Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Снежная мгла и методы прогнозирования в условиях Арктики

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Колпинов, Николай Иванович, Москва



МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им, М.В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На ¡правах рукописи УДК 551.591:001.18(985)

СНЕЖНАЯ ЮЛА И МЕТОДЫ II ПРОГНОЗИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ АРКТИКИ

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Колпинов Николай Иванович

Москва - 1999

Оглавление

Введение ........................................................................................................................................5

Глава 1. Условия формирования и эволюции снежной мглы .........................................9

1.1. Атмосферная циркуляция и погода в Ямало-Гыданском географическом

регионе.........................................................................................................................................9

1.2. Определение снежной мглы, ее вертикальная мощность и особенности сезонного хода...........................................................................................................................12

1.3. Структура приземного слоя тропосферы при формировании снежной мглы...........14

1.3.1. Влияние температуры воздуха, режима ветра на формирование снежной

мглы и их взаимная зависимость.........................................................................................14

1.3.2 Условия видимости в снежной мгле в зависимости от скорости ветра и температуры воздуха у земли...............................................................................................23

1.3.3. Влияние дефицита температуры точки росы на формирование снежной

мглы и его зависимость от температуры воздуха у земли.................................................24

1.3.4. Эволюции снежной мглы при изменении условий еб формирования..................26

1.3.5. Влияние снежного покрова на формирование снежной мглы..............................32

1.3.6. Влияние облачности и осадков на формирование снежной мглы........................33

1.3.7. Связь между скоростью порывов ветра и средней скоростью ветра при формировании снежной мглы..............................................................................................34

Глава 2. Структура приземной температурной инверсии в условиях

формирования снежной мглы ................................................................................................36

2.1. Условия стратификации а пограничном слое, виды и повторяемость температурных инверсий.........................................................................................................36

2.1.1. Виды и повторяемость температурных инверсий в Ямшто-Гьщанском регионе.. 36

2.1.2. Связь между вертикальным градиентом температуры приземной инверсии и температурой воздуха у поверхности земли.......................................................................40

2.1.3. Горизонтальные градиенты температуры воздуха у поверхности земли..............43

2.2. Структура ветра в слое приземной температурной инверсии.....................................44

2.2.1. Распределение ветра с высотой в слое приземной температурной

инверсии.................................................................................................................................44

2.2.2. Сдвиг ветра в слое приземной температурной инверсии......................................46

2.3 Гидродинамические процессы в слое приземной температурной инверсии............48

2.3.1. Турбулентность в слое температурной инверсии..................................................50

2.3.2. Внутренние гравитационно-сдвиговые волны в слое температурной инверсии.................................................................................................................................52

2.3.3. Вихревое движение в слое температурной инверсии............................................53

Глава 3, Синоптические условия формирования снежной мглы ...............................55

3.1. Синоптические условия генерации внутренних гравитационно-сдвиговых

волн.............................................................................................................................................55

3.2. Синоптические признаки интенсивности снежной мглы............................................57

3.3. Генерализованные схемы синоптических ситуаций формирования снежной

мглы............................................................................................................................................59

3.4. Повторяемость снежной мглы в различных синоптических ситуациях.....................67

Глава 4, Методы прогнозирования снежной мглы и видимости в ней .....................70

4.1. Современные методы составления авиационных прогнозов.......................................70

4.2. Способы прогноза видимости в снежной мгле с применением синоптических расчетных методов........................................................................................72

4.2.1. Общая информация для применения синоптических расчетных методов

при прогнозе снежной мглы.................................................................................................72

4.2.2. Способ прогноза видимости в снежной мгле по температуре и скорости

ветра у земли с применением эмпирического метода......................................................74

4.2.3. Способ прогноза видимости в снежной мгле по температуре, скорости ветра, дефициту температуры точки росы у земли с применением расчетного метода.....................................................................................................................................77

4.3. Блок-схема синоптического прогноза снежной мглы с применением расчетных методов.......................................................................................................................................81

Глава 5. Оценка оправдьшаемсстн синоптических расчетных методов прогноза видкмост в снежной мгле, использование в операгивно-

прогностической работе ...........................................................................................................83

5.1. Оправдываемость синоптических расчетных методов прогноза видимости в снежной мгле при проверке на независимом материале.....................................................84

5.2. Оценка оправдываемостн прогноза различных категорий видимост и с применением индекса критического успеха.........................................................................88

5.3. Использование синоптических расчетных методов прогноза видимости в снежной мгле в оперативно-прогностической работе в условиях Арктики.......................................96

Заключение ................................................................................................................................97

Список литературы ...................................................................................................................99

Введение

Снежная мгла - часто наблюдаемое явление в Арктике и Антарктике (в дальнейшем в тексте будет использовано сокращение СМ).

До настоящего времени причины возникновения этого явления до конца не ясны, методы прогнозирования не разработаны. Ее называют предвестником метели. Отмечается, что во внешне похожих синоптических условиях СМ может наблюдаться или отсутствовать [4].

