Аеросиноптичні умови утворювання та розвитку струминних течій нижніх рівнів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 551.555.9

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

АЕРОСИНОПТИЧНІ УМОВИ УТВОРЮВАННЯ ТА РОЗВИТКУ СТРУМИННИХ ТЕЧІЙ НИЖНІХ РІВНІВ

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

Семергей-Чумаченко Аліна Борисівна

Одеса - 2003

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 технічних наук, професор,

Школьний Євген Павлович,

Одеський державний екологічний університет

професор кафедри фізики атмосфери;

кандидат географічних наук, доцент

Данова Галина Михайлівна

Одеська воєнізована служба з активних впливів на гідрометеорологічні процеси, начальник виробничого відділу;

Провідна установа: Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, відділ фізики хмар, Міністерства екології та природних ресурсів України (м. Київ).

Захист відбудеться “ 9 ” жовтня 2003 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ. Автореферат розісланий “ 8 ” вересня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лобода Н.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

течія аеросиноптичний струминний низькотропосферний

Актуальність теми. У циклі теоретичних і експериментальних робіт з фізики граничного шару атмосфери, які виконані на рубежі XX-XXІ століть, одна з пріоритетних задач пов'язана з дослідженням феномена посилення швидкості вітру у вузькій смузі, що зверху і знизу межує з шарами, у яких швидкість вітру значно менша.

Актуальність представленої роботи визначається необхідністю виявлення причин виникнення і розвитку такого небезпечного явища, як струминна течія нижніх рівнів (СТНР), розробки методів її діагнозу і прогнозу, а також чисельної оцінки гідродинамічної структури граничного шару атмосфери в період існування СТНР.

Вимоги до безпеки господарської, авіакосмічної та інших сфер антропогенної діяльності в нижньому 2-х кілометровому шарі атмосфери, необхідність моніторингу рівня забруднення повітря і забезпечення захисту населення у випадках техногенних і природних катастроф, зв'язок СТНР з різними небезпечними (НЯ) та стихійними гідрометеорологічними явищами (СГЯ) роблять проблему діагнозу і прогнозу струминного посилення вітру першочерговою.

Оскільки струминні течії нижніх рівнів утворюються у різноманітних аеросиноптичних умовах, що відрізняються широким спектром характеристик полів метеорологічних величин, то всебічний аналіз фізичних механізмів виникнення низьких струменів та явищ різних масштабів, що передують і супроводжують СТНР, є одним з важливих етапів на шляху до розробки нових і удосконалення існуючих методів їх діагнозу і прогнозу.

Крім практичної значимості, вивчення СТНР являє собою цікаву теоретичну задачу. Це пов'язано з необхідністю побудови математичних моделей граничного шару атмосфери та атмосферних фронтів, що виявляють струмені нижніх рівнів, а також є дуже актуальною проблемою накопичення та розповсюдження шкідливих домішок у нижніх шарах атмосфери в умовах існування СТНР та інверсій температури повітря.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає основним напрямкам наукової діяльності кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів Одеського державного екологічного університету і виконується у складі держбюджетних науково-дослідних робот “Дослідження аномальних атмосферних процесів в Україні” № ДР 0199U001139 та “Використання супутникової інформації і засобів дистанційного зондування з метою гідрометеорологічного забезпечення народного господарства” № ДР 0196U013470.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є установлення фізичних механізмів виникнення і розвитку СТНР, що формуються при різних макроциркуляційних умовах, і розробка методів діагнозу і прогнозу низьких струменів над територією України.

Основні задачі наукового дослідження:

встановити вплив географічного фактора на часову і просторову структуру низькотропосферних течій над Україною;

виявити комплекс метеорологічних і аеросиноптичних умов, що сприяють появі СТНР, особливо у поєднанні з НЯ та СГЯ;

визначити вплив явища на процеси транспортування забруднення в нижній тропосфері на прикладі аварії на Чорнобильській атомній електростанції;

оцінити можливість застосування рівняння балансу кінетичної і потенційної енергії у дослідженні низькотропосферних струменів;

перевірити гіпотезу про хвильову природу походження СТНР при різних макроциркуляційних і фізико-географічних умовах;

розробити нові методи діагнозу і прогнозу низьких струменів.

Об'єкт дослідження - температурно-вітровий режим нижнього двокілометрового шару атмосфери над територією України.

Предмет дослідження - піки швидкості вітру більш 15 м•с^-1, у межах граничного шару атмосфери, якщо зменшення швидкості вітру в 300-метрових шарах вище і нижче рівня максимуму не менш чим на 4 м•с^-1, а також струминні профілі вітру у граничному шарі атмосфери, швидкості і градієнти яких не попадають під критерії СТНР, але фізика утворення яких аналогічна.

Методи дослідження:

синоптико-кліматологічний аналіз;

фізико-статистичний аналіз;

просторово-часове узагальнення даних;

математичне моделювання і чисельний експеримент.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі вперше для території України:

проведено кліматографічне дослідження СТНР з використанням великого обсягу матеріалу за останні 25 років, за допомогою сучасних статистичних методів отримані кліматичні і статистичні оцінки, розроблено нову типізацію низьких струменів у залежності від зміни швидкості і напрямку вітру вище і нижче осі струменя;

установлено механізм створення СТНР, що формуються у різних синоптичних ситуаціях, і взаємозв'язок явища із СГЯ, таких як сильні шквали над Західної Україною та Новоросійська бора, яка характеризує навігаційні умови над Чорним морем та є прикладом інтенсивного орографічного струменю;

