Взаємозв'язок стихійних гідрометеорологічних явищ та вітрових аномалій над Східною Україною

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 551.555.9

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК СТИХІЙНИХ ГІДРОМЕТЕОРОЛОГІЧНИХ ЯВИЩ ТА ВІТРОВИХ АНОМАЛІЙ НАД СХІДНОЮ УКРАЇНОЮ

ЗУБКОВИЧ СВІТЛАНА

ОЛЕКСАНДРІВНА

Одеса - 2015



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, завідувач кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор Сніжко Сергій Іванович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедри метеорології та кліматології кандидат географічних наук, с.н.с.,

Шурда Ксенія Едуардівна, провідний науковий співробітник Українського наукового центру екології моря

Захист відбудеться “ 10 “ вересня 2015 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 Одеського державного екологічного університету 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 “___” серпня 2015 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В. Вольвач



АНОТАЦІЯ

Зубкович С.О. Взаємозв'язок стихійних гідрометеорологічних явищ та вітрових аномалій над Східною Україною. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Одеський державний екологічний університет МОН України, Одеса, 2015.

Дисертаційна робота присвячена комплексному статистичному дослідженню просторово-часових змін вітрового режиму східних районів України та виявленню атмосферних процесів, пов'язаних з посиленням швидкості вітру і збільшенням стихійних гідрометеорологічних явищ (СГЯ) (шквали, смерчі, сильний вітер, заметілі, пилові бурі). На основі матеріалів за період з 1997 по 2012 рр. проведено фізико- статистичний аналіз режиму вітру з метою виявлення випадків вітрових аномалій. Розглянуто атмосферні процеси, пов'язані з високими рівнями забруднення атмосфери, уточнені типи циркуляції Кц для прогнозу метеорологічних умов забруднення (МУЗ).

Складено каталог синоптичних процесів з використанням календаря елементарних циркуляційних механізмів (ЕЦМ) Б.Л. Дзерзєєвського за 20-річчя (1993-2012 рр.). Визначено основні синоптичні ситуації, що сприяють виникненню СГЯ. Виконано кількісний сумісний аналіз фронтального параметра та полів швидкості вітру стосовно виявлення зон небезпечного вітру. Викладені результати, отримані для зимового та осіннього випадків, пов'язаних з виходом південних циклонів, можна узагальнювати на схожі ситуації, а фронтальний параметр ш використовувати як кількісну характеристику, як один із предикторів при прогнозі сильного вітру і шквалів.

Ключові слова: сильний вітер, стихійні гідрометеорологічні явища, південні циклони, синоптичні процеси, фронтальний параметр, шквал, смерч, заметіль.

АННОТАЦИЯ

вітровий стихійний гідрометеорологічний циркуляційний

Зубкович С.А. Взаимосвязь стихийных гидрометеорологических явлений и ветровых аномалий над Восточной Украиной. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Одесский государственный экологический университет Министерства образования и науки Украины, Одесса, 2015.

Диссертационная работа посвящена комплексному статистическому исследованию пространственно-временных изменений ветрового режима восточных районов Украины и определению синоптических процессов, связанных с усилением ветра и увеличением частоты стихийных гидрометеорологических явлений (СГЯ).

На основании материалов метеорологических наблюдений в основные месяцы сезонов на 30-ти станциях данного региона в период с 1997-2012 гг. проведен физико-статистический анализ режима ветра с целью нахождения случаев ветровых аномалий. Установлено уменьшение среднемесячных скоростей ветра за период исследования повсеместно. Так, асимметричное распределение скорости ветра отмечено на более чем 30% станций и связано с преобладанием неустойчивого ветра. Выполнена оценка влияния степени закрытости горизонта и физико-географических условий на параметры ветра. Метеостанции находятся в урбанизированной зоне, постепенно происходит процесс застройки окружающей территории и 56 % станций восточных районов Украины относятся к защищенным площадкам по степени открытости ветроизмерительных приборов классификации В.Ю. Милевского. Высота анеморумбометров отлична от высоты 10 м и в 32% случаев завышена. Вышеназванные причины могут влиять на репрезентативность ветровых характеристик.

Статистически-временной анализ уровней превышения предельно допустимых значений (ПДК) пыли имеет позитивный тренд в г. Харькове, особенно летом. Пыль ухудшает состояние атмосферного воздуха миллионного города, поэтому необходимо учитывать выявленные связи скорости и направления ветра, среднесуточной концентрации пыли при разработке планов муниципального развития города. Уточнены синоптические ситуации, способствующие образованию высоких уровней загрязнения для прогноза метеорологических условий загрязнения (МУЗ).

Получила дальнейшее развитие типизация синоптических процессов для исследуемой территории, разработанная на кафедре теоретической метеорологии и метеорологических прогнозов ОГЭКУ, состоящая из шести основных типов и 17 подтипов синоптических ситуаций, обусловливающих погодные условия для территории востока Украины, из которых 2 типа циркуляционных процессов способствуют возникновению сильного ветра в условиях современного климата.

Составлен каталог синоптических процессов над территорией района исследования в период с 1993 по 2012 гг. для центральных месяцев сезонов с использованием календаря элементарных циркуляционных механизмов (ЭЦМ) Б.Л. Дзерзеевского. Динамика синоптических процессов показала увеличение частоты стихийных явлений, связанных с ветром. В последнее десятилетие XX ст. зимой увеличилась повторяемость 6-го типа с 9 до 51%, т.е. погоду над Украиной чаще определяют ситуации с большими барическими градиентами. Последнее обстоятельство указывает на усиление скорости ветра, обусловленное выходом южных циклонов на Украину и блокирующим влиянием антициклонов различного происхождения. В апреле отмечается уменьшение повторяемости периферийных процессов без фронтов в 1,5 раза и увеличение ситуаций с фронтами в 8 раз. Количество типов (подтипов) ЭЦМ в переходные сезоны чаще колеблется от 19-20 весной (хотя в 2008 отмечено всего 7 типов) до 16-21 осенью (в 2008 только 6 типов). Летом погода над территорией Украины определяется, в основном, периферийными процессами без фронтов (тип 1), хотя их повторяемость уменьшается вдвое с 41,6 % в 1993-1997 гг. до 21,3% в 2008-2012 гг., зато резко возрастает частота типов 5 и 6 (соответственно в 4 и 7 раз). Антициклоническая циркуляция фиксируется над Украиной одинаково часто: от 19,4 до 26,5 %. В июле всего 10-13 типов ЭЦМ формируют барическое поле, в основном, это 13л, 9а и 10б.

