Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Синоптическая интерпретация атмосферных процессов в горах

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Синоптическая интерпретация атмосферных процессов в горах"

Министерство образования Российской Федерации Российский Государственный Гидрометеорологический Университет.

ОД

я и 7Г]

О I/ ., . < и У

На правах рукописи

Русин Игорь Николаевич

УДК 551.5.072:551.577.51

Синоптическая интерпретация атмосферных процессов в горах

Специальность: 11.00.09- метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации

на соискание ученой степени доктора географических наук

Санкт-Петербург - 2000

Работа выполнена в Российском Государственном Гидрометеорологическом Университете

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор А.И. Угрюмов, доктор географических наук, профессор В.Н. Адаменко, • доктор географических наук, профессор В.Н. Малшшн

Ведущая организация: Главная Геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова

<? trie

Защита состоится " °" CCWioS> 2000 г. в 'о часов на заседании Специализированного совета Д.063.19.02 по присуждению ученой степени доктора наук при Российском Государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195.196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного гидрометеорологического университета. Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью просим направлять по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98.

Автореферат разослан CLU^lZjuJ1

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физико-математических наук, профессор

Дивинский Л.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Актуальность проблемы. Рассматриваемый в диссертации круг вопросов составляет узловую часть проблемы географической зональности. Суть ее - вопрос о факторах, определяющих зональность географической среды, и о характере их влияния. Исследования в этой области особенно актуальны сейчас, когда рост численности населения и технологические достижения' превратили человечество в фактор планетарного масштаба.

В.В. Докучаев выделил астрономические факторы зональности (орбитальные характеристики и форму Земли). В дальнейшем A.A. Григорьев и М.И. Будыко ввели в рассмотрение соотношение радиационного баланса (R) и затрат тепла на испарение выпадающих осадков (Lr) - радиационного индекса сухости. Изолинии R/Lr в равнинных районах согласованы с границами основных природных зон. Вместе с тем имеется множество ситуаций, вскрытых в трудах русских ученых и в особенности МАЛетросянца, которые связаны с архитектурой и дислокащ горных стран и еще требуют изучения степени их подчиненности действиям закона географической зональности.

В качестве инструментария для такого исследования в настоящее время еще не возможно в полной мере использовать математическое моделирование, ввиду крайней сложности и многомасштабности процессов, которые требуется учесть при изучении влияния рельефа на осадки. Кроме того, необходимо постоянно иметь в виду, что практическая деятельность по прогнозу погоды в горах не может быть основана только на результатах численных прогнозов, но требует методического обеспечения синоптической интерпретации всего комплекса данных о географическом объекте, включая особенности рельефа

Невозможно ограничиться и чисто эмпирическим подходом. Наиболее многочисленные инструментальные наблюдения в горах производятся за атмосферными осадками. Приметаемые методы оценю! осадков вне точек наблюдения основаны на использовании либо данных ближайшего к интересующей точке осадкомерного поста, либо карты изогнет суточных сумм осадков, составленной для района. Оба метода допускают большие

погрешности, так как осадки в горах отличаются большой пространственной неоднородностью, а имеющаяся сеть метеостанций и осадкомерных постов в горах недостаточна и нерепрезентативна. На Кавказе, где метеорологическая сеть является одной из лучших в горных территориях, около 65% постов расположены ниже 900 м, еще 34% постов расположены от 900 до 2500 м и только менее 1 % выше 2500. Посты оснащены осадкомерными приборами, имеющие разные уровни погрешности. Кроме того, они весьма неравномерно распределены и по элементам горного рельефа. Основная часть осадкомеров находится вблизи дна долин. Склоны и вершины освещены гораздо хуже.

Основное внимание в работе уделено вопросам оценки ливневых ■осадков. Атмосферные осадки являются одной из характеристик климата, внимание к которой если не растет, то, по крайней мере, никогда не ослабевает. Относясь к явлениям, влияние которых на деятельность человека и окружающую его среду наиболее велико и может проявляться как в положительном, так и в отрицательном смысле, они постоянно' привлекают внимание экологов, гидрологов и метеорологов. Признано, что, несмотря на постоянно возрастающую потребность населения земного шара в воде, важнейшая приходная составляющая водного баланса - атмосферные осадки -известна еще недостаточно точно. Особенно велики погрешности определения характеристик осадков в горных областях.

На основании имеющейся информации уже выявлен ряд особенностей в распределении осадков в горах. Показано, что количество осадков зависит от высоты местности, от ориентации хребтов по отношению к влагонесущим массам воздуха, от доступности форм рельефа а также от особенностей синоптических процессов, обусловленных преобразованием мезомасштабной циркуляции атмосферы под действием рельефа. Механизм влияния рельефа на осадки ливневого характера не вскрыт, а предложенный Бьеркнесом механизм стимулирования горами обложных осадков опирается на этот необъясненпый пока механизм.

Цель диссертации состоит в том, чтобы, привлекая результаты исследований динамики горной атмосферы, результаты статистических

исследований поля рельефа, результаты по физике образования конвективных облаков, а также на факты, обнаруженные синоптическими и климатологическими методам выявил, причинно-следствегаше связи, приводящие к влиянию рельефа на формирование ливневых осадков в горах При этом было необходимо также разработать методы комплексной интерпретации данных о рельефе совместно с синоптическими оценками, климатическими характеристиками и результатами численного моделирования атмосферных процессов.

Основное внимание обращено на горы, находящиеся на территориях, которые традиционно находятся в сфере интересов ученых России - это горные массивы Кавказа, Тянь-Шаня, Карпат, а также горы развивающихся стран Азии и Африки (Эфиопия, Сирия, Индокитай). Рассматриваются ливневые осадки теплого периода, так как именно они дают основной вклад в сумму и вызывают основную массу опасных явлений природы в горах (селевые потоки, паводки, наводнения, образование суховеев, засух ипустынь).

Задачи исследования

- Определить пространственпо-временные масштабы, на которых проявляется влияние рельефа на осадки, систематизировать сведения об изменениях под влиянием гор метеорологических величин, определяющих условия осадкообразования и уточнить характеристики осадков, существенно изменяющиеся в горных условиях.

- Выявить характерные особенности рельефа, учет которых существенен при анализе процессов ливнеобразования в горных регионах, разработать метод построения цифровой модели рельефа, адекватно отражающей эти особенности района

- Проанализировать основные факторы, определяющие особенности образования и повышенную интенсивность и продолжительность ливневых осадков в горах и разработать метод их расчета, ориентированный на использование, по возможности, наименьшего объема в основном приземных метеорологических данных.

- Разработать метод оценки воздействия горного рельефа на поле атмосферного давления для использования при расчете мезомасштабных вертикальных скоростей в горном пограничном слое, использующий минимальный объем информации, доступной исследователю при составлении прогностических или климатологических оценок.

- Создать метод оценки горизонтального перераспределения влажности в пределах горной области. Найти теоретически обоснованную форму зависимости метеорологических величин, определяющих сумму осадков за некоторый промежуток теплого периода, от параметров рельефа

Объект исследования.

Представляется актуальным и познавательно важным для физической географии свести выше указанную совокупность задач к следующей совокупности блоков вопросов, ответ на которые составляет суть проблемной ситуации и формулу защиты:

1. Имеется ли возможность синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах на основе использовала -. достижений динамической метеорологии, физики пограничного слоя и количественного анализа неизбежно ограниченного объема данных, доступных для использования в оперативной практике синоптика и для климатологических обобщений?

2. Какие процессы необходимо учитывать и какова система приоритетов использования данных наблюдений и методов численного моделирования пространственно-временной неоднородности метеорологических полей при учете возмущающего влияния рельефа?

3. Каковы в условиях неизбежной ограниченности исходной информации от сети приземных горных метеорологических станций пути описания наиболее метеорологически значимых процессов и параметрического учета стратификации атмосферы в горах?

4. Какие особенности кинематики ветра, распределения ливневых осадков и показателей увлажненности территории должен в первую очередь учитывать специалист, работающий в условиях влияния горного рельефа на пространственно-временную неоднородность метеорологических полей?

5. Каковы возможности учебно-методического и практического развития, внедрения и использования синоптической интерпретации ливневых осадков в условиях горных стран Мир

Методика исследования

Исследование проводилось: а) путем теоретического анализа результатов метеорологических наблюдений, численных экспериментов и анализа теоретических выводов других исследователей; б) на основе собственных численных экспериментов автора по расчетам осадков и метеорологических величин, определяющих осадки, для Северо-запада РФ, Кавказа, Северной Африки, Аравийского полуострова и Индокитая; в) на основе обработки данных о рельефе.

Научная новизна

Дан аналитический обзор результатов современных исследований, освещающих свойства метеорологических параметров, важных для изучения проблемы лив необразования в горах. На его основе и выделены те особенности и показатели, которые необходимо объяснить и использовать при синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах..

Разработан метод построения цифровой модели метеорологически значимого рельефа гор, включающий обоснование дискретности снятия данных, процедуру последовательного дополнения для упрощения ввода дашгых, методику фильтрации мелкомасштабных шумов и метод семантического контроля качества.

На основе анализа цифровых моделей рельефа нескольких регионов впервые разработан подход для количественного определения характеристик рельефа, важных для синоптических, климатологических и экологических приложений. Выявлены типы структурных образований в поле рельефа, позволяющие систематизацию влияния рельефа на погодные условия архитектуры различных участков гор

Предложенные автором методы оценки условий выпадения и интенсивности ливневых осадков позволили выявить основные количественныезависимости, отражающие влияние рельефа на осадки - это

зависимость массовой доли водяного пара и относительной влажности от положения точки на склоне и значения мезомасштабных вертикальных скоростей в средней и верхней части горного пограничного слоя.

Разработан метод расчета вызванных рельефом гор отклонений приземного давления в горах от синоптического фона, а также для оценки мезомасштабных вертикальных скоростей в слое горного трения. Метод ориентирован на применение в условиях слабой информациошюй насыщенности, характерной для удаленных от центра и труднодоступных районов. Вскрыт механизм образования значительного локального увеличения барического градиента и скорости ветра под влиянием особенностей рельефа тор.

Метод расчета горизонтального перераспределения .массовой доли водяного пара в горах, предложенный автором, позволил обнаружить появление зон повышенной влажности в определенных частях склонов гор под влиянием мезомасштабных вертикальных скоростей, вызванных взаимодействием гор и внешнего потока. Выявленные автором основные параметры для статистической корректировки результатов прогнозирования влажности и осадков- в горах, позволяют уточнять синоптическую интерпретацию атмосферных процессов в горах.

