Умови формування сильних і тривалих опадів, пов’язаних із системами фронтальних хмар

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

УДК 551.515.8:551.589.1:551.576:551.577:551.509.6

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

Умови формування сильних і тривалих опадів, пов'язаних із системами фронтальних хмар

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

Шпиг Віталій Михайлович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Пірнач Ганна Михайлівна, Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, головний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор географічних наук, доцент Хохлов Валерій Миколайович, Одеський державний екологічний університет, доцент кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Талерко Микола Миколайович, Інститут проблем безпеки АЕС Національної академії наук України, провідний науковий співробітник

Захист відбудеться “ 18 ” 09 2008 р. о 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 ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ-33, вул. Володимирська, 64.

Автореферат розіслано “__5__” 08 2008 р.

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

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми обумовлена тим, що фронтальні системи хмар та пов'язані з ними опади прямо чи опосередковано впливають на різні сфери діяльності людини (будівельна галузь, сільське господарство, транспорт тощо), а також на рослинний і тваринний світ Землі. З одного боку опади є бажаними, оскільки, наприклад, створюють вологозапас у ґрунті, формують сніговий покрив тощо, а отже, є одним із факторів успішного ведення сільського господарства в цілому і рослинництва зокрема. Проте досить часто облогові опади із фронтальних хмар можуть призвести до негативних наслідків. У гірських районах тривалі і сильні опади (тривалі дощі) є одним із чинників формування повеней, замерзаючі опади та сніг можуть зруйнувати лінії електропередач і паралізувати транспортні магістралі. Це призводить до великих матеріальних збитків, а інколи і людських жертв. Проблема прогнозу таких небезпечних явищ постійно вимагає поглиблення розуміння процесів, що призводять до накопичень у хмарах великої кількості вологи.

Постає необхідність додаткового вивчення синоптичних процесів в атмосфері, які призводять до формування сильних і тривалих опадів (100 мм і більше за 1-3 доби), а також якісної та кількісної оцінки різномасштабних хмарних процесів, які мають місце у таких випадках. Особливої актуальності у цьому контексті набула проблема кількісної оцінки хмарних процесів, зважаючи на той факт, що більшість діагностичних і прогностичних моделей процесів формування та розвитку хмар та опадів на цей час залишаються досить спрощеними. Насамперед, це проявляється у недостатньому рівні врахування мікрофізичних процесів, які проходять у хмарах. У свою чергу, помилки при прогнозуванні хмарності призводять у подальшому до неточностей у передбаченні сум та інтенсивностей опадів.

Протягом ХХ століття значного розвитку у світі набули активні впливи на атмосферні процеси, тому, зважаючи на значні матеріальні збитки, які виникають внаслідок тривалих і сильних опадів, постає питання про можливість їх застосування у таких випадках.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, які ввійшли у дисертацію, були складовими частинами НДР, що виконувалися на замовлення НАНУ у відділі фізики атмосфери УкрНДГМІ за темами: “Комплексне дослідження (чисельне моделювання та аналіз даних натурних спостережень) еволюції систем шаруватоподібних та конвективних хмар і пов'язаних з ними небезпечних явищ над рівнинними та гірськими територіями України” (2001 - 2005 рр., №ДР 0101U004221), “Комплексне дослідження механізмів утворення та еволюції мезомасштабних осередків сильних опадів та інших небезпечних явищ погоди над рівнинними та гірськими територіями України. Параметризація процесів підсіткового масштабу (радіаційний теплообмін в атмосфері з урахуванням впливу хмар, моделювання турбулентних пограничних шарів) для чисельних регіональних моделей атмосфери” (2006-2010 рр., №ДР 0106U004750).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є дослідження макро-, мезо- та мікромасштабних особливостей стану атмосфери, які супроводжувалися формуванням фронтальної хмарності і, пов'язаних з нею, сильних і тривалих опадів над територією України.

Для досягнення даної мети були вирішені наступні задачі:

Проаналізовано ряд синоптичних ситуацій з сильними та тривалими опадами над територією України.

Доповнено алгоритм тривимірної діагностичної моделі, розробленої в УкрНДГМІ, новими блоками, які дозволяють здійснювати перехід від географічної системи координат до декартової, враховувати рельєф земної поверхні, розраховувати кількість опадів, водність та льодність хмарних систем.

Доповнено алгоритм тривимірної діагностичної моделі, розробленої в УкрНДГМІ, блоком ідентифікації повітряних мас.

Побудовано нестаціонарну мікрофізичну двофазну (пара-вода) модель хмари. Здійснено її адаптацію до даних діагностичної моделі. Проведено серію чисельних експериментів з використанням даних про реальний термодинамічний стан атмосфери (отриманих за допомогою діагностичної моделі) щодо залежності часу існування змодельованої хмари та інтенсивності опадів від початкового розподілу хмарних часток дрібнокрапельного спектру.

Адаптовано тривимірну діагностичну модель, що була розроблена в УкрНДГМІ, до даних, отриманих за допомогою моделі REMO, яка була розроблена в інституті Макса Планка.

Проведено серію чисельних експериментів щодо врахування шаруватоподібної та конвективної хмарності за допомогою тривимірних прогностичних моделей.

Проведено серію чисельних експериментів щодо можливості активних впливів на хмарні системи під час випадків проходження сильних та тривалих опадів над Українськими Карпатами та щодо оцінки ролі процесів коагуляції та конденсації.

Для конкретних випадків оцінено вплив гір на випадання сильних і тривалих опадів.

Об'єкт і предмет дослідження. Фронтальні хмари, сильні і тривалі опади складають об'єкт досліджень дисертаційної роботи. Предмет досліджень - макро- та мезомасштабні, термодинамічні та мікрофізичні процеси у тропосфері, що відповідають за хмаро- та опадоутворення на атмосферних фронтах.

