Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Энергетика циклонов умеренных широт

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Энергетика циклонов умеренных широт"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ п п УНИВЕРСИТЕТ

О А

им. М.В.ЛОМОНОСОВА

Л

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

КАЛИНИН Николай Александрович

ЭНЕРГЕТИКА ЦИКЛОНОВ УМЕРЕННЫХ

ШИРОТ

11.00.09 — Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва - 199Т

Работа выполнена в Пермском государственном университете

Официальные оппоненты:

П.Н.Белов

доктор физ.-мат. наук, профессор

В.П.Садоков

доктор физ.-мат. наук, с.н.с.

Ю.П.Переведенцев доктор географических наук, профессор

Ве,пущая организация — Российский государственный гидрометеорологический институт, г. Санкт-Петербург

Защита состоится "¿$п 1997 года в 15 часов на заседа-

нии диссертационного совета Д.053.05.30 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Воробьевы горы, МГУ, географический факультет, ауд. 18-01, 18 этаж.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан "2Л " 1997 г.

. (,

Ученый секретарь диссертационного совета в МГУ кандидат географических наук

С.Ф.Алексеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Циклоны умеренных широт (ЦУШ) вляются важнейшими элементами общей циркуляции атмосферы. Исследование процессов зарождения и развития ЦУШ ведется в различ-ых направлениях, среди которых одним из наиболее важных является зучение их энергетики. Энергетический подход обеспечивает единую шалу нри оценке вклада различных атмосферных процессов в развитие дшлонов и, таким образом, позволяет описать физические механизмы того развития.

Диагностические исследования энергетики синоптических вихрей не-бходимы для совершенствования описания энергетического цикла в чи-ленных моделях атмосферной циркуляции и параметризации вихревых :отоков в моделях климата. Наличие значительных запасов определен-:ого вида энергии в атмосфере может использоваться как прогностиче-кий критерий процесса. Наконец, важным этапом развития способов .ктивных воздействий на синоптические атмосферные вихри также пилятся изучение их энергетики.

К настоящему времени сложилось понимание важности диагности-[еских исследований энергетического режима в ЦУШ. При этом зарубежные ученые главное внимание уделяли рассмотрению запасов и ба-[анса кинетической и доступной потенциальной энергии. Усилия наших :сследователей были направлены на изучение запасов и баланса кине-ической, потенциальной и внутренней энергии, а также водяного пара в ■тдельных циклонических образованиях умеренных широт. Однако, изустные результаты еще недостаточно полны и часто противоречат друг цэугу. Поэтому к настоящему времени назрела необходимость в разра-ютке эмпирической энергобалансовой модели ЦУШ на основе диагно-тических исследований в этих синоптических вихрях различных видов нергии.

Цель предлагаемой диссертации состоит в построении количествен ной схемы перераспределения и преобразования различных видов энер гии в циклонах умеренных широт, определении компонентов энергетич« ского баланса на разных стадиях их эволюции.

Для достижения поставленной цели в данном исследовании ставятс следующие задачи:

• разработка диагностической вычислительной системы для исследс вания запасов и составляющих баланса полной энергии, вихревой сс ставляющей кинетической энергии и доступной потенциальной эне{ гии в ЦУШ;

• выявление трехмерного распределения запасов и баланса различны видов энергии, ее генерации, диссипации и некоторых кинематиче ских особенностей в различных частях и на разных стадиях эволюци ЦУШ;

• оценка зависимости составляющих баланса кинетической энергии скорости вертикальных движений от масштаба пространственно1 осреднения;

• определение особенностей влагообмена в ЦУШ на разных стадиях г эволюции;

• оценка роли механизмов, формирующих баланс различных виде энергии в ЦУШ;

• определение структуры баланса различных видов энергии в ЦУШ I разных стадиях их эволюции;

• установление зависимости эволюции циклонических образований поверхности Земли от запасов доступной потенциальной энергии нижней тропосфере.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• усовершенствованная количественная схема перераспределения и преобразования различных видов энергии в ЦУШ;

• результаты расчета компонентов энергетического баланса ЦУШ на разных стадиях их эволюции;

• новый метод определения зависимости составляющих баланса кинетической энергии и скорости вертикальных движений от масштаба пространственного осреднения;

• характеристика изменчивости запасов доступной потенциальной энергии и их использование в качестве прогностического критерия эволюции ЦУШ.

Научная новизна работы. Основные выводы и количественные соотношения, представленные в диссертации и выносимые на защиту, получены впервые. К ним относятся, в первую очередь:

• картина трехмерного распределения запасов и баланса различных видов энергии, ее генерации, диссипации и некоторых кинематических особенностей в различных частях и на разных стадиях эволюции ЦУШ;

• установление зависимости составляющих баланса кинетической энергии и скорости вертикальных движений от масштаба пространственного осреднения;

• исследование особенностей влагообмена в ЦУШ на разных стадиях их эволюции;

• определение роли механизмов, формирующих баланс различных видов энергии в ЦУШ;

• выявление структуры баланса различных видов энергии в ЦУШ на разных стадиях их эволюции.

Кроме того, автор разработал методику прогноза эволюции циклонов у поверхности Земли на основе данных о доступной потенциальной энергии, определил степень эффективности восстановления вертикальных профилей метеорологических величин сплайн-интерполяцией г сравнении с линейной, получил неравенство, позволяющее определять степень достоверности различий между метеорологическими величинами путем сравнения средних значений двух выборок при отсутствии сведений о дисперсии, предложил и реализовал алгоритм оценки влиянш; ошибок исходной информации и интерполяции на параметры энергетики Практическая значимость работы:

• представляемые в диссертации выводы позволяют уточнить физические механизмы, определяющие характер перераспределения и пре образования различных видов энергии в ЦУШ на разных стадиях ю эволюции;

• данные температурно-ветрового зондирования атмосферы, использу емые в качестве основного исходного материала, были архивирован!: путем создания комплекса баз научных данных "Метео", разработан ного под руководством автора на кафедре метеорологии Пермскоп госуниверситета и изданного в виде методического пособия;

• результаты диагностических исследований энергетики ЦУШ исполь зуются при чтении студентам-метеорологам Пермского госуниверси тета курсов по динамической и общей метеорологии;

• предложенная методика прогноза эволюции циклонов у поверхности Земли на основе расчета запасов доступной потенциальной энергии где в качестве статистической базы использовался параметрически: одномерный линейный дискриминантный анализ, может быть ис пользована в оперативной работе по метеорологическому обслужк ванию народнохозяйственных организаций.

Апробация работы. Отдельными частями работа докладывалась на V Всесоюзном совещании по применению статистических методов в метеорологии в 1985г. в г.Казани, на Всесоюзной конференции "Пути повышения мировоззренческой направленности преподавания географии и проблемы географии" в 1985г. в г.Перми, на Межгосударственной научной конференции "Геоэкологические аспекты хозяйствования, здоровья и отдыха" в 1993г. в г.Перми, на Международной конференции "Общепланетарные проблемы исследования Земли" в 1994г. в г.Казани, на Международной конференции "Регион и география" в 1995г. в г.Перми, на Всероссийской научно-методической конференции "Новые технологии обучения при миогоуровенном университетском образовании" в 1994г. в г.Перми, на Всероссийской научпой конференции "Современная география и окружающая среда" в 1996 г. в г.Казани, на юбилейных научных сессиях, посвященных 75- и 80-летию Пермского госуниверситета в 1991 и 1996 гг. в г.Перми, на Межвузовской научно-практической конференции молодых ученых в 1986г. в г.Перми, на отчетной научной сессии Казанского университета в 1991г., на отчетных научных конференциях Пермского университета в 1987 - 1990, 1992 и 1994 гг.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 213 наименований. Объем диссертации составляет 220 страниц, содержит 28 рисунков и 43 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении основное внимание уделено состоянию проблемы и обоснованию ее актуальности. Сформулированы цель и задачи исследования, оценены научная новизна полученных результатов, их практическая значимость. Обозначены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена методике расчета параметров энергетики

циклонов по данным аэрологического зондирования.

