Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Количественные характеристики внутренней структуры АПС для типовых синоптических ситуаций на Украине

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Количественные характеристики внутренней структуры АПС для типовых синоптических ситуаций на Украине"

ОДЕССКИЙ ЧЩШЕТЕОГОЛОГИЧЕШШ ИНСТИТУТ

Н-> правах рукописи

БОРОВСКАЯ Галина Александровна

УДК 551.509,313

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ АПС ДЯН ТИПОВЫХ СИНОПТИЧЕСКИХ СИТУАЦИИ НА УКРАИНЕ

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

У / диссертации на соискание учоной стешни /\ /

кандидата географических наук"

Одесса -- 1992

.„У*

Работа выполнена а Одесском гидрометеорологическом ин^пгуте Научные руководители: доктор географических наук, профессор Раевский А.Н. , доктор физико-математических наук, профессор Шнайдман В.А. Официальные оппоненты: зав. к "Эфедрой общей метеорологии 01Ш, профессор, доктор физико-математических • наук . . . ,

Ефимов В.А.

ст. научный сотрудник ш.^титута радиоэкологии, кандидат географических наук Лев Т.Д.

Ведущая организация: Украинский Центр Экологии Коря

Защита диссертации состоится 19 ноября 1992 г. в 10 часов на заседаши специализированного совета К-С68.04.С1 н' Одесском гвд. ометеорологическом институте в зале заседаний по адресу: "ЖЮ16, Одесса-16, ул. -г -.вовская, .15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Одесского гидрометеорологическог института.

Автореферат.разослан "/9 " октября 1992 г.

Лчэный секретарь сп91 ализировшшого совета Н.С.Лобода

(

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теш. Решении задач охраш атмосферного воздуха, локального прогноза и метеорологического обеспечения авиации требувт детальных сведений о циркуляционном режиме и турбулентном обмене в !сшшх слоях атмосферы.

В настоящее время харяктористики цирку ляцношюго режима ' определяются на основс анализа синоптических процессов путем обработки данных метеостанций и пунктов радаоз^ дарования. Сведения о пространственно-^«пенном распределении параметров турбулентности могу? быть получены с помощью физжо-математмчес-кого моделирования.

В связи с этим является актуальной решаемая в диссертационной работе задача комплексного синоптико-гидродиначичэского■ анализа, основанная ка тчделопип характерных синоптических ситуаций и физико-матечатичоскси моделировании п'лркуляциогагого режима и турбулентного обмена, сформированных под воздействием крушгамаештабкнх . атмосфэр£!ых процессов и подстиланцей поверхности. '"."..

Предлсгазнняй в диссертационной работа лодхо? объединяет и существенно рзсЕг.таяет разработанные до ста пор методы диагноза синоптических процессов л моделирования внутрежей структуры атмосферного пограничного слоя (АПС) для ограниченной территории. •

Цель и задачи исследования. Основная цель глесертационнсй работы - разработка метода количественного описания пространственно-временного распроде^лнль характеристик АПС на основе математического моделирования н анализа ~синоптических ситуаций над территорией Украшга. Роалтаацля поставленной цели была осу- -щесгвленз путем ретения следующих задач:

1. Выявление я^ксконернсстей цирлулящ-гашюго я гермич-'.с:«!-

го рэжшэ на Украина. Уточнение классификации синоптически* г-1- ; туаций.

2. Разработка комплексного метода количественной сценкн характеристик внутренней структура АЯО для пшових сшюптичас- ^ ких ситуаций. .

3. Оценка ггространственно-Р'пемошшго распределения параметров динамического и термического взаимодействия ¡.тыоа^еры и подстилащей цовархпости для описания трансформации воздушной массы.

Расчет трехмерного распределения циркуляционных и турбулентных характеристик, упорядоченных вертикальных движений ' для типовых синоптических слтуа:да.

Методика исследования к использованные материалы. Методика ' исследования состоит в приложении математической модели пограничного слоя атмосферы для опт '.ания характеристик к чкнего слоя атмосферы в районе исследования по стандартной аэронел&орологи-чес;%ой информации.

