Рефракцiйний метод розрахунку балансу кутового моменту атмосфери для понаддовготермiнового прогнозу погоди

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рефракцiйний метод розрахунку балансу кутового моменту атмосфери для понаддовготермiнового прогнозу погоди

Автореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня кандидата географiчних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальнiсть теми. Проблема довготермiнових та понаддовготермiнових прогнозiв погоди i клiмату належить до числа актуальних, складних та ще досить далеких вiд свого вирiшення проблем сучасної теоретичної метеорологiї та клiматологiї. Труднiсть iї розв'язання визначається не тiльки складнiстю низькочастотних метеорологiчних процесiв, але й вiдсутнiстю можливостей спостерiгати такi процеси. За теперiшнього часу актуальною є необхiднiсть розробки нових, спецiальних, адекватних методiв спостережень за низькочастотними коливаннями нерiвноважних термодинамiчних процесiв в геосферах. Данi метеорологiчних спостережень дають iнформацiю про стан процесу на дискретний момент, але не дають його частотну розкладку. Вона може бути одержана лише пiсля математичного аналiзу процесу, що часто не зовсiм адекватно реальностi. Важливо мати можливiсть спостерiгати саме той елемент, який сам вписується у довготермiновий атмосферний процес, визначаючи його фiзичну сутнiсть, а не iї часткове вiдображення у швидко осцилюючих короткоперiодних процесах. Складнiсть тут обумовлена нелiнiйним зв'язком низькочастотних процесiв та загального високочастотного фону короткоперiодних погодотвiрних коливань. Тому вiдокремлення спектральних iнтервалiв у низькочастотному та високочастотному дiапазонах з мiнiмальною перехiдною зоною енергетичної взаємодiї є особливо актуальною задачею в областi довготермiнового прогнозування. Звичайнi високочастотнi моментно-погодоутворюючi процеси вiдбуваються на фонi довгоперiодних коливань довготермiнового та клiматичного фону. Такi високочастотнi процеси енергоємнi та приховують фон навiть бiльш енергонасичених процесiв, на якому вони вiдбуваються. Енергоємнiсть низькочастотних процесiв велика, але iї реалiзацiя у природi є притишеною. Тому високочастотний фон швидких энергопереходiв маскує повiльно протiкаючi довгоперiоднi процеси, приховуючи їх справдi величезнi енергозатрати, якi проте вiдбуваються за бiльш тривалий час. Через це ясна необхiднiсть побудови початкової бази для моделювання саме низькочастотних коливань з мiнiмальною енерговiддачею у високочастотнi спектральнi дiапазони. На основi низькочастотних процесiв в атмосферi оформлюються репелеры супердовгоперiодних коливань, утворюючих основу для клiматичних змiн i, разом з тим, геофiзичнi предиктори для понаддовготермiнових прогнозiв.

Корисний метод дiагнозу клiматичної системи полягає в аналiзi глобальних циклiв кутового моменту, вологи та енергiї. Завдяки аналiзу рiзних складових балансу для цих основних характеристик, можна ясно представити взає - мозв'язок мiж клiматичними пiдсистемами. В нашiй роботi ми сконцентруємо увагу на вивченнi балансу кутового моменту та вологообiгу.

Iнформацiйною базою сучасних довготермiнових та понаддовготермiнових прогнозiв можуть бути як супутникова iнформацiя, так i спостереження за радiохвилеводами, особливо в нижньотропосферному шарi, якi виконуються на основi радiотехнiчних засобiв аналiзу пропускання радiохвиль в ультра-короткохвилевому (УКХ) дiапазонi. Атмосферний радiохвилевiд через свою природу є низькочастотним утворенням через те, що базується на довгочасовому вологозапасi, який набирається в процесi глобального вологообiгу. Проява вологозапасу в атмосферi вiдображається в iї погодних характеристиках в основному за рахунок стратифiкацiї та у високочастотних псевдоадiабатичних процесах, якi залежать вiд температурного фону. Самий планетарний вологообiг пов'язаний з повiльно протiкаючими процесами накопичування вологозапасу, який у ненасиченому станi змiнює характеристики густини атмосферних шарiв, не входячи в iншi погодоутворюючi процеси. Генезiс радiохвилеводiв пов'язаний з полем шарiв густини, яке, в свою чергу, однозначно пов'язане з iндексом рефракцiї (метод, який базується на використаннi даних про властивостi радiохвилеводiв, природньо назвати рефракцiйним) та з полем вологостi. Засобами радiозондування в полi густини виявляються хвилєнесучi поверхнi, а саме, поверхнi розриву поля густини (це i є нижньотропосфернi хвилеводи i т.д.). Положення поверхнi радiохвилеводу можна розглядати як комплексний критерiй вологовмiсту на перiод його накопичування в атмосферi. Вiд комплексного критерiю вологовмiсту по вiдповiдному положенню атмосферних фронтiв, як основних накопичувачiв вологи, можна перевести вказаний критерiй в узагальнений спостережений критерiй форми циркуляцiї. Тобто, рiч йде про можливе прогностичне значення атмосферних радiохвилеводiв в якостi комплексного критерiю стану атмосфери в тому чи iншому циркуляцiйному процесi. Отже, очевидною уявляється важливiсть i необхiднiсть розробки нових адекватних методiв розрахунку балансу куто вого моменту, атмосферного вологообiгу, пов'язаних i з генезiсом УКХ радiохвилеводiв, i визнача - ючих зв'язок з процесами спадкоємностi форм атмосферної циркуляцiї та телеконекцiї. Це стиму-лює також i розробку компактного адекватного пiдходу до розрахунку макротурбулентностi, який забезпечує моделювання атмосферних процесiв в низькочастотному режимi, притаманному дов-гоперiодним процесам, на анализi яких базуються довготермiновi, понаддовготермiновi прогнози.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослiдження, якi виконанi в роботi, увiйшли до планiв НДР: N ДР0196U013470 «Використання супутникової iнформацiї та заходiв дистанцiйного зондування з метою гiдрометеорологiчного i екологiчного забезпечення народного господар - ства» НДС ОГМI (1998) i планiв НДР згiдно з грантами Мiжнародної Соросiвської програми пiдтримки освiти в галузi точних наук ISSEP: PSU-062001 (1996), PSU-072133 (1997) та Мiжнародної науково-освiтньої програми ISEP: YSU-082001 (1998).