Теоретический анализ взаимосвязей метеорологических величин в горах, выполненный автором, позволил объяснить характер зависимости осадков от высоты и обосновать форму их зависимости от характеристик рельефа. Показано, как дня конкретного региона можно уточнить связи сумм осадков с характеристиками рельефа, используя материалы метеорологических наблюдений.

Основные результаты и положения работы, выносимые на защиту:

1. Метод построения цифровой модели рельефа гор, направленный на то, чтобы поле высот рельефа, при минимальной детализации правильно воспроизводило важные для определения осадков особенности. Обоснование дискретности снятия данных, методики фильтрации мелкомасштабных шумов и семантического контроля результатов.

2. Результаты оценок характеристик сглаженного рельефа на примере ряда горных районов. Связанные структурные элементы в поле рельефа, сходные с широко известными структурными элементами поля барической топографии и существенные для типизации положения метеорологической станции при изучении зависимости метеорологических величин от характера рельефа гор.

3. Метод оценки возможности выпадения ливневых осадков в горах и расчета их интенсивности и количества, ориентированный па использование минимального комплекта в основном приземных метеорологических данных, доступных исследователю как в условиях диагноза, так и при прогнозе.

4. Определение наиболее чувствительных к влиянию рельефа данных из минимально необходимого для расчета ливневых осадков комплекта.

5. Метод синоптической интерпретации данных о рельефе и атмосферной циркуляции над горами для расчета отклонений давления, скорости ветра и вертикальных токов в горном пограничном слое.

6. Результаты исследования характера отклонений в поле давления, ветра и вертикальных токов в горах с рельефом, состоящим из типовых форм.

7. Метод синоптической интерпретации данных о рельефе и синоптической ситуации, влияющих на горизонтальное распределение влажности воздуха в горах в условиях различных типовых форм рельефа.

8. Выявление причин формирования зависимости сумм осадков за теплый период от характеристик рельефа

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются следующим. 1) Предложенные методы основаны на современных научных положениях и количественных методах. 2) Результаты расчетов согласуются с имеющимися данными наблюдений и объясняют многие из ранее отмеченных особенностей климата и погоды в горах. 3) Анализ по различным регионам и с привлечением выборок большого объема показал общность основных выявленных соотношений. 4) Сопоставление получаемых на основе предложенных количественных методов синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах результатов с натурными данными и проверка

их на статистически независимом материале подтвердили достоверность полученных результатов и сделанных выводов.

Научная и практическая значимость.

Исследование законов пространственного распределения гидрометеорологических характеристик в горах является важной научной и значимой практически проблемой. С одной стороны, оно содействует раскрытию структуры гидрометеорологических-полей и их связи со структурой рельефа территории, а значит, может быть обеспечено только путем углубления знаний о законах формирования природных явлений. Этим оно способствует развитию науки. С другой стороны, оно содействует повышению надежности сведений о распределении по территории гидрометеорологических показателей. Это важно для совершенствования прогноза погоды в горах, а также имеет кадастровое значение, обеспечивая уточнения оценок объема водных ресурсов и уязвимости природной среды.

Одной из наиболее сложных практических проблем является учет влияния рельефа на атмосферные осадки. Важность ее в возможности на основе более надежной оценки осадков лучше рассчитывал, речной сток, знание режима которого необходимо при проектировании и строительстве оросительных систем, гидротехнических сооружений н осуществлении разного рода водохозяйственных мероприятий. Заблаговременное и надежное предсказание ожидаемого объема половодного или паводкового стока на основе более достоверной информации о режиме осадков, распределенных по бассейнам горных рек, - один из важнейших практических результатов работы.

Количественные связи осадков и рельефа необходимы также для решения актуальных вопросов развития пастбищного животноводства, строительства и эксплуатации сооружений, прокладки сетей коммуникаций и связи в горных условиях.

Реализация.

Основные результаты работы, представляемой в виде диссертации, используются в учебной деятельности РГГМУ и других учебных заведений гидрометеорологического профиля РФ в виде учебных пособий, курсов лекций

и монографий. Научные труды, консультации, расчетные методы и программные продукты автора применяются в научно-практической деятельности гидрометеорологических учреждений Северо-Запада РФ, странах Африки и Азии. Ученики автора работают во многих гидрометеорологических учреждениях РФ и за рубежом. Под руководством автора защищены три кандидатские диссертации.

Апробация работы.

Результаты исследований автора докладывались на Всесоюзном, совещании. "Статистическая интерпретация результатов гидродинамического прогноза с целью прогноза погоды." Ташкент.VI-85. Всесоюзной, конференции, по авиационной метеорологии. Москва IX-86. Всесоюзной, конференции: "Статистическая интерпретация гидродинамических прогнозов". Алма-Ата. VI-87. Ш. Всесоюзной конференции по статистической иитерпретации гидродинамических прогнозов. Нальчик, VIII-89. Всесоюзном совещании "Проблемы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Сибири". Красноярск, VI1I-89. Всероссийской, конференции: "Современная география и окружающая среда". Казань, IX-96. Итоговых сессиях Ученого совета РГГМУ (I-9S, 1-96,1-97, 1-98, 1-99,1-2000). Научных семинарах РГГМУ, кафедры климатологии Географического факультета СПбГУ, Объединенном семинаре отделов ГТО им. А.И.Воейкова

Личный вклад автора в разработку научных результатов

Все теоретические результаты, представленные в диссертации были получены самим автором. В работах, выполненных в соавторстве, вклад автора выражался в постановке задач, руководстве получением результатов, теоретическом анализе результатов и превышал 70 %. Результаты, выносимые на защиту автором, получены в течение последних 10 лет.

Публикации результатов исследований

Работа обобщает многолетние исследования автора по проблеме расчета и прогноза осадков. Из общего количества научных публикаций автора, представленного более чем 100 работами, основные результаты диссертаций

содержатся в 41 публикации, среди которых три учебных пособия и две монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, разделов 1-5 с выводами по каждому разделу и заключения. Работа содержит страниц _, 31 рисунок, 29 таблиц и список литературы га 306 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Проблема синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах относительно мало отражена в метеорологических исследованиях. Это может вызывать удивление, поскольку растет объем научных публикаций, посвященных результатам численного моделирования динамики атмосферы над горами, и накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал, посвященный изучению атмосферных явлений в горах.

Однако условия, в которых проводятся метеорологические исследования, существенно отличаются от условий, в которых оказываются специалисты синоптики или климатологи, когда им приходится проводить оценивание состояния атмосферы в интересах потребителей. Отличия заключаются в доступной для использования метеорологической информации. Метеорологические исследования могут опираться на такой объем и состав данных, который недоступен синоптику при составлении прогноза погоды. Климатологические оценки приходится осуществлять по накопленным рядам инструментальных наблюдений с недостаточным горизонтальным разрешением, поскольку период существования спутниковых наблюдений еще мал.

Сложность проблемы синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах в полной мере проявляется при оценке атмосферных осадков в теплый период. Суммы осадков в это время определяются ливнями, образование которых определяют процессы, и в равнинных условиях еще не до . конца изученные. Но поскольку именно в горах резче всего проявляется не случайный характер распределения осадков по территории, постольку изучая

проблему синоптической интерпретации атмосферных процессов, приводящих к формированию закономерного увеличения осадков в некоторых областях гор, можно надеяться на получение результатов, представляющих и теоретический и практический интерес. Именно в этом аспекте проведена работа, описанная в диссертации.

1 .Атмосферные процессы и осадки в горах.

Влияние гор на величины и повторяемость атмосферных осадков давно привлекает внимание специалистов. Анализ данных позволил исследователям сформулировать ряд важнейших вопросов. Исторически первым был поставлен вопрос, почему суммы осадков за теплый период и за год в целом в горах сначала растут от подножья гор до некоторой высоты, а затем убывают. В классической климатологии ответ связывается с возрастанием относительной влажности в горах, обуславливающим лучшие условия для выпадения осадков. Однако предсказать, с какой скоростью суммы осадков растут в предгорьях, и рассчитать положение высоты максимальных осадков в разных районах даже одной и той же горной страны теоретически пока не удается

Изучение влияния ветровой экспозиции показало, что' на наветренных склонах гор суммы осадков больше, чем на подветренных. Но пока не удается объяснить влияние размера водосбора на этот эффект, хотя имеется существенная разница в осадках на разных участках наветренных склонов. Наличие этой асимметрии заставило даже отказаться от. самого принципа выделения эффекта наветренного склона и ввести его обобщение в виде прямого и обратного циркуляционного эффектов. Суть их заключается в том, что осадки зависят не столько от ориентации склона, сколько от рассишшя по траектории до ближайшего из основных рельефообразующих хребтов.

Было установлено, что в ряде районов максимум сумм осадков может наблюдаться в подветренных зонах горного массива Из этого следует, что понятие наветренный и подветренный склон зависит от горизонтальной циркуляции внутри горного массива, а значит, осадки должны испытывать сильное влияние архитектуры всего горного массива

Особенно сложен вопрос о влиянии ущелий и долин на формирование осадков. Интенсификация ливневых осадков происходит при стекании холодных воздушных масс вниз по долине, когда этот воздух вытесняет более теплый в долинах притоков и вызывает на склонах гор ливни. С другой стороны известно, что наличие второстепенных хребтов не сказывается на зарегистрированных суммах осадков.

Сказанное заставляет обратиться к более детальному изучению вопроса о том, как трансформируются метеорологические характеристики в горной атмосфере по сравнению с известными закономерностями для равнинных местностей.

1.1. Усиление осадков в горах: пространственно-временные масштабы явления.

Приступая к изучению проблемы влияния гор на процессы выпадения осадков в горах важно, по возможности, точно определить, на каких пространственных масштабах и за какие характерные времена можно выявить наличие усил.лия осадков в горах, а также в каких именно характеристиках осадков проявляется это явление.

Извести, что показания осадкомера для сумм осадков за месяц в горах репрезентативны для площади более 500 км2. Это значит, что на основе существующей сети наблюдений за осадками можно ответственно обсуждать явление усиления осадков горами только применительно к месячным суммам осадков.

Анализ данных специализированных наблюдений по учащенной сети показал, что зависимость осадков от высоты существует для водосборов и на порядок меньшего масштаба. При переходе к площадям около 500 км2 уже начинает преобладать зависимость от экспозиции склона. Зависимость от дислокации хребтов выявляется при рассмотрении площадей порядка 105 км2. При анализе данных для масштаба горной страны (106 км2) можно убедиться, что локализация зон повышенных осадков в горах согласована с направлением потоков в свободной атмосфере.