Методи досліджень:

синоптичний аналіз;

чисельне моделювання;

аналіз даних серій чисельних експериментів, які проводяться за допомогою розроблених стаціонарних і нестаціонарних чисельних моделей атмосферних фронтів;

аналіз даних наземних та аерологічних спостережень.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Отримано нові дані про райони виникнення циклонів, переміщення яких супроводжувалося випаданням сильних та тривалих опадів в окремих регіонах України.

2. Встановлено характерні конфігурації висотної фронтальної зони у випадках сильних і тривалих опадів.

3. Запропоновано нову схему диференційованого визначення водності та льодності шаруватоподібних та конвективних хмар.

4. Отримано нові дані про залежність сум опадів від початкового розподілу хмарних часток під час випадання сильних і тривалих опадів, про взаємозв'язок між осередками сильних опадів та термодинамічними параметрами (температура, тиск і висхідні рухи) атмосфери, а також від наявності та інтенсивності різних механізмів опадоутворення. Запропоновано новий спосіб врахування початкового розподілу хмарних крапель дрібнокрапельної фракції для моделювання еволюції хмар різних видів.

5. Вперше для дослідження випадків сильних і тривалих опадів над територією Українських Карпат було використано чисельне моделювання та отримано нові дані про мезомасштабні та мікрофізичні властивості фронтальної хмарності у таких випадках.

6. За допомогою чисельного моделювання для конкретних випадків зроблено оцінку можливості проведення активних впливів на фронтальну хмарність з метою зменшення сум сильних і тривалих опадів.

7. Для нестаціонарних мікрофізичних моделей запропоновано оригінальні схеми для одночасного врахування шаруватоподібної та конвективної хмарності.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені та удосконалені чисельні схеми та моделі дозволяють використовувати їх для детального якісного та кількісного аналізу внутрішньої структури атмосферних фронтів, досліджень мезо- та мікроструктури фронтальних систем хмар та опадів над заданою територією.

Запропоновані схеми, які дозволяють здійснювати перехід від географічної системи координат до декартової, розраховувати кількість опадів, водність та льодність хмарних систем, здійснювати ідентифікацію повітряних мас та одночасне врахування шаруватоподібної і конвективної хмарності, можуть бути використані як окремі блоки у моделях прогнозу погоди.

Запропоновані нами способи врахування початкового стану хмарності (її водності та льодності) можуть дозволити скоротити період пристосування (spin-up) хмарності в моделях до динаміки атмосфери, а також частково вирішити проблему початкових даних у гідродинамічних та мікрофізичних моделях.

За допомогою розроблених моделей отримано мезомасштабні і мікрофізичні характеристики фронтальних хмар, що дало змогу доповнити чи навіть замінити відсутні експериментальні дані. Такий підхід дозволяє оптимізувати і зменшити витрати на проведення експериментів у фронтальних хмарах.

Розроблені моделі та одержані результати щодо залежностей і взаємозв'язків мікрофізичних і мезомасштабних характеристик і процесів у фронтальних хмарах рекомендовано для застосування в навчальному процесі в університетах та інших вищих навчальних закладах під час підготовки спеціалістів з фізики хмар, екології та інших природничих спеціальностей.

Особистий внесок здобувача.

1. Виконано аналіз макромасштабних умов в атмосфері під час формування сильних і тривалих опадів на території України.

2. Створено архів синоптичних матеріалів (приземних карт та карт баричної топографії) для періоду з 1985 по 2004 р. та аерологічних даних для періоду з 1990 по 2004 р.

3. Модифіковано тривимірну діагностичну модель шляхом введення нових та альтернативних блоків, які дозволяють здійснювати перехід від географічної системи координат до декартової, більш точно розраховувати кількість опадів, водність та льодність хмарних систем.

4. Запропоновано нову схему визначення водності та льодності хмар.

5. Проведено чисельні експерименти і проаналізовано результати моделювання фронтальних систем для випадків сильних і тривалих опадів з сітками різної роздільності над Українськими Карпатами.

6. Для окремих випадків виконано оцінку впливу гір на випадання сильних і тривалих опадів.

7. Побудовано та адаптовано до розв'язку поставлених задач з даними діагностичної моделі одновимірну двофазну нестаціонарну мікрофізичну модель хмари. За допомогою цієї моделі було проведено і проаналізовано серію чисельних експериментів по дослідженню взаємозв'язків між основними мікрофізичними характеристиками хмар. За результатами чисельних експериментів та за допомогою регресійного аналізу було отримано загальний вираз для початкової концентрації хмарних часток дрібнокрапельного спектру при відомих водності, середньому радіусу та параметру розподілу хмарних часток.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та окремі результати, отримані під час написання дисертації, представлялись та обговорювались на секції “Метеорологія” Вченої ради УкрНДГМІ, на засіданнях Вчених рад УкрНДГМІ, у відділі фізики атмосфери УкрНДГМІ та на наступних конференціях: VI Всеукраїнська наукова конференція студентів, магістрантів і аспірантів “Екологічні проблеми регіонів України” (м. Одеса, 2004); VIІ Всеукраїнська наукова конференція студентів, магістрантів і аспірантів “Екологічні проблеми регіонів України” (м. Одеса, 2005); General Assembly of European Geosciences Union (Vienna, Austria, 2005); 5^th Annual Meeting of the European Meteorological Society, 7^th European Conference on Applications of Meteorology (Utrecht, Netherlands, 2005); Международный семинар для национальных гидрометслужб СНГ и Балтии по численному моделированию активных воздействий (г. Санкт-Петербург, Россия, 2005); 6^th Annual Meeting of the European Meteorological Society, 6^th European Conference on Applied Climatology (Ljubljana, Slovenia, 2006); Міжнародна конференція “Молоді науковці - географічній науці” (м. Київ, 2006); Друга Міжнародна науково-технічна конференція “Навколишнє природне середовище - 2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології; інтеграція освіти і науки” (м. Одеса, 2007).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 15 робіт, у тому числі 5 статей у фахових виданнях ВАК України (з них 2 одноосібні) та 10 публікацій у збірниках тез та матеріалів наукових конференцій.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота викладена на 241 сторінці машинописного тексту, містить 35 рисунків і 18 таблиць, складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел (252 найменування) і чотирьох додатків (54 сторінки).

