Особливості синоптичних процесів, що зумовлюють небезпечні і стихійні опади у теплий період на території України

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

УДК 551.515:551.58:551.54

ОСОБЛИВОСТІ СИНОПТИЧНИХ ПРОЦЕСІВ,

ЩО ЗУМОВЛЮЮТЬ НЕБЕЗПЕЧНІ І СТИХІЙНІ ОПАДИ У ТЕПЛИЙ ПЕРІОД НА ТЕРИТОРІЇ УКРАЇНИ

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

БАЛАБУХ ВІРА ОЛЕКСІЇВНА

Київ - 2008

АНОТАЦІЯ

Балабух В.О. Особливості синоптичних процесів, що зумовлюють небезпечні і стихійні опади у теплий період на території України. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Географічний факультет Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Київ, 2007.

Дисертацію присвячено розробці, обгрунтуванню та реалізації нових підходів до моніторингу і дослідження синоптичних процесів, що зумовлюють небезпечну і стихійну кількість опадів у теплий період. У роботі уточнено синоптичні процеси, що зумовлюють НЯ та СГЯ в Україні у теплий період, особливості локалізації та інтенсивність їх осередків залежно від типу синоптичного процесу. Проведено картографування повторюваності НЯ і СГЯ. Виявлено найбільш опадонебезпечні зони. Підтверджено, що фронтальні процеси в усіх регіонах країни є більш небезпечними, ніж внутрішньомасові. Розроблено методику об'єктивної ідентифікації баричних систем синоптичного масштабу (ОІБС). На основі ОІБС уточнено структуру атмосфери та баричного поля, кількісні величини складових бюджетів водяної пари та кінетичної енергії баричних утворень у нижній тропосфері. Виявлено їх особливості при різних синоптичних процесах та встановлено динаміку наприкінці ХХ - початку ХХІ ст. Доведено що періодичність повторюваності небезпечних та стихійних опадів аналогічна періодичності характеристик інтенсивності баричних утворень, що їх зумовлюють. Отримані результати свідчать про коливальний характер цих змін. Виявлені особливості циклонічної діяльності у теплий період наприкінці ХХ - початку ХХІ ст. підтвердили висновки, отримані за методикою ОІБС, і свідчать про те, що об'єктивна ідентифікація баричних систем синоптичного масштабу реально відображає структуру атмосфери, її енергетику, вологовміст та процеси, що в ній відбуваються, а також дозволяє глибше зрозуміти фізичний механізм утворення опадів та їх мінливість. Вона може використовуватись для їх дослідження та моніторингу і є першим етапом в оцінці умов, сприятливих для виникнення НЯ та СГЯ.

Ключові слова: об'єктивна ідентифікація, синоптичний процес, циклон, небезпечна и стихійна кількість опадів, кінетична енергія, вологовміст, траєкторії, періодичність, міжрічна мінливість, тренд,

АННОТАЦИЯ

Балабух В.А. Особенности синоптических процессов, которые обуславливают опасные и стихийные осадки в теплый период на территории Украины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2007.

Диссертация посвящена разработке, обоснованию и реализации новых подходов к мониторингу синоптических процессов, которые обуславливают опасное (ОЯ) и стихийное колличество осадков (СГЯ) в теплый период (апрель-сентябрь).

В работе уточнены синоптические процессы, которые обуславливают опасные и стихийные осадки в Украине в теплый период, особенности локализации и интенсивность очагов ОЯ и СГЯ в зависимости от типа процесса. Подтведждено, что локализация ОЯ и СГЯ, как и осадков в целом, подчиняется законам широтной и высотной поясности. Проведено картирование повторяемости ОЯ и СГЯ как в целом для Украины, так и для различных синоптических ситуаций, выявлены наиболее опасные зоны.

Впервые разработана методика объективной идентификации барических систем синоптического масштаба (ОИБС), уточнены их количественные критерии. На основании ОИБС уточнена структура атмосферы и барического поля нижней тропосферы, количественные величины составляющих бюджетов водяного пара и кинетической энергии барических образований. Выявлены их особенности при разных синоптических процессах в регионах Украины. Установлено, что с увеличением южной составляющей барических образований увеличивается их влагосодержание и уменьшается генерация кинетической энергии. Определено, что периодичность повторяемости ОЯ и СГЯ аналогична периодичности характеристик интенсивности барических образований, которые их обуславливают. Полученные результаты свидетельствуют о колебательном характере этих изменений. Установлено, что в период, когда на территории Украины наблюдалось увеличение повторяемости случаев ОЯ и СГЯ, влагосодержание циклонов увеличивалось, а их кинетическая энергия уменьшалась. При этом наблюдалось увеличение повторяемости барических образований повышенного давления и уменьшение повторяемости барических образований пониженного давления.

Исследование циклонической деятельности показало, что циклоны в Украину в конце ХХ - начале ХХІ столетия выходили по более южной траектории, их скорость была значительно меньше, сами барические образования были более глубокими, чем в предыдущие годы. При этом циклонов выходить на территорию Украины стало меньше. Изменение траекторий смещения вихрей и районов их формирования свидетельствует об увеличении меридиональной и ослаблении зональной циркуляции атмосферы, изменении положения центров действия атмосферы и, соответственно, изменении ориентации оси влагооборота между Атлантическим океаном и Центральной Европой в теплый период в начале ХХІ столетия. Полученные результаты свидетельствуют о том, что разработанная методика ОИБС реально отображает структуру атмосферы, ее энергетику, влагосодержание, процессы, которые в ней происходят, позволяет глубже понять механизм образования осадков и их изменчивость, может использоваться для их исследования и мониторинга. Разработанное программное обеспечение, данные и результаты, полученные при выполнении диссертации, используются при разработке информационно-справочной системы “Стихийные метеорологические явления в Украине”, разработанной в УкрНИГМИ и могут быть использованы для создания аналогичных систем для любого региона земного шара. Результаты, полученные в работе, используются при разработке методов прогноза периодов высокой и низкой водности в Украине и катастрофических паводков в Карпатском регионе.