При уточнении типизацкл синоптических ситуаций на Украине' использовались ежедневные карте погоди, составлешше в ГМЦ ССОР . за 1978 - 1587 гг. Использованы данные радиозондирования пункта • Одесса га 10-летний период, по которым произведена классификация термодинамических условий, определяэдих внутренние структуру АПС в нрибрсшюй • зона Украины.

Выявление количественных характеристик АПО для типовых синоптических ситуаций осуществлялось с помощью модели стратифи-' цирочэыого пограничного слон по данным радиозондирования восьми пунктов Укракш (Харьков, Львов, Уасгород. ЧоркоЕцы, Оимфвлю-• псль, Одесса, Кривой Рог, Киев).

" Нбуччй?: ношзкп работы состоит в том, что для количествен-ш.ч оцоюп ^рэстрш-итвон1'; ■т>*кэкк распределения характерно-

- Б -

тик циркуляционного режима и турбулентного обмена над ограниченной территорией впьрвые применен комплексный стаоптико-гид-рсдкношчоский подход, включающий синоптический анализ и результаты математического моделирования внутренней структуры АПС для типовых атмосферных процессов, протекавши над Украиной.

• ; На зв-дкту выносятся слодухвдяэ. результата, представляющие научную и практическую значимость:

'1. Классификация синоптичаслх положогай для выделения. типовых термобарачееккх полей, определяющих структуру АПС 'над 'ог-" раничепной торритор -чй в количественное ошгчниэ характерных синоптических ситуаций для территории Украины.

2. Сингтотко-гщфодинамический ме^од описания циркуляционного, термического режимов и турбулентного сбпэна в АПС.

3. Количественное описание внутренней структуры АПС для характерных, термодинамических условий Одессы и типовых синоптических ситуаций Украины.

4. Пространственно-временное распределение упорядоченных вертикальных токов для характерных синоптически^ ситуаций над Украиной.

Обоснованность и риоверность выполненного исследования определяется том, что для анализа выбран 1 О-летни* период наблюдений, применением эксперимг гга.илю пгЬверет.-ий модели АНС, физически подтвержденными связями мевду термобарическими полями и результатами. математического моделирования.

Практическая значимость состоит в том, что получение результаты могут быть использозани для оценки распределения концентраций вредных примесей для типовых синоптических ситуаций, разработки методов метеорологического обеспечения авиации и'локального прогноза погодн ■ •

Апробация работы. Основные результаты диссертационной ра-

\

Cora докладаввлись на отчетных научных конференциях ОГСИ (1987. 1989, 1991 .) и опубликованы в трех статьях.

Сту -КТУТ1П и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и приложения. Обдай обьем работы составляет 131 страница машинописного текста, 17 таблиц, 1.7 рисунков; список литературы включает 111 источников.

ОСНОВНОЕ ООДЕРЯАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности, диссертационной работы, формулируется основная даль и намечаются пути ле реализации. Здесь также излагается суть методики исследования, научная в зд.->на, практическая значимость, приводится краткое со дер-адате работы. ...

В гогвой глава приводится характеристика физико-географических условий района исследования. Представлен обзор имеюцихся в литературных источниках данных о распределении метеорологических величин, об основных синоптических процессах, оказывающих непосредственное влияние на формирование пограничного слоя на Украине.

В данной главе рассматривается основные положения модели АЛО, используемой для расчетов термических и динамических характеристик пограничного слоя. Эта модель отвечает следуюгады требованиям: .

- учтены основные фактора, формирующие АПС — структура кругоюмаситабного атмосферного потока, воздействие подстилающей поверхности, Еерт^;альный турбулентный обмен - существенно раз-личещиеся при таловых синоптических сь.уациях;

- для расчета входных параметров используется стандартная р.оросЕкоптдчэская информация.

Используется современное физико-математическое мздэлцрова-

ио дл>< количественного описания циркуляциониого режима и турбулентного обмена.