Наиболее важными для атмосферных процессов синоптического масштаба являются следующие виды энергии: 1) кинетическая энергия горизонтальных движений К = («2 + и2)/2; 2) потенциальная энергия Ф — дг; 3) внутренняя энергия I — сг,Г; 4) энергия скрытой теплоты фазовых переходов воды Ес — IV Ь, где \¥ — влагосодержание атмосферы; 5) вихревая составляющая кинетической энергии К* — (и*2 + ь*2)/2; 6) доступная потенциальная энергия (ДПЭ). В представленных выражениях все виды энергии отнесены к единице массы.

Уравнениями, описывающими балансы энергий в квазистатическом приближении (для единицы массы), являются

1 ргдК 1 "'7(дКи дКь\ , 1 р} дКт ,

др

К! К2 Кз

Р.1 / Я/т. ЯЛ\ т Р1

1 77 ЭФ ЗФ\ J 1 7 .

К4 Къ

1 7<ЭФ , 1 рг1/дФи дФу\ , 1 р/дФт ,

аЬ дь д/, V ^ Эу ) з/2 Ф

ф1 Ф2 $3

Р1 т г>1

^ 1

— ¡тайр + -] (2

1 7 д1, 1 7 (01 и дьл , 1 7 а/г - / — ¿р = — / — + — Ыр — / —£ э/2 ^ 5 / I За: ду ] у др

Д Ь /з

1 Р1 / ЭФ <ЭФ\ 1 р' 1 Р1 1

9 к д* з1 V дх ду } д£ др др{

О1 <Эг 0з <34

1 Р}ЭК* 17/(9К*и дК*у\ , 1рГ1дК*т1

/<*! К' 2 А'*3

V ^Р "V \ ох ду ) дЗ

к*

1 7ал , 1 773срГлгм дсл,т\ ,

- \ —йр = — / —^----+ —^- ф-

5р2 V За; ду }

1 ТАтт 1 Р1 1

_ 11 + 11 та<1р 1 ЛГ£Д410-3«^ + - / Д6ф, (6)

Аз -44 Лс

где г — аналог вертикальной скорости в изобарической системе координат, гПа/с, д = 9.8 ж/с2 — ускорение свободного падения; р — давление, гПщ и, и — горизонтальные составляющие скорости ветра, м/с; г — высота, м; К*, Ф*, и*, V*, т* — отклонения К, Ф, и, V, т от осредненных

по площади циклона значений /?, Ф, й, V, т; а = 1/р, р — плотность

£

воздуха, кг/м3; С} = 622--массовая доля водяного пара, г/кг; е —

парциальное давление водяного пара, г Да; Ь — скрытая теплота парообразования, Дж./кг-, с„, ср — удельные теплоемкости при постоянных объеме и давлении, Дж./(кг-К)\ N — коэффициент эффективности полной потенциальной энергии.

В дальнейшем под величинами (К,, Ф*, I,-, ф,-, К*, А,-) будем понимать их приближенные значения, возникающие в результате замены производных конечно-разностными аналогами. При этом в точные уравнения (1) - (С) вводятся дополнительные слагаемые, учитывающие погрешности численных расчетов и исходной аэрологической информации.

Доступная потенциальная энергия определялась по формуле Э.Н.Лоренца

1 1ао\ , (Т

~ 2 (7а — 7)Т (7-

где 7а = 0.98 К/100 м — сухоадиабатический градиент, сгу — взвешенное значение дисперсии температуры на изобарической поверхности; ~ — вертикальный градиент температуры. Горизонтальная черта сверх) означает осреднение по изобарической поверхности.

Расчет производных в уравнениях (1) - (6) осуществлялся по нерегулярной сетке. При проведении подобных (не прогностических) ис следований применение нерегулярных сеток позволяет избежать ошибо! двухмерной интерполяции в узлы регулярной сетки и тем самым исполь зовать исходную информацию с меньшими искажениями.

Все элементы уравнений (1) - (6) рассчитывались в каждой точю (станции), находящейся как в области циклона, так и в районах, приле гающих к циклону. Величины Д1 - Д6 получаются как остаточные ш основе баланса уравнений (1) - (6).

В качестве исходного материала использовались данные сетевой температурно-ветрового зондирования на аэрологических станциях уме репных широт Евразии за период с 1984 по 1994 гг. Данные были пред ставлены ВНИИГМИ-МЦД (г.Обнинск), САРВД (г.Ташкент), шдромет фондами Гидрометцентра СССР, Уральского, Башкирского и Северноп УГМС. Весь объем информации был архивирован путем создания ком плекса баз научных данных "Метео", на основе которого разработаппы вычислительные процедуры были организованы в единую диагностиче скую вычислительную систему. Кроме этого были использованы метео рологические ежемесячники, синоптические бюллетени, а также сино птические карты.

Все элементы уравнений (1) - (7) рассчитывались для слоев равно] массы толщиной Ар — 50 г Па в столбе атмосферы от поверхности Земл:

Среднеквадратические ошибки интерполяции

Вид интерполяции Т, град и, м/с V, м/с Н, дам

Линейная 1.3 2.3 1.8 3.9

Кубический сплайн 0.9 1.7 1.3 1.4

Точность измерения

(расчета) 0.7 - 1.0 0.9 - 2.2 0.6 - 1.6 0.6 - 3.0

и до поверхности 200 гПа и отнесены к единице площади. Вертикальные движения рассчитывались из уравнения неразрывности.

Предварительно на поверхностях, кратных 50 гПа, проводилось восстановление аэрологических данпых сплайн-интерполяцией. Ввиду того, что в большинстве предыдущих исследований по энергетике атмосферы восстановление данпых на различные поверхности осуществлялось с помощью линейной интерполяции, нами было проведено сравнение результатов восстановления вертикальных профилей температуры воздуха, составляющих скорости ветра и геопотенциала, проведенных с помощью линейной и сплайн-интерполяции. Результаты этих исследований показали, что точность восстановления кубическим сплайном заметно превосходит точность линейпой интерполяции и находится в пределах точности измерений метеорологических величин современными радиозондами (табл. 1).

Поскольку правильность выводов, полученных при анализе результатов расчетов по уравнениям (1) - (6) находится в прямой зависимости от качества анализируемых данных, то коптроль качества оказывается необходимым этапом любых исследований и должен предшествовать анализу. Для выяснения величины и характера зависимости составляющих баланса уравнений (1) - (6) от ошибок в исходной информации и интерполяции рассчитывались величины А\ - Д6, погрешности которых наибольшие, поскольку содержат в себе погрешности остальных элементов баланса. Полученные значения Д1 - Л« принимались в качестве эталон-

Таблица 2

Значения средних отклонений (%) А^ и Л„йп от эталона Д

Виды энергии

Слой, Кинети- Потен- Внут- Вихре- Водяной

гПа ческая циаль- ренняя вая ки- ДИЭ пар

ная нетич.

