Динамічне і статистичне моделювання атмосферної циркуляції для Чорноморського регіону

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОРСЬКИЙ ГIДРОФIЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

УДК 551.584

Динамічне і статистичне моделювання атмосферної циркуляції для Чорноморського регіону

04.00.22 - геофiзика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

БАРАБАНОВ ВЛАДИСЛАВ СЕРГІЙОВИЧ

Севастополь - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті Національної академії наук України

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор Єфімов Володимир Васильович, Морський гідрофізичний інституту НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук Демишев Сергій Германович, Морський гідрофізичний інститут НАН України, провідний науковий співробітник

кандидат фізико-математичних наук, Фомін Володимир Володимирович, Морське відділення Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту МНС України, завідувач лабораторії

Провідна організація: Одеський державний екологічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Одеса

Захист відбудеться “__”______________200__ року о ____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 50.158.02 Морського гідрофізичного інституту НАН України за адресою: 99011, Україна, м. Севастополь, вул. Капітанська, 2, малий конференц-зал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Морського гідрофізичного інституту НАН України за адресою: 99011, Україна, Севастополь, вул. Капітанська, 2.

Автореферат розісланий ________________________200__ р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.50.158.02

кандидат фізико-математичних наук Кубряков O.I.

АНОТАЦІЯ

Барабанов В.С. Динамічне і статистичне моделювання атмосферної циркуляції для Чорноморського регіону. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика (фізика моря). - Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь, 2006.

У роботі досліджені мезомасштабні особливості клімату для Чорноморського регіону з використанням лінійної та нелінійної чисельної моделі і статистичних методів. Основна спрямованість дослідження - виявлення фізичних механізмів, відповідальних за формування регіональних особливостей клімату. За даними реаналізу проаналізована структура поля приповерхневого вітру над Чорним морем, і досліджені механізми її формування. Побудовано лінійну стаціонарну модель атмосферної циркуляції в регіоні, що відтворює прибережні циркуляційні осередки, пов'язані з температурним контрастом на поверхні.

Вивчено проблему регіоналізації оцінок клімату України і Чорного моря. Виконано статистичне моделювання опадів для території України методом канонічного кореляційного аналізу. Виділено значимі зв'язки опадів на Україні з атмосферною циркуляцією в Північній Атлантиці, обумовлені модуляцією інтенсивності і траєкторій циклонів Північно-Атлантичним коливанням. прибережний клімат атмосферний температурний

На основі адаптованої версії нелінійної мезомасштабної моделі отримані середньомісячні поля метеорологічних параметрів з розділенням 30 км для січня 1995-2000 років. Показано, що на такому розділенні термічний контраст суша-море і гірський рельєф є основними причинами формування мезомасштабних особливостей полів приповерхневого вітру й опадів.

Ключові слова: чисельне моделювання клімату, мезомасштабні кліматичні процеси, кластерний аналіз, канонічний кореляційний аналіз.

АННОТАЦИЯ

Барабанов В.С. Динамическое и статистическое моделирование атмосферной циркуляции для Черноморского региона. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика (физика моря). - Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь, 2006.

В работе исследованы мезомасштабные особенности климата для Черноморского региона с использованием линейной и нелинейной численной модели и статистических методов. Основная направленность исследования -выявление физических механизмов, ответственных за формирование региональных особенностей климата. По данным реанализа наблюдений за погодой за 40-летний период проанализирована структура поля приводного ветра над Черным морем, и исследованы механизмы ее формирования. Показано, что пространственно-временная изменчивость поля приводного ветра над Черным и Каспийским морями, и в первую очередь, завихренность на сезонном масштабе, формируется главным образом температурным контрастом между сушей и морем и воздействием горного рельефа прибрежной зоны. Сезонная изменчивость внешней крупномасштабной завихренности, связанной с системой циклонов и антициклонов, распространяющихся на фоне западного переноса, преобладает только на больших высотах в атмосфере и не прослеживается в поле приводного ветра. Для него основным фактором формирования сезонной изменчивости оказывается “муссонный” механизм: положительная разность потоков тепла в атмосферу из моря и от окружающей море суши зимой генерирует циклоническую завихренность ветра на поверхности моря за счет направленной вверх вертикальной скорости и соответствующей конвергенции в атмосферном пограничном слое, а летом противоположная разность потоков тепла генерирует направленную вниз вертикальную скорость над морем, дивергенцию и антициклоническую завихренность на поверхности. В свою очередь горный рельеф влияет как на сезонные колебания завихренности, так и на формирование среднегодовой циклонической завихренности.

Построена линейная стационарная модель атмосферной циркуляции в регионе, воспроизводящая прибрежные циркуляционные ячейки, связанные с температурным контрастом на поверхности. Показано, что на низких пространственных разрешениях область положительной (в зимний период) вертикальной скорости и завихренности распространяется на все море, что соответствует распределению завихренности в данных реанализа.