Ключевые слова: объективная идентификация, синоптический процесс, циклон, опасное и стихийное количество осадков, кинетическая энергия, влагосодержание, траектории, периодичность, межгодовая изменчивость, тренд.

SUMMARY

Balabukh V.A. Features of weather processes which predetermine dangerous and elemental precipitations in a warm period on territory of Ukraine - Manuscript.

Dissertation on gaining of scientific degree the Candidate of Geographical Sciences, speciality 11.00.09 Meteorology, Climatology, Agricultural Meteorology - the Geographical faculty of the Tarasa Shevchenko Kyiv National University, Kyiv, 2007.

Dissertation is devoted to development, ground and realization of new approaches to monitoring of weather processes which stipulate origin of strong and very strong rains, strong heavy showers and to the exposure of their features in the regions of country. For the first time is developed the method of objective authentication of the baric systems (OIBS) which takes into account thermodynamics individuality of air mass. On the basis of OIBS is specified the structure of the baric field of the lower troposphere in a warm period. There are received averages for each month, and the warm period as whole, sizes of repeatability of the baric formations, air masses and frontal zones in Ukraine. For each identified element of baric fields are received average values of steam and specific kinetic energy in the lower troposphere. There are investigated their periodicity and annual variability, features in regions of the country at different synoptic processes, and also influence on repeatability of dangerous and spontaneous precipitations. It is certain, that periodicity of repeatability of catastrophic precipitations is similar to periodicity of investigated characteristics. The received results testify to an opportunity of oscillatory character of these changes. The lead analysis of annual variability of energy and specific humidity of cyclones which took place in Ukraine during when on its territory the increase in repeatability of cases of dangerous and spontaneous quantity of precipitations has shown, that during this period their specific humidity increased, and kinetic energy decreased. There was observed the increase in repeatability of baric formations of the raised pressure and reduction of repeatability of baric formations of the lowered pressure. The received results testify that the developed technique of objective identification of baric systems of synoptic scale really displays structure of an atmosphere, its energy and specific humidity, allows to understand the formation mechanism of precipitations and their variability, it can be used for their research and monitoring.

Keywords: objective identification, weather process, cyclone, dangerous of precipitations, kinetic energy, moisture content, trajectory, periodicity, trend.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі чисельних і синоптичних досліджень Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту НАН України і Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук Прусов Віталій Арсенійович, професор кафедри метеорології та кліматології Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Офіційні опоненти: доктор географічних наук Хохлов Валерій Миколайович, доцент кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів Одеського державного екологічного університету Міністерства освіти і науки України

кандидат географічних наук Кульбіда Микола Іванович, начальник Українського гідрометеорологічного центру Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи

Захист відбудеться “ 21 “ лютого 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: м.Київ, МСП-680, проспект Глушкова 2, географічний факультет.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ-33, вул..Володимирська,64.

Автореферат розісланий “ 18 “ січня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22 кандидат географічних наук В.В.Гребінь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми досліджень визначається необхідністю подальшого розвитку надійного моніторингу синоптичних процесів, що зумовлюють небезпечні (НЯ) та стихійні гідрометеорологічні явища (СГЯ) погоди, автоматизації процесів аналізу і діагностики стану атмосфери та прогнозу довготермінових змін її параметрів, що впливають на утворення НЯ і СГЯ. Дисертаційна робота присвячена розробці, обґрунтуванню та реалізації нових підходів до моніторингу синоптичних процесів, що зумовлюють виникнення найбільш небезпечних метеорологічних явищ в Україні, а саме: сильних і дуже сильних дощів, сильних злив у теплий період року та виявленню їх особливостей у регіонах країни.

Дослідження клімату та їх прогноз є однією з найактуальніших проблем науки. Зміна клімату, зумовлена зміною циркуляції атмосфери, по різному проявляється у регіонах планети. Дослідженням циркуляції атмосфери та синоптичних процесів, що зумовлюють виникнення небезпечних і стихійних опадів в Україні, займалось не одне покоління дослідників. Опису синоптичних умов утворення опадів присвячено багато робіт, в яких відмічається, що інтенсивність і тривалість явища залежить від типу синоптичної ситуації. Однак, достатньою мірою систематизовані дані є лише для окремих територій і певних градацій інтенсивності явищ, що не дає повної картини умов їх утворення в Україні та її регіонах. Ці роботи важко узагальнити, оскільки їх результати ґрунтуються на різних методологічних підходах, використовують суб'єктивні оцінки синоптичних процесів і різні критерії НЯ та СГЯ. Крім того, вони проводились переважно у 50-70-х роках ХХ ст. і не могли врахувати змін, які відбуваються в циркуляції атмосфери протягом останніх десятиріч. Кількісним показником інтенсивності синоптичних процесів є енергетика і вологовміст баричних утворень. Однак, даних про ці характеристики дуже мало, до того ж ці роботи присвячені переважно баричним утворенням холодного періоду року. Дослідження синоптичних процесів ускладнюються відсутністю об'єктивних критеріїв визначення баричних систем синоптичного масштабу. Для оцінки інтенсивності і динаміки баричних утворень необхідна методика об'єктивної ідентифікації. Застосування такої методики для дослідження синоптичних процесів дозволить краще зрозуміти природу і механізми їх впливу на утворення і характер прояву НЯ і СГЯ у регіонах України.

Таким чином, актуальність дисертаційної роботи обґрунтовується фундаментальністю та практичною значущістю розв'язуваних у ній задач. Вирішення поставлених питань, за умов комплексного підходу до проблеми вивчення атмосферних процесів, що зумовлюють НЯ та СГЯ, є актуальним і покликано сприяти удосконаленню якісного і кількісного аналізу досліджуваних процесів і явищ погоди та розробці ефективних методик їх прогнозу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, представлені в роботі, проводились відповідно до галузевих планів науково-дослідних робіт Державного комітету України з гідрометеорології, серед яких найважливішими є:

· “Дослідження взаємозв'язку макро- та мезомасштабних факторів атмосферної циркуляції; формування зон конвекції та пов'язаних з ними небезпечних явищ погоди (град, небезпечні півдобові суми опадів)” (№ держреєстрації: 0196007435 - 1998 р.);

· “Удосконалення та розробка коротко-, середньо-, та довгострокового прогнозу погоди для території України на основі фізико- статистичних та чисельних методів” (№ держреєстрації 0101V003779 - 2002 р.);

· „Дослідження та розробка методів прогнозу атмосферних процесів, небезпечних та стихійних гідрометеорологічних явищ” (№ держреєстрації 0103V006507-2005 р.);

· „Розроблення нових та удосконалення існуючих методів обробки й аналізу метеорологічної інформації, прогнозу атмосферних процесів та метеорологічних явищ” ((№ держреєстрації 0106U007308 -з 2006 р.).