Мета i задачi дослiдження. Метою дослiдження є розробка нових, адекватних математичних моделей розрахунку балансу кутового моменту, атмосферного вологообiгу у зв'язку з генезiсом атмосферних УКХ радiохвилеводiв та процесами спадкоємностi форм атмосферної циркуляцiї (телеконекцiї, фронтогенезу), побудова моделi фiльтрацiї високочастотних коливань з подальшим аналiзом i прогнозом самих довгоперiодних процесiв з мiнiмальним «шумовим» внеском фону високочастотних коливань для цiлей довготермiнового та понаддовготермiнового прогнозу погоди i клiмату. Для досягнення цiєї мети були сформульованi такi основнi науковi задачi:

- розвиток нової моделi розрахунку балансу кутового моменту атмосфери, атмосферного вологообiгу i вивчення їх значення в утвореннi форм атмосферної циркуляцiї, процесiв фронтогенезу i генезiсу УКХ радiохвилеводiв;

- розвиток нової методики застосування балансових спiввiдношень по кутовому моменту в якостi єдиного комплексного критерiю для пiзнавання форм атмосферної циркуляцiї, їх спадкоємностi та телеконекцiї для цiлей довготермiнового та понаддовготермiнового прогнозу погоди;

- розвиток нової об'єднаної моделi тропосферних УКХ радiохвилеводiв та форм циркуляцiї атмосфери, включаючи з'ясування значення сингулярностей метеополiв i, зокрема, кутового моменту;

- узагальнення аналiтичної теорiї фронтогенезу з метою iї застосування для пiзнавання образу форми циркуляцiї; формулювання теорiї головного моменту на основi теореми Чаплигiна та встановлення iї зв'язку з кутовим моментом обертання атмосфери;

- розробка адекватної, компактної моделi макротурбулентностi, яка забезпечує моделювання атмосферних процесiв в низькочастотному режимi;

- проведення серiї нових, по своїм iдеям та постановi, чисельних експериментiв з розрахунку перенесення кутового моменту i вологи над Тихим океаном для вивчення значення форм циркуляцiї в пiзнаваннi образу довгоперiодного процесу в атмосферi та значення характеристик УКХ радiохвилеводiв в якостi комплексного вимiрювального критерiю для цiлей iнформацiйного забезпечення довготермiнового та понаддовготермiнового прогнозу погоди;

Наукова новизна одержаних результатiв визначається як новизною розроблених моделей i методiв, так i областю їх застосування. Вперше вказана та ретельно проаналiзована iнформацiйна цiннiсть даних про мiсцерозташування радiохвилеводiв УКХ i пов'язаних з ними полiв густини, вологостi, рефракцiї в проблемi довготермiнових прогнозiв погоди. Вперше розглянуто зв'язок форм циркуляцiї в атмосферi над Тихим океаном з радiохвилеводами УКХ. Розробленi новi моделi розрахунку балансу кутового моменту атмосфери, атмосферного вологообiгу, вперше показана осо

блива роль збереження балансу кутового моменту i атмосферного вологообiгу в утвореннi форм атмосферної циркуляцiї, їх спадкоємностi, телеконекцiї, процесiв фронтогенезу i генезiсу УКХ радiохвилеводiв. Розвинуто новий метод застосування балансових спiввiдношень по кутовому моменту в якостi комплексного критерiю для пiзнавання форм циркуляцiї атмосфери та їх спадкоємностi. В роботi вперше вказанi та ретельно розглянутi принципи сингулярностi визначених метеорологiчних полiв, якi дозволяють рiзко енергетично роздiлити спектральнi iнтервали низькочастотних i високочастотних коливань з мiнiмальною енергетичною взаємодiєю мiж ними.