Вторая глава посвящейа исследованию циркуляционных условий 1а Украине и_выделению на основании принципа анолоптчности ти-говых синоптических ситуаций.

В зависимости от структуры высотного термобаричзского поля I траекторий перемещения основных барических образований у по-юрхности земли, з так асе особенностей переноса ьоздуиных масс [ад первым естественно-синоптическим районом били выделены 14 ;ипоз синодических ситуаций, существенно различающихся по ха-)актеру погодных условий:

- I тип. Территория Украины находится под влиянием южной гериферии циклонов, перемещающихся первоначально по север.шм, юрям Европы к востоку, а затем резко меняющих траекторию движения на северо-западную или северну». В этом случае происходит усиление высотного гребня над Норвежским морем и Скандинавией. (8.0%):

- II тип. Украина находится под влиянием периферии цикло-юв, смещающихся в соответствии со структурой термобарического юля с запада, примерно вдоль 50° с.и., (2.8%);

- III тип. Погода на Украине определяется передней частью гакных циклонов (2.82);

- IV тип. Вся территория Украины находится под влиянием стационарного циклона (4.6");

- V „тип. Погоду формирует частный .(местный) циклон (4.6%);

- VI тип. ?Далоградиентное поле пониженного давления (10.4%); -

- VII тип. Территория Украины находится под влитием греб- • ая или восточной периферии северо-западных антициклонов при наличии над ЕЧС ведущего потока, направленного с Баренцева моря

- 8 -

на Нижнюю Волгу и Казахстан (6.4%);

- VIII тип. Погодные услор-гя обуславливают гребень или восточная периферия западных антициклонов. В этом случае над Центральной Европой и южными районами ЕЧС устанавливается ведущий поток западного направления (9.7Х);

- IX тип. Украина находится под влиянием гребня антициклона, расположенного над Карским морем или Таймырским полуостровом (0.4Ж);

- X, XI типы. Территорию республики занимает стационарный ' антициклон (9.5%), или частный антициклон (1.456);

- XII тип. Ыалоградиентное поле повышенного давления (19$);

. - XIII тип. Украина оказывается под влиянием гребня или *

западной периферии антициклона, расположенного восточнее. - над севером Каспия, Средней Азией или Сибирью (6.8$);

- XIV тип. Над Украиной располагается деформационное поле (10.8Х),.

Как видно из повторяемости процессов, наиболее часто за исследуемое десятилетие территория Украины находилась под влиянием малоградиентного барического поля повышенного дввления (тип XII, 19% или 419 случаев), , в роже - гребеня ,антициклона, ориентированного с северо-востока (тип IX, 0.4Ж или 8 раз).

Определенней практический интерес представляет оценка продолжительности существования данного типа синоптических ситуаций над территорией Украины. Самым продолжительным за исследуемое чисятилетие было стационироЕание антициклона (X тип) - 12 дней (288 часов). На сутки меньше погоду на территории республики формировали малоградиектное поле повышенного давления (XII •тип) и гребень или периферия антициклонов, смашаицихся с сйез-рс^пйиода Европы (VII тип).

Кроме типизации синоптических ситуаций была сделана лооыт-

ка пай.и взаимосвязь между выделенными типами и атмосферными фронтами. Рассматривались атмосферные фронта, их повторяемость и скорость перемещения через кавднй пункт.радиозондирования Ук- . раины. Для этих же пунктов вдальнейшем проводились расчеты внутренней структуры пограничного слоя.

Оказалось, что наибольшее число фронтальных разделов наблюдалось в Одессе (521 атмосферный фронт), а наименьшее - в Ужгороде (321 атмосферный фронт)., о Одессе, Киеве, Симферополе и Ужгороде наибольшую повторяемость среди всех фронтальных разделов имеют с;нов!ша холодные фронты. Число их случаев - 170, 133, 130, 116, соответственно. В Кривом Роге, Харькове, Львове и Черновцах погода чаще всего обусловлена прохождением теплего основного фронта. Скорость перемещения фронтальных разделов по. территории Украины в основном колеблется от 10 до 30 км/ч, причем, большая скорость отмечалась на юге республики.