Расмотрены синоптические ситуации, приводящие к образованию шквалов, метелей, сильних ветров на территории исследуемого района. Выделены основные типы и подтипы синоптических процессов, связанные с увеличением скорости ветра, а также указаны станции, где отмечалась наибольшая повторяемость СГЯ. Зафиксировано увеличение повторяемости сильных ветров в районе Донецкого кряжа со средней скоростью 27-28 м•с^-1, максимальной скоростью, превышающей 40 м•с^-1. Показано, что увеличение опасных и стихийных гидрометеорологических явлений связано с изменением атмосферной циркуляции и термического режима над районом исследования.

Проведен совместный анализ фронтального параметра (ш) и полей скорости ветра по выявлению зон опасного ветра. Получено, что сильный ветер со скоростью 15-20 м•с^-1 и более наблюдается в зонах, где ш колеблется около 20 ед., а слабый ветер - на тех участках, где фронтальные условия отсутствуют, то есть параметр приобретает отрицательные значения. Результаты, полученные для зимнего и осеннего сезонов и обусловленные перемещением южных циклонов, можно обобщать на похожие ситуации, а фронтальный параметр использовать в качестве количественной характеристики, как один из предикторов при прогнозе сильного ветра и шквалов. Связь между полями относительного вихря в средней тропосфере и зонами опасного ветра указывает на значительное влияние циклоничности поля давления на приземный ветер.

Ключевые слова: сильный ветер, стихийные гидрометеорологические явления, южные циклоны, синоптические процессы, фронтальный параметр, шквал, смерч, метель.



SUMMARY

Zubkovych S.O. Relationship between the hydrometeorological hazards and wind anomalies over the eastern Ukraine. - Manuscript.

A thesis to be submitted for the Candidate Degree in Geography by speciality 11.00.09 - Meteorology, Climatology, Agricultural Meteorology. - Odessa State Environmental University of the Ministry of Education and Science of Ukraine (OSEU), Odessa, 2015.

The thesis deals with the complex statistical research of spatio-temporal changes wind conditions in the eastern regions of Ukraine and detection of atmospheric processes that are related to strengthening wind speeds and increased intensity of hydrometeorological hazards (squalls, tornadoes, strong winds, snowstorms, duststorms).

Based on materials from 1997 to 2012 has been conducted the physical and statistical analysis of wind regime in order to identify cases of wind anomalies. Considered atmospheric processes related with high levels of air pollution, specified types of circulation K_C for prediction of meteorological conditions for air pollution.

The catalog of the synoptic processes and the B.L. Dzerdzeevsky`s catalog of elementary circulation mechanisms (ECM) for 20 years (1993-2012) has been compiled. Basic synoptic situations contributing to formation of hydrometeorological hazards have been determined.

The joint quantitative analysis of frontal parameter and wind speed fields with special focus on the identification of the hazard zones of wind has been conducted. The results obtained for winter and autumn cases and related with output of southern cyclones can be generalized with similar situations, and frontal parameter ш may be used as a quantitative characteristics; as one of the predictors of the forecast of strong winds and squalls.

Keywords: strong wind, hydrometeorological hazards, southern cyclones, synoptic processes, frontal parameter, squall, tornado, blizzard.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дисертаційна робота зумовлена необхідністю визначення сучасного режиму вітрових ресурсів та циркуляційних процесів в умовах глобальних і регіональних змін клімату, які призводять до збільшення частоти стихійних гідрометеорологічних явищ.

Східні райони України урбанізована територія з високим антропогенним навантаженням на навколишнє середовище, густою мережею промислових підприємств. Для завчасного здійснення заходів по попередженню виникнення стихійних гідрометеорологічних явищ (СГЯ), які погіршують умови роботи народного господарства та загрожують людському життю, необхідні сучасні кількісні показники визначення фронтальних зон із сильними вітрами. Водночас отримання динаміки змінення циркуляційних процесів на сході України за допомогою каталогу синоптичних процесів, створеного на сучасному матеріалі, дозволить покращити успішність прогнозу небезпечних явищ погоди, що у свою чергу розширює актуальність поставленої задачі.

Виходячи з вищевикладеного, можна зробити висновок, що актуальність роботи зумовлена саме необхідністю розробки і практичного впровадження методів прогнозів із кількісними показниками для визначення фронтальних зон небезпечного вітру над територією східних районів України. Надійний прогноз метеорологічних умов з достатньою завчасністю надасть можливість оптимізувати роботу багатьох галузей економіки, перш за все авіації, енергетики та сільського господарства, і одержати суттєвий практичний результат.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає основним напрямам науково-дослідної роботи кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів Одеського державного екологічного університету і виконана у складі науково-дослідних робіт: “Загальна характеристика метеорологічної та аерологічної інформації ст. Одеса-обсерваторія у сучасну кліматичну епоху”, № ДР 0106U007997, 2006-2007 рр.; “Синоптико-статистичний аналіз та прогноз метеорологічних умов забруднення атмосфери над Північно-Західним Причорномор'ям”, № ДР 0109U002141, 2008-2012 рр.; “Розробка та вдосконалення методів прогнозу метеорологічних умов забруднення атмосфери над промисловими районами Одеси” № ДР 0113U007881, 2013-2017 рр.

Мета і задачі дослідження полягають у визначенні статистичних характеристик полів вітру та виявленні типових синоптичних ситуацій, які призводять до небезпечних і стихійних явищ, пов'язаних з вітром, у тому числі і до формування слабкого вітру для міст з населенням більшим ніж мільйон осіб та оцінки впливу метеорологічних умов на забруднення атмосферного повітря в них.