Изучена проблема регионализации оценок климата Украины и Черного моря. Выполнено статистическое моделирование осадков для территории Украины методом канонического корреляционного анализа. Выделены значимые связи осадков на Украине с атмосферной циркуляцией в Северной Атлантике, обусловленные модуляцией интенсивности и траекторий циклонов Северо-Атлантическим колебанием.

На примере данных реанализа за период 1982-1996 годов была выполнена классификация синоптических ситуаций по аномалиям геопотенциала. Выделенные типичные ситуации, под которыми понимались последовательности метеополей продолжительностью в трое суток, интерпретировались как структуры, возникающие при перемещении областей высокого или низкого давления. Анализ полей осадков, соответствующих выделенным классам, выявил недостатки в данных реанализа, характерные для моделей с низким пространственным разрешением в определенных синоптических ситуациях. Выбранные по этому признаку ситуации затем были использованы для тестовых расчетов нелинейной мезомасштабной модели.

На основе адаптированной версии нелинейной мезомасштабной модели получены среднемесячные поля метеорологических параметров для Черноморского региона с разрешением 30 км для январей 1995-2000 г.г. Проведены также расчеты на более короткие сроки с повышенным разрешением (20 и 10 км). При подготовке адаптированной версии модели был проведен ряд численных экспериментов в целях исследования чувствительности модели к выбору домена, частоте подкачки граничных условий, параметризациям погранслоя и кучевой облачности, заданию температуры и шероховатости поверхности. Показано, что на таком разрешении термический контраст суша-море и горный рельеф являются основными причинами формирования мезомасштабных особенностей полей приводного ветра и осадков.

Результаты линейной модели, описывающей возникновение циркуляционной ячейки над поверхностью с температурным контрастом сравнивались с данными нелинейного моделирования близкого по параметрам “идеального” случая с плоским рельефом, заданным ветром и температурным контрастом; показано их качественное и количественное согласие.

Влияние температурного контраста на поверхности на характер циркуляции атмосферы в прибрежных зонах изучено в ряде численных экспериментов с использованием различных пространственных разрешений, плоского и реалистичного рельефа, нормальной и повышенной температуры поверхности моря.

Ключевые слова: численное моделирование климата, мезомасштабные климатические процессы, кластерный анализ, канонический корреляционный анализ.

SUMMARY

Barabanov V.S. Dynamic and statistical modelling of atmosphere circulation for the Black Sea region. Manuscript.

The Thesis to claim the academic degree of candidate of physical-mathematical sciences on the speciality 04.00.22 geophysics (marine physics). Marine Hydrophysical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 2006.

Mesoscale features of climate for the Black Sea region were studied using linear and nonlinear numerical models and statistic procedures. The main goal of study was to reveal physical mechanisms responsible for regional climate peculiarities. Using reanalysis data the structure of surface wind field upon the Black Sea was analysed and the mechanisms of its formation were investigated. The linear steady-circulation atmosphere model was developed, representing coastal circulation cells, related to surface temperature contrast.

The problem of climate downscaling for Ukraine and the Black Sea region was studied. Statistical modeling of precipitation for the region was performed by means of canonical correlation analysis. Significant connections of precipitation in Ukraine with North Atlantic atmosphere circulation because of cyclone intensity and path modulation by NAO were revealed.

On the basis of adapted version of nonlinear mesoscale model monthly fields of meteorological parameters were obtained with 30 km resolution for januaries 1996-2001. It was shown, that for this resolution the surface temperature contrast and mountainous topography are the main reasons of mesoscale pattern formation for surface wind and precipitation.

Key words: numerical climate modeling, mesoscale climatic processes, cluster analysis, canonical correlation analysis.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Чисельне моделювання циркуляції атмосфери, перші спроби якого були початі у 20-х роках ХХ століття Л.Ф.Річардсоном, зараз є головним напрямком у дослідженнях погоди і клімату. Для аналізу і прогнозу мінливості клімату використовуються сумісні моделі циркуляції атмосфери й океану, що враховують також динаміку морського льоду, фізичні процеси на поверхні суші, вплив біоти. Ці моделі досить добре відтворюють основні особливості великомасштабної циркуляції атмосфери й океану. У той же час на малих масштабах глобальні моделі нездатні адекватно відтворити основні параметри локального клімату. Цей недолік неодноразово відзначався у літературі. Основні причини - недостатнє просторове розділення, обмежене ресурсами обчислювальної техніки, а також можливо неадекватна параметризація дрібномасштабних процесів, що не розраховуються в моделі явно. До таких процесів відносяться формування хмар, опади, випар, річковий стік, тощо. Грубе представлення підстеляючої поверхні у глобальних моделях призводить до найбільших помилок у відтворенні локального клімату в гірських і прибережних районах. Саме таким складним регіоном є Чорноморський регіон.