В третьей главе излагается методика расчета термодинамических характеристик, формирующих структуру пограничного слоя по данным радиозондирования. Для получения фоновых' вертикальных профилей метеорологических величин и параметров турбулентности целесообразно выявить термодинам1гмскио условия формирования структуры АПО на основе классификации данных измерений. Основными критериями классификации являются:

- скорость и направление ветра на уровнях вблизи верхней границы пограничного слоя;

- перепад ' потенциальной температуры в', приземном подслое и в слое вблизи верхней границы погршшчного слоя.

Подчеркнем, что примененная к исходному материалу клаоси- , Фнкзция метеорологических величин отражает основные физически?» факторы, (борылрукцие пограничный слой.

Для детального анализа термодинамических характеристик АПС

использовались данные радиозондирования станции Одесса за 10 лет (1978 - 198''гг., за сроки СО "! 12 часов СГВ). Анализ выполненных количественных оценок ансамблей метеорологкческих состояний'показал, что в Одессе в течение всего лериода скорость фактического ветра на АТ-850 гПа чаще всего составляет 3-6 м/с в дневные часы и 7-10 м/с - ночью. Преобладающим направлением ветра вблизи уроЕня 1.5 км являются, ветри западных- четвертей. Чаще всего состояние атмосферы характеризовалось безадвективными условиями, безразличной стратификацией в АПС и слабой устойчивостью в свободной атмосфере.

При указанном диапазоне термодинамических условий значения динамической скорости (V„) изменялись от 0.01 до 0.05 м/с; значения высоты пограшмного слоя (Н) лежат в пределах 300-1000 м; максимум коэффициента турбулентности (К,иах) не . превышает 50 мг/с.

Таким образом, предложенный подход дозволяет оценить характерные количественные параметры атмосферного пограшгаого слоя. ' .

' Четвертая глава посвящена пространственно-временному распределению характеристик пограничного слоя при типовых:синоптических ситуациях.

Восстановление пространствешого распределения характеристик пограничного слоя при использовании разработанной модели осуществляется примоненниом процедура сплайн-интерполяции к полу чо гаг -м над отдельными пунктами радиозондирования характеристикам.

Выполненный анализ показал, что наиболее различающиеся термодинамические условия формирования структуры АПС наблюдаются при следующих синоптических ситуациях:

- 11 -

- южная периферия антициклонов, смещающихся с северо-запада (I тип);

- выход южных циклонов (III тип);

- стационарный циклон (IV тип);

- гребень или восточная периферия антициклонов, смещающихся с запада (VII тип);

- стационарный антициклон (X тип);

- распространение на запад гребня Сибирского или Среднеазиатского антициклона (XIII тип).

Были отобраны типовые случаи реализации перечисленных синоптических ситуаций и выполнены расчеты характеристик пограничного слоя.

В табл.1 приведены экстремальные и средние значения интегральных параметров АПС и максимального коэффициента турбулентности при вышеперечисленных типовых для Украины синоптических процессов.

В результате выполненного анализа были установлены основные закономерности распределения интегральных характеристик. Оказалось, что значения V„, Q0, Н, а зависят от характера подстилающей поверхности, интенсивности синоптического процесса и стадии развития барического образования.

Наибольшие значения динамической скорости V1>= 0.80-1.35 м/с наблюдаются в зоне теплого сектора циклона, находящегося в стадии максимального развития и непосредственно перед теплым фронтом в зоне наибольших градиентов и сходимости изобар.

Очаги небольшх значений 0.20-0.40 м/с соответствуют тылу и передней части циклонов, находяоихся в начальной ("молодой") и заключительной ("заполняющийся") стадиях развития; ан-тициклонэлышм полям.

