Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Сильные ветры на Сахалине: условия формирования, пространственно-временное распределение и синоптико-статистический способ краткосрочного прогноза

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Сильные ветры на Сахалине: условия формирования, пространственно-временное распределение и синоптико-статистический способ краткосрочного прогноза"

о"

о :

4 '

На правах рукописи

ВАСИЛЕВСКАЯ ЛЮБОВЬ НИКОЛАЕВНА

СИЛЬНЫЕ ВЕТРЫ НА САХАЛИНЕ: УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ, ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И СИНОПТИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

ВЛАДИВОСТОК - 1997

Работа выполнена в Дальневосточном государственном университете

Научные руководители: доктор географических наук, профессор кандидат физико-математических наук

Дашко НА. Варламов С.М.

Официальные оппонента: доктор географических наук, профессор кандидат географических наук

Кондратович К. В. Карасев Е.В.

Ведущая организация - Сахалинское территориальное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г. Южно-Сахалинск)

Зашита состоится ¡¡/¿"«^£^£1997 г. в 15 час. на заседании специализированного Совета К 064. 58. 05 при Дальневосточном государственном университете

по адресу: г. Владивосток, ул. Мордовцева, 12, малый актовый зал, 4 этаж. Отзывы просим присылать по адресу:

690600 г. Владивосток, ул. Суханова, 8, ДВГУ, геофизический факультет, кафедра метеорологии, климатологии и охраны атмосферы, Ученому секретарю специализированного Совета К 064. 58. 05.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного университета.

Автореферат разослан " 1997 года

Ученый секретарь специализированного Совета1

'Qj-íO ^1иЛ-^_^-Блохина В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Наиболее часто повторяющимся опасным явлением погоды на терри- • тории Сахалина, особенно в холодное полугодие (октябрь-март), являются сильные ветры (£15 м/с). На усиление ветра оказывает влияние конфигурация береговой черты, неоднородность рельефа, активность атмосферной циркуляции, большой вклад вносят также мезомасштабные движения в нижнем слое атмосферы.

Сильные ветры наносят большой ущерб народному хозяйству. Исследование режима сильных ветров и их прогноз, являющиеся наиболее важными задачами гидрометеорологического обеспечения различных отраслей — строительства, энергетики, авиации, автомобильного и железнодорожного транспорта, жизнеобеспечения населения и др., требуют комплексного изучения метеорологических и синоптических факторов, обусловливающих возможность возникновения штормоопасных ситуаций.

Повторяемость сильных ветров на Сахалине в отдельные месяцы холодного полугодия достигает 20-40%. Нередко сильные ветры сопровождаются низкими отрицательными температурами воздуха (до -15 "С и ниже), что затрудняет проведение производственных работ на открытом воздухе и вносит негативные коррективы в плановые мероприятия. Сильный ветер является исключительно важным фактором, определяющим работу морских портов.

Значительное отложение мокрого снега, в сочетании с ураганными продолжительными ветрами, приводит к массовым повреждениям линий электропередачи и линий связи. Очень часто сильные ветры вызывают сход снежных лавин, парализующих движение транспорта и создающих угрозу жизни людей.

Углубляющийся энергетический кризис, быстрое истощение запасов топлива, постоянное возрастание иен на него, увеличение потребления энергии. глобальное загрязнение окружающей среды требует привлечения дополнительных (альтернативных) энергоресурсов, в том числе и вегровых.

Поэтому исследование процессов формирования режима ветра, для его учета при решении прикладных задач.и, в частности, для обоснования рзззн-

тия ветроэнергетики, является одним из актуальных и перспективных направлений научной деятельности. Неудовлетворительное состояние отечественной ветроэнергетики объясняется рядом причин, среди которых немаловажное значение имеет слабая изученность закономерностей формирования ветрового режима и ветроэнергопотенциала. Это, в первую очередь, относится к Сахалину.

В обшей системе гидрометеорологического обслуживания, помимо регулярного обеспечения краткосрочными и долгосрочными прогнозами погоды многих отраслей народного хозяйства, большое значение придается ре-жимно-справочным материалам, без которых на современном этапе не производится ни одно проектирование строительства промышленных объектов, производственных и жилых зданий. Тем более, если такое строительство осуществляется в условиях острова с его суровым ветровым и температурным режимом.

Возникновение сильных ветров, частые и продолжительные штормы над Сахалином в холодное полугодие обусловлены, в основном, выходом глубоких циклонов на Охотское и Японское моря, когда над Сахалинской областью устанавливаются длительные периоды штормовой погоды. Скорости ветра в это время могут достигать ураганной силы (230 м/с).

Ярким примером тому служит смещение 24-25 ноября 1989 г. на территорию Сахалина циклона из северо-восточных районов Китая, объединившегося с циклоном, находящимся над Южными Курилами. Количество, выпавшего в течение 2.5 суток, снега в Полтора-два раза превысило месячную норму. На юге острова ветер усилился до 25-35 м/с и продолжался в течение суток. Отложение мокрого снега, на фоне ураганных продолжительных восточных ветров, привело к значительным повреждениям линий электропередачи.

В зоне активного воздействия циклона оказалось 525 тыс. человек, или 80% населения области. Стихией было выведено из строя 80% магистральных высоковольтных линий электропередачи, значительная часть низковольтных сетей, линий связи, отдельные участки автомобильных и железной дорог. Полностью без электроэнергии остались 9 городов Южного Сахалина. Пре-

кратили добычу угля 5 шахт. В результате создалась критическая ситуация в жизнеобеспечении населения, экономика области была парализована.

Имеющиеся исследования ветрового режима над Сахалином посвящены в основном синоптическим и климатическим обобщениям с представлением набора традиционных показателей по отдельным станциям, которые.лишь в общем освещают своебразие и сложность погодно-климатических условий острова. Большинство сведений о режиме штормовой деятельности на Сахалине находится в разрозненных источниках и уже не отвечает современным требованиям, предъявляемым к подобного рода информации.

За последнее время выполнено немало исследований по разработке и усовершенствованию способов прогноза сильных ветров, проверке успешности применения их в различных районах. К сожалению, использование этих методов на Сахалине, отличающемся своеобразными, сложными физико-географическими особенностями и расположенном в области восточно-азиатского муссона, не представляется возможным.