доведено існування тісного зв'язку між інтенсивністю СТНР і активністю фронтальних розділів, і на цій основі розроблена методика діагнозу і прогнозу низьких струминних течій у фронтальних зонах;

на базі дослідження зв'язку СТНР з інверсіями температури та слабким вітром біля поверхні землі над регіоном, який постраждав від Чорнобильської катастрофи зроблено заключення про екологічну інформативність даних про низькотропосферні струмені;

проаналізовано можливість використання основних енергетичних рівнянь для оцінки умов формування явища;

на основі використання гіпотези про хвильову природу походження СТНР при різних макроциркуляційних і фізико-географічних умовах отримано гідродинамічні характеристики граничного шару атмосфери, що відповідають найбільшій імовірності низьких струменів;

запропоновано моделювання вертикального профілю швидкості вітру при СТНР за допомогою сплайн-інтерполяції.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони складають наукову основу для побудови методик діагнозу та прогнозу СТНР і можуть бути використані:

для забезпечення безпеки польотів як при будівництві й експлуатації нових аеродромів, так і при оперативному обслуговуванні авіації;

для прогнозу рівня забруднення повітря і забезпечення безпеки населення у випадках техногенних і природних катастроф;

при прогнозі небезпечних та стихійних гідрометеорологічних явищ, пов'язаних з низькотропосферними течіями.

Отримані в дисертації наукові результати впроваджені у навчальні дисципліни "Авіаційна метеорологія", "Синоптична метеорологія", "Регіональна синоптика", "Спеціалізовані прогнози погоди", "Аномальні погодні умови України", "Стихійні метеорологічні явища в Україні".

Особистий внесок здобувача складається з того, що їм самостійно:

детально вивчені й узагальнені літературні зведення про низькі струмені, проаналізовані і зіставлені гіпотези, що пояснюють виникнення явища;

проведено збір необхідного фактичного матеріалу (дані куля-пілотного і радіозондування; приземні синоптичні карти; карти рівнів 925, 850, 700 и 500 гПа за період 1975-2000 рр.; дані метеорологічних локаторів (МРЛ) і знімки супутникової системи NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) у видимому діапазоні; щогодинна інформація про швидкість і напрямок вітру над узбережжям Каліфорнії 24-25 грудня 1997 р. і 8-9 січня 1999 р., яка отримана за допомогою мережі допплерівських локаторів, що організована у рамках експерименту CALJET (California Land-Falling Jets Experiment, 1 грудня 1997 - 31 березня 1998 рр.) та на основі вихідної інформації складено комп'ютерний банк даних і розроблене відповідне програмне забезпечення;

підібрані і проаналізовані випадки, що найкраще виявляють фізичний зв'язок СТНР зі стихійними гідрометеорологічними явищами і формуванням несприятливої екологічної обстановки;

отримано на основі гіпотези про хвильову природу походження СТНР гідродинамічні характеристики граничного шару атмосфери, у межах яких низькотропосферні струмені найбільш імовірні [6];

використано математичний апарат сплайн-інтерполяції для моделювання вертикального профілю швидкості вітру при СТНР.

У наукових працях, які опубліковані здобувачем спільно з керівником, керівнику належить постановка наукової задачі та узагальнення результатів, а дисертанту практична реалізація проекту [1-4, 9, 12-14]. У других публікаціях [5, 7, 8, 10, 11, 15, 16] авторський внесок полягає у зборі, систематизації та аналізі різноманітної метеорологічної і аеросиноптичної інформації, яка висвітлює деякі аспекти створення і розвитку струминних течій нижніх рівнів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були представлені на наукових конференціях ОГМІ (ОДЕКУ) 1997, 1999 і 2001 рр, на міжнародній конференції у Львові по технічній метеорології Карпат у червні 1998 р., на ІV міжнародній науково-технічній конференції "АВІА-2002" у Києві в квітні 2002 р. і на міжнародній науковій конференції "Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища-2002", присвяченій 70-річчю Одеського державного екологічного університету у вересні 2002 р.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 16 наукових працях, з них 6 у виданнях, що входять до відповідного переліку ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація викладена на 188 сторінках, містить 36 рисунків, 11 таблиць, складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (188 найменувань) і трьох додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність, наукова та практична значимість роботи, формулюються мети і задачі дослідження, викладаються основні положення та наукові результати, що виносяться на захист.

У першому розділі наводиться огляд сучасного стану досліджень СТНР з літературних джерел, і уточнюються основні напрямки авторських розробок. Визначається сукупність факторів, що впливають на формування вертикального профілю швидкості вітру - циркуляція синоптичного масштабу, термічна стратифікація, ступінь барокліности нижньої частини атмосфери, упорядковані і конвективні вертикальні рухи, адвекція на нижніх рівнях, особливості фізико-географічного положення пункту. Приводяться критерії ідентифікації СТНР.

В другому розділі представлено загальну характеристику структурних параметрів СТНР над Україною. Дослідження виконано на основі даних 4-х разового (00, 06, 12 і 18 СГЧ) радіозондування за період з 1975 по 1995 рр. над 9-ма українськими станціями, розташованими в різних фізико-географічних умовах (Київ, Львів, Ужгород, Чернівці, Одеса, Сімферополь, Шепетівка, Кривий Ріг, Харків). З 1990 р. у розпорядженні автора були дані тільки 2-х разового (00 і 12 СГЧ) температурно-вітрового зондування. Для Одеси також використані дані куля-пілотних спостережень за період 1976-1983 рр. і епізодичні вибірки даних радіозондування в 00 СГЧ, що пов'язані з розвитком СТНР за період 1995-2000 рр.