200-400 13 6 9 15 8 10

400-600 14 7 9 15 9 12

600-800 10 7 9 15 6 И

800-рз 8 7 6 11 7 10

ных. Далее па исходные данные накладывались погрешности измерений и интерполяции. В одном случае минимально возможные, в другом — максимально возможные. Погрешности исходной информации и интерполяции изменялись в зависимости от высоты в следующих пределах: для геопотенциала от 5 до 50 гп.м, для температуры и точки росы от 1 до 2° С, для скорости ветра от 1 до 3 м/с, для направления ветра на всех высотах принималась равной 10°. Для каждого уравнения баланса получились соответствующие величины- Дтах и Дтш- Значения средних отклонений (%) Дгаах и Дщ от эталона Д, обобщенные для слоя толщиной 200 гПа, приведены в табл. 2, из которой следует, что величины погрешностей позволяют получить удовлетворительные оценки точности расчета элементов баланса всех видов энергии. Причем эти погрешности на 5 - 10 % меньше тех, что получены в работах отечественных авторов.

Вторая глава посвящена исследованию запасов кинетической энергии и составляющих ее баланса в ЦУШ.

В качестве объектов исследования были выбраны циклоны прошедшие полный цикл своего развития, включающий четыре стадии: 1) начальная стадия; 2) стадия молодого циклона; 3) стадия максимального развития; 4) стадия заполнения.

Все циклоны разделены на подвижные и малоподвижные. К подвижным отнесены вихри, смещающиеся со средней скоростью более 10 км/ч,

к малоподвижным — вихри, смещающиеся со средней скоростью менее 10 км/ч. Число циклонов каждой группы составило по 160 случаев.

Для анализа общей характеристики энергетики ЦУШ значения запасов и составляющих баланса всех видов энергии осреднялись по всей площади циклона, которая определялась по последней замкнутой изобаре на приземных синоптических картах. Учет наклона оси циклона осуществлялся с использованием синоптических карт путем сопоставления центров циклона на различных изобарических поверхностях.

Наибольшие значения запасов кинетической энергии как в подвижных, так и в малоподвижных циклонах, отмечаются па первых трех стадиях их развития, т.е. тогда, когда циклоны являются низкими и средними барическими образованиями, и пад их приземными центрами проходит высотная фронтальная зона. Максимальпые по высоте значения запасов кинетической энергии приходятся на слой 200 - 400 гПа и связаны с проходящими здесь струйными течениями. Причем максимальпые запасы К в подвижных циклонах в 1.5 - 2 раза больше, чем в малоподвижных, а их высотные уровни приходятся соответственно на слои 200 - 300 гПа и 300 - 400 гПа. В обоих типах циклонов во всех слоях до стадии максимального развития происходит рост кинетической энергии по сравнению с первоначальными ее запасами. При этом наибольшее увеличение этих запасов отмечается в нижней тропосфере, а наименьшее — в верхней. На стадии заполнения запас кинетической энергии в слое 200 - 700 гПа в циклонах обоих типов становится меньше первоначального, а в слое 700 - рз гПа по сравнению со стадией максимального развития циклонов уменьшается, однако остается большей относительно первоначальных накоплений.

Ввиду того, что циклоны не являются замкнутыми системами, для определения в них источников и стоков кинетической энергии недостаточно знаний о распределении ее запасов. Необходимо рассмотреть меха-

низмы, формирующие баланс кинетической энергии на разных стадия: эволюции циклонических образований.

Рассмотрим действие этих механизмов на примере подвижных ци клонов (табл. 3).

Интенсивность горизонтальной адвекции кинетической энергии воз растает от начальной стадии к стадии максимального развития цикле нов, где достигает наибольших значений в средней тропосфере, а зате; на стадии заполнения уменьшается. В среднем за все время существс вания циклонов горизонтальная адвекция в целом способствует приток кинетической энергии в его область. Характер изменения паправлени вертикальных переносов определяется, главным образом, знаком скорс сти вертикальных движений. Причем процессы притока и оттока кинета ческой энергии по горизонтали и вертикали взаимосвязаны. В среднед, в подвижных циклонах, кинетическая энергия вследствие вертикально адвекции уменьшается, т.е. происходит вынос кинетической энергии в вертикали из области циклона. За счет работы силы горизонтальш го барического градиента в средней и верхней тропосфере происходи уменьшение кинетической энергии, связанное с противоградиентным вь брасыванием воздуха, обеспечивающим углубление циклона. В ггогр. ничном слое атмосферы приземное трение вызывает упорядоченный п ренос масс через изобары от высокого давления к низкому, благодаря к< торому наблюдается генерация кинетической энергии. Таким образо! трение не только уничтожает кинетическую энергию путем ее лерех* да во внутреннюю энергию мелкомасштабных вихрей, но и способствуе ее образованию посредством работы силы горизонтального барическо! градиента.

Необходимо отметить, что в области диагностических исследов ний энергетики синоптических образований мнения авторов относител но знака слагаемого К4 в уравнении (1) разделились. Так, например,

Баланс кинетической энергии (Вт/м2) в подвижных циклонах по слоям

Слой,

гПа Кг 1<2 к3 К, к*

Начальная стадия

200 - 400 4.13 -6.92 4.88 0.53 5.64

400 - 600 1.78 -0.86 -0.03 -4.93 7.60

600 - 800 0.93 3.16 -2.17 -2.71 2.65

800 - р3 0.24 1.29 -1.34 2.42 -2.13

200 - рз 7.08 -3.33 1.34 -4.69 13.76

Стадия молодого циклона

200 - 400 1.26 -1.47 0.87 -3.66 5.52

400 - 600 0.33 5.68 -5.12 -13.07 12.84

600 - 800 1.63 2.05 -1.67 -8.46 9.71

800 - рз 0.95 0.54 -0.67 2.56 -1.48

200 - рз 4.17 6.80 -6.59 1-22.63 26.59

Стадия максимального развития

200 - 400 -0.79 1.33 -0.68 -12.67 11.23

400 - 600 -0.09 6.24 -6.28 -8.22 8.17

600 - 800 0.72 1.91 -1.09 -7.18 7.08

800 - рз 0.59 1.17 -0.92 1.61 -1.27

200 - рз 0.43 10.65 -8.97 -26.46 25.21

Стадия заполнения

200 - 400 -8.93 -3.43 2.40 -6.31 -1.39

400 - 600 -2.65 -1.35 0.45 -0.33 -1.42

600 - 800 -2.44 0.32 -0.71 0.26 -2.31

800 - рз -1.21 1.76 -1.44 3.77 -5.30

200 - рз -15.23 -2.70 0.70 -2.81 -10.42

Средние значения без учета стадии развития

200 - 400 -1.08 -2.62 1.88 -5.58 5.24

400 - 600 -0.16 2.43 -2.74 -6.64 6.79

600 - 800 0.20 1.86 -1.41 -4.52 4.27

800 - рз 0.14 1.19 -1.09 2.59 -2.55

200 - рз -0.90 2.86 -3.36 -14.15 13.75

работах (Petterssen, Smebye, 1971; Kung, 1977; Smith, 1980), где изучались циклоны над территорией США, в среднем получены положительные значения слагаемого К4 во всем слое от поверхности Земли до поверхности 50 гПа. Однако, в статьях (Vincent, Chang, 1975; Капитанова, Пинус, 1985; Fuelberg, Ruminski, Starr, 1985) показано, что за счет рабо-

ты силы горизонтального барического градиента кинетическая энергш в циклонах уменьшается. Циклоны умеренных широт в начальной ста дии своего развития чаще всего возникают и углубляются под передне!^ частью высотной ложбины, где в области средней и верхней тропосферь наблюдается расходимость изогпис, т.е. отмечаются условия, соответ ствующие уменьшению кинетической энергии за счет работы силы гори зонтального барического градиента. Кроме этого, в работе (Ван Мигем 1977) теоретически было доказано, что циклоны умеренных широт явля ются стоком кинетической энергии, что и подтверждается результатам! наших расчетов.

