Квазітропічний циклон над Чорним морем (чисельне моделювання і аналіз даних)

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

04.00.22 - геофізика

КВАЗІТРОПІЧНИЙ ЦИКЛОН НАД ЧОРНИМ МОРЕМ

(ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ І АНАЛІЗ ДАНИХ)

ЯРОВА ДАР'Я ОЛЕКСАНДРІВНА

Севастополь - 2010

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті

Національної академії наук України

Науковий керівник:

Доктор фізико-математичних наук, професор

Єфімов Володимир Васильович,

Морський гідрофізичний інститут НАН України,

завідувач відділу МГІ НАН України

Офіційні опоненти:

Кандидат фізико-математичних наук Казаков Олександр Леонідович, Одеський державний екологічний університет, старший науковий співробітник

Доктор фізико-математичних наук Шапіро Наум Борисович, Морський гідрофізичний інститут НАН України, провідний науковий співробітник

Захист відбудеться «12» березня 2010 р. о 11 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д. 50.158.02 Морського гідрофізичного Інституту НАН України за адресою: 99011, Україна, м. Севастополь, вул. Капітанська, 2, малий конференц-зал

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Морського гідрофізичного інституту НАН України за адресою: 99011, Україна, м. Севастополь, вул. Капітанська, 2

Автореферат розісланий «8 » лютого 2010 р.

Учений секретар

Спеціалізованої вченої ради

Д. 50.158.02

кандидат фізико - математичних наук Кубряков О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження тропічних циклонів є одним з актуальних напрямів геофізики. На сьогоднішній день відомі необхідні (але не достатні) умови виникнення тропічних циклонів, одержані уявлення про основні фізичні процеси, що визначають розвиток цих циклонів, розроблені чисельні моделі, що дозволяють розраховувати їх траєкторії зі все більшою завчасністю і точністю. В той же час з розвитком дистанційних методів вивчення атмосфери і океану вдалося встановити, що циклони, подібні до тропічних, утворюються, час від часу, і поза межею тропіків, зокрема над Середземним морем. Ці циклони відносяться до категорії проміжних між тропічними і середньоширотними і визначаються як квазітропічні.

Дисертація присвячена дослідженню унікального квазітропічного мезомасштабного циклону, що виник над Чорним морем у вересні 2005 р. Унікальність його полягає у тому, що на відміну від сусіднього Середземного моря, над Чорним морем випадки квазітропічного циклогенезу раніше не спостерігалися і, відповідно, не вивчені.

Дослідження цього незвичайного для Чорноморського регіону циклону, його структури, умов виникнення і механізмів посилення, а також оцінка кліматичної повторюваності таких явищ, розширює уявлення про мезомасштабні атмосферні процеси в регіоні і представляє безперечний науковий і практичний інтерес. Квазітропічні циклони, хоча і не мають всіх руйнівних властивостей тропічних ураганів, проте, можуть істотно впливати на навколишнє середовище та здатні спричиняти значне погіршення погоди, умов мореплавання і порушення екологічного режиму.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконана відповідно до планів наукових досліджень Морського гідрофізичного інституту НАН України в рамках наступних науково-дослідних проектів:

1. «Фундаментальні і прикладні фізико-кліматичні дослідження морського середовища і кліматичної системи океан-атмосфера» (шифр «Клімат»), ДР № 0106U001406, 01.01.2006 - 31.12.2010 рр., виконавець,

2. «Комплексні гідрофізичні і гідрохімічні дослідження морського середовища з метою стійкого, екологічно і техногенно безпечного використання його ресурсного потенціалу» (шифр «Океанографія»), ДР № 0107U004396, 01.01.2007 - 31.12.2009 рр., виконавець.

Мета і задачі дослідження. Представлена дисертаційна робота присвячена дослідженню аномально інтенсивного циклону, що утворився над Чорним морем у вересні 2005 р.

Для досягнення означеної мети були вирішені наступні задачі:

1. Довести, що аномально інтенсивний мезомасштабний циклон, що виник над Чорним морем у вересні 2005 р., по ряду основних ознак можна віднести до квазітропічних.

2. На основі чисельного моделювання визначити структуру вихору, оцінити його енергетичні характеристики, розрахувати баланси компонент імпульсу в циклоні.

3. Шляхом проведення чисельних експериментів виділити механізми його утворення і посилення.

4. Виконати кліматичний реаналіз атмосферної циркуляції з високим просторовим розділенням і вивчити кліматичну повторюваність квазітропічних циклонів над Чорним морем.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єкт дослідження -- зона взаємодії моря і атмосфери Чорноморського регіону України. Предмет дослідження -- чорноморський квазітропічний циклон 2005 р., мезомасштабні циклони над Чорним морем.

Засоби дослідження. Чисельне моделювання, аналіз результатів моделювання, аналіз даних спостережень.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше досліджений квазітропічний циклон над Чорним морем, вивчена його еволюція і структура, виконані оцінки його характерних параметрів. Також для виділення механізмів утворення і посилення циклону проведені чисельні експерименти по чутливості результатів моделювання до часу, з якого починається моделювання, потоків тепла від поверхні моря, температури поверхні моря, форми берегової лінії південно-західної частини Чорного моря.

Вперше одержана статистика мезомасштабних циклонних вихорів над Чорним морем, досліджена кліматична повторюваність чорноморських квазітропічних циклонів.

Практичне значення одержаних результатів. Квазітропічні циклони, хоча і не мають всіх руйнівних властивостей тропічних ураганів, проте, можуть істотно впливати на навколишнє середовище (наприклад, спричиняючи сильну локальну зміну рівня моря, а також швидкий підйом термоклину в області моря, над якою знаходяться) та здатні привести до значного погіршення погоди, умов мореплавання і порушення екологічного режиму. Тому дослідження повторюваності, утворення, розвитку і фізичних механізмів посилення таких вихорів має безперечний практичний інтерес, дозволяє оцінити умови їхнього виникнення і сприяє розвитку методів моделювання реакції моря на екстремальні атмосферні явища. Такі дослідження розширюють уявлення про мезомасштабні циклонні вихори в регіоні та закладають основу для подальших досліджень в цьому напрямку.