Основні задачі наукового дослідження:

визначити вплив фізико-географічного фактора на статистичні характеристики швидкості вітру;

виявити основні тенденції зміни циркуляційних процесів, при яких формуються небезпечні та стихійні явища, пов'язані з вітром на сході України;

створити каталог типових синоптичних ситуацій, які формують погодні умови над східними областями України за 20 років;

вдосконалити методи прогнозу зон сильного вітру за допомогою фронтального параметра та відносного вихору.

Об'єкт дослідження швидкість і напрямок вітру та циркуляційні умови, які формують вітрові аномалії.

Предмет дослідження синоптичні процеси, які зумовлюють формування стихійних гідрометеорологічних явищ над східними районами України.

Методи дослідження фізико-статистичний аналіз, синоптико-кліматичний аналіз, географічне узагальнення метеорологічних величин.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в комплексному статистичному обґрунтуванні змін вітрового режиму та регіональних синоптичних процесів для східних районів України в кінці XX та на початку XXI ст. в умовах глобальних змін клімату.

Вперше:

розроблено і реалізовано каталог синоптичних ситуацій за двадцятирічний період з кінця XX та до початку XXI ст. (1993-2012 рр.) на досліджуваній території;

обґрунтована можливість використання розрахунків фронтального параметра та відносного вихору для кількісного аналізу зон небезпечного вітру над територією району дослідження взимку та восени.

Удосконалено:

типізацію синоптичних процесів за визначенням циркуляційного параметра Кц для прогнозу метеорологічних умов забруднення на території східних районів України;

Дістало подальший розвиток:

моделювання динаміки змін циркуляційних процесів і порівняння отриманих результатів з типізацією атмосфери Б.Л. Дзердзєєвського для позатропічних широт;

оцінка впливу циркуляційних умов на характеристики сильного вітру.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному. Запропонований каталог синоптичних процесів рекомендується для використання в оперативній синоптичній роботі. Частково результати дослідження застосовані в прогностичній практиці Харківського РГМЦ (акт впровадження). Статистичні характеристики вітру за період (1997-2012 рр.) можуть бути джерелом кліматологічної інформації для об'єктів господарської діяльності на території східних районів України. Основні результати дисертації використані в навчальному процесі Харківського гідрометеорологічного технікуму ОДЕКУ в програмах дисциплін: “Синоптична метеорологія”, “Фізика атмосфери” й “Кліматологія” (акт впровадження).

Особистий внесок здобувача. Постановка наукового завдання дослідження виконана автором сумісно з науковим керівником. Здобувачем самостійно отримані такі результати:

проведено фізико-статистичний аналіз режиму вітру та випадків СГЯ, пов'язаних з вітром, з 1997 по 2012 рр. з використанням даних синоптичного матеріалу: приземних карт, карт абсолютної (АТ-925, АТ-850, АТ-700) і відносної (ВТ-500/1000) топографії, даних книжок спостереження КМ-1, супутникових знімків;

складено каталог синоптичних процесів за 20-річчя (1993-2012 рр.), який відображає динаміку зміни циркуляції атмосфери на сході України;

знайдено якісні предиктори для зимових випадків визначення зон сильних вітрів;

уточнено коефіцієнт циркуляції (Кц) для методики прогнозування метеорологічних умов забруднення (МУЗ) атмосферного повітря на прикладі м. Харків.

У наукових працях, опублікованих у співавторстві, особистий внесок дисертанта полягає у практичній реалізації, тобто в обробці та аналізі метеорологічної та синоптичної інформації, виконанні ряду чисельних розрахунків та інтерпретації отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи доповідались на: конференції молодих вчених ОДЕКУ (2009 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Глобальні і регіональні зміни клімату” (Київ, 2010 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні напрямки теоретичних і прикладних досліджень - 2010” (Одеса, 2010 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування: освіта - наука - виробництво 2014” (Харків, ХНУ ім. В.Н. Каразіна, 2014 р.); VIIІ міжнародній заочній конференції “Сучасні міждисциплінарні дослідження: історія, сьогодення, майбутнє”: (Київ, 2014 р.); III міжнародній науковій конференції “Екологія, неоекологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування” (Харків, ХНУ ім. В. Н. Каразіна, 2014 р.).

Публікації. Основні наукові положення і результати дисертації опубліковані в 16 наукових працях, у тому числі: 5 статей в фахових періодичних виданнях; 2 - у міжнародних, 9 - у матеріалах та збірниках тез конференцій, інших виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (139 найменувань на 15 сторінках) та додатків. Повний обсяг дисертації становить 200 сторінок, 26 рисунків, 15 таблиць, 3 додатки на 67 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, розкрито стан наукової проблеми, визначено мету і задачі дослідження, об'єкт, предмет та методи досліджень, положення, що виносяться на захист. Сформульовані наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача. Показаний зв'язок роботи з науковими темами, апробація результатів дисертації на конференціях та в публікаціях автора.

У першому розділі - “Сучасний стан досліджень режиму вітру над східними районами України”, який має оглядовий характер, аналізується стан сучасних досліджень вітрової активності над Україною. Розглянуто вплив регіональних фізико-географічних умов на вітрові характеристики метеорологічних станцій сходу України та Дніпропетровської області в основні строки спостережень центральних місяців сезонів. Проаналізовано 442800 результатів спостережень швидкості та напрямку вітру. Зроблена оцінка захищеності та репрезентативності 30 метеорологічних станцій східних районів України за ступенем відкритості анеморумбометрів згідно з класифікацією В.Ю. Мілевського. За цією оцінкою 56% станцій відносяться до захищених, до напівзахищених станції Коломак, Золочів, Дар'ївка, Сватове, Комісарівка, Губиниха, Синельникове, до відкритих майданчиків Харківська, Дніпропетровська АМСЦ, Троїцька, Новопсковська, Біловодська станції. Висота встановлення датчиків світловимірювальних приладів за правилами ВМО становить 10 м. Для метеостанцій досліджуваного регіону в 32% випадків висота завищена. Захищеність метеостанцій може вплинути на репрезентативність вітрових характеристик.