Хотя наиболее достоверно установлено наличие усиления осадков горами по сумма осадков не менее, чем за месяц, влияние гор на осадки выявляется и по ежедневным наблюдениям. Известно из гидрологических исследований, что пространственная корреляционная функция многолетних сумм осадков очень близка к корреляционной функции максимальных сумм осадков по пунктам. Это подтверждает факт влияния гор на суточные суммы осадков и общность механизма усиления осадков при разных времештых масштабах. Суточные суммы осадков в горах особенно сильпо отличаются от суточных сумм осадков на равнинах в степной зоне и* зоне субтропических пустынь.

В опубликованных разборах случаев сильных ливней в горах не упомянуто никаких признаков отличия их от ливней на равнинах. Это дает основание считать, что физические процессы образования ливнезых осадков в горах и на равнине аналогичны. Отличия могут заключаться только в повторяемости и длительности существования условий, благоприятных для ливней. Таким образом, при решении вопроса о выпадешга осадков из конвективных облаков в горах можно использовать теоретические выводы, полученные аналитически или путем численного моделирования для равнинных условий.

1.2. Взаимосвязи характеристик осадков теплого периода в горах.

Явление усиления осадков в горах лучше проявляется при увеличении масштаба осреднения. Поэтому для ответа на вопрос, какие именно характеристики осадков испытывают влияние рельефа, были использованы данные о суммах осадков теплого периода на Кавказе. В их состав входили как наблюдавшиеся величины (сумма осадков за интересующий период ((), мм), продолжительность осадков (Г, часы), число дней с осадками больше 5 мм (А/)), так и вычисляемые по ним величины (число часов с осадками в день с осадками (г=Г/У), .средняя интенсивность осадков (/'= О/Т, мм/ч), количество осадков в день с дождем (д=<2/У, мм/сутки)). Единственной доступной характеристикой рельефа обычно считается высота пункта наблюдений над уровнем моря (А, м).

На примере корреляционной матрицы этих характеристик, полученной по 60 пунктам Кавказа, автор проанализировал их взаимное влияние и степень зависимости от высоты. Оказалось, что средняя интенсивность осадков j слабо связана с остальными характеристиками осадков, и что максимально высокие коэффициенты корреляции характерны для нижеследующей системы эмпирических уравнений:

<2(И) = 0.27Ыи(К=0,75), Т(Ы) = 1.93IIй (Е=0,81), ц(0) = 0,24(?^ (11=0,92) , = 0.6-/°63-№5 (11=0,84)), N(¡0 = 13.75 И025 №=0,67).

На ее основе можно сделан вывод , что следует объяснить влияние гор на метеорологические величины, определяющие интенсивность .осадков, и на число дней с осадками. Влияние высоты гор на N отмечалось и ранее даже по ! средним величинам, но оставалось неясным, как оно формируется

1.3. Особенности вертикальной структуры атмосферы в горах.

Крайняя недостаточность аэрологических данных в горах для исследования процесса формирования ливневых осадков требует рассмотреть вопрос о возможности использовать в горах. малопараметрическое описание стратификации атмосферы. Такой подход согласуется с методами восстановления стратификации атмосферы, применяемыми при обработке результатов спутникового зондирования. Параметризация характера стратификации в ряде случаев оказывается не хуже, чем игнорирование данных об особых точках в результатах радиозондирования, что принято при прогнозе опасных конвективных явлений в синоптической практике. В пользу допустимости использовать упрощенные описания стратификации свидетельствуют и работы, выполненные по материалам наблюдений в целях идентификации различий в атмосфере при ясном небе и конвективной облачности.

Упрощенная модель стратификации атмосферы в горах, использованная автором, основана на линейном изменении температуры с высотой и экспоненциальном изменении массовой доли водяного пара. Применение такого описания возможно не только для средних условий, но и для конкретных дней как ясных, так и дней с конвективными явлениями.

Коэффициенты корреляции между упрощенными и истинными профилями температуры и влажности даже по ежедневным данным редко бывают ниже 0,89.

Сравнение полученных автором оценок параметров упрощешплх моделей стратификации атмосферы в горах подтверждает известный вывод о том, что в теплый период наличие гор приводит к: повышаению средней температуры атмосферы, но вариации вертикального градиента температуры в горах носят случайный характер. Отмечалось также, что массовая доля водяного пара у подстилающей поверхности в горах уменьшается с ростом высоты, но медленнее, чем падает влажность на тех же высотах в атмосфере вне гор. При удалении от подстилающей поверхности, скорость падения массовой доли водяного пара с высотой в атмосфере гор мало отличается от скорости падения вне гор. Таким образом горы влияют на влажность атмосферы, как и в случае температуры, через изменение средней величины.

1.4. Основные сведения о воздействии тер на циркуляцию окружающей атмосферы.

Различные виды динамического влияния гор на атмосферу удобно классифицировать по Н.Ф.Вельтищеву, разбив их условно на четыре группы в соответствие с характерным пространствешллм масштабом. При этом выделяются барьерный эффект, топографический эффект, эффект горных волн и склоновый эффект.

Известно, что форма проявления барьерного эффекта зависит от соотношения скорости обтекания гор и их высоты, характеризуемое числом Фруда (Fr =.U/N/H, /^-частота Брента-Вяйсяля). При Fr >0,9 происходит переваливание воздуха через возвышенности. При 0,9>Fr>0,6 переваливание затрудняется, образуются горные. волны и возникают, хотя и слабо выражешпле, два подветренных вихря. При Fr<0,6 переваливание невозможно и происходит квазигоризонтальное обтекание гор с образованием ярко выраженного дуплета подветренных вихрей (слева по потоку антициклон, справа - циклон). Автор отмечает, что для большинства горных массивов Земли, высотой более 2 км, характерен третий случай.

Топографический эффект проявляется в появлении мезомасштабных барических центров, локальном сгущении изобар и усилении ветров. Пространственный масштаб явления составляет примерно 102 км. При топографических эффектах движение воздуха еще можно считать квазигоризонтальным.

Горные волны имеют длину 10°- 101 км и возникают на вогнутых или подветренных склонах гор. Склоновый динамический эффект проявляется в основном в виде локальных горно-долинных циркуляций.

2.Количественное описание рельефа применительно к решению метеорологических задач.

Развитие количественных методов и их реализация на основе компьютеров создает предпосылки для учета всех деталей рельефа района, интересующего метеоролога, даже таких, которые недоступны для учета в рамках централизованного прогнозирования синоптической обстановки по большим регионам.

Однако работы, в которых данные о рельефе сочетаются с характеристиками синоптической обстановки и климатическими условиями в горах немногочисленны. Активно применяется только высота пункта метеорологических наблюдений. Это обусловлено тем, что поле высоты рельефа в горах имеет очень сильную горизонтальную неоднородность.

В работе вопрос об описании рельефа решается в форме задачи построения такой таблицы данных о высотах рельефа, которые бы удовлетворяли потребности описаний метеорологических явлений в горных массивах. При решении этой задачи оказывается возможным не только получение числовых оценок, но и отыскание решения проблемы семантического анализа структуры поля рельефа. Последнее важно для выявления нелокальных характеристик-рельефа, с которыми следует связывать особенности погоды и климата в горах.

2.1. Подготовка данных о высотах рельефа.

Анализ периодограмм отдельных реализаций глобального рельефа (5 реализаций при точности съемки 200 м и шаге 50 км) показал, что описание

глобальных особенностей рельефа 60 волновыми числами, то есть до волн, длиной более 6° сохраняет 99,2% дисперсии и имеет погрешность меньше 120 м. Однако при таком описании имеет место значительная неоднородность по скорости сходимости сумм Фурье к представляемой реализации рельефа. Как показано в разделе 2, на волновые числа 1-21 (волны длиной более 2000 км) приходится 64% полной изменчивости, на волновые числа 22-46 (длина от 2000 до 870 км) приходится 27% изменчивости, на волновые числа 47-60 (длина от 850 до 670 км) остается 7% полной изменчивости. Остаточная сумма после представления высот суммой первых 46 гармоник не превышает 200 м.

Улучшить сходимость представления рельефа можно, считая сумму гармоник с волновыми числами от 1 до 21 глобальным трендом и вычитая его при переходе к локальному описанию отдельных горных стран. Например, для Эфиопского Нагорья можно с погрешностью, не превышающей 100 м, описать отклонения высот от глобального тренда с помощью суммы 8 обертонов глобальной волны с номером 20 (длина 2300 км). Из проведенного анализа следует, что минимальная длина волны рельефа, для которой амплитуда больше точности снятия данных с топографических карт примерно равна 150170 км. Это означает, что реально представимые на синоптических картах горные массивы можно трактовать как объекты мезо-ß масштаба

Для использования в задачах прогноза погоды или климатологии существенно сглаживание информации о высоте. Для этого могут быть использованы следующие методы: а) нахождение оптимального шага снятия данных, б) сглаживание с минимизацией зависимости остаточной ошибки от высоты, в) семантический контроль результирующего поля, которая подразумевает методику визуального карты, построенной по цифровой модели рельефа, и исходной топографической карты.

2.2. Вопросы учета уклона метеорологически значимого рельефа. Особенности сглаженного рельефа ряда горных стран субтропической и тропической зоны были изучены в ряде работ, выполненных под руководством автора диссертации. В тексте диссертации приведены наиболее характерные значения величин уклона сглаженного рельефа на примере Сирии и

Эфиопского Нагорья. Показано, что уклоны сглаженного рельефа, равные примерно 0.005-0,011, что в 90% случаях 5- 10 раз меньше максимально возможных при не сглаженном рельефе, но достаточно для создания орографических вертикальных скоростей, больших 10 см/с.

Показано, что значения уклона относительно слабо зависят от ориентации. Это свидетельствует о том, что уклон определяется не строением хребтов, а формой отдельных крупных элементов хребтов. Архитектура и дислокация горных хребтов в большей степени проявляются в относительно более плавных изменениях высоты трендовой составляющей рельефа.

Сделан вывод, что и после проведения фильтрации сохраняется сильная и приблизительно линейная зависимость средней квадратичной разности высот истинного и сглаженного рельефа от высоты сглаженного рельефа. Это означает, в частности, что фактическая площадь испаряющей поверхности гор возрастает с ростом высоты сглаженного рельефа. Это может иметь различные метеорологические последствия.

'2.3. Семантический анализ и типовые конф. /рации метеорологически значимого рельефа.

Под семантическим анализом автор подразумевает метод визуального -контроля подготовленной предложенным методом цифровой модели рельефа. Такой контроль необходим, так как применение регулярной сетки при подготовке данных приводит к пропуску некоторых принципиально важных особых точек поля высот. Для того чтобы дополнить данные цифровой модели в минимальном объеме, но добиться наибольшего визуального сходства исходной и восстановленной карт, в работе предложен метод построения дерева топографического изображения.