Основным источником кинетической энергии в средней и верхне) тропосфере служат нелинейные взаимодействия возмущений различны: масштабов и возмущений со средним (зональным) потоком, которы являются следствием гидродинамической неустойчивости (бароклинно: и баротропной) непрерывно стратифицированного воздушного потока. ] пограничном слое атмосферы на всех стадиях развития циклонов наблк дается диссипация кинетической энергии вследствие трения под влиянв ем шероховатости подстилающей поверхности. На стадии заполнена в верхней и средней тропосфере уменьшение кинетической энергии о( условлеио отрицательной работой при нисходящих движениях воздух в поле соленоидов, формирущих нисходящую циркуляцию с ускорение! большим, чем ускорение нисходящих движений.

Исследование притока (стока) кинетической энергии за счет рабе ты силы горизонтального барического градиента занимает особое м< сто в энергетике циклонических образований, так как позволяет г,луг же понять роль некоторых важных физических процессов, управляющи их развитием. Рассмотрим роль различных механизмов, определяющи приток (сток) кинетической энергии в ЦУШ на разных стадиях их ра: вития за счет работы силы горизонтального барического градиента г

данным, представленным в табл. 4.

Скорость притока (стока) К в единичной массе за счет работы силы горизонтального барического градиента может быть определена из следующего выражения

дФ <ЗФ ,дФ'и' дФУ , , дФ'т' дФТ

дх ду дх ду ^—' др др'

Г1 г2 г4 г5

Черта сверху означает осреднение, а штрих — отклонение от среднего.

Горизонтальная адвекция вихревой части потенциальной энергии (слагаемое Гг) в среднем на 4 % компенсирует потерю кинетической энергии, связанную с противоградиентным выбрасыванием воздуха. При вертикальных перемещениях воздушных масс вследствие отрицательной корреляции между т и а освобождается значительное количество кинетической энергии. Однако потенциальная энергия не может прямо превращаться в кинетическую энергию (Пальмен, Ньютон, 1973). Действительно, слагаемое та, входящее в уравнения баланса потенциальной, внутренней и доступной потенциальной энергии, имеет порядок 103, а процессы преобразования и перераспределения кинетической энергии имеют порядок 101. Таким образом, потенциальная энергия сначала должна трансформироваться в вихревую потенциальную энергию, а уже затем в кинетическую. Приведенные данные (табл.4) показывают, что слагаемое Г3 имеет тот же порядок, что и составляющие баланса кинетической энергии. В среднем вихревая часть потенциальной энергии компенсирует уменьшение кинетической энергии, идущей на поддержание противогра-диентных течений на 40 %, а с учетом слагаемого Гг на 44 %. В результате оттока вихревой части потенциальной энергии через верхнюю границу циклонов (слагаемое Г4) на первых трех стадиях происходит уменьшение кинетической энергии. На стадии заполнения вследствие преобладающих нисходящих движений происходит рост вихревой части потенциальной энергии, а следовательно и кинетической энергии. Кине-

Скорость притока (стока) кинетической энергии (Вт/м2) за счет работы силь горизонтального барического градиента в подвижных циклонах по слоям

Слой,

гПа А А Г3 А г5

Начальная стадия

200 - 400 0.53 -1.83 0.32 -0.90 2.94

400 - 600 -4.93 1.07 1.51 -2.40 -5.11

600 - 800 -2.71 0.92 1.23 -1.32 -3.54

800 - рз 2.42 0.24 0.32 -0.62 2.48

200 - рз -4.69 0.40 3.38 -5.24 -3.23

Стадия молодого циклона

200 - 400 -3.66 -1.64 4.22 -5.23 -1.01

400 - 600 -13.07 1.03 1.81 -4.92 -10.99

600 - 800 -8.46 0.34 2.25 -3.61 -7.44

800 - рз 2.56 0.41 0.80 -0.61 1.96

200 - рз -22.63 0.14 9.08 -14.37 -17.48

Стадия максимального развития

200 - 400 -12.67 0.45 4.41 -6.95 -10.58

400 - 600 -8.22 1.07 3.72 -5.70 -7.31

600 - 800 -7.18 0.48 1.83 -3.62 -5.87

800 - рз 1.61 0.07 0.53 -1.82 2.83

200 - рз -26.46 2.07 10.49 -18.09 -20.93

Стадия заполнения

200 - 400 -6.51 -0.23 -1.39 1.58 -6.47

400 - 600 -0.33 -0.05 -0.58 0.76 -0.46

600 - 800 0.26 0.07 -0.32 1.03 -0.52

800 - рз 3.77 -0.02 -0.11 0.87 3.03

200 - рз -2.81 -0.23 -2.40 4.24 -4.42

Средние значения без учета стадии развития

200 - 400 -5.58 -0.81 1.89 -2.88 -3.78

400 - 600 -6.64 0.78 2.12 -3.07 -6.47

600 - 800 -4.52 0.45 1.25 -1.88 -4.34

800 - рз 2.59 0.18 0.39 -0.54 2.56

200 - рз -14.15 0.60 5.65 -8.37 -12.03

тическая энергия, идущая на поддержание противоградиентных течени: в основном переходит в осредненную потенциальную энергию (слагаемо

г6).

Если вклад бароклинного фактора (слагаемое Гз) в процессе обрг зования кинетической энергии в циклонах принять за 100 %, то вкла,

баротропного фактора (слагаемое Гг) в среднем для подвижных образований составит 10 %. Естественно предположить, что приток (сток) К в результате нелинейных взаимодействий возмущений различных масштабов и возмущений со средним (зональным) потоком (табл. 3) также происходит в основном за счет бароклинной неустойчивости атмосферных процессов. Таким образом, главная роль в энергетических преобразованиях циклонов в процессе их эволюции принадлежит бароклинной неустойчивости атмосферных процессов.

Для изучения процессов обмена энергией между возмущениями синоптических масштабов и движениями масштабов общей циркуляции атмосферы используются вихревые характеристики, вычисление которых основано на выделении среднего потока и отклонений от него. Наибольшее распространение получила вихревая составляющая кинетической энергии, которая определялась как разность между кинетической энергией в некоторой точке и кинетической энергией, осредненпой по всей площади циклона.

Характеризуя баланс вихревой кинетической энергии необходимо отметить, что наибольшие расхождения полученных нами результатов с немногочисленными публикациями связаны со слагаемым К\ уравнения (5), действие которого обеспечивается механизмом перехода основного потока в вихревой. По данным работ (Kung, Tsui, 1975; Robertson, Smith, 1983; Капитанова и др., 1991) в циклонах преобладает передача вихревой кинетической энергии к течению более крупного масштаба. В рассмотренных нами случаях отдельные образования в некоторых слоях также отдают вихревую кинетическую энергию основному потоку, однако средние оценки соответствуют передаче кинетической энергии основного течения к возмущениям, т.е. циклонам. В связи с тем, что в стационарном турбулентном потоке кинетическая энергия основного движения непрерывно переходит в кинетическую энергию флуктуаций, сделанные

нами выводы относительно механизма перехода основного потока в вихревой являются более убедительными, чем результаты отмеченных выше работ.

Величина составляющих баланса кинетической энергии зависит от масштаба рассматриваемых процессов. В работах (Chen, Bosart, 1977; Vincent, Carey, 1984) был сделан однозначный вывод о том, что с увеличением масштаба осреднения уменьшается величина и изменчивость составляющих баланса кинетической энергии. Однако при определенном характере атмосферных процессов эта зависимость может быть нарушена, о чем авторы рассмотренных работ не упоминают. Для восполнения этого пробела нами были проведены расчеты кинетической энергии, составляющих ее баланса, а также скорости вертикальных движений на двух полигонах различной площади с общим центром в г. Пскове за январь и июль 1988г. Расчеты показали, что изменчивость составляющих баланса кинетической энергии и скорости вертикальных движений на малом полигоне больше, чем на большом, что и следовало ожидать. Однако, в некоторые сроки имеют место отклонения от общей картины. Анализ синоптической обстановки показал, что в эти дни циркуляционный режим большого полигона определялся атмосферными фронтами, а малый полигон находился в пределах одной воздушной массы.