В исследованиях североамериканских ученых формирование СМ связывают с наличием температурной инверсии в приземном слое [89,94,180]. Предпринимались попытки синоптиками на местах (АМСГ Мыс Каменный) по эмпирическим данным найти зависимость видимости в СМ от скорости ветра и температуры.

Возможные предположения о природе СМ следующие: это частицы снега, поднятые ветром с поверхности снежного покрова; частицы снега, перенесенные воздушным потоком из зоны метели; частицы снега, образовавшиеся непосредственно в слое температурной инверсии.

Достаточно полных работ, дающих представление о природе явления и условиях формирования, в настоящее время нет. Явление СМ находится в стадии изучения.

В связи с интенсивным освоением нефтяных и газовых месторождений Яма-ло-Гыданского региона резко возросла необходимость более точных прогнозов условий погода для авиации и производственно-хозяйственной деятельности, а также создания новых методов прогнозирования погоды с учетом местных особенностей региона В условиях Арктики, где климатические условия крайне суровы, вопросы точности прогнозирования особенно актуальны для обеспечения безопасности полетов авиации, для эффек-

тивной и более полно соответствующей современным нормам техники безопасности производственной деятельности.

Основной целью работы является исследование условий формирования СМ, создание методов прогнозирования для использования в оперативно-прогностической работе в Арктике (в Ямало-Гыданском регионе).

В качестве основных задач ставится исследование условий формирования и эволюции СМ, определение взаимной связи метеорологических величин при формировании СМ; анализ синоптических ситуаций при формировании СМ; создание методов прогнозирования СМ и видимости в ней, пригодных для использования в условиях редкой сети метеорологических станций и малоосвещенной территории метеорологической информацией.

Анализ явления производился по данным с начала регулярных наблюдений авиаметеорологической станции Ямбургза 7 лет с 1988 по 1994 гг, с привлечением аэросиноптического материала АМСГ Ямбург (Авиационная метеорологическая станция гражданская), данных радиозондирования атмосферы АМСГ Мыс Каменный (90 км на северо-запад от вахтового поселка Ямбург), данных авиапогоды станций штормового кольца, сообщений бортовой погоды экипажей воздушных судов.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах:

1.Исследованы условия формирования и эволюции СМ, описана структура пограничного слоя и условия атмосферной циркуляции. Выявлена зависимость видимости в СМ от скорости ветра, температуры воздуха, дефицита температуры точки росы, условий стратификации. Необходимым условием возникновения СМ является наличие приземной, реже приподнятой температурной инверсии. СМ формируется при определенных сочетаниях температуры воздуха ниже -3 °С, скорости ветра, дефицита температуры точки росы. Ви-

димость в СМ ухудшается при усилении ветра, понижении температуры, уменьшении дефицита температуры точки росы.

2.Исследована природа явления на качественном уровне. На основе совместного анализа условий формирования и эволюции СМ, синоптических условий формирования показано, что СМ есть вид осадков, характерный для Арктики, формирующийся на основе перемешивания теплого и холодного, достаточно влажного воздуха в слое температурной инверсии при усилении ветра

3.Исследованы синоптические условия формирования СМ. Для задач оперативного прогноза разработаны генерализованные схемы синоптических условий формирования СМ, предложены синоптические признаки обострения и ослабления явления. В условиях устойчивой стратификации СМ формируется в зонах увеличения горизонтальных барических градиентов, наиболее часто перед теплым фронтом. А также СМ наблюдается на западной периферии антициклона, в передней и северной части циклона, в теплом секторе циклона, за медленно идущим холодным фронтом.

4. Для задач оперативного прогноза разработаны и внедрены в практику синоптические расчетные метода прогноза видимости в СМ и метелях. Применение методов основано на использовании стандартной метеорологической информации. Оправдаваемость методов в системе АМСГ Амдерминского центра гидрометеорологической службы составила 80% и более.

5.Предложена блок-схема синоптического прогноза СМ и видимости в ней на основе совместного использования генерализованных схем синоптических условий формирования СМ и расчетных методов.

По теме диссертации опубликованы две печатные работы [38, 39].

Сочетание знаний условий формирования и эволюции СМ, структуры приземного слоя тропосферы, синоптических условий формирования СМ, различных способов определения видимости -позволяет синоптику составить более полную картину явления погоды и логически достраивать звенья недостающей метеорологической информации. Подобный подход помогает синоптику более эффективно работать в районах малоосвещен-ных метеорологической информацией, особенно это актуально в настоящее время дня территорий Крайнего Севера

Полученный метод прогноза СМ и основные результаты работы используются в оперативно-прогностической работе на АМСГ Ямбург, АМСГ Мыс Каменный, АМСГ Ха-расавэй, АМСГ Амдерма, АМСГ Надым.

Глава 1. Условия формирования и эволюции снежной мглы.

До настоящего времени не существовало ясного представления о природе явления СМ. В данной главе природа явления рассматривается на основе анализа фактических наблюдений за погодой. В результате физико-статистического анализа получены устойчивые зависимости видимости в СМ от скорости ветра, температуры воздуха, дефицита температуры точки росы у поверхности земли.