Сложная структура ветрового поля над Сахалином создает большие трудности при его прогнозировании и требует детального учета особенностей усиления ветра и факторов, обусловливающих это усиление, включая состояние нижнего слоя тропосферы.

Цель работы

Целью работы явилась выработка научно-пракпгческих положений, направленных на решение проблемы гидрометеорологического обеспечения отраслей экономики Сахалина на основе детального изучения режимных показателей сильных и ураганных ветров, штормовой деятельности в холодное полугодие, аэросиноптических условий формирования этих опасных явлений погоды и разработки методики синоптнко-статистического краткосрочного прогноза скорости и направления сильного ветра.

Задачами исследования в соответствии с поставленной целью являются:

- оценить (при необходимости устранить) влияние смены приборов и изменения дискретности измерений на ряды наблюдений за сильным ветром

и результаты их обработки; обосновать оптимальный период наблюдений для статистических расчетов;

- выявить закономерности пространственно-временной изменчивости режима сильных, ураганных и максимальных ветров и штормов с различными типами изменения направления ветра во время шторма и дать их физико-географический анализ;

- на основе учета периодов с увеличенной и уменьшенной штормовой деятельностью определить расчетную максимальную скорость ветра редкой повторяемости и подобрать аппроксимирующую функцию распределения годовых максимальных скоростей ветра малой повторяемости;

- проанализировать особенности многолетнего хода максимальной скорости ветра;

- произвести районирование рассматриваемой территории по климатическим показателям, наиболее полно характеризующим режим сильных ветров и штормов с привлечением различных критериев;

- изучить циркуляционные условия формирования сильных ветров и штормов и их связь с основными формами атмосферной циркуляции;

- произвести картирование Сахалина по режиму сильных ветров в зависимости от траектории циклонов, и выявить характерные штормоопасные синоптические процессы в каждом месяце холодного полугодия;

- исследовать метеорологические условия возникновения сильных ветров и дать анализ характера изменения скорости и направления ветра в нижнем 3 -километровом слое атмосферы для целей прогнозирования сильного ветра у поверхности земли;

- для сильного ветра в зависимости от его направления рассчитать переходные коэффициенты от скорости геострофического ветра;

- выявить информативные предикторы для построения уравнений регрессии, позволяющих после отнесения синоптической ситуации к штормо-. опасной, рассчитать скорость сильного ветра с суточной заблаговременно-стью;

- выработать рекомендации для потребителей гидрометеорологической информации по оптимальному использованию полученных выводов и практических положений.

Научная новизна работы

1. Изучены и обобщены все сведения о сильных и ураганных ветрах в холодное полугодие на основе данных восьмисрочных наблюдений, для чего выявлены закономерности пространственно-временной изменчивости различных характеристик направления, скорости, продолжительности сильного ветра, числа дней с сильным и максимальным ветром, изменения направления ветра во время шторма.

2. Рассчитан результирующий сильный ветер для ряда пунктов, равномерно расположенных на территории острова, за каждый из шести месяцев холодного полугодия.

3. Изучены долгопериодные изменения максимальной скорости ветра, позволяющие отнести изучаемое двадцатилетие (1966-1986 гг.) холодного полугодия к зональной циркуляционной эпохе.

4. Определена расчетная максимальная скорость ветра редкой повторяемости на основе учета периодов с увеличенной и уменьшенной штормовой деятельностью и произведена сравнительная оценка вероятностных скоростей ветра с аналогичными характеристиками, полученными другими авторами.

5. Выполнено районирование Сахалина по режичу сильных ветров и штормов с помощью параметрических и непараметрических критериев.

6. Исследованы вертикальные особенности нижних слоев атмосферы при возникновении сильных ветров. Изучена связь сильного ветра с мезо-струйными течениями.

7. Выявлена связь между штормовой активностью и основными фор мами атмосферной циркуляции по O.K. Ильинскому.

8. Получены карты распределения продолжительности штормов для разлтных траекторий "штормоопасных" циклонов с вероятностью начала и окончания шторма.

9. Произведена типизация разновидностей высотных деформационных полей в лень угрозы и на момент возникновения сильных ветров для всех шести месяцев холодного полугодия (октябрь-март).

10. Показана целесообразность и предложены практические приемы использования синоптико-статистического подхода для краткосрочного прогноза сильного ветра на основе применения корреляционного анализа.

II. Разработан синоптико-статнстический способ прогноза направления и скорости сильного ветра на Сахалине, реализация которого заключается в оценке синоптической ситуации района исследования и последующем расчете скорости и направления сильного ветра (по его меридиональной и зональной составляющим) с использованием процедуры линейного регрессионного анализа.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Закономерности пространственно-временного режима сильных ветров и штормов в холодное полугодие на Сахалине.

2. Районирование исследуемой территории по режиму сильных ветров и штормов с использованием различных критериев.

3. Особенности метеорологических условий возникновения сильных ветров по данным температурно-ветрового зондирования атмосферы.

4. Типизация траекторий штормоопасных циклонов, приземного и высотного деформационного полей, способствующих усилению ветра у земли.

5. Методика синоптико-статистического способа краткосрочного прогноза, позволяющая после отнесения синоптической ситуации к штормоопас-ной, определить скорость и направление сильного ветра с суточной заблаго-временностью..

Практическое значение

Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты могут быть использованы при гидрометеорологическом обслуживании многих отраслей экономики Сахалина, в той или иной степени зависящих от гидрометеорологических условий.

Статистическая обработка данных по направлению и скорости сильного ветра позволила получить интересные, оригинальные показатели режима . зимнего сильного ветра, столь необходимые в строительной климатологии

Предлагаемый в настоящей работе подход к вопросу районирования территории по тем или иным метеорологическим^ показателям и разработанные алгоритмы типизации найдут применение при решении подобных задач в любом из разделов прикладной климатологии.