В третьей главе обсуждаются вопросы влагообмена в циклонах. Процессы влагообмена в циклонах умеренных широт являются одними из важнейших, определяющих их физическую сущность. Энергия скрытого тепла в ЦУШ сравнима с запасами потенциальной и внутренней энергии. С процессами влагообмена связано образование облаков и выпадение осадков, оказывающих большое влияние на многие стороны жизнедеятельности человека. Большое внимание в работе уделено исследованию влагосодержания атмосферы, которое определялось по аэрологическому методу. Этот метод прост и надежен. Недостаток его заключается

в том, что современные приемники влажности измеряют лишь содержащийся в атмосфере пар (паросодержание), не учитывая жидкокапельную и кристаллическую влагу. Однако необходимо учесть, что при облачности не более 3 баллов влагосодержание и паросодержание по величине равны друг другу, а при большей величине облачности влагозапас облаков составляет от 5 до 10 % паросодержания.

Исследования показали, что в зависимости от стадии развития циклонов от 93 % до 96 % всех запасов водяного пара и, соответственно, энергии скрытого тепла, сосредоточено в слое 500 - рз гПа. Влагосодержание циклонов в процессе их эволюции постоянно уменьшается в связи с расходованием влаги на образование осадков.

Сравнение запасов водяного пара в циклонах с количеством осадков, выпадающих за все время их эволюции, показало, что количество осадков превышает величину влагосодержания в несколько раз, что свидетельствует о многократном обновлении воздушных масс в процессе эволюции ЦУШ. В отдельных циклонах среднее количество выпавших в них осадков превышало среднюю величину влагосодержания в 4 - 5 раз.

Важным свойством влагосодержания является его зависимость от различных метеорологических величин. Исследования показали, что в наибольшей степени с влагосодержанием связано парциальное давление водяного пара, определяемое по результатам наземных наблюдений, и вертикальные движения, осредненные для слоя от Земли до 500 гПа, где сосредоточена основная масса водяного пара атмосферы. Полученные данные были разделены на три группы: теплый и холодный периоды, а также объединенная группа. Коэффициенты парной корреляции между влагосодержанием и исследуемыми характеристиками находятся в следующих пределах: для парциального давления водяного пара от 0.67 до 0.89, для вертикальных движений от 0.25 до 0.45. Коэффициенты множественной корреляции изменяются от 0.70 до 0.90. Оценка достоверности

Баланс водяного пара (10~2 г/(м2- с)) в подвижных циклонах по слоям

Слой,

гПа Яг <?2 <5з Qi

Начальная стадия

200 - 400 0.06 0.16 0.01 -0.11

400 - 600 0.09 0.64 -0.26 -0.29

600 - 800 -0.24 2.13 -0.72 -1.65

800 - р3 -0.60 0.23 -0.09 -0.74

200 - рз -0.69 3.16 -1.06 -2.79

Стадия молодого циклона

200 - 400 0.03 0.07 -0.02 -0.02

400 - 600 -0.25 0.13 -0.09 -0.29

600 - 800 -0.46 1.05 -0.82 -0.69

800 - рз -3.91 2.84 -2.91 -3.84

200 - рз -4.59 4.09 -3.84 -4.84

Стадия максимального развития

200 - 400 0.04 0.01 -0.15 0.18

400 - 600 -0.42 0.73 -0.05 -1.10

600 - 800 -2.51 1.09 -0.32 -3.28

800 - рз -3.84 2.67 -2.74 -3.77

200 - рз -6.73 4.50 -3.26 -7.97

Стадия заполнения

200 - 400 0.05 0.11 -0.06 0.00

400 - 600 -0.47 0.04 -0.24 -0.27

600 - 800 -1.81 0.12 -0.12 -1.81

800 - р3 -2.30 0.59 -0.77 -2.12

200 - рз -4.53 0.86 -1.19 -4.20

Средние значения без учета стадии развития

200 - 400 0.04 0.09 -0.0 6 0.01

400 - 600 -0.26 0.38 -0.16 -0.48

600 - 800 -1.26 1.10 -0.50 -1.86

800 - рз -2.66 1.58 -1.63 -2.61

200 - рз - 4.14 3.15 -2.35 -4.94

коэффициентов показала, что при доверительной вероятности ,в = 0.99 все они являются значимыми. Таким образом, с помощью полученных уравнений регрессии можно простейшим способом оценить запасы воды в атмосфере, ее энергетические ресурсы, и, кроме того, решать ряд прикладных задач метеорологии, например, прогнозировать осадки.

мм/ 12ч б

5.12 6.00 6.12 7.00 7.12 8.00 Дата

Рис. X. Распределение фактических (1) и рассчитанных (2) осадков в южном циклоне 5-8 марта 1988 г.

В балансе водяного пара ЦУШ, компоненты которого для подвижных циклонов приведены в табл. 5, наибольший интерес представляет остаточное слагаемое, которое можпо отождествлять с суммарным эффектом процессов конденсации водяного пара и испарения облачных частиц и частиц осадков в рассматриваемом объеме. Для большей убедительности этого положения па рис. 1 представлено распределение фактических и рассчитанных по остаточному слагаемому осадков в южном циклоне. Полученные данные свидетельствуют о хорошем совпадении фактических осадков с рассчитанными, что позволяет использовать рассмотренное слагаемое для параметризации процесса крупномасштабной конденсации, а также для расчета количества осадков, выпавших из единичного столба воздуха за 12 ч.

Балапс полной энергии в циклопах, рассмотрению которого посвящена четвертая глава, формируется па основе балансов кинетической, потенциальной, внутренней энергии и водяного пара. Только совмест-

4

2

ное рассмотрение этих балансов дает возможность получения детально¿. картины формирования энергетического режима в ЦУШ.

В процессе углубления циклона происходит уменьшение всех видо! энергии, кроме кинетической. Причем уменьшение Ф до стадии макси мального развития циклонов происходит во всех исследуемых слоях, а ш стадии заполнения только в верхней тропосфере. В нижней тропосфер! запасы потенциальной энергии увеличиваются. В малоподвижных вих рях рост Ф в пограничном слое атмосферы отмечается уже на стадии и: максимального развития. Таким образом, заполнение ЦУШ происходи' в основном за счет увеличения массы воздуха в нижней тропосфере. Пр] этом подтверждается вывод П.Н.Белова, согласно которому в области за полняющегося циклона приток массы, приводящий к росту давления ; Земли, на 80 % происходит в слое Земля - 5 км.

Внутренняя энергия для идеального газа (и с достаточным прибли жепием для атмосферного воздуха) является функцией температурь: Таким образом, распределение запасов I в барических образованиях от ражает степень их термической неоднородности, играющей важнейшу! роль в процессах эволюции циклонов умеренных широт. Исследоваш; баланса внутренней энергии позволяет выявить процессы, определяй щие характер термической устойчивости циклонических вихрей п в зш чителыхой мере дополняющие картину динамического состояния ЦУП В циклонах обоих типов внутренняя энергия со временем уменьшаете; Причем скорость уменьшения внутренней энергии в подвижных вихря в 2 раза больше, чем в малоподвижных.