Отримані результати дозволяють зробити висновок, що СТНР над Україною спостерігаються повсюдно і у будь-який час року. Повторюваність СТНР над Україною в середньому складає від 2 до 15 % усіх спостережень, а тривалість явища, як правило, не перевищує 6 годин. Сезонний і добовий хід характерний переважним утворенням СТНР узимку й у нічний термін, та ж залежність характерна для потужності та інтенсивності струменів.

Емпіричний розподіл структурних параметрів низьких струменів підлягають розподілу Джонсона, сімейство В. Оскільки розподіл характеристик СТНР відрізняється від нормального, доцільно використовувати поряд із середніми значеннями модальні. Модальні значення основних характеристик низьких струменів зміщені убік більш низьких величин. Так, якщо в середньому швидкість вітру на осі струменя над Україною складає 19-20 м•с^-1, то її найбільш імовірні значення коливаються від 16 до 18 м•с^-1.

Потужність низьких струменів коливається від 200-300 влітку до 500-600 м взимку, інтенсивність - 16-17 м•с^-1 влітку і 18-19 м•с^-1 взимку. Найчастіше низькі струмені розташовуються на висотах 400-500 м, у залежності від рельєфу місцевості. У цілому, над Україною переважають струмені західних напрямків.

В області низького струменя переважають слабкі зсуви вітру, хоча в окремих випадках можуть формуватися сильні і дуже сильні.

У холодний період року над територією України СТНР пов'язані з піднятими інверсіями, що розташовані вище оси струменя, у теплий період року - з приземними інверсіями. В усі сезони відзначається збільшення кількості струменів, що супроводжуються інверсіями з півночі (Київ - 70 %) на південь (Одеса - 79 %). Найбільш виражені затримуючі шари, що супроводжують низькі струмені, виявляються або в передній частині циклона при проходженні теплих фронтів узимку, або в областях підвищеного тиску.

Оскільки вертикальний профіль швидкості вітру в період існування СТНР приймає різноманітний характер, запропонована типізація низьких струменів у залежності від зміни швидкості і напрямку вітру вище і нижче осі течії. В окремий тип виділені СТНР, при яких градієнти швидкості вітру вище і нижче осі течії менш ніж 4 м•с^-1 на 300 м, але швидкість вітру на осі перевищує 15 м•с^-1.

При формуванні низьких струминних течій виникають ситуації, коли швидкість приземного вітру не перевищує 4 м•с^-1. Такий розподіл швидкості вітру в нижніх шарах атмосфери може привести до нагромадження шкідливих домішок, оскільки при слабкому вітрі біля землі погіршуються умови горизонтального переносу домішок, а СТНР виконає роль "замикаючого" шару, що перешкоджає вертикальному обміну. Зазначений тип струменів складає приблизно третину усіх випадків. Ці течії менш інтенсивні і розташовані, як правило, вище ніж звичайно і практично завжди (90 %) пов'язані з затримуючими шарами. Зсуви вітру спостерігаються тут більш інтенсивні за рахунок значного повороту вітру в шарі інверсії і невеликої швидкості вітру біля поверхні землі і, отже, представляють велику небезпеку для авіації.

У третьому розділі розглядаються аеросиноптичні умови розвитку струминних течії нижніх рівнів та взаємозв'язок низьких струменів із СГЯ.

Низькотропосферні струмені формуються в різних макроциркуляційних умовах. В основному СТНР (у середньому по Україні від 65 до 70 % випадків) спостерігаються при циклонічному характері циркуляції: у тиловий, передній частинах і теплому секторі циклона, улоговини (табл. 1). У південному напрямку збільшується відсоток антициклональних струменів. У Сімферополі, самому південному пункті України, у гребені відмічено найбільший відсоток СТНР - 20 % випадків протягом року. Крім того, низькі струмені формуються в малоградієнтному полі і перехідній зоні між областями високого і низького тиску (від 4 до 15 % випадків).

Різноманітність макроциркуляційних умов формування низькотропосферних струменів свідчить про те, що в утворенні струменів беруть участь різні фізичні механізми. Це підтверджує залежність структурних параметрів СТНР від синоптичної ситуації. Так, над територією України в циклонах швидкість вітру на осі і потужність струменів у середньому більше ніж в антициклонах.

Багаторічні спостереження показують, що в 55-65 % випадків СТНР над Україною пов'язані з фронтальними розділами, і ця залежність збільшується від теплого сезону до холодного, найчастіше низькі струмені утворюються на теплих фронтах.. Так, для Одеси в холодне півріччя 30 % СТНР відзначені на теплих фронтах; 25 - на холодних і 8 - на фронтах оклюзії. У тепле півріччя відповідно: 26, 21 і 7 %.

Низькотропосферні струмені, що виникають на фронтальних розділах, як правило, розташовуються перед холодними і теплими фронтами паралельно їм, однак нерідко струмені спостерігаються в зафронтальній повітряній масі та у більшості випадків не пов'язані із струминною течією верхньої тропосфери і являють собою самостійне явище.

Найбільш інтенсивні СТНР формуються в області холодних фронтів, а найбільш потужні - в області теплих. Взагалі структура фронтальних СТНР визначається типом атмосферного фронту, його активністю, орієнтацією, швидкістю пересування, відстанню від фронту і географічним фактором.