Таблица 1

Интегральные параметры АПС и мгхсимапьшй коэффициент турбулентности 1фи типовых синоптических процессах на Украине

тип СМИ. значение парам 9 Т Р

процесса V,. Ч,. н, Vх'

М/С Вт/мг м ■ М/С

мах 1.35 57.2 1551 50 67.0

I м1п 0.13 --69.2 142 18 0.4

сроднее 0.60 -17.2 316 33 27.3

мах 1 .0 -0.3 1321 3е 48.5

Ш м!п 0.15 -118.4. 160 14 0.4

средне« 0.48 -26.2 30 14.0

мах 0.97 110.2 1995 42 58.5

IV ы1п 0.00 -56.3 99 16 0.2

среднее 0.42 -4.4 707 30 19.2

- ¡1£Х 0.82 53.0 1696 40 20.3

VII м1п 0.01 -36.7 13 О <. 0.1

среднео 0.32 -а.1 485 о 9 3.2

кпх 0.63 40.9 1163 49 41.1

л М111 0.01 -63.9 11 7 0.1

среднее 0.33 1.3 429 34 12.1

мьх 0.97 174.0 760 59 36.7

XIII м1п 0.00 -68.5 37 18 0.3

срода^о 0.43 -8.5 431 37 10.Б

В мэлоградпентг. ¡г/ я-;лях ниачения V* хар;; ¡ктгриз ук.тея нэанп -

читпльиоа простршст аониой изменчивое: ?ью и ДОСТИГ ают 0.10

- 13 -.

0.20 м/с. В прибрежной зоне отмечается уменьшение динамической скорости по отношению к районам, расположенным вдали от береговой черти.

Горизонтальное распределение приземного турбулентного потока тепла характеризуется следующими особенностям. Зоне теплого фронта присущи максимальные по модулю отрицательные' потоки |0о| = 70-100 Вт/м1. Устойчивая стратификация <<1 = - 30 --Бп Вт/м2) наблюдается в центре стационарного циклона; в чочнно часы в центре стационарного антициклона.

Наибольшая неустойчивость (0о= 80 Вт/м2) локализуется -го холодным фронтом в заполняющемся циклоне.

Слабая устойчивость 0о > -10 Вт/м2 и слабая неустойчивость бо < 10 Вт/мг характерна периферия!,• барических образований и малоградиентным полям. В этих случаях прослеживается суточный ход в поведениии й0.

Поле модельной еысоты пограничного слоя подвержено большой пространственной изменчивости от 50 м до 2000 м. Высоты АПС более 1 км наблюдаются в зоне теплых фронтов; на периферии стационарного антициклона, находящегося в стадии максимального развития; в тылу заполняющегося циклона.

Наибольшие значения угла отклонения приземного ветра от геострофического а > 35° наблюдаются при скорости ветра менее 5 м/с и в районах, где параметр шероховатости го > 0.25 м.

В пятой главе полученные количественные характерис-ики ЛИС позволили произвести расчет и проследить основные' закономерности взаимного распределения полей фрикционных токов и типовых синоптических ситуаций.

Для ситуации выхода па территорию Украины юкного циклона характерно следующее распределение фрикционных вертикальных движений:-'

- максимальные величины восходящих вертикальных движений (- 75 гГ1а за 12 ч) локализованы re рад теплым фронтом/ когда никлон достигает стадии максимального развития;

- максимальные величины нисходящих вертикальных движений наблюдаются в зоне фронта Ькклюзии и теплом секторе (до 80 гПа за 12 ч), в период, когда циклон начинает'заполняться (рис. 1а). -*

Характерно, что в этом случае центр циклона перемещается в зону наибольших восходящих движений. Этот факт мо^ет быть использован при прогнозировании траектории выхода южного циклона.

Аналогичная картина распределани: фрикционных токов наблюдается и при осуществлении процессов 1-го '.ила (рис. 16).

При стациснироватш циклона, максимальные вертикальные движения порядка - 40 гПа за 12 ч локализованы перед теплым фронтом и в теплом секторе (рис. 1в). Когда развитее циклона переходит от стадии максимального развития в стадию заполнения, то вертикальные движения меняют знак и достигают значений +15 -+20 гПа за 12 ч.

