Структура полів опадів та швидкості вітру в умовах блокування зонального переносу в європейському секторі

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МІЩЕНКО НАТАЛЯ МИХАЙЛІВНА

УДК 551.577.21 : 551.55

СТРУКТУРА ПОЛІВ ОПАДІВ ТА ШВИДКОСТІ ВІТРУ В УМОВАХ БЛОКУВАННЯ ЗОНАЛЬНОГО ПЕРЕНОСУ В ЄВРОПЕЙСЬКОМУ СЕКТОРІ

Спеціальність 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

Одеса - 2010



Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник кандидат географічних наук, професор ІВУС Галина Петрівна, Одеський державний екологічний університет, зав. кафедрою теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів 

Офіційні опоненти:

доктор географічних наук, професор ПОЛЬОВИЙ Анатолій Миколайович, Одеський державний екологічний університет, зав. кафедрою агрометеорології та агрометпрогнозів;

кандидат географічних наук ІВАНОВА Олена Костянтинівна, Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, старший науковий співробітник відділу кліматичних досліджень та довгострокового прогнозу погоди.

Захист відбудеться 21.10.2010 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.02 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 20.09.2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В. Вольвач



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

опади атмосфера антициклон

Актуальність теми випливає з необхідності прогнозів аномальних погодних умов, які є невід'ємною складовою загального комплексу заходів щодо реалізації стратегії з урахування екологічних та соціально-економічних наслідків від змін регіонального клімату. Зазначені зміни у ряді випадків зумовлюють формування такого розподілу метеорологічних величин та явищ, який спричиняє суттєві матеріальні втрати народного господарства країн Європи. На вирішення завдань з мінімізації збитків та їх максимальному запобіганню спрямовані зусилля міжнародної спільноти метеорологів, які відображені в ряді екологічних міжнародних угод, створенні міжнародних та національних груп вчених.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати дисертаційного дослідження є складовою частиною науково-дослідних робіт кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів Одеського державного екологічного університету (ОДЕКУ): «Загальна характеристика метеорологічної та аерологічної інформації ст. Одеса-обсерваторія у сучасну кліматичну епоху», № ДР 01064007997, 2006-2007 рр.; «Моделювання аномальних атмосферних процесів над Україною», № ДР 0104U000291, 2004-2008 рр.; «Парникові гази - кліматичні зміни: вплив на формування аномальних гідрометеорологічних явищ в Україні; моделювання та прогнозування» № 126, 2009-2012 рр.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є вивчення просторової структури опадів при блокуванні зонального перенесення та виявлення фізичних механізмів утворення їх окремих видів.

Для досягнення мети в рамках дослідження поставлені і вирішені такі наукові задачі:

розподіл спектрів повторюваності інтенсивності середньої добової кількості опадів по градаціям індексу блокування Леєнаса і Окланда для різних частин антициклонів;

з'ясовані основні закономірності просторової структури поля опадів, їх аномалій та кількісних характеристик при блокуванні зонального перенесення різними типами антициклонів;

визначений вид залежності та просторова структура зв'язку між значеннями аномалій середньої добової кількості опадів та індексом блокування;

досліджено структуру поля бароклінності атмосфери, проведено моделювання поля швидкостей, розглянуто його тривимірну структуру для малорухомих стаціонарних антициклонічних вихорів.

Об'єкт дослідження. Аномалії поля опадів при блокуванні зонального перенесення.

Предмет дослідження. Просторова структура полів опадів та їх аномалій для різних типів блокуючих антициклонів, а також фізичні механізми утворення опадів на їх периферіях.

Методи досліджень. Для виконання дисертаційної роботи застосовувалися статистична обробка метеорологічної інформації; математичне моделювання і чисельний експеримент; фізичний аналіз досліджуваних процесів у відповідності з основними положеннями фізики атмосфери та механіки суцільних середовищ; просторово-часове узагальнення даних.

Вихідні дані, що використовувались при дослідженні, наступні: аеросиноптичний матеріал (приземні карти, карти баричної топографії, карти опадів, супутникові знімки) за грудень 2001 р. по січень 2010 р.; дані ре-аналізу Національного центру передбачення клімату США NCEP/NCAR (http://iridl.ldeo.columbia.edu/): поля геопотенціалу на рівні 500 гПа, поля поверхневого осідання вологи (кг/м2·с), поля температури на рівнях 925, 850, 700, 600, 500, 400 гПа та їх характеристики для всіх випадків блокуючих антициклонів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у модифікації та апробації індексу блокування Леєнаса і Окланда для ідентифікації ситуацій блокування в атмосфері;

розрахунку спектрів повторюваності опадів по градаціям індексу блокування для різних частин антициклонів;

виявленні зв'язку між полями аномалій середньої добової кількості опадів та індексу Леєнаса і Окланда для ситуацій блокування зонального перенесення різними типами антициклонів;

дослідженні структури поля швидкостей для ситуацій блокування та окресленні фізичних механізмів формування опадів на периферіях блокуючого антициклону.