Вперше вилученi такi вимiрювальнi характеристики, якi мають фiзичну основу саме на фонi низькочастотних процесiв. Вперше дано узагальнення аналiтичної теорiї фронтогенезу з метою iї застосування для пiзнавання образу форми циркуляцiї. В роботi вперше вiдомi теорiї макротурбу-лентностi розглянутi стосовно до атмосферних радiохвилеводiв з метою їх використання в якостi предикторiв в довготермiновому прогнозi; розроблено компактну модель макротурбулентностi, яка забезпечує моделювання атмосферних процесiв в низькочастотному режимi, притаманному довго-перiодним процесам, аналiз яких лежить в основi довготермiнових i понаддовготермiнових прогнозiв погоди. Вперше проведено нову, по своїм iдеям та постановi, серiю чисельних експериментiв з розрахунку перенесення кутового моменту та вологи для рiзних форм циркуляцiї над Тихим океаном, яка проiлюструвала роль форм циркуляцiї в пiзнаваннi образу довгоперiодного процесу в атмосферi i достовiрно продемонструвала роль характеристик пiдведених радiохвилеводiв УКХ в якостi комплексного вимiрювального критерiю для цiлей довготермiнових i понаддовготермiнових прогнозiв.

Практичне значення одержаних результатiв пов'язано, насамперед, з виявленням та обгрунтуванням нових предикторiв для довготермiнових та понаддовготермiнових прогнозiв погоди i клiмату. Наданi практичнi рекомендацiї стосовно використання нових для цiлей iнформацiйного забезпечення довготермiнових та понаддовготермiнових прогнозiв вимiрювань метеорологiчних величин, якi бiльш адекватно вiдповiдають низькочастотним процесам. Розробленi вперше новi, математичнi моделi освоєння шуканих полiв в прогностичних задачах довготермiнового плану, якi апробованi у важливих з точки зору практики прогнозiв чисельних експериментах. Достовiрнiсть, надiйнiсть одержаних результатiв забезпечена теоретичною послiдовнiстю, коректнiстю розвинутих моделей та методiв, використанням послiдовних методiв гiдродинамiки, теорiї прогнозiв, математичесного аналiзу i повною вiдповiд-нiстю ряда тестових вихiдних результатiв аналогiчних даним, одержаним в межах iнших моделей, зокрема, Оорта А.Х. та спiвроб. в лабораторiї геофiзичної гiдродинамiки/ НУОА Принстонського унiверситету (США). Створено розра-хунковий макет типових ситуацiй для цiлей уточнювання пiдбору гомологiв циркуляцiї та уточнення спадкоємностi форм атмосферної циркуляцiї з врахуванням нової iнформацiї у сферi довготермiнових та понаддовготермiнових метеорологiчних прогнозiв. Особистий внесок здобувача. В спiльних публiкацiях з спiвавторами здобувачу належать основнi iдеї розв'язку задач дослiдження, модельнi реалiзацiї та чисельнi розрахунки. Одержанi здобувачем самостiйно такі результати: - розробленi основи нового рефракцiйного методу розрахунку балансу кутового моменту атмосфери для цiлей довготермiнового та понаддовготермiнового прогнозiв; вперше проаналiзовано iнформацiйну цiннiсть даних про мiсце-розташування радiохвилеводiв УКХ в проблемi довготермiнових прогнозiв;

- запропоновано послiдовну, адекватну теорiю процесiв в атмосферi, сприяючих розвитку радiохвилеводiв; вперше вiдображено роль фронтогенезу у формуваннi радiохвилеводiв УКХ;

- доказано особливу роль балансу кутового моменту в утвореннi форм циркуляцiї, процесiв фрон-тогенезу, радiохвилеводiв; запропоновано новий метод застосування балансових спiввiдношень по кутовому моменту в якостi комплексного критерiю для пiзнавання форм циркуляцiї атмосфери;

- запропоновано нову, об'єднану модель пiдведених тропосферних радiохви-леводiв УКХ та форм циркуляцiї атмосфери; вперше вiдображено особливу роль сингулярностей метеорологiчних полiв, зокрема, кутового моменту;

- вперше аналiтична теорiя фронтогенезу узагальнена та розширена з метою iї застосування для пiзнавання образу форми циркуляцiї; сформульована теорiя головного моменту на основi теореми Чаплигiна та встановлено iї зв'язок з кутовим моментом обертання атмосфери;

- розроблено адекватну, компактну модель макротурбулентностi, яка забезпечує моделювання атмосферних процесiв в низькочастотному режимi; запропоновано новий метод розв'язання рiвнянь кiнетичної енергiї макротурбу-лентностi з використанням розкладань в ряди Лорана i вперше виявлено роль сингулярностей в їх розв'язках;

- розвинуто новий метод розрахунку спадкоємностi форм циркуляцiї, що складає суттєву частину дов-готермiнових прогнозiв; впровадженi новi критерiї для пiдбору гомологiв циркуляцiї атмосфери;

- проведено серiю нових, по своїм iдeям та постановi, чисельних експериментiв з розрахунку перенесення кутового моменту та вологи над Тихим океаном, якi проiлюстрували роль форм циркуляцiї в пiзнаваннi образу довгоперiодного процесу в атмосферi та вперше показали роль характеристик пiдведених УКХ радiохвилеводiв в якостi комплексного вимiрювального критерiю для цiлей iнформацiйного забеспечення довготермiнових прогнозiв;

