Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Интенсивные мезомасштабные циклоны над дальневосточными морями в холодное полугодие по данным спутникового зондирования

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Интенсивные мезомасштабные циклоны над дальневосточными морями в холодное полугодие по данным спутникового зондирования"

005061496

На правах рукописи

Гурвич Ирина Александровна

ИНТЕНСИВНЫЕ МЕЗОМАСШТАБНЫЕ ЦИКЛОНЫ НАД ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫМИ МОРЯМИ В ХОЛОДНОЕ ПОЛУГОДИЕ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

13 ИЮН 2013

Владивосток- 2013

С

О п

005061496

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук, профессор Митник Леонид Моисеевич

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук Репина Ирина Анатольевна

доктор физ.-мат. наук, профессор Кильматов Талгат Рустемович

Ведущая организация: ФГУП Тихоокеанский научно-исследовательский

рыбохозяйственный центр (ТИНРО-Центр)

Защита состоится 28 июня 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д005.017.02 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН

Автореферат разослан

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических на

Храпченков Ф. Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы и объект исследования. В холодное полугодие над морями высоких широт на спутниковых изображениях часто видны конвективные мезомасштабные циклоны с облачной системой в форме запятой или спирали. Горизонтальные размеры мезоциклонов (МЦ) варьируют от 100 до 1000 км, время жизни составляет от нескольких часов до 3 суток. МЦ становятся причиной резкого ухудшения погоды, которое сложно прогнозировать из-за взрывного характера их возникновения и очень быстрого развития. Своевременное обнаружение и достоверная оценка их характеристик являются крайне важной задачей для обеспечения безопасности мореплавания, рыбного промысла и прибрежного строительства. Актуальность исследований мезомасштабного циклогенеза растет в связи с происходящими на планете климатическими изменениями, таянием морских льдов, освоением транспортировки грузов северным морским путем, работами на шельфе.

Интенсивные морские МЦ называют полярными циклонами, арктическими ураганами, арктическими бомбами. Спиральная форма облачной системы, маловетреная и малооблачная центральная часть, окруженная облачным кольцом (глаз), ураганный ветер вблизи глаза, развитие мощной конвекции и наличие теплого ядра - все это придаёт МЦ сходство с тропическими циклонами. Размер циклона зависит от географической широты и толщины бароклинного слоя. Большинство МЦ формируются вблизи кромки льда или холодного побережья, где толщина бароклинного слоя невелика. Здесь наблюдается положительная, но более слабая взаимосвязь между географической широтой и размером циклона, поэтому доминирующим фактором в определении размера МЦ является толщина бароклинного слоя [7].

Над дальневосточными (ДВ) морями мезомасштабный циклогенез изучался мало, за исключением Японского моря. Статистические исследования повторяемости, размеров и других характеристик мезоциклонов практически отсутствуют. При изучении МЦ мультисенсорный подход использовались лишь в отдельных случаях. В работе исследовались мезоциклоны над Японским и

Охотским морями, западной частью Берингова моря до 180°в.д. и прилегающей к нему акваторией Тихого океана до 47°с.ш. со скоростью приводного ветра 12 м/с и выше на основе мультисенсорных спутниковых измерений.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является исследование структуры и характеристик интенсивных мезоциклонов, оценка их вклада в процессы взаимодействия океана и атмосферы и статистический анализ мезомасштабной циклонической деятельности над ДВ морями по данным спутникового мультисенсорного зондирования.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- сформировать массив спутниковых изображений с мезоциклонами в холодное полугодие (октябрь-апрель) за период 2003-2011 гг., выявить основные районы формирования и распространения МЦ;

— получить статистические данные о межгодовой и внутригодовой изменчивости количества МЦ и распределении их по размерам над районом исследований на основе спутниковых видимых и ИК-изображений;

— получить количественные оценки паросодержания атмосферы, водозапаса облаков и скорости приводного ветра в мезоциклонах по спутниковым пассивным микроволновым измерениям;

- получить количественные оценки взаимосвязи паросодержания атмосферы, скорости приводного ветра и потоков тепла от морской поверхности в атмосферу в условиях развития мезоциклонов.

Научная новизна результатов. Выявлены районы формирования и характерные траектории мезоциклонов над Охотским морем и западной частью Берингова. Уточнены районы формирования и траектории МЦ над Японским морем. Получены оценки межгодовой и внутригодовой изменчивости мезомасштабной циклонической деятельности. Получены количественные оценки паросодержания атмосферы и водозапаса облаков в МЦ, выявлена зависимость паросодержания атмосферы от скорости приводного ветра. Получены оценки потоков тепла от морской поверхности в атмосферу в

мезоциклонах над ДВ морями, выявлена связь распределения потоков явного и скрытого тепла с районами их формирования.

Научная и практическая значимость работы. Получены количественные характеристики такого малоизученного явления, как интенсивные морские мезоциклоны, выполнены статистические оценки мезомасштабной циклонической деятельности над ДВ морями. Результаты исследований могут быть использованы в прогностических моделях мезоциклонов и прогнозе связанных с ними опасных явлений погоды.

Обоснованность и достоверность полученных результатов. Достоверность идентификации мезоциклонов в поле облачности основана на опыте дешифрирования спутниковых видимых и ИК-изображений и подтверждается сопоставлением их с полями приводного ветра по данным скаттерометров и полей паросодержания атмосферы по данным микроволновых радиометров. Характеристики мезоциклонов определялись по алгоритмам, разработанным в лаборатории, которые прошли апробацию и используются в научных исследованиях. Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях. Основные положения диссертации опубликованы в рецензируемых журналах.

Положения, выносимые на защиту.

1. Над ДВ морями в холодное полугодие (октябрь-апрель) возникает в среднем около 200 мезоциклонов со скоростью ветра > 12 м/с. МЦ имеют горизонтальные размеры 100-600 км, преобладают размеры 200-400 км. Пик повторяемости МЦ приходится на зимние месяцы. Количество МЦ растет при увеличении суммарной продолжительности холодных вторжений.

2. Мезоциклоны формируются над ДВ морями при тех же условиях, что и в других районах мезомасштабного циклогенеза: разность температур вода-изобарическая поверхность 500 мб (АТ500) = 38-43°С, разность температур вода-воздух А7' = 4-8°С. При интенсивной адвекции холода АТ может превышать 20°С.

3. Формирование мезоциклонов в поле водяного пара может быть обнаружено раньше, чем в поле облачности. Паросодержание атмосферы в мезоциклонах примерно в 2 раза выше фоновых значений и примерно в 3-4 раза выше паросодержания континентальной воздушной массы, выходящей на морскую поверхность, и растет с увеличением скорости приводного ветра. В центре МЦ паросодержание близко к фоновым значениям.