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є розробка та реалізація нових підходів до моніторингу синоптичних процесів, що зумовлюють небезпечну та стихійну кількість опадів у теплий період в Україні, визначення об'єктивних показників їх інтенсивності, виявлення їх динаміки і особливостей у регіонах країни. Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні завдання:

· виявити синоптичні процеси, що зумовлюють небезпечну та стихійну кількість опадів наприкінці ХХ - початку ХХІ ст. та встановити інтенсивність і особливості локалізації НЯ і СГЯ при цих процесах;

· розробити методику об'єктивної ідентифікації баричних систем синоптичного масштабу (ОІБС) та їх складових, яка враховує термодинамічну індивідуальність повітряних мас;

· за методикою ОІБС отримати об'єктивний системний опис синоптичних процесів теплого періоду в Україні та її регіонах, який включає структуру, енергетику та вологовміст баричного поля нижньої тропосфери;

· за методикою ОІБС дослідити періодичність та міжрічну мінливість показників інтенсивності синоптичних процесів та встановити їх вплив на повторюваність випадків стихійних опадів в Україні у теплий період;

· дослідити особливості циклонічної діяльності у теплий період наприкінці ХХ - початку ХХІ ст. (регіони виникнення, територіальну локалізацію траєкторій, повторюваність, швидкість переміщення та глибину) в Україні та встановити наскільки реально розроблена методика ОІБС відображає процеси, що спостерігаються у нижній тропосфері у цей період.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження являються синоптичні процеси, з якими пов'язано виникнення і розвиток баричних систем, в яких утворюються НЯ і СГЯ. Предметом даного дослідження є баричні утворення, що зумовлюють виникнення НЯ і СГЯ, їх повторюваність, енергетика, вологовміст та міжрічна мінливість наприкінці ХХ - початку ХХІ ст., а також самі небезпечні і стихійні гідрометеорологічні явища.

Методи досліджень. Методика об'єктивної ідентифікації баричних систем синоптичного масштабу створена за допомогою алгоритмів теорії розпізнавання образів і, насамперед, алгоритмів побудови дерева рішень. Розрахунок інтенсивності баричних утворень нижньої тропосфери і, зокрема, енергетичних параметрів та вологовмісту, здійснювався на основі вирішення відповідних рівнянь термодинаміки. Статистична характеристика змін у часі кількості випадків НЯ і СГЯ та інтенсивності процесів, що їх зумовлюють, здійснювалася за допомогою аналізу часових рядів, які розглядаються як реалізації стохастичного процесу. Для обґрунтування структурних коливань застосовувався математичний апарат, представлений автокореляційним і спектральним аналізами. При дослідженні просторово-часового розподілу повторюваності НЯ та СГЯ, районуванні території, побудові і дослідженні траєкторій переміщення та повторюваності циклонів знайшли застосування традиційні кліматологічні методи отримання і оцінки характеристик та графоаналітичні методи (кластерний аналіз і, зокрема, ітеративний метод групування k- середніх). Отримані висновки оцінювалися з точки зору їх достовірності шляхом перевірки відповідних статистичних гіпотез.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що синоптичні процеси, які зумовлюють небезпечну та стихійну кількість опадів, вперше розглядаються і оцінюються за допомагою кількісних критеріїв інтенсивності баричних систем синоптичного масштабу. До елементів новизни відносяться наступні положення і розробки дисертації:

· Уточнено кількісні критерії баричних систем синоптичного масштабу та вперше розроблено методику їх об'єктивної ідентифікації - ОІБС, яка враховує термодинамічну індивідуальність повітряної маси.

· На основі ОІБС уточнено структуру атмосфери та баричного поля нижньої тропосфери у теплий період. Встановлено тенденцію повторюваності її складових наприкінці ХХ - початку ХХІ ст. Вперше отримано об'єктивні характеристики структури атмосфери та баричного поля для різних синоптичних процесів.

· За допомогою ОІБС уточнено значення складових бюджетів водяної пари та кінетичної енергії в баричних утвореннях різного походження. Виявлено їх особливості при різних синоптичних процесах та у регіонах країни, встановлено їх динаміку наприкінці ХХ - початку ХХІ ст.

· Вперше виявлено періодичність та міжрічну мінливість показників інтенсивності синоптичних процесів. Встановлено їх вплив на повторюваність стихійних опадів в Україні.

· Проведено картографування повторюваності НЯ та СГЯ як у цілому для території України, так і для різних синоптичних процесах. Уточнено найбільш опадонебезпечні зони.

· Розроблено методику порівняння траєкторій і територіальної локалізації циклонів. Вперше для України та її регіонів отримано середні координати траєкторій переміщення циклонів різного походження, які відображають їх повторюваність. Проведено їх картографування.

· Уточнено синоптичні процеси, що зумовлюють небезпечну та стихійну кількість опадів в Україні у теплий період. Встановлено особливості локалізації та інтенсивності осередків НЯ та СГЯ залежно від типу синоптичного процесу, типу фронту, його просторової орієнтації, швидкості переміщення та довжини зливонебезпечної ділянки. Підтверджено, що в усіх регіонах країни фронтальні процеси більш небезпечні, ніж внутрішньомасові.