Особистий внесок здобувача. Автором було проведено чисельне моделювання і чисельні експерименти за допомогою мезомасштабної моделі MM5 (Mesoscale Model 5). За результатами моделювання відтворена структура циклону, оцінені його енергетичні характеристики, дана фізична інтерпретація результатів. Виконаний кліматичний реаналіз на основі кліматичних масивів даних HadAM3P (Hadley Centre Atmospheric Model 3 Version P) і ERA - 40 (European Reanalysis - 40) за допомогою гідростатичної моделі PRECIS (Providing REgional Climates for Impacts Studies), розраховані статистичні показники для чорноморських циклонних вихорів.

Частина наукових результатів, що увійшли до дисертації, опублікована в співавторстві:

у роботі [1] В.С. Барабанову належить адаптація чисельної моделі й обговорення результатів, автору -- чисельне моделювання атмосферної циркуляції над Чорноморським регіоном з високим просторовим розділенням, аналіз результатів, участь у формулюванні висновків;

у роботі [2] М.В. Шокурову належить постановка завдання й аналіз даних, автору -- розрахунок статистичних характеристик чорноморських циклонних вихорів за наслідками кліматичного моделювання за 30 років та їхній аналіз;

у роботі [3] В.В. Єфімову належить постановка завдання й загальне керівництво, М.В. Шокурову -- аналіз й інтерпретація результатів чисельних експериментів, автору -- чисельне моделювання аномального квазітропічного циклону, підготовка і проведення чисельних експериментів по чутливості результатів моделювання до механізмів розвитку і посилення циклону, аналіз одержаних даних;

у роботі [4] В.В. Єфімову й М.В. Шокурову належить те ж, що й в [3], С.В. Станичному -- дані спостережень за циклоном з використанням штучного супутника Землі, В.С. Барабанову -- адаптація чисельної моделі, автору -- чисельне моделювання чорноморського квазітропічного циклону, проведення чисельних експериментів, аналіз результатів чисельних експериментів;

у роботі [5] В.В. Єфімову й М.В. Шокурову належить те ж, що й в [3], С.В. Станичному -- те ж, що й в [4], автору -- чисельне моделювання структури і характеристик аномального квазітропічного циклону, порівняння результатів моделювання з доступними даними спостережень та їхній аналіз.

Апробація результатів дисертації

Основні результати роботи доповідалися на:

Міжнародній науковій конференції «Сучасний стан екосистем Чорноморського і Азовського морів». - Донузлав, Україна, 13-16 вересня 2005 р.

Міжнародній школі - конференції «Раціональне природокористування» 2005.- Москва, Росія, 7-9 грудня 2005 р.

Науковій конференції «Ломоносовські читання», Чорноморський філіал Московського державного університету, Севастополь, 4-5 травня 2005, 4-5 травня 2006 р.

Міжнародній конференції “ENVIROMIS 2006”.- Томськ, Росія, 1-8 липня, 2006 р.

Літній школі «Climate Change Impacts in Marine Ecosystem». - Анкара, Туреччина, 14-26 серпня, 2006 р.

Міжнародній науковій конференції студентів і аспірантів «Географія, геоекологія, геологія: досвід наукових досліджень». - Дніпропетровськ, Україна, 19-20 квітня 2007 р.

Міжнародній конференції молодих учених «Сучасні проблеми раціонального природокористування в прибережних морських акваторіях України». - сел. Кацивелі, Крим, Україна, 12-14 червня 2007 р.

За результатами досліджень, представлених в дисертації, опубліковано 11 робіт.

Публікації. До дисертації увійшли 11 публікацій, у тому числі статей в періодичних наукових журналах -- 3, в збірках наукових робіт -- 2. П'ять публікацій [1, 2, 3, 4, 5] відповідають вимогам ВАК України до наукових видань, в яких можуть публікуватися результати дисертаційних робіт по спеціальності геофізика, і повністю висвітлюють основні результати дисертації.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з переліку умовних скорочень, вступу, 6-и розділів, загальних висновків, списку літературних джерел, які використовувалися, і додатків. Вона містить 155 сторінок, 32 рисунки, 2 таблиці. Список літератури включає 89 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, формулюються мета і задачі дослідження. Відзначається наукова новизна отриманих результатів, описується їх практичне значення та їх апробація.

У першому розділі «Атмосферні циклони: загальна характеристика і чисельне моделювання» дається уявлення про стан вивченості проблеми, що досліджується в дисертації.

У підрозділах 1.1, 1.2 описані основні типи атмосферних циклонів: тропічні, середньоширотні та квазітропічні. Приведений перелік необхідних умов для зародження тропічних циклонів, розглянуті існуючі теорії тропічного циклогенезу CISK (Conditional Instability of the Second Kind, умовна нестійкість другого роду) і WISHE (Wind-Induced Surface Heat Exchange, спричинений вітром потік тепла від поверхні), а також приведена порівняльна характеристика тропічних і середньоширотних циклонів.

У підрозділі 1.3 описані випадки квазітропічного циклогенезу над Середземним і Баренцевим морями, приведений огляд робіт, присвячених дослідженню середземноморських квазітропічних циклонів, що спостерігалися в січні 1982, січні 1995, вересні 1996, жовтні 1996 і березні 1999 року. Показано, що квазітропічні циклони, хоча і утворюються поза межею тропіків, над холоднішими акваторіями Північного і Середземного морів, але, проте, по ряду ознак схожі з тропічними. Зокрема, на відміну від звичайних середньоширотних циклонів головну роль в їх розвитку грає вивільнення захованого тепла при сильній конвекції.