У другому розділі - “Статистичний аналіз поля вітру над територією східних районів України “ всебічно розглянуто режим вітру протягом року.

Як показано у роботах Мещерської А.В., Борисенко Н.М. (2004, 2007), Швень Н.І. (2006), Репетина Л.І. (2007), Логінова В.Ф. (2011), швидкість вітру в приземному шарі значно зменшилася над більшою частиною Східної Європи, включаючи й Україну. Однією з вимог, яким повинна відповідати статистична сукупність, є однорідність її членів. Тому, приступаючи до розрахунків статистичних характеристик швидкості вітру, перш за все була проведена ретельна перевірка на однорідність членів ряду за допомогою критерію Стьюдента. Отримано значення головних статистичних показників розподілу часових рядів швидкості вітру: середніх (), середніх квадратичних відхилень (), коефіцієнтів асиметрії (А) та ексцесу (К) в основні місяці сезону.

Значення середніх квадратичних відхилень () швидкості вітру біля поверхні землі мають статистичні похибки 0,1…0,3 мс^-1. Швидкість вітру впродовж року на більшості станцій досить мінлива; середні квадратичні відхилення швидкості вітру знаходяться у межах 0,84…2,16 мс^-1 (рис. 1). На деяких станціях (Дар'ївка, Чаплине та ін.) величини близькі до значень середніх швидкостей вітру, що вказує на значну асиметрію розподілу швидкостей вітру. В цілому, такий ансамбль середніх квадратичних відхилень свідчить про формування вітрового режиму над досліджуваною територією практично однаковими макроциркуляційними процесами, за винятком Дніпропетровської області. Розподіл характеристик вітру в 83,3% випадків різко асиметричний (А>0,5). Значення коефіцієнтів асиметрії в 54,8% випадків перевищують одиницю, а крива розподілу швидкості вітру має лівобічну та правобіжну асиметрію. Проте восени у 80% випадків на метеостанціях східного регіону України за досліджуваний період спостерігається лише правостороння асиметрія. Крива розподілу цієї характеристики в 41% випадків гостровершинна, на що вказує коефіцієнт ексцесу (К >1).

Рис. 1. Розподіл середньодобової швидкості вітру над сходом України за 1961-1990 та 1997-2012 рр. у січні

Просторово-часовий розподіл напрямів вітру в основні місяці сезонів показує переважання північного, північно-західного та південного напрямків, незалежно від строку спостереження. Змінення циркуляційних умов наприкінці XX та в перше десятиріччя XXI ст. добре простежується на прикладі напрямку повітряних потоків міст мільйонників Дніпропетровська та Харкова. Аналіз побудованих роз вітрів показує значну перевагу західного напрямку вітру в січні та жовтні. У липні, у зв'язку з наявністю малоградієнтних полів, спостерігається слабкий вітер і відзначена невелика перевага північних напрямів.

На території м. Харкова розташовані 10 стаціонарних постів із контролю забруднення атмосферного повітря. За метеорологічними спостереженнями на постах середньодобова швидкість вітру становить 2,5 м•с^-1, що на 30% менше ніж швидкість вітру, розрахована на основі 8-строкових метеорологічних спостережень на АМСЦ м. Харкова. Повторюваність штилів у січні за даними АМСЦ 4% від кількості випадків, за даними постів 11,2%. Вітрова діяльність, тобто напрям основних потоків і їх швидкість у місті за даними постів відрізняється від вітрових даних АМСЦ м. Харкова, це пояснюється гальмуючим впливом міста на вітер.

При застійних явищах і малоактивному розвитку процесів створюються найбільш сприятливі метеорологічні умови накопичення шкідливих домішок. Статистично-часовий аналіз рівнів перевищення граничнодопустимих концентрацій (ГДК) пилу в м. Харкові має позитивний тренд, особливо влітку. Пил значно погіршує стан атмосферного повітря мільйонного міста і цей факт потребує системного підходу при вирішенні завдань муніципального розвитку. В цьому аспекті, великого значення набуває прогноз метеорологічних умов забруднення (МУЗ). Як предиктори МУЗ використовувалися такі чинники: швидкість (мс^-1) та напрямок вітру в (градусах) на висоті анеморумбометра; різниця температури (°С) між добовими температурами; Кц - тип синоптичної ситуації; Q' - попереднє нормоване забруднення повітря та інші.

У роботі розглянуті випадки підвищеного рівня забруднення атмосфери, які є характерними для великих міст східних районів України, та встановлені атмосферні процеси, пов'язані з високими рівнями забруднення. Це третій і четвертий типи атмосферної циркуляції, що визначають вітровий режим району дослідження.

Як приклад наведено синоптичну ситуацію, яка сформувалася 11-12 жовтня 2006 р., коли погоду Харкова визначав антициклон, а 20-21 жовтня малоградієнтні баричні поля. Результати радіозондування показали наявність шарів інверсії з від'ємним температурним коефіцієнтом. В більшості випадків переважала штильова погода, середні величини баричних градієнтів коливались від 0,7 до 1,5 гПа/111 км. В цілому, вплив вітру певною мірою залежить від розташування джерела забруднення в місті (навітряний чи підвітряний бік). Коли джерела забруднення розташовані рівномірно по місту, то вплив вітру явно не простежується, але ускладнюється та посилюється розвитком місцевої циркуляції та ландшафтно-орографічними особливостями. Наприклад, в Донецьку та Дніпропетровську високі рівні забруднення спостерігаються при штилі та швидкості вітру 2-5 мс^-1; у Маріуполі при штилі та швидкостях вітру 3-5 мс^-1 та 9-12 мс^-1; у Харкові в більшості (90 %) випадків рівні високого забруднення фіксуються при штилі та швидкості 2 мс^-1, а в Луганську1-3 мс^-1. Для уточнення індексу циркуляції Кц необхідно враховувати не лише великомасштабну циркуляцію, але й регіональні процеси, які впливають безпосередньо на погоду невеликої території.