· Вперше виявлено регіональні особливості траєкторій циклонів, зумовлених різними синоптичними процесами, їх основних характеристик (довжини, середньої швидкості та мінімального тиску) наприкінці ХХ - початку ХХІ ст. в Україні

Обґрунтованість і достовірність викладених у дисертації результатів забезпечується використанням значної кількості метеорологічної інформації про стан атмосфери та явища погоди, які мають достатній період спостережень і є репрезентативними для поставлених завдань та території України. Застосування комплексного підходу до дослідження синоптичних процесів, сучасних методів аналізу та обробки інформації дозволили отримати коректні та адекватні висновки, які оцінювались з точки зору їх достовірності шляхом перевірки відповідних статистичних гіпотез.

Особистий внесок здобувача. Теоретичні і науково-методичні аспекти досліджень автором розроблено при виконанні наукових тем разом з науковим керівником. Основні концепції і методи, викладені у дисертації, розроблено здобувачем самостійно. У спільних публікаціях автору належить постановка задачі, метод досліджень, опрацювання і узагальнення вихідної інформації, аналіз та обґрунтування отриманих результатів

Практичне значення одержаних результатів. Результати, отримані в роботі, сприяють подальшому розвитку досліджень синоптичних процесів, що зумовлюють утворення небезпечних та стихійних опадів, і, зокрема, дають можливість перейти від якісного до кількісного аналізу їх інтенсивності.

Запропонована в роботі методика ОІБС дозволяє отримати об'єктивний опис синоптичних процесів, що спричинюють утворення не лише небезпечної і стихійної кількості опадів, а й інших НЯ та СГЯ. ОІБС можна використовувати для автоматизації існуючих методик прогнозування явищ погоди, їх удосконалення та створення нових.

Отримані на основі ОІБС кількісні характеристики синоптичних процесів, що зумовлюють НЯ та СГЯ в Україні, можуть бути використані в системі метеорологічного моніторингу з використанням даних кліматичних сценаріїв. моніторинг синоптичний опади стихійний

Результати, отримані в роботі, використовуються для обґрунтування періодів високої і низької водності в Україні та катастрофічних паводків у Карпатському регіоні. Їх можна також застосувати при створенні інформаційно-методичної основи для проектних розробок та їх експертизи, в плануванні господарської діяльності.

Програмне забезпечення, дані та результати, отримані при виконанні дисертації, використовуються при розробці інформаційно-довідкової системи “Стихійні метеорологічні явища в Україні” і можуть бути використані для створення аналогічних систем для регіонів Земної кулі.

Апробація і публікація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались та обговорювались на першій міжнародній науково-практичній конференції “Відкриті еволюціонуючі системи” (м.Київ, 2002); International symposium on cyclones and hazardous weather оn the Mediterranean (Spain, 1997); міжнародній науковій конференції “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища -2002” (Одеса,2002); ІІ міжнародній науково-практичній конференція “Географічна освіта і наука в Україні” (Київ, 2003), ІХ з'їзді Українського географічного товариства (Чернівці, 2004), другій міжнародній науково-технічній конфернції „Навколишнє природне середовище-2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології - інтеграція освіти і науки” (Одеса, 2007), нарадах-семінарах Держкомгідромету з питань стану та вдосконалення метеорологічного забезпечення споживачів усіх рівнів (Київ, 2004), „Проблеми та перспективи метеорологічного забезпечення західного регіону України” (Львів, 2006), „Особливості метеорологічного прогнозування, забезпечення південного регіону України та шляхи їх удосконалення” (Севастополь, 2006), „Особливості метеорологічного забезпечення та шляхи його удосконалення” (Світловодськ, 2007), засіданнях секції метеорології Вченої Ради та на пленарному засіданні Вченої Ради Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту.

За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 11 наукових праць: 4 статті у фахових виданнях ВАК України (у тому числі 3 одноосібні), 7 публікацій у тезах і матеріалах конференцій. Результати досліджень увійшли до атласу “Клімат і водні ресурси України” та інформаційно-довідкової системи “Стихійні метеорологічні явища в Україні”, що розробляються в УкрНДГМІ.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота, загальним обсягом 279 сторінок, містить 150 сторінок основного тексту, 37 рисунків, 33 таблиці, 3 додатки. Список використаних джерел налічує 186 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюється мета і задачі дослідження, вказуються основні його методи. Велика увага приділяється науковій і практичній новизні отриманих результатів, а також їх апробації.

У першому розділі проаналізовано стан досліджень синоптичних процесів, що зумовлюють виникнення небезпечної і стихійної кількості опадів у теплий період в Україні. Представлено також інформацію про методику і матеріали досліджень.

Дослідження синоптичних процесів, що зумовлюють небезпечні та стихійні явища погоди, розвиваються у двох напрямах: статистико-стохастичному та гідродинамічному. Статистико-стохастичний аналіз полягає в тому, що еволюція у часі метеорологічних величин, баричних утворень, інтенсивності синоптичних процесів розглядається як випадковий дискретний процес марковського типу. Стохастичність і ймовірнісний характер атмосферних процесів досліджувались у роботах Обухова А.М., Моніна А.С., Яглома А.М., Lorenz E.N. та ін. В Україні статистико-стохастичні дослідження циркуляції атмосфери, і, зокрема, синоптичних процесів, що зумовлюють виникнення небезпечних і стихійних опадів, базуються на працях Богатир Л.Ф., Пономаренка І.Н., Башкірової Л.С., Корнієнка Є.Є., Дзіваковської Л.А., Польського П.І., Седлецького В.М., Сакалі Л.І., Кіптенко Є.Н., Бабіченко В.Н., Лоєвої І.Д., Школьного Є.П., Сусідка М.М., та ін.

При гідродинамічному аналізі модель відповідного процесу являє собою систему рівнянь гідродинаміки, яка описує цей процес або деяку фізичну систему, поведінка якої аналогічна процесу. Великий внесок у моделювання атмосферних процесів в Україні зроблено Ромовим А.І., Пірнач Г.М., Прусовим В.А., Ківгановим А.Ф., Хохловим В.М. та ін. Проте, незважаючи на великі успіхи динамічної метеорології, впровадження більш прогресивних методів гідродинаміки, обчислювальної техніки, збільшення кількості і якості метеорологічних спостережень, на сучасному рівні знань не можна виявити усі чинники, які визначають поведінку цієї системи, її еволюцію, до того ж самі системи можуть бути дуже складними внаслідок великого різноманіття складових і характеру зв'язків між ними. Тому при дослідженні атмосферних процесів, які зумовлюють НЯ та СГЯ, перевагу надають статистико-стохастичному напряму досліджень.