Практичне значення одержаних результатів. Основними результатами проведених досліджень, які мають практичне значення, є:

встановлення факту зв'язку між посиленням блокування зонального перенесення і утворенням конвективних опадів на периферіях антициклонів;

визначення характеристик поля швидкостей при наявності нефронтальних конвективних опадів на північно-східній периферії блокуючого антициклону та окреслення фізичних механізмів їх формування;

отримання підходів до параметризації опадів підсіточного масштабу з метою її подальшого включення в числові прогностичні схеми або розробки розрахункових методів прогнозу опадів на периферіях антициклонів.

Результати виконаного дослідження використані при розробці курсу «Фізика антициклогенезу», «Спеціалізовані прогнози погоди» (акт №1, від 02.03.2010 р.), впроваджені в практичну діяльність метеорологічної служби Повітряних Сил України (акт №2, від 23.06.2010 р.) та Українського Гідрометцентру (акт №2, від 15.07.2010 р.).

Особистий внесок здобувача. Автор приймала участь у постановці задачі дослідження, особисто розроблена регресійна модель зв'язку аномалій середньодобової кількості опадів та індексу блокування і запропонована просторова структура зв'язку між аномаліями середньодобової кількості опадів та індексом блокування, аналіз матеріалів дослідження.

В роботах, опублікованих зі співавторами, особистий внесок здобувача полягає в постановці задач, підготовці вихідних даних, виконанні розрахунків та аналізу отриманих результатів.

Апробація результатів дослідження. Основні результати дослідження публічно викладені, обговорені і отримали позитивну оцінку на 7 конференціях: студентська наукова конференція (Одеса, 2004 р.) - дві доповіді; ІІ Міжнародна науково-технічна конференція „Навколишнє природне середовище - 2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології; інтеграція освіти і науки”; VI - Х наукові конференції молодих вчених ОДЕКУ (Одеса, 2006 - 2010 рр.); а також на науковому семінарі в УкрНДГМІ (Київ, 2010 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 13 наукових праць (у тому числі 7 статей - у виданнях, рекомендованих ВАК України, 6 тез доповідей на наукових конференціях).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 114 найменувань. Повний обсяг дисертації - 170 сторінок, містить 41 рисунок і 3 таблиці, 6 додатків на 31 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність і сучасний стан наукової теми дисертації, її актуальність, значущість, сформульовано мету і завдання дослідження, використані методи, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів. Відзначений особистий внесок здобувача. Вказані зв'язок з науковими темами і конференції, де були апробовані результати досліджень.

У першому розділі розглянутий розвиток уявлень за темою дослідження. На основі аналізу наукових досліджень таких вчених як Ківганов А.Ф., Груза Г.В., Мартазінова В.Ф., Аристов А.М., Бардін М.Ю., Місник С.В., Коровкіна Л.В. та ін. виділені основні підходи до ідентифікації ситуацій блокування, їх повторюваність до 2005 року та синоптичні процеси, які зумовлюють виникнення явища блокування.

У проаналізованих дослідженнях виділяються два способи виявлення блокуючих процесів в тропосфері: перша група базується на візуальному аналізі синоптичних карт, тобто приземних та висотних. Такий підхід в науковій літературі отримав назву синоптичного і переважав в дослідженнях до кінця 70-х років. Він відрізняється не тільки переліком ознак, що відображають кінематичну структуру термобаричного поля, але й способом визначення положення центру блокування. У другій групі припускається використання певної сукупності показників, які описують блокуючу ситуацію, задовольняючі вимоги даного конкретного дослідження. В роботі Коровкіної Л.В. це називають об'єктивним методом, на відміну від першої групи, яка є суб'єктивним. В основу покладена умова існування стаціонарного антициклону, який можна представити у вигляді стійкої в часі додатної аномалії тиску або геопотенціалу.

Характерно, що на теперішній час при дослідженні блокуючих антициклонів основна увага приділяється їх впливу на формування аномалій полів температури (похолодання, посухи), менше - вітрового режиму і практично не висвітлена тема структури розподілу аномалій полів опадів у різних частинах блокуючих антициклонів. Також не однозначно визначений кількісний критерій тривалості для блокування. Тому порівняння результатів різних авторів щодо повторюваностей блокуючих антициклонів має іноді суттєві відмінності.

Другий розділ роботи присвячений висвітленню теоретичних основ тривалого існування вихрових структур при обертальному русі середовища. Зокрема, на підставі лабораторних експериментів, показано, що на суттєво нелінійних стадіях розвитку хвильових збурень явище циклон-антициклонної асиметрії зумовлює виникнення антициклонічних вихорів, тривале існування яких є наслідком динамічної рівноваги між ефектами дисперсії (розпливання хвилі) і нелінійністю (стискання хвилі). Властивості таких вихорів (солітонів Россбі), які, до речі, суттєво впливають на передбачуваність атмосферних процесів, постулювалися у подальшому дослідженні при моделюванні поля швидкостей в якості окремого випадку явища блокування.

У третьому розділі спочатку проведено аналіз повторюваності різних виді блокуючих антициклонів. На цьому етапі на основі аеросиноптичного матеріалу та об'єктивного аналізу даних поля геопотенціалу відібрано 73 ситуації блокуючих антициклонів (тривалістю 7 діб і більше), підготовлено каталог блокуючих процесів за період з грудня 2001 по січень 2010 рр. Всі блокуючи антициклони розділялися на Азорські, Арктичні та Сибірські (рис. 1). За період дослідженнь (табл. 1) найбільшу тривалість (> 20 діб) складають Сибірські антициклони (15%), далі йдуть Азорські (7,3%). Арктичних блокуючих антициклонів більше 20 днів не спостерігалося. При цьому, особливо тривалим виявився Азорський антициклон, період існування якого становив 42 доби.