Суть метода состоит в том, чтобы при визуальном анализе структуры поля рельефа по сравниваемым картам выделить первичные элементы рельефа (гора, впадина) сходные с широко известными структурными характеристиками поля барической топографии (антициклон, циклон). Эти элементы связываются гиперболическими областями (перевал, седловина), образуя структуры. Типы структур можно представить плоскими графами (цепи, вилки, циклы).

Показано, что построенная без контроля цифровая модель имеет существенное отличие по виду графа от того, который визуально может построить исследователь по исходной карте. Сравнивая графы, легко найти причины потери сходства карт и исправить положение, введя дополнительные данные.

Предложенный метод позволил эффективно уточнять цифровые модели, а выявленные виды графов считать, полезным средством для типизации архитектуры рельефа при анализе зависимости метеорологических величин от местоположения метеорологической станции в горах.

3. Влияние свойств воздушной массы и рельефа на формирование конвективных осадков.

Исследование влияния рельефа на ливни требует определения условий, способствующих их выпадению. Они существенно зависят от процессов с широким спектром пространственных масштабов. Поскольку автор ориентировался на анализ синоптических и климатологических аспектов проблемы влияния гор на осадки, поэтому им принято предположение о сходстве микрофизических, термодинамические условия образования осадков, а также условий гидродинамической устойчивости воздушных потоков в равнинных" и горных районах. Приняв это допущение, удалось выявить главные среди известных в настоящее время характеристик, описывающих образование конвективных облаков над равниной, а затем оценить, как они изменяются в горах, по сравнению с равнинными условиями.

3.1. Зависимость физических характеристик облачности и осадков от мощности кучевых облаков.

Известные физически обоснованные методы и соотношения для явного вычисления потока падающих дождевых капель, требуют оценки радиуса капель раздельно для облачного и дождевого воздуха При описании спектра облачных капель в конвективном облаке гамма-распределением и учете рекомендуемого в отечественной литературе соотношения между его параметрами, микрофизическая структура облака выражается через средний радиус облачных капель и параметр концентрации крупных капель. На основе эмпирических зависимостей, связывающих эти параметры с толщиной (Н)

конвективного облака, выведены формулы для оценок интенсивности осадков (J) и скорости их испарения в подоблачном слое (£) в зависимости от Н, массовой доли водяного пара {q) и относительной влажности (/) у подстилающей поверхности. Они имеют вид: J= а (Н -0.5) ь и Е = c (q-(l-J)2 f. Эти соотношения указывают на то, что для параметризации процессов, протекающих в кучевом облаке, важнейшей характеристикой является его толщина.

3.2. Оценка толщины облаков для параметризации их термодинамических характеристик.

Толщина кучевого облака оценивается по минимальному набору данных на основе схематизации облака, принятой в работе и основанной на упрощении струйной модели облаков и их ансамблей. В набор входят массовая доля водяного пара на нижней границе облака, равная ее значению у земли, показатель скорости ее экспоненциального убывания и средний градиент температуры тропосферы (у).

Полученная зависимость имеет вид НсЬ = (0.37-у -1.5) q + 1.8у -15 и может быть уточнена, на основе использования более полных моделей облаков. Выявление зависимости толщины СЬ от указанных аргументов позволило изучить условия осадкообразования от внешних факторов синоптического масштаба.

3.3. Учет характеристик ансамблей кучевых облаков.

Как было показано в ряде работ, время накопления в облаке воды до нужных для выпадения осадков знамений зависит от толщины облака, но не велико и составляет 0,5-1 ч. Для облаков, у которых Н>Ъ км, выпадение осадков происходит после достижения ими термодинамически обусловленной мощности, когда верхняя граница превышает высоту уровня конвекции. Из наблюдений известно, что от момента образования Си med или Си cong до возникновения СЬ и выпадения осадков проходит длительное время, причем иногда осадки и вовсе не выпадают. Для выявления условий разрастания ансамбля облаков до появления СЬ, нужных для выпадения осадков Н, требуется учесть интенсивность притока водяного пара в массив облаков.

Использование известных моделей облачного ансамбля позволило автору сформулировать условие достаточного притока водяного пара в ансамбль облаков, чтобы в нем могли развиться СЬ необходимой для выпадения осадков толщины. Это условие выполняется, если существует приток пара в область развития ансамбля за счет адвекции или конвергенции. У земли это выражается в появлении, хотя бы на короткое время, локального роста массовой доли водяного пара

3.4. Условия образования мощных кучевых облаков в однородной воздушной массе.

Для возникновения облачттых ансамблей необходимо наличие в районе синоптических условий, благоприятных для развития конвекции. Анализ применяемых в синоптической метеорологии критериев неустойчивости воздушной массы показал, что для развития в районе конвекции необходимо одновременное выполнение нескольких условий, из которых в летний период наиболее ограничительным является условие существование КНС.

Из известного термодинамического определения высоты КНС и при наличии постоянного вертикального градиента температуры в тропосфере, в работе получено соотношение для оценки толщины КНС Оно имеет вид (и ц) = (2.54 ц + 8,5 (у-6)\-(0М93ц-1.2)1)/(0.9ц + у- у„) и является, "конечно, приближенным (его погрешность даже в условиях вывода составляет 50-100 м). Однако оно позволяет приближенно оценить то предельное значение массовой доли водяного пара при котором невозможна даже вынужденная конвекция, ввиду отсутствия КНС (/^=0). Для такой оценки предложено соотношение дтс = (1.2-1 +8,5(6-у))/(2.54+0.0093 0. На его основе условию существования КНС придан вид ц > ц„,с.

При выполнении условия существования КНС, дополнительно необходимо существование в его пределах вертикальных токов, достаточных для подъема влажного воздуха, по крайней мере, до уровня конденсации. Для определения величины положительных вертикальных скоростей, достаточных, чтобы за ограниченное время (скажем, за 6 часов) поднять частицы воздуха от середины КНС до уровня ковденсации, получена формула м> > 10-(!-/)■

3.5. Совместимость условий выпадения ливневых осадков.

Выпадение ливневых осадков с необходимостью происходит при выполнении всех выявленных условий, а) Должен существовать КНС. б) Внутри КНС должны быть положительные вертикальные скорости, достаточные для подъема воздуха до уровня конденсации в области с горизонтальными размерами, подходящими для возникновения облачного ансамбля, в) Облачный ансамбль, должен иметь характеристики, допускающие образование СЬ ожидаемой толщины, г) Ожидаемая толщины СЬ должна превосходить критическое для выпадения осадков значение, д) Осадки, должны быть достаточно интенсивными, чтобы не испариться в подоблачном слое.

Условия выпадения осадков а),б), г) и д) приведены к форме неравенства Ч > тса.{Цы.Чсъ,ЦсйьЦе>п}, котором Ць* = [1,21+8,5(6,6-у)]/(2,54-0,ОН), = уч/2,2/(уа-у)], цсЬ = (На- +Ь)/а, = ц.[1-а/(1,5+Ь)], а = 0,37у-1,5, Ь = 15-1,8у, а д. - насыщающая влажность. Более удобная для использования этих соотношений форма номограммы, представленной в диссертации. При наличие всех других условий, достал, .аым для выполнения условия в) должно быть возрастание влажности воздуха (дц/д1>0).

По приземным метеорологическим данным и средним значениям у получены оценки условий образования осадков в малоизученных районах на акватории тропических океанов, а также для участков суши с влажным и сухим тропическим климатом. Показано, что выпадения тропических дождей в вечерние, ночные и утренние сроки над засушливыми участками связано с отсутствием в дневное время КНС вследствие недостаточной влажности воздуха. Над увлажненными районами суши и над океаном КНС может отсутствовать при малых значениях у и выпадение осадков определяется появлением влияющих на него вертикальных токов.

4. Вертикальные скоростей в пограничном слое атмосферы над горным регионом.

Для реализации условной неустойчивости, допускаемой состоянием тропосферы над рассматриваемым регионом, необходимо наличие положительных вертикальных скоростей в нижней части тропосферы. В

средней части тропосферы содержание водяного пара в воздухе уже недостаточно, чтобы в результате образования там облаков выпадали сильные ливневые осадки. Вертикальные скорости в средней тропосфере влияют на ливпеобразовашге косвенно. Под их воздействием меняется величина вертикального градиента температуры.

Теоретические исследования показывают, что скорости вертикальных токов могут иметь максимум в средней части пограничного слоя и существенно превышать там характерные для свободной атмосферы значения. Из этого сделан вывод, что в средней части пограничного слоя атмосферы над горными районами могут образовываться вертикальные токи, достаточные для стимулирования осадков и зависящие от характера синоптического положения и рельефа Основное содержание раздела 4 посвящено рассмотрению вопросов расчета значений вертикальных токов мезо-р масштаба над горной территорией.

4.1 Формирование поля давления и вертикальных токов в горных районах.

Для расчета вертикальных токов использованы результаты теории турбулентного горного пограничного слоя, разработанной в трудах болгарских ученых Она основана на К-теорни, коэффициент турбулентности считается постоянным по вертикали, но переменным по горизонтали, зависящим от числа Россби и внешнего параметра стратификации. Через них коэффициент турбулентности может быть выражен в виде зависимости от модуля скорости ветра на верхней границе пограничного слоя, мезошероховатосги и среднего для данной воздушной массы вертикального градиента температуры.

Если приравнять вертикальные токи на верхней асимптотической границе пограничного слоя к вертикальным токам синоптического масштаба на нижней границе свободной атмосферы, то получится уравнение для определения давления Р на границе пограничного слоя и свободной атмосферы, которое в баротропном варианте теории пограничного слоя является и приземным давлением. Оно имеет вид: С.АР +- (-АИУ+В-И^РГ +(АИХ+ВИУ)РУ = 1р)У ,.где С, А и В - функции от коэффициента турбулентности, а IV -

вертикальные скорости синоптического масштаба

С помощью этого уравнения в работе объяснено, почему в горных районах давление и ветер сильно зависят от направления фонового синоптического переноса и почти не зависят от его скорости. Показано, что фоновый поток можно рассматривать как движущуюся гибкую крышку. Под ней за счет горизонтальной неоднородности трения у земли появляются отклонения давления Р. Как следствие возникают местные горизонтальные циркуляции. Они влияют на интенсивность турбулентного обмена, в результате чего внутри горного пограничного слоя возникают фрикционные вертикальные скорости, которые частично компенсируют орографические. Оказывается, что суммарные вертикальные токи внутри пограничного слоя максимальны не в направлении нормали к наветренному склону горного хребта, а смещены влево ' от направления потока

Такой характер связей давления и рельефа поясняет известную синоптикам "самостоятельность" .поля приземного давления в горах, которую на практике принимают во внимание, путем проведения "орографичес...х" изобар над горными территориями.