Апробация работы

Основные выводы работы и результаты отдельных разделов докладывались на Международной конференции "Глобальные изменения природной среды на Дальнем Востоке" в 1996 г., на научных конференциях преподавателей и студентов Дальневосточного государственного университета в 1995 и 1996 гг., в Дальневосточном научно-исследовательском гидрометеорологическом институте (1997 г.), 403 Гидрометеорологического центра Гидрографии КТОФ (1997 г.).

Результаты исследования и некоторые материалы используются при обучении студентов отделения метеорологии океанологии, гидрологии суши в дисциплинах "Синоптическая метеорология", "Региональная синоптическая метеоролгия", "Долгосрочные прогнозы погоды" в Дальневосточном государственном университете и судоводителей в Дальневосточном государственном техническом рыбохозяйственном университете в программе спецкурса "Оперативное использование карт погоды в Судовождении" при обучении курсантов по специальности "Судовождение".

Объем и структура диссертации.

Диссертация обшим объемом 311с. состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложения. В основной части работа содержит 150 с. текста, 64 таблицы и 48 рисунков Список литературы включает 211 исследований российских и зарубежных авторов. Приложение .занимает 23 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении большое внимание уделено состоянию проблемы И обоснованию выбранной темы диссертации, указывается ее актуальность, научное и практическое значение. Сформулированы цель и задачи исследования. Обозначены основные положения диссертации, выносимые на зашиту, приводится краткое содержание каждой главы.

В первом разделе выполнен обзор исследований, посвященных изучению ветрового режима и прогнозу ветра у земли. Пристальное внимание уделено работам дальневосточных ученых: O.K. Ильинского. Р.А. Сонькина. Ф.А.

Абибулаева, Г.С. Моисеенко, H.A. Дашко, J1.H. Малышевой и др., изучавшим режим и синоптические условия формирования поля ветра над тем или иным районом Дальнего Востока.

Научную литературу, посвященную анализу и прогнозу ветра над различными районами Земного условно можно разделить на три группы.

К первой относятся режимные работы, освещающие территориальное распределение ветров различных скоростей, изменчивость их в течение года, зависимость силы и направления ветра от рельефа местности, возникновение местных ветров .Особое место в работах этого типа уделяется изучению сильного ветра, получению статистических характеристик последнего у Земли и на высотах. .

Кроме того, немалое число работ посвящено проблеме решения методических задач инструментального определения скорости ветра и оценки климатических параметров ветрового режима. Так, исследователи Главной геофизической обсерватории. Гидрометцентра России и различных научно-исследовательских гидрометеорологических институтов Нашей страны и зарубежья проводили натурные и лабораторные съемки и измерения, а также тщательные теоретические разработки в этом направлении.

К наиболее важному в области прикладной климатологии следует отнести вопрос определения вероятностных значений максимальной скорости и непрерывной продолжительности ветра, расчет ветровых нагрузок для целей ветроэнергетики и проведение районирования территорий по тем или иным ветровым показателям.

Вторую группу составляют работы, в которых анализируются аэросиноптические условия возникновения сильных ветров и предлагается качественный прогноз их в зависимости от типа синоптического процесса.

В третью группу вошли исследования, содержащие объективные и "полуобъективные" способы прогноза скорости и направления ветра. Они основаны на учете взаимодействия многих факторов, отражающих физические особенности прогнозируемого явления.

Как известно, трудно, а порой невозможно разработать классификацию или способ прогноза, пригодные для использования в любом физико-географическом районе. Поэтому наиболее важной задачей исследований яв-

ляется выбор таких предсказателей, которые достаточно точно отражают синоптические процессы, приводящие к образованию сильных ветров в конкретном районе.

Признавая несомненную важность проведенных исследований и полученных для отдельных районов нашей страны результатов , необходимо учитывать, что накопление данных дает возможность рассчитывать новые климатические показатели, применительно к запросам гидрометеорологического обеспечения различных отраслей народного хозяйства, уточнять и детализировать аэросиноптические условия возникновения сильных ветров.

Анализ научной литературы позволил сделать вывод, что наиболее приемлемым для краткосрочного прогноза сильного ветра на Сахалине (как островной области) является синоптико-статистический метод.

Во втором разделе дается характеристика используемых материалов, обоснование границ холодного периода (октябрь-март) в плане изучения штормовой деятельности и описание различных статистических критериев, используемых в работе.

Основой дяя любых климатических обобщений являются многолетние ряды наблюдений. От их полноты и качества зависят надежность и точность рассчитываемых параметров, а, следовательно, и степень адекватности статистической модели фактическому распределению. Поэтому в данном разделе много внимания уделено вопросам выбора пунктов наблюдений и подготовки рядов к статистической обработке.

Согласно действующим наставлениям по муж бе прогнозов, ветер скоростью > 15 м/с отождествляется с опасным явлением погоды, а ветер при максимальной скорости йЗО м/с для побережий (акваторий) океанов, арктических и дальневосточных морей считается стихийным гидрометеорологическим явлением (или ураганом). В настоящей работе исследовались ветры именно такой силы, полученные при осреднении за промежуток времени 2 и 10 мин. Помимо этого, изучалась максимальная скорость ветра (при порывах), под которой понимается наибольшее значение мгновенной скорости (осредненной за 3-5 сек) ветра в срок наблюдения, которое было зафиксировано в течение 2-х или 10-минутного интервала.

Исходными материалами служили данные восьмисрочных наблюдений по 16 репрезентативным станциям Сахалинского УГКС за 20-летний период холодного полугодия (1966-1986 гг.), сведения о результатах аэрологического зондирования атмосферы по трем, имеющимся на Сахалине, аэрологическим станциям - Александровску-Сахалинскому, Поронайску и Южно-Сахалинску, а также синоптические архивное материалы Гидрометеорологического центра Российской Федерации, 403 Гидрометеорологического центра Тихоокеанского флота, фондов Сахалинского УГКС и кафедры метеорологии, климатологии и охраны атмосферы Дальневосточного государственного университета.

Главными критериями привлечения наблюдений метеорологических станций к обобщению и расчету характеристик сильного ветра были: наличие метеорологических данных за весь исследуемый период в фондах Сахалинского УГКС; фактор однородности и ненарушенности всего периода наблюдений над ветром (из-за переноса станций в иные физико-географические условия местности); и высокая степень открытости станции, средняя для данной местности. Исследовались данные тех метеорологических станций, класс открытости которых велик (£ 6 - по классификации В.Ю. Милевского), что является очень важным для правильной интерпретации различных климатических показателей сильного ветра по данным метеорологической сети.