Максимальна кількість Сибірських антициклонів припадала на
2002 рік - 4 випадки (20%) і лише по одному випадку у 2004 та 2007 роках (рис.2). Загальна тенденція (за період досліджень) показує зменшення кількості Сибірських антициклонів, але збільшення їх інтенсивності. Арктичних антициклонів в 2002 р. також відмічалась найбільша кількість - 26% (7 випадків), та незначна - у 2003, 2005, 2007, 2008 рр. (по 2 випадки), тобто 8% для кожного року. Азорські блокуючі антициклони частіше всього простежувалися у 2006 р. (28%) - 8 випадків, у 2003 та 2005 рр. всього по 2 на рік (7%).

Сибірські антициклони частіше стаціонують взимку та восени; Азорські антициклони здебільшого зафіксовано влітку і дещо менше - восени та взимку; для Арктичних найбільш характерні зима та весна, в меншій мірі осінь і практично вони відсутні влітку.



а)	б)
в)
Рис. 1 - Карти приземного аналізу для Азорського 10.05.2007 р. (а), Сибірського 26.01.2005 р. (б) та Арктичного 23.12.2009 р. (в) блокуючих антициклонів.

Таблиця 1 - Повторюваність тривалості блокуючих антициклонів

Типи антициклонів	Тривалість, доби / %	Максимальна тривалість, доби (періоди)
	7 - 10	11 - 20	> 20
Сибірський	10 / 50%	7 / 35%	3 / 15%	36 (15.01 - 19.02.2005)
Азорський	19 / 67%	7 / 25%	2 / 7,3%	42 (17.09 - 28.10.2008)
Арктичний	20 / 76%	6 / 23	-	14 (15.02 - 28.02.2003; 08.01 - 21.01.2006)



а)	б)
Рис. 2 - Повторюваність різних типів блокуючих антициклонів: за роками (а), за сезонами (б). Грудень 2001 р. - січень 2010 р

Далі проводився спектральний аналіз розподілу інтенсивності середньої добової кількості опадів по градаціям індексу блокування. У якості кількісного критерію блокування використовувався індекс Леєнаса і Окланда, який був модифікований для одержання його поля та розраховувався за формулою:

(1)

де Н - значення геопотенціалу на поверхні 500 гПа на довготі л.

У разі виконання обох умов робиться висновок, що на даній довготі має місце явище блокування зональної циркуляції атмосфери. Для досліджуваних синоптичних ситуацій поля індексу блокування (рис.3) дозволили не тільки визначити наявність блоку, а й простежити його еволюцію у часі відносно центру антициклона. Порівняння розрахованих полів індексу блокування з полями опадів та аномалій кількості опадів виявило закономірності у їх розподіленні на периферіях блокуючих антициклонів.

Для ведення подальших розрахунків площа антициклону розділялася за румбами на чотири сектори - північно-східний, південно-східний, південно-західний та північно-західний. Такий поділ зумовлений тим, що у зазначених секторах формування погодних умов (а, відповідно, й опадів) відбувається внаслідок дії різних циркуляційних механізмів, тому логічно припустити, що структура досліджуваних характеристик буде за рахунок прямих або непрямих ознак містити інформацію про динаміку можливих механізмів їх утворення.

ц° пн.ш. л° сх.д. а)	ц° пн.ш. л° сх.д. б)
ц° пн.ш. л° сх.д. в)

Рис. 3 - Поля індексу блокування Леєнаса і Окланда ( < 0) за даними ре-аналізу поля геопотенціалу NCEP/NCAR: (а) - 00СГЧ 10.05.2007 р. (Азорський антициклон); (б) - 00 СГЧ 26.01.2005 р. (Сибірський антициклон); (в) - 00 СГЧ 23.12.2009 р. (Арктичний антициклон).



Об'єднавши всі данні у вузлах сітки, групуємо значення середньої добової кількості опадів за критеріальними значеннями згідно із «Настановою по службі прогнозів та попереджень про небезпечні та стихійні явища погоди» для твердих (холодне півріччя) та рідких (тепле півріччя) опадів; ставимо їм у відповідність ті індекси блокування, які відповідають конкретному вузлу сітки. Для цього блокуючи антициклони відібрані за періодами року (теплий та холодний).Проведення розрахунків для кожного типу блокуючи антициклонів дозволило виділити спектр повторюваностей опадів по градаціям індексу блокування для кожного з чотирьох секторів антициклону.

Аналіз гістограм повторюваностей інтенсивності опадів для кожної градації індексу блокування показав, що для холодного півріччя в північно-західних та південно-західних секторах збільшенню інтенсивності індексу блокування відповідає збільшення інтенсивності опадів. Для південно-східного сектору важко виявити закономірність розподілу інтенсивності опадів тому, що практично на всіх градаціях індексу блокування спостерігається наявність невеликої їх кількості або відсутність опадів. Північно-східний же сектор виділився тим, що зменшенню інтенсивності індексу блокування (І') відповідає збільшення інтенсивності опадів. Наявність опадів в південно-східному, південно-західному та північно-східному секторах можна пояснити головним чином атмосферними фронтами на периферіях антициклону біля зазначених секторів.