4.2. Эффективная высота рельефа в задачах разного масштаба. Принятая модель пограничного слоя в горах позволяет объяснить известный факт, состоящий в том, что циркуляция атмосферы в горном пограничном слое отражает не все особенности реального рельефа, а скорее реагирует на некоторый "эффективный" рельеф. Физическое обоснование сглаживания рельефа, рассмотренного в разделе 2, дано, исходя из требования склейки касательных напряжений макро - и мезо-масштабных течений.

Согласно выполненным расчетам, существуют различия в поле давления при сглаженном и не сглаженном рельефе. Они проявляются в виде смещения центров максимальных и минимальных значений давления в пределах одного-двух шагов сетки. Такая ошибка не может быть выявлена на основе современной сети метеорологических наблюдений. Поэтому можно считать, что сглаженный рельеф определяет поле давления в горном пограничном слое с достаточной точностью.

Показано, что при расчете вертикальных токов в условиях существенной горизонтальной неоднородности рельефа, а также при ветрах, направленных влево от нормали к склону и почти перпендикулярно к нему максимальные вертикальные скорости внутри пограничного слоя могут достигать значений орографических вертикальных скоростей идеального обтекания. Поэтому их значение может быть больше, если используется реальный рельеф. Сделан вывод, что поле давления и поле максимальных вертикальных скоростей в пограничном слое по-разному реагируют на сглаживание рельефа.

4.3. Анализ влияния рельефа на приземное давление и воздушные потоки над торами.

Использование выбранного метода описания турбулентного обмена в горном пограничном слое позволило провести расчеты, направленные на изучение влияния внешнего потока на давление, горизонтальные и вертикальные скорости при важных для метеорологической практики типах рельефа. Показано, что даже при прямолинейных изобарах фонового потока вникает характерная конфигурация мезомасптгабного поля отклонений давления от фона. Она имеет вид пары мезомасштабных центров давления противоположных знаков (дуплет), которые при наложении на фоновый поток образуют мезоволну давления. Отклонения давления отсутствуют на линии, направленной, почти под прямым углом по отношению к фоновому потоку скорости и проходящей через центр горы. Слева на наветренной стороне горы образуется область повышения давления. Справа на подветренной стороне формируется аналогичная по форме область понижения давления. Центр каждого вихря располагается от центра горы на расстоянии, примерно равном радиусу горы.

В поле ветра, возникающем в случае одинокой горы при круговом циклоническом поле фоновых изобар, отчетливо проявляются основные особенности поля давления. Слева и справа от фонового потока примерно в средней части горы образуются две зоны максимальных ветров. Их происхождение обусловлено возрастанием на склоне горы градиента отклонений давления от фонового. Если растет градиент фонового давления, то

мезомасштабные скорости в зонах максимума могут возрастать быстрее и могут превышать скорости фонового градиентного ветра.

Ветровой эффект взаимодействия рельефа и фонового давления в значительной степени зависит от конфигурации горного хребта В ветровом поле, возникающем при обтекании линейного хребта, зоны максимальных ветров по обе стороны хребта растягиваются, и в них усиливается ветер, по сравнению со случаем одинокой горы. При широком и близком к квадратному расположению гор образуются не две, а четыре зоны усиления ветров. Две образуются снаружи массива и еще две локализуются внутри, причем именно там возникает максимальное усиление ветра Такое расположение внутренних зон • усиления ветра позволяет считать их модельным аналогом областей сильных ветров горных проходов, часто возникающих в природе.

На основе расчетов показано, что максимальные значения вертикальных скоростей располагаются в средней части склона на высоте, приблизительно равной середине высоты горного пограничного слоя. Они несколько меньше по величине, чем; орографические, которые возникли бы при идеальном обтекании горы фоновым потоком. Они образуются не строго на наветренной по отношению к фоновому потоку части склона горы, а смещены влево по склону.

Установлено, что горизонтальное распределение составляющих вектора скорости ветра в слое горного трения относительно мало зависит от значений фоновой скорости градиентного ветра, но локализация областей максимальных скоростей определяется (для каждой конфигурации гор, по своему) именно направлением фонового ветра

5. Зависимость влажности от рельефа.

Оценка влияния рельефа на формирование горизонтальных и вертикальных скоростей внутри слоя горного трения позволила выявить зависимость поля влажности от форм рельефа и локализовать области, где повышена вероятность осадков. В первом приближении вопрос рассматривался без учета формирования термической стратификации тропосферы. Известно, что вертикальный градиент температуры достаточно устойчив по пространству и что достаточная успешность численных прогнозов температуры в нижней

тропосфере позволяет считать поле температуры доступным для практического использования. Дано качественное обоснование предположению состоящему в том, что поле влажности в горах важнее для формирования поля температуры, чем обратное влияние поля температуры на формирование влажности.

5.1. Уравнение баланса водяного пара в атмосфере над горами и его замыкание.

В качестве математической модели процесса увлажнения атмосферы в горах использовано уравнение баланса водяного пара. Для замыкания этого уравнения были использованы: параметризация скорости конденсации (раздел 3), известные методы расчета скорости испарения и условие применимости модели экснонециального убывания с высотой для описания стратификации влажности. Уравнение баланса пара было преобразовано в уравнение для приземного значения массовой доли водяного пара в горах. Скорость ветра на уровне эффективного переноса пара, вычислялась по фоновому полю давления и рельефу, методом, описанным в разделе 4.

5.2. Зависимость влажности от выаиы рельефа при упрощенном варианте уравнения баланса пара.

Для упрощения анализа зависимости влажности от высоты уравнение баланса пара представлено в одномерном варианте (вдоль линии тока). В этом случае оно имеет вид обыкновенного дифференциального линейного уравнения

<7',= Ъ$[а-(г(11—я)- Ц(7'я + и<оАрЦ}, где Ь0 - доля потока пара, не израсходованного на конденсацию (определена в разделе 3.3 как функция относительной влажности), а = <?Со/кд,- коэффициент обмена для водяного пара, учитывающий повышенную площадь испаряющей поверхности в горах, Ссох^О^, {/2= Овт(Оо), и>ог= С- ^Н сов(ЛО) -составляющие скорости ветра, рассчитанные по его модулю, уклону рельефа- Рй и разности направлений ветра (Ос) и уклона АО.

■Решение стационарного варианта этого уравнения хорошо известно и, если считать коэффициенты в уравнении постоянными, оно преобразуется в экспоненциальное убывание убывание приземного значения массовой доли водяного пара с высотой (эмпирической закон Ханна). В зависимости от

ветровой экспозиции склона темп убывания влажности, по мере подъема в горы, меняется.

Если к горам подходит воздух, влажность которого превышает стационарное (демаркационное) значение, характерное для режима обтекания и особенностей конкретного рельефа гор, то возможны конденсация и осадки. Нахождение стационарного (демаркационного) значения для каждого горного массива, представляющегося важным для жизнедеятельности людей, может быть проведено путем численного моделирования. Табл.1, показывает, как значительно зависят условия выпадения' осадков от величины среднего вертикального градиента температуры в атмосфере.

Таблица 1

Предельные значения характеристик для контроля возможности выпадения осадков по приземным данным в зависимости от у.

у, °/км 6,5 6,3 6 5,7 5,5 5,3

<7, %о 7,5 8,6 10,7 13,5 16,1 19,4

Го.% 0,4 0,45 0,52 0,59 0,64 0,69

Гп,% 0,73 0,77 0,81 0,85 0,87 0,9

1т, °с 18,9 20,9 24,8 29,8 34 39

Примечание: при задавом у ливневые осадки невозможны, если: 1) значение д меньше табличного (мощность облаков недостаточна), 2) минимальная относительная влажность ^ меньше табличной (ие хватит вертикальных токов), 3) средняя за сутки температура *„ - выше табличной (нет КНС), 4) если максимальная/„ меньше табличной (осадки не достигнут земли)

Анализ формирования влажности и осадков при циркуляции воздуха на склоне гор сделан на примере отрезка рельефа Эфиопии. Отмечена несимметричность профиля влажности при подъеме и спуске. При подъеме влажность понижается быстрее, чем насыщающая. Это приводит к выполнению условий конвекции и снижению уровня конденсации, поэтому на высоте около 2 км выполняются условия выпадения осадков. При спуске влажность возрастает, но мед леннее, чем понижалась при подъеме. В результате условия для конденсации выполняются не все и осадки при спуске не выпадают. Неравномерность роста и падения влажности на наветренном и подветренном склоне имеет место в природе и выражается в образовании внутри горных пустынь.

Показано, что ливневые осадки не начинаются сразу от подножия наветренного склона потому, что там слишком сухо для развития конвективной облачности. Вначале происходит быстрое нарастание значения приземной массовой доли водяного пара за счет испарения при более высоких температурах. Адвекция водяного пара препятствует этому, вынося пар вверх по склону. Выше по склону развиваются осадки, забирая большую часть подходящего с адвекцией пара, и нарастание влаги замедляется, а позже и совсем прекращается.

В естественных условиях рельеф всегда имеет мелкомасштабный компонент сложной структуры. На основе расчетов удалось обнаружить, что случайные вариации высоты рельефа не приводят к полному изменению формы зависимости влажности от высоты, а выражаются во флуктуациях, хорошо различимых и допускающих статистическую корректировку полученных без их учета оценок.

Хотя соотношения для расчета испарения и осадков очень сложно зависят от влажности, учет обратного влияния испарения и осадков на влажность смягчает нелинейный характер зависимостей и приближает их к линейной форме. Это важно для построения эмпирических формул.

5.3. Влияние двумерной структуры рельефа на положение зон конденсации.

Наиболее существенным изменением поля влажности в горах при двумерном описании, по сравнешпо с решением вдоль линии тока, является сдвиг максимума влажности с середины наветренного склона горы в левую (по отношению к потоку в свободной атмосфере) часть склона горы. Смещение максимума связано с полем скоростей. В двумерном случае прослеживается позиция максимума орографической конвергенции горизонтального потока водяного пара. Симметрично влажной, на подветренной стороне склона располагается самая засушливая зона Зависимость влажности от высоты в каждой точке линии тока, проходящей по горной области, по прежнему, имеет петлю гистерезиса, то есть прослеживается роль уклона в формировании увлажненности места

Зависимость скорости испарения и осадков в горах от влажности, совершенно такая же, как и в одномерном случае. В двумерном случае не меняется форма условий формирования ливневых осадков. Поле влажности так же, как и в одномерном случае, зависит от направления ветра и рельефа. Слева по потоку на средних частях наветренных склонов возрастает влажность, а справа по потоку на средних частях прдветренных склонов влажность уменьшается. В местах возрастания концентрации водяного пара увеличивается выпадете осадков ливневого характера.