Аналіз досліджень процесів, що зумовлюють утворення небезпечної і стихійної кількості опадів в Україні, показав, що вони проводились переважно у 50-70-х роках ХХ ст. Узагальнити їх важко, оскільки дослідження грунтуються на різних методологічних підходах, використовуються різні критерії НЯ і СГЯ та суб'єктивна оцінка синоптичних процесів. Перейти від якісного до кількісного аналізу їх інтенсивності дає можливість запропонована автором методика об'єктивної ідентифікації баричних систем синоптичного масштабу.

Розробити методику ОІБС дали можливість алгоритми теорії розпізнавання образів і, насамперед, алгоритми побудови дерева рішень. Для ідентифікації використовувались лапласіан геопотенціалу, кривизна ізогіпс, адвекція температури, дивергенція швидкості вітру, псевдопотенційна температура змоченого термометру, масова доля водяної пари та їх градієнти. Розрахунок похідних першого та другого порядку здійснювався скінченнорізницевим методом апроксимації. Кількісні критерії межі баричних систем визначались методом експертних оцінок.

Кількісним показником інтенсивності синоптичних процесів є енергетика і вологовміст баричних утворень. Розрахунок інтенсивності баричних утворень здійснювався на основі вирішення відповідних рівнянь гідротермодинаміки. Узагальнення енергетичних параметрів атмосфери проводились у межах виділених за методикою ОІБС баричних систем синоптичного масштабу та їх складових на ізобаричних поверхнях та у шарі атмосфери 1000-850 та 1000-700гПа. Середні значення енергетичних характеристик баричних утворень у зазначених шарах атмосфери розраховували пошарово (=10гПа) на площі, яку займав вихор на АТ₁₀₀₀^.. Аналогічні розрахунки було зроблено для вологовмісту атмосфери.

Статистична характеристика зміни у часі кількості випадків НЯ і СГЯ та інтенсивності процесів, що їх зумовлюють, структури атмосфери та баричного поля здійснювалася за допомогою аналізу часових рядів, які розглядаються як стохастичний процес. Для обґрунтування структурних коливань застосовувався математичний апарат, а саме автокореляційний і спектральний аналізи. Оскільки за даними автокореляційного та спектрального аналізів було встановлено, що для досліджуваних часових рядів характерна наявність періодичності, подальші дослідження проводили, використовуючи методи сезонної декомпозиції та регресійного аналізу.

Для визначення реальності відображення розробленою методикою ОІБС структури атмосфери, баричного поля, їх енергетики та вологовмісту, досліджувались синоптичні процеси, циклонічна діяльність та просторово-часовий розподіл НЯ та СГЯ у теплий період року. Для цього застосовувались традиційні кліматологічні методи отримання і оцінки характеристик та графоаналітичні методи (кластерний аналіз і, зокрема, ітеративний метод групування k- середніх).

Отримані висновки оцінювались з точки зору їх достовірності шляхом перевірки відповідних статистичних гіпотез.

Дослідження синоптичних процесів, що зумовлюють НЯ та СГЯ в регіонах України, проводились за даними синоптичних бюлетенів, збірних кінематичних і періодних карт, карт погоди та штормової інформації за теплий період (квітень -вересень) 1981-2000 рр., а також за даними об'єктивного аналізу чисельної моделі ВНДГМІ СЦД на стандартних ізобаричних поверхнях з 1992 по 2003рр. Розрахунок виконано за фактичними значеннями геопотенціалу, температури, складових вітру та дефіциту точки роси у вузлах регулярної сітки розміром 10Ч10 точок і з кроком 300км. Збір і узагальнення інформації про повторюваність стихійних опадів (дуже сильних дощів - 50 мм і більше за 12 год і менше та сильних злив - 30 мм і більше за 1 год і менше) здійснювались на основі даних спостережень 187 метеорологічних станцій з 1968 по 2005 рр., а небезпечних (сильних дощів -15 мм і більше за 12 год і менше) - з 1981 по 2005 рр.

У другому розділі проаналізовано вплив основних кліматоутворюючих факторів (сонячної радіації, циркуляції атмосфери, підстильної поверхні) на формування і просторово - часовий розподіл повторюваності небезпечної і стихійної кількості опадів.

Аналіз просторового розподілу повторюваності сильних та дуже сильних дощів підтвердив, що їх локалізація, як і опадів у цілому, підпорядковується законам широтної і висотної зональності і відображає розподіл кліматичних показників, що їх зумовлюють. Рельєф визначає регіональні особливості їх локалізації.

Аналіз міжрічної мінливості повторюваності випадків НЯ і СГЯ показав, що в Україні з кінця 60-х до середини 80-х рр. ХХ ст., спостерігалося зменшення їх повторюваності. У цей час амплітуда випадкових коливань була незначною і практично постійною. У 80-ті рр. ХХ ст. відбувалось зменшення кількості випадків НЯ і СГЯ і зростання амплітуди нерегулярної компоненти, що свідчить про нестабільність ситуації. З початку 90-х рр. спостерігається тенденція до зростання кількості випадків НЯ та СГЯ, а з середини 90-х рр. ХХ ст. - тенденція до збільшення відсотка кількості випадків СГЯ порівняно з НЯ (рис.1).