З метою вивчення взаємозв'язку низьких струменів і СГЯ досліджено випадок формування над західною частиною України 23 червня 1997 р. інтенсивних шквалів зі швидкістю вітру 25-32 м•с^-1, що супроводжувались струменями на висотах від 1 до 1,5 км. Центральний циклон, з яким пов'язані атмосферні фронти, що переміщалися з Західної Європи на захід України, 23 червня 1997 р. був розташований над півднем Скандинавії. Холодний фронт із хвилями в 00 СГЧ знаходився на лінії Рига-Варшава-Будапешт-Загреб-північ Італії. Починаючи з 00 СГЧ спостерігалося збільшення горизонтальних градієнтів температури, у 12 СГЧ зона Т/n=11-18єС/100 км розширилася на північний схід, і саме в цьому регіоні спостерігалися шквали. Низькі струмені розміщалися перед холодним фронтом та їх інтенсивність коливалася від 18 до 22 м•с^-1, а напрямок з висотою

Таким чином, активний холодний фронт з великими термічними контрастами, що підійшов до західної границі України приблизно в 11 СГЧ, утворення циклона з хвилі на холодному фронті і падіння тиску за холодним фронтом біля вершини хвилі з могутньою купчасто-дощовою хмарністю привели до виникнення сильних шквалів у поєднанні з низькотропосферним струменем перед фронтом.

Як приклад низького орографічного струменя досліджено унікальний за своєю силою епізод Новоросійської бори 16-18 грудня 1997 р. Вона незвичайна не тільки по своїй силі і повторюваності, але і за аеросиноптичним умовами формування. Виникнувши на фоні посилення над Східною Європою антициклона рідкої потужності, з тиском у центрі - 1058 гПа, при наявності активної висотної улоговини над Чорним морем і значних контрастів температур у нижній тропосфері - 24-26С/500 км на ОТ500/1000, завдяки формуванню у шарі земля-1500 м могутніх інверсій температури, і незвичайно великих температурних контрастів у поверхні землі в районі Новоросійська, бора досягла ураганної швидкості 60 м•с^-1 і привела до катастрофічних руйнувань.

Проведено дослідження взаємозв'язку еволюції фронтальних розділів і процесів утворення СТНР. Найкраща залежність виявлена між інтенсивністю струменя (V_о) і вертикальною складовою фронтогенезу (F₂): коефіцієнти кореляції дорівнюють 0,65±0,05 перед теплим фронтом, і 0,90±0,05 - перед холодним. Зв'язок горизонтальної складової фронтогенезу (F₁) і швидкості вітру на осі струменя також найбільш тісний перед холодним фронтом - 0,80±0,05 та перед теплим - 0,70±0,05. Отримані результати можуть бути використані для побудови нових методів як діагнозу, так і короткострокового прогнозу СТНР.

У четвертому розділі пропонуються і обґрунтовуються гіпотези про можливі механізми утворення СТНР, досліджується термо- і гідродинамічний стан, а також енергетичні параметри нижніх шарів атмосфери в період існування низьких струменів.

Аналіз еволюції профілю швидкості вітру як у період існування СТНР, так і у момент, що передує їх утворенню, а також після розпаду виявляє тісну залежність трансформації профілю від зміни аеросиноптичних умов. Так, при антициклональному типі циркуляції над Україною нічна СТНР (00 СГЧ), як правило, до 12 СГЧ змінюється плавним посиленням вітру більш 15 чи 10-15 м•с^-1 - 44 та 37 % випадків, відповідно. При циклонічній циркуляції у 27 % випадків спостерігається руйнування верхньої частини струменя і утворення логарифмічного профілю вітру. У 24 % випадків нічний струмінь може трансформуватися у менш інтенсивну по швидкості чи по зсуву вітру струминну течію, або підсилитися (14 %).

Для уточнення горизонтального масштабу і еволюції явища використана щогодинна інформація про швидкість і напрямок вітру у шарі земля-1500 м над станцією Ньюпорт, штат Орегон 24-25 грудня 1997 р. і над 15-ю станціями Каліфорнії: Форт Орд, Юріка, Чіко, Санта-Роза, Бодега Бей, Сакраменто, Санта-Круз, Салінас, Монтерей, Сан-Луіс-Обіспо, Лос-Анджелес, Лонг-Бич, о. Санта-Каталіна, о. Сан-Ніколас, о. Сан-Клементе 9-10 січня 1999 г, яка отримана за допомогою мережі допплерівських локаторів, що працюють на частоті 915 МГЦ, організованої у рамках експерименту CALJET.

Так, 9-10 січня 1999 р. погода над регіоном дослідження визначалася гребенем високого тиску, спрямованим з північно-східного району Тихого океану на центральну частину Північної Америки. Біля поверхні землі переважав слабкий вітер - від 0 до 4 м•с^-1, у шарі земля-1500 м над більшістю прибережних станцій швидкість вітру не перевищувала 10 м•с^-1, а над станціями, які віддалені від берега на 200 км - 5 м•с^-1. Однак над двома з 15 розглянутих пунктів виявлені СТНР інтенсивністю більш 20 м•с^-1. Один з пунктів є островом - о. Сан Клементе (San Clemente), інший - прибережною станцією Бодега Бей (Bodega Bay), північна Каліфорнія. За годину до утворення струменя (00 годин місцевого часу) над станцією Бодега Бей спостерігалося рівномірне посилення вітру від 10 м•с^-1 у землі до 19 м•с^-1 на висоті 1000 м. Далі, протягом 1 години на висотах 300-500 м утворилася СТНР інтенсивністю 15 м•с^-1, що підсилювалася, через 2 години її інтенсивність склала 20 м•с^-1. У 09 годин явище не відзначалося. Над о. Сан Клементе о 04 годині сформувався струмінь інтенсивністю 15 м•с^-1, який був розташований на висотах 400-600 м. Утворенню струменя передували невеликі, близько 7 м•с^-1, локальні максимуми. До 09 години СТНР також цілком зникла. Виходячи з такого характеру еволюції швидкості та напрямку вітру у граничному шарі атмосфери і з локальності феномена, ці струмені є окремими, самостійними явищами, що сформувалися в умовах антициклонічної циркуляції над прибережними станціями, та являють собою інтенсивне нічне посилення вітру внаслідок ослаблення турбулентного обміну.