Неоднородность исходных рядов по скорости ветра, связанная со сменой ветроизмерительных приборов (замена флюгера анеморумбометром на Сахалинской метеорологической сети произошла в начале изучаемого периода) корректировалась путем введения переходных коэффициентов.

За шторм в работе условно принималось усиление ветра до критерия опасного на одной или нескольких станциях, независимо от направления и продолжительности ветра, причем, перерыв между штормами превышал шестичасовой отрезок времени.

При разработке прогностических схем вслед за изучением синоптиче-. ских условий возникновения сильных ветров, рассчитаны уравнения множественной линейной регрессии для меридиональной и зональной составляющих сильного ветра, в основу составления которых был положен классический метод, предполагающий наличие асинхронных связей между предикторами и предикгантом. Использование этого метода статистически обоснован-

но, т.к. распределения составляющих сильного ветра (зональной и меридиональной), можно считать, в первом приближении, более близким к нормальному (в отличие от модуля скорости сильного ветра).

Третий раздел посвящен климатическим особенностям сильного ветра и режима штормов на Сахалине. Здесь подробно исследуются: рельеф и макро-циркуляционные факторы формирования ветрового режима, пространственно-временное распределение различных климатических показателей направления, скорости и продолжительности сильных ветров; рассчитывается результирующий сильный ветер, имеющий огромное значение для целей прикладной климатологии, а также исследуются долгопериодные колебания максимального ветра, -"с-являющие несомненный интерес с теоретической и практической точек зрения.

Пространственно-временное распределение среднего месячного числа дней с сильным ветром (>15 м/с) показывает, что на мысах и в юго-западной части острова оно наибольшее (от 25 до 47 дней за полугодие), а на восточном побережье, в заливах Терпения и Анива, а также во внутриостровных областях - наименьшее (от 2 до 9 дней). Во внутригодовом ходе в декабре на большей части острова чаше всего регистрируются сильные ветры, а минимальное количество дней с сильным ветром приходится на всей территории на март.

Восточное побережье разительно отличается от западного: сильные ветры регистрируются здесь значительно реже. Так,' в Погиби число дней с сильным ветром составило 346, а в Ногликах, находящихся на противоположном, йос-точном, побережье оно равняется всего 93. В Южно-Сахалинске, расположенном в Сусунайской низменности, и защищенном горами, сильный ветер наблюдался лишь в течение 32 дней за все 20 холодных полугодий исследуемого периода.

Аналогичная картина наблюдается в распределении числа дней с порывами Si5 м/с. В среднем эта характеристика превышает в 2-3 раза число дней с сильным ветром, т.е. кратковременные, мгновенные усиления ветра до критерия опасного, значительно превосходят усиления более продолжительные, регистрируемые в течение 10-ти минутного интервала.

Коэффициент корреляции между средней .месячной скоростью ветра (V) и среднемесячным числом дней с сильным ветром (п) составляют 063. Уравнение линейной связи имеет вид: У = 0.34 п +3.74.

Анализ пространственно-временного распределения различных характеристик сильного ветра подтвердил муссонный характер ветрового режима исследуемой территории. Однако, режим сильных ветров в холодное полугодие имеет свои характерные черты, в значительной степени обусловленные влиянием физико-географических особенностей.

Повторяемость сильных ветров господствующих румбов на ряде станций Сахалина испытывает заметные изменения от года к году (среднее квадратиче-ское отклонение повторяемости достигает 10-20%).

На прибрежных станциях Западного Сахалина северное направление отмечается более, чем в половине всех случаев сильного ветра (от 53 до 69%). В данном случае направление муссонного Потока повторяет очертания береговой линии. На севере Сахалина, в районе Северо-Сахалинской равнины преобладают северо-западные ветры (от .37 до 40%). На восточном побережье острова рельеф (берег остается справа от воздушного потока) способствует усилению северных ветров, поэтому вероятность их довольно велика (от 32 до 58%).

Вероятность штормовых ветров восточной четверти на севере и в центральной части западного побережья очень низка (от 0.1 до 2%). На перешейке Поясок сильные восточные ветры довольно часты (18%). На юге острова вдоль узкой полосы западного побережья ветры восточной и южной четвертей наблюдаются редко (от 2 до 7%). Однако, вероятность их увеличивается в районах горных распадков, ориентированных широтно, к примеру, в Невельске восточный ветер отмечается в 12% случаев.

Средняя скорость ветра в холодное полугодие на западном побережье острова составляет 5-9 м/с (что выше летних скоростей на 2-3 м/с), на восточном- в Течение года — 3-5 м/с. Увеличение средней скорости ветра на западных и южных прибрежных станциях в холодное. полугодие обусловлено воздействием общециркуляционных процессов, а на восточном побережье и внутри острова этот процесс практически не проявляется, что объясняется влиянием орографии, уменьшающей это воздействие. Средние скорости силь-

ных ветров во второй половине холодного полугодия (январь-март) выше, чем в первой (октябрь-декабрь).

В большинстве районов острова во вторую половину холодного полугодия возрастает вероятность ветра силой 20-24 м/с, по сравнению с первой половиной, и ураганные ветры (>30 м/с) наблюдаются чаше. Наиболее вероятны ураганные ветры на побережье пролива Невельского и на мысах (4-6%), в остальных районах они составляют 2-3% от числа случаев с сильным ветром. На восточном побережье ураганные ветры очень редки (0.6%), а на северо-востоке и юге внутриостровной области в течение исследуемого периода не отмечались вообше.

Ветер у поверхности земли редко бывает устойчивым, он, как правило, характеризуется порывистостью, которая носит неупорядоченный характер. Выполненные расчеты показали, что при сильных ветрах коэффициент порывистости на Сахалине составляет в среднем 1.26-1.27, изменяясь от 1.21 до 1.31, причем величина его почти не зависит от скорости сильного ветра.