4. Среднесуточные суммарные потоки тепла от морской поверхности в атмосферу в мезоциклонах над ДВ морями примерно в 2 раза выше среднемесячных значений и составляют 200-500 Вт/м2, а в южной части Японского моря могут достигать 600-1000 Вт/м2.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы опубликованы в четырёх журнальных статьях (одна статья принята в печать), в 8 статьях в трудах конференций и симпозиумов, доложены автором на двух международных и 6 российских конференциях.

Реализация результатов. Основные результаты работы использовались при выполнении плановых тем института, отражены в отчётах по ФЦП «Мировой океан», по грантам РФФИ 06-05-96076-р_восток_а, 08-05-99109-рофи, 11-05-12047-офи-м-2011 и по международным проектам.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 научных работ, из них 3 статьи в журналах из списка ВАК, 1 - в зарубежном рецензируемом журнале, 1 принята к печати в журнале из списка ВАК, 8 - в сборниках трудов международных конференций, 13 - в сборниках тезисов российских конференций, 12 - в сборниках тезисов международных конференций.

Личный вклад автора. Автором создан архив спутниковых изображений с МЦ над ДВ морями за 7 холодных месяцев (октябрь-апрель) периода 20032011 гг. Представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Расчеты, анализ и интерпретация полученных результатов сделаны автором лично.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём

работы 171 страница, включая 62 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 104 источников и 14 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель исследования, обоснована актуальность темы, ее новизна, достоверность и практическая значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту, изложено краткое содержание работы.

В первой главе представлен обзор литературы, освещающий историю и современное состояние исследований интенсивных МЦ над морями в обоих полушариях. Обоснована необходимость использования данных спутникового мультисенсорного зондирования для получения количественных характеристик МЦ. Рассмотрены приоритетные направления в исследованиях МЦ, выполняемых в настоящее время.

Вторая глава посвящена описанию спутников и датчиков, использованных в работе, и изложению методики исследований.

В разделе 2.1 даны технические характеристики датчиков, установленных на различных спутниках. Использовались данные измерений в видимом, инфракрасном и микроволновом диапазонах длин волн. В микроволновом диапазоне использовались данные активного и пассивного (радиометрического) зондирования.

В разделе 2.2 охарактеризованы данные и описана методика исследования. Идентификация МЦ, выявление основных районов их формирования, траекторий и времени существования выполнялись по спутниковым видимым и ИК-изображениям спектрорадиометра MODIS. Количественные характеристики МЦ были определены по яркостным температурам ГяГЕ(у), измеренным на частотах v радиометром AMSR-E со спутника Aqua, и полям паросодержания атмосферы V, водозапаса облаков О и скорости приводного ветра W, восстановленным по T/'*(v) по алгоритмам [3, 4, 10]. Спутниковые оценки V сравнивались со значениями Ур/г по данным радиозондирования атмосферы с прибрежных аэрологических станций. Поля ветра по измерениям

AMSR-E сравнивались с полями W, восстановленными по данным скатгерометров SeaWinds и ASCAT и радиометра WindSAT в сроки, близкие к измерениям MODIS. Для исследования вертикальной структуры облачности использовались поля температуры и давления на ее верхней границе по данным MODIS, а также вертикальные профили радиолокационной отражаемости облаков по измерениям радиолокатора Cloud Precipitation Radar (CPR) со спутника CloudSat. Для изучения тонкой структуры приводного ветра в области МЦ точного определения положения центра циркуляции, выявления волновых возмущений на мезомасштабных фронтальных разделах, зон повышенных градиентов скорости ветра и организованных вариаций W, обусловленных конвективными грядами, ячейками и атмосферными гравитационными волнами, служили изображения, полученные РСА в режиме широкой полосы обзора со спутника Envisat. Синоптические ситуации, на фоне которых развивались МЦ, определялись по картам приземного анализа и барической топографии Японского метеорологического агентства (ЯМА) и Корейской метеорологической администрации (КМА).

Условия формирования интенсивных МЦ над ДВ морями оценивались по данным реанализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды ECMWF. По данным ECMWF были построены карты геопотенциальных высот изобарической поверхности 500 мб (АТ500) и температуры воздуха на ее уровне с разрешением 1.5° по широте и долготе, осредненные за зимние месяцы (декабрь-февраль) 2003-2011 гт., и среднемесячные поля разности температур вода-воздух и вода-АТ500. Среднесуточные и среднемесячные потоки явного и скрытого тепла от морской поверхности в атмосферу на сетке с шагом Io по широте и долготе оценивались по данным проекта OAFlux, размещённым на сайте океанографического института WHOI (США).

В третьей главе дана климатическая характеристика исследуемого района, охарактеризованы условия формирования и особенности развития интенсивных МЦ над ДВ морями.

В разделе 3.1 кратко описаны особенности климата ДВ морей и прибрежных районов. Подчеркнуто, что климат имеет отчетливо выраженный муссонный характер.

Раздел 3.2 посвящен характеристике условий развития мезоциклонов над ДВ морями. Анализ спутниковых видимых и ИК-изображений выявил основные районы формирования и типичные траектории МЦ, которые схематически показаны на рис. 1. МЦ над ДВ морями развиваются при тех же

Охотское море

* Г Г-.

Берингово море. Японское море .

. ВладйвосУок '

•ф

Рис. 3.2.2. Типичные траектории (указаны стрелками) и районы мезомасштабного циклогенеза над ДВ морями (между пунктирными линиями и береговой чертой и внутри эллипса).

условиях, что и в других районах, где они наблюдаются [6, II]. Они обычно

возникают на фоне холодных вторжений за холодным фронтом в тылу

глубоких циклонов синоптического масштаба, в бароклинных зонах нижней

тропосферы вблизи ледовой кромки или холодного побережья, под холодными

высотными циклонами и мезовихрями.

В подразделе 3.2.1 анализируются условия мезомасштабной циклонической деятельности над Охотским морем, где зимний муссон ярко выражен и холодные вторжения интенсивны. МЦ возникают вблизи холодного побережья или ледовой кромки, где в результате больших температурных контрастов велика бароклинная неустойчивость пограничного слоя атмосферы. По мере распространения ледяного покрова очаги мезомасштабного циклогенеза смещаются к свободной ото льда акватории моря.

В подразделе 3.2.2 анализируются условия мезомасштабного циклогенеза над Беринговым морем. Показано, что над западной частью моря МЦ возникают в бароклинной зоне вдоль побережья или ледовой кромки. Существенное влияние на их формирование оказывают стоковые ветры, обусловленные радиационным выхолаживанием Камчатки и орографией побережья. Над южной половиной Берингова моря и к югу от Командорских о-вов МЦ возникают на фронтах окклюзии, вторичных фронтах, под холодными окклюдированными циклонами и высотными мезовихрями.