Зміст роботи

У Вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані її мета і завдання, вказуються основні методи дослідження, наукова новизна і практичне значення. Також відмічено особистий внесок здобувача і наведено список конференцій, де було апробовано отримані під час виконання дисертаційної роботи результати.

У першому розділі розглянуто сучасний стан проблеми. Зокрема зазначається, що дослідження сильних і тривалих опадів (або тривалих дощів: 100 мм опадів і більше за 1-3 доби) завжди перебували у царині інтересів вітчизняних та зарубіжних науковців і проводилися одночасно у декількох напрямах: кліматологічному, синоптичному та чисельного моделювання. У першому з них вивчалися поширення та повторюваність явища на тій чи іншій території, два останніх були спрямовані на вивчення фізики процесу (причини та умови утворення, еволюція тощо) та практичне застосування в оперативному прогнозі. Аналіз макро-, мезо- та мікромасштабних причин формування таких опадів переважно проводився для окремих регіонів країни або навіть окремих випадків, часто з обмеженою кількістю метеостанцій. Число самих досліджень, присвячених тривалим дощам, також є незначним. Моделюванням сильних опадів в Україні практично не займалися. Відносно нещодавно такі роботи почали з'являтися за кордоном.

Серед досліджень вітчизняних вчених, які у той чи інший спосіб розглядали тривалі і сильні опади як прояв атмосферних процесів над територією України, варто відзначити роботи Ромова А.І., Богатир Л.Ф., Пономаренка І.М., Мартазінової В.Ф., Бабіченко В.М., Заболоцької Т.М. та ін.

Дослідження процесів хмаро- та опадоутворення поєднує в собі два підходи (теоретичний та практичний), які є взаємодоповнюючими і, зрештою, дають можливість створити цілісну картину. Тому у розділі представлено останні досягнення експериментальних досліджень хмар та чисельного моделювання (як одного з сучасних ефективних засобів дослідження фронтальних хмар та опадів). Відзначається великий вклад українських вчених щодо вивчення водності та фазового стану хмар, розбудови та практичного втілення у життя технології проведення активних впливів.

Останнім часом на теренах колишнього Радянського Союзу тільки в Російській Федерації спеціалісти з Високогірного геофізичного інституту та Центральної аерологічної обсерваторії і досі проводять виробничі експерименти із збільшення опадів. В цілому можна констатувати, що лідируючі позиції по багатьом напрямкам фізики хмар та активних впливів зараз належать вченим США та Західної Європи, тобто тим державам, які не тільки зберегли свій науковий потенціал, але і значно розширили матеріально-технічну базу. Так, наприклад, у США експериментальні дослідження особливостей хмарних систем фронтів і циклонів досить активно ведуться групою фізики хмар Університету штату Вашингтон, яка була створена П. Хоббсом. Вони базуються на даних літакових зондувань, доплерівських радарів, які сканують по колу і вертикально, частих радіозондувань та інших спеціальних систем спостережень. Широкомасштабні дослідження в області активних впливів ведуться у Китайській Народній Республіці.

Розвиток чисельних методів та електронно-обчислювальної техніки вже наприкінці 50-х років ХХ ст. створив можливість для розв'язання задач, які тривалий час вважалися недоступними. Серед моделей, в яких враховуються процеси хмаро- та опадоутворення, можна виділити три основні напрями: 1) гідродинамічний підхід; 2) параметризаційний підхід, котрий відрізняється від попереднього виокремленням мікрофізичних процесів та винесення їх в окрему категорію (хмара є не просто об'ємом вологи, яка сконденсувалася, а сукупністю часток, властивості яких можна описати за допомогою певних параметрів); 3) підхід, для якого характерними є детальні розрахунки мікрофізичних процесів у хмарах та їх характеристик за допомогою кінетичних рівнянь для функцій розподілу хмарних часток за розмірами; незважаючи на його громіздкість у порівнянні із вищезгаданими напрямками, він має одну суттєву перевагу, адже дозволяє найбільш коректним способом розрахувати мікрофізичні характеристики хмар, а також процеси утворення і випадання опадів.

Широкого використання ці підходи набули завдяки дослідженням як закордонних, так і вітчизняних вчених, серед яких можна назвати роботи М.В. Буйкова, В.М. Волощука, А.Ф. Дюбюка, Л.Г. Качуріна, З. Левіна, Л.Т. Матвєєва, А.І. Ромова, Г.М. Пірнач, А. Хайна, М.Є. Швеця, М.С. Шишкіна.

У другому розділі представлено характерні положення висотної фронтальної зони у випадках сильних та тривалих опадів над територією України; розглянуто райони виникнення циклонів, які переміщуються по території України і спричиняють тривалі і сильні опади.

Особливістю представленого в даному розділі дослідження є те, що вперше для території України було досліджено синоптичні процеси, при яких спостерігаються сильні та тривалі опади. За період з 1985 по 2004 роки розглянуто синоптичні ситуації, котрі супроводжувалися сильними і тривалими опадами на території України. Показано, що кількість таких випадків значно змінюється із року в рік.

Виявлено, що у переважній більшості випадків випадання сильних і тривалих опадів відбувалося тоді, коли над Західною або Центральною Європою утворювалася глибока меридіонально орієнтована улоговина, яка на заході межувала з Азорським антициклоном, а на сході - з антициклоном над південно-східними районами європейської частини Росії. Майже четверта частина випадків сильних і тривалих опадів була пов'язана із конфігурацією висотної фронтальної зони, коли західні гребені були направлені на північний схід зі східної частини Атлантичного океану на Велику Британію та південь Скандинавського півострова. У решті випадків сильні та тривалі опади спостерігалися тоді, коли східний баричний гребінь був значно розвиненіший, ніж західний, або ж коли мала місце перебудова типу атмосферної циркуляції з меридіональної на зональну, унаслідок чого циклонічна діяльність зосереджувалась у вузькій широтній смузі. Причому, приблизно у третині випадків, тривалі дощі пов'язані із системами фронтів з хвилями.