У третьому розділі - “Макроциркуляційні та мезомасштабні умови формування небезпечних та стихійних гідрометеорологічних явищ, пов'язаних з вітром над районами сходу України” наведена типізація синоптичних процесів у поєднанні з місцевими фізико-географічними умовами, що формують вітровий режим над вказаним регіоном. Особлива увага приділяється 5-му та 6-му типу, пов'язаним з небезпечними та стихійними гідрометеорологічними явищами. Тип 5 - “Периферійні атмосферні процеси з атмосферними фронтами”. Тип 6 - “Циклонічні циркуляції з великими баричними градієнтами” (рис. 2).



Рис. 2. Синоптичні процеси шостого типу. Карти-схеми: приземна (а) і АТ -850 (б)

Для дослідження динаміки синоптичних процесів протягом 20 років (1993-2012 рр.) за даними архівної вибірки розрахована повторюваність типів (підтипів) синоптичних ситуацій з використанням календаря елементарних циркуляційних механізмів (ЕЦМ) Б.Л. Дзердзєєвського. Уточнення окремих синоптичних ситуацій виконано за допомогою приземних та висотних карт всіх рівнів (АТ₉₂₅, АТ₈₅₀, АТ₇₀₀, АТ₅₀₀) із архіву АРМсин кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів ОДЕКУ. Для аналізу динаміки циркуляційних процесів за вказаний період початковий ряд поділено на чотири п'ятирічні періоди по сезонах. Основною ознакою за якою виконана типізація циркуляції атмосфери позатропічних широт за Б.Л. Дзердзєєвським є наявність або відсутність блокуючих процесів на півкулі, їх напрям і кількість. Всього виділено 4 групи циркуляцій, 13 типів, 41 підтип і елементарний циркуляційний механізм ЕЦМ (основна одиниця типізації). Число означає тип ЕЦМ, перші букви алфавіту (а, б, в, г) - відмінності ЕЦМ в межах одного типу в напрямах арктичних вторгнень або виходу південних циклонів, а букви "з" (зимовий) і "л" (літній) сезонні відмінності ЕЦМ за знаком баричних полів над океанами і континентами.

Змінення циркуляційних умов по сезонах виглядає таким чином. У січні (рис. 3) за досліджуваний період повторюваність периферійних процесів (тип 1) знизилася з 47,0 до 11,6%, тоді як тип 6 збільшився з 9,1 до 51-42%, тобто погоду над Україною стала частіше визначати ситуація з великими баричними градієнтами. Остання обставина демонструє посилення швидкості вітру, зумовлене, вочевидь, виходом середземноморських циклонів на Європу і блокуючим впливом гребеня Сибірського антициклону, що підтверджує поєднання типів ЕЦМ: 5в, 12бз і 13з в 2003-2007 рр.

У квітні (рис. 3) відзначається зменшення повторюваності периферійних процесів без фронтів у 1,5 рази і збільшення ситуацій з фронтами в 8 разів. У порівнянні з періодом 1993-1997 рр. спостерігається зростання кількості випадків 3-го типу, зумовлених ЕЦМ підтипів 9а, 12а та 13л. Кількість типів (підтипів) ЕЦМ в перехідні сезони частіше коливається від 19-20 навесні (хоча в 2008 р. відбувалось всього 7 типів) до 16-21 (у 2008 р. - 6 типів) восени.

Рис. 3. Повторюваність (%) типів синоптичних процесів: січень, квітень

Влітку (табл. 1) погода над територією східних районів України визначається, в основному, периферійними процесами без фронтів (тип 1), хоча їх повторюваність зменшується вдвічі з 41,6 в 1993-1997 рр. до 21,3% в 2008-2012 рр., зате різко зростає частота типів 5 і 6 (відповідно в 4 і 7 разів). Антициклонічна циркуляція фіксується над Україною однаково часто: від 19,4 до 26,5%. У липні всього 10-13 типів ЕЦМ формують баричне поле, частіше 13л, 9а і 10б. При ЕЦМ 10б в південних районах Східної Європи холодне повітря поширюється до заходу і ядро підвищеного тиску, що оформилося в ньому, може об'єднатися з гребенем Азорського антициклону, витягнутого на Європу. В період 2003-2008 рр. відзначається зменшення меридіональної південної циркуляції (тип 13л) з 53,5 до 30,9%. Депресія при 13л не має вузької смуги, як при ЕЦМ 13з, а є частиною дуже великої області зниженого тиску, яка охоплює значну частину позатропічних широт Північної півкулі, включаючи і територію України. Азорський антициклон залишається в південних широтах Атлантичного океану, а його гребінь витягнутий на Західну Європу.

Жовтень (табл. 1), так само як липень, відрізняється підвищеною повторюваністю периферійних процесів (тип 1), хоча частота їх знизилася з 40,5 до 23,5 % до останньої п'ятирічки. Частіше (у 3 рази) стали формуватися баричні поля з фронтами і великими баричними градієнтами. Число периферійних процесів з фронтами (тип 5) збільшилось на 2-5%, в той час як антициклонічна циркуляція (тип 3) зменшилась на 4-6%. Така синоптична обстановка над Україною добре узгоджується з типами ЕЦМ, які формують циркуляційне поле в жовтні . Цього місяця переважає ЕЦМ 13з (знижуючись в 2003-2007 рр.), потім виділяється ЕЦМ 12а (зростання в два рази в 2003-2007 рр.) і, нарешті, досить часто (9,7%) проявляється ЕЦМ 8гз. ЕЦМ 12а найчастіше виникає в період переходу від холодного півріччя до теплого, коли арктичний антициклон досягає найбільшої потужності. Може бути по чотири арктичні вторгнення і виходи південних циклонів. Таке баричне поле не лише формує температурний і вітровий режим над територією вторгнення, але і є причиною виникнення

Таблиця 1

Повторюваність (%) типів (підтипів) синоптичних процесів.

Схід України. Липень, жовтень. 1993-2012 рр.