У теплому півріччі в північно- та південно-західній периферіях антициклону при збільшенні інтенсивності індексу блокування спостерігається збільшення інтенсивності опадів. В той же час північно-східна периферія, як і в холодне півріччя, характеризується тим, що при зменшенні інтенсивності І' відмічено посилення інтенсивності опадів.

За допомогою процедури оптимізації степені апроксимуючого поліному досліджено характер зв'язку між індексом блокування та аномаліями середньодобової кількості опадів. За критерій ефективності приймається мінімізація величини середньоквадратичного відхилення між індексами блокування та аномаліями кількості опадів. Найменше середньоквадратичне відхилення для досліджуваного зв'язку при блокуванні зонального перенесення Сибірськім антициклоном спостерігаються при його апроксимації поліномом першої та другої степені, Азорським антициклоном - першої, Арктичним - першої та другої. Тобто, існує лінійна або майже лінійна залежність між індексом блокування та середньою добовою кількістю опадів на периферії антициклонів, тобто зменшення значень індексу блокування зумовлює підвищення або зменшення кількості опадів залежно від сектору антициклону.

Перевірка на незалежному матеріалі отриманих рівнянь для прогнозу опадів показала, що рівняння регресії працюють задовільно (справджуваність 85%); причому факт опадів передбачається постійно, але інтенсивність може не співпадати. Для статистично обґрунтованих та впевнених висновків потрібно збільшити незалежну вибірку та виявити причини виникнення опадів та їх аномалій з точки зору не тільки індексів блокування, а й знаходження інших опадогенеруючих факторів.

У четвертому розділі представлені кількісні критерії процесів блокування зонального перенесення над атлантико-європейським сектором. На першому етапі проведений просторовий аналіз зв'язку між аномаліями середньої добової кількості опадів та індексом блокування. Для цього використовувався коефіцієнт рангової кореляції Спірмена, який характеризує ступінь довільної нелінійної залежності між змінними в рамках моделі «зростання однієї змінної зумовлює зростання іншої».

Розрахунок проводився окремо для Азорських, Сибірських та Арктичних антициклонів. Побудова полів кореляційного зв'язку між індексом блокування і аномаліями кількості опадів протягом досліджуваного періоду та їх аналіз виявили, що від'ємним значенням індексу блокування при впливі Азорського максимуму відповідають аномалії середньодобової кількості опадів, які розташовані на південно-східній та східній периферії блокуючого антициклону. Для Сибірського антициклону поля кореляції показали, що район з від'ємними значеннями коефіцієнту кореляції, якому відповідає район локалізації аномалій кількості опадів, розташований на північній та північно-східній периферії антициклону. Тобто, зменшення значень індексу блокування (посилення впливу дії блокування) зумовлює збільшення аномалій середньої добової кількості опадів. Зв'язок між середньою добовою кількістю опадів та індексом блокування для випадку Арктичного антициклона характеризується від'ємними значеннями коефіцієнту кореляції на західній та північно-східній його периферії. Як і в попередніх випадках, це район локалізації значень аномалій кількості опадів.

а) ц° пн.ш. л° сх.д.	б) ц° пн.ш. л° сх.д.
в) ц° пн.ш. л° сх.д.

Рис. 4 - Поле ізокорелят між індексом блокування та аномаліями кількості опадів : (а) Азорський антициклон (08.05. - 19.05.2007 р.); (б) Сибірський антициклон (15.01. - 19.02.2005 р.); (в) Арктичний антициклон (21.12. - 26.12.2009 р)

Аналіз просторової структури поля опадів виявив, що у ряді випадків на північно-східній периферії блокуючого антициклону спостерігається утворення осередків конвективних опадів, інтенсивність яких, як наголошувалося вище, зростає зі зменшенням значень індексу блокування.

Визначення типу опадів (фронтальні або внутрішньомасові) проводилося на підставі розрахунку поля фронтального параметру (), який, з одного боку, виділяє зони підвищеної бароклінності, а з іншого, через встановлені критеріальні значення, дозволяє ідентифікувати наявність або відсутність фронтальних гілок. Фронтальний параметр () розраховується за формулою:

,

, (2)

де - питома газова стала, - прискорення сили тяжіння; - середня еквівалентна температура; - оператор градієнта; - одиничний вектор, спрямований у бік зменшення ; ZTE - еквівалентна товщина шару від 850 до 500 гПа.

Сума в (2) береться в межах від рl = 850 гПа до рu = 500 гПа. Таким чином, є характеристикою бароклінності в шарі 850-500 гПа. Значення тим більше, чим сильніша бароклінність у шарі 850-500 гПа, і по суті цей фронтальний параметр містить інформацію не лише про положення, але й про інтенсивність фронту. На рис. 5 представлено поле параметра ш для випадку 26.01.2005 р., коли синоптична ситуація над центральними регіонами Росії визначалася дією антициклону з максимальним тиском у центрі 1059,6 гПа. Атмосферний фронт, пов'язаний з висотною фронтальною зоною, розташовується вздовж висотної фронтальної гілки.