З 90-х рр. ХХ ст. в Україні спостерігається не лише зростання інтенсивності досліджуваного явища, а й збільшення періоду протягом якого вона досягає свого максимуму. Найбільш яскраво це явище проявилось на півночі країни. У цьому регіоні з кінця 80-х рр. ХХ ст. спостерігається зростання кількості СГЯ у квітні та травні, а з кінця 90-х - велика кількість СГЯ відмічається у серпні, і навіть, в окремі роки, у вересні місяці. Така ж тенденція характерна для західних і центральних областей країни. Але у цих регіонах вона менш виражена. На сході країни період, протягом якого спостерігаються СГЯ, не змінився, але максимум досяг більших значень і спостерігається у липні-серпні. У південному регіоні України СГЯ почали виникати і досягати свого максимуму раніше, ніж у попередні десятиріччя (червень-липень), хоча при цьому період, протягом, якого вони відмічаються також не змінився.

Спектральний аналіз повторюваності СГЯ, показав, що вона має складову, період якої становить 2-3, 4-6 та 9-12 років і співпадає з періодом опадів у цілому. У регіонах країни періодичність повторюваності СГЯ має свої особливості: період 2-3 роки є основним на переважній більшості території країни (північний, південний і центральний регіони). Період 4-5 років найбільш виражений у західному регіоні України, а 5-6 років - на сході.

Уточнено синоптичні процеси, що зумовлюють НЯ та СГЯ в Україні у теплий період, особливості локалізації та інтенсивність їх осередків залежно від типу синоптичного процесу, типу фронту, його просторової орієнтації, швидкості переміщення та довжини зливонебезпечної ділянки. Проведено картографування повторюваності НЯ і СГЯ за різних синоптичних процесів. Виявлено найбільш опадонебезпечні зони. Підтверджено, що найбільш небезпечними синоптичними ситуаціями, що зумовлюють НЯ та СГЯ, є південно-західні і південні синоптичні процеси, особливо у південному, центральному та східному регіонах країни.

Встановлено, що переважна більшість (87%) сильних та дуже сильних дощів в Україні пов'язана з фронтальними процесами, які зумовлюють більшу кількість осередків з НЯ та СГЯ. Кількість опадів та їх інтенсивність у цих осередках також значно більша. Найбільша кількість випадків НЯ і СГЯ за таких процесів спостерігається на малорухомих, меридіонально спрямованих фронтах, довжина зливонебезпечної ділянки яких може сягати 600км. При цьому холодні фронти є більш небезпечними.

У третьому розділі представлено методику об'єктивної ідентифікації баричних систем синоптичного масштабу, яка є тернарним деревом рішень, та оцінено структуру атмосфери, баричного поля та енергетику і вологовміст атмосферних вихорів у теплий період в Україні

В основі ОІБС лежить дослідження полів геопотенціалу, температури, складових швидкості вітру та дефіциту точки роси. Систематизація і узагальнення критеріїв баричної топографії дозволили виділити типи баричних систем синоптичного масштабу та їх характерні складові. Алгоритм розрахунків побудовано таким чином, щоб звести до мінімуму відсоток нерозпізнаних ситуацій. Розпізнавання проводяться у чотири етапи: від загального до окремого, шляхом порівняння обчислених значень параметрів з їх заданими граничними межами.

На першому етапі ідентифікації за допомогою лапласіану геопотенціалу () визначається загальний фон тиску в досліджуваному регіоні: розпізнаються поля підвищеного, зниженого тиску та малоградієнтне поле:

< -2 дам/100км - область підвищеного тиску;

> 2 дам/100км - область зниженого тиску;

-22 дам/100км - малоградієнтне поле.

На другому етапі за допомогою кривизни ізогіпс () та зміни густоти ізогіпс у напрямі осей координат у виділених полях розпізнаються: циклон, улоговина, антициклон, гребінь, сідловина; виділяються їх складові - центр, передня, тилова частина, вісь улоговини, гребеня. У випадку, коли за критеріями баричної топографії барична система належить до області зниженого тиску, але не є ні циклоном, ні улоговиною, виділяється малоградієнтне поле низького тиску. Якщо барична система належить до області підвищеного тиску, але не є ні антициклоном, ні гребенем, виділяється малоградієнтне поле високого тиску. Якщо барична система не належить до області підвищеного/зниженого тиску, виділяється розмите баричне поле або паралельні потоки.

Якщо у досліджуваній точці >2 дам/100км, і густота ізогіпс зростає вздовж осі (дам/100км) та (дам/100км) майже однаково () - ідентифікується циклон. Центром циклону є точка з мінімумом тиску на осях та . У циклоні , і відповідно лапласіан геопотенціалу у центрі циклону дам/100км має максимальне значення. У цій точці також спостерігається максимальна кривизна ізогіпс. Тобто, центр циклону має місце, якщо і .

Точка знаходиться на осі улоговини, якщо вздовж однієї із осей координат тиск не змінюється, а вздовж іншої - зростає:

дам/100км і дам/100км або

дам/100км і дам/100км.

Якщо вздовж однієї із осей координат тиск зростає значно швидше, ніж вздовж іншої

 або

також ідентифікується улоговина.

Якщо

дам/100км, дам/100км і або

дам/100км, дам/100км і

точка належить до сідловини .

Якщо в області зниженого тиску ( дам/100км) кривизна ізогіпс знаходиться в межах - ідентифікується малоградієнтне поле зниженого тиску. За наявності у такому полі великої антициклональної кривизни () виділяється гребінь.

При від'ємному лапласіані геопотенціалу ( дам/100км) центр кривизни ізогіпс знаходиться в області високого тиску, тобто спостерігається антициклональна кривизна. Якщо у досліджуваній точці дам/100км, і густота ізогіпс зменшується вздовж осі (дам/100км) та (дам/100км) майже однаково () - ідентифікується антициклон. Центром антициклону є точка з максимумом тиску на осях та . У ньому і відповідно, лапласіан геопотенціалу у центрі антициклону є мінімальним. У цій точці також спостерігається максимальна кривизна ізогіпс. Якщо і - ідентифікується центр антициклону.

Точка знаходиться на осі гребеня, якщо вздовж однієї із осей координат тиск зменшується, а вздовж іншої - не змінюється:

дам/100км і дам/100кмабо

дам/100км і дам/100км.