Подраздел 3.2.3 посвящен условиям развития МЦ над Японским морем. Хотя Японское море по географическому положению не относится к северным морям, мезомасштабный циклогенез в холодный период года является его характерной особенностью. Холодные вторжения в тылу глубоких циклонов очень интенсивны, особенно при меридиональном типе циркуляции. Температура поверхности Японского моря значительно выше, чем Охотского и Берингова Ледяной покров формируется только в Татарском прол., зал. Петра Великого и вдоль северного побережья Приморья. Большой перепад температур вода-воздух и повышенные потоки тепла от морской поверхности в атмосферу являются важным фактором развития интенсивных МЦ.

Базирующиеся на спутниковых данных исследования показали, что над ДВ морями наблюдаются основные типы МЦ, встречающиеся над Северной Атлантикой [11]. Наряду с этим существуют региональные особенности мезомасштабного циклогенеза.

В четвертой главе показаны преимущества комплексирования спутниковых измерений для получения количественной информации о мезомасштабных морских погодных системах и их изучения при ограниченном объеме контактных измерений и выполнен анализ эволюции 24 МЦ.

В разделе 4.1 приведены результаты комплексного анализа 8 МЦ над различными районами Охотского моря на основе мультисенсорных спутниковых данных. Пример такого анализа рассмотрен ниже.

Рис. 2. Видимое изображение MODIS (а), поля приводного ветра (в), капельной влаги (г) и водяного пара (д) по данным AMSR-E (спутник Aqua) за 02:55 Гр.; поле приводного ветра по данным ASCAT (спутник

МеЮр) за 00:44 Гр. (б); вертикальный профиль радиолокационной отражаемости по измерениям CPR (спутника CloudSat) за 02:59 Гр. (е).

AMSR-E (рис. 2в) с разницей во времени 2 часа. По тем и другим данным Wmax ~ 15-20 м/с. В полях облачности и капельной влаги Q отчетливо выражена структура орографических вихревых цепочек 1 (рис. 2а, г). Северный МЦ интенсивнее южного, что проявляется в более ярком тоне и высоте конвективной облачности, а также в значениях W, Q и V (рис. 2а-д). Точные значения высоты верхней границы облачности и детальное представление о ее структуре дает вертикальный разрез через облачность мезоциклона по данным радиолокатора CPR со спутника CloudSat через 4 мин после измерений со спутника Aqua (рис. 2е) Разрез проходит через восточную часть облачной спирали южного МЦ и центральную часть северного.

Видимое изображение МО 1)18 (рис. 2а) за 02:55 Гр. 16 февраля показывает два МЦ над Охотским морем, размер которых примерно 450 км, диаметр глаза - 125 км (рис. 2а). Циклоническая циркуляция отчетливо проявляется в полях ветра Ш по данным скаттерометра (рис.26) и микроволнового радиометра

Из сравнительного анализа видимого изображения МСЮК и профиля радиолокационной отражаемости облачности следует, что облачная спираль южного МЦ состоит из мощных кучевых облаков высотой до 3-4 км. РЛ-отражаемость в 10-20 дБ может быть обусловлена наличием в облаках крупных капель и кристаллов [8, 9]. При продвижении к северу толщина облачного слоя постепенно уменьшается, облачность переходит в высоко-кучевую, характеризующуюся малыми значениями (¡) и значениями РЛ- отражаемости в пределах -(15-20) дБ. Высота гряд мелкокапельной слоисто-кучевой облачности между МЦ не превышает 1-1.5 км.

В южном секторе северного МЦ высота облаков составляет 3 км и постепенно снижается к внутренней границе облачной спирали. Внутри глаза, который имеет форму воронки, зондируются отдельные кучевые облака и облачные полосы высотой 2-3 км. На его южной границе в поле облачности (рис. 2а) видны маленькие яркие точки - кластеры мощных кучевых облаков высотой > 4 км, через один из которых проходит сечение. РЛ-отражаемость этих облаков в центральной части составляет 10-13 дБ при небольшом водозапасе (О ~ 0.1 кг/м2) и при V- 8-9 кг/м2 (рис. 2в). Вероятно, что в облаке, помимо мелких капель, присутствуют крупные капли и ледяные кристаллы. РЛ-отражаемость мощных кучевых облаков высотой до 4-4.5 км к северу от глаза также характеризуется величиной 10-13 дБ. К внешней границе МЦ толщина облачного слоя уменьшается. Мощные кучевые облака переходят в высококучевые, РЛ-отражаемость в результате изменения их фазового состояния постепенно понижается до -20 дБ, а значения V снижаются до 5-6 кг/м2.

Измерения радиолокатора СРЯ дополняют данные МОБПЗ и АМБЯ-Е.

В разделе 4.2 рассматриваются 4 МЦ над западной частью Берингова моря и прилегающей к нему акваторией Тихого океана до 47°с.ш. По характеристикам эти МЦ сходны с охотоморскими, хотя структура их облачной системы и механизмы формирования более разнообразны, что обусловлено особенностями синоптических процессов региона.

Раздел 4.3 посвящен анализу двух МЦ, условно названных

«симметричными». Анализ спутниковых видимых к

и ИК-изображений показал, что в зимние месяцы

над Охотским и Беринговым морями к востоку и

западу от Камчатки почти на одной широте время

от времени появляется пара МЦ примерно

одинакового размера и интенсивности (рис. 3). В

разделе анализируется структура Рис ИК-изображение

MODIS (спутник Aqua) за

термобарического поля, благоприятная для их 15-30 Гр 13 февраля 2006 г. формирования.

В разделе 4.4 на основе мультисенсорных спутниковых данных получены характеристики 10 МЦ над Японским морем. Японское море зимой, кроме его северной части и Татарского прол., свободно ото льда, поэтому мезомасштабный циклогенез охватывает почти всю его акваторию. Над северной частью моря формируются МЦ, близкие по характеристикам к охотоморским и беринговоморским. МЦ его южной части значительно отличаются от них по интенсивности и вертикальной мощности облачности.

На рис. 4 представлены спутниковые данные о МЦ над северной частью Японского моря. В поле облачности хорошо выражена спиральная структура МЦ (рис. 4а). В северной части МЦ высота облаков ~ 2.5-3 км, в южной его части - в основном ниже 1.5 км (рис. 46).

Тонкая структура поля ветра в области МЦ проявляется в вариациях яркости на изображении РСА со спутника Envisat за 00:50 Гр. (рис. 5а), которые обусловлены вариациям уровня радиолокационных (РЛ) сигналов, рассеянных морской поверхностью, и согласуются с полем облачности на изображении

Рис. 4.4.12. Видимое изображение (а) и температура на верхней границе облаков (б) по данным MODIS (спутник Aqua) за 04:20 Гр. 6 марта 2010 г.

МОБК (рис. 56) и с полем ветра по измерениям АБСАТ (рис. 5в). Темной по тону области на изображении РСА (слабый ветер)

соответствует почти

R ЛЧ IW1

7 I Ws [ «

«Ч 4 л «. oV;

Рис. 5. Изображение РСА (спутник Envisat) за 00:50 Гр. (а), видимое изображение MODIS (спутник Terra) за 00:55 Гр. (б) и поле приводного ветра по данным скаттерометра ASCAT за 01:13 Гр. (в). Красный оезоолачный центр пунктирный прямоугольник на (б) очерчивает границы МЦ Измерения изображения РСА. Белые прямоугольники на (а)

очерчивают границы фрагментов I и П.