Чем менее интенсивен синоптический процесс, тем и пространственно-временное распределение фрикционных токов имеет меньшую изменчивость.

D период стационирования над территорией Украины антициклона наибольшие нисходящие движения до 30 гПа за 12 ч соответствуют центру антициклона (рис. 1г). В стадии разрушения оари-ческого образования происходит смена знака фрикционных движений до -20 гПа за 12 ч. Центр антициклона с малой скоростью (до 10 км/ч) смещаотся в зону нисходящих вертикальных движений.

При установлении малоградинтного поля (как пониженного, так и повышенного давления) вертикальные движения могут быть и восходящими и нисходящими, но численно близкими к "О".

еоо ;чо

/азг

Рис.. I. "Озаит.шое' распределение полей фрикционных токов и тияових- синоптических ** скт1^!;/;!.

сл I

- 16 -

В этой главе рассчитывались вертикальные профили скорости ветра и коэффициента турбулентности при типовых синоптических ситуациях, необходимые при решении задач распространения примесей.

Пространственная изменчивость максимума коэффициента турбулентности велика (от 0.02 м'/с до 69.2. (//с), что подтверждает необходимость учета зависимости коэффициента турбулентности от внешних факторов.

Б 67% случаев наиболее интенсивный рост зна^икЛ коэффшш-иа турбулентности происходит в приземном подслое. •

Б циклопических барических образованиях максимальные зпа-чения Кмах имеют большие величины, чем в полях, обусловленных антипиклонической деятельность» (табл. 1). Это связано с распределением барических градиентов в этих формах барического рельефа. Ь циклонах высота, на которой знача: ля коэффициента турбулентности достигают максимальных величин, лежат выше (250350 м), чем в антициклонах (100-2С0 м)..

Интерес ггаедставляет полученный результат, связанный с аномальным распределением коэффициента турбулентности, обусловленным сложны*.', характером стратификации - чередование .лоев устойчивости и "стойчивости. Такое явление отмечалось при . адвекции холодного г.оздуха в зоне холодного фронта. В условиях интенсивной термической неустойчивости в дневные часы величинн ^шх Достигали 300 м*/с.

Таким образом, совместный сшюптг со-гидродинамический анализ позволил количественно описать внутреннюю структуру' пограничного слоя, определимую циркуляционный'и термический регмм нижней части атмосферы над ограниченной, территорией.

Основные результаты, полученные в данной работе, могу7 быть сформулированы следующим образом:

- 17 -

1; Уточнена классификация синоптических ситуаций для Украины на основе анализа тэрмоОарических т^лей за период 1978 1Э87 гг.

2. Рассчитаны повторяемости основных тормодшакспеских параметров, армирующих АПС, вертулсалыг'Э распределение модуля скорости ветра и коэффициента турбулентности в прибрежной зоне.

3..Получено пространственно-временное распределение параметров динамического и термического/взаимодействия атмосферного потока и подстилающей поверхности для типовых синоптических ситуаций. * ,

■ 4. Рассчитано трехмерное распр?делбние циркуляционных и тгпбулентных параг^гров, упорядоченных вертикальных, движений для типовых синоптических ситуаций. ■

Основные положения работы изложены в следующих публикациях:

1. Боровская Г.А. Количественные характеристики пограничного слоя атмосферы в прибрегйпй зоне. - Метеорология, климатология и гидрология, 1992, Л 28, с.113-117.

2. Боровская Г.А., Лазырина О.М., Шнайдман.В.А. Простран-ствешгое оаспределение характеристик ПСА по территории Украины при типовых синоптических ситуациях. - Одэск. гидромет. ин.-т. - Одесса. - Деп. в УкрИИГЭИ, й 1326 -УК 32. '

3. Лазырина О.М., Боровская Г.А. Комплексный метод восстановления турбулентно-циркуляционной структуры АПС (по чарке-быльским данным). — Одеск. гидромет. ин.-т.'- Одесса. - Деп. в У:срШТЭИ, 3 1332 —УК 92. '