Синоптичні процеси	Місяці року
	липень	жовтень
Тип	Підтип	1993- 1997	1998-2002	2003- 2007	2008- 2012	1993- 1997	19982002	2003- 2007	2008- 2012
1 Периферійні процеси	1	41,6	33,6	25,8	21,3	40,5	27,8	25,8	23,5
	1.1	4,4	1,6	12,9	1,9	14,6	10,6	8,4	8,5
	1.2	2,7	5,7	5,8	0,6	9,1	5,3	8,4	7,2
	1.3	8,8	15,6	5,2	14,9	8,4	3,3	6,4	1,3
	1.4	25,7	10,7	1,9	3,9	8,4	8,6	2,6	6,5
2 Циклонічна діяльність	2	11,5	14,8	7,8	3,2	1,4	5,3	4,5	5,9
	2.1	11,5	10,7	4,5	3,2	0,7	2,0	1,3	3,9
	2.2	0,0	4,1	3,3	0,0	0,7	3,3	3,2	2,0
3 Анти- циклонічна діяльність	3	26,5	22,9	19,4	25,8	25,9	26,5	18,7	21,6
	3.1	9,7	6,6	16,8	8,4	8,4	5,3	5,2	4,6
	3.2	2,6	2,4	0,0	1,3	1,4	2,7	1,9	3,9
	3.3	14,2	13,9	2,6	16,1	16,1	18,5	11,6	13,1
4 Малоградєнтні баричні поля	4	14,2	9,0	13,5	11,0	7,7	8,0	4,5	9,1
	4.1	8,0	4,9	10,3	5,2	1,4	3,3	0,6	2,6
	4.2	6,2	4,1	3,2	5,8	6,3	4,7	3,9	6,5
5 Периферійні процеси з проходженням фронтів	5	3,5	14,8	16,1	16,1	16,8	24,5	20,7	18,3
	5.1	3,5	8,2	9,7	12,9	8,4	5,3	12,3	7,2
	5.2	0,0	6,6	6,4	3,2	8,4	19,2	8,4	11,1
6 Циклонічна циркуляція з великими баричними градієнтами	6	2,7	4,9	17,4	22,6	7,7	7,9	25,8	21,6
	6.1	0,9	1,6	6,4	9,7	0,7	2,0	7,1	9,8
	6.2	0,0	1,6	9,0	7,7	3,5	3,3	12,9	4,6
	6.3	0,0	0,0	2,0	5,2	2,1	2,6	5,2	4,6
	6.4	1,8	1,7	0,0	0,0	1,4	0,0	1,2	2,6

стихійних гідрометеорологічних явищ, пов'язаних з вітром. При ЕЦМ 8гз між далеко розташованими один від одного блокуючими антициклонами знаходиться область зниженого тиску над Західною Європою і прилеглими морями, яка підтримується циклонічною діяльністю на арктичному фронті і циклонами з Атлантики та Середземного моря, які проходять через Західну Європу на північний схід європейської території Росії, захоплюючи із заходу Україну. Найбільша тривалість цього типу припадає на жовтень. Як відомо, саме при типах ЕЦМ 13з і 13л, які упродовж усього періоду дослідження відрізнялися високою активністю, спостерігаються значні баричні градієнти, що створює сприятливі умови для формування великих швидкостей вітру, сильних заметілей, пилових бур, шквалів та інших небезпечних явищ. ЕЦМ 12а й 9а, що зумовлюють процеси над регіоном, також створюють значні баричні градієнти. Так, арктичні фронти при ЕЦМ 9а переміщуються далеко на південь на фоні великих градієнтів температури і сприяють виникненню СГЯ. Упродовж 1997-2012 рр. зареєстровано таке число випадків з сильним вітром на території: Харківської області - 8, Донецької - 29, Луганської - 21, Дніпропетровської - 23.

При розгляді 10-річного періоду початку XXI ст. максимум СГЯ, пов'язаних з вітром, припадає на 2003-2006 рр. Найбільша кількість випадків відмічена на метеостанціях Дебальцево (7), Комісарівка (6). Зафіксовано збільшення повторюваності сильних вітрів в районі Донецького кряжу з середньою швидкістю 27-28 мс^-1 та максимальною швидкістю, що перевищує 40 мс^-1. Дніпропетровська та Донецька області відносяться до районів з повторенням цього явища 1 раз на три роки, Харківська - 1 раз на п'ять років, а Луганська - 1 раз на 10 років. За досліджуваний період спостерігається позитивний тренд повторюваності шквалів: 42,8% випадків у Дніпропетровській області, 28,6 % у Харківській області, в інших (по 14 %): відзначається також збільшення максимальної швидкості. Як типовий можна вважати випадок, коли шквал спостерігався на метеостанції Комісарівка (24.06.2002 р.), швидкість вітру досягала 28 мс^-1; синоптична ситуація (тип 6.3, ЕЦМ 13л) визначалася висотною фронтальною зоною, яка проходила через північні та східні області України, Польщу, Британські острови, Гренландію. Баричні градієнти тиску склали 16-18 гПа на 1000 км, контраст температури досягав 6-7° С/500 км і більше. В зоні фронту відзначалася температура 30-35°С, а після його проходження 16-22° С. Станція Комісарівка розташована на півночі степової зони України в східній зоні Придніпровської височини, оточена балками, долинами невеликих степових річок. Виникнення шквалів, ймовірно, також пов'язане з орографічним чинником. На території Широківського та Апостолівського районів Дніпропетровської області поза метеостанціями 1.03.2004 р. спостерігався смерч. Таке явище для березня є аномальним. За шкалою Фуджита ці смерчі мають категорію F2 - значні руйнування, швидкість вітру приблизно досягала 48-59 мс^-1. Безпосередньою причиною виникнення смерчу 1 березня стало поєднання (тип 5.2, ЕЦМ 8гз) макро - і мезоциркуляційних умов.