Таким чином, щогодинні дані про швидкість і напрямок вітру, на прикладі інформації метеорологічного полігона на південно-західному узбережжі США дає можливість не тільки уточнити горизонтальний масштаб СТНР, але і зробити висновок про її походження.

На прикладі дослідження еволюції профілю швидкості вітру та інших метеовеличин над 12 станціями України, Білорусії, Литви і Росії (Смоленськ, Курськ, Москва, Київ, Шепетівка, Львів, Чернівці, Харків, Мінськ, Брест, Гомель, Каунас) за даними 4-разового радіозондування в період аварії на Чорнобильській АЕС (з 26 квітня по 5 травня 1986 р.) робиться заключення про екологічну інформативність даних про низькотропосферні струмені. Південно-східний напрямок вітру на осі низьких струменів над північно-західною частиною регіону дослідження збігається з рухом траєкторії центра ваги приземної частини хмари радіоактивної домішки, що утворилася у результаті одного з перших викидів при аварії. Інтенсивність СТНР коливалася від 16 до 23 м•с^-1 і зростала від Києва і Гомеля, найближчих до Чорнобиля пунктів, до Бреста, у поєднанні з аномальними метеорологічними умовами.

Дана оцінка можливості застосування основних енергетичних рівнянь до дослідження СТНР. Незважаючи на те, що використана методика описує фізичні властивості об'єктів макромасштабу, а осереднення енергетичних характеристик по всій території України не дозволяє виділити локальні процеси, можна припустити, що утворення СТНР обумовлене припливом кінетичної енергії внаслідок вертикальної адвекції в даний шар.

Середнє значення числа Ri нижче осі СТНР коливається від 0,39 до 2,62 вночі, і від 0,57 до 3,94 вдень. Значення Ri над віссю струменя вище - від 0,77 до 5,17 вночі, і від 2,04 до 7,31 вдень. Таким чином, під віссю струменя повітря менш стійке, ніж над нею внаслідок більш швидкого наростання швидкості вітру нижче осі СТНР. Уночі, за рахунок більшої інтенсивності струменів, Rі менше свого денного значення, як вище, так і нижче осі струменя .Число випадків Rі<0.25 невелике: 16 і 4 %, відповідно нижче і вище осі СТНР, і вони переважно спостерігаються в зоні атмосферних фронтів та улоговинах.

Для виявлення зв'язку типу вертикального розподілу швидкості вітру і гідродинамічних характеристик стану граничного шару атмосфери обрано зимовий період, коли для території України характерна найбільша повторюваність СТНР. Над 9-ю станціями України (Київ, Львів, Ужгород, Чернівці, Одеса, Сімферополь, Шепетівка, Кривий Ріг, Харків) розраховані значення числа Ri та його складових у шарах земля-925 гПа і 925-850 гПа з обліком і без обліку інформації в особливих крапках. У цілому було розглянуто 30 параметрів, що характеризують гідродинамічний стан граничного шару атмосфери. Усі перераховані вище характеристики обчислені з точністю до 0,1єС по температурі, до 1 м•с^-1 по швидкості і 10є по напрямку вітру. Таким чином, сформовано масив даних загальним обсягом 2573 випадків, де частка СТНР склала 15 % від загального числа.

Найкращі результати дають значення вертикального градієнту температури і зсуву вітру у шарі земля-925 гПа (г_З-925 та в_З-925). Как показано на рис. 2, для станцій рівнинної частини України (Кривий Ріг, Харків, Київ, Одеса) та Сімферополя характерний схожий тип розподілу г_З-925 і в_З-925. Більша частина СТНР та випадків рівномірного посилення швидкості вітру з висотою більш ніж 15 мс^-1 у граничному шарі атмосфери спостерігається при -1<г_З-925<1єС/100 м та в_З-925.>1 мс^-1/100 м. У Харкові, Києві, Одесі і Сімферополі неможливо розділити випадки СТНР та рівномірного посилення швидкості вітру з висотою, але у Кривому Розі область низьких струменів (65 %) чітко локалізована.

Для регіону Українських Карпат (Львів, Чернівці та Ужгород) і Шепетівці, що розташована на стику Волинської, Придніпровської і Подільський височин, властиво інший тип розподілу параметрів г_З-925 і в_З-925. Більша частина СТНР, від 61 % в Ужгороді до 89 % у Шепетівці, розташована в області слабких або помірних зсувів вітру, тоді як г_З-925 приймає негативні чи невеликі позитивні значення. Зона посилень вітру, от 65 % у Чернівцях до 74 % у Шепетівці, також знаходиться в області слабких чи помірних зрушень вітру, але г_З-925 > 0.

Таким чином, отримані гідродинамічні характеристики нижньої частини граничного шару атмосфери, у межах яких низькотропосферні струмені імовірніші (від 60 до 90 %). Результати цього дослідження можуть застосовуватися для діагнозу, а при наявності прогностичних значень вертикального градієнту температури і зсуву вітру в шарі земля-925гПа, для прогнозу СТНР над територією України взимку.