Особенно большой продолжительностью штормовая, погода отличается на мысах и на юго-западе острова, менее продолжительны сильные ветры на севере и в центральной части западного побережья. Очень кратковременно усиления ветра до критерия опасного на восточном побережье, во внутриост-ровных областях и в закрытых заливах (в Южно-Сахалинске продолжительность сильных ветров за месяц колеблется от 1 до 4 часов, а на мысе Терпения от 66 до 104 часов).

На севере острова непрерывная продолжительность сильных континентальных ветров (западных, северо-западных и северных) в 85-95% от случаев с сильным ветром не превышает 21 часа. Исключение составляет северный ветер в проливе Невельского, в 25% случаев его продолжительность - сутки и более. На восточном побережье Северного Сахалина продолжительность сильных ветров с континента, в основном, равняется 3-9 часам (75-85%). Морские сильные ветры редки, наибольшая продолжительность ветра южного направления в Амурском лимане равнялась 36-39 ч. В районах Центрального Сахалина преобладает продолжительность ветров любых румбов от 3 до 21 часа, причем, на западном побережье велик вес опасных ветров продолжительностью 6-9 часов, а на восточном - до 3 часов.

Повсеместно сильный северный ветер имеетнаибольшую продолжительность (Александровск-Сахалинский и Пильво - 60-66 час., Поронайск к Макаров - 36-45 час., Углегорск - 138 часов). В районе перешейка Поясок возможность сохранения в течение полусуток-суток господствующих северозападных, северных ветров максимальна (около 70%). Продолжительных сильных морских ветров на всей территории острова невелика.

Наиболее продолжительны усиления ветра с ноября по январь включительно на севере острова (30-50 час. - с западной стороны и 6-8час.- с восточной), самыми "спокойными" являются октябрь и март.

В центральной части Сахалина наиболее подвержен влиянию опасных скоростей ветра район Углегорска; пик штормовой активности здесь приходится на январь (около 64 часов в среднем при максимальном значении в 258 час.), а спад - на октябрь (16 час.); но бывают годы, когда в течение какого-либо месяца ветер ни разу не усиливался до критерия опасного. С восточной стороны острова эти характеристики в среднем в 5-8 раз меньше.

На юго-западе Сахалина средняя месячная суммарная продолжительность сильного ветра колеблется от 50 до 70 часов, распределяясь в течение холодного времени года более или менее равномерно.

Сильные ветры на острове нередки при низких отрицательных температурах воздуха. Так, на севере Сахалина за холодный период в 60-70% дней с сильным ветром температура воздуха опускается ниже -10 °С, а в 55% - ниже -15 °С. В центральных районах — в 30-45% и 15-25% соответственно. На к>ге, в заливе Анива, сильный ветер наблюдается при температурах воздуха ниже -10 "С в 28%, а в Холмске, с западной стороны острова - в 15% дней с сильным ветром.

Анализ направления рассчитанного результирующего ветра позволяет заключить, что октябрь является началом холодного периода в циркуляционном режиме на Сахалине, поскольку направление сильного результирующего ветра в октябре составляет в среднем по острову 320°, исключая лишь северное побережье залива Анива, где результирующий поток направлен все еще (как отзвук летнего муссона) с юго-востока (направление его составляет 150°).

Направление результирующего сильного ветра достаточно устойчиво на протяжении всего холодного периода года. Однако, наибольшей устойчи-

вости оно достигает в январе — от 330° до 350". Небольшие отличия от типичной для всего полугодия январской картины характеризуют юг Сахалина в октябре и марте - направление результирующего ветра составляет около 280°, а на северном побережье залива Терпения в октябре и декабре оно равняется 150° и 80° соответственно.

В марте на крайнем севере', восточном побережье и юге острова устойчивость направления резко уменьшается, о чем говорят небольшие значения параметра устойчивости. Среднее квадратическое отклонение вектора результирующего ветра в течение холодного полугодия колеблется в пределах 10-20®.

В январе повсеместно отмечаются высокие значения модуля скорости результирующего ветра (в среднем от 12 до 17 м/с), во все другие месяцы заметно ослабление этого показателя.

Результаты пространственно-временного анализа штормов показывают, что максимум штормов наблюдается на мысах и юго-западном побережье, при продвижении к северной части западного побережья количество штормов уменьшается почти в 3 раза. Во внутренних частях острова, защищенных от муссонного потока горами, естественно, этот показатель минимален. Южный Сахалин отличается усилением штормовой деятельности в ноябре и марте и некоторым ослаблением в остальные месяцы холодного полугодия, в отдельные годы здесь может наблюдаться до 12-15 штормов в месяц при средней повторяемости от 3 до 5. Все западное побережье севернее мыса Корсакова характеризуется усилением штормовой активности в ноябре - декабре (от 2 до 3-х случаев в месяц) и ослаблением в январе-феврале. Подобная картина наблюдается и на крайнем севере.

Наиболее продолжительные штормы в среднем за полугодие отмечаются на северо-западе острова (около 20 ч.), мысе Терпения (17 ч.) и в районе Холмска и крайнего севера (около 16 ч.), менее продолжительные (от 12 до 15 ч.) - характерны для остальной части Западного Сахалина и северо-востока острова, и, наконец, самые непродолжительные штормы (около 8-9 ч.) наблюдаются во внутренних районах, на побережье заливов Терпения и Анива. Самые длительные штормы охватывают северо-западное побережье (Рыбновск, Погиби) в январе - средняя продолжительность их состашшет 2326 часов и является рекордной для всего острова, даже на мысе Терпения она

не столь велика: в январе - феврале не превышает 16 часов. А в общем, прак-

J

тически повсеместно, январские штормы самые продолжительные.

На внутреннем побережье залива Терпения в 80-90% ветер не меняет своего направления во время шторма. На остальной территории повторяемость "устойчивых" штормов в среднем за полугодие составляет 60-70%. Лишь, на крайнем севере и в районе Холмска штормы такой категории составляют половину всех случаев; на мысе Корсакова (Пильво) и в заливе Анива повторяемость их достигает 80%. В районе Макарова в декабре наблюдаются штормы только чисто северо-западного или западного направлений. В "Погиби на фоне средней повторяемости в 67% выделяется месяц ноябрь, в течение которого устойчивые штормы составляют всего треть всех штормов; в Ногликах октябрь характеризуется абсолютной устойчивостью направления штормов, тогда как в соседнем ноябре они составляют чуть больше половины (54%).