Сильні заметілі на території східних районів України можуть виникати при вторгненні арктичного повітря, що супроводжується посиленням швидкості вітру, але більша половина випадків пов'язана з переміщенням циклонів і улоговин з півдня і південного заходу. У 40% загальної кількості випадків сильні заметілі спричинені проходженням "пірнаючих" циклонів з півночі, 45% відбуваються в районах Донецького кряжа. Упродовж 2000-2009 рр. на території Донецької області відмічено 7 випадків сильних заметілей на метеостанції Артемівськ. Найбільша кількість тривалих заметілей припадала на 2005 рік. На АМСЦ Донецьк з 26.01 по 27.01.05 р. (тип 6.4, ЕЦМ 13з) вирувала заметіль, швидкість вітру спостерігалася від 22 до 30 мс^-1. На метеостанції Дебальцеве 27-28.01 швидкість вітру становила 18-28 мс^-1. Тривала сильна заметіль, яка за градаціями відноситься до випадків спостереження 1 раз в 50 років, на цій же станції спостерігалася 28.02-01.03.2005 р. (тип 6.1, ЕЦМ 5в) тривалістю 17 годин, супроводжувалась вітром зі швидкістю 22-28 мс^-1.

На початку першого десятиріччя XXI ст. на території Дніпропетровської області відмічено 7 випадків СГЯ, пов'язаних із сильними заметілями; у Луганській області - 2 випадки: 21-22.01.00 р. і 27.01.06 р. (тип 5.2, ЕЦМ 11г) зафіксовані метеостанцією Дар'ївка, швидкість вітру досягала 40 мс^-1. Визначені статистичні характеристики небезпечних та стихійних явищ, пов'язаних з вітром, можуть використовуватися при складанні короткострокових прогнозів погоди.

У четвертому розділі - “Використання фронтального параметра для визначення небезпечних зон вітру” запропонована методика кількісної оцінки бароклінності атмосфери, а саме: визначення зон штормового вітру за допомогою фронтального параметра та відносного вихору; при цьому розглянуто більше ніж 50 випадків, а наведено два типових приклади НЯ та СГЯ, пов'язаних з вітром, для холодного та перехідного періодів року. При синоптичному аналізі атмосферних процесів використані приземні карти та карти баричної топографії. Розрахунки фронтального параметра виконані за результатами об'єктивного аналізу полів геопотенціалу, температури та вологості у вузлах географічної сітки точок з кроком 2,5° по широті і довготі за 00 UTC 14 - 18 грудня. Область розрахунку: 10-50° сх. д. та 30-65° півн. ш.

Фронтальний параметр ш, який є характеристикою бароклінності нижньої половини тропосфери і являє собою горизонтальний градієнт модуля градієнта еквівалентної товщини шару ( ZTE) між ізобаричними поверхнями 850-500 гПа, розраховувався за формулою:

, (1)

де одиничний вектор, спрямований в область мінімальних значень температури і вологості;

- двовимірний векторний диференціальний оператор

. (2)

В (2) Р- тиск, - функція від еквівалентної температури

. (3)

В формулах (2), (3) індекси u та s означають верхню та нижню ізобаричні поверхні, які обмежують шар атмосфери (в нашому випадку ізобаричні поверхні 500 і 850 гПа).

Відносний вихор у геострофічному наближенні розраховано за даними об'єктивного аналізу

, ( 4)

де g - прискорення сили тяжіння, l- параметр Коріоліса, H - висота ізобаричної поверхні 500 гПа;

- двовимірний оператор Лапласа.

У роботі представлені поля фронтального параметра ш і вихору швидкості _q на початку першого десятиріччя за 16 і 17 грудня, коли атмосферні процеси були найбільш активними, східна частина України знаходилась в перехідній зоні між областями з додатними величинами _q і від'ємними, тобто над досліджуваною територією, значення _q коливались біля нуля. Найсильніші вітри (до 20-25 м•с^-1) відмічалися поблизу 46° півн. ш., де фронтальний параметр досягав 20 од. Результати одержані для зимового випадку, пов'язаного з виходом південного циклону (ЕЦМ 13з) і його блокуванням відрогом Сибірського антициклону, коли територія східних районів України знаходилася в перехідній зоні зі слабо вираженою циклонічністю. Висновки стосовно виконаного моделювання можна узагальнювати на схожі ситуації, і фронтальний параметр ш використовувати як кількісну характеристику, як один із предикторів при прогнозі сильного вітру і шквалів.

В осінній період з 11 по 16 жовтня 2009 року територія України знаходилась під впливом двох систем атмосферних фронтів: арктичного та полярного. На початку періоду (11.10.09 р., ЕЦМ 12 бз) полярна система фронтів проходила в широтному напрямку майже уздовж 40° півн.ш. і лише над Адріатичним морем набувала меридіональної спрямованості завдяки фронту оклюзії (рис. 4). Протягом доби (з 12 на 13.10.09 р.) над Балканським півостровом утворився південний циклон з тиском в центрі близько 996 гПа, який об'єднався із західним циклоном над Прибалтикою. Таким чином, 13 жовтня центральні райони Європи знаходились під впливом двоцентрового циклону, з яким пов'язані системи арктичного і полярного фронтів. Саме ці фронти зумовлювали погодні умови і сприяли формуванню зон небезпечного вітру в різних частинах України з 13 по 16 жовтня. Посилення вітру до 12-15 м•с^-1 над західними та центральними районами України і до 15-20 м•с^-1 над північно-західним узбережжям Чорного моря в більшості пунктів спостерігалось 13.10.09 р., тому для цієї дати наведені поля фронтального параметра, відносного вихору та карта штормових оповіщень. Як видно із рис. 4г, область, де ш змінюється від 5 до 20 од., розташована поблизу центра циклону і пов'язана з гілками полярного та арктичного фронтів, які тут найбільш зближені. Частина цієї області знаходиться над західними і центральними районами України, де в багатьох пунктах спостерігався небезпечний вітер, а в деяких - грози (рис. 4б). Всі ці явища пов'язані з активною ділянкою теплого фронту, де параметр ш перевищував порогове значення для шквалів (ш = 2,5 од.). Як характеристики циклонічності використані поля відносного вихору на ізобаричній поверхні 500 гПа, тобто враховується вплив циклонічності



Рис. 4. Карти приземного аналізу за (а) 11.10.09 р.; (в) 12.10.09 р.. Карти: штормових оповіщень - (б) за 11.10.09 р.; фронтального параметра - (г) за 12.10.09 р.