Рис. 5 - Поле параметру ш синоптичної ситуації 26.012005 р. за даними ре-аналізу NCEP/NCAR (ш > 10)

У зоні100-120є схід.д., 60-70є півн.ш. відповідно до приземного аналізу спостерігається вплив фронту оклюзії, в області якого локалізовані осередки купчасто-дощової хмарності, що зумовлюють випадіння опадів. Згідно із загальновживаної техніки синоптичного аналізу природу зазначених опадів пояснюють саме за рахунок проведення фронту оклюзії, якого в даному випадку не спостерігається.

Структура поля параметру ш показує, що найбільші значення приходяться на центр циклону, який розташований північніше Скандинавії. Зони підвищених величин ідентифікують в основному холодний фронт та, в меншій мірі, теплий. Характерно, що блокуючий антициклон на своїй периферії оточений зонами підвищеної бароклінності, що пояснюється наявністю контрастів температур між холодним повітрям всередині антициклону і теплим - на його периферіях. Це має схожість з властивостями солітонів, а саме тим, що усередині вихору існує область захопленого повітря, яке практично не вступає у взаємодію з оточуючим середовищем. Тобто, блокуючий антициклон (з ймовірними властивостями солітону Россбі) може зумовлювати зони підвищеної бароклінності на своїх периферіях, які не повинні розцінюватися при синоптичному аналізі як атмосферні фронти. Таким чином, за результатом аналізу поля параметра ш можна констатувати, що осередки його підвищених значень ідентифікують не тільки фронтальні розділи, а й зони підвищеної бароклінності, які, у випадку блокуючого антициклону, розташовуються по його периферії, зумовлюючи сприятливі умови для формування опадів. Водночас доцільно визначити існування умов, які сприяють виникненню конвективних рухів над досліджуваною територією. Для цього, в якості кількісного критерію, розраховувалися поля параметру статичної нестійкості на ізобаричних поверхнях 850 - 400 гПа, що дозволило побудувати його вертикальні профілі (рис. 6) у зоні локалізації осередків конвективних опадів. З них видно, що у шарі 850-700 гПа значення статичної нестійкості збільшуються з ? 0,04 до 0,09. Далі, до висоти 600 гПа його значення зменшуються до 0,07, після чого знову зростають. Відповідно можна зробити висновок, що до рівня ізобаричної поверхні 700 гПа формуються умови сприятливі для утворення висхідних потоків і формування конвективної хмарності. Розподіл кількості опадів в антициклоні за даними ре-аналізу NCEP/NCAR свідчить, що на східній периферії вони мають внутрішньомасову природу. Зважаючи на пору року та географічне розташування місцевості, можна вважати, що ймовірність впливу термічного фактору на формування опадів буде дуже малою, а основна причина лежить у площині динамічних факторів, які і розглядаються далі.

Н, гПа

Рис. 6 - Вертикальні профілі параметру статичної нестійкості у зоні конвективних опадів на довготі л = 120є сх.д. (значення широт показано на графіку)



Припустимо, що певному вихору притаманні властивості солітонної хвилі. У такому разі, задача одержання поля швидкостей зводиться до моделювання обтікання еліптичного циліндру, велика вісь якого знаходиться під заданим кутом атаки відносно зонального потоку.

Базовими для виконання завдання є рівняння Нав'є-Стокса у поєднанні з рівнянням нерозривності:

; (3) (4)

(5)

де u, с і p - швидкість, густина та тиск рухливого середовища відповідно; і, k - орти координат; - тензор деформації; Si - зовнішні масові сили, що діють на одиницю маси рухливого середовища; t - час; E - повна енергія одиничної маси рухливого середовища; QH - тепло, що виділяється тепловими джерелами в одиничному об'ємі середовища; qk - дифузійний тепловий потік. Візуалізація ліній току, які утворені обтіканням зональним потоком повітряного еліптичного циліндру, наведено на рис. 7. На східній периферії циліндру простежуються збурений потік та два вихори у вертикальній площині, структуру яких спробуємо дослідити. У відповідності із теоремою Бернуллі, тиск є максимальним у критичних точках і мінімальним - у «міделі». Тому за «міделем» частинки рухаються у сторону зростаючого тиску, що викликає уповільнення потоку. Крім того, додаткове гальмування зумовлює вплив самої солітонної хвилі, яка апріорі є малорухомою і не взаємодіє з набігаючим потоком. Після досягнення задньої критичної точки потік починає прискорюватися у зворотньому напрямку, тобто виникає зворотній рух на фоні зонально спрямованого потоку. На рис. 8 представлено розподіл складових швидкості вздовж ліній току вихору, розташованого праворуч (а, в, д) та ліворуч (б, г, є) за потоком. 

Рис. 7 - Лінії току, утворені обтіканням зональним потоком (u = 15 м•с-1) повітряного циліндру при рівномірному профілі швидкості на вході розрахункового домену

V, м·с-1 V, м·с-1

а) б)

L, м L, м

V, м·с-1 V, м·с-1

в) г)

L, м L, м

V, м·с-1 V, м·с-1

д) є)

L, м L, м

Рис. 8 - Зміна складових швидкості вздовж вихрових траєкторій за тілом обтікання для правобічного (а, в, д) і лівобічного (б, г, є) за потоком вихорами; а, б - зональні складові; в, г - меридіональні складові; д, є - вертикальні складові



Співставлення складових швидкості для правобічного та лівобічного вихорів дають змогу встановити, що їх горизонтальні розміри відносяться до розмірів солітонної хвилі як 1:5. Величина висхідних рухів у правобічному вихорі, який має менші лінійні розміри, перевищує аналогічний показник для лівобічного на 0,3 м·с-1, а низхідних - на 0,1 м·с-1.