Таким чином, розробка методів моделювання регіональних особливостей клімату на основі аналізу великомасштабних полів (climate downscaling) є актуальним напрямком, що входить в усі провідні міжнародні програми дослідження мінливості клімату. У теперішній час розвивається два основних підходи до проблеми. Статистичний метод заснований на аналізі багатомірних лінійних кореляцій - чи в більш загальному випадку нелінійних зв'язків - між великомасштабними атмосферними полями низького просторового розділення і локальних гідрометеорологічних параметрів. Динамічний метод - розрахунок атмосферної циркуляції з використанням регіональних чисельних моделей більш високого просторового розділення (зокрема, моделювання на вкладених сітках). При цьому атмосферна модель високого розділення розглядається як інструмент для фізично обґрунтованої просторової інтерполяції великомасштабних полів, розрахованих по глобальних моделях з більш грубим просторовим розділенням. Розвиваються також методики регіонального моделювання, засновані на комбінації двох зазначених підходів.

Хоча статистичний метод більш простий у реалізації та не вимагає особливої швидкодії обчислювальної техніки, у багатьох випадках він непридатний - наприклад, для морів і океанів обмежена кількість спостережень за погодою практично не дозволяє одержувати достовірні статистичні оцінки. Так, задача моделювання циркуляції вод Чорного моря вимагає використання полів вітру біля поверхні води й опадів із просторовим розділенням до декількох кілометрів, які можуть бути отримані тільки на основі динамічного методу.

У дисертації застосовувалися як динамічні (лінійні і нелінійні моделі), так статистичні (кластерний аналіз, канонічний кореляційний аналіз) методи моделювання особливостей клімату для Чорноморського регіону і території України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів основних наукових досліджень Морського гідрофізичного інституту Національної академії наук України в рамках наступних проектів і науково-дослідних робіт:

проект фундаментальних досліджень НАН України “Дослідження змін клімату в системі океан - атмосфера - літосфера на глобальних і регіональних масштабах”, шифр “Океан - клімат”, № державної реєстрації 0101U001023, виконавець,

проект Кліматичної програми України “Створення чисельної моделі і використання сучасних методів у дослідженні клімату України в зв'язку з мінливістю системи океан-атмосфера”, ДР №0100U005265, виконавець,

проект програми “Наукові основи нарощування мінерально-сировинної бази України” НАН України “Розробка дослідної системи прогнозу і контролю вітрохвильових полів для регіонів газовидобутку і нафтовидобутку в північно-західній частині Чорного моря”, шифр “Океан-нафта”, ДР №0102U001495, виконавець,

проект фундаментальних досліджень НАН України “Дослідження просторово-часової мінливості гідрофізичних полів і процесів взаємодії в системі океан-атмосфера”, шифр “Океан-атмосфера”, ДР №0196U015534, виконавець.

Об'єкт дослідження - атмосферна циркуляція у Чорноморському регіоні.

Предмет дослідження - характерні для півдня України й Азово-Чорноморського басейну особливості клімату і погоди та механізми їхнього формування.

Мета дослідження - розробка засобів моделювання регіональних особливостей клімату, урахування основних фізичних механізмів, що визначають мезомасштабну циркуляцію атмосфери в прибережних зонах Чорного моря, розрахунок і аналіз полів вітру й опадів з високим просторовим розділенням - 10-30 км.

Основна гіпотеза дослідження - регіональні особливості клімату визначаються впливом підстеляючої поверхні на атмосферну циркуляцію і можуть бути відтворені на основі мезомасштабної моделі.

Методи дослідження - чисельне моделювання, статистичний аналіз.

Наукова новизна - масив даних реаналізу й отримані на його основі з використанням мезомасштабної моделі масиви даних уперше використані для вивчення впливу просторового дозволу на характерні для регіону Чорного моря особливості розрахункових полів завихреності та вертикальної швидкості; показано, що термічний контраст і гірський рельєф є основним джерелом цих особливостей. Побудовано лінійну стаціонарну модель атмосферної циркуляції в регіоні, яка відтворює прибережні циркуляційні осередки, пов'язані з температурним контрастом на поверхні. Кластерна автоматична класифікація просторово-часових масивів даних застосована для аналізу кліматичних процесів у регіоні, при цьому уперше використовувалася класифікація по триденних траєкторіях. Виділені класи використовувалися при порівнянні опадів у зимовий період за даними моделі реаналізу і мезомасштабної моделі з розділенням 30 км. Адаптована до регіональних умов нелінійна мезомасштабна модель застосована для вивчення впливу температурного контрасту на поверхні на характер циркуляції атмосфери в прибережних зонах у ряді чисельних експериментів з використанням різних просторових розділень, плоского і реалістичного рельєфу, нормальної та підвищеної температури поверхні моря.