скаттерометра дают

общее представление о поле ветра. Высокое пространственное разрешение РСА позволяет оценить его мезомасштабную изменчивость и выявить зоны высоких градиентов. Максимальные градиенты W отмечаются при пересечении резких границ 1 и 2 шириной порядка 1 км, которые отчетливо прописываются на изображении РСА и в поле облачности.

Направление ветра определялось по ориентации ветровых теней вдоль побережья Приморья и Сахалина. Изменчивость скорости ветра оценивалась по вариациям поля яркости РСА и по данным ASC AT с разрешением 25 х 25 км. В светлой области 3 шириной 150-170 км в южном секторе МЦ ветер северозападный 12-17 м/с. В северном секторе МЦ выделяются две области 4 шириной =50 км, где скорость ветра составляет 10-12 м/с, и более темная область 5 шириной ~ 40 км, где по данным скаттерометра W = 7-10 м/с. На изображении РСА отчетливо виден ледяной покров в Татарском прол., окаймленный более яркой полосой торосов. На изображениях MODIS (рис. 4а и 56) лед виден не так отчетливо из-за полупрозрачной облачности.

Изменчивость W в зоне мезомасштабных фронтальных разделов показывают фрагменты I и П (рис. 6), границы которых нанесены на рис. 5а. На фрагменте I отчетливо видны отпечатки вариаций ветра в конвективных ячейках 1 в центре МЦ, размер которых около 1 км. Ширина полосы затишья 2

в зоне конвергенции северо-западных и северо-восточных ветров » 1.5 км. Ширина штилевой полосы 3 на фрагменте П в зоне конвергенции восточных и северо-западных ветров ~ 1 км.

При комплексном анализе мультисенсорных спутниковых данных выявлены значительные различия в характеристиках, структуре и

вертикальной мощности облачности МЦ над различными районами ДВ морей. Установлено, что мезомасштабная циклоническая циркуляция отчетливо проявляется в полях приводного ветра и паросодержания атмосферы (раньше, чем в поле облачности).

В разделе 4.5 обобщены результаты, полученные в четвертой главе.

Пятая глава посвящена статистическому анализу мезомасштабной циклонической деятельности над ДВ морями. Исследования базировались на архивах видимых и ИК-изображений облачности, полей паросодержания атмосферы, водозапаса облаков и скорости приводного ветра, собранных в лаборатории и дополненных данными проекта ОАДих о потоках явного и скрытого тепла.

В разделе 5.1 приведены результаты статистической обработки спутниковых видимых и ИК-изображений за 8 холодных сезонов 2003-2011 гг. Установлено, что в среднем над ДВ морями возникает около 200 МЦ со скоростью ветра > 12 м/с Размеры МЦ преимущественно 100 - 600 км, преобладают размеры 200-400

Рис. 6. Поле приводного ветра: центральная часть мезоциклона

- фрагмент I и зона конвергенции - фрагмент П (б).

N

- • -Охотское

-^-Берингово

-•-Японское

2003-4 2004-5 201)5-6 2006-7 2007-8 2008-9 2004-10 2010-11

Рис. 7. Межгодовая изменчивость количества мезоциклонов N над ДВ морями

км. Пик повторяемости МЦ приходится на

зимние месяцы. Максимальное количество МЦ наблюдалось в 2009-2010 гг., минимум мезомасштабной циклонической деятельности отмечался в 2008-2009 гг. (рис. 7). Выявлена зависимость между количеством МЦ и суммарной продолжительностью холодных вторжений, а также синхронность межгодовой изменчивости количества МЦ над ДВ морями.

В разделе 5.2 получены количественные оценки взаимодействия океана и атмосферы в условиях мезомасштабной циклонической деятельности. Формированию и развитию интенсивных МЦ способствуют повышенные потоки явного и скрытого тепла от морской поверхности. Существенную роль в быстром углублении МЦ играет конвергенция влажного воздуха, способствующая нагреву воздуха при конденсации водяного пара [5, 11].

В подразделе 5.2.1 приводятся статистические оценки разности температур вода-воздух АТ, которая является важным фактором, влияющим на образование и развитие МЦ. Чем больше АТ, тем вероятнее возникновение взрывного МЦ, и тем он интенсивнее [1]. Для расчета АТ были отобраны МЦ, которые возникали на расстоянии 300-400 км от берега. Предполагалось, что на таком расстоянии изменения температуры континентальной воздушной массы (КВМ) незначительны, и температуру воздуха Та можно взять из данных прибрежных аэрологических станций. Значения температуры поверхности воды Тв были получены из визуализированных данных спутниковых измерений. Выявлено, что максимум АТ (до 21°С) приходится на север Охотского моря, что связано с интенсивной адвекцией холода в этом районе. Над югом Японского моря большие значения АТ (до 20°С) обусловлены сочетанием интенсивной адвекции холода и высокой температуры воды. Минимальное значение АТ приходится на север Японского моря и составляет 9°С. Для Берингова моря АТ составляет 16°С. Отсутствие аэрологических измерений над морями ограничивает проведение расчетов АТ только прибрежными районами. Поля среднемесячных значений АТ над ДВ морями за весь период исследований были построены по данным реанализа ЕСМЛУР и проекта ОАР1их. Сравнительный анализ полей показал, что максимальные значения АТ

отмечаются вдоль побережья или у кромки льда, в областях наиболее вероятного формирования МЦ. Из монографии [11] следует, что МЦ формируются при А7-> 3°С. В работе показано, что максимальные значения ДТ в Охотском и Беринговом морях отмечаются с ноября по февраль и составляют 4-7°С. В Японском море максимальные значения Л7' приходятся на декабрь-январь и составляют 8-10°С. Внутригодовая изменчивость Д7* согласуется с распределением МЦ по месяцам.

Подраздел 5.2.2 посвящен анализу зависимости паросодержания атмосферы V в МЦ от скорости приводного ветра IV. Холодные вторжения над морями вызывают интенсивное развитие конвекции, проявляющееся в резком увеличении V. Установлено, что МЦ заметно выделяются по повышенным значениям паросодержания даже на фоне вариаций V, обусловленных

(Кг/м )Беринюво море ^

конвективными облачными грядами и ячейками. Для анализа полей V были отобраны МЦ за период 2003-2010 гг. Так как воздушная масса обладает относительно однородными свойствами [2], ее

паросодержание определялось по данным береговых аэрологических станций.

Исходные значения Ур/з до взаимодействия КВМ с морской поверхностью

сравнивались с максимальными значениями V в области МЦ. В результате статистической обработки данных было

ДУ (кг/мЬ

. 4 ТУхотское море

1 я2 = о .51

дк=о 32IV+ Л4

.

