кліматичного полярного фронту.

5. Для виникнення над територією України ситуацій стійкого блокування зонального перенесення, за яких процеси атмосферного вологоперенесення стають найбільш активними, необхідна, як правило, наявність двох вихорних структур цикло- та антициклонічного обертання з системою атмосферних фронтів, що входять до них. Орієнтація вихорної пари може мати як зональний, так і меридіональний напрямок. Найбільш стійкі процеси блокування над Україною обумовлюють виходи Арктичного та Сибірського антициклонів.

6. Функція розподілу хмарності по координатам області рішення та швидкостям втягування дозволяє отримати інформацію про локалізацію процесів конденсації з виділенням прихованої теплоти, які здійснюють енергетичну підтримку солітону як окремої хвильової структури. Стаціонування цієї структури у просторі, а відповідно, і найбільш імовірні райони з аномаліями в процесах опадоутворення, визначається місцем реалізації прихованої енергії.

7. Залучення в структуру стаціонарної хвилі периферійного запасу бароклінної нестійкості за допомогою фронтальних низькотропосферних струменів з подальшою реалізацією прихованої енергії є внутрішнім джерелом енергії солітона Росбі поряд з процесами поглинання короткохвильової сонячної енергії у хмарних шарах та довгохвильового випромінювання підстильної поверхні.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Грушевский О.Н. Анализ эволюции конвективной облачности и струйных течений нижних уровней с использованием данных шаропилотных наблюдений // Метеорологiя, клiматологiя та гiдрологiя. - 2004.- Вип. 48.- С. 86-93.

2. Ефимов В.А., Ивус Г.П., Грушевский О.Н. Учет влагооборота в моделях климата Адема и Блиновой Е.Н. // Культура народов Причерноморья.- 2004.- № 51.- С. 13-19.

3. Ивус Г.П., Грушевский О.Н. Моделирование процессов устойчивого гребневого блокирования атмосферного влагооборота над Атлантико-Европейским сектором в современных циркуляционных условиях // Культура народов Причерноморья.- 2004.- № 56, т.2 - С. 12-15.

4. Грушевский О.Н. Особенности фронтального влагооборота над Атлантико - Европейским сектором в современных климатических условиях // Метеорологiя, клiматологiя та гiдрологiя.- 2005.- Вип. 49.- С. 156-163.

5. Ивус Г.П., Грушевский О.Н. О влиянии конвективной облачности на формирование струйных течений нижних уровней // Матеріали IV наукової конференції молодих вчених ОДЕКУ 15 - 19 березня 2004 р. - С. 125-127.

Размещено на Allbest.ru