Теоретична значимість дисертації. Вивчена роль основних факторів, що визначають формування особливостей атмосферної циркуляції в Чорноморському регіоні - температурних контрастів суша-море й орографічних ефектів. Показано, що особливості циркуляції в прибережній зоні, одержувані в нелінійних мезомасштабних моделях із просторовим розділенням у кілька десятків кілометрів пов'язані з термічним контрастом суша-море і гірським рельєфом і відтворюються також у лінійній стаціонарній моделі. Розроблений і застосований для аналізу кліматичних процесів у регіоні метод кластерної класифікації по триденних траєкторіях.

Практична значимість дисертації. Метою дисертації є рішення цілком практичних задач - дослідження регіональних аспектів клімату для регіону України і Чорного моря і глобальних кліматичних процесів, які впливають на цей регіон. Виявлені взаємозв'язки дозволяють дати більш повний і точний прогноз клімату в таких важливим у практичному відношенні галузях народного господарства, як рибопромисловій, геологорозвідувальній та у нафто- і газопромисловій.

Розроблені і представлені в дисертації методи, моделі, а також результати, отримані на їхній основі, використовувалися у провідному океанографічному центрі СНД - Морському гідрофізичному інституті НАН України. Теоретичні моделі успішно використовувалися для аналізу й інтерпретації даних. Результати досліджень автора включені в національні і міжнародні звіти по різних проектах, а також опубліковані у провідних українських і російських періодичних виданнях.

Розроблена версія регіональної моделі атмосфери може використовуватися в роботі гідрометеорологічних служб регіону, а отримані поля приповерхневого вітру - у моделях вітрових хвиль і циркуляції вод Чорного моря.

Особистий внесок здобувача. Розробка лінійної моделі впливу термічного контрасту на атмосферну циркуляцію, адаптація для регіону нелінійної мезомасштабної моделі, виконання розрахунків для кластерної класифікації синоптичних ситуацій, аналіз і узагальнення отриманих теоретичних і експериментальних даних були проведені особисто здобувачем. Основні наукові положення і висновки, що ввійшли в дисертацію, отримані автором.

У спільних роботах на етапах постановки і формулювання задач, аналізу теоретичної й експериментальної інформації, формулювання теоретичних висновків автор брав паритетну участь. Частина наукових результатів, що ввійшли в дисертацію, опублікована в співавторстві з В.В. Єфімовим, М.В.Шокуровим, О.І.Комаровською, які на різних етапах роботи брали участь у їхньому виконанні. Усім співавторам автор висловлює глибоку подяку за співробітництво.

У роботах, опублікованих зі співавторами, конкретний внесок здобувача у наступному:

у роботах [1,2,7-10] адаптація для регіону нелінійної мезомасштабної моделі, дослідження чутливості розрахункових полів до зміни граничних умов, підготовка даних для розрахунків в ідеалізованих випадках, інтерпретація отриманих результатів і порівняння з результатами, отриманими іншими методами;

у роботах [9-10] постановка задачі порівняння лінійної і нелінійної мезомасштабної моделі, розробка лінійної моделі атмосферної циркуляції над поверхнею з термічним контрастом, безпосередні розрахунки, аналіз і інтерпретація результатів;

у роботах [3-6] розробка процедур кластерної класифікації, дослідження кореляційних зв'язків різних параметрів, використання методів канонічного кореляційного аналізу, аналіз та інтерпретація результатів.

Апробація роботи - результати досліджень доповідалися на:

Конференції молодих учених “Понт Евксінський 2000”, Інститут біології південних морів, Севастополь;

3-ій Всеросійській конференції “Фізичні проблеми екології”, Фізичний факультет Московського державного університету ім. М.Ломоносова, Москва, 2001 р.;

Міжнародному науково-технічному семінарі “Системи контролю навколишнього середовища”, Морський гідрофізичний інститут НАН України, Севастополь, 1999, 2000, 2001, 2004 роки.;

Науковій конференції “Ломоносовські читання”, Чорноморська філія Московського державного університету ім.М.Ломоносова, Севастополь, 2002, 2005 роки;

Міжнародній науковій конференції “Сучасний стан екосистем Чорного й Азовського морів”, Донузлав, 2005 р.

Публікації. У дисертацію ввійшли 10 публікацій, у тому числі 4 статті в періодичних наукових журналах, 5 - у збірниках наукових праць. 8 публікації відповідають вимогам ВАК України до наукових видань, в яких можуть публікуватися результати дисертаційних робіт, і у них досить повно відображені результати дисертації.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка. Вона містить 142 сторінки машинописного тексту і включає 53 рисунки. Список літератури включає 60 робіт.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обговорюються актуальність і сучасний стан дослідження мезомасштабних особливостей клімату, формулюються мета і задачі дисертації, показаний зв'язок роботи з науковими програмами і планами Морського гідрофізичного інституту НАН України, викладені методи дослідження і наукова новизна отриманих результатів, положень і висновків, їхня обґрунтованість і вірогідність, описані наукове і практичне значення роботи, її апробація, обсяг публікацій і структура роботи.