В расчетах был учтен суточный ход приземной температуры в горах, что определило не стационарность поля влажности. Показано, что она имеет колебательный характер. Колебания четко прослеживаются в изменении положения и деформации зон повышенной и пониженной влажности. Период появления сходных структурных особенностей поля влажности в одних и тех же позициях относительно рельефа при сохранении внешних условий оказался более длительным, чем суточный, и составил примерно 36 часов. Это может быть Объяснено собственной инерционностью процессов переь^а влаги.

Анализ результатов расчетов показал, что изменения направления. внешнего ветра приводят к хорошо прогнозируемым изменениям положения зон максимумов и минимумов влажности и осадков. Эти зоны оказываются как бы скрепленными с циркуляционными дуплетами, и смещаются вместе с ними при вращении внешнего ветра.

Сопоставление результатов расчетов поля влажности и осадков при различных типовых конфигурациях рельефа показало, что для объяснения особенностей распределения влажности при разных типах рельефа можно использовать принцип суперпозиции полей, полученных для одинокой горы. Показано, что при применении суперпозиции следует учитывать расстояние между горами. Если горы располагаются близко друг к другу, то противоположные по знаку эффекты суммируются. Если горы находятся друг от друга на расстоянии большем, чем сумма их радиусов, то их влияние друг на друга пренебрежимо мало.

Так при обтекании потоком широкого четырех вершинного горного массива, распределение влажности вокруг каждой горы имеет характер, подобный случаю одинокой горы. Благодаря суперпозиции внутри горного цирка появляется зона сильно пониженной влажности, где складываются неблагоприятные условия для выпадения осадков. Поскольку при изменении направления потока характер увлажнения внутренней области не изменится вследствие симметричности конфигурации гор, можно предполагать, что в природе таким котловинам должен быть свойственен засушливый климат. Этот вывод можно применить для объяснения существования пустыни в рифтовой долине между главными хребтами Эфиопского нагорья и в других подобных котловинах Мира.

Предложенная автором методика экспериментов применима при любом реальном рельефе и заданном поле барическом в свободной атмосфере над горами. Из этого сделан вывод о возможности на основе данных, передаваемых в коде ОЯГО, оценивать на основе количественных методов для каждого конкретного горного массива локализацию областей возможного выпадения осадков при типовых для исследуемого района формах барических поле.

5.4. Зависимость сумм осадков теплого периода от характеристик рельефа гор.

На основе полученных автором результатов объясняется механизм влияния характеристик рельефа, во-первых, на интенсивность осадков в день с дождем, а во-вторых, на число дней с осадками. Расчетные формулы получены для территории Западного Закавказья, которая освещена метеорологическими данными относительно хорошо, по-видимому, с наибольшей возможной в горах полнотой. Субтропический климат района и выпадение в теплый период, в основном, ливневых осадков соответствует условиям выполненного в работе теоретического анализа

Зависимости сумм осадков от характеристик рельефа выявлялась путем вычисления их по средней интенсивности и числу дней с дождем (2 ~ N " ] с. Аналогичные соотношения можно получить по метеорологическим данным и для других горных стран. На основании выявленной зависимости средней

максимальной интенсивности ливневых осадков от среднего градиента температуры в тропосфере и приземной влажности получено соотношение между суммами осадков, числом дней с осадками более 5 мм и приземной массовой доли водяного пара в виде: () = Nа дь, в которой а =1,65 ,Ь - 0,39 00=2,7 для Западного Закавказья (коэффициент корреляции между рассчитанным по формуле и фактическим наборами данных равен 0,91). Эта зависимость может быть получена с помощью регрессионного анализа для любого освещенного метеорологическими данными района

Число дней с дождем N является произведением вероятности осадков на число дней в месяце. Для получения зависимости N от метеорологических характеристик и рельефа, оно представлено в виде произведения вероятностей двух групп событий. Первая группа событий - это наличие в рассматриваемом пункте необходимых для выпадения дождя тепловых и влажносгных условий. Вторая группа событий имеет динамическую природу. Она состоит в существовании внутри пограничного слоя вертикальных скоростей, достаточных для поднятия воздуха до уровня конденсации Предполагается | статистическая независимость обеих групп событий.

Проведенный анализ привел к выявлению теоретически обоснованного соотношения для оценки в первом приближении сумм осадков за отдельные месяцы и за весь теплый период по метеорологическим характеристикам в наветренной равнинной части гор и характеристикам рельефа. Коэффициента корреляции между факторами влияния рельефа и числом дней с дождем для Западного Закавказья приведены в табл. 2 для станций черноморского побережья и долины р. Риони. Коэффициенты корреляции, меньшие 0,6, статистически недостоверны на уровне значимости 90% и приведены только в качестве иллюстрации отсутствия связанной с ними зависимости. В табл. 2 приведены названия факторов, формулы для расчета и оценки качества связи. Соотношение для расчета сумм осадков за месяц или теплый период получается после подстановки в формулу для () зависимости числа дней N от указанных в таблице в виде: ~д ь {Ы0[1+а £, стф - йа)] ¡(И.ЦЮ/} ' . В

качестве Ыа использовались дашше о числе дней с осадками в пункте вблизи гор, где их влияние на число дней с осадками не ощущается.

Таблица 2

Коэффициенты корреляции между числом дней с осадками более 5 мм в Западном Закавказье и возможными воздействующими факторами

Название фактора Формула Побережье Риони

Высота й 0,22 -0,02

Расстояние до берега 1 0,13 -0,32

Повторяемость направлений ЮВДО и ЮЗ Г; 0,83 0,51

Повторяемость СВ и Ю £ -0,53 0,74

Косинус разности направления берега и ветра Соф-Бо) 0,91 0,9

Фактор ориентации изогипс рельефа и ветра Х,=ДС05(О-Ов) 0,91 0,84

Влияние X) на число дней с дождем N,=N<>■(1+а*Х,) 0,91 0,84

Фактор уклона рельефа 1=(Ы12)" 0,96 0,61

Температура Т -0,66 -0,01

Дефицит относительной влажности о/ -0,65 -0,54

Фактор уклона и влажности Х2=10 06Ю/33 0,92 0,89

Окончательное число дней с дождем 0,92 0,88

Хотя это соотношение теоретически обосновано выводами предыдущих разделов работы, оно является приближенным. На его основе становятся понятными ранее предлагавшиеся региональные формы зависимости сумм осадков от характеристик рельефа Тем самым создана основа для получения локальных зависимостей сумм осадков теплого периода от рельефа в труднодоступных и слабо освещенных метеорологическими данными районах.

Заключите

Метеорологические процессы в горах определяются взаимодействием циркуляции и рельефа, приводящим к возникновению барьерного, топографического, склонового эффектов и эффекта горных волн. Все они имеют различные пространственные масштабы, каждый из них влияет на погоду и климат, за счет чего создается такое многообразие метеорологических условий в горах, что возникают сомнения в возможности их синоптической трактовки для прогноза погоды или при климатологическом оценивании.

Однако путем рассмотрения влияния каждого эффекта на осадки в диссертации выявлена возможность синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах. Такая интерпретация основана на сочетании достижений динамической метеорологии, численного анализа данных, доступных в оперативной деятельности для синоптика и климатолога, данных о рельефе гор и известных из опыта связей между метеорологическими характеристиками. Это позволяет говорить о создании нового научного направления в метеорологии, синтезирующего традиционные синоптические методы с методами строгого математического анализа щи разработке прогностических и климатологических выводов

Сущность предлагаемой концепции синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах состоит в следующем. Анализ процессов следует основывать на результатах численного моделирования полей метеорологических характеристик, аналогичных по составу тем, которые передаются в коде 011ГО.

Влияние рельефа горных стран оценивается на основе разработанного автором метода подготовки цифровой модели рельефа. Она позволяет учесть главные особенности поля высот без излишней детализации и без нарушения правильности визуального восприятия карты рельефа (раздел 2).

Условия неизбежно ограниченного • объема информации о метеорологических процессах в горах определяют необходимость использовать параметрическое описание стратификации атмосферы. Параметры, как показано автором, можно определить на основе доступной, хотя и ограниченной по объему, информации приземных горных станций в рассматриваемом районе (раздел 1.3). Использование указанных выше данных и аппроксимаций позволяет получить первое приближение метеорологических полей в горном пограничном слое.

На основе метода, предложенного автором (раздел 4), уточняется распределение приземного давления в горах, а затем оцениваются горизонтальные скорости и вертикальные токи. Результаты расчетов для конкретного рельефа контролируются, путем сравнения с выявленными

автором типовыми конфигурациями сходственных полей для возможных в горах типовых форм рельефа

На основе рассчитанного с учетом синоптического анализа поля ветра и вертикальных токов оценивается прострапсшенно-временная неоднородность распределения приземной влажности (раздел 5). Оценка вероятности, средней максимальной интенсивности и количества ливневых осадков делается на основе предложенной автором методики (раздел 3).

Возможные суммы осадков за отдельный месяц (или за весь теплый период) в горах оцениваются на основе подхода, развитого автором (разделе 5.4). Если в рассматриваемом горном районе имеются данные приземных метеорологических наблюдений, то можно рассчитать вероятное поле вертикальных токов и оценить распределение осадков по всей территории гор. Если в горах данных нет, то для предварительных оценок сумм осадков может быть использована климатологическая информация о влагопесупхих направлениях, ветра и суммах осадков на наветренной равнине с использованием соотношений и формул, выведенных в работе.

Предлагаемый автором подход следует рассматривать как первое приближение синоптического метода интерпретации синоптических процессов в горах. Можно надеяться, что развитый подход и положения защиты диссертации послужат основой для дальнейшего совершенствования методов обучения и практической работы синоптиков и климатологов в горных областях Земли.

Основные результаты опубликованы в следующих работах.

1. Русин И.Н. Влияние гор на формировшше ливневых осадков.- С.-Пб.:РГГМИ 1996, 50 с.

2. Русин И.Н. Синоптическая интерпретация данных при расчете ливневых осадков в горах_-С.-Пб. РГГМУ, 2000,200 с.