Практично для всієї території України випадання сильних і тривалих опадів було пов'язано із виходом циклонів, які утворилися над західною частиною Чорного моря, Нижньодунайською низовиною, Італією, Адріатичним морем та Середньодунайською низовиною. Циклони, що утворилися над Північним Кавказом, східними районами Азовського моря, можуть спричиняти тривалі дощі на Лівобережній (Запорізька, Херсонська, Сумська, Полтавська та Харківська області) Україні та у Криму.

У третьому розділі представлено напівемпіричну параметризацію інтенсивності та сум опадів. Запропоновано схему для обчислення водності та льодності шаруватоподібної та конвективної хмарності. Апробацію запропонованої схеми було проведено з використанням даних (температура, густина та питома вологість повітря, компоненти вектору швидкості вітру), отриманих за допомогою регіональної моделі (REMO), яка була розроблена в інституті метеорології імені Макса Планка.

Вирішальну роль в утворенні хмар та опадів відіграють ядра льодоутворення, тому, використовуючи емпіричні залежності, було досліджено просторовий розподіл концентрації цих ядер, її взаємозв'язок з льодністю, водністю та інтенсивністю опадів. Характерною ознакою процесу формування сильних і тривалих опадів була наявність над Українськими Карпатами області підвищених значень інтегральної концентрації ядер льодоутворення.

У результаті моделювання було отримано, що під час випадків із сильними та тривалими опадами спостерігаються високі значення водності та льодності хмар, особливо конвективних, де водність і льодність в окремих вузлах розрахункової сітки можуть досягати значень декількох грам на метр кубічний хмарного повітря.

Було проведено моделювання опадів над Карпатами та їх порівняння з відтвореним за даними гідрометеорологічної мережі просторовим розподілом опадів. Просторові розподіли метеорологічних величин, які розглядалися, були побудовані за допомогою програмних пакетів Surfer та MapInfo. Результати моделювання півдобової суми опадів із використанням запропонованих способів врахування початкових мікрофізичних характеристик хмарності (водності і льодності) приведено на рис. 1.

У четвертому розділі представлені основні рівняння, початкові та граничні умови тривимірних стаціонарних (діагностичних) моделей без врахуванням орографії та з її врахуванням, які були розроблені в УкрНДГМІ.

Особливістю представленого в даному розділі дослідження є те, що в раніше створену стаціонарну модель автором було включено нові блоки, які дозволяють здійснювати перехід від географічної системи координат до декартової, враховувати рельєф земної поверхні, розраховувати кількість опадів, водність та льодність хмарних систем, блок ідентифікації повітряних мас. атмосфера хмарність опади гора

Однією зі спільних рис випадків сильних і тривалих опадів, які розглядалися (3-5 листопада 1998 р., 3-5 березня 2001 р. - Українські Карпати, 10-13 серпня 2002 р. - Австрія, Німеччина та Чехія), була саме взаємодія різних повітряних мас у межах гірських масивів.

У ході моделювання було отримано, що над Карпатським регіоном та поблизу нього взаємодіяли дві повітряні маси: арктична та помірна. Характерною ознакою припинення сильних опадів було домінування арктичної повітряної маси.

Результати моделювання мезоструктури фронтальних хмарних систем та пов'язаних з ними опадів свідчать, що на початку випадання сильних опадів і майже до часу їх припинення у межах систем фронтальних хмар спостерігалися великі значення перенасичення по відношенню до льоду, близькі до значень водності, які є характерними для потужних купчасто-дощових та шарувато-дощових хмар (див. рис. 2). Це вказує на значний запас вільної для сублімації пари і на здатність системи до збільшення опадів. Області із позитивними значеннями перенасичення розташовані поруч з областями позитивних значень термодинамічної швидкості конденсації, тобто вони можуть вказувати на місце, куди виноситься пара, яка утворилася в суміжних областях з позитивними значеннями термодинамічної швидкості конденсації.

Спільними для всіх випадків також були наявність значних запасів вологи у нижньому трьохкілометровому шарі тропосфери та надходження теплого і вологого повітря з Середземноморського басейну. Області перенасичення водяної пари відносно льоду співпадали з областями висхідних рухів. На більшості території спостерігалося зниження швидкостей термодинамічних процесів та тривале існування областей з запасами водяної пари, здатними підтримувати процеси опадоутворення. Це вказує на те, що хмарні системи перебували на стадії “рівноваги”, причому вони постійно відтворювали свій вологозапас. Протягом цього часу природна опадоутворююча здатність хмар досягала свого максимуму.

Внутрішні джерела вологи, хмари та опади, які формувалися над заданим районом, не могли спричинити дуже сильних опадів. Вільна для сублімації водяна пара та хмари прибували у досліджуваний район із сусідніх областей, модифікувалися та затримувалися тут гірським рельєфом. Інтенсивність опадів характеризувалася дуже неоднорідною структурою. Осередки конвективних опадів різних розмірів, різної форми та інтенсивності були вкраплені у системи облогових опадів на більшій частині досліджуваної території.

У розділі також представлено результати проведеної автором оцінки вкладу орографії порівняно із загальноциркуляційними факторами. Така оцінка була виконана за максимумами опадів. Співставлялися максимуми опадів в області, де найбільш виразно відбився процес орографічного підсилення опадів, з максимумом, що розташований за межею цієї області. Реалізувати такий підхід можна двома способами: подібно до способу, коли порівнюються дані мережі гідрометеорологічних станцій про фактичні опади у гірських районах і навколо них (запропонованого Ромовим А.І.), та шляхом порівняння результатів моделювання без урахування орографії та з її врахуванням.

У результаті аналізу даних гідрометеорологічної мережі, було отримано, що співвідношення мінімальних значень сум опадів у межах гірської системи було приблизно у 2,5 раза більшим, ніж поза нею, а між максимальними значеннями у випадках 1998 р. та 2001 р. вони становили відповідно 7,7 та 14,7. Середньоарифметичні значення перевищення вкладу орографії над загальноциркуляційними факторами становило 6,2 у 1998 році та 6,9 у 2001 році.