Оскільки для дослідження атмосферних мезомасштабних циклонів в основному використовується регіональне чисельне моделювання на вкладених сітках, в підрозділі 1.4 приведений огляд сучасних атмосферних мезомасштабних моделей, таких як MM5, WRF (Weather Research and Forecasting modeling system), RAMS (Regional Atmospheric Modeling System). Найбільш докладно описана гідростатична модель PRECIS (Providing REgional Climates for Impacts Studies), яка використовувалася в даній роботі для отримання кліматичних реаналізів з високим просторовим розділенням (розділ 6).

У другому розділі «Чисельна регіональна модель атмосферної циркуляції (адаптація базової мезомасштабної моделі MM5)» коротко описується мезомасштабна модель 5-ого покоління (ММ5), яка використовувалася для дослідження чорноморського квазітропічного циклону.

У підрозділах 2.1 - 2.5 показані основні рівняння моделі, горизонтальна і вертикальна сітки, схеми чисельної інтеграції за часом. Крім того, описана адаптація моделі для Чорноморського регіону, зокрема вибір схем параметризації, розмірів і просторових розділень доменів, а також коректування поля температури поверхні моря в вихідних даних. Показано, що в даній роботі успішність моделювання залежала не стільки від вибору тих або інших схем параметризації, скільки від просторового розділення вихідних даних. Коли для моделювання використовувалися дані з низьким просторовим розділенням (реаналіз NCEP/NCAR з розділенням близько 2°), циклон не відтворювався незалежно від того, які були вибрані схеми параметризації опадів, пограничного шару та інші. Коли ж для моделювання стали застосовуватися дані з вищим розділенням (оперативний аналіз NCEP/NCAR з розділенням 1°), циклон став відтворюватися і при різних схемах параметризації.

У підрозділі 2.6 описані схеми параметризації, що використовувалися для моделювання циклону: MRF (Medium-Range Forecast) -- для планетарного пограничного шару; RRTM (Rapid Radiative Transfer Model) і Cloud-Radiation -- для розрахунку радіаційного балансу; Simple Ice (Dudhia) -- для процесів мікрофізики; Kain- Fritsch (домени з розділенням 90 км і 30 км) і Grell (домен з розділенням 10 км) -- для купчастих хмар.

У третьому розділі «Спостереження квазітропічного циклону над Чорним морем» наведені всі доступні дані спостережень про квазітропічний циклон, який розвинувся в кінці вересня 2005 р. над південно-західною частиною Чорного моря.

У підрозділі 3.1 на основі даних спостережень описана поведінка циклону, визначені його основні характеристики, вивчені умови виникнення. Циклон стояв, слабо блукаючи, над південно-західною частиною Чорного моря з 25 по 29 вересня (рис. 3а), потім перемістився на південь і до 30 вересня покинув акваторію Чорного моря. Над сушею він швидко заповнився. Основні ознаки цього циклону, загальні з тропічним, наступні:

– наявність ока бурі та спіралевидна структура хмарної системи;

– велика для Чорноморського регіону приводна швидкість вітру в циклоні, яка за даними вимірів QuikScat (Quick Scatterometer) досягала 20-25 м/с;

– малий горизонтальний і великий вертикальний розмір циклону: у діаметрі вихор не перевищував 300 км, а по вертикалі доходив до тропопаузи;

– близька до вісесиметричної структура;

– великий час життя циклону.

Зародженню чорноморського квазітропічного циклону сприяли наступні фонові умови. Це, по-перше, обширний резервуар конвективної доступної потенційної енергії (Convective Available Potential Energy, CAPE) над всією акваторією Чорного моря з максимумом 1600 Дж/кг, виникненню якого сприяв великий перегрів поверхні моря в порівнянні з навколишньою сушею (температурний контраст досягав 12 ^_С: 11 ^_С суша та 23 ^_С море). По-друге, фонова конвергенція в нижньому шарі атмосфери, що збирала тепле вологе повітря в одному місці. Цій конвергенції, як видно з рис. 1, сприяла приповерхнева циркуляція з антициклону на півночі та слабкого циклону над морем.

Ще одним сприятливим фактором виявилося те, що загальна синоптична ситуація в регіоні характеризувалася дуже слабкою циркуляцією на всіх рівнях у вільній атмосфері, що видно при перегляді полів геопотенціалу і вітру на різних рівнях тиску. Через відсутність сильного вітру циклон мав можливість довго залишатися на одному місці, а відсутність вертикального зсуву швидкості вітру сприяла розвитку його баротропної структури.

У підрозділі 3.2 описана реакція моря на квазітропічний циклон. За супутниковими даними про температуру поверхні і рівень моря показано, що вплив цього атмосферного циклону на море був схожим із впливом тропічного циклону на океан. В зоні моря, над якою знаходився циклон, стався дуже швидкий підйом термоклину і навіть вихід його на поверхню, причому розрахована за даними QuikScat швидкість підйому термоклину, була по порядку величини в 100 разів більша за середньосезонне значення (рис.2). Пляма холодної води, спричинена циклоном, зберігалася впродовж тривалого проміжку часу. Окрім зміни температури, атмосферний циклон спричинив також локальне пониження рівня моря на 25 см. Це у свою чергу призвело до збільшення швидкості основної чорноморської течії в південно-західному куті моря в два рази.

У четвертому розділі «Чисельне моделювання квазітропічного циклону над Чорним морем» приведені основні результати роботи, отримані за допомогою чисельного моделювання. Описана еволюція циклону, його структура на зрілій стадії, оцінені всі основні енергетичні характеристики циклону і приведений розрахунок балансу імпульсу на зрілій стадії. Крім того, за результатами додаткового моделювання з вищим просторовим розділенням описані тонкі особливості структури циклону -- малі зони сильної купчастої конвекції в циклоні, т. з. гарячі башти.