Апробацiя результатiв дисертацiї. Основнi результати роботи представлялися та обговорювалися на: - International Meeting `Short Course on Climat Variability of Atmospheric Circulation & Climat' (Monash University, Clayton, Australia, 1997); - International Joint Assemblies «Earth-Ocean-Atmosphere Forces for Change» of International Association of Meteorology Atmospheric Sciences & International Association for the Physical Sciences of the Oceans & Committee on Mathematical Geophysics (Melbourne, Australia, 1997); - International Seminar on Antarctica &Global Change (Hobart, Tasmania-Australia, 1997); - наукових семiнарах ОГМI i ОДУ iм.I.I. Мечникова (1997-1999)

Публiкацiї. Результати роботи опублiкованi в 4 наукових статтях (у рекомендованому ВАК України виданнi) та 1 препринтi.

Структура i обсяг роботи. Дисертацiйна робота викладена на 138 сторiнках машинописного тексту, мiстить 24 рисунки i 1 таблицю, складається з вступу, чотирьох роздiлiв, висновкiв, списку використаних джерел (109 найменувань) i одного додатку.

Змiст роботи

кутовий атмосфера циркуляція чаплигін

У вступi обґрунтовується актуальнiсть, наукова та практична значущiсть роботи, формулюються мета та задачi дисертацiї, викладаються основнi положення та результати, що виносяться на захист.

У першому роздiлi дається докладний огляд стану проблеми довготермiнових та понаддовготермiнових прогнозiв та їх iнформацiйного забезпечення. Основну увагу звернуто на макроциркуляцiйний метод довготермiнових прогнозiв i особливо складання фонового прогнозу для помiрних широт Євро-азiатського сектору (пр. 1.1). Розглядаються питання притягання додаткової iнформацiї для бiльш чiткого розумiння фiзики макропроцесiв в атмосферi та їх розвитку у часi. Основну увагу у цьому роздiлi придiлено методам дистанцiйного зондування атмосфери, включаючи супутниковi методи та методи радiовиявляння стратифiкацiйних особливостей в тропосферi. Розглянуто iнформацiйну цiннiсть дистанцiйного зондування при складаннi довготермiнових прогнозiв на базi синоптичних методiв.

Проводиться аналiз результатiв, одержаних на базi натурних експериментiв «Берiнг» та «КЕНЕКС», i даються рекомендацiї стосовно залучення їх iнформацiї для вiдроблення фiзично бiльш обгрунтованих методiв довготермiнових синоптичних прогнозiв. Проводиться аналiз iнформацiйної цiнностi зондування характеристик радiохвилеводiв УКХ в їх зв'язку з стратифiкацiйни - ми особливостями нижньої тропосфери. Докладно з'ясовано зв'язок процесiв в атмосферi з розвитком поверхнi радiохвилеводiв. Викладена теорiя процесiв в атмосферi, сприяючих розвитку радiохвилеводiв (у приводному шарi та пiдведених) з вiдображенням ролi гетерофазних станiв води в атмосферi та iї впливом на радiохвилеводи УКХ (пр. 1.2). Генезiс радiохвилеводiв пов'язаний з полем густини, а воно вже навпрямки пов'язане з полем вологостi та iндексом рефракцii. Саме поле густини звичайними засобами не спостерiгається i є розрахунковою характеристикою поля тиску, температури та вологостi. В той же час засобами радiозондування у полi густини виявляються хвилєнесучi поверхнi, а cаме, поверхнi розриву поля густини (нижньотропосфернi та приводнi хвилеводи). Розриви у полi густини являються також i носiями гравiтацiйних хвиль i безпосередньо пов'язанi з полем хмарностi. Проте, поверхнi радiохвилеводiв утворюються або на приводному шарi, в якому є iнтенсивним потiк вологи за рахунок випаровування з поверхнi океану, або в нижнiй тропосферi, де найiмовiрнiше вiдзначається декотрий рiвень змiни фаз води, аж нiяк не збiжний з рiвнем конденсацiї. Це i зрозумiло з того, що радiохвилевiд формується на рiвнi пiка конденсацiї, а не на рiвнi iї початку. В той же час радiохвилевiд не пов'язаний з рiдкою фазою безпосередньо через те, що вiн не може мати «порожностей». Вiн пов'язаний з розривами у полi густини, обумовленими паровмiстом, а не наявностю рiдкої або твердої фази. Положення поверхнi радiохвилевода розглядається в якостi комплексного критерiю вологовмiсту.

Далi вiд комплексного критерiю вологовмiсту по вiдповiдному положенню атмосферних фронтiв, як основних накопичувачiв вологи, вказаний критерiй переводиться в узагальнений спостережений критерiй форми циркуляцiї.