Еще из работ М.Маргулеса известно, что кинетическая энергия во: растает за счет лабильной. При этом Э.Н.Лоренцом было показано, гп не вся лабильная энергия может перейти в кинетическую, а только д ступная ее часть. Интенсивность процесса высвобождения доступной п тенциалыюй энергии, как результат обмена между внутренней и поте:

-25.31.102

Рис. 2. Диаграмма энергетических преобразований в подвижных циклонах. Приведены средние значения притоков энергии (Вт/м2) и водяного пара (г/(м2-с)) в циклонах за все время их существования в слое 200 - рз гПа. Обозначения притоков соответствуют уравнениям (1) - (4).

циальной энергиями характеризуется слагаемыми Ф4 = —/5 (рис. 2).

В результате работы силы горизонтального барического градиента происходит адиабатическое сжатие воздушных частиц, поэтому уменьшение кинетической энергии в подвижных циклонах со скоростью 14.15 Вт/м2, означает с такой же скоростью рост в рассматриваемых вихрях внутренней энергии.

Наконец, следует обратить внимание еще на один трансформационный переход, имеющий, в отличие от других, одно направление: в результате конденсации водяпого пара, преобладающей над его испарением,

внутренняя энергия в циклонах обоих типов увеличивается (слагаемы к и #4).

Резюмируя вышесказанное, необходимо отметить неизменность пс рераспределения и трансформации различных видов энергии в процесс эволюции циклонов, хотя интенсивность этих процессов в отдельных ци клонических образованиях может отличаться от приведенных на рис. в 3 - 5 и более раз.

В качестве примера пространственного распределения составляк щих баланса кинетической, потенциальной, внутренней энергии и водя ного пара приведем рис. 3, где процессы перераспределения и преобразс вания различных видов энергии можно рассматривать не только в цело; по циклону, но и в отдельных его частях.

Пятая глава посвящена исследованию ДПЭ. Доступная потеши альная энергия представляет собой ту часть лабильной энергии, котора способна превратится в кинетическую энергию посредством адиабатич( ских процессов.

В большинстве ранее выполненных исследований по энергетик ЦУ1Д было выявлено увеличение ДПЭ по мере углубления циклонич< ского образования от начальной стадии до стадии максимального разв! тия. Затем ДПЭ начинает убывать до момента выхода системы фронто] а соответственно и зоны с повышенной бароклинностью и наибольшим запасами ДПЭ за пределы области циклонического вихря. На стади заполнения ЦУШ доступная потенциальная энергия может как умет шаться, так и увеличиваться, однако изменения ДПЭ при этом, как пр; вило, незначительны. Такой результат обусловлен, с одной стороны, эвс люцией фронтальной системы, когда при расчете в ее пределах досту! ной потенциальной энергии на полигоне неизменной площади до стади максимального развития циклонического вихря происходит рост ДЩ так как но мере углубления циклона степень бароклинности его фроь

Рис. 3. Распределение приземного давления (р3 гПа), запасов кинетической (К, 105), потенциальной (Ф, 107) и внутренней (/, 107) энергии (Дж/м2), водяного пара (IV кг/.и2) и составляющих их баланса (энергии Втп/м1, водяного пара г/(м2-с)) в западном циклоне на стадии максимального развития в слое 200 - р3 гПа. Обозначения притоков соответствуют уравнениям (1) - (4).

тальной системы усиливается, с другой - постоянно увеличивающейся площадью циклонического образования по мере его эволюции, когда рост

ДПЭ обусловлен ее расчетом по всей площади синоптического вихря путем суммирования результатов вычислений ДПЭ по его отдельным частям ввиду того, что ДПЭ в случае незамкнутой системы в ограниченной области интерпретируется как вклад рассматриваемой области в глобальное значение ДПЭ.

Наши расчеты показали, что в процессе эволюции как подвижных, так и малоподвижных циклонов происходит постоянное уменьшение запасов ДПЭ. Однако полученные результаты не противоречат выполненным рацее исследованиям, а лишь позволяют рассмотреть изменения запасов ДПЭ в процессе эволюции циклонического вихря с несколько иных методических позиций. В данном случае расчет ДПЭ производился по нескольким полигонам, находящимся в пределах площади циклопа. Полученные значения осреднялись и с каждой стадией развития циклона становились все меньше. Это объясняется тем, что площадь циклона в процессе его эволюции увеличивается с одновременным увеличением вклада его периферийных областей, где значения ДПЭ, как правило, невелики. При выходе системы фронтов за пределы области циклонического вихря скорость уменьшения запасов ДПЭ замедляется, что особенно заметно в подвижных образованиях. Рассмотренный подход к определению ДПЭ незамкнутой системы в ограниченной области является более универсальным, так как позволяет сравнивать удельные значения ДПЗ отдельных частей в ЦУ1Н, а также различных циклонических вихрей т целом.

На всех стадиях развития как подвижных, так и малоподвижных циклопов, преобладают процессы притока ДПЭ через боковые границы и оттока ее через верхнюю границу барических образований. Средние оценки дают классическую картину распределения адвективного и конвективного притоков (оттоков) энергии в циклоне: в нижней и средне! тропосфере отмечается горизонтальный приток ДПЭ к циклоническом)

вихрю с одновременным компенсационным оттоком ее по вертикали, а в верхней тропосфере по горизонтали наблюдается отток ДПЭ, который компенсируется ее притоком через верхнюю границу столба атмосферы.

Сравнивая значения высвобожденной ДПЭ со значениями генерации кинетической энергии (слагаемое Гз), необходимо отметить, что в циклонах лишь небольшая часть ДПЭ преобразуется в кинетическую энергию. Коэффициент полезного действия такого преобразования в подвижных циклонах изменяется от 0.2 % до 2.8 %, а в малоподвижных — от 0.2 % до 1.1 %, т.е. подвижные циклоны примерно на 50 % энергетически активнее малоподвижных. Таким образом, циклоны также, как и общая циркуляция атмосферы, которая использует около 1 % поступающей солнечной энергии, являются очень неэффективными термодинамическими системами.

В заключительном параграфе пятой главы рассмотрен вопрос о прогнозе эволюции циклонов у поверхности Земли на основе анализа запасов ДПЭ. В основе методики лежит связь ДПЭ с бароклшшостью атмосферы.

За десятилетний период было отобрано 800 циклонов на стадии их формирования (400 случаев в теплый (апрель-сентябрь) и 400 случаев в холодный (октябрь-март) периоды). Циклоны, которые просуществовали 48 ч. и более, были отнесены нами к I группе, а циклоны, время жизни которых составило 36 ч. и менее — ко II группе.

Расчет ДПЭ производился в слое от поверхности Земли и до р — 700 гПа. В качестве математической базы разработанной методики использовался одномерный линейный дискриминантный анализ, где в качестве предиктора использовалась ДПЭ.

Решающие правила для прогноза эволюции циклонов будут следующими. Если дата прогноза относится к теплому периоду, то при А > 1.87-105 Дж/м2 прогнозируется углубление циклона, а при А < 1.87-105

Док/л«2 — его заполнение. В холодный период при А > 2.11 • 105 Дж/м2 прогнозируется углубление циклона, а при Л < 2.11 • 105 Дж/м2 — его заполнение.

Таблица 6

Оправдываемость ( %) прогнозов эволюции циклонов у поверхности Земли при различных значениях ДПЭ (105 Дж/м2)

Период

Эволюция Теплый Холодный

<1.87 | >1.87 <2.11 | >2.11

Зависимый материал

Углубление 3 75 6 79

Заполпение 97 25 94 22

Независимый материал

Углубление 8 68 4 88

Заполнение 92 32 96 12

Оценки оправдываемости прогнозов на зависимой (по 400 случае! для каждого периода) и независимой (по 100 случаев для каждого пе риода) выборке, представленные в табл. 6, свидетельствуют о высоко! эффективности использования запасов ДПЭ в качестве характеристики определяющей эволюцию циклонов у поверхности Земли.