Для штормов с "простым" переходом возможен как правый, так и левый поворот относительно начального направления ветра, в зависимости от траектории движения циклонов; этот поворот происходит обычно в пределах соседнего румба.

Наиболее высокая вероятность "сложных" штормов (со сменой направления ветра во время шторма более, чем один раз) характерна для северной оконечности острова (22%) и района Холмска (32%). Очень редка эта категория штормов на западном побережье Центрального Сахалина, а также в заливах Терпения и Анива - вероятность ее составляет в среднем 5-7%. В остальных районах штормы неустойчивых направлений составляют 15 -20% от общего числа штормов.

Гистограммы эмпирического распределения числа дней с сильным ветром, суммарной продолжительности сильного ветра и количества штормов представляют /-образные ограниченные распределения. Аппроксимация их известными теоретическими законами (в частности, нормальным, который удобен при практическом использовании, особенно в тех случаях, когда значения величин формируются под воздействием большого числа взаимно независимых факторов) вызывает определенные трудности.

Для многолетнего хода максимальной скорости ветра характерна 20-30-летням периодичность, на фоне которой выделяются периоды продолжительностью от 4 до 8 лет. Практически на всех станциях острова с конца 60-х -начала 70-х годов наблюдается устойчивое уменьшение максимальных скоростей ветра. По прогностическим участкам трендовых составляющих на большинстве станций Сахалина следует ожидать ровный ход или же понижение' максимальной скорости ветра вплоть до конца этого столетия.

Моменты перелома в ходе сглаженных кривых многолетнего изменения максимальной скорости ветра дают основание отнести данный период (ндчало 70-х - конец 90-х годов) к одной циркуляционной эпохе, когда аномально высокое развитие получил широтный перенос.

Скорость ветра с различными периодами повторения (от 2 до 100 лет), имеющая особое значение для практики, в частности, для проектирования строительных объектов, линий связи и электропередач, определялась графическим способом по различным интегральным функциям распределения максимальных годовых скоростей ветра при предварительном учете наличия периодов с увеличенной и уменьшенной штормовой деятельностью.

Хребты Западно-Сахалинских гор, являющиеся ветроразделительной линией и служащие препятствием усилению муссонного континентального потока на восточном побережье острова, оказывают влияние на распределение ветров редкой повторяемости. Здесь (Ноглики) величины скоростей самые невысокие. Так, раз в столетие (с вероятностью 99%), возможно усиление ветра до 30-32 м/с. Во внутренних частях острова они несколько выше (34-36 м/с), а на западном побережье ветер может усилиться до 45-49 м/с.

Сравнение рассчитанных вероятностных скоростей ветра с аналогичными характеристиками, полученными ранее другими авторами, показало, что в качестве функции, достаточно точно аппроксимирующей распределение годовых максимальных скоростей ветра на Сахалине, можно рекомендовать использование даухэкспоненциального трехпараметрического распределения Гудрича.

В четвертом разделе приводятся результаты районирования территории Сахалина по режиму штормов и сильного ветра, с помощью рахчичных статистических критериев. В качестве параметрических использованы критерии

Фишера и Стьюдента, позволяющие приближенно, поскольку эти критерии больше подходят для распределений, близким к нормальным, разбить исследуемую территорию на ряд однородных для отдельных климатических показателей сильных ветров, районов. В результате получено 5 классов для каждого из трех исследуемых параметров, в которые вошли от одной до пяти станций.

Тестирование выделенных классов проводилось с помощью непараметрического критерия Крускаля-Уоллиса (критерия, независящего от вида исходных распределений). Данный критерий позволяет проверить на однородность объединенные в один ряд данные трех и более станций, в отличие от параметрических критериев, проводящих лишь парную корреляцию.

К районированию Сахалина по комплексу параметров, отражающих характер пространственно-временного распределения сильных ветров и штормов, привлекался объективный критерий различия, в качестве которого выступало евклидово расстояние. Алгоритмизация классификации была построена по принципу итерационной процедуры кластерного анализа. Для оценки успешности типизации использовался критерий качества Э, показывающий устойчивость классов. Благодаря стандартизации исходных показателей штормового режима (суммарной продолжительности и числу дней с сильным ветром, а также количеству штормов) удалось районировать исследуемую территорию по суммарному вектору, т.е по всему комплексу режимных характеристик.

Схожими по режиму штормовой деятельности являются следующие районы: 1) север острова (Оха, Рыбновск, Цоглики), включая западное и восточное побережья; 2) залив Анива и перешеек Поясок; 3) западное побережье Центрального Сахалина вплоть до Холмска, исключая перешеек Поясок; 4) мыс Терпения; 5) юго-запад острова. На станциях последних двух районов отмечается своеобразный режим, несхожий ни с одним из исследуемых пунктов.

Предлагаемый в настоящем разделе подход к вопросу районирования территории по тем или иным метеорологическим показателям и разработанные алгоритмы типизации могут найти применение при решении подобных залач в любом из разделов прикладной климатологии.

Пятый раздел посвящен анализу аэросиноптических условий формирования сильных ветров, выявлению связи штормовой деятельности с формами атмосферной циркуляции. В разделе проводятся результаты типизации циклонов, вызывающих сильные и ураганные ветры на Сахалине; высотных деформационных полей в день "угрозы" и в момент осуществления опасного явления, а также вероятность продолжительности штормов в зависимости оттого или иного типа траекторий штормоопасных циклонов.

Изучение вертикальных профилей направления и скорости ветра, температуры воздуха и высоты стандартных изобарических поверхностей над Сахалином в холодное полугодие позволяет заключить, что под мезоструйным течением над Сахалином следует понимать усиление ветра более 10 м/с на фоне слабых ветров с изменением скорости выше и ниже этого слоя не менее чем на 1 м/с на каждые 100 м. В днн с сильным ветром мезоструи наблюдались чаще (68%), чем в предшествующие сутки. Вероятнее всего они сопутствуют сильным ветрам у земли в январе - марте ( от 76 до 85% ). Предполагаемая связь мезоструй с задерживающими слоями (инверсии и изотермии) оказалась незначительной (ст 37 до 41%).