У підрозділі 4.1 результати моделювання зіставляються з доступними даними спостережень (рис. 3). З рис. 3 а,б,в видно, що модель успішно відтворила поле приводного вітру, розміри і положення циклону в зрілій стадії. Модельна траєкторія циклону, наведена на рис. 3 г, дуже близька до реальної траєкторії, відновленої по наявних супутникових знімках хмарності. За результатами моделювання виділені та описані три стадії в розвитку циклону. На початковій стадії від 0 годин 25 вересня до 12 годин 26 вересня максимальна швидкість приводного вітру складала близько 15 м/с, тиск в центрі близько 1010 гПа і радіус 100-115 км (рис. 4). На цій стадії хмарна система характеризувалася сильною асиметрією з вираженими спіральними рукавами неправильної форми. Можливо, що на початковій стадії чорноморський циклон розвивався за рахунок механізму CISK [Ooyama, 1964], оскільки 25 вересня величина CAPE над морем була велика, а посилення вихору за рахунок конвективної нестійкості другого роду передбачає наявність великої кількості CAPE в атмосфері.

Друга стадія -- швидкий розвиток циклону з 12 годин 26 вересня до 12 годин 27 вересня. Швидкість вітру швидко збільшилася до 24 м/с, тиск в центрі впав до 999 гПа, радіус зменшився до 65 км. Таким чином, циклон стиснувся майже в два рази і значно інтенсифікувався. Крім того, він став більш вісесиметричним і значно збільшився у висоту. На цій стадії вступив в дію другий механізм інтенсифікації тропічних циклонів -- WISHE [Renfrew, 2003], відповідно до якого тропічний циклон розвивається і підтримується проти дисипації в основному лише за рахунок спричинених ним же потоків тепла від поверхні океану і не потребує попередніх запасів конвективної доступної потенційної енергії.

Третя стадія -- квазістаціонарний розвинений циклон (12 годин 27 вересня - 12 годин 28 вересня). В цей час циклон ще трохи посилився, тиск в центрі впав до 992 гПа. На цій стадії циклон був практично круглий з постійним радіусом Rmax = 65 км.

Нарешті, остання стадія заповнення і швидкого загасання циклону -- з 12 годин 28 вересня до 0 годин 29 вересня, коли він почав наближатися до берега і виходити на сушу.

У підрозділі 4.2 розглядається вісесиметрична структура циклону в зрілій стадії: азимутна, радіальна і вертикальна компоненти швидкості вітру (рис. 5). Показано, що даний циклон мав основні особливості зрілого тропічного урагану. Основна особливість -- це первинна циркуляція, пов'язана з рухом повітря довкола центру циклону, тобто з азимутною швидкістю. З рис. 5а видно, що на заданій висоті азимутна швидкість в чорноморському квазітропічному циклоні спочатку приблизно лінійно зростає із збільшенням радіусу (це відповідає твердотілому обертанню), а потім зменшується із збільшенням радіусу. Первинна циркуляція максимальна на поверхні та зменшується з висотою: до рівня 1 км азимутна швидкість з висотою збільшується, а вище за цей рівень -- зменшується. Якісно така картина схожа на розподіл азимутної швидкості для звичайного тропічного циклону.

Друга важлива особливість тропічного циклону це т.з. вторинна циркуляція, тобто конвергенція поля швидкості в нижніх шарах атмосфери, підйом повітря в стіні ока і дивергенція на верхніх рівнях. На рис. 5б і 5в приведені розподіли радіальної та вертикальної швидкості для даного циклону, які також якісно схожі на відповідні розподіли для тропічного циклону.

У підрозділі 4.3 показано, що оцінене з наближення гідростатики значення перепаду тиску між центром і периферією циклону є близьким до отриманого за результатами негідростатичного моделювання.

У підрозділі 4.4 показано, що на зрілій стадії в даному циклоні виконувалися гідростатичний і градієнтний баланси. Для цього оцінені складові балансу радіальної, азимутної та вертикальної компонент імпульсу в циклоні на розвиненій стадії. Відхилення від градієнтного балансу майже скрізь позитивне, тобто лагранжева частинка зазнає позитивного радіального прискорення при підйомі в стіні, що призводить до нахилу стіни назовні з висотою (рис. 5в).

У підрозділі 4.5 на основі теорії тропічного циклогенезу [Emanuel, 1986] оцінені основні енергетичні характеристики чорноморського квазітропічного циклону, такі як масштаб азимутної швидкості (46 м/с), горизонтальний розмір (250 км), перепад тиску між центром і периферією циклону (26 гПа).

У підрозділі 4.6 описані додаткові особливості, виявлені в чорноморському квазітропічному циклоні на основі результатів моделювання з вищим розділенням -- вихорові гарячі башти, тобто малі зони сильної купчастої конвекції, що характеризуються сильною вертикальною завихореністю. Показано, що розподіли вертикальної швидкості та завихореності у вихорових гарячих баштах чорноморського циклону якісно схожі на відповідні розподіли в баштах тропічного циклону.

У п'ятому розділі «Чисельні експерименти» описані чисельні експерименти по чутливості, які проводилися з метою виділити механізми, відповідальні за утворення і посилення циклону. Показано, що для дослідженого чорноморського циклону, як і для тропічного, вирішальне значення мала взаємодія між морем і атмосферою.