1.1. Атмосферная циркуляция и погода в Ямало-Гыданском географическом регионе.

Ямало-Гьщанская физико-географическая область расположена в арктической зоне Западной Сибири, включает в себя полуостров Ямал, полуостров Тазовекий, полуостров Гьщанский, с запада и севера омывается водами замерзающего Карского моря, по югу ограничена Северным Полярным кругом, на востоке граничит с полуостровом Таймыр. Область пересекают Обская и Тазовская губы. Слабо всхолмленная безлесая тундра является характерным рельефом местности.

Климатические условия региона определяются высокой географической широтой, близостью холодного моря, атмосферной циркуляцией.

Высокие широты определяют характерный режим солнечной радиации -наличие полярного дня летом и полярной ночи зимой. В районе Ямбурга полярная ночь продолжается 29 суток с 8 декабря по 5 января. Для зимы характерен отрицательный радиационный баланс, для лета -положительный.

Ям ало -Гыдан с ки й регион круглогодично находится в зоне действия Арктического фронта. Характер атмосферной циркуляции в холодный период года в основном определяется влиянием Исландского минимума и Сибирского максимума В октябре происходит перестройка высотного барическог о поля и начинается активизация циклонической деятельности из района Исландской депрессии. Циклоны движутся на полуостров Ямал с северо-запада, углубляясь в районе Новой Земли. Наиболее циклонически активный месяц январь -до 7 циклонов в месяц. В феврале, марте усиливается влияние западной периферии Сибирского антициклона В мае происходит перестройка высотного барического поля с преобладанием южных процессов.

Переход температуры через ноль к отрицательным значениям наблюдается в первых числах октября, устойчивый переход к отрицательной температуре воздуха в середине октября. Средняя температура воздуха в январе -20° С, повышение температуры до -10-15 ° С происходит в теплых секторах циклонов, которое сменяется понижением температуры до -25 -30 0 С в их тыловых частях. Наиболее холодные месяцы -февраль, март. Под влиянием Сибирского антициклона, в результате радиационного охлаждения снежного покрова, происходит понижение температуры до -40-45 °С , в отдельные зимы до -50 ° С. Абсолютный минимум температуры по региону - 63 ° С.

Во второй половине мая наступает переход температуры через ноль к положительным значениям. Устойчивый переход к положительной температуре воздуха наблюдается в конце мая начале июня. Наиболее теплый месяц -июль, со средней температурой воздуха в районе Ямбурга 15 0 С. В отдельные дни температура может повышаться до 25, 30 ° С. Но при затоках холодного арктического воздуха температура летом может понижаться до 0 ° С, а в отдельных случаях по северу региона до -3 -5 ° С.

Режим ветра определяется атмосферной циркуляцией и взаимным влиянием суши и моря. Для района характерна муссонность ветров- сезонное преобладание зимой юго-восточных ветров с более холодного материка к более теплому морю и летом северозападных ветров с более холодного моря к более теплому материку. Дни со штилями очень редки, обычная скорость ветра 6-11 м/с, как правило, на атмосферных фронтах происходит усиление ветра до 15-20 м/с, в отдельных случаях, при прохождении активных циклонов -до 25-30 м/с.

В течение года преобладает устойчивая стратификация приземного слоя тропосферы. Инверсии температуры в приземном слое наблюдаются в 93 % всех проанализированных данных зондирования. Для зимы характерны приземные температурные инверсии, для лета -приподнятые.

В течение года преобладает облачная погода, со слоистой и слоисто-кучевой облачностью. Преобладает двухслойный характер облачности, каждый- мощностью 300-500 м. Первый слой формируется у земли, у нижней границы инверсии; второй слой -у верхней границы инверсии до высоты 1,5-2 км [45, 132]. Кучево-дождевая облачность развивается сравнительно редко -обычно в июне, июле на атмосферных фронтах с верхней границей до 5 км. В течение летав районе Ямбурга отмечается 5-7 случаев гроз.

Осадки преобладают в зимний период, наиболее часто -обложного характера, малой интенсивности. Устойчивый снежный покров сохраняется с середины октября до конца мая. Для региона характерна достаточно высокая относительная влажность 80-85%. Наиболее характерными метеорологическими явлениями являются: снег, снежная мгла, метель, дымка, туман. В зимний период отмечается 3-5 дней в месяц хорошей погода, без метеорологических явлений , ухудшающих видимость.

Отличительной чертой Ямало-Гыданского региона является суровость погодных условий, сочетание низких температур и сильного ветра Подробное описание физико-географических характеристик Ямало-Гыданского региона сделано в [74].

1.2. Определение снежной мглы, ее вертикальная мощность и особенности сезонного хода.

По определению из метеорологического словаря С.П. Хромова и Л.И. Мамонтовой, СМ - помутнение воздуха от находящихся в нем снежинок, обычно бывает до и после метели, может дать о