Якщо вздовж однієї із осей координат тиск зменшується значно швидше ніж вздовж іншої

або

також ідентифікується гребінь. Якщо

дам/100км, дам/100кмі або

дам/100км, дам/100кмі

точка належить до сідловини.

Якщо в області підвищеного тиску ( дам/100км) кривизна ізогіпс знаходиться в межах - ідентифікується малоградієнтне поле підвищеного тиску. За наявності великої циклонічної кривизни () у такому полі виділяється улоговина.

Якщо лапласіан геопотенціалу знаходиться в межах нуля (дам/100км) і спостерігається циклонічна кривизна () - ідентифікується малоградієнтне поле зниженого тиску. При наявності антициклональної кривизни у такому полі - ідентифікується малоградієнтне поле підвищеного тиску, а якщо кривизна ізогіпс знаходиться також у межах нуля () - розмите баричне поле.

На відповідному фоні тиску механізми формування та еволюції хмарності мають свої відмінності і залежать від характеру адвекції температури. Синоптичні процеси, залежно від адвективних змін температури, поділяються на три основні групи:

синоптичні процеси, що супроводжуються адвекцією тепла (інтенсивне хмаро- та опадоутворення зумовлене діяльністю теплих фронтів). Вони переважають у передній частині циклонів, улоговин та тиловій - антициклонів, гребенів.

синоптичні процеси, що супроводжуються адвекцією холоду (інтенсивне хмаро- та опадоутворення зумовлене діяльністю холодних фронтів). Ці процеси переважають у тиловій частині циклонів, улоговин та передній - антициклонів, гребенів.

синоптичні процеси з нульовою адвекцією температури (механізм утворення та еволюції хмар визначається радіаційним режимом, турбулентним обміном та характером вертикальних рухів). Такі процеси спостерігаються у малоградієнтному та розмитому баричному полі.

Значну роль у виникненні великих хмарних масивів і зон інтенсивних опадів відіграють вертикальні рухи, які тісно пов'язані з дивергенцією швидкості вітру. Використання адвекції температури та дивергенції швидкості вітру на третьому етапі ідентифікації дозволили виділити складові баричних систем синоптичного масштабу і, відповідно, основні синоптичні процеси, що зумовлюють інтенсивні опади на відповідному фоні тиску.

На четвертому етапі ОІБС визначається тип повітряної маси та фронтальної зони. Найбільшу консервативність при процесах, що зумовлюють НЯ і СГЯ, має псевдопотенційна температура змоченого термометру. Вона є консервативною відносно вологоадібатичних процесів, безпосередньо характеризує стан висхідного і низхідного потоків повітря в хмарі і тому може використовуватись як характеристика термодинамічної індивідуальності повітряної маси для їх класифікації. За значенням псевдопотенційної температури змоченого термометру, масової долі водяної пари та їх градієнтів визначається тип повітряної маси та тип фронтальної зони. Тип повітряної маси у центрі баричного утворення характеризує його походження, регіон виникнення.

Описаний вище алгоритм був реалізований у програмі об'єктивної ідентифікації баричних систем синоптичного масштабу. Якість розробленої методики ОІБС оцінювалася за допомогою двох основних показників: точності та складності. Проведена оцінка методики показала, що об'єктивна ідентифікація баричних систем синоптичного масштабу не поступається суб'єктивній ідентифікації і має значні переваги при ідентифікації її складових, особливо у приземному шарі атмосфери.

За допомогою розробленої методики ОІБС уточнено структуру атмосфери та баричного поля, проаналізовано енергетику (питома кінетична енергія, адвекція та генерація кінетичної енергії) та вологовміст (масова доля водяної пари та її адвекція) нижньої тропосфери у теплий період. Розроблено алгоритм та програмне забезпечення розрахунків балансу кінетичної енергії і водяної пари та їх складових. Використовуючи об'єктивну ідентифікацію баричних систем синоптичного масштабу, отримали середні значення цих характеристик для теплого періоду року та в окремі місяці, для баричних систем синоптичного масштабу і їх складових, повітряних мас та фронтальних зон. Аналіз вертикальних профілів цих параметрів показав, що їх зміна з висотою залежить від типу баричного поля.

Аналіз структури баричного поля нижньої тропосфери за методикою ОІБС показав, що у теплий період року в Україні переважає малоградієнтне поле (особливо підвищеного тиску), улоговини та гребені. Значний відсоток становлять сідловини. Циклони та антициклони спостерігаються значно рідше (переважають, зазвичай, тилові частини циклонів та улоговин і передні антициклонів та гребенів).

Аналіз структури атмосфери, отриманої за методикою ОІБС показав, що атмосфера в Україні за своїми фізичними властивостями є дуже неоднорідною: фронтальні зони на території країни зустрічаються значно частіше (~80%), ніж однорідні повітряні маси. При цьому переважає зона полярного фронту. Отримані співвідношення між однорідними повітряними масами і фронтальними зонами відображають співвідношення між внутрішньомасовими і фронтальними опадами.

У четвертому розділі досліджуються особливості структури атмосфери, баричного поля, енергетики та вологовмісту баричних утворень при різних синоптичних процесах, що зумовлюють НЯ і СГЯ. Отримано дані про їх періодичність і динаміку наприкінці ХХ - початку ХХІ ст.

Встановлено, що співвідношення між однорідними повітряними масами і фронтальними зонами на території України залежить від синоптичного процесу та регіону формування баричних утворень. Розрахунки повторюваності фронтальних зон і однорідних повітряних мас, виконані за методикою ОІБС для різних синоптичних процесів, показали, що при виході циклонів на території України переважають фронтальні зони. При цьому, дещо більшого поширення вони набувають при південних і південно-західних синоптичних процесах, особливо при переміщенні вихорів на південний та східний регіони. При північних і північно-західних синоптичних процесах найбільшого поширення фронтальні зони набувають при переміщенні вихорів на північний і центральний регіони країни.

Аналіз динаміки повторюваності по-вітряних мас на АТ₁₀₀₀ у теплий період показав, що в Україні наприкінці ХХ - початку ХХІ ст., спостерігається тен-денція до зменшення повторюваності од-норідних повітряних мас і зростання повторюваності фронтальних зон. Разом з цим протягом усього теплого періоду спостерігається зростання повторюваності зони полярного фронту і зменшення повторюваності зони арктичного.