У підрозділі 5.1 розглядається вплив вихідних даних на результат моделювання. Даний циклон є швидко зростаючим нестійким збуренням, тому невеликі зміни в вихідних даних можуть привести до значних розбіжностей в подальшій еволюції. Була проведена серія чисельних експериментів, що стартують в різний час від 0 годин 20 вересня до 0 годин 25 вересня з кроком в 12 годин. Як і очікувалося, результат моделювання сильно залежить від вихідних даних. Було встановлено, що найбільш відповідний час для початку моделювання 0 годин 25 вересня 2005р. Мабуть, важливою обставиною є наявність до цього терміну в оперативному аналізі «затравки» або «зародка» -- слабкого майже круглого вихору із швидкістю вітру близько 10 м/с (рис. 1), з якого згодом виріс квазітропічний циклон.

У підрозділі 5.2 показано, що два основні фізичні процеси, що формують тропічні циклони -- передача явного і захованого тепла з океану в атмосферу, а також перенесення і вивільнення вологи і тепла у верхніх шарах атмосфери були найважливішими і для даного чорноморського циклону.

У підрозділі 5.2.1 описаний експеримент, в якому при моделюванні було відключено виділення захованого тепла (рис. 6). Циклон в цьому експерименті не розвинувся, і це підтверджує, що виділення захованого тепла при конденсації було одним з визначальних процесів в його формуванні.

У підрозділі 5.2.2 описаний експеримент з відключенням потоків тепла від поверхні. У цьому експерименті утворився лише слабкий неглибокий циклон, який швидко заповнився; також в 2-2.5 разів зменшилася приповерхнева швидкість вітру. Це узгоджується з теорією тропічного циклогенезу, заснованою на тому, що тропічний циклон розвивається і підтримується проти дисипації в основному за рахунок спричинених ним же потоків тепла від поверхні моря. Додатково проведені експерименти, в яких відключався лише один з двох потоків тепла, показали, що головну роль в розвитку циклону мав саме потік захованого тепла.

У підрозділі 5.2.3 описаний експеримент, в якому було зменшено нелінійну взаємодію між потоками тепла і циркуляцією вихору. У тропічному циклоні збільшення приводної швидкості вітру приводить до збільшення потоків тепла, що у свою чергу додатково підсилює циклон. Тому був обмежений цей позитивний зворотний зв'язок шляхом обмеження горизонтальної швидкості вітру при розрахунку потоків тепла. В результаті цього експерименту зменшилося прогрівання ядра в центрі циклону. Повітря в центральній зоні, хоча і прогріте по всій висоті циклону, але практично відсутнє ізольоване тепле ядро на середніх рівнях, що спостерігалося в контрольному циклоні. Таким чином, показано, що сильні потоки тепла необхідні для виникнення ізольованого теплого ядра в циклоні на середніх рівнях.

У підрозділі 5.2.4 описаний експеримент, в якому було відключено охолоджування при випарі хмарних крапель і дощу. В результаті циклон із-за сильного нереалістичного перегріву вийшов дуже великим і глибоким.

У підрозділі 5.3 описаний експеримент, в якому змінювалася температура поверхні моря. У цьому експерименті для завдання вихідних і граничних даних використовувався реаналіз з низьким просторовим розділенням (близько 2°). Циклон при цьому не відтворився, його глибина і приводна швидкість вітру виявилися набагато меншими ніж виміряні. Потім Чорне море «підігріли», збільшивши температуру поверхні на 2°С, що складає приблизно 9% від середнього значення по реаналізу. Максимальна за весь час життя глибина циклону збільшилася на 9 гПа, а інтенсивність циклону зросла на 60 %. Цей експеримент із збільшенням температури поверхні моря показав, що перегрів поверхні моря був одною з причин сильного вихороутворення. квазітропічний циклон атмосферний циркуляція

У підрозділі 5.4 описаний експеримент із зміною характеристик підстилаючої поверхні, в якому Чорне море збільшили за площею, замінивши частину прибережної суші в південно-західній частині чорноморського басейну водою. Це було зроблено, аби перевірити припущення: чи дійсно напівкругла форма берегової лінії в південно-західній частині Чорного моря сприяла посиленню квазітропічного циклону, що стояв в цій зоні з 26 по 29 вересня. Експеримент показав, що форма берегової лінії в південно-західній частині Чорного моря не впливала на виникнення циклону. Поява штучної «затоки» в південно-західній частині Чорного моря не лише не перешкодила виникненню циклону, але і призвела до додаткового його посилення в порівнянні з контрольним. Хоча температура поверхні «затопленої» ділянки не змінилася, але з неї став можливим випар, і шорсткість зменшилася. Цього виявилося досить, аби циклон, рухаючись над такою поверхнею, не лише не розсіявся, але навіть продовжував заглиблюватися.

Шостий розділ «Статистика мезомасштабних циклонів над Чорним морем» присвячений дослідженню статистики мезомасштабних вихорів над Чорним морем на основі результатів регіонального кліматичного моделювання з високим просторовим розділенням. Це дослідження було проведене з метою встановити, наскільки часто виникали квазітропічні циклони над Чорним морем в минулі роки. На основі огляду літературних джерел показано, що статистика мезомасштабних циклонів над Чорним морем мало вивчена. Наведений опис даних, що використалися для складання статистики. Це приводні поля вітру з розділенням 25 км, отримані за допомогою гідростатичної моделі PRECIS, на вхід якої подавалися дані від глобальної моделі HadAM3P (модельний реаналіз). Аби усунути можливі сумніви про застосовність модельного реаналізу для вивчення статистики мезомасштабних циклонних вихорів, був додатково виконаний кліматичний реаналіз регіональної циркуляції за вхідними даними від ERA - 40.

У підрозділі 6.1 описана методика, за допомогою якої були виділені та описані циклонні вихори відкритого моря. Ця методика заснована на обчисленні критерію Окубо-Вейса, який досягає максимальних позитивних значень для круглого вихору з твердотілим обертанням без деформації та мінімальних негативних значень -- в чисто деформаційному полі швидкості без обертання. Для зсувної течії, наприклад струменя або фронту, що має і завихореність і деформацію, критерій Окубо-Вейса набуває проміжних значень.