Розділ 1. Головним джерелом експериментальних даних про погоду і клімат у наш час є систематичні спостереження, проведені на метеостанціях. Для Чорноморського регіону важливою проблемою є нестача регулярних спостережень атмосфери безпосередньо над морською поверхнею. Так, оцінки сумарних опадів над Чорним морем, що наводилися в літературі, по різних джерелах коливаються в досить широкому діапазоні від 450 до 580 мм/рік. Дані по приповерхневому вітру довгий час формувалися на основі дуже суб'єктивного аналізу невеликої кількості вимірів. В останні роки зазначена проблема частково вирішується супутниковими спостереженнями, однак, супутникових даних зараз недостатньо для використання в дослідженнях клімату, які вимагають набагато більш довгих часових ряди.

З використанням сучасних глобальних моделей атмосферної циркуляції можна побудувати системи засвоєння даних спостережень і здійснити реаналіз архівних даних за тривалий проміжок часу. Процедура реаналізу забезпечує фізично обґрунтовану інтерполяцію на морські, полярні й інші недостатньо охоплені мережею метеостанцій райони, робить доступними для дослідника всі основні метеорологічні параметри. Тому дані реаналізів, і зокрема, вільно доступного реаналіза NCEP/NCAR дуже широко використовуються в сучасних кліматичних дослідженнях. У роботі на основі даних реаналіза досліджені характерні риси поля приповерхневого вітру над Чорним морем. Показано, що в основі фізичних механізмів, що формують просторово-часову мінливість полів приповерхневого вітру над Чорним і Каспійським морями, і в першу чергу, завихреність на сезонному масштабі, лежать регіональні фактори - температурні контрасти між сушею і морем і навколишня орографія. Сезонна мінливість зовнішньої великомасштабної завихреності, пов'язаної із системою циклонів і антициклонів, що поширюються на фоні західного переносу, переважає тільки на великих висотах в атмосфері і не просліджується в полі приповерхневого вітру. Для нього основним фактором формування сезонної мінливості є “мусонний” механізм: позитивна різниця потоків тепла в атмосферу з моря і від суші, яка оточує море, узимку генерує циклонічну завихреність вітру на поверхні моря за рахунок спрямованої нагору вертикальної швидкості та відповідної конвергенції в атмосферному прикордонному шарі, а влітку протилежна різниця потоків тепла повинна генерувати спрямовану униз вертикальну швидкість над морем, дивергенцію й антициклонічну завихреність на поверхні. У свою чергу гірський рельєф впливає як на сезонні коливання завихреності, так і на формування середньорічної циклонічної завихреності.

У той же час низьке просторове розділення (близько 2) даних реаналізу, означає, що зроблені на основі цих даних висновки про властивості приповерхневого вітру вимагають подальшого уточнення. З метою вивчення властивостей атмосферної циркуляції, пов'язаної з термічним контрастом на підстеляючій поверхні побудована лінійна чисельна модель для регіону, яка застосовувалася в широкому діапазоні по просторовому розділенню. Для лінеаризації базових рівнянь використовувалися наступні спрощення: розглядався сталий потік сухого атмосферного повітря на f-площині над постійним двовимірним джерелом тепла, вважалося, що виконуються наближення Буссінеска і нестисливості, коефіцієнт вертикального турбулентного обміну теплом K постійний, тертя описується в Релеєвському наближенні, відхилення швидкості вітру від заданих значень незначні. Лінеарізована система рівнянь вирішувалася аналітично з використанням Фур'є-перетворення, а для зворотного переходу від Фур'є-гармонік до відповідних фізичних величин використовувався чисельний метод швидкого перетворення Фур'є.

У рамках цієї моделі досліджені мезомасштабні процеси в атмосфері прибережної зони, де в зимовий період формується осередок зі спрямованою нагору вертикальною швидкістю над морем і протилежно спрямованої над сушею. З ростом швидкості потоку, що набігає, розподіл вертикальної швидкості стає усе більш асиметричним: зона спадного руху на навітряному березі стає більш помітною і вузькою, а парна їй зона позитивної вертикальної швидкості розширюється; зворотна картина на підвітряному березі. Показано також, що при використанні такого варіанта лінеаризації просторове розділення впливає на результат чисельного моделювання, фактично визначаючи горизонтальні розміри зони прибережної циркуляції, але не змінює сам “мусонний” характер циркуляції.