Использование наличия мезоструй за сутки до шторма в качестве прогностического признака возможно лишь в феврале и марте (обеспеченность этого признака составляет 73 и 64% соответственно). За 12 час до усиления ветра лишь в январе и марте наличие мезоструи может предсказать усиление ветра у земли (обеспеченность этого признака составляет около 60%). В день усиления ветра и за сутки до этого равновероятны нормальное и аномальное (с задерживающими слоями) изменение температуры воздуха с высотой.

При сильных ветрах наблюдается опускание изобарических поверхностей Н85о и Н700: высота изобарической поверхности Н700 составляет 260-280 гп. дам в 76% в отличие от случаев со слабым ветром - высота этой поверхности в 61% случаев превышает 280 гп. дам. Высота изобарической поверхности Нв5о обычно опускается до 120-140 гп. дам (с обеспеченностью 78%).

В результате исследования выявлены связи между состоянием высотного барического поля и характеристиками штормовой деятельности на Сахалине: суммарная продолжительность сильных ветров, число дней с сильным

ветром и количество штормов на севере острова обнаруживает тесную связь с восточной формой циркуляции (no O.K. Ильинскому). В центральных и южных районах Сахалина продолжительность опасных ветров определяется центральной формой циркуляции. Зато развитый зональный перенос в средней тропосфере (широтная форма) способствует ослаблению штормовой активности на всем острове.

Для изучаемого двадцатилетия (1966-1986 гг.) характерно усиление зонального переноса на фоне ослабевающего меридионального. И, как следствие этого, ослабление сибирского антициклона. В предшествующую эпоху (до начала 70-х годов) этот центр действия атмосферы был более активен. Снижение штормовой активности на протяжении изучаемого периода обусловлено наличием отрицательного тренда в динамике развития центральной и восточной и положительного - широтной форм атмосферной циркуляции.

Возникновение сильных ветров связано с выходом глубоких циклоноп, которые вызывают наиболее частые и продолжительные штормы. Нередко (около 20%), ветер усиливается благодаря значительному градиенту давления, возникающему между алеутской депрессией и сибирским антициклоном при отсутствии циклона над Охотским морем. В этом случае перепад давления между этими двумя центрами действия атмосферы достигает 45-70 гПа, а основные градиенты сосредоточены в районе -Сахалина. Однако, штормовые ветры, обусловленные градиентом давления, не столь продолжительны и сильны по сравнению с ветрами, вызванными "штормоопасными" циклонами.

По происхождению, т.е. по району зарождения, все циклоны, вызывающие усиление ветра на острове, разбиты на две основные группы: континентальные и морские, представляющие собой 7 характерных траекторий. Число штормоопасных континентальных циклонов несколько меньше (46%), морских (54%). Усиление ветра местными циклонами на Сахалине обусловлено в 12% случаев. На основе анализа эволюции циклонов, повлекших за собой ураганы на Сахалине, была произведена типизация,траекторий этих циклонов. Всего выделено три типа "ураганоопасных" циклонов. Каждый тип в свою очередь подразделяется на два подтипа.

Удобной формой представления конечных результатов решения практических задач краткосрочного прогнозирования является картирование распределения продолжительности штормов для различных траекторий штормо-опасных циклонов и вероятности начала и окончания шторма в зависимости от типа траектории, которое произведено для каждого месяца холодного' полугодия.

Полезной дополнительной характеристикой оценки возможностей усиления ветра явилась типизация конкретных синоптических ситуаций, обусловивших эти усиления. Все проанализированные синоптические ситуации подразделяются на 9 характерных групп. Двухцентровая алеутская депрессия наиболее часто (около 30% случаев) является типичной штормоопасной синоптической ситуацией, а вот северная периферия антициклона или центральная часть циклона непосредственно над Сахалином вряд ли обусловят усиление ветра до критерия опасного (повторяемость этих ситуаций менее 2%). А в общем, в подавляющем большинстве случаев (72%), усиление ветра обусловлено тыловой частью циклонов, оказывающих влияние на изучаемый район, и лишь в 26% - передней.

Изучение высотного деформационного поля (положения высотных гребней и ложбин, расположения осевой линии высотной фронтальной зоны) как в момент усиления ветра, так и за сутки до этого позволило определить его характерные особенности, способствующие усилению ветра у земли. Все разновидности высотного деформационного поля в день угрозы удалось объединить в 8 типов полей, а в день осуществления явления - в 10 типов.

Для зимнего периода над дальневосточными морями в периоды штормовой погоды характерными являются меридиональные процессы, так только _ в трех типах из восемнадцати наблюдалось широтное расположение ВФЗ.

При сравнении типов высотных деформационных полей в день угрозы и в день осуществления шторма, в общем случае, отмечается их схожесть, меняется лишь ориентация высотных гребней и ложбин, а также их амплитуда.

Выявление количественных зависимостей скорости ветра у поверхности земли от величины барического градиента на основе определения переходных коэффициентов к от скорости геострофического ветра к скорости фактического для случаев с сильным ветром в зависимости от направления

изобар для рада пунктов, расположенных на побережье острова, показал, что в среднем величина переходного коэффициента к колеблется от 0.7 до 0.9. Максимальное значение к характерно для мысовых станций (1.14) и Углегорска (0.93), а минимальные для станций восточного побережья и Александров-ска-Сахалинского. Эти различия в величинах коэффициента обусловлены орографическими особенностями каждой из исследуемых станций.

В шестом разделе на основе выполненных исследований разработан синоптико-статистический способ прогноза скорости и направления зимнего сильного ветра с суточной заблаговременностью, который состоит из 2-х этапов.

1) Оценка синоптической ситуации района исследования. При синоптических условиях, благоприятствующих усилению ветра до градации сильного, реализуется следующий этап.

2) Расчет скорости и направления сильного ветра с использованием процедуры линейного регрессионного анализа.