У підрозділі 6.2 описані фонові циклони відкритого моря, які є цілим спектром циклонних вихорів різних просторово-часових масштабів від сотень кілометрів і доби до «стандартних» параметрів синоптичних циклонів, що переміщаються над морем. Показано, що в цілому центри циклонів цієї групи досить рівномірно розподілені над акваторією Чорного моря. Їх траєкторії руху носять характер випадкових блукань, хоча і спостерігається переважаюче переміщення у східному / північно-східному напрямі.

Показано, що квазітропічний циклон в Чорному морі є рідким погодним явищем. За всі 30 років (для модельного реаналізу) або 40 років (для реаналізу ERA-40) мезомасштабні циклонні вихори, подібні по своїй

ВИСНОВКИ

За допомогою чисельної моделі регіональної атмосферної циркуляції MM5 вивчений аномально інтенсивний циклон, що утворився над Чорним морем у вересні 2005 р. Показано, що цей рідкий для Чорноморського регіону мезомасштабний циклон по основних ознаках можна віднести до квазітропічних. Встановлено, що вплив цього атмосферного циклону на море був схожим із впливом тропічного циклону на океан: швидкий підйом термоклину і навіть вихід його на поверхню в зоні моря, над якою знаходився циклон. Окрім зміни температури, атмосферний циклон спричинив також локальне пониження рівня моря. Показано також, що сприятливими умовами для розвитку чорноморського квазітропічного циклону виявилася відсутність сильного вітру і особливо вертикального зсуву швидкості вітру, а також наявність обширного резервуару конвективної доступної потенційної енергії та фонової конвергенції в нижньому шарі атмосфери. Додатковим сприятливим чинником був великий перегрів поверхні моря в порівнянні з навколишньою сушею.

Визначена структура циклону, вивчена його еволюція, виконані оцінки основних характерних параметрів в рамках теорії тропічного циклогенезу і розраховані баланси трьох компонент імпульсу в циклоні. Показано, що на зрілій стадії даний циклон був досить добре збалансованою системою: оцінки складових балансу радіальної, азимутної і вертикальної компонент імпульсу в циклоні підтвердили виконання гідростатичного і градієнтного балансів на розвиненій стадії квазітропічного циклону.

Визначені значення енергетичних характеристик чорноморського квазітропічного циклону -- масштаб швидкості, горизонтальний розмір, перепад тиску між центром і периферією циклону, які виявилися меншими, ніж в типового тропічного. Це пояснюється, в першу чергу, тим, що квазітропічний циклон виник при відносно низькій температурі поверхні моря, 23°С -- для тропічного циклону ця величина вважається не меншою 27°С.

За допомогою чисельного моделювання з вищим розділенням в чорноморському циклоні виявлені додаткові особливості, властиві тропічному циклону -- вихорові гарячі башти, або малі зони сильної купчастої конвекції, що мають сильну вертикальну завихореність. Розподіли вертикальної швидкості та завихореності у вихорових гарячих баштах чорноморського циклону якісно схожі на відповідні розподіли в баштах тропічного циклону.

Виділені механізми, відповідальні за утворення циклону за допомогою чисельних експериментів по чутливості результатів моделювання до зміни часу, з якого починається моделювання, потоків тепла від поверхні моря, температури поверхні моря, форми берегової лінії південно-західної частини Чорного моря. Проведені чисельні експерименти показали, що два основні фізичні процеси, що формують тропічні циклони -- передача явного і захованого тепла з океану в атмосферу, а також перенесення і вивільнення вологи і тепла у верхніх шарах атмосфери були найважливішими і для даного чорноморського циклону. Додатково проведені експерименти, в яких вилучався лише один з двох потоків тепла, показали, що головну роль в розвитку циклону грав саме потік захованого тепла. Згідно з результатами чисельного експерименту сильні потоки тепла були необхідні для виникнення ізольованого теплого ядра в циклоні на середніх рівнях. Експеримент із збільшенням температури поверхні моря показав, що перегрів поверхні моря був одною з причин сильного вихороутворення.

Чисельний експеримент із зміною характеристик підстилаючої поверхні показав, що форма берегової лінії в південно-західній частині Чорного моря не впливала на виникнення циклону. Для чорноморського квазітропічного циклону, як і для тропічного, велике значення мала взаємодія між морем і атмосферою. Поява штучної «затоки» в південно-західній частині Чорного моря не лише не перешкодила виникненню циклону, але і призвела до додаткового його посилення в порівнянні з контрольним, що пояснюється збільшенням часу перебування циклону над водою.

Досліджена кліматична повторюваність квазітропічних циклонів над Чорним морем за допомогою кліматичної моделі PRECIS. За допомогою методики, заснованої на критерії Окубо-Вейса, виділені і описані циклонні вихори відкритого моря. Показано, що за 30 років (для модельного реаналізу) або 40 років (для реаналізу ERA-40) мезомасштабні циклонні вихори, подібні по своїй кінематичній структурі із квазітропічним циклоном, були відмічені лише в 3-4 випадках. Це свідчить про те, що квазітропічний циклон в Чорному морі є рідким погодним явищем. В той же час цей тип циклонних вихорів є цікавим і важливим процесом в атмосфері над морем, оскільки квазітропічні циклони, хоча і утворюються поза межею тропіків, над холоднішими акваторіями, але, по ряду основних ознак схожі з тропічними і здатні істотно впливати на навколишнє середовище.

СПИСОК ОСНОВНИХ РОБІТ, ЩО ОПУБЛІКОВАЛИСЯ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Барабанов В.С. Численное моделирование атмосферной циркуляции для Крыма с высоким пространственным разрешением / В.С. Барабанов, Д.А. Яровая // Сборник «Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу». -- 2005. -- Вып.12. -- С. 415--420.