Результати чисельного експерименту свідчать, що горизонтальні розміри зіндукованих солітонною хвилею вихрових структур становлять приблизно 15-20, вертикальні - 40-50% від розмірів солітонної хвилі. Зменшення розмірів вихору супроводжується збільшенням швидкості руху частинок вздовж траєкторій, що його утворюють.



ВИСНОВКИ

У дисертації узагальнена та систематизована інформація про блокуючі антициклони над Європейським сектором, види та траєкторії їх переміщення, вплив на погоду територій, над якими спостерігаються блокуючі антициклони.

У результаті виконання роботи можна зробити наступні висновки:

1. Виявлено, що явище блокування зонального перенесення спричиняє такі типи циркуляції атмосфери, які зумовлюють стійкий аномальний розподіл метеорологічних величин (температура, вологість та ін.) над значними територіями. При цьому залишається практично не дослідженою тема просторової структури поля опадів та його аномалій для різних частин блокуючих антициклонів.

2. Відмічено, що існування циклон-антициклонної асиметрії на суттєво нелінійних стадіях розвитку хвильових збурень є окремим фізичним механізмом блокування, який викликаєє тривале існування стаціонарних антициклонічних вихорів (локальних збурень) у зональному потоці.

3. Вперше запропоновано каталог блокуючих антициклонів
(73 випадки) за період з грудня 2001 - січень 2010 рр., тривалістю 7 і більше діб. Всі випадки блокуючих антициклонів поділені за типами (Сибірські, Азорські та Арктичні). Виявлено, що найбільшу повторюваність за останнє десятиріччя мають Азорські антициклони (28 випадків) і найменшу - Сибірські (20 випадків). За сезонами виділено, що Азорські антициклони частіше стаціонують влітку та навесні, Арктичні - взимку та Сибірські - восени.

- Знайдено в структурі баричного поля комбінований блокуючий диполь, що існував 36 діб та представляв собою поєднання Сибірського та Арктичного стаціонарних антициклонів, що обумовлювали своєрідний хід метеорологічних величин на території Східної Європи та Азіатської частини Росії.

4. Визначено, що від'ємні градації індексу блокування спостерігаються на 2 - 4 добу стаціонування антициклону і дещо зміщені відносно його центру у бік заблокованих циклонів.

5. Вперше проведено детальне дослідження та виявлені основні закономірності в розподілі опадів різної інтенсивності диференційованих по секторам блокуючих антициклонів над Європейським регіоном.

6. Встановлено, що між індексом блокування і середньою добовою кількістю опадів існую лінійна або майже лінійна залежність, тобто зменшення значень індексу блокування зумовлює збільшенню або зменшенню кількості опадів залежно від сектору антициклону. Перевірка на незалежному матеріалі рівнянь регресійного зв'язку показала можливість використання модельних співвідношень для діагнозу та прогнозу опадів в періоди блокування. Однак, для впевнених висновків потрібне аналогічне дослідження за більшою вибіркою незалежного матеріалу та виявлення інших опадогенеруючих факторів в періоди блокування.

7. Засвідчено, що у ряді випадків на північно-східних, східних та південно-східних периферіях блокуючого антициклону утворюються опади нефронтального типу. При цьому спостерігається сприятлива для утворення конвективних опадів термічна структура атмосфери.

8. Встановлено що залежно від кута орієнтації великої вісі еліпсу антициклону спостерігається утворення вихрових структур на його північно-східній або південно-східній периферії. Розташування зазначених вихорів співпадає з розташуванням осередків конвективних опадів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Врублевская А.А. Динамика режима осадков на юге Украины /
А.А. Врублевская, Н.М. Мищенко, Ю.О. Сапунова // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2005. - № 49. - С. 126-136. (Збір, розрахунки та аналіз отриманих результатів за тепле півріччя).

2. Ивус Г.П. Статистические характеристики скорости ветра в районе Одессы / Г.П. Ивус, Э.В. Агайар, Н.М. Мищенко // Культура народов Причерноморья. - Симферополь: 2005. - № 67. - С. 21-24. (Обробка вихідного матеріалу та розрахунки).

3. Ивус Г.П. Роль тектонических процессов на формирование погодных условий над Украиной / Г.П. Ивус, В.А. Ефимов, Н.М. Мищенко // Вісник Одеського національного університету. - 2007. - Том. 12, Вип.8. - С. 95 - 101. (Участь у постановці задачі та аналізі отриманих результатів).

4. Ивус Г.П. К вопросу о влиянии теплового баланса подстилающей поверхности на формирование блокирования / Г.П. Ивус,
В.А. Ефимов, Н.М. Мищенко // Культура народов Причерноморья. - Симферополь: 2007. - № 68. - С. 122-126. (Участь у постановці задачі та аналізі отриманих результатів).

5. Ивус Г.П. Результаты моделирования взаимодействия тектонических процессов с атмосферными / Г.П. Ивус, В.А. Ефимов, Н.М. Мищенко // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2008. - Ч.1, Вип. 50. - С. 58-63. (Участь у постановці задачі, підбір вихідного матеріалу та аналіз отриманих результатів).