Виконано моделювання 300 вертикальних профілів швидкості вітру при СТНР за допомогою кубічною сплайн-інтерполяції з кроком сплайну 10 м. Як виявилося, чим більше використовується пунктів для побудови сплайну, тим ближче інтерпольований профіль до фактичного. Якщо пік просліджується на стандартних висотах, то сплайн уточнює фактичний. профіль. У 74 % випадків модельний профіль добре узгоджується з даними в особливих точках. Тому застосування сплайн-інтерполяції для моделювання вертикального профілю вітру при СТНР доцільно.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і здійснено нове вирішення наукової задачі, що полягає в комплексному дослідженні низькотропосферних струменів шляхом реалізації багатопланового підходу до вивчення фізики процесу виникнення і розвитку струминних течій нижніх рівнів у різних синоптичних і фізико-географічних умовах, а також розробці методів їх виявлення і прогнозу над територією України.

В результаті виконаної роботи можна зробити такі висновки:

Низькотропосферні струмені спостерігаються з різною частотою у всіх регіонах земної кулі і в деяких випадках грають кліматоутворюючу роль. Над Україною повторюваність СТНР коливається від 2 до 15 % усіх спостережень, тривалість явища складає у середньому близько 6 годин і переважають струмені західних напрямків. Низькі струмені в основному розташовуються на висотах 400-500 м, причому просліджується залежність висоти осі від рельєфу місцевості. Сезонний і добовий хід характеризується переважним утворенням СТНР взимку й у нічний термін. Така ж залежність характерна для потужності та інтенсивності струменів.

Найбільш небезпечні для авіації сильні зсуви вітру формуються при проходженні атмосферних фронтів та при наявності інверсії або ізотермії в шарі з СТНР, тоді як у цілому в області низького струменя переважають слабкі зсуви вітру. У холодний період року низькі струмені переважно пов'язані з підвищеними інверсіями, що розташовані вище оси струменя, у теплий період року - з приземними інверсіями.

Запропонована типізація низьких струменів у залежності від зміни швидкості і напрямку вітру вище і нижче осі течії. В окремий тип виділені СТНР, при якому градієнти швидкості вітру вище і нижче осі струменя менше чим 4 м•с^-1 на 300 м, але швидкість вітру на осі СТНР перевищує 15 м•с^-1.

Приблизно третину усіх випадків складають струмені, що формуються у граничному шарі атмосфери при слабкому вітрі біля поверхні землі. Вони менш інтенсивні і розташовані на 200-400 м вище. Практично завжди (90 %) пов'язані з затримуючими шарами.

Струмені нижніх рівнів переважно (70 %) виникають при циклонічній циркуляції, а в області антициклонів зростає тривалість струменів. З півночі до півдня Східноєвропейської рівнини збільшується відсоток антициклональних струменів. При антициклональному типі циркуляції значна частина нічних СТНР через 12 годин трансформується до плавного посилення вітру більш 15 чи 10-15 м•с^-1 - 44 та 37 % випадків, відповідно. При циклонічній циркуляції 27 % випадків струмінь розмивається, у 24 % випадків нічна СТНР змінюється на менш інтенсивну струминну течію, або підсилюється (14 %).

Низькотропосферні струмені, що формуються в зоні атмосферних фронтів, як правило, не пов'язані зі струминної течією верхньої тропосфери і являють собою самостійне явище. Структура фронтальних СТНР визначається типом атмосферного фронту, його активністю, орієнтацією, швидкістю пересування, відстанню від фронту і географічним фактором.

Утворення шквалів і СТНР під могутньою купчасто-дощовою хмарністю і перед холодними фронтами є взаємозалежним процесом і обумовлено активністю фронтальних розділів і ступенем розвитку конвекції.

Випадок утворення орографічної низької струминної течії, що привела до катастрофічних руйнувань у Новоросійську (груднева бора 1997 р.), є унікальним по своїй силі (60 м•с^-1), повторюваності (1 раз у 150 років) і аеросиноптичним умовам формування.

Існує тісний зв'язок між швидкістю вітру на осі низькотропосферного струменя та інтенсивністю фронтальних розділів у зимовий період над територією України. Доцільно ранжирувати випадки із СТНР за типом атмосферного фронту і розташуванням станції щодо лінії фронту.

Щогодинна інформація про швидкість і напрямок вітру, на прикладі даних метеорологічного полігона на південно-західному узбережжі США, підтверджує висновки, що зроблено за допомогою 2 і 4-х разового зондування, та дає можливість не тільки уточнити горизонтальний масштаб СТНР, але і зробити висновок про його походження.

Формування південно-східних нічних струменів 26-27 квітня 1986 р. над північно-західною частиною регіону, що постраждав у результаті Чорнобильської аварії, у сполученні зі слабким вітром у поверхні землі і могутніх інверсій, привело до переносу приземної частини хмари радіоактивної домішки в північно-західному напрямку.

Вивчання балансу кінетичної і потенційної енергії тропосфери дає можливість припустити, що утворення СТНР обумовлене припливом кінетичної енергії внаслідок вертикальної адвекції в шар, де спостерігаються струмені.

На основі гіпотези про хвильову природу походження СТНР отримані гідродинамічні характеристики граничного шару атмосфери, що відповідають найбільшій імовірності низькотропосферних струменів. Над рівнинною частиною України від 60 до 90 % низьких струменів та випадків рівномірного посилення швидкості вітру з висотою більш ніж 15 мс^-1 у граничному шарі атмосфери спостерігається, якщо у шарі нижче 925 гПа зсув вітру перевищує 1 мс^-1/100 м та вертикальний градієнт температури коливається від -1 до 1єС/100 м. Більша частина СТНР відзначається над регіоном Українських Карпат та Шепетівкою в області слабких або помірних зсувів вітру, тоді як вертикальний градієнт температури приймає негативні чи невеликі позитивні значення.