2. Яровая Д.А. Мезомасштабные атмосферные циклонические вихри в Черноморском регионе / Д.А. Яровая, М.В. Шокуров // Сборник «Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу» . -- 2007. -- Вып. 15. -- С. 210--214.

3. Ефимов В.В. Численное моделирование квазитропического циклона над Черным морем / В.В. Ефимов, М.В. Шокуров, Д.А. Яровая // Физика атмосферы и океана. -- 2007. -- Т. 43, №6. -- С. 723--743.

4. Квазитропический циклон над Черным морем: наблюдение и численное моделирование / Д.А. Яровая, В.В. Ефимов, М.В. Шокуров, С.В. Станичный, В.С. Барабанов // Морской гидрофизический журнал. -- 2008. -- №3. -- С. 41--55.

5. Ефимов В.В. Наблюдение квазитропического циклона над Черным морем / В.В. Ефимов, С.В. Станичный, М.В. Шокуров, Д.А. Яровая // Метеорология и гидрология. -- 2008. -- №4. -- С. 53--62.

6. Барабанов В.С. Моделирование мезомасштабной атмосферной циркуляции в Черноморском регионе / В.С. Барабанов, Д.А. Яровая // Современное состояние экосистем Черноморского и Азовского морей: междунар. науч. конф., 13-16 сентября 2005 г.: тезисы докладов. -- Севастополь, 2005. -- С. 115.

7. Яровая Д.А. Численное моделирование атмосферной циркуляции для Крыма с высоким пространственным разрешением // Рациональное природопользование: школа - конференция молодых ученых с участием стран СНГ, 7-9 декабря 2005 г.: тезисы докладов.-- Москва, 2005. -- С.434--435.

8. Yarovaya D.A. Numerical simulation of an anomalous cyclone over the Black Sea // ENVIROMIS 2006: International Conference, July 1-8, 2006: Abstracts Book. -- Tomsk, 2006 -- P. 72.

9. Шокуров М.В. Тропический циклон над Черным морем: наблюдение и численное моделирование / М.В. Шокуров, Д.А. Яровая // География, геоэкология, геология: опыт научных исследований: междунар. науч. конф. студентов и аспирантов, 19-20 апреля 2007г.: материалы конф. -- Днепропетровск, 2007. -- С. 89--91.

10. Яровая Д.А. Численное моделирование квазитропического циклона над Черным морем // Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины: междунар. конф. молодых ученых, 12-14 июня 2007 г.: тезисы докладов. -- Севастополь, 2007. -- С. 63--64.

11. Яровая Д.А. Мезомасштабные атмосферные циклонические вихри в Черноморском регионе // Шевченковская весна: междунар. науч.-практическая конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 20-23 мая 2008 г.: материалы конф. -- Киев, 2008. -- С.149--151.

АНОТАЦІЯ

Ярова Д.О. Квазітропічний циклон над Чорним морем (чисельне моделювання і аналіз даних). -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико - математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь, 2010.

Вивчений унікальний квазітропічний циклон, що утворився над Чорним морем у вересні 2005 р. Показано, що вплив цього атмосферного циклона на море був схожим із впливом тропічного циклону на океан. Показано також, що сприятливими умовами для розвитку чорноморського квазітропічного циклону виявилася відсутність сильного вітру і особливо вертикального зсуву швидкості вітру, а також наявність обширного резервуару конвективної доступної потенційної енергії та фонової конвергенції в нижньому шарі атмосфери. Додатковим сприятливим чинником був великий перегрів поверхні моря в порівнянні з навколишньою сушею.

За результатами чисельного моделювання визначена структура циклону, вивчена його еволюція, оцінені основні характерні параметри в рамках теорії тропічного циклогенезу і розраховані баланси трьох компонент імпульсу в циклоні. Отримано, що на зрілій стадії даний циклон був добре збалансованою системою: на розвиненій стадії квазітропічного циклону виконувалися гідростатичний і градієнтний баланси. За допомогою чисельних експериментів було показано, що для чорноморського квазітропічного циклону, як і для тропічного, велике значення мала взаємодія моря і атмосфери.

Досліджена кліматична повторюваність квазітропічних циклонів над Чорним морем. Показано, що подібні циклони в Чорному морі є рідким погодним явищем.

Ключові слова: квазітропічні циклони, Чорне море, статистика мезомасштабних вихорів, чисельне моделювання клімату.

АННОТАЦИЯ

Яровая Д.А. Квазитропический циклона над Черным морем (численное моделирование и анализ данных). -- Рукопись.

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика.- Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь, 2010.

Диссертация посвящена исследованию уникального квазитропического мезомасштабного циклона, возникшего над Черным морем в сентябре 2005 г. Уникальность его заключается в том, что в отличие от соседнего Средиземного моря, над Черным морем случаи квазитропического циклогенеза ранее не наблюдались. Исследование этого необычного для Черноморского региона циклона, его структуры, условий возникновения и механизмов усиления, а также оценка климатической повторяемости таких явлений, расширяет представление о мезомасштабных атмосферных процессах в регионе и представляет несомненный научный и практический интерес.

При помощи численной модели региональной атмосферной циркуляции MM5 изучен аномально интенсивный циклон, образовавшийся над Черным морем в сентябре 2005 г. Показано, что этот редкий для Черноморского региона мезомасштабный циклон по основным признакам можно отнести к квазитропическим. Установлено, что влияние этого атмосферного циклона на море было сходным с влиянием тропического циклона на океан: быстрый подъем термоклина и даже выход его на поверхность в области моря, над которой находился циклон. Кроме изменения температуры, атмосферный циклон вызвал также локальное понижение уровня моря. Показано также, что благоприятными условиями для развития черноморского квазитропического циклона явилось отсутствие сильного ветра и особенно вертикального сдвига скорости ветра, а также наличие обширного резервуара конвективной доступной потенциальной энергии и фоновой конвергенции в нижнем слое атмосферы. Дополнительным благоприятным фактором являлся большой перегрев поверхности моря по сравнению с окружающей сушей.