Оцінка впливу орографії на інтенсивність опадів шляхом проведення серії розрахунків з урахуванням орографії та без її врахування була виконана за допомогою діагностичних моделей для ряду дат, де число радіозондувань було достатнім. У результаті було отримано, що вплив орографії проявляється у збільшенні максимальних значень інтенсивності опадів (див. рис. 3) та значного збільшення кількості осередків опадів, особливо у гірських районах. Врахування орографії також призводило до перерозподілу опадів у межах фронтальної хмарності.

У випадку, коли розрахунки виконувалися без врахування орографії, максимальні значення інтенсивності опадів коливалися у межах від 0,6 до 4,5 мм/год., у той же час у розрахунках із врахуванням орографії максимальні значення інтенсивності опадів були у межах від 2,8 до 16 мм/год. Було отримано, що вплив орографії проявляється у збільшенні значень інтенсивностей опадів, а самі значення можуть зростати у 1,6-11 раз. Середньоарифметичне значення підсилюючого ефекту орографії на максимальні значення інтенсивності опадів становило 4,5.

У п'ятому розділі представлені основні рівняння, початкові та граничні умови, основні алгоритми та схеми обчислень для одновимірної мікрофізичної моделі хмари; приведено результати чисельних експериментів щодо дослідження залежності інтенсивності опадів від початкового значення функції розподілу хмарних часток, взаємозв'язків між основними мікрофізичними характеристиками хмари (водності, концентрації та середнього радіусу хмарних часток).

Проведено чисельні експерименти з різними модифікаціями гамма-розподілу. Відомо, що у більшості моделей атмосфери, у тому числі і тих, що детально описують мікрофізику хмар, тобто містять рівняння для функцій розподілу часток за розмірами, процеси коагуляції у хмарах або не включаються зовсім, або враховуються шляхом параметризації. Цінністю даної одновимірної моделі є саме те, що з її допомогою можна визначити ті взаємозалежності, які не можливо дослідити у природних чи лабораторних умовах. Основною метою даної моделі є виділення із загального процесу хмаро- та опадоутворення окремих складових, вивчення їх особливостей, міри можливості впливу на загальний процес.

Головною метою чисельних експериментів за допомогою одновимірної мікрофізичної нестаціонарної моделі було визначити як впливають початкові значення основних мікрофізичних характеристик на інтенсивність опадів та вивчення взаємозв'язків між мікрофізичними характеристиками хмар. Розглядалися виключно купчасто-дощові та шарувато-дощові хмари.

Як у Ns, так і в Cb збільшення водності при незмінних початкових значеннях концентрації та середнього розміру хмарних часток призводило до зменшення часу існування хмари та до збільшення інтенсивності опадів. Було також розглянуто залежність інтенсивності опадів від концентрації хмарних часток. Відповідно до отриманих результатів збільшення концентрації хмарних часток призводить до збільшення часу до початку дисипації хмари, однозначної залежності між зміною концентрації та інтенсивністю опадів виявлено не було. Зміна величини середнього радіусу у сторону збільшення в основному призводила до збільшення кількості опадів, яка випадала за час існування хмари, та часу існування хмари.

Отримані результати дають підставу стверджувати ще про один можливий важливий аспект існування хмар різних родів: у хмарах вертикального розвитку час перебування крапельок однієї генерації (тобто таких, які утворилися приблизно в один момент часу) на порядок менший, ніж у шаруватих хмарах.

У моделюванні хмар та опадів досить часто використовують розподіл Хргіана-Мазіна, що пояснюється зручністю практичного використання, адже невідомими є всього лише дві величини: хмарних часток та водність. Його використання цілком виправдовує себе, коли мова йде про St та Sc. Проте він не придатний для використання, якщо хмара характеризується вузьким спектром розмірів крапель. Тому одновимірну нестаціонарну напівемпіричну модель було також використано з метою дослідження можливості параметризації початкового розподілу крапель дрібнокрапельної фракції у конвективних хмарах. На основі результатів серії чисельних експериментів, проведених за допомогою цієї моделі, стало можливим виявити ряд особливостей щодо взаємозв'язку між водністю, концентраціями хмарних часток, середнім радіусом хмарних крапель і параметрами розподілів хмарних часток. За допомогою регресійного аналізу було отримано загальний вираз для початкової концентрації хмарних часток при відомих значеннях водності, середнього радіусу (7 мкм) та параметра с.

У шостому розділі представлено системи рівнянь тривимірних чисельних нестаціонарних моделей (без врахування орографії та з її врахуванням), котрі були розроблені в УкрНДГМІ і за допомогою яких досліджувалася еволюція смуг хмарності та опадів. Ці системи рівнянь дають змогу описати динаміку атмосфери та еволюцію мікроструктури хмар в їх взаємозв'язку. Сюди входять рівняння для проекцій швидкості руху повітря, рівняння переносу тепла та вологи, кінетичні рівняння для функцій розподілу хмарних часток за розмірами. Система рівнянь доповнювалася рівняннями нерозривності та стану. Враховувалися адвекція, горизонтальна та вертикальна турбулентна дифузія, градієнти тиску, нормальне прискорення сили земного тяжіння, прискорення Коріоліса, седиментація, конденсація, випаровування, коагуляція, нуклеація крапель та кристалів, замерзання крапель тощо. Процеси зародження крапель і кристалів на ядрах та замерзання крапель параметризувались. Коагуляційні процеси розраховувались у наближенні неперервного росту.

Метою робіт, результати яких представлені у даному розділі, було виконання чисельних експериментів з моделювання еволюції атмосферних фронтів, в межах яких випадали сильні і тривалі опади. Проведено серію експериментів для дослідження впливу початкових значень мікрофізичних величин та інтенсивності процесів льодоутворення на характер випадання опадів. Запропоновано визначати початкові водність і льодність хмар через перенасичення водяної пари до льоду.