6. Грушевський О.М. Вплив хвиль солітонного типу на утворення нефронтальних опадів / Грушевський О.М., Міщенко Н.М. // Вісник Одеського державного екологічного університету. - 2009. - Вип. 8. - С. 150-160. (Участь у постановці задачі, розрахунок і побудова полів опадів, аномалій та індексу блокування).

7. Міщенко Н.М. Просторово-часова структура аномалій поля опадів при блокуванні зонального перенесення / Н.М. Міщенко// Український гідрометеорологічний журнал. - 2009. - Вип. 5. - С. 113-120.

8. Сапунова Ю.А., Динамика режима осадков на юге Украины /
Ю.А Сапунова, Н.М. Мищенко// Матеріали студентської конференції. - Одеса, 2004. - С. 55-56. (Збір, розрахунки та аналіз отриманих результатів за тепле півріччя)

9. Мищенко Н.М. Исследование однородности временних рядов сумм осадков методом «ступінчатого тренда» // Н.М. Мищенко,
Ю.А Сапунова // Матеріали студентської конференції. - Одеса, 2004. - С. 57-58. (Збір, розрахунки та аналіз отриманих результатів за тепле півріччя).

10. Ивус Г.П. Статистические характеристики скорости ветра на северо-западном побережье Черного моря / Г.П. Ивус, Э.В. Агайар,
Н.М. Мищенко // Матеріали конференції молодих вчених. - Одеса, 2006. - С. 119 - 120. (Розрахунки та участь у аналізі отриманих результатів).

11. Мищенко Н.М. Роль тектонических процессов на формирование погодных условий над Украиной / Н.М. Мищенко, Г.П. Ивус, В.А. Ефимов // Матеріали VII наукової конференції молодих вчених. - Одеса, 2007. - С.65. (Участь у постановці задачі та аналізі отриманих результатів).

12. Ефимов В.А. Результаты моделирования взаимодействия тектонических процессов с атмосферными над территорией Украины / В.А. Ефимов, Г.П. Ивус, Н.М. Мищенко// Матеріали Другої міжнародної науково-технічної конференції, присвяченої 75-річчю Одеського державного екологічного університету „Навколишнє природне середовище - 2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології; інтеграція освіти і науки” - Одеса, 2007. - С.150. (Участь у постановці задачі, збір вихідного матеріалу, аналіз отриманих результатів).

13. Ивус Г.П. Распределение аномалий среднесуточного количества осадков при блокировании зонального переноса и их связь с индексами блокирования / Г.П. Ивус, О.Н. Грушевский, Н.М. Мищенко // матеріали конференції молодих вчених - Одеса, 2008. - С. 32. (Участь у постановці задачі, розрахунок і побудова полів опадів та індексу блокування, аналіз отриманих результатів).



АНОТАЦІЯ

Міщенко Н.М. Структура полів опадів та швидкості вітру в умовах блокування зонального переносу в Європейському секторі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. - Спеціальність 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2010.

У дисертаційній роботі викладені результати досліджень спектрів повторюваності інтенсивності середньої добової кількості опадів по градаціям модифікованого індексу блокування Леєнаса і Окланда для різних частин антициклонів; з'ясовані основні закономірності просторової структури розподілу поля опадів та їх аномалій, її кількісні характеристики при блокуванні зонального перенесення різними типами антициклонів; визначений вид залежності та просторова структура зв'язку між значеннями аномалій середньої добової кількості опадів та індексом блокування; проведено моделювання поля швидкостей, досліджено його характеристики для ситуацій блокування зонального перенесення з використанням властивостей хвиль солітонного типу.

В роботі представлено 73 випадків стаціонарних антициклонів тривалістю 7 і більше діб, з яких складено каталог блокуючих антициклонів. Всі антициклони поділені на типи (Сибірський, Азорський, Арктичний). Проведена апробація і модифікації індексу блокування Леєнаса і Окланда для ідентифікації ситуацій блокування в атмосфері та побудові його просторового розподілу.

Дослідженні структури просторового розподілу середньої добової кількості опадів, їх аномалій та виявленні зв'язку між ними і полем модифікованого індексу Леєнаса та Окланда для ситуацій блокування зонального перенесення різними типами антициклонів.

Розроблені принципи моделювання поля швидкостей для ситуацій блокування при постулюванні властивостей хвиль солітонного типу та досліджено характеристики цих полів.

Ключові слова: спектри, індекс блокування, опади, просторовий розподіл, блокуючі антициклони, поле швидкості.



АННОТАЦИЯ

Мищенко Н.М. Структура полей осадков и скоростей ветра в условиях блокирования зонального переноса в Европейском секторе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук - Специальность 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2010.

В диссертационной работе представлены результаты исследований спектров повторяемости интенсивности среднего суточного количества осадков по градациям модифицированного индекса блокирования Лэенаса и Окланда для разных частей антициклонов; выяснены основные закономерности пространственной структуры распределения поля осадков и их аномалий, ее количественные характеристики при блокировании зонального переноса разными типами антициклонов; определен вид зависимости и пространственная структура связи между значениями аномалий среднего суточного количества осадков и индексом блокирования; проведено моделирование поля скоростей, исследованы его характеристики для ситуаций блокирования зонального переноса с использованием свойств волн солитонного типа.