1

№ (м/с)

А V (кг/м ) 16

Север Японском) моря

Я - 0.76 Иг - 0.58

Л!'- 0 40» 0.61

'.........

- I

Т: :

... г-Г-Г^- № (м/с)

(кг/м ) Юг Японского мори

к = ('.471^0.22

Д!'=

0.35 И'

(-4.95

Щы/е)

Рис. 8. Зависимость паросодержания атмосферы от скорости приводного ветра в условиях развития мезоциклонов.

выявлено, что в процессе развития МЦ V увеличивается примерно в 3 раза по сравнению с V КВМ (Ур/3) и в 2 раза превышают значения V в области, окружающей МЦ (фон). Приращение АУ зависит от скорости ветра Ж. Для Охотского, западной части Берингова и северной части Японского морей зависимость АГ от Ж хорошо выражена (рис. 8а-в). Особенно отчетливо эта зависимость проявляется в Охотском море, где градиенты Те невелики, а холодные вторжения очень интенсивны. В южной части Японского моря в приращение V, кроме скорости ветра, вносит вклад адвекция тепла и влаги из районов Тихого океана. Влияние этих факторов снижает корреляцию между № и Ж в этом районе (рис. 8г).

В подразделе 5.2.3 рассматривается связь мезомасштабной циклонической деятельности с потоками явного и скрытого тепла от морской поверхности в атмосферу. Холодные вторжения, сопровождающиеся значительным понижением температуры воздуха, усилением ветра и увеличением потоков явного тепла, стимулируют зарождение и развитие интенсивных МЦ. При конвергенции водяного пара и образовании конвективной облачности в нижней тропосфере высвобождается скрытое тепло, что способствует их интенсификации [5, 6, 11]. Для исследования отбирались МЦ в зимние месяцы,' которые проявлялись в полях среднесуточных потоков тепла по данным ОАБ1их. Было установлено, что над ДВ морями МЦ развиваются при суммарных потоках тепла от морской поверхности в атмосферу примерно 200500 Вт/м2 В южной части Японского моря при интенсивных холодных вторжениях потоки могут достигать 700-800 Вт/м2, а иногда превышают 1000 Вт/м2, что способствует развитию глубоких МЦ с ураганными ветрами. Среднесуточные потоки тепла в области МЦ примерно в 2 раза выше среднемесячных. Анализ построенных среднемесячных полей отношения скрытого тепла к явному для дней с МЦ выявил, что максимальные потоки явного тепла отмечаются вблизи береговой черты или ледовой кромки, где формируются мелкие бароклинные зоны, с которыми связана большая часть МЦ. Потоки скрытого тепла преобладают в районах, где МЦ возникают в

основном под холодными высотными циклонами и мезовихрями при условиях, благоприятных для развития проникающей конвекции, а также в южной части Японского моря, где температура морской поверхности высока.

Взаимосвязь паросодержания атмосферы, скорости приводного ветра и потоков тепла является мерой активности взаимодействия океана и атмосферы в условиях мезомасштабной циклонической деятельности, а использование данных микроволновых измерений с различных спутников дает количественные оценки этого взаимодействия.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

— Впервые выполнено систематическое исследование характеристик и структуры интенсивных мезоциклонов над дальневосточными морями. На основе комплексного анализа спутниковых данных за 2003-2011 гг. показано, что ДВ моря являются районом активного мезомасштабного циклогенеза в холодное полугодие. Определено, что в октябре-апреле над ними образуется около 200 мезоциклонов со скоростью ветра > 12 м/с. Размеры МЦ составляют преимущественно 100-600 км (преобладают МЦ с размером 200-400 км). Пик повторяемости МЦ приходится на зимние месяцы. Количество МЦ растёт с увеличением суммарной продолжительности холодных вторжений. Отмечена синхронность межгодовой изменчивости количества МЦ над ДВ морями. Установлено, что характерная для МЦ скорость ветра составляет 12-20 м/с, а в наиболее интенсивных из них превышает 30 м/с.

— В результате комплексирования мультисенсорных спутниковых измерений с данными реанализа выявлено, что МЦ над ДВ морями возникают при разности температур вода-АТ500 38-43°С и при разности температур вода-воздух АТ~ 4-8°С. При интенсивных холодных вторжениях АТ может достигать 20°С. Среднесуточные суммарные потоки тепла от морской поверхности в атмосферу в области МЦ примерно в 2 раза выше среднемесячных и составляют 200-500 Вт/м2, а в южной части Японского моря могут достигать 600-1000 Вт/м2.

— Анализ полей паросодержания атмосферы и водозапаса облаков показал, что формирование МЦ в поле водяного пара может проявляться раньше, чем в поле

облачности. Паросодержание атмосферы V в МЦ примерно в 2 раза выше паросодержания фона и составляет 6-10 кг/м2, в южной части Японского моря V = 10-20 кг/м . В центре МЦ значения V близки к фоновым значениям. Типичные для МЦ значения Q составляют 0.05-0.30 кг/м2 над Охотским и Беринговым морями и 0.3-0.8 кг/м2 над Японским морем.

- Из сравнения спутниковых измерений с аэрологическими данными следует, что V континентальной воздушной массы над морской поверхностью увеличивается в области МЦ примерно в 3-4 раза, а в области фона - примерно в 2 раза. Установлено, что в Охотском и Беринговом морях и в северной части Японского моря паросодержание атмосферы растёт с увеличением скорости ветра W. В южной части Японского моря, где температура воды и влажность воздуха выше, зависимость Кот Ж выражена слабее.

Для получения климатических трендов и уточнения статистических характеристик следует продолжить мониторинг МЦ над ДВ морями, используя данные с нового поколения спутников (GCOM-Wl, ALOS-2, Suomi NPP и др.) и усовершенствованные алгоритмы восстановления паросодержания атмосферы, водозапаса облаков, осадков и скорости приводного ветра. Мультисенсорный анализ данных спутникового дистанционного зондирования позволит получить более точные сведения о структуре и характеристиках МЦ, необходимые для проведения научных и прикладных исследований.

Список основных публикаций по теме диссертации Статьи в рецензируемых научных журналах

1. Гурвич И.А., Митник Л.М., Митник М.Л. Мезомасштабный циклогенез над дальневосточными морями: исследование на основе спутниковых микроволновых радиометрических и радиолокационных измерений // Исследование Земли из космоса. 2008. № 5. С. 58-73.

2. Гурвич И.А., Митник Л.М., Митник М.Л. Мезомасштабный циклогенез над Японским морем 7-13 января 2009 г. по спутниковым мультисенсорным данным // Исследование Земли из космоса. 2010. № 4. С. 11-22.

3. Гурвич И.А., Митник M.JI., Митник Л.М. Статистические характеристики, структура и параметры мезомасштабиых циклонов над Охотским морем по данным спутникового микроволнового и оптического зондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2009. Вып. 6. Т. 1.С. 111-117.