В заключении сформулированы основные результаты работы и по лученные выводы:

1. Получены надежные статистические оценки запасов различны: видов энергии и составляющих их баланса на разных стадиях эволюци 160 подвижных и 160 малоподвижных циклонических образований уме репных широт. Осредненная картина энергетических преобразований ЦУШ дополняется рассмотрением отдельных циклонических вихрей ра: личной интенсивности.

2. В процессе углубления циклонов все виды энергии кроме кит тической и ее вихревой составляющей уменьшаются, что обусловлен трансформацией доступной части лабильной энергии в кинетическую От стадии максимального развития циклонов до момента их заполт ния происходит уменьшение всех видов энергии, кроме потенциально]

которая в целом во всем исследуемом слое 200 - рз гПа может как уменьшаться (подвижные циклоны), так и увеличиваться (малоподвижные циклоны). При этом рост потенциальной энергии в малоподвижных циклонах в слое 600 - рз гПа, имеющий место и в подвижных образованиях, составляет 80 % изменения общих запасов Ф. Таким образом, заполнение исследуемых циклонов происходит в основном за счет увеличения массы воздуха в нижней тропосфере. При этом подтверждается вывод П.Н.Белова, согласно которому в области заполняющегося циклона приток массы, приводящий к росту давления у Земли на 80 % происходит в слое Земля - 5 км.

3. Показано, что доступная потенциальная энергия, интенсивность процесса высвобождения которой характеризуется слагаемым —та, не может прямо превращаться в кинетическую энергию, а должна сначала трансформироваться в вихревую доступную потенциальную энергию, а уже затем в кинетическую. Согласно Н.П.Шакиной основным механизмом циклогенеза, а следовательно, и роста кинетической энергии является гидродинамическая неустойчивость непрерывно стратифицированного воздушного потока. Из различных ее видов наибольшую роль играет ба-роклинная неустойчивость. Скорость образования кинетической энергии за счет бароклшпгой неустойчивости характеризуется слагаемым —т'а' и равна 5.65 Вгп/м2 в подвижных и 3.05 Втп/м2 в малоподвижных образованиях. Другим видом неустойчивости, который вносит существенно меньший вклад в энергетику циклогенеза, является баротропная неустойчивость. Скорость образования кинетической энергии за счет баротропной

0.60 Вт/л? в подвижных и 0.04 Вгп/м2 в малоподвижных образованиях. Таким образом, главная роль в энергетических преобразованиях циклонических вихрей в процессе их эволюции принадлежит бароклинпой неустойчивости атмосферных процессов.

неустойчивости

равна

4. В результате действия механизма горизонтальной адвекции запасы кинетической энергии в процессе эволюции ЦУШ увеличиваются со скоростью 2.86 Вт/м? в подвижных и 0.31 Вт/м1 в малоподвижных образованиях. Под действием механизма вертикальной адвекции происходит уменьшение запасов кинетической энергии со скоростью 3.36 Вгп/м2 в подвижных и 0.87 Вт/'л? в малоподвижных образованиях. Таким образом, в целом под действием внешних источников запасы кинетической энергии уменьшаются.

5. Проанализированы все имеющиеся к настоящему времени оценки притока (стока) кинетической энергии в атмосферных образованиях синоптического масштаба за счет работы силы горизонтального барического градиента. Выявлено, что за счет работы силы горизонтального барического градиента происходит уменьшение кинетической энергии в ЦУШ. Это уменьшение обусловлено расходованием кинетической энергии на поддержание противоградиентных течений, которые, в свою очередь, увеличивают дивергенцию скорости в свободной атмосфере, являющейся основным фактором углубления циклона. Тем самым показана несостоятельность утверждений о росте кинетической энергии за счет работы силы горизонтального барического градиента в углубляющих« тропосферных областях пониженного давления.

6. На основании работы (Ткау, Као, 1978), где было показано, что ис точником кинетической энергии для крупномасштабных составляющие атмосферной циркуляции является доступная потенциальная энергия накопление которой в спектральной области, соответствующей движени ям синоптических масштабов происходит в результате взаимодействи! с движениями других масштабов, можно сделать вывод о том, что ком пенсация потерь кинетической энергии, идущей на поддержание проти воградиентных течений осуществляется в результате нелинейных взаи модействий движений различных масштабов и зонального потока путеъ

механизмов бароклинной и баротропной неустойчивости. Однако нолной компенсации потерь кинетической энергии при этом все же не происходит, поэтому в целом под действием внутренних источников в циклонах обоих типов запасы кинетической энергии уменьшаются.

7. Уменьшение кинетической энергии от стадии максимального развития до стадии заполнения превышает ее рост в процессе углубления ЦУШ, поэтому запасы кинетической энергии па стадии заполнения в подвижных образованиях составляют 63 % от их запасов на начальной стадии, а в малоподвижных 70 %, хотя в слое 700 - рз гПа в обоих типах циклонов происходит увеличение запасов кинетической энергии по сравнению с их первоначальными накоплениями. Таким образом, в средней и верхней тропосфере суммарное действие внешних и внутренних источников кинетической энергии приводит к уменьшению ее запасов, а в нижней тропосфере к их росту.

8. Исследованы имеющиеся к настоящему времени результаты действия механизма передачи энергии движения от крупномасштабного потока циклонам в балансе вихревой составляющей кинетической энергии. Согласно большинству предыдущих исследований в циклонических вихрях преобладает передача вихревой кинетической энергии от возмущений к течению более крупного масштаба. Б рассмотренных нами случаях отдельные циклоны в некоторых слоях также отдают вихревую кинетическую энергию основному потоку, однако средние оценки соответствуют передаче кинетической энергии основного течения к возмущениям со скоростью 0.52 Вт/м2 в подвижных и 0.42 Вт/м2 в малоподвижных образованиях. В связи с тем, что в стационарном турбулентном потоке кинетическая энергия основного движения непрерывно переходит в кинетическую энергию флуктуаций, сделанные нами выводы относительно механизма перехода основного потока в вихревой являются более обоснованными.

9. Исследование зависимости составляющих баланса кинетической энергии и скорости вертикальных движений от масштаба пространственного осреднения, проведенное на двух полигонах различной площади с общим центром, показало, что при расположении полигонов в пределах одной воздушной массы (80 % объема всей выборки) наибольшее влияние на распределение параметров энергетики и скорости вертикальных движений оказывают размеры полигона: чем меньше его площадь, тем больше исследуемые характеристики по абсолютной величине, так как по мере уменьшения масштаба осреднения в балансе кинетической энергии все большую роль начинают играть эффекты нелинейного взаимодействия возмущений различных масштабов и эффекты термической стратификации, которые определяют также характер процессов агеострофич-ности и, в конечном итоге, влияют на интенсивность вертикальных движений. Если большой полигон расположен в пределах границы раздела воздушных масс, а малый — в пределах одной воздушной массы,то ведущую роль в распределении составляющих баланса кинетической эпергш и скорости вертикальных движений играет расположение атмосферны> фронтов,так как если фронт оказывает влияние на формирование цир куляционных процессов только на большом полигоне (20 % объема все! выборки), то исследуемые характеристики в его пределах могут имел большие абсолютные значения, чем на малом полигоне, где влияние ат мосферного фронта не проявляется.

10. Показано, что остаточное слагаемое в уравнении баланса водя ного пара отражает суммарный эффект процессов конденсации водяногс пара и испарения облачных частиц и частиц осадков в рассматриваемое объеме, поэтому может быть использовано для параметризации конден сации при крупномасштабном процессе и определения наличия величинь обложных осадков (по площади) в циклонических образованиях.