Обґрунтовано доцільність сплайн-інтерполяції для моделювання вертикального профілю вітру при СТНР.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Ивус Г.П., Семергей-Чумаченко А.Б. Применение уравнений энергии к исследованию СТНР // Метеорология, климатология и гидрология. - 1996. - Вып. 33. - С. 57-62.

Ивус Г.П., Семергей-Чумаченко А.Б. К вопросу о струйных течениях нижних уровней над Одессой // Метеорология, климатология и гидрология. - 1998. - Вып. 35. - С. 121-129.

Ивус Г.П., Семергей-Чумаченко А.Б. Некоторые параметры аномальных метеорологических условий над Причерноморьем // Метеорология, климатология и гидрология. - 1998, Вып. 35. - С. 113-121.

Ивус Г.П., Семергей-Чумаченко А.Б. Сильные шквалы на западе Украины 23 июня 1997 г// Метеорология, климатология и гидрология. - 1999. - Вып. 39. - С. 105-112.

Ивус Г.П., Семергей-Чумаченко А.Б., Наджмудинова Е.Н. Фронтогенез и струйные течения нижних уровней над Украиной // Метеорология, климатология и гидрология. - 1999. - Вып. 39. - С. 101-104.

Семергей-Чумаченко А.Б. Диагноз и прогноз струйных течений нижних уровней с использованием гидродинамических характеристик пограничного слоя атмосферы // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2002. - Вип. 46. - С. 77-82.

Івус Г.П., Семергей А.Б., Тимофєєв В.Є. Кліматична характеристика метеорологічних умов Причорномор'я // І розділ навчального посібника Івус Г.П. “Умови утворення та прогноз слабкого вітру біля поверхні землі та інверсій температури в районі Одеси”. - К.: НМК з гідрометеорології Міносвіти України, 1998. - С. 7-17.

Івус Г.П., Семергей А.Б., Тимофєєв В.Є. Прогноз сильного вітру // 7 розділ підручнику Івус Г.П. “Спеціалізовані прогнози погоди” - Одеса: ТЕС, 1998. - С. 85-96.

Івус Г.П., Семергей-Чумаченко А.Б. Зв'язок струменевих течій нижніх рівнів над Одесою з слабким вітром біля поверхні землі // У метод. листу: “Аеросиноптичні умови виникнення слабкого вітру та інверсій в районі м. Одеса та методи їх прогнозування”. - К.: Держкомгідромет, 1998. - С. 10-11.

Ивус Г.П., Семергей А.Б., Хоменко Г.В. Климатические характеристики метеорологических условий распространения примесей над южными районами Украины и Молдовой - Киев, 1995. - 13 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины - 27.11.95, № 02-491.

Ивус Г.П., Ивус Э.В., Семергей-Чумаченко А.Б. Струйные течения нижних уровней над Карпатами // Тез. - Львов, 1998. - С. 122-123.

Ивус Г.П., Семергей-Чумаченко А.Б. К вопросу о применении волновой теории к исследованию струйных течений нижних уровней // Матер. междун. конф. по техн. метеорологии. - Львов, 1998. - С. 117-122.

Ивус Г.П., Семергей-Чумаченко А.Б. Струйные течения нижних уровней над Украиной // Сучасні авіаційні технології: Секція “Аеродинаміка та динаміка польотів”: Матеріали ІV міжнародної науково-технічної конференції “АВІА-2002”, 23-25 квітня 2002 р. - Т. 3. - К.: НАУ, 2002. - С. 33.19-33.22.

Семергей-Чумаченко А.Б., Ивус Г.П. Струйные течения нижних уровней над Украиной // ІІ наукова конференція молодих вчених ОГМІ. Тези доповідей. - Одеса: ОГМІ, 2001. - С. 16-17.

Семергей-Чумаченко А.Б., Хаджи-Страти Е.Д. Новороссийская бора как частный случай орографической низкотропосферной струи // Тези міжнародної конференції “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища - 2002” - Одеса, 2002. - С. 87-88.

Хаджи-Страти Е.Д., Семергей-Чумаченко А.Б. Орографические низкотропосферные струи на примере новороссийской боры // Матеріали міжнародної конференції “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища - 2002”. - Ч. 1. - Одеса, 2003. - С. 164-171.

АННОТАЦІЇ

Семергей-Чумаченко А.Б. Аеросиноптичні умови утворювання та розвитку струминних течій нижніх рівнів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню аеросиноптичних умов утворювання та розвитку струминних течій нижніх рівнів (СТНР) та розробці нових методів діагнозу і прогнозу явища.

Проведено кліматографічне дослідження СТНР над Україною з використанням великого обсягу матеріалу за останні 25 років. Вивчено процеси формування низьких струменів над Україною у різних фізико-географічних і макроциркуляційних умовах, а також взаємозв'язок низьких струменів і стихійних гідрометеорологічних явищ. Проаналізовано енергетичні характеристики тропосфери в період існування СТНР.

Зроблено заключення про екологічну небезпеку низьких струменів на прикладі дослідження зв'язку явища з інверсіями температури та слабким приземним вітром над регіоном, який постраждав від Чорнобильської катастрофи. На основі гіпотези про хвильову природу походження СТНР отримано гідродинамічні характеристики граничного шару атмосфери, у границях яких низькотропосферні струмені імовірніші. Запропоновано використання сплайн-інтерполяції для моделювання вертикального профілю вітру при СТНР.

Ключові слова: струменеві течії нижніх рівнів, граничний шар атмосфери, інверсія температури.

Семергей-Чумаченко А.Б. Аэросиноптические условия образования и развития струйных течений нижних уровней. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2003.