4. Гурвич И.А., Пичугин М.К. Исследование сравнительных характеристик типичных мезомасштабных циклонов над дальневосточными морями на основе спутникового мультисенсорного зондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013 (в печати).

5. Mitnik L.M., Gurvich LA. Satellite sensing of intense winter mesocyclones forming to the east of Korea // Current Development in Oceanography. 2011. V. 2, No. 2. P. 115-123.

Статьи в сборниках трудов конференций

5. Mitnik L.M., Dubina V.A., Gurvich I.A. Satellite radar sensing of the Okhotsk Sea ice cover: from Kosmos-1500 Real Aperture Radar to Envisat Advanced Synthetic Aperture Radar // PICES Scientific Report Series. Third Workshop on "Okhotsk Sea and Adjacent Areas", June 4-6, 2003, Vladivostok. P. 90-94.

6. Mitnik L.M., Mitnik ML., Gurvich I.A. Monitoring tropical cyclone evolution over the NW Pacific with Aqua AMSR-E and Envisat ASAR // Proc. 31 International Symposium on Remote Sensing of Environment (ISRSE), St. Petersburg, June 2005. http://www.isprs.org/publications/relatedЯSRSE/html/papeгs/376.pdf

7. Mitnik L.M., Mitnik L.M., Gurvich I. A. Severe weather study in middle and high oceanic latitudes using Aqua AMSR-E // Proc. IGARSS'08, Boston, USA, 7-11 July

2008. V. 5. P. 330-333.

8. Mitnik L.M., Mitnik M.L., Zabolotskikh E.V., Gurvich I.A., Pichugin M.K. Monitoring winter marine weather systems using satellite multisensory observations and ground-based data // Proc. IGARSS'09, Cape Town, South Africa, 13-17 July

2009. P. Ш-117-Ш-120.

9. Mitnik L.M., Gurvich I. A., Mitnik ML. Satellite multisensor study of winter mesocyclones over the Japan/East Sea // Proc. 5th KORDI-POI workshop for the East Sea monitoring. Seoul, 23-28 November 2009. P. 36-39.

10. Mitnik LM, Gurvich I.A., Pichugin M.K Satellite sensing of intense winter mesocyclones over the Japan Sea // Proc. IGARSS 2011 .Vancouver, 25-29 July 2011. P. 2345-2348.

11. Gurvich I.A., Mitnik L.M., Mitnik M.L., Pichugin M.K Multisensory satellite study of mesoscale cyclones over the Northern Pacific // 18th Conference on Satellite Meteorology, Oceanography and Climatology / First Joint AMS-Asia Satellite Meteorology Conference, 22-26 January 2012, New Orleans, Louisiana, https: //ams.confex.com/ams/92Annual/webprogram/Paperl95196.html

12. Mitnik L.M., Mitnik M.L, Gurvich LA. et al. Water vapor, cloud liquid water content and wind speed in tropical, extratropical and polar cyclones over the Northwest Pacific Ocean //Proc. IGARSS 2012, Munich, Germany, 22-27 July 2012. P. 1940-1943.

Список использованной литературы

1. Голицын Г.С. Ураганы, полярные и тропические, их энергия и размеры, количественный критерий возникновения // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44, № 5. С. 579-590.

2. Зверев А.С. Синоптическая метеорология. — Л.:Гидрометеоиздат, 1977 -711 с.

3. Митник Л.М., Митник М.Л. Алгоритм восстановления скорости приводного ветра по измерениям микроволнового радиометра AMSR-E со спутника Aqua // Исследование Земли из космоса. 2011. № 6. С. 34-44.

4. Митник М.Л., Митник Л.М. Восстановление паросодержания атмосферы и водозапаса облаков над океаном по данным микроволнового зондирования со спутников DMSP, TRMM, AQUA и ADEOS-П // Исследование Земли из космоса. 2006. №. 4. С. 34-41.

5. Claud C., Heinemann G., Raustein E. et al. Polar low Le Cygne: Satellite observations and numerical simulations // Quart. J. Royal Meteorol. Society. 2004. V. 130, No 598. P. 1075-1102.

6. Gang F. Polar Lows: Intense Cyclones in Winter. - Qindao, China, 2000. - 219 p.

7. Harold J.M., Bigg G.R., Turner J. Mesocyclone activity over the northeast Atlantic. Part 1: Vortex distribution and variability // J. Climatology. 1999. V. 19, No. 11. P. 1187-1204.

8. Matrosov S. CloudSat studies of stratiform precipitation systems observed in the vicinity of the southern Great Plains Atmospheric Radiation Measurement site // J. Applied Meteorology and Climatology. 2010. V. 49. P. 1756-1765.

9. Matrosov S.Y. Observations of wintertime U.S. West coast precipitating systems with W-band satellite radar and other spaceborne instruments // J. Hydrometeorology. 2012. V. 13. P. 223-238.

10. Mitnik L.M, Mitnik ML. Retrieval of atmospheric and ocean surface parameters from ADEOS-II AMSR data: comparison of errors of global and regional algorithms //Radio Science. 2003. V. 38, No 4. 8065, doi: 10.1029/2002RS002659.

11. Rasmussen E., Turner J. Polar Lows. Mesoscale Weather Systems in the Polar Regions - Cambridge: University Press, 2003. - 612 p.

Ирина Александровна Гурвич

ИНТЕНСИВНЫЕ МЕЗОМАСШТАБНЫЕ ЦИКЛОНЫ НАД ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫМИ МОРЯМИ В ХОЛОДНОЕ ПОЛУГОДИЕ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.28 - Океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Подписано к печати 03.04.2013 г. Формат 60x84/16. Объем 1.0 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Гурвич, Ирина Александровна, Владивосток

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук

На правах рукописи

04201360003

Гурвич Ирина Александровна

интенсивные мезомасштабные циклоны над дальневосточными морями в холодное полугодие по данным спутникового зондирования

Специальность 25.00.28 - Океанология

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук,

профессор Л.М. Митник

Владивосток - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ: ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ИНТЕНСИВНЫХ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ЦИКЛОНОВ......................................12

ГЛАВА 2. СПУТНИКИ И ДАТЧИКИ. ДАННЫЕ И МЕТОДИКА ИХ

ОБРАБОТКИ.....................................................................23

2.1. Спутники и датчики..................................................................23

2.2. Данные и методика их обработки.................................................28

ГЛАВА 3. КРАТКАЯ КЛИМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ. УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ИНТЕНСИВНЫХ МЕЗОМАСШТАБНЫХ УСЛОВИЙ НАД ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫМИ МОРЯМИ................................................33

3.1. Краткая климатическая характеристика района исследований.............33

3.2. Условия формирования мезомасштабных циклонов над ДВ морями......34

ГЛАВА 4. СТРУКТУРА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ЦИКЛОНОВ НАД ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫМИ МОРЯМИ ПО МУЛЬТИСЕНСОРНЫМ СПУТНИКОВЫМ