3. Русин И.Н. Современные методы метеорологических прогнозов.- Л.: Изд. ЛПИ, 1987, 96 с. (ЛГМИ)

4. Русин И.Н., Тараканов Г.Г. Сверхкраткосрочный прогноз погоды. Учебное пособие. - С.-Пб.:РГТМИ.1996, 128 с.

5. Русин И.Н. Гидродинамические методы долгосрочного прогноза погоды. JL: Изд. Ленинградского политехнического ин-та, 1984,150 с.

6. Данович А.М., Панин Б.Д., Русин И.Н. Современные прогностические модели, основанные на полных уравнениях. Конспект лекций.- Л.: Изд. Ленинградского политехнического ин-та, 1984,80 с.

7. Русин И.Н. Описание структуры карт изобар в виде графов Метеорология и гидрология 1997, N 2,12 с.

8. Русин И.Н. Прогноз погоды: искусство, наука или производство. ЧиС

9. Русин И.Н. Оценка орографических вертикальных токов для территории СЗ УГКС. Сб. работ Ленинградской ГМО, вып. 316 1987

10. Воробьев В.И., Русин И.Н. Повышение эффективности краткосрочных. прогнозов погоды за счет автоматизации. Межвед. сб. N Изд.ЛПИ 1987

11. Русин И.Н. Особенности ежедневных оценок успешности численных прогнозов. // Межвузовский сб. "Анализ и прогноз полей метеорологических величин и явлений. (Труды. .. МИ, вып.92)- Л.: Изд. ЛПИ, 1986, с.45-52.

12. Русин И.Н., Иршед К. Влияние рельефа на климатический режим Сирии. // Труды РГГМИ, вып. 114, с. 101-108. 1992 г.

13. Русин И.Н., Тараканов Г.Г. Алгоритмизация метода синоптической интерпретации локальных метеорологических наблюдений. Сб. научн. трудов "Метеорологические прогнозы". Л., Изд. ЛПИ,1990,

•14. Тараканов Г.Г., Русин И.Н. Перспективы диагноза синоптической ситуации без карт погоды. //Труды РГТМИ, вып 106, с. 65-75. - Л.: Изд. ЛПИ, 1990,

15. Русин И.Н., Родионов А.Ю. О зависимости многолетних значений составляющих водного баланса подстилающей поверхности от дефицита влажности воздуха. Деп. в ВИНИТИ 17.06.80, N 2430-80,9Б404.11 с.

16. Русин И.Н., Родионов А.Ю. Параметризация влагооборота для упрощенных моделей системы атмосфера-океан-конгиненг. Деп. в ВИНИТИ 1981, N3891-81, Юс.

17. Русин И.Н., Тутунпсина Е.А. Об использовании численных прогнозов в синоптической практике,- Межвед. сб. N 88. Изд. ЛПИ, 1985

18. Веремеенко М.В., Матвеева Е.Б., Пригодич.Н.Ф., Русин И.Н. Опыт северо-западного - УГКС в автоматизации расчетных методов прошоза onacimx явлений погоды". Инф. письмо Упр.Ав. Госкомгидромета.-М., Гидрометеоюдат,1986. 6 с.

19. Веремеенко М.В., Матвеева Е.Б., Пригодич.Н.Ф., Русин И.Н. Автоматизированный расчет количества осадков в теплый период года по методу Е.М. Орловой с уточнением Сб. работ ЛГМЦ, 1986 N3 16 .Л.:, Гидрометеоиздат. 1986.

20. Веремеенко М.В., Матвеева Е.Б., Пригодич.Н.Ф., Русин. И.Н. Краткосрочный прогноз количества осадков в теплый период года по методу Е.М. Орловой с уточнением СЗ УГКС. Программное средство. ОФАП. Госкомгидромет, инв N 11064351009, 1986, 80 с.

21. Русин И.Н., Иванова И.Ю., Андреев A.B. Результаты испытаний автоматизированной системы локальной интерпретации гидродинамических прогнозов, ориентированной на диалог с синоптиком. В сб. научных трудов "Метерологические прогнозы". Л., Изд. ЛПИ, 1989

22. Русин И.Н., Светский А.З. Влияние нестационарности речного стока на проникновение морских вод в эстуарии. "Водные ресурсы" N 4,1981

23. ИКРусин, доц., Г.Орози, асп, Т.Паликон, асп., А-Укобизаба, асп. Условия образования ливней в тропиках и субтропиках. - В сб. Итоговая Сессия Ученого Совета. 25-26 января 2000 г. Тезисы докладов. -:СПб, Российский государственный гидрометеорологический университегт, 2000.-е. 12-13.

24. И.Н.Русин, доц, Львова Т.Ю.,асп., Яколайнен О.В., асп Теоретический метод оценки вклада экспозиционно-циркуляционного эффекта в суммы ливневых осадков в горах. - В сб. Итоговая Сессия Ученого Совета. 25-26 января 2000 г. Тезисы докладов. -:СПб, Российский государственный гидрометеорологический университет, 2000.- с. 25-26.

25. И.Н. Русин, Перспективы теоретической диагностики регионов со сложным рельефом в целях выявления зон возможных опасных ливневых

осадков. В сб. Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон. Всероссийская научная конференция 16-18 ноября 1999 г.- С-Пб., Российский государственный гидрометеорологический университет, 1999,-с. 130-131.

26. Русин И.Н. Динамическая интерпретация дшшых о рельефе для диагноза и прогноза ливневых осадков в горах. - В сб. Итоговая Сессия Ученого Совета 26-27 января 1999 г. Тезисы докладов. -:СПб, Российский государственный гидрометеорологический университет, 1999.- с. 23-24.

27. Русин И.Н., Укобизаба А. Формулировка условий образования облачных струй большого диаметра в сб. Материалы Итоговой Сессии •Ученого Совета 26-28 января 1998 г.-:СПб, Российский государственный гидрометеорологический ин-т (университет), 1998.- с. 39-41.

28. Русин И.Н., Яколайнен О.В. Формирование приземного поля влажности воздуха вокруг горного массива в сб. Материалы Итоговой Сессии Ученого Совета 26-28 января 1998 г.-:СПб, Российский государственный гидрометеорологический ин-т (университет), 1998.- с. 41-42.

29. Русин И.Н., Лебедева Е.А. Некоторые свойства графов карт барической топографии, в сб. Материалы Итоговой Сессии Ученого Совета 2628 января 1998 г.-:СПб, Российский государственный гидрометеорологический ин-т (университет), 1998.- с. 42-43.

30. Русин. И.Н. Биотесты как основа для преобразования гидрометеорологической сети в систему контроля за состоянием социально-природных комплексов. - В сб.: Атмосфера и здоровье человека Тезисы докладов Всероссийской конференции 24-26 ноября 1998 г., Санкт-Петербург,: СПб, Гвдрометеоиздат, 1998.-с. 208-209.

31. Русин И.Н., Тутушкина Е.А. Возможность оперативного предсказания качества численных прогнозов. /Метеорологические прогнозы. Сб.научных трудов.-JL: изд ЛПИ,1987, вып.97, (ЛГМИ), с.19-28.Русин И.Н. Автоматизированная система локальной интерпретации гидродинамических прогнозов, ориентированная на диалог с синоптиком. В сб.:"Статистическая

интерпретация гидродинамических прогнозов" /тезисы докладов на Всесоюзной конф.- Алма-Ата Госкомгадромет, 1987

32. Русин И.Н. Использование автоматизированного рабочего места синоптика для согласования результатов прогнозов осадков по различным методикам. В сб.: "Тезисы докладов III Всесоюзной конф. по статистической интерпретации гидродинамических прогнозов"/М.:, Госкомгадромет. 1989.

33. Русин И.Н. Выявление структуры метеорологических нолей путем построения графа взаимосвязи изолиний./ Современная география и окружающая среда Всероссийская научная конференция. Тезисы докладов. Изд.Казанского Ун-та 1996. -1.5 с.

34. Русин И.Н., Кадыров Д.А, Страковский К.С. Принципы конструирования гибкого автоматизированного процесса прогнозирования погоды (ГАЗП) и их реализация при объектно-ориентированном программировании./Итоговая сессия Ученого Совета Тезисы докладов .-С.-Пб. РГГМИ. 1995

35. Русин И.Н., Кадыров Д.А, Страковский К.С. Описание структуры метеорологических карт в виде графов./ Итоговая сессия Ученого Совета Тезисы докладов.- СПб. РГТМИ. 1996

36. Русин И.Н., Воробьев В.И. Тибебу Ч. Исследование зависимости адличества внутримассовых осадков от рельефа горной страны./ Современная тография и окружающая среда. Всероссийская научная конференция. Тезисы юкладов. Изд. Казанского Ун-та 1996.1.5 с.

37. Воробьев В.И., Русин И.Н., Тутушкина Е.А. Возможности итеративного предсказания качества краткосрочных численных прогнозов./ Тезисы докл. Всесоюзн.конф. по авиац. мег.- М., Гирометеоиздаг, 1,1986

38. Воробьев В.И., Русин И.Н. Автоматизация прогностической работы иногтгика: принципы и перспективы / Тезисы докл. Всесоюзн.конф. по авиац. [ег,- М., Гирометеоиздаг, 1,1986

39. Воробьев В.И., Русин И.Н. Новые элементы методики раткосрочных прогнозов погоды в условиях использования синоптиком втоматизированного рабочего места /Сб.: "Тезисы докладов Всесоюзн.

совещания. Проблемы гидрометеорологического обеспечения н/х Сибири".-Красноярск, Госкомгидромет. 1989

40. Воробьев В.И., Русин И.Н., Пригодич Н.Ф. Интерпретация численных прогнозов: точка зрения синоптика. В сб. "Статистическая интерпретация результатов гидродинамического прогноза с целью прогноза погоды."-Ташкент. Всесоюзн. совещ. 1985

41. Русин И.Н., Арешкина А.Г. Стратегия использования прогнозов синоптиком. Теоретический подход. В сб. "Статистическая интерпретация

* результатов гидродинамического прогноза с целью прогноза погоды. Ташкент. Всесоюзн. совещ. 1985

ЛР № 020309

Подписано в печать 20.04.2000. Формат 60x90 1/16. Бум. кн.- жур. Объем 2,6 п.л. Тир. 100. Зак. 5" б, 195196, СПб, Малоохтинский пр. 98. РГТМУ

Содержание диссертации, доктора географических наук, Русин, Игорь Николаевич

Введение.

1 .Атмосферные процессы и осадки в горах. ^

1.1. Усиление осадков в горах: пространственно-временные масштабы явления. ' ^

1.2. Взаимосвязи характеристик осадков теплого периода в горах. Л

1.3. Особенности вертикальной структуры атмосферы в горах. Ь

1.4. Основные сведения о воздействии гор на циркуляцию окружающей атмосферу. ^ ^

1.5. Выводы.