На рис. 4 представлено результати моделювання поля опадів для випадку 3-5 листопада 1998 року. На початку формування хмарної системи над Українськими Карпатами (перший ряд) хмари насувалися на район, де спостерігалися максимальні суми опадів із північного заходу та південного заходу. Максимальна змодельована (і фактична) сума опадів спостерігалася 4 листопада. Далі відбулося зменшення опадів, область опадів почала зміщуватися на південний схід. Вранці 5 листопада картина змінилася. Хмари та опади почали надходити на дану територію із заходу, а потім і зі сходу. На початку цієї доби на південному заході області спостерігалися хмари з водністю, яка перевищувала 7 г/кг. Ця хмарна система, досягнувши даного району, розпалася тут на окремі утворення з осередками сильних опадів. Максимальна інтенсивність опадів в окремих осередках була отримана 5 листопада 1998 р., у період розпаду хмарності. Існування цих осередків було короткочасним, проте супроводжувалося сильними зливами.

Основною особливістю формування та еволюції хмарності над Українськими Карпатами у випадках, які розглядалися, було те, що вони надходили сюди з навколишніх регіонів. Наявність перенасиченого відносно води та льоду повітря обумовлювала різке збільшення опадів і появу сильних злив. Відносно низька температура над горами підсилювала процеси конденсації та сублімації, які, як показали розрахунки, відігравали тут основну роль у формуванні опадів.

Також було проведено серію чисельних експериментів щодо дослідження можливості активних впливів на фронтальну хмарність у випадках сильних і тривалих опадів з метою регулювання опадів. Алгоритм розрахунку впливу на хмару полягав у зміні в певний момент часу значення функції розподілу кристалів за розмірами на певну величину.

Активні впливи проводилися у водних переохолоджених частинах хмар, які розташовувалися вище нульової ізотерми.

Приведено результати чисельних експериментів щодо модифікації хмарності над Українськими Карпатами шляхом кристалізації переохолодженої частини хмар. При кількості додаткових кристалів, які виникли внаслідок проведення активних впливів, у межах від 10¹- 10³ г^-1 розподіл опадів у часі та їх кількісні значення не змінилися. При 10⁴ ? N_a ? 10⁵ г^-1, що, власне кажучи, є близьким до оптимальної норми концентрації льодяних часток (?10⁴ дм^-3) при впливах з метою запобігання граду, спостерігалося незначне зменшення загальної суми опадів і часткова зміна їх розподілу у часі. У випадку подальшого збільшення концентрації додаткових кристалів було отримано зворотній ефект, коли кількість опадів не зменшилася, а навпаки, збільшилася. Такий ефект пояснюється тим, що надлишкова кількість кристалів активізувалася у процесі опадоутворення при надходженні до хмарної системи нових порцій водяної пари.

Таким чином, можна стверджувати, що у випадках сильних і тривалих опадів активні впливи на хмарність шляхом кристалізації переохолодженої частини хмар є малоефективними.

Висновки

У дисертації досліджено макро-, мезо- та мікромасштабні умови формування сильних і тривалих опадів над територією України, пов'язаних із системами фронтальних хмар. З цією метою використано комплексний підхід, який включає аналіз синоптичних матеріалів, даних наземних спостережень та результатів серії чисельних експериментів. Основні результати досліджень можна висвітлити у наступних висновках:

Показано типові положення висотної фронтальної зони у випадках сильних та тривалих опадів. Виявлено, що приблизно у третині випадків, тривалі дощі пов'язані з системами фронтів з хвилями. Встановлено, що практично для всієї території України випадання сильних і тривалих опадів було пов'язано із виходом циклонів, які утворилися над західною частиною Чорного моря, Нижньодунайською низовиною, Італією, Адріатичним морем та Середньодунайською низовиною. Циклони, що утворилися над Північним Кавказом, східними районами Азовського моря, можуть спричиняти тривалі дощі на Лівобережній (Запорізька, Херсонська, Сумська, Полтавська та Харківська області) Україні та у Криму.

Сильні опади випадали за умови взаємодії різнорідних за своїми фізичними властивостями та географією формування повітряними масами. При цьому хмарні системи за рахунок затоку теплого і вологого повітря з півдня-південного заходу увесь час відновлювалися. Характерною ознакою припинення сильних опадів було домінування арктичної повітряної маси. Крім макроциркуляційних особливостей певний підсилюючий ефект на формування опадів мала орографія місцевості, що проявлялося у збільшенні інтенсивності опадів, часто на порядок, збільшенні осередків опадів.

Однією із особливостей випадків із сильними та тривалими опадами було те, що області максимальних висхідних рухів збігалися з областями максимального перенасичення над льодом. Характерною ознакою подібних випадків була наявність над Українськими Карпатами області підвищених значень інтегральної концентрації ядер льодоутворення.

Побудовано оригінальну одномірну нестаціонарну двофазну мікрофізичну модель та проведено серію чисельних експериментів. Шляхом чисельних експериментів було розраховано середні концентрації для дрібнокрапельної фракції хмар різних видів. За результатами чисельних експериментів та за допомогою регресійного аналізу було отримано загальний вираз для початкової концентрації хмарних часток дрібнокрапельного спектру при відомих водності та середньому радіусу, параметр с гамма-розподілу при цьому може задаватися виходячи із статистичних результатів наукових досліджень.

Велику роль в моделюванні хмарності та пов'язаних з нею опадів відіграє початковий розподіл хмарних часток. Його зміна, а також зміна параметрів початкового розподілу часток опадів значною мірою може змінити хід інтенсивності та сум опадів. Варіація різних механізмів опадоутворення у нестаціонарних моделях показала, що у випадках із сильними та тривалими опадами модифікація інтенсивності механізмів хмаро- та опадоутворення не призводить до суттєвих змін в інтенсивності опадів.