11. На основе использования срочных данных сетевого температур

но-ветрового зондирования атмосферы установлены связи влагосодержа-ния циклонов с парциальным давлением водяного пара у поверхности Земли и вертикальными движениями, осредненными в слое 500 - рз гПа. Полученные уравнения регрессии можно использовать для определения влагосодержания с последующим использованием его при решении различных прикладных задач, например, в прогнозе осадков.

12. На основании вычисления компонентов уравнений баланса кинетической, потенциальной, внутренней энергии и водяного пара построена количественная схема формирования энергетического баланса полной энергии в циклонических образованиях. Эта схема представляет собой статистическую энергобалансовую модель циклона. Проанализирован вклад каждого слагаемого в структуре баланса полной энергии. Рассмотрены трансформационные переходы одних видов энергии в другие. Определены условия их существования и интенсивность.

13. Проанализированы имеющиеся к настоящему времени исследования ДПЭ в ЦУШ, в большинстве которых было выявлено увеличение ДПЭ при их заполнении. Такой результат обусловлен эволюцией фронтальной системы, когда при расчете в ее пределах ДПЭ на полигоне неизменной площади до стадии максимального развития циклопического вихря происходит ее рост, так как по мере углубления циклона степень бароклинности его фронтальной системы усиливается. При выходе системы фронтов за пределы области циклона ДПЭ уменьшается. В работе показано, что в процессе эволюции как подвижных, так и малоподвижных циклонов происходит постоянное уменьшение запасов ДПЭ, которое обусловлено не только процессом преобразования ДПЭ в кинетическую, но и расчетом запасов ДПЭ с несколько иных методических позиций. Определение ДПЭ незамкнутой системы в ограниченной области путем расчета ДПЭ по нескольким полигонам, с последующим осреднением по всей площади циклона, приводит к монотонному убыванию ДПЭ, так как

увеличивается площадь циклона с одновременным ростом вклада его периферийных областей, где значения ДПЭ, как правило, невелики. Такоь подход к определению ДПЭ является более универсальным, так как позволяет сравнивать удельные значения ДПЭ отдельных частей в ЦУШ а также различных циклонических вихрей в целом.

14. Показано, что величина запасов ДПЭ в циклонических вихря> может служить количественной характеристикой степени их бароклин ности. Предложена методика прогноза эволюции циклонов у поверхности Земли на основе анализа запасов ДПЭ. В качестве статистической базы использовался параметрический одномерный линейный дискрими-нантный анализ. Приведенные оценки оправдываемости прогнозов нг зависимом и независимом материале свидетельствуют о высокой эффективности использования запасов ДПЭ в качестве характеристики, опре деляющей эволюцию ЦУШ у поверхности Земли.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Bestimmung der Leistungsfähigkeit von Verfahren. Z.Meteorol. 37(1987) 4, s. 231 - 232.

2. Оценка степени достоверности различий между метеорологиче скими величинами путем сравнения средних значений двух выборок В сб.: Вопросы мезоклимата, циркуляции и загрязнения атмосферы Пермь, изд-во Пермского госуниверситета, 1988, с. 128 - 132.

3. Интерполяция эмпирических данных кубическими сплайнами В сб.: Вопросы мезоклимата, циркуляции и загрязнения атмосферы Пермь, изд-во Пермского госуниверситета, 1988, с. 141 - 147 (соавто] Ковалева Т.В.).

4. О расчете упорядоченных вертикальных движений в свободно! атмосфере. В сб.: Вопросы мезоклимата, циркуляции и загрязнения ат мосферы. Пермь, изд-во Пермского госуниверситета, 1989, с. 51 - 55.

5. Оценка точности восстановления вертикальных профилей метео

рологических величин сплайн-интерполяцией в связи с исследованием энергетики циклонов умеренных широт. В сб.: Вопросы прогноза погоды, климата и циркуляции атмосферы. Пермь, изд-во Пермского госуниверситета, 1990, с. 27 - 31.

6. Вертикальные движения в циклоне на разных стадиях его развития. Веб.: Вопросы прогноза погоды, климата и циркуляции атмосферы. Пермь, изд-во Пермского госуниверситета, 1991, с. 9 - 18.

7. Энергетика атмосферных циклопических вихрей умеренных широт. В сб.: Ученые Пермского университета — науке и производству. Пермь, изд-во Пермского госуниверситета, 1991, с. 290 - 293.

8. Комплекс баз научных данных "Метсо". Методические указания. Пермь, изд-во Пермского госуниверсптета, 1992, 32 с. (соавторы Л.П.Соснипа, В.А.Шкляев).

9. Особенности пространственно-временного распределения составляющих баланса кинетической энергии в циклоне. В сб.: Вопросы прогноза погоды, климата и циркуляции атмосферы. Пермь, изд-во Пермского госуниверситета, 1992, с. 4 - 19.

10. Некоторые особенности преобразования энергии в циклонах умеренных широт. Веб.: Метеорологические прогнозы. СПб, изд-во РГГМИ, 1992, вып. 114, с. 136 - 148.

11. Исследование баланса водяного пара в тропосфере при различных синоптических ситуациях. Геоэкологические основы хозяйствования, здоровья и отдыха. Тезисы докл. Пермь, 1993, с. 173 - 175.

12. Поле влагосодержания в циклонах на разных стадиях их развития. В сб.: Макросиноптические процессы и состояние природной среды. Казань, изд-во Казанского госуниверситета, 1993, с. 49 - 61.

13. Методика климатического обоснования использования энергии ветра. География и природные ресурсы. 1993, N 3, с. 129 - 135 (соавторы А.Д.Дробышев, Ю.А.Пермяков).

14. Зависимость влагосодержания от вертикальных движений и парциального давления водяного пара в циклонах по срочным данным. В сб.; Анализ и прогноз гидрометеорологических элементов. Вопросы охраны атмосферы. Пермь, изд-во Пермского госуниверситета, 1994, с. 57 - 61 (соавтор А.И.Карданов).

15. Исследование энергетики циклонов умеренных широт. Метеорология и гидрология. 1994, N 5, с. 55 - 67.

16. Исследование вихревой кинетической энергии и составляют;® ее баланса в циклонах умеренных широт. Тезисы докл. Казань, 1994 с. 92 - 93.

17. Пространственно-временное распределение вихревой кинетической энергии и составляющих ее баланса в циклонах умеренных широт Вестник Пермского университета. Вып. 4. География. Пермь, 1994 с. 112 - 125.

18. Исследование генерации кинетической энергии циклонов умерен ных широт. Метеорология и гидрология. 1995, N 2, с. 26 - 35.

19. Методика прогноза эволюции циклонов у поверхности Земли и; основе расчета доступной потенциальной энергии. Регион и география Часть 3. Тезисы докл. Пермь, 1995, с. 85 - 86.

20. Зависимость составляющих баланса кинетической энергии и ско рости вертикальных движений от масштаба пространственного осредне ния. Современная география и окружающая среда. Тезисы докл. Ка зань, 1996, с. 86 - 87.

21. Некоторые особенности генерации кинетической энергии в райе не атмосферных фронтов. Современная география и окружающая среде Тезисы докл. Казань, 1996, с. 87 - 88.

22. Некоторые особенности генерации кинетической энергии в щ клонах умеренных широт. В сб.: Анализ и прогноз гидрометеорологиче ских элементов. Вопросы охраны атмосферы. Пермь, изд-во Пермског

госуниверситета, 1996, с. 3 - 12 (соавтор Е.М.Свиязов).

23. Исследование доступной потенциальной энергии циклонов умеренных широт. Метеорология и гидрология. 1997, N 1, с. 37 - 49.

Подписано в печать 7.04.97. Формат 60x84 Vl6. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,32 .Тираж ICO экз. Заказ и 7.

614600, г. Пермь, ул. Букирева, 15 Типография Пермского университета