2.Количественное описание рельефа применительно к решению метеорологических задач,

2.1 .Подготовка данных о высотах рельефа.

2.2. Вопросы учета уклона метеорологически значимого рельефа. ^

2.3. Семантический анализ и типовые конфигурации метеорологически значимого рельефа. ^ ^

2.4. Выводы.

3. Влияние свойств воздушной массы и рельефа на формирование д 5~ конвективных осадков. *

3.1. Зависимость физических характеристик облачности и осадков от мощности кучевых облаков. ^ ^

3.2. Оценка толщины облаков для параметризации их характеристик. >

3.3. Учет характеристик ансамблей кучевых облаков. '1 ^.

3.4. Условия образования мощных кучевых облаков в однородной воздушной массе. ! X 5Г

3.5. Совместимость условий выпадения ливневых осадков. I

3.6. Выводы. 4ТО

4. Вертикальные скорости в пограничном слое атмосферы над горным регионом,

4.1 Формирование доля давления и вертикальных токов в горных районах.

4.2. Эффективная высота рельефа в задачах разного масштаба. 4 &с/

4.3. Анализ влияния рельефа на приземное давление и воздушные потоки над Т- унтерами,

4.4. Выводы.

5. Зависимость влажности от рельефа,

5.1. Уравнение баланса водяного пара в атмосфере над горами и его замыкание.

4ЪЧ Л

5.2. Зависимость влажности от высоты рельефа при упрощенном варианте уравнения баланса п а •

5.3. Влияние двумерной структуры рельефа на положение зон конденсации. Ы

5.4. Зависимость сумм осадков теплого периода от характеристик рельефа

5.5. Выводы> Заключение Литература.

Введение Диссертация по географии, на тему "Синоптическая интерпретация атмосферных процессов в горах"

Актуальность проблемы.

Рассматриваемый в диссертации круг вопросов составляет узловую часть проблемы географической зональности. Суть ее - вопрос о факторах, определяющих зональность географической среды, и о характере их влияния. Исследования в этой области особенно актуальны сейчас, когда рост численности населения и технологические достижения превратили человечество в фактор планетарного масштаба.

В.В. Докучаев выделил астрономические факторы зональности (орбитальные характеристики и форму Земли). В дальнейшем A.A. Григорьев и М.И. Будыко ввели в рассмотрение соотношение радиационного баланса (R) и затрат тепла на испарение выпадающих осадкор (Lr) - радиационного индекса сухости. Изолинии R/Lr в равнинных районах согласованы с границами основных природных зон. Вместе с тем имеется множество ситуаций, вскрытых в трудах русских ученых и в особенности М.А.Петросянца, которые связаны с архитектурой и дислокацией горных стран и еще требуют изучения степени их подчиненности действиям закона географической зональности.

В качестве инструментария для такого исследования в настоящее время еще не возможно в полной мере использовать математическое моделирование, ввиду крайней сложности и многомасштабности процессов, которые требуется учесть при изучении влияния рельефа на осадки. Кроме того, необходимо постоянно иметь в виду, что практическая деятельность по прогнозу погоды в горах не может быть основана только на результатах численных прогнозов, но требует методического обеспечения синоптической интерпретации всего комплекса данных о географическом объекте, включая особенности рельефа.

Невозможно ограничиться и чисто эмпирическим подходом, Наиболее многочисленные инструментальные наблюдения в горах производятся за атмосферными осадками. Применяемые методы оценки осадков вне точек наблюдения основаны на использовании либо данных ближайшего к интересующей точке осадкомерного поста, либо карты изогнет суточных сумм осадков, составленной для района. Оба метода допускают большие погрешности, так как осадки в горах отличаются большой пространственной неоднородностью, а имеющаяся сеть метеостанций и осадкомерных постов в горах недостаточна и нерепрезентативна. На Кавказе, где метеорологическая сеть является одной из лучших в горных территориях, около 65% постов расположены ниже 900 м, еще 34% постов расположены от 900 до 2500 м и только менее 1 % выше 2500. Посты оснащены осадкомерными приборами, имеющие разные уровни погрешности. Кроме того, они весьма неравномерно распределены и по элементам горного рельефа. Основная часть осадкомеров находится вблизи дна долин. Склоны и вершины освещены гораздо хуже.

Основное внимание в работе уделено вопросам оценки ливневых осадков. Атмосферные осадки являются одной из характеристик климата, внимание к которой если не растет, то, по крайней мере, никогда не ослабевает. Относясь к явлениям, влияние которых на деятельность человеку и окружающую его среду наиболее велико и может проявляться как в положительном, так и в отрицательном смысле, они постоянно привлекают внимание экологов, гидрологов и метеорологов. Признано, что, несмотря на постоянно возрастающую потребность населения земного шара в воде, важнейшая приходная составляющая водного баланса -атмосферные осадки - известна еще недостаточно точно. Особенно велики погрешности определения характеристик осадков в горных областях.

На основании имеющейся информации уже выявлен ряд особенностей в распределении осадков в горах. Показано, что количество осадков зависит от высоты местности, от ориентации хребтов по отношению к влагонесущим массам воздуха, от доступности форм рельефа а также от особенностей синоптических процессов, обусловленных преобразованием мезомасштабной циркуляции атмосферы под действием рельефа. Механизм влияния рельефа на осадки ливневого характера не вскрыт, а предложенный Бьеркнесом механизм стимулирования горами обложных осадков опирается на этот необъясненный пока механизм.

Цель диссертации состоит в том, чтобы, привлекая результаты исследований динамики горной атмосферы, результаты статистических исследований поля рельефа, результаты по физике образования конвективных облаков, а также на факты, обнаруженные синоптическими и климатологическими методам выявить причинно-следственные связи, приводящие к влиянию рельефа на формирование ливневых осадков в горах. При этом было необходимо также разработать методы комплексной интерпретации данных о рельефе совместно с синоптическими оценками, климатическими характеристиками и результатами численного моделирования атмосферных процессов.

Основное внимание обращено на горы, находящиеся на территориях, которые традиционно находятся в сфере интересов ученых России - это горные массивы Кавказа, Тянь-Шаня, Карпат, а также горы развивающихся стран Азии и Африки (Эфиопия, Сирия, Индокитай). Рассматриваются ливневые осадки теплого периода, так как именно они дают основной вклад в сумму и вызывают основную массу опасных явлений природы в горах (селевые потоки, паводки, наводнения, образование суховеев, засух и пустынь).

Задачи исследования

- Определить пространственно-временные масштабы, на которых проявляется влияние рельефа на осадки, систематизировать сведения об изменениях под влиянием гор метеорологических величин, определяющих условия осадкообразования и уточнить характеристики осадков, существенно изменяющиеся в горных условиях.

- Выявить характерные особенности рельефа, учет которых существенен при анализе процессов ливнеобразования в горных регионах, разработать метод построения цифровой модели рельефа, адекватно отражающей эти особенности района.

- Проанализировать основные факторы, определяющие особенности образования и повышенную интенсивность и продолжительность ливневых осадков в горах и разработать метод их расчета, ориентированный на использование, по возможности, наименьшего объема в основном приземных метеорологических данных.

- Разработать метод оценки воздействия горного рельефа на поле атмосферного давления для использования при рйСЧСТ^ мезомасштабных вертикальных скоростей в горном пограничном слое, использующий минимальный объем информации, доступной исследователю при составлении прогностических или климатологических оценок,

- Создать метод оценки горизонтального перераспределения влажности в пределах горной области. Найти теоретически обоснованную форму зависимости метеорологических величин, определяющих сумму осадков за некоторый промежуток теплого периода, от параметров рельефа.

Объект исследования.

Представляется актуальным и познавательно важным для физической географии свести выше указанную совокупность задач к следующей совокупности блоков вопросов, ответ на которые составляет суть проблемной ситуации и формулу защиты:

1. Имеется ли возможность синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах на основе использования достижений динамической метеорологии, физики пограничного слоя и количественного анализа неизбежно ограниченного объема данных, доступных для использования в оперативной практике синоптика и для климатологических обобщений?

2. Какие процессы необходимо учитывать и какова система приоритетов использования данных наблюдений и методов численного моделирования пространственно-временной неоднородности метеорологических полей при учете возмущающего влияния рельефа?

3. Каковы в условиях неизбежной ограниченности исходной информации от сети приземных горных метеорологических станций пути описания наиболее метеорологически значимых процессов и параметрического учета стратификации атмосферы в горах?

4. Какие особенности кинематики ветра, распределения ливневых осадков и показателей увлажненности территории должен в первую очередь учитывать специалист, работающий в условиях влияния горного рельефа на пространственно-временную неоднородность метеорологических полей?

5. Каковы возможности учебно-методического и практического развития, внедрения и использования синоптической интерпретации ливневых осадков в условиях горных стран Мир

Методика исследования

Исследование проводилось; а) путем теоретического анализа результатов метеорологических наблюдений, численных экспериментов и анализа теоретических выводов других исследователей; б) на основе собственных численных экспериментов автора по расчетам осадков и метеорологических величин, определяющих осадки, для Северо-запада РФ, Кавказа, Северной Африки, Аравийского полуострова и Индокитая; в) на основе обработки данных о рельефе.

Научная и практическая значимость.

Исследование законов пространственного распределения гидрометеорологических характеристик в горах является важной научной и значимой практически проблемой. С одной стороны, оно содействует раскрытию структуры гидрометеорологических полей и их связи со структурой рельефа территории, а значит, может быть обеспечено только путем углубления знаний о законах формирования природных явлений. Этим оно способствует развитию науки. С другой стороны, оно содействует повышению надежности сведений о распределении по территории гидрометеорологических показателей. Это важно для совершенствования прогноза погоды в горах, а также имеет кадастровое значение, обеспечивая уточнения оценок объема водных ресурсов и уязвимости природной среды,

Одной из наиболее сложных практических проблем является учет влияния рельефа на атмосферные осадки. Важность ее в возможности на основе более надежной оценки осадков лучше рассчитывать речной сток, знание режима которого необходимо при проектировании и строительстве оросительных систем, гидротехнических сооружений и осуществлении разного рода водохозяйственных мероприятий. Заблаговременное и надежное предсказание ожидаемого объема половодного или паводкового стока нц основе более достоверной информации о режиме осадков, распределенных по бассейнам горных рек, - один из важнейших практических результатов работы.

Количественные связи осадков и рельефа необходимы также для решения актуальных вопросов развития пастбищного животноводства, строитедьства и эксплуатации сооружений, прокладки сетей коммуникаций и связи в горных условиях.