Розділ 2. Фізичні механізми опадоутворення відносяться до числа найбільш складних атмосферних процесів, так що їхній опис залишається актуальною задачею в сучасній метеорології та кліматології. Атмосферні опади мають наступні специфічні особливості, що ускладнюють задачу їхнього статистичного аналізу. По-перше, через сильну просторову чергованість процесів опадоутворення оцінки середніх по площі величин опадів мають велику дисперсію і можуть значно відрізнятися від значень в окремих просторових точках (на метеостанціях). По-друге, у деяких регіонах сильна просторова мінливість залишається і при усередненні по великих періодах часу, наприклад усереднений за багато років річний хід значно відрізняється в близьких точках. Формування кліматичного річного ходу опадів являє собою досить складну задачу, що повинна адресуватися глобальній чи регіональній атмосферній моделям. У той же час внутрішньосезонні і міжрічні аномалії опадів представляються більш простим об'єктом для дослідження. За допомогою канонічного кореляційного аналізу виконане статистичне моделювання місячних аномалій опадів для регіону України і Чорного моря по великому масиву даних за період 1946-1995 рр. Найбільш значимим предиктором для опадів у регіоні є великомасштабна циркуляція в секторі, що включає Північну Атлантику і Європу. Два великомасштабних предиктори - геопотенціал на рівні 500 гпа і тиск на рівні моря дають практично однакові результати. Поточкова кореляція досягає великих значень 0.7-0.8 для тримісячного зимового сезону, для літа вона значно менше і становить близько 0.4-0.5. Головним механізмом впливу циркуляції на опади на низьких частотах є реакція траєкторій європейських циклонів на зміни великомасштабної середньої течії в Атлантико-Європейському секторі, які традиційно прийнято описувати як суперпозицію Північно-Атлантичного коливання і Євразійської моди. Цей механізм є визначальним і дає високу величину кореляції опадів і поля геопотенціала для зими по всьому регіону і для літа на півночі України; для півдня ж України і для Чорного моря в літній сезон передбачуваність опадів виявляється малою. Знижену передбачуваність мають також гірські області Карпат узимку, що зв'язано з маломасштабними локальними особливостями циркуляції, які не враховуються у великомасштабних предикторах.

Розкладання полів опадів і циркуляції по власних модах канонічного кореляційного аналізу виділяє для зимового сезону одну монопольну і дві дипольних для опадів моди, у кожній з яких зберігається локальний зв'язок: позитивним аномаліям опадів відповідають негативні аномалії геопотенціала і навпаки. Аналогічний локальний зв'язок виконується і влітку, хоча в цілому з набагато меншою кореляцією.

Отримані статистичні зв'язки можуть бути використані для безпосереднього кількісного розрахунку середньомісячних полів опадів для території України і Чорного моря на рівні кореляції 0.7-0.8 по великомасштабних полях геопотенціала.

На прикладі даних реаналіза за період 1982-1996 років була виконана класифікація синоптичних ситуацій по аномаліях геопотенціала. Виділені типові ситуації, під якими розумілися послідовності метеополів тривалістю в три доби, інтерпретувалися як структури, що виникають при переміщенні зон високого чи низького тиску. Аналіз полів опадів, що відповідають виділеним класам, виявив недоліки в даних реаналіза, характерні для моделей з низьким просторовим розділенням у визначених синоптичних ситуаціях (так, для класів, опади, розраховані в моделі реаналіза, відрізняються від таких, що спостерігаються в південно-західному Криму в 3-4 рази). Обрані за цією ознакою ситуації потім були використані для тестових розрахунків нелінійної мезомасштабної моделі.

Таким чином, кластерна класифікація синоптичних ситуацій може використовуватися при тестуванні моделей клімату. Інше можливе застосування проведеної класифікації - статистичний аналіз лінійних чи нелінійних зв'язків між характеристиками великомасштабних полів і локальних метеорологічних характеристик. Ці зв'язки можуть відшукуватися в межах окремих класів, що поліпшить передбачуваність локальних метеоданних у процедурі статистичного районування.

У цілому статистичні методи дослідження регіонального клімату, що не дають прямої інформації про фізику його формування, тим не менш зберігають практичну значимість, не вимагають значних обчислювальних ресурсів і можуть застосовуватися, наприклад, для моделювання місячних аномалій опадів по великомасштабних полях геопотенціала. У той же час у гірських областях, де кількість опадів крім великомасштабної циркуляції сильно залежить також і від локальних особливостей рельєфу, їхнє застосування затруднене, а над поверхнею моря, де немає надійних вимірів опадів, вони взагалі не можуть бути використані та повинні бути доповнені динамічним моделюванням.