Диссертация посвящена комплексному исследованию условий образования и развития струйных течений нижних уровней (СТНУ) и разработке новых методов диагноза и прогноза явления, а также численной оценки гидродинамической структуры пограничного слоя атмосферы в период существования СТНУ

Струйные течения нижних уровней образуются в разнообразных ситуациях, отличающихся широким спектром характеристик полей метеорологических величин. Поэтому всесторонний анализ физических механизмов возникновения низкой струи, а также явлений различных масштабов, предшествующих и сопутствующих СТНУ, является одним из важных этапов на пути к разработке новых и совершенствованию существующих методов их диагноза и прогноза.

Помимо практической значимости, изучение СТНУ представляет собой интересную теоретическую задачу. Это связано с необходимостью построения математических моделей пограничного слоя атмосферы и атмосферных фронтов, выявляющих струи нижних уровней, а также с весьма актуальной проблемой накопления и переноса примесей в нижних слоях атмосферы в условиях существования СТНУ и инверсий температуры воздуха.

Существенной особенностью работы является реализация многопланового подхода к изучению физики процесса возникновение и развития струйных течений нижних уровней в разных синоптических и физико-географических условиях, а также разработка методов их выявления и прогноза над территорией Украины

Как показало климатографическое исследование СТНУ с использованием большого объема материала за последние 25 лет, низкие струи над Украиной наблюдаются повсеместно и в любое время года, их повторяемость колеблется от 2 до 15 % всех наблюдений. Определяющее влияние на их возникновение, время существования и интенсивность, а также на временную и пространственную структуру основных характеристик явления, оказывают макроциркуляционные условия в сочетании с географическим фактором.

Приблизительно треть всех случаев составляют струи, которые формируются в пограничном слое атмосферы при слабом приземном ветре. Они менее интенсивны и расположены на 200-400 м выше, также практически всегда (90 %) связаны с задерживающими слоями.

Низкотропосферные струи являются одним из факторов, способствующих созданию неблагоприятной экологической обстановки, особенно в сочетании с инверсиями и слабым ветром у поверхности земли.

Возникновение и развитие юго-восточных ночных струй 26-27 апреля 1986 г. над северо-западной частью региона, который пострадал в результате Чернобыльской аварии, сопровождающихся слабым приземным ветром и мощными приземными инверсиями, привело к переносу приземной части тучи радиоактивной примеси в северо-западном направлении.

Струйные течения нижней части атмосферы формируются в различных макроциркуляционных условиях. Над Украиной СТНУ преимущественно, в среднем в 65-70 % случаев, наблюдаются при циклоническом характере циркуляции, причем доля антициклональных струй увеличивается в южном направлении. Разнообразие макроциркуляционных условий образования и развития низкотропосферных струй свидетельствует о том, что в образовании струй участвуют различные физические механизмы, что подтверждается зависимостью структурных параметров СТНУ от синоптической ситуации.

Низкие струи, формирующиеся в зоне атмосферных фронтов, как правило, не связаны со струйным течением верхней тропосферы и представляют собой самостоятельное явление. Структура фронтальных СТНУ определяется типом атмосферного фронта, его активностью, ориентацией, скоростью передвижения, расстоянием от фронта и географическим фактором

Образование шквалов и СТНУ под мощной кучево-дождевой облачностью и перед холодными фронтами есть взаимозависимым процессом и обусловлено активностью фронтальных разделов и степенью развития конвекции.

Существует тесная связь между скоростью ветра на оси низкотропосферной струи и интенсивностью фронтальных разделов в зимний период над территорией Украины. Целесообразно ранжировать случаи с СТНУ по типу атмосферного фронта и расположению станции относительно линии фронта.

Изучение баланса кинетической и потенциальной энергии тропосферы позволяет предположить, что образование СТНУ обусловлено притоком кинетической энергии вследствие вертикальной адвекции в слой, где наблюдаются струи.

На основе гипотезы о волновой природе происхождения СТНУ получены гидродинамические характеристики пограничного слоя атмосферы, отвечающие наибольшей вероятности (от 60 до 90 %) образования низкотропосферных струй в разных макроциркуляционных и физико-географических условиях.

Обоснована целесообразность моделирования вертикального профиля скорости ветра при СТНУ с помощью сплайн-интерполяции.

Ключевые слова: струйные течения нижних уровней, пограничный слой атмосферы, инверсия температуры.

Semergey-Chumachenko A.B. Aerosynoptic conditions of formation and development of low level jets. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree of geographical sciences by specialty 11.00.09 - meteorology, climatology, agrometeorology. - Odesa state environmental university, Odesa, 2003.

In the thesis aerosynoptic conditions of formation and development of low level jets (LLJ) have been investigated and new methods phenomena's diagnosis and prognosis have been worked out.

The climatographical investigation of LLJ over Ukraine with usage great material for last 25 years has been conducted. The formation of LLJ in different geographical and macrocirculating situations, the interaction low jets and disastrous hydrometeorological phenomenon have been specified. Energetic characteristics of troposphere during existing LLJ have been analyzed.

The conclusion about ecological danger of low jet on example the research a phenomena's relations with temperature inversion and weak wind near land surface over region, which has been damaged from Chernobyl's catastrophe, has been made.

At the base of hypothesis about wave nature of LLJ a hydrodynamical characteristics of atmospheric boundary layer within limits of which low tropospheric jets are most probable have been resulted. The procedure a spline-interpolation for modeling of vertical wind profile in the LLJ presence has been proposed.

Keywords: low level jet, atmospheric boundary layer, temperature inversion.

Размещено на Allbest.ru

...