В пр. 1.3. докладно розглянута проблема горизонтального вологообiгу в тропосферi та iї роль у формуваннi стратифiкацiйних особливостей нижнього шару тропосфери. Головну увагу придiлено вологообiгу на атмосферних фронтах та iх значенню у далекому вологоперенесеннi вологої субстанцiї в гетерофазнiй системi вологообiгу. Проведено аналiз методiв математичного моделювання вологообiгу в основному за допомогою математичних моделей атмосфер - них фронтiв на базi апарату плоского комплексного поля. Далi вперше розгля-нутi питання моделювання радiохвилеводiв на основi теорiї фронтальних подiлiв i викладенi методи теорiї плоского поля в задачах створення розрахункових iндексiв типової форми циркуляцiї (пр. 1.4.). Стартуючи з класичних робiт Кочина М.Є., Кiбеля I.А., а також робiт Єфiмова В.О., Кiвганова А.Ф. та iн., в справу уводяться математичнi конструкцiї, апроксимуючi поля вологи та вихорових створень в тропосферi. Зокрема, на основi методiв теорiї плоского поля моделюється динамiчна ситуацiя на атмосферних фронтах i взагалi в зонi дiї циклонiв, улоговин та iнших баричних утворень. Для визначення комплексного потенцiалу швидкостi V_X - iV_Y задається сукупнiсть параметрiв, зокрема, циркуляцiї на вихорових елементах, утворених циклонами i гребеневими структурами; координати таких утворень; циркуляцiя на стандартних вихорах фронтального подiлу; вiдстань мiж стандартними вихорами фронтальних подiлiв; координата центру лiнiї конвективних збурень або фронтального подiлу; координати початку лiнiї конвективних збурень та кiнця зазначеної лiнiї або фронтального подiлу; координати, якi визначають конфiгурацiю додаткових вихороутворень в областi рiшення, якi вiддаленi вiд основних фронтальних подiлiв i базових вихорiв форми циркуляцiї; накiнець, ваговi моди вихороджерел. З метою докладного завдання конфiгурацiй баричного поля розраховуються сили гiдродинамiчного тиску на фронтальнi системи:

(1)

де w комплексний потенцiал в координатнiй площинi; z, густина вологого повiтря. З метою iндикацiї координат фронтальних подiлiв додатково розраховується головний момент сил гiдродинамiчних тискiв:

(2)

Тодi можна визначити швидкiсть скривлення фронтальних подiлiв в полi сил тиску. Далi розробленi аналiтичнi методи контролю балансу як в самiй системi вологообiгу, так i у рiвновазi сил зовнiшнього тиску, якi забезпечують закони збереження:

(3)

де res - позначення лишку функцiї, точки z₁ z₂,…, z_p координати сингулярних збурень у силових полях, якi повиннi зводитися до загального балансу на нескiнченностi , насправдi визначенiй у пунктi основного зовнiшнього впливу на процеси, якi описуються в областi розв'язку, або, точнiше, визначенi типовою формою циркуляцiї атмосфери.

У другому роздiлi головну увагу придiлено глобальним механiзмам в моделях радiохвилеводiв i умовам балансу кутового моменту обертання атмосферних шарiв. В пр. 2.1. з єдиних позицiй проаналiзованi питання генезiсу атмосферних хвилеводiв, телеконекцiї, декотрi аспекти теорiї комiрок Гадлея та Фереля i умови замкнення балансу кутового моменту. Наведено докладний аналiз розв'язання проблеми балансу кутового моменту в планетарних динамiчних перемiщеннях повiтряних мас, виконаного в лабораторiї геофiзичної гiдродинамiки Принстонського унiверситету США (Оорт А.Х.). Далi виклада-ється розроблений нами новий пiдхiд до розв'язання проблеми розрахунку балансу кутового моменту атмосфери, який задовольняє iнтегральному рiвнянню:

(4)

де M = a² cos² + u a cos кутовий момент, кутова швидкiсть обертання Землi; a радiус Землi; широта (₁-₂ вiдокремлюють широтний пояс мiж арктичним та полярним фронтами); u - зональна компонента швидкостi вiтру; - густина повiтря; V весь об'єм атмосфери у вказаному широтному поясi вiд рiвня моря до середньої висоти пiдведеного тропосферного хвилеводу УКХ - H; v - меридiанна компонента швидкостi вiтру; - довгота; pⁱ_E - pⁱ_w рiзниця тискiв на схiдних та захiдних схилах i - ої гори; z висота над рiвнем моря; ₀ - напруга тертя на поверхнi. Нова ефективна процедура розрахунку кутового моменту базується на розв'язаннi iнтегрального рiвняння (4), ядро якого складає функцiя v. Далi v та визначаються в термiнах теорiї плоского поля:

(5)