Було запропоновано два способи врахування початкових мікрофізичних характеристик хмарності (водності та льодності), один з яких полягав у визначенні невідомої характеристики за допомогою перенасичення відносно льоду, а інший - шляхом використання напівемпіричної параметризації. Результати чисельного моделювання із використанням запропонованих способів свідчать про можливість значного зменшення часу адаптації моделей до умов реальної хмарної атмосфери та про доцільність їх використання з науковою та практичною метою.

Розглянуто можливість зменшення сум опадів під час випадків сильних та тривалих опадів над Українськими Карпатами за допомогою проведення активних впливів на хмарність шляхом кристалізації переохолодженої частини хмар. У результаті проведення серії чисельних експериментів виявилося, що активні впливи на хмарність з метою регулювання опадів у таких випадках є малоефективними.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Статті:

Паламарчук Л. В. Дослідження полів фронтальних хмар та опадів / Л. В. Паламарчук, Г. М. Пірнач, В. М. Шпиг // Вісник Київського національного університету ім. Тараса Шевченка, Сер. географія. -- 2003. -- Вип. 49. -- С. 28-31 (здобувачем виконано збір та опрацювання вхідної інформації, проведено розрахунки).

Пірнач Г. М. Чисельне моделювання фронтальних хмарних систем, які супроводжували сильний паводок у Карпатах у листопаді 1998 року / Г. М. Пірнач, С. М. Дудар, В. М. Шпиг // Наук. праці УкрНДГМІ. -- 2006. -- Вип. 255. -- C. 5-24 (здобувачем проведено ряд розрахунків та аналіз вихідних даних).

Пірнач Г. М. Моделювання потужних конвективних хмар / Г. М. Пірнач, В. М. Шпиг // Геоінформатика. -- 2007. -- № 4. -- С. 86-94 (здобувачем виконано збір та опрацювання вхідної інформації, проведено аналіз результатів моделювання).

Шпиг В. М. Циркуляційні умови формування сильних опадів / В. М. Шпиг // Географія і сучасність. Збірник наукових праць Національного педагогічного університету імені М. П. Драгоманова. -- К.: Видавництво Національного педагогічного університету імені М. П. Драгоманова. -- 2007. -- Вип. 17. -- С. 58-67.

Шпиг В. М. Термодинамічні умови формування сильних та тривалих опадів / В. М. Шпиг // Географія і сучасність. Збірник наукових праць Національного педагогічного університету імені М. П. Драгоманова. -- К.: Видавництво Національного педагогічного університету імені М. П. Драгоманова. -- 2007. -- Вип. 18. -- С. 45-55.

Тези і матеріали конференцій:

Пирнач А. М. Теоретические и экспериментальные исследования фронтальных облачных систем, дающих сильные осадки / А. М. Пирнач, Т. Н. Заболоцкая, С. В. Краковская, Б. Н. Лесков, Л. В. Паламарчук, В. М. Шпиг // Международный семинар для национальных гидрометслужб СНГ и Балтии по численному моделированию активных воздействий : 22-24 ноября 2005 г. : тезисы докл. -- Санкт-Петербург, 2005. -- С. 31-32 (здобувачем виконано збір та аналіз частини первинної інформації, підготовлено вхідні дані для стаціонарних і нестаціонарних моделей, проведено розрахунки за допомогою стаціонарної моделі, опрацьовано результати цих розрахунків). Тезисы докладов

Пирнач А. М. Исследование зависимости сильных осадков в Украинских Карпатах от интенсивности различных механизмов осадкообразования / А. М. Пирнач, В. М. Шпиг, С. Н. Дудар // Международный семинар для национальных гидрометслужб СНГ и Балтии по численному моделированию активных воздействий : 22-24 ноября 2005 г. : тезисы докл. -- Санкт-Петербург, 2005. -- С. 24-25 (здобувачем підготовлено первинні дані, частково проаналізовано отримані шляхом моделювання результати).

Пірнач Г. М. Чисельне моделювання фронтальних хмарних систем, які супроводжували сильні паводки у Карпатах / Г. М. Пірнач, В. М. Шпиг // Навколишнє природне середовище - 2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології; інтеграція освіти і науки : Друга Міжнародна наук.-техн. конф., 26-28 вересня 2007 р. : тези доповідей. -- Одеса: ОДЕКУ, 2007. -- С. 171 (здобувачем виконано аналіз та узагальнення отриманих результатів).

Шпиг В. М. Чисельне моделювання мікрофізичних процесів у хмарах: історія, проблеми, перспективи / В. М. Шпиг // Молоді науковці -- географічній науці : наукова конференція, 27-28 жовтня 2006 р. : матеріали наук. конф. -- Київ: ВГЛ “Обрії”, 2006. -- С. 236-238.

Шпиг В. М. Чисельне моделювання опадів, які призвели до формування катастрофічного паводку на території Австрії, Німеччини та Чехії у серпні 2002 року / В. М. Шпиг, Л. В. Паламарчук, Г. М. Пірнач // Екологічні проблеми регіонів України : VI Всеукраїнська наук. конф. студентів, магістрантів і аспірантів, 21-22 квітня 2004 р. : матеріали наук. конф. -- Одеса: ОДЕКУ, 2004. -- С. 275-277 (здобувачем виконано підготовку даних, розрахунки, аналіз та узагальнення отриманих результатів).

Шпиг В. М. Вплив орографії на розподіл опадів. Чисельний експеримент / В. М. Шпиг, Г. М. Пірнач // Екологічні проблеми регіонів України : VIІ Всеукраїнська наук. конф. студентів, магістрантів і аспірантів, 20-21 квітня 2005 р. : матеріали наук. конф. -- Одеса: “Екологія”, 2005. -- С. 208-209 (здобувачем проведено підготовку даних, розрахунки, аналіз та узагальнення отриманих результатів).