Розділ 3. Як було показано, для дослідження регіональних особливостей клімату потрібна розробка спеціальних мезомасштабних моделей атмосферної циркуляції, що використовують у якості “полів першого наближення” результати роботи глобальних моделей і при цьому враховуючих характеристики підстеляючої поверхні з максимально можливим просторовим розділенням. Ці регіональні моделі по своїх базових рівняннях подібні із глобальними, але містять підсистему засвоєння граничних умов, формованих шляхом інтерполяції результатів рахунка глобальної моделі на більш дрібну сітку. Процедура розрахунку регіональних особливостей клімату з використанням таких моделей (“динамічний даунскейлинг”) може також розглядатися як інтерполяція, але вироблена з урахуванням фізики явищ, що відбуваються в атмосфері. Ця процедура набагато складніша і вимогливіша до обчислювальних ресурсів, чим представлений у розділі 2 “статистичний даунскейлинг”. У розрахунках використовувалася вільно розповсюджувана модель MM5 версії 3.4. Важливі переваги даної моделі, що обумовили її застосування, такі: негідростатичність, можливість розрахунків з використанням вкладених один в одного доменів (до дев'яти рівнів) із двостороннім обміном даними, що дозволяє довести просторове розділення розрахункових полів до декількох кілометрів з належним урахуванням орографії й інших характеристик підстеляючої поверхні; наявність як режиму прогнозу, так і режиму чотиривимірного засвоєння даних, наприклад, даних спостережень на локальних метеостанціях; сучасні схеми параметризації. Модель була встановлена на персональному комп'ютері. При розрахунку середньомісячних полів використовувалося два домена, центрованих щодо точки з координатами 45° п.ш. і 35° с.д.; для більшого домена із сіткою 41x35 точок крок складав 90 км, для меншого із сіткою 52x49 точок - 30 км. Для січня 1996 р. був проведений також розрахунок з використанням третього вкладеного домена з кроком 10 км. Для розрахунків на більш короткі терміни вибиралися два так само зцентрованих домена з підвищеним розділенням (60 і 20 км). Таким чином, вибір просторового розділення обумовлювався головним чином обмеженою продуктивністю персонального комп'ютера й успішним досвідом роботи моделей на базі MM5 з таким розділенням, відомим по літературі. По вертикалі мали 23 нерівномірно розташованих рівня. У якості початкових і граничних даних використовувалися поля реаналіза NCEP/NCAR, конвертовані у формат моделі MM5.

При підготовці адаптованої версії моделі був проведений ряд чисельних експериментів з метою дослідження чутливості моделі до вибору домена, частоти підкачування граничних умов, параметризацій шару повітря на межі розділу вода - атмосфера і кучевої хмарності, завданню температури і шорсткості поверхні. Результати порівнювалися з даними вимірів на метеостанціях.

У результаті був здійснений оптимальний підбор параметрів і отримані середньомісячні поля метеорологічних параметрів із кроком сітки 30 км для Чорноморського регіону для січня 1995-2000 років і окремих інших місяців; для січня 1996 р. був зроблений також розрахунок із кроком 10 км. Як приклад наводиться розподіл завихреності за лютий 1985 р. Для низьких просторових розділень (верхній рисунок, крок 90 км) у зимові місяці спостерігається характерна і для вихідних даних позитивна завихреність над морем; при розділенні 30 км стають помітними структури, що виникають при обтіканні гір і в прибережних зонах.

Спільне використання статистичних і динамічних методів здійснювалося при виборі на основі кластерної класифікації таких синоптичних ситуацій, у яких ефекти грубого розділення глобальної моделі особливо негативно впливають на формування полів опадів. У цих ситуаціях нелінійна мезомасштабна модель виявляється досить ефективним засобом розрахунку опадів, судячи з інтерпольованих на дрібну сітку даних вимірів на суші.

Нелінійне моделювання показало, що виникаючі через термічний контраст осередки циркуляції (які прогнозуються також лінійними моделями) у зв'язку із сильною нестаціонарністю і нелінійністю процесів не прив'язані жорстко до визначеної ділянки, хоча при усередненні, по-перше, дають основний внесок у збільшення фонової завихреності над морем, по-друге, формують витягнуті уздовж берега смуги слабкої позитивної завихреності. Більш помітні стаціонарні осередки циркуляції пов'язані з рельєфом (горами Криму і Кавказу).

У той же час, застосування розроблених нелінійних моделей атмосферної циркуляції і тим більше їхній подальший розвиток вимагає аналізу фізичних механізмів, відповідальних за формування мезомасштабних особливостей клімату. Одержані в результаті розрахунків поля повинні інтерпретуватися на базі цих механізмів; без такої інтерпретації можливі помилки, пов'язані з параметризацією підсіткових процесів і генерацією паразитних структур на краях доменів у зоні релаксації, неможливо відрізнити від коректно відтворених моделлю мезомасштабних процесів. З цією метою у роботі результати лінійної моделі, що описує виникнення циркуляційного осередку над поверхнею з температурним контрастом порівнювалися з даними нелінійного моделювання близького по параметрах “ідеального” випадку з плоским рельєфом, заданим вітром і температурним контрастом.