де wкомплексний потенцiал; v комплексна швидкiсть загального циркуляцiйного фону (в основному, зональна циркуляцiя); b_k координати вихороджерел в зонi сингулярностi; с_k координати диполiв в зонi сингулярностi; a_k координати вихорових точек в зонах сингулярностi; M_k величини моментiв вказаних диполiв; _k орiєнтацiя восей диполiв; Г_k,q_k величини циркуляцiй у вихороджерелах та у вихорових точках вiдповiдно. Ядро iнтегрального рiвняння (4) стає сингулярним типу Кошi та Гiльберта. Розв'язання одержаного сингулярного iнтегрального рiвняння вiдносно кутового моменту, заданого вже регулярною функцiєю, дає можливiсть як оцiнки ваги сингулярностi в полi кутового моменту, так i оцiнки атмосферного внеску саме в баланс кутового моменту. В пр. 2.2 вперше докладно проаналiзовано особливу роль сингулярностей у полях метеоелементiв, особливо, кутового моменту. Розриви в полях метеоелементiв, якi супроводжують феномен атмосферного фронту, формують сингулярнi особливостi вказаних полей в узьких зонах фронтальних подiлiв. Пояс помiрних широт облямовується такими узькими фронтальними подiлами арктичного та полярного фронтiв, якi оперiзують усю Пiвнiчну пiвкулю. При зближуваннi такi фронтальнi узькi зони звужують саму зону циклонiчних депресiй, яка знаходиться мiж арктичним антициклоном та субтропiчним поясом високого тиску. Взимку гребенi високого тиску, наприклад, Сибiрського антициклону, витискують полярний фронт до пiвдня над континентами i в той же час рiзко просовують арктичний фронт до пiвдня над океанами, зближуючи його з полярним фронтом, тому що полярний фронт над океанами зимою мало мiгрує у меридiанному напрямку. Такi позицiї дозволяють докладно моделювати процеси, безпосередньо пов'язанi iз задовiльнiстю балансу кутового моменту, такi як телеконекцiя, утворення хвилєнесучих поверхней радiохвилеводiв УКХ та змiн форм циркуляцiї атмосфери. В пр. 2.3. викладено орiгiнальну процедуру розв'язання рiвняння (4). У загальному видi є сингулярне iнтегральне рiвняння, ядро якого разом iз даними функцiями - коефiцiентом, правою частиною, задають ваговi внески вихороджерел у фронтальному подiлi типового фронту при v, вiдповiдаючої формi циркуляцiї. Далi застосування iнтегрального оператору переводить шукане рiвняння у рiвняння Фредгольма, яке розв'язується методом резольвенти. У третьому роздiлi основну увагу придiлено макротурбулентностi як основному фактору, який впливає на процеси при будь-якiй формi циркуляцiї атмо-сфери, i iї ролi у формуваннi атмосферних хвилеводiв. До цiєї пори в роботi виконувались математичнi операцiї по апроксимацiї типової позицiї у формi циркуляцiї в стацiонарному варiантi, коли сама форма циркуляцiї подана моментним перерiзом саме в типовий для неї момент часу. Радiохвилевiд можна вважати також у багатьох сенсах стацiонарним утворенням через те, що вiн базується на довгих накопичуваннях вологи в iї пасивнiй пароподiбнiй фазi. Радiохвилевiд вiдбиває типову атмосферну ситуацiю, проте головне все ж полягає у тому, щоб i типова атмос - ферна ситуацiя i iї вiдбивач у видi радiохвилеводу були ближче до фiзичної основи процесу, тобто працювали б як таковi по своєму динамiзму у низькочастотному дiапазонi сумiсно (пр. 3.1). Тут мається на увазi, що низькочастотний дiапазон вiдноситься до iх географiчного виявлення у прос - торi, а не до частинних фiзичних характеристик, якi їм притаманнi по їх внутрiшнiй структурi. Радiохвилевiд має властивiсть проводити хвилi УКХ дiапазону, проте в той же час його положен ня у просторi змiнюється у часi в понаднизькочастотному дiапазонi, який далеко вiдстоїть вiд УКХ дiапазону. Форма циркуляцiї змiнює своє положення у просторi i iнтенсивнiсть виявлення у перiодi вiд декiлькох дiб, тодi як усерединi iї вiдбуваються процеси, якi тривають декiлька хвилин.

Далi розглянутi можливостi вiдомих розв'язкiв рiвнянь макротурбулентностi з метою аналiтичної параметризацiї форм циркуляцiї атмосфери (пр. 3.2). Рiвняння гiдродинамiки вiдносно добре настроюються на високочастотнi процеси в атмосферi типу еволюцiї циклоничного утворення у перiодi до 2 дiб, але цiлком не здатнi добре описувати низькочастотнi процеси типу змiни форм циркуляцiї. Проте рiвняння макротурбулентного режиму атмосфери низькочастотнi по своїй основi i iснує достатньо великий досвiд їх розв'язання на базi спектральних методiв. Далi на основi рiвнянь замкнення моментiв зв'язку для вихорових макротурбулентних рухiв розвинута та реалiзована компактна модель макротурбулентностi, яка дозволяє моделювати форми атмосферної циркуляцiї i притаманнi їм радiохвилеводи у нестацiонарному режимi. Запропоновано новий метод розв'язання рiвнянь кiнетичної енергiї макротурбулентностi з використанням розкладань в ряди Лорана i вперше виявлено значення сингулярностi в їх розв'язках (пр. 3.3). Додатково з'являється можливiсть моделювання процесiв спадкоємностi форм атмосферної циркуляцiї.