Выполнена апробация и модификации индекса блокирования Лэенаса и Окланда для идентификации ситуаций блокирования в атмосфере и построения их пространственного распределения.

Предложен каталог блокирующих ситуаций (73 случая) продолжительностью 7 и более дней, за период с декабря 2001 по январь 2010 гг., с помощью которого выявлены основные повторяемости разных типов (Сибирских, Азорских, Арктических) антициклонов за последнее десятилетие. Отмечена наибольшая повторяемость Азорских (28 случаев) и наименьшая - Сибирских (20 случаев) антициклонов. По сезонам максимальное количество Сибирских антициклонов наблюдается осенью, Азорских - весной и летом, Арктических - зимой. Также выделены 2002 и 2006 гг., когда в первом случае доминировали Арктические, а во втором Азорские блокирующие антициклоны.

Представлены результаты пространственного распределения среднесуточных количеств осадков и их аномалий в периоды блокирования зонального переноса разными типами антициклонов. Исследованы спектры повторяемости интенсивности среднего суточного количества осадков по градациям модифицированного индекса блокирования Лєенаса и Окланда для разных секторов антициклонов. Выявлено, что в холодном полугодии осадки в юго-восточном, юго-западном и северо-западном секторах связаны, главным образом, с прохождением атмосферных фронтов на перифериях антициклона вблизи отмеченных секторов. Однако наличие осадков в северо-восточном секторе не подходит к этому выводу, потому что фронты в данном регионе не прослеживаются. Чаще осадки наблюдаются при отрицательных значениях индекса блокирования. В теплом полугодии причины возникновения осадков в каждом секторе идентичные с холодным полугодием - это атмосферные фронты или влияние орографии.

Построение регрессионной модели зависимости между индексом блокирования и средним суточным количеством осадков установило, что существует линейная или почти линейная зависимость между индексом блокирования и средним суточным количеством осадков на перифериях антициклонов, то есть уменьшение значений индекса блокирования предопределяет повышение или уменьшение количества осадков в зависимости от сектора антициклона.

Проверка на независимом материале уравнений регрессии показала, что в 85% случаях наличие осадков прогнозируется, но не всегда совпадает интенсивность. Поэтому для более точных выводов необходимо увеличить выборку независимого материала, а также выявить другие осадкогенерирующие факторы.

Расчет и построение полей бароклинности атмосферы для ситуаций блокирования показали, что в некоторых случаях их структура характеризуется наличием зон ее повышенных значений на перифериях стационарных антициклонов. Такие зоны не всегда связаны с фронтальными разделами (например, восточная и северо-восточная периферии) и являются следствием стойких во времени контрастов температур между холодной центральной частью антициклона и его перифериями (свойства солитонов Россби). Это создает благоприятную термическую структуру для образования мезомасштабних зон осадков нефронтального типа.

Проведено моделирование поля скоростей, исследованы его характеристики для ситуаций блокирования зонального переноса с использованием свойств волн солитонного типа. Разработаны принципы моделирования поля скоростей для ситуаций блокирования при постулировании свойств волн солитонного типа и исследованы характеристики этих полей. Установлено что в зависимости от угла ориентации большой оси эллипса антициклона наблюдается образование вихревых структур на его северо-восточной или юго-восточной периферии. Расположение отмеченных вихрей совпадает с расположением ячеек конвективных осадков.

Ключевые слова: спектры, индекс блокирования, осадки, пространственное распределение, блокирующие антициклоны, поле скорости.



SUMMARY

Mishenko N.M. Structure of the fields of precipitations and speeds of wind in the conditions of blocking of zonal transfer in the European sector. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree of geographic sciences by speciality 11.00.09 - meteorology, climatology, agrometeorology. - The Odessa State Environmental University, Odessa, 2010.

In dissertation work there are the laid out results of researches of spectrums of repetition of intensity of middle day's amount of precipitations on gradations of the modified index of the Leynasa and Oklanda blocking for different sectors of anticyclones; found out basic conformities to the law of spatial structure of distributing of the field of precipitations and their anomalies, its quantitative descriptions at blocking of zonal transfer by different types of anticyclones; the type of dependence and spatial structure of communication between the values of anomalies of middle day's amount of precipitations and index of blocking is certain; the design of the field of speeds is conducted, his descriptions for the situations of blocking of zonal transfer with the use of properties of waves of soliton type are explored.

Got 73 cases of stationary anticyclones which the catalogue of blocking anticyclones is made from. Approbation and modifications of index of the Leynasa and Oklanda blocking for authentication of situations of blocking in an atmosphere and construction of the spatial distributing of indexes of blocking is conducted.

The structures of the spatial distributing of middle day's amount of precipitations are explored, their anomalies and communications are exposed between them and is weeded the modified index Leynasa and Oklanda for the situations of blocking of zonal transfer by different types of stationary anticyclones.

Principles of design of the field of speeds are developed for the situations of blocking at a priori postulation of properties of waves of soliton type and descriptions of these fields are explored.

Keywords: spectrums, index of blocking, precipitations, spatial distributing, blocking anticyclones, field of speed.

Размещено на Allbest.ru

...