Palamarchuk L. Floods in the Carpathians: synoptic analysis and numerical modeling [Електронний ресурс] / L. Palamarchuk, V. Shpyg, S. Krakovskaia // European Geosc. Union, Gen. Assembly 2005 : 24-29 April 2005 : Geoph. Res. Abs. -- Vienna, 2005. -- Режим доступу до журн. : http://www.cosis.net/abstracts/EGU05/00967/EGU05-J-00967-1.pdf (здобувачем виконано підготовку даних, розрахунки та частково аналіз отриманих результатів)

Pirnach A. M. Modelling of atmospheric damaging events observed in Ukraine [Електронний ресурс] / A. M. Pirnach, V. M. Shpyg, S. Dudar // 5th Annual Meeting of the EMS, 7th European Conference on Applications of Meteorology : 12-16 Sept. 2005 : Res. Abs. -- Utrecht, 2005. -- Режим доступу до журн. : http://www.cosis.net/abstracts/EMS05/00150/EMS05-A-00150.pdf (здобувачем виконано підготовку вхідних даних, проведено частину розрахунків)

Pirnach A. Numerical simulation of heavy precipitation during floods in Carpathian [Електронний ресурс] / A. Pirnach, V. Shpyg, S. Dudar // 6th Annual Meeting of the EMS, 6th European Conference on Applied Climatology : 4-8 Sept. 2006 : Res. Abs. -- Ljubljana, 2006. -- Режим доступу до журн. : http://www.cosis.net/abstracts/EMS2006/00249/EMS2006-A-00249.pdf (здобувачем виконано підготовку даних, розрахунки за допомогою стаціонарної моделі, узагальнення отриманих результатів).

Shpyg V. M. Application of the numerical models for research of frontal cloud systems accompanied by squall lines and heavy rainfall [Електронний ресурс] / V. M. Shpyg, A. M. Pirnach // 5th Annual Meeting of the EMS, 7th European Conference on Applications of Meteorology : 12-16 Sept. 2005 : Res. Abs. -- Utrecht, 2005. -- Режим доступу до журн. : http://www.cosis.net/abstracts/EMS05/00250/EMS05-A-00250.pdf (здобувачем виконано підготовку даних, розрахунки та аналіз отриманих результатів).

Анотація

Шпиг В.М. Умови формування сильних і тривалих опадів, пов'язаних із системами фронтальних хмар. - 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, 2008.

Дисертація присвячена дослідженню макро-, мезо- та мікромасштабних умов в атмосфері, які мали місце під час випадання сильних і тривалих опадів над територією України, чисельному моделюванню мезомасштабних та мікрофізичних процесів, що відбуваються у фронтальних хмарах і визначають опадоутворення в них. При дослідженні характерних положень висотної фронтальної зони виявлено, що у переважній більшості випадків випадання сильних і тривалих опадів відбувалося тоді, коли над Західною або Центральною Європою утворювалася глибока меридіонально орієнтована улоговина. Отримано нові дані про райони виникнення циклонів, переміщення яких супроводжувалося випаданням сильних та тривалих опадів по окремих регіонах України. Вперше для дослідження випадків сильних і тривалих опадів над територією Українських Карпат було використано чисельне моделювання та отримано нові дані про мезомасштабні та мікрофізичні властивості фронтальної хмарності у таких випадках. Для випадків сильних і тривалих опадів отримано нові дані про залежність сум опадів від початкового розподілу хмарних часток, а також від наявності та інтенсивності різних механізмів опадоутворення. Розглянуто можливість зменшення сум опадів під час випадків сильних та тривалих опадів над Українськими Карпатами за допомогою проведення активних впливів на хмарність шляхом кристалізації переохолодженої частини хмар. У результаті проведення серії чисельних експериментів виявилося, що активні впливи на хмарність з метою регулювання опадів у таких випадках є малоефективними.

Ключові слова: висотна фронтальна зона, циклон, чисельна модель хмарності та опадів, мікрофізика хмар, опадоутворення, активні впливи на хмари, сильні та тривалі опади.

Аннотация

Шпиг В.М. Условия формирования сильных и длительных осадков, связанных с фронтальными облачными системами.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Географический факультет Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, Киев, 2008.

Диссертация посвящена изучению макро-, мезо- и микромасштабных условий в атмосфере, которые наблюдались при выпадении сильных и длительных осадков над территорией Украины, численному моделированию мезомасштабных и микрофизических процессов, которые происходят в фронтальных облаках и определяют осадкообразование.

Исследовано характерные положения высотной фронтальной зоны. Установлено, что в большинстве случаев выпадение сильных и длительных осадков происходило, когда над Западной и Центральной Европой располагалась меридионально ориентированная ложбина, которая на западе граничила с Азорским антициклоном, а на востоке - с антициклоном над юго-восточными районами европейской части России. Почти четверть случаев была связана с конфигурацией высотной фронтальной зоны, когда западные гребни были направлены на северо-восток с восточной части Атлантического океана на Великобританию и юг Скандинавского полуострова. В остальных случаях сильные и длительные осадки наблюдались, когда восточный барический гребень был более развит, чем западный, или же когда происходило перестроение типа атмосферной циркуляции с меридиональной на зональную, вследствие чего циклоническая деятельность сосредотачивалась в узкой широтной полосе. Получены новые данные о районах возникновения циклонов, перемещение которых сопровождалось сильными и длительными осадками в отдельных регионах Украины.

Впервые для исследования случаев сильных и длительных осадков над территорией Украинских Карпат было использовано численное моделирование и получены новые данные о мезомасштабных и микрофизических свойствах фронтальной облачности в таких случаях. Для случаев выпадения сильных и длительных осадков получены новые данные о зависимости сумм осадков от начального распределения облачных частиц, о взаимосвязи между очагами сильных осадков и термодинамическими параметрами (температура, давление и восходящие движения) атмосферы, а также от наличия и интенсивности различных механизмов осадкообразования. Предложены новые способы учёта начальных значений водности и лёдности облаков, начального распределения облачных капель мелкокапельной фракции для моделирования эволюции облаков.

На примере нескольких случаев рассмотрено влияние орографии на выпадение сильных и длительных осадков. Показано, что влияние орографии проявляется в увеличении интенсивности осадков и количества очагов сильных осадков.

...