В четвертому роздiлi викладено новi iдеi щодо постановки чисельних експериментiв з розрахунку перенесення кутового моменту та вологи над Тихим океаном для вивчення ролi форм циркуляцiї в пiзнаваннi образу довгоперiодного процесу в атмосферi i значення УКХ хвиле-водiв в якостi комплексного вимiрювального критерiю для цiлей iнформацiйного забезпечення довготермiнових прогнозiв погоди (пр. 4.1).У попереднiх роздiлах роботи були викладенi принциповi основи розвинутих в роботi нових пiдходiв та моделей. В четвертому роздiлi (пр. 4.2) докладно викладається загальний алгоритм реалiзацiї розвинутих моделей, зокрема, наведено докладнублок-схему розрахунку змiн висот пiдведених радiохвилеводiв, полiв функцiї струму спряжених з цим процесом вiтрових течiй. Реалiзацiя усiх моделей поєднується в єдиний розрахувальний комплекс, який використаний далi в чисельних експериментах. Експерименти виконува-лись також з метою доповнення даних вимирювань, якi були доступнi вiд експериментiв «Берiнг», «КЕНЕКС», i з метою отримання бiльш об'ємної iнформацiї про пiдведенi тропосфернi УКХ хвилеводи. З цiєю метою було необхiдно розрахувати горизонтальний нижньотропосферний вологообiг i вiдповiдну йому стратифiкацiю густини для розрахунку висот поверхней хвилеводiв (iндекс рефракцiї).Проте можна було розрахувати саме не висоту, а iї змiну у часi на часовому iнтервалi iснування типової форми циркуляцiї. Ця змiна може бути накладена на висоту нижньотропосферного хвилеводу, якщо вона вiдома з попередньої форми атмосферної циркуляцiї над Тихим океаном. Але саме по висотi тропосферного пiдведеного хвилеводу данi малодоступнi i в наявностi є лише опублiкованi данi, усередненi по сезонам або за рiк. Тому змi-на висоти пiдведеного тропосферного хвилеводу УКХ у залежностi вiд форми циркуляцiї над Тихим океаном одержана з чисельних експериментiв може бути використана як додаткова iнформацiя при вивченнi спадкоємностi форм циркуляцiї. Другим iнформативним полем з результатiв моделювання було поле течiй, яке утворюється пiд поверхнею пiдведеного тропосферного хвилеводу. Таке поле течiй необхiдно розглядати також у видi накладеного фону на поле течiй, притаманних саме формi циркуляцiї. Вага розрахункового поля течiй у загальному вiтровому полi достатньо велика, проте його все ж треба розумiти як короткоперiодне поле, яке утворилось на атмосферних фронтах i, природньо, перевищує модульнi характеристики фонового поля вiтрiв. Перша та друга з вказаних розрахункових характеристик можуть бути корисними при складаннi довготермiнового прогнозу, так як допомагають пiзнати саме форму циркуляцiї та спадкоємнiсть таких форм згiдно з даними натурних вимiрювань як висоти пiдведеного тропосферного хвилеводу УКХ, так i даних зондування вiтрових потокiв засобами загального радiозондування (i, навiть, кулепiлотного зондування, оскiльки висоти пiдведених тропосферних радiохвилеводiв не є великими), а також даних нефаналiзу супутникової iнформацiї про поля хмарностi та даних доплерiвського радiолокатору хмарностi. Чисельнi експерименти проводилися з метою утворення певного макету для пiзнавання форм атмосферної циркуляцiї та їх спадкоємностi, який може бути використаний при пiдборi гомологiв атмосферної циркуляцiї. З цiєю метою моделювалися усi форми атмосферної циркуляцiї над Тихим океаном згiдно з типизацiєю Вангенгейма Г.Я., Гiрса А.А. з їх вiдзнаками для теплого i холодного пiврiччя. В основному розраховувалися типовi процеси над Тихим океаном, якi вiдбувалися при наявностi 2 фронтiв: арктичного та полярного (пр. 4.3). Як приклад, на рис. 1 наведенi результати розрахунку змiни висоти пiдведеного тропосфеного хвилеводу у лiтнiй час при формi циркуляцiї М₁. Для цiлей довготермiнового прогнозу, насамперед, є важливим знак аномалiй. Знаком «плюс» на рисунках, що вiдображають змiни висот радiохвилеводiв, вiдзначенi зростання висот вiд певного середнього положення, а знаком «мiнус» - вiдповiднi зменшення висот. На рис. 1 виднi негативнi аномалiї поблизу Азiатського та Американського континентiв i позитивна анома-лiя над Тихим океаном. На рис. 2 вiдповiднi вiтровi потiки поданi аномалiєю функцiї струму, де напрями вектору швидкостi вiдповiдають тому, щоб позитивнi значення були з лiвого боку вiд потоку. Передача кутового моменту разом з горизонтальним вологоперенесенням вiдбувається з сходу на захiд (рис. 2), что, до речi, вiдповiдає розрахунковим схемам Оорта А.Х., причому основний потiк на захiд припадає на широти Алеутських островiв, що також повнiстю збiгається з результатами Оорта А.Х. Додатково проведенi чисельнi експерименти i при наявностi трьох фронтiв, тобто, включаючи i тропiчний фронт, але при формi циркуляцiї М₁, так як при формi циркуляцiї З тропiчний фронт не є активним в интересуючих нас процесах, а при формi М₂ вiн представляє iнтерес при вивченнi процесiв в Американському секторi (результати наведенi у додатку). Наведено також аналiз результатiв розрахункового макету типових положень, якi ми рекомендуємо для використання при пiдборi гомологiв.