По результатам численного моделирования определена структура циклона, изучена его эволюция, выполнены оценки основных характерных параметров в рамках теории тропического циклогенеза и рассчитаны балансы трех компонент импульса в циклоне. Получено, что на зрелой стадии рассматриваемый циклон являлся хорошо сбалансированной системой: оценки составляющих баланса радиальной, азимутальной и вертикальной компонент импульса в циклоне подтвердили выполнение гидростатического и градиентного балансов на развитой стадии квазитропического циклона. Определены значения энергетических характеристик черноморского квазитропического циклона -- масштаб скорости, горизонтальный размер, перепад давления между центром и периферией циклона, которые оказались меньшими, чем у типичного тропического циклона. Это объясняется, в первую очередь, тем, что квазитропический циклон возник при относительно низкой температуре поверхности моря, составлявшей 23°С -- для тропического циклона эта величина считается не меньшей 27°С. Численное моделирование с более высоким разрешением позволило обнаружить в черноморском циклоне дополнительные особенности, свойственные тропическому циклону -- вихревые горячие башни, или малые области сильной кучевой конвекции, обладающие сильной вертикальной завихренностью. Распределение вертикальной скорости и завихренности в вихревых горячих башнях черноморского циклона качественно похоже на соответствующие распределения в башнях тропического циклона.

При помощи численных экспериментов по чувствительности результатов моделирования к изменению начальных условий, потоков тепла от поверхности моря, температуры поверхности моря, конфигурации береговой линии юго-западной части Черного моря, выделены механизмы, ответственные за образование циклона. Проведенные численные эксперименты показали, что два основных физических процесса, формирующих тропические циклоны -- передача явного и скрытого тепла из океана в атмосферу, а также перенос и высвобождение влаги и тепла в верхних слоях атмосферы являлись важнейшими и для рассматриваемого черноморского циклона. Дополнительно проведенные эксперименты, в которых отключался только один из двух потоков тепла, показали, что главную роль в развитии циклона играл именно поток скрытого тепла. Согласно результатам численного эксперимента сильные потоки тепла были необходимы для возникновения изолированного теплого ядра в циклоне на средних уровнях. Эксперимент с увеличением температуры поверхности моря показал, что перегрев поверхности моря являлся одной из причин сильного вихреобразования. Численный эксперимент с изменением характеристик подстилающей поверхности показал, что форма береговой линии в юго-западной части Черного моря не влияла на возникновение циклона. Для черноморского квазитропического циклона, как и для тропического, большое значение имело взаимодействие между морем и атмосферой. Появление искусственного «залива» в юго-западной части Черного моря не только не помешало возникновению циклона, но и привело к дополнительному его усилению по сравнению с контрольным, что объясняется увеличением времени пребывания циклона над водой.

Исследована климатическая повторяемость квазитропических циклонов над Черным морем при помощи климатической модели PRECIS. При помощи методики, основанной на критерии Окубо-Вейса, выделены и описаны циклонические вихри открытого моря. Показано, что за 30 лет (для модельного реанализа) или 40 лет (для реанализа ERA _ 40) мезомасштабные циклонические вихри, схожие по своей кинематической структуре с квазитропическим циклоном, были отмечены лишь в 3-4 случаях. Это свидетельствует о том, что квазитропический циклон в Черном море является редким погодным явлением. В то же время этот тип циклонических вихрей представляет собой интересный и важный процесс в атмосфере над морем, поскольку квазитропические циклоны, хотя и образуются вне тропиков, над более холодными акваториями, но, тем не менее, будучи по ряду основных признаков сходны с тропическими, способны существенно влиять на окружающую среду.

Ключевые слова: квазитропические циклоны, Черное море, статистика мезомасштабных вихрей, численное моделирование климата.

SUMMARY

Iarova D.A. Quasitropical cyclone over the Black Sea (numerical modeling and data analysis). -- Manuscript.

The thesis to claim the academic degree of candidate of physical-mathematical sciences on the specialty 04.00.22 - geophysics. -- Marine Hydrophysical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 2010.

An anomalously intensive cyclone that formed over the Black Sea in September 2005 is studied. It is shown that according to its main physical properties and energy supply mechanisms, the cyclone can be regarded as a quasitropical one. In particular, the impact of the atmospheric cyclone on the Black Sea was similar to the impact of a tropical cyclone on the ocean. It is found that favorable conditions for the development of the Black Sea quasitropical cyclone were as follows: 1) large reservoir of convective potential available energy, 2) background convergence in the low layer of the atmosphere, 3) absence of strong wind, and especially absence of vertical wind shear. An additional important favourable factor was a large overheating of the sea surface relative to the surrounding land.

General characteristics of the Black Sea cyclone, its evolution and physical formation mechanisms are studied. By analyzing the vortex's radial, azimuthal and vertical momentum budgets it is shown that the cyclone was a fairly balanced system at a mature stage as hydrostatic and gradient balances were valid. With the help of numerical experiments it is shown that air-sea interaction played an important role in the Black Sea cyclone development, which means another similarity to a tropical hurricane.

Climatic frequency of quasitropical cyclones in the Black Sea Region is also studied. It is found that such cyclones are rear phenomena for the region as, according to the analysis performed over a 40-year period, there were only several vortexes over the sea, whose kinematical structure was similar to that of a quasitropical cyclone.

Key words: quasitropical cyclones, Black Sea, numerical climate modeling, statistics of mesoscale vortexes.

Размещено на Allbest.ru