баричного поля в середній тропосфері на активність фронтів. На розрахованому полі _q за 13.10.09 р. південному циклону відповідає замкнена область, де відносний вихор досягає 6•10^-5 с^-1, тобто в п'ять разів перевищує порядок цієї величини. При цьому над Західною Україною вихор набуває значення від 3 до 6•10^-5 с^-1, а над центральною її частиною він різко змінюється від додатних значень до від'ємних. Саме в цих районах України сформувалися зони небезпечного вітру. Розрахунки показують, що областям, де швидкість вітру ? 10 м•с^-1, відповідає центральна частина замкненої області з _q =8·10^-5 с^-1 (Західна Україна) і смуга їх максимального згущення (центральні та південні райони України і Крим). Аналогічна ситуація відбувалась 15 та 16 жовтня, тобто поле вітру формується також в бароклінній зоні, інтенсивність якої більша (значення ш досягають 45 од.), а небезпечний вітер спостерігається лише над центральною і південною частинами України і в більшості пунктів його швидкість не перевищує 12 м•с^-1. Відзначимо, що над цими районами відбуваються різні зміни циклонічного вихору, який досягає значень 7·10^-5 с^-1.

Отже в розглянутий період головну роль в формуванні зон небезпечного вітру на території України відігравали атмосферні фронти, в зоні яких параметр ш перевищував порогове значення 2,5 од. і в окремі строки досягав 50 од. Однак кількісного зв'язку між швидкістю вітру і параметром ш не виявлено. Визначений зв'язок між полями відносного вихору в середній тропосфері і зонами небезпечного вітру свідчить про досить великий вплив циклонічності поля тиску на швидкість приземного вітру. Індекс конвективної нестійкості набував, в основному, значень, менших або дещо більших за порогове значення, тому в розглянутих ситуаціях внесок енергії конвективної нестійкості в формування зон небезпечного вітру неістотний.



ВИСНОВКИ

Виконаний фізико-статистичний аналіз просторово-часової зміни вітрового режиму і циркуляційних умов над східними районами України за період з 1993 по 2012 рр. дозволив визначити основні статистичні параметри, які відбивають взаємозв'язок стихійних гідрометеорологічних явищ, випадків високих рівнів забруднення атмосфери і вітрових аномалій над вказаним регіоном. Основні результати дослідження полягають в наступному:

1. Зроблено оцінку захищеності і репрезентативності метеорологічних станцій східних районів України за ступенем відкритості вітровимірювальних приладів відповідно до класифікації В.Ю. Мілевского: Донецька, Харківська, Дніпропетровська АМСЦ, Троїцьке, Новопсков, Біловодськ до відкритих майданчиків; Коломак, Золочів, Дар'ївка, Сватове, Комісарівка, Губиниха, Синельникове до напівзахищених. Інші 56% станцій відносяться до захищених. Метеостанції знаходяться в урбанізованій зоні, поступово відбувається процес забудови, що у свою чергу, призводить до зменшення показників вимірюваних характеристик швидкості вітру.

2. Встановлено, що середньомісячні показники швидкості вітру на території східних районів України знизилися на всіх станціях. Найбільші зміни (зменшення на 2 мс^-1) відбулись на станціях Волноваха та Золочів, а найменші (всього на 0,6 мс^-1) в Луганській області на станціях Троїцьке та Біловодськ, які знаходяться в степу, на відкритій місцевості, порізаній балками. Падіння швидкості вітру з 3,0 мс^-1 до 1,5 мс^-1, тобто в 2 рази, відмічено на станції Артемівськ.

3. Виявлено, що напрям основних повітряних потоків над територією східних районів України переважно північний, північно-західний та південний незалежно від строків спостереження. Розподіл інших напрямків суттєво не еволюціонує. Значення середніх квадратичних відхилень свідчать про формування вітрового режиму практично однаковими макроциркуляційними процесами за винятком Дніпропетровської області.

4. Досліджено зв'язок між концентрацією забруднюючих речовин та метеорологічними факторами у великих урбанізованих містах. На прикладі м. Харків зроблено статистичну оцінку полів швидкості й напрямку вітру та концентрації пилу, яка може бути використана при розробці задач муніципального розвитку. Вдосконалено методику прогнозів високих рівнів забруднення повітря МУЗ для холодного періоду, а саме, уточнені типи синоптичних ситуацій та відповідно характеристики параметра Кц.

5. Складено щоденний каталог типів синоптичних процесів за 1993-2012 рр. в основні місяці сезонів. Виявлено типові синоптичні процеси та типи, що спричиняють збільшення інтенсивності СГЯ, пов'язаної з вітром.

6. Вперше виконано сумісний аналіз синоптичних ситуацій над досліджуваним районом і ЕЦМ (за Б.Л. Дзерзєєвським) впродовж двадцятирічного періоду - кінець XX - початок XXI сторіччя, виявлено найбільш вірогідні атмосферні процеси, які формують погодні умови над сходом України, та доведено, що зростання кількості стихійних і небезпечних явищ, пов'язаних з вітром, зумовлені мінливістю атмосферної циркуляції й термічного режиму.

7. Запропоновано сумісний кількісний аналіз полів фронтального параметра та приземного вітру взимку і восени. Швидкості 15-20 м•с^-№ спостерігаються в зонах, де ш коливається близько 20 од. Швидкостям вітру 10-15 м•с?№ відповідають позитивні значення параметра до 15 од. Слабкі вітри відмічаються на тих ділянках поля тиску, де фронтальні умови відсутні, тобто параметр ш набуває від'ємних значень. Зв'язок між полями відносного вихору середньої тропосфери і зонами небезпечного вітру підтверджує великий вплив циклонічності поля тиску на швидкість приземного вітру. Викладені результати можна...