ДАННЫМ........................................................................47

4.1 Мезомасштабные циклоны над Охотским морем..............................47

4.2. Мезомасштабные циклоны над западной частью Берингова моря и прилегающей к нему акваторией Тихого океана...............................80

4.3. Симметричные мезоциклоны......................................................92

4.4. Мезомасштабные циклоны над Японским морем..............................93

4.5. Выводы................................................................................124

ГЛАВА 5. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

МЕЗОМАСШТАБНОЙ ЦИКЛОНИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НАД ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫМИ МОРЯМИ ПО МУЛЬТИСЕНСОРНЫМ СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ..............126

5.1. Межгодовая и внутригодовая изменчивость мезомасштабной циклонической деятельности и распределение мезоциклонов по размерам..............................................................................126

5.2. Интенсификация взаимодействия океана и атмосферы в условиях мезомасштабной циклонической деятельности...............................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................141

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................152

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В холодное полугодие над морями высоких широт на спутниковых изображениях часто обнаруживаются конвективные мезомасштабные циклоны, облачная система которых имеет форму запятой или спирали. Горизонтальные размеры мезоциклонов варьируют от 100 до 1000 км, жизненный цикл составляет от нескольких часов до 3 суток. Мезомасштабные циклоны становятся причиной резкого ухудшения погоды, которое сложно прогнозировать из-за взрывного характера их возникновения и очень быстрого развития. Скорость ветра в наиболее интенсивных из них превышает 30 м/с.

4

Штормовой ветер усиливает волнение моря и обрушение волн, что при низких температурах воздуха может привести к быстрому обледенению судов. Своевременное обнаружение и достоверная оценка характеристик мезоциклонов является крайне важной задачей для обеспечения безопасности мореплавания, рыбного промысла и прибрежного строительства. Актуальность исследований мезомасштабного циклогенеза растет в связи с изменением климата, таянием морских льдов, расширением транспортировки грузов северным морским путем, работами на шельфе.

Небольшие размеры, быстрое развитие и короткий жизненный цикл в сочетании с редкой сетью стандартных гидрометеорологических наблюдений над морями затрудняют выявление мезоциклонов (МЦ) в поле приземного давления. Поэтому для получения оперативной информации о МЦ решающее значение приобретает спутниковое зондирование. Плотное покрытие морских акваторий данными зондирования в разных диапазонах спектра с различных спутников значительно улучшает временное разрешение, что уменьшает погрешность определения положения центра мезоциклонов и их траекторий и позволяет количественно оценить характеристики океана и атмосферы в зоне их влияния.

Интенсивные мезоциклоны считаются принадлежностью морей высоких широт, однако из анализа спутниковой информации следует, что иногда они появляются и в таких морях, как Средиземное, Черное, Желтое и Восточно-Китайское, а Японское море является районом интенсивного мезомасштабного циклогенеза.

Систематические исследования мезоциклонов начались с появлением метеорологических спутников и приходятся на 60-е годы прошлого столетия. Более 50 лет мезоциклоны вызывают пристальный интерес как теоретиков, исследующих механизмы их формирования, так и прогнозистов, заинтересованных в улучшении прогноза связанных с ними опасных явлений погоды. Несмотря на значительный прогресс в исследованиях, мезоциклоны все еще изучены недостаточно. Лучше исследованы мезоциклоны Атлантики. Над дальневосточными (ДВ) морями мезоциклоны изучались мало, за исключением Японского моря, которое освещено достаточно полно, и отдельных работ по Берингову и Охотскому морями. Приоритет в исследованиях МЦ принадлежит зарубежным ученым. Первая отечественная публикация о дистанционном спутниковом зондирований мезоциклонов, в том числе и над ДВ морями, появилась в 1990 г. [15]. В последние годы в климатологические и статистические исследования МЦ стали включать северо-западную часть Тихого океана. Появились данные о количестве и повторяемости мезоциклонов над Охотским и Беринговым морями, однако, статистические исследования интенсивных МЦ над ДВ морями практически отсутствуют, не изучены и особенности мезомасштабного циклогенеза над этими морями. В [56] дан прогноз активности мезомасштабного циклогенеза в связи с изменениями климата в северном полушарии, в том числе над Охотским и Японским морями. Новые возможности в исследовании характеристик, условий формирования и развития МЦ может дать развитие мультисенсорного подхода.

Объект и предмет исследования Объектом исследования являются интенсивные мезомасштабные циклоны над ДВ морями в холодное полугодие. Предмет исследования -

качественные и количественные характеристики океана и атмосферы в условиях формирования и развития мезоциклонов и статистический анализ мезомасштабной циклонической деятельности над ДВ морями по данным спутникового мультисенсорного зондирования.

В северном полушарии мезоциклоны обычно зарождаются в холодное время года над свободной ото льда морской поверхностью к северу или северо-западу от основного тропосферного (полярного) фронта. При соприкосновении сухой холодной воздушной массы с относительно теплой поверхностью моря взаимодействие океана и атмосферы интенсифицируется. Это проявляется в бурной конвективной деятельности, охватывающей пограничный слой атмосферы, в результате чего формируются облачные гряды и ячейки, а при соответствующей структуре термобарического поля тропосферы и благоприятных синоптических условиях - интенсивные мезоциклоны.

Интенсивные мезоциклоны называют также полярными циклонами, арктическими ураганами, а из-за взрывного характера формирования -арктическими бомбами. Зарождение и развитие над морской поверхностью и быстрое заполнение над сушей, спиральная форма облачной системы, маловетреная и малооблачная центральная часть, окруженная облачным кольцом («глаз» и «стена глаза»), ураганный ветер вблизи глаза в наиболее интенсивных из них, развитие мощной конвекции и наличие теплого ядра - все это придаёт полярным циклонам сходство с тропическими. Общим между ними является и то, что в начальной стадии развития и те, и другие обычно формируются из слияния конвективных облаков [25].

Европейской рабочей группой по изучению полярных циклонов в 1994 г. было выработано следующее определение: «Полярные мезомасштабные циклоны — основной термин для всех циклонических вихрей мезо-а и мезо-($ масштаба [85], которые формируются к полюсу от главного (полярного фронта). Термин «полярные циклоны» может применяться к интенсивным морским полярным мезоциклонам с размерами менее 1000 км и скоростью приводного ветра, превышающей 15 м/с». В монографии [88], изданной в 2003

г., дано определение с более общими критериями: «Полярные мезомасштабные циклоны — это небольшие, но довольно интенсивные морские циклоны, которые формируются к полюсу от основной бароклинной зоны (полярного фронта или другой главной бароклинной зоны). Горизонтальные размеры полярных циклонов варьируют приблизительно между 200 и 1000 км, а скорость приводного ветра близка или выше штормовой (gale force)y>. Размер циклона зависит от географической широты и толщины бароклинного слоя. Большинство мезоциклонов формируются вблизи ледяной кромки или холодного побережья, где бароклинный слой, как предполагается, мелок. Здесь наблюдается положительная, но более слабая взаимосвязь между размером циклона и географической широтой и доминирующим фактором в определении размера является толщина бароклинного слоя [49, 85].