Спільне використання даних реаналіза, статистичних методів, лінійних і нелінійних мезомасштабних моделей дозволяє виділити й описати з фізичної точки зору ряд особливостей атмосферної циркуляції в регіоні, зв'язаних із впливом підстеляючої поверхні. До числа таких регіональних кліматичних особливостей відносяться мезомасштабні структури в полі приводного вітру й опадів, вивчені в даній роботі. Відтворення таких структур у мезомасштабних атмосферних моделях може розглядатися як фізично обґрунтована інтерполяція даних з більш грубим просторовим розділенням; отримані поля можуть, у свою чергу, бути використані в моделях вітрових хвиль, циркуляції вод моря, гідрологічних процесів та інших задач, що вимагають детальних даних про поверхневі потоки імпульсу, води і тепла. Нелінійна мезомасштабна модель може бути використана для одержання даних з високим просторовим розділенням за весь термін реаналіза, а ці дані, у свою чергу - для побудови вітро-хвильового клімату Чорного моря та при розрахунках течій.

ВИСНОВКИ

У дисертації вивчені мезомасштабні кліматичні процеси в атмосфері для Чорноморського регіону. На основі лінійного і нелінійного моделювання показано, що термічний контраст між сушею і морем та гірський рельєф формують регіональні особливості полів вітру й опадів. Основні результати дисертації можуть бути сформульовані в наступному виді:

1. За даними реаналіза за 40-літній період досліджені фізичні механізми, що визначають вітрову циркуляцію Чорного моря. Показано, що сезонна мінливість поля приповерхнневого вітру над Чорним морем визначається в основному температурним контрастом між сушею і морем.

2. Побудовано лінійну стаціонарну модель атмосферної циркуляції в регіоні, що відтворює прибережні циркуляційні осередки, зв'язані з температурним контрастом на поверхні.

3. За допомогою канонічного кореляційного аналізу виконане статистичне моделювання місячних аномалій опадів для регіону України і Чорного моря за період 1946-1995 роки.

4. За даними реаналіза за зими 1982-1996 років виконана кластерна класифікація синоптичних ситуацій по аномаліях геопотенціалу.

5. На основі адаптованої версії нелінійної мезомасштабної моделі отримані середньомісячні поля метеорологічних параметрів з розділенням 30 км для січня 1995-2000 років.

6. Вплив температурного контрасту на поверхні на характер циркуляції атмосфери в прибережних зонах вивчено в ряді чисельних експериментів з використанням різних просторових розділень, плоского і реалістичного рельєфу, нормальної та підвищеної температури поверхні моря.

ОСНОВНІ РОБОТИ, ОПУБЛІКОВАНІ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Барабанов В.С., Комаровская О.И. Региональная модель атмосферной циркуляции и ветровых волн для Черного моря // Системы контроля окружающей среды. - Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины. - 1999. - С.271-279.

2. Барабанов В.С., Ефимов В.В., Шокуров М.В. Региональное моделирование особенностей атмосферной циркуляции над Черным морем // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины. - 2000. - С.268-274.

3. Ефимов В.В., Шокуров М.В., Барабанов В.С. Статистическое моделирование месячных аномалий атмосферных осадков для региона Украины и Черного моря // Морской гидрофизический журнал. - 2002. №1. - С.35-50

4. Ефимов В.В., Шокуров М.В., Барабанов В.С.. Физические механизмы генерации ветровой циркуляции Черного и Каспийского морей // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2002. - Т.38 №2. - С. 247-258

5. Ефимов В.В., Шокуров М.В., Барабанов В.С. Численное моделирование особенностей климата Черноморского региона // Морской гидрофизический журнал. - 2002. - №4. - С. 20-29

6. Барабанов В.С. Моделирование приводного ветра над Черным морем на основе региональной модели атмосферной циркуляции // Системы контроля окружающей среды. - Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины. -2002. - С.388-391

7. Барабанов В.С., Воскресенская Е.Н., Ефимов В.В., Полонский А.Б., Шокуров М.В. Глобальная и региональная климатическая изменчивость // Развитие морских наук и технологий в морском гидрофизическом институте за 75 лет/под общ.ред. В.Н.Еремеева. - Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины. - 2004. - C.442-468

8. Барабанов В.С., В.В.Ефимов, М.В.Шокуров Линейное и нелинейное моделирование структуры поля вертикальной скорости ветра над Черным морем // Системы контроля окружающей среды. . - Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины. -2004. - С.168-171

9. Барабанов В.С., Яровая Д.А. Мезомасштабная структура полей ветра и осадков в численных моделях атмосферной циркуляции для Черноморского региона // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины. - 2005. - C.415-420.

8. Барабанов В.С., Ефимов В.В., Шокуров М.В. Мезомасштабная структура поля вертикальной скорости и завихренности ветра над Черным морем // Морской гидрофизический журнал. - 2006. -№1. - C.52-61

Размещено на Allbest.ru