Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Статистический анализ и моделирование туманов на Северо-Западе Европейскойчасти России

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Статистический анализ и моделирование туманов на Северо-Западе Европейскойчасти России"

од

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 551.575.072(470.2)

Лукин Вячеслав Алексеевич

СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУМАНОВ

НА СЕВЕРО-ЗАПАДЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ

Специальность 11.00.09 - Метеорология, климатология,

агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, Матвеев Ю.Л.

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор Воскресенский А.И., кандидат физико-математических наук Акселевич В.И.

Ведущая организация: Военная инженерно-космическая академия им. А.Ф. Можайского.

Защита диссертации состоится « </8

» 1998 года в

^ часов на заседании специализированного совета К.063.19.01 Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан « М 1998 года.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

/ ^—Лубяной А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации связана с таким опасным явлением погоды как туман.

В настоящее время, в связи с новыми требованиями к точности и специфике прогноза видимости в тумане, обусловленными практикой эксплуатации современных самолетов, возникла необходимость в достаточно полном исследовании этого явления погоды.

Нет необходимости обращать особое внимание на то, что туманы оказывают влияние на многие стороны деятельности человека. Туманы создают помехи прежде всего различным видам транспорта и относятся к опасным явлениям погоды. Но особенно большое влияние они оказывают на авиацию. Так, при тумане взлет, и особенно посадка, крайне затруднительны.

В последние годы, в связи со слабым финансированием частей ВВС, уменьшается количество полетов, ухудшается подготовка летчиков, снижаются полетные минимумы, в последнее время наметилась тенденция к их увеличению.

Если раньше полк выполнял боевую задачу при минимуме погоды 100 на 1000 м, то теперь - только при 200 на 2000 м.

В связи с этим актуальна задача статистического исследования и моделирования туманов. Решение этой задачи способствует повышению качества прогноза, уточнению прогностических методик, выявлению наиболее важных факторов формирования и развития туманов.

Недостаток сведений о пространственной и временной изменчивости параметров тумана значительно затрудняет решение вопроса об эффективном прогнозировании этого опасного явления.

Таким образом, статистическое исследование условий образования туманов на северо-западе Европейской части России (ЕЧР) может рассматриваться как один из этапов научного подхода к решению проблемы более точного прогнозирования туманов в данном регионе.

Вторым этапом может служить построение модели формирования тумана с учетом особенностей региона и данных статистического анализа.

Цели и задачи исследования. Целью работы являлось получение и статистическое исследование данных о туманах, уточнение на их основе прогностических методик, качественно-физической и количественной оценке различных факторов фор-

3

мирования туманов с помощью одномерной нестационарной модели.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- собраны и обработаны данные о туманах в нескольких пунктах на северо-западе ЕЧР;

- выявлены основные закономерности образования туманов в данном регионе;

- построена модель формирования и развития туманов;

- построен уточненный график прогноза радиационных и радиационно-адвективных туманов в летние месяцы.

Методика исследования и исходный материал. Реализация поставленной задачи проводилась путем анализа собранных многолетних данных, а так же с помощью математического моделирования.

При разработке уточнений прогноза туманов на метеостанции использован 10-летний ряд наблюдений, на основе которого, по предложенной методике (П.К. Душкина), построены прогностические кривые для летних месяцев.

Материалом для анализа условий образования туманов на северо-западе ЕЧР послужили данные шести пунктов (Сиверский, Пушкин, Смуравьево, Левашово, Андреаполь, Мончегорск) за период от 5 до 11 лет. Использованы карты приземного давления и барической топографии, фактическая погода, взятая из дневников погоды.

Построение модели происходило с учетом фактических метеорологических наблюдений за туманами и осуществлялось на персональном компьютере 1ВМ-386.

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов работы подтверждается взаимосравнением результатов моделирования и теоретических заключений с данными многочисленных наблюдений, а также корректной постановкой решаемых задач, строгим применением математического аппарата, проверкой результатов на реальных данных в оперативной работе.

Научна новизна и практическая значимость. В ходе проведенного в диссертации исследования были получены следующие основные результаты:

1. Обобщены и проанализированы данные фактических наблюдений за туманами в шести пунктах, по которым установлено, что туманы наиболее часто наблюдаются в теплое время года.

2. На основе статистических данных уточнен метод