В работе исследовались интенсивные мезоциклоны над ДВ морями, районы их распространения, траектории, эволюция, структура облачной системы, характеристики океана и атмосферы в зоне их влияния на основе мультисенсорных спутниковых измерений. Для анализа отбирались мезоциклоны над Японским и Охотским морями, западной частью Берингова моря до 180°в.д. и прилегающей к нему акватории Тихого океана до 47°с.ш. со скоростью приводного ветра 12 м/с и выше.

Цель и задачи диссертационной работы Целью диссертационной работы является исследование структуры и характеристик интенсивных мезомасштабных циклонов, оценка их вклада в процессы взаимодействия океана и атмосферы и статистический анализ мезомасштабной циклонической деятельности над ДВ морями по данным спутникового мультисенсорного зондирования.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - сформировать массив спутниковых изображений с мезоциклонами в холодное полугодие (октябрь-апрель) за период 2003-2011 гг., выявить основные районы формирования и распространения МЦ;

- получить статистические данные о межгодовой и внутригодовой изменчивости количества МЦ и распределении их по размерам над районом исследований на основе спутниковых видимых и ИК-изображений;

- получить количественные оценки паросодержания атмосферы, водозапаса облаков и скорости приводного ветра в мезоциклонах по спутниковым пассивным микроволновым измерениям;

- получить количественные оценки взаимосвязи паросодержания атмосферы, скорости приводного ветра и потоков тепла от морской поверхности в атмосферу в условиях развития МЦ.

Научная новизна результатов

- Выявлены районы формирования и характерные траектории мезоциклонов над Охотским морем и западной частью Берингова. Уточнены районы формирования и траектории МЦ над Японским морем. Получены статистические оценки межгодовой и внутригодовой изменчивости мезомасштабной циклонической деятельности.

- Показана целесообразность комплексирования данных активных (РСА, скаттерометры) и пассивных (АМ8Я-Е) микроволновых измерений для изучения структуры и характеристик мезоциклонов.

- Получены количественные оценки паросодержания атмосферы и водозапаса облаков в мезоциклонах, выявлена зависимость паросодержания атмосферы от скорости приводного ветра. Получены оценки потоков тепла от морской поверхности в атмосферу в мезоциклонах над ДВ морями, выявлена связь распределения потоков явного и скрытого тепла с районами формирования МЦ.

Научная и практическая значимость работы Получены количественные характеристики такого малоизученного явления, как интенсивные морские мезоциклоны, выполнены статистические оценки мезомасштабной циклонической деятельности над ДВ морями. Результаты исследований могут быть использованы в прогностических моделях мезоциклонов и прогнозе связанных с ними опасных явлений погоды.

Обоснованность и достоверность результатов работы Достоверность идентификации мезоциклонов в поле облачности основана на опыте дешифрирования спутниковых видимых и РЖ-изображений и подтверждается сопоставлением их с полями приводного ветра по данным

скаттерометров и полей паросодержания атмосферы по данным микроволновых

»

радиометров. Характеристики мезоциклонов определялись по алгоритмам, разработанным в лаборатории, которые прошли апробацию и используются в научных исследованиях. Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях. Основные положения диссертации опубликованы в рецензируемых журналах.

Положения, выносимые на защиту

1. Над ДВ морями в холодное полугодие (октябрь-апрель) возникает в среднем около 200 мезоциклонов со скоростью ветра > 12 м/с. МЦ имеют горизонтальные размеры 100-600 км, преобладают размеры 200-400 км. Пик повторяемости МЦ приходится на зимние месяцы. Количество МЦ растет при увеличении суммарной продолжительности холодных вторжений.

2. Мезоциклоны формируются над ДВ морями при тех же условиях, что и в других районах мезомасштабного циклогенеза: разность температур вода-изобарическая поверхность 500 мб (АТ500) ~ 38-43°С, разность температур вода-воздух ДГ ~ 4-8°С. При интенсивной адвекции холода АТ может превышать 20°С.

3. Формирование мезоциклонов в поле водяного пара может быть обнаружено раньше, чем в поле облачности. Паросодержание атмосферы в мезоциклонах примерно в 2 раза выше фоновых значений и примерно в 3-4 раза выше паросодержания континентальной воздушной массы, выходящей на морскую поверхность, и растет с увеличением скорости приводного ветра. В центре МЦ паросодержание близко к фоновым значениям.

4. Среднесуточные суммарные потоки тепла от морской поверхности в атмосферу в мезоциклонах над ДВ морями примерно в 2 раза выше

среднемесячных значений и составляют 200-500 Вт/м2, а в южной части Японского моря могут достигать 600-1000 Вт/м2.

Апробация результатов работы Основные результаты работы опубликованы в четырёх журнальных статьях (одна статья принята в печать), в 8 статьях в трудах конференций и симпозиумов, доложены автором на двух международных и 6 российских конференциях.

Реализация результатов Основные результаты работы использовались при выполнении плановых тем института, отражены в отчётах по ФЦП «Мировой океан», по грантам РФФИ 06-05-96076-р_восток_а, 08-05-99109-р_офи, 11-05-12047-офи-м-2011 и по международным проектам.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 38 научных работ, из них 3 статьи в журналах из списка ВАК, 1 в зарубежном рецензируемом журнале, 1 принята к печати в журнале из списка ВАК, 8 в сборниках трудов международных конференций, 13 в сборниках тезисов российских конференций, 12 - в сборниках тезисов международных конференций.

Личный вклад автора Автором создан архив спутниковых изображений с МЦ над ДВ морями за 7 холодных месяцев (октябрь-апрель) периода 2003-2011 гг. Представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Расчеты, анализ и интерпретация полученных результатов сделаны автором лично.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём работы 171 страница, включая 62 рисунка, 3 таблицы, список литературы и 14 приложений. Список литературы состоит из 104 источников.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, цель и задачи исследования, описывается объект и предмет исследования, указывается, в чем состоит научная новизна и практическая значимость результатов, а также формулируются положения, выносимые на защиту. Основная часть работы состоит из 5 глав.

В главе 1 дается обзор литературы, освещающий историю и современное состояние исследований интенсивных морских мезоциклонов.

В главе 2 дана характеристика спутников и датчиков, описаны данные и методика их обработки.

В главе 3 дана краткая климатическая характеристика района исследований и охарактеризованы условия формирования и развития интенсивных мезоциклонов над ДВ морями.

В главе 4 приведены результаты исследования структуры и характеристик отобранных из архива мезоциклонов над Охотским и Японским морями, западной частью Берингова моря и прилегающей к нему акваторией Тихого океана и параметров океана и атмосферы в зоне их влияния по данным мультисенсорного спутникового зондирования.

В главе 5 приводятся результаты статистических исследований мезомасштабной