В группу наиболее информативных синоптических признаков вошли: градиент давления между центрами действия атмосферы, типовая траектория циклона и его дальнейшая эволюция, типы приземного и высотного деформационного полей.

Поскольку модуль скорости сильного ветра не подчиняется нормальному закону распределения, первоначальная процедура линейного регрессионного анализа применена к расчету зональной и меридиональной составляющих скорости сильного ветра. Для отбора наиболее информативных, физически обоснованных предикторов анализу подверглось 64 предиктора, описывающих состояние приземного барического поля, термодинамические условия нижнего 3-х км слоя атмосферы как в момент усиления ветра, так и за сутки до этого.

Увеличение объема выборки не повлияло на информативность отобранных предикторов. Все они, за исключением высоты изобарической поверхности Н700 и широты центра циклона в день угрозы, остались информативными, что подтвердило устойчивость выявленных связей между предикторами и предиктантом. Проверка результатов, согласно "Наставления по службе прогнозов", на зависимой выборке показала оправдываемость 72-90% в

зависимости от типа прогностического уравнения, на независимой выборке — 61-89%, причем, в 36-54% на зависимой выборке и в 28-51% на независимой расхождения фактической и прогностической скоростей сильного ветра не превышают 2 м/с.

В результате тщательного статистического анализа ошибок полученных уравнений, в качестве предпочтительных для прогноза скорости и направле-. ния сильного ветра для центральной части Сахалина следует считать следующие уравнения:

!)V, = -0.5Хи-Ю.4 и V, =-1.04 Х„ +5.1

2).У, = -0.5 Х.з- Ю.4 и V, =-1.16 Хп-0.7 X»+4.6

3) V, =-0.5 Х„-Ю.4 и V, =-1.16 Хи-0.54X57 +0.45 Х№ +1-8

4)у, = 0.20X5-0.45Хи-0.15Хм-66.0 и V, =-1.04Хи + 5.1

5) V, = 0.20 Х5 - 0.45 Хи- 0.15 Х50 - 66.0 и V, = -1.16 Хи - 0.54 Х57 + 0.45 Хм +1-8, где: Х5 - давление на расстоянии 300 юл севернее станции в момент усиления Петра; Хи- зональная составляющая барического градиента на станции в момент усиления ветра; Х50 - давление на расстоянии 500 км южнее станции за сутки до усиления ветра; Х57 - меридиональная составляющая барического градиента (гПа/300 км) южнее станции за сутки до усиления ветра; Хцо - разность температур у земли и на изобарической поверхности Нх5о за сутки до усиления ветра.

В заключении сформулированы основные результаты работы и указаны перспективы их практического использования. В результате исследования:

- выявлены закономерности пространственно-временной изменчивости режима сильных, ураганных и максимальных ветров и штормов с различными типами изменения направления ветра во время шторма и дан анализ особенностей их многолетнего хода;

- изучены циркуляционные условия формирования сильных ветров и штормов и особенности их связи с основными формами атмосферной циркуляции и выявлены характерные синоптические признаки штормоопасных ситуаций и метеорологических условий в нижнем 3-километровом слое атмосферы при возникновении сильных и ураганных ветров;

— произведено районирование рассматриваемой территории по комплексу показателей режима сильных ветров и картирование территории Сахалина по режиму сильных ветров с учетом траекторий циклонов и высотного деформационного поля; определена расчетная максимальная скорость ветра редкой повторяемости;

— выявлены информативные предикторы, обусловливающие возникновение сильных ветров и разработан синоптико-статистический способ прогноза, позволяющий после отнесения синоптической ситуации к штормо-опасной, рассчитать скорость сильного ветра с суточной заблаговременно-стью;

— выработаны рекомендации для потребителей гидрометеорологической информации по оптимальному использованию полученных выводов и практических положений.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Синоптические условия формирования отложений гололеда и обледенелого мокрого снега на Сахалине // Вопр. моделир. атмосф. процессов и использов. метеорол. информ. в народном хозяйстве Дальнего Востока: Меж-вуз. сб.- Владивосток: Дальневост. ун-т, 1987.- С. 146-151.

2. Применимость метода обобщенного портрета дня численного прогноза гололеда на Сахалине // Регион, вопр. синопггич. метеорол. и климатол.: Межвуз. сб.- Вып.б,- 1988,- Деп. в ИЦ ВНИИГМИ - МЦД,- N820,- С. 39-43.

3. Синоптические условия возникновения сильных ветров на Сахалине // Регион, вопр.сшюптич. метеорол. и климатол.: Межвуз.сб. - Вып.7.- 1990.-Деп. в ИЦ ВНИИГМИ - МЦД.- N986 гм - 90,- (Соавт. Кашкурно О.И.)

4. Режим сильных ветров, осложняющих нефтегазопоисковые работы на северо-востоке Сахалина // Экологические основы рационального природопользования на Сахалине и Курильских островах. IV научно-практическая конференция. Южно-Сахалинск: ин-т морской геологии и геофизики ДВО АН СССР. 1990.

5. Природа Корсакопского района. Монография. Глава: Климат и ме-дико-кчнматические условия,- Владивосток: Дальневост. ун-т, 1995.-С. 25-33.

6. Особенности режима сильного ветра, как одного из факторов взаимодействия между атмосферой и подстилающей поверхностью на побережье Сахалина // Материалы рабочего совещания "Глобальные изменения природной Среды на Российском Дальнем Востоке",- Владивосток, 1996.-1 с.

7. Климатические особенности сильных ветров на Сахалине в холодную часть года // Материалы 38 научной конференции Дальневосточного го- . сударственного университета.- Владивосток, 1996.- 1 с.

8. Особенности штормовой деятельности в холодное полугодие на Сахалине. - Обнинск: ВНИИГМИ МЦЦ, 1997. - N 1198 га - 97 (от 29.01.97).

9. Опыт районирования Сахалина по режиму сильных ветров холодного полугодия. - Обнинск: ВНИИГМИ МЦД, 1997. - N 1198 гм - 97 (от 29.01.97).

10. Сильные ветры на Сахалине в холодное полугодие. - Обнинск: ВНИИГМИ МЦЦ, 1997. - N 1198 гм - 97 (от 29.01.97).