Застосування методики ОІБС дало можливість виявити особливості структури

баричного поля у регіонах України при різних синоптичних процесах. Встановлено, що при переміщенні на її територію циклонів значного поширення набуває циклогенез. При цьому повторюваність малоградієнтного поля не змінюється, антициклонального (особливо антициклонів) зменшується, а циклонічного - зростає вдвічі. При виході циклонів з південною складовою цей процес має найбільшу інтенсивність, особливо при переміщенні вихорів на північний і західний регіони країни.

Дослідження динаміки повторюваності баричних утворень та їх складових наприкінці ХХ - початку ХХІ ст. за даними, отриманими за методикою ОІБС, показали, що в Україні у цей період спостерігається зменшення повторюваності областей низького тиску, особливо циклонів - і зростання повторюваності областей високого тиску. Активізація антициклональної діяльності відбулась внаслідок зростання повторюваності гребенів, особливо їх тилових частин.

Аналіз кінетичної енергії атмосфери та складових її балансу за різних синоптичних процесів показав, що питома кінетична енергія (К ) північних, північно-західних циклонів значно більша, ніж південних. Для цих вихорів характерна значна асиметрія величини К у передній і тиловій частинах. При виході цих баричних утворень в Україну у центральних, південних і східних областях країни спостерігається значний ріст К. При цьому найпотужніші енергетичні зони у цих регіонах спостерігаються у передній частині баричних утворень. За такого синоптичного процесу у центральних областях країни спостерігається найбільша адвекція і генерація кінетичної енергії, а на північному сход і- її дисипація, яка за інтенсивністю значно більша, ніж при виході південних циклонів.

При виході на територію України циклонів, зумовлених південними, південно-західними синоптичними процесами, найбільша питома кінетична енергія спостерігається у західних, південних і центральних областях (особливо у тиловій частині баричних утворень), а найменша - на сході. Серед південних циклонів найбільш інтенсивними є утворення, які сформувались в районі Егейського моря і Балканського півострова (до 29,6 Дж/кг). Енергетика циклонів, що утворились на заході Чорного моря і над Нижньодунайською низовиною значно менша (20,2 Дж/кг). При переміщенні в Україну вихорів з південною складовою на більшості території країни спостерігається ріст кінетичної енергії, який досягає найбільших значень на заході (за рахунок великих значень адвекції К в арктичній повітряній масі). Виявлена асиметрія горизонтальної адвекції К між передніми і тиловими частинами південних циклонів вказує на те, що вони є молодими баричними утвореннями.

Аналіз генерації кінетичної енергії показав, що в Україні області високого тиску є генераторами К, а циклони і улоговини - переважно зонами дисипації енергії. Встановлено, що чим більшу південну складову має циклон, який виходить в Україну, тим більша генерація спостерігається у нижній тропосфері. Зі зростанням північної складової переміщення вихорів генерація зменшується і переходить у дисипацію. Виявлено, що на початку 90-х рр. ХХ ст. величина К циклонів і антициклонів зменшувалась, особливо північних, а з середини 90-х років почався її ріст, який досяг максимальних значень на початку ХХІ ст.

Дослідження вологовмісту атмосфери показали, що масова доля водяної пари в циклонах на 15-20% більша, ніж в антициклонах. Найбільший вологовміст мають південні циклони які утворюються в зоні полярного фронту. Північні циклони, що утворюються в зоні арктичного фронту мають вдвічі менший вологозапас. Серед південних вихорів найбільшу вологу мають баричні утворення, що виникають в районі Італії, Адріатичного моря і Середньодунайської низовини. Вологовміст чорноморських циклонів і баричних утворень, що виникають у районі Балканського півострова, майже на 25 % менше.

Циклони і антициклони у теплий період є областями притоку вологи (у циклонах цей процес втричі інтенсивніший). Найбільший приток вологи має місце при виході циклонів з південною складовою. Встановлено, що при зростанні південною складової руху циклонів збільшується приток вологи у нижній тропосфері. В цілому, вологовміст циклонів і антициклонів у 90-х рр.. ХХ ст. зростав, а з кінця ХХ ст. почав зменшуватись.

Спектральний аналіз повторюваності баричних систем синоптичного масштабу, величини енергетичних характеристик та вологовмісту нижньої тропосфери у теплий період показав, що вони мають регулярну сезонну складову, період якої співпадає з періодом повторюваності НЯ та СГЯ і становить 2-3, 4-5, 9-12 років. Це свідчить про коливальний характер цих змін.

У п'ятому розділі досліджено особливості циклонічної діяльності у теплий період наприкінці ХХ та на початку ХХІ ст. в Україні та її регіонах. Уточнено регіони формування циклонів, що зумовлювали НЯ та СГЯ, їх повторюваність, траєкторії і швидкість переміщення, глибину.

Розраховано середні траєкторії переміщення циклонів і встановлено їх повторюваність. Побудовано карти територіальної локалізації циклонів для України в цілому та для кожного регіону.

Встановлено, що найчастіше в Україну з південною складовою виходять циклони, що утворюються на заході Чорного моря, над Нижньодунайською низовиною, Балканським півостровом та Егейським морем. На північ країни також виходить значна кількість циклонів, що утворюються над Угорською низовиною, а на схід - вихори, що утворюються над Північним Кавказом та сходом Азовського моря. Наприкінці ХХ ст. із заходу Чорного моря та Нижньодунайської низовини на територію України стало виходити значно менше вихорів (майже вдвічі), що і призвело до зменшення в Україні кількості південних циклонів. Циклони з північною складовою найчастіше переміщуються з Англії, Прибалтики та Білорусі, але наприкінці ХХ ст. їх кількість в Україні зменшилась, за винятком північних областей. Зменшилась також кількість вихорів, що виходять зі Скандинавії, Польщі, Німеччини. Частіше почали виходити циклони з Атлантики та Північного моря.

...