Висновки

Запропоновано новий метод розрахунку балансу кутового моменту атмосфери для цiлей довготермiнового прогнозу;

Вперше проаналiзовано iнформацiйну цiннiсть даних про мiсцерозтшування радiохвилеводiв УКХ в проблемi довготермiнових прогнозiв погоди; вперше детально з'ясовано зв'язок процесiв в атмосферi з розвитком поверхнi радiохвилеводiв;

Запропоновано послiдовну, адекватну теорiю процесiв в атмосферi, сприяючих розвитку радiохвилеводiв: в приводному шарi та пiдведених; вiдображено роль гетерофазних станiв води в атмосферi та iї вплив на радiохвилеводи УКХ;

Вперше розглянуто зв'язок форм атмосферної циркуляцiї над Тихим океаном з радiохвилево-дами УКХ, зокрема, з пiдведеними радiохвилеводами; Проведено докладний аналiз структурних властивостей форм циркуляцiї атмосфери у зв'язку з процесами фронтогенезу; вперше вiдображено роль фронтогенезу в формуваннi радiохвилеводiв УКХ;

Вперше вiдзначена та детально проаналiзована особлива роль атмосферного вологообiгу у формуваннi радiохвилеводiв, а також форм циркуляцiї атмосфери; зробленi додатковi висновки в теорiї атмосферного вологообiгу, стосовно ролi в ньому процесiв фронтогенезу;

Вперше доказано особливу роль балансу кутового моменту в утвореннi форм атмосферної циркуляцiї, процесiв фронтогенезу, радiохвилеводiв УКХ; запропоновано новий метод засто - сування балансових спiввiдношень по кутовому моменту в якостi комплексного критерiю для пiзнавання форм циркуляцiї атмосфери; вiдображено зв'язок вказанного комплексного крите-рiю з характеристиками атмосферних радiохвилеводiв, что дозволяє притягти додаткову iнформацiю стосовно локацiйного зондування атмосфери для виявлення радiохвилеводiв УКХ для цiлей довготермiнових прогнозiв;

Запропоновано нову, об'єднану модель пiдведених тропосферних радiохвилеводiв УКХ i форм циркуляцiї атмосфери; вперше вiдображено особливу роль сингулярностей метеорологiчних полiв, зокрема, кутового моменту;

Вперше аналiтичну теорiю фронтогенезу узагальнено i розширено з метою iї застосування для пiзнавання образу форми циркуляцiї; запропонованi новi чисельнi критерiї форм циркуляцiї на основi їх аналiтичних апроксимацiй та теорiї лишкiв; сформульовано теорiю головного моменту на основi теореми Чаплигiна, встановлено iї зв'язок з кутовим моментом атмосфери;

Розглянутi можливостi вiдомих рiшень рiвнянь макротурбулентностi з метою аналiтичної параметризацiї форм циркуляцiї атмосфери; розроблено адекватну, компактну модель макротурбулентностi, яка забезпечує моделювання атмосферних процесiв в низькочастотному режимi; запропоновано новий метод рiшення рiвнянь кiнетичної енергiї макротурбулентностi з використанням розкладень в ряди Лорана та вперше виявлено роль сингулярностей в їх розв'язках;

Запропоновано новий метод розрахунку спадкоємностi форм атмосферної циркуляцiї, що складає суттєву частину довготермiнових метеорологiчних прогнозiв; впровадженi новi додатковi критерiї щодо пiдбору гомологiв циркуляцiї атмосфери;

Вперше проведено серiю нових, по своїм iдeям i постановi, чисельних експериментiв з розра-хунку перенесення кутового моменту i вологи над Тихим океаном, якi проiлюстрували роль форм циркуляцiї в пiзнаваннi образу довгоперiодного процесу в атмосферi i вперше показали роль характеристик пiдведених радiохвилеводiв УКХ в якостi комплексного вимiрювального критерiю для цiлей iнформацiйного забезпечення довготермiнових прогнозiв;

Список опублiкованих праць

Амбросов С.В. Обобщенный критерий форм циркуляции атмосферы // Метеорология, климатология и гидрология. - 1999. - N38. - C. 164-168.

Амбросов С.В. Фактор макротурбулентности в типовых формах циркуляции атмосферы и в

балансе по влагообороту и угловому моменту // Метеорология, климатология и гидрология. - 1999. - N38. - C.59-63.

Глушков А.В., Амбросов С.В., Хохлов В.Н. Атмосферные волноводы, телеконнекция, ячейки

Гадлея и баланс углового момента // Метеорология, климатология и гидрология. - 1999.-N38.-C.42-46

4. Глушков А.В., Амбросов С.В. Атмосферный влагооборот и сингулярности в балансе углового момента // Метеорология, климатология и гидрология. - 1999. - N38. - C. 54-58.

5. Амбросов С.В. Численные эксперименты по расчету переноса углового момента для азличных

форм атмосферной циркуляции над Тихим океаном. - Одесса: 1998.-12 с. (Препр. /Министерство образования Украины. Одесский гидрометеорологический ин-т; МК1-98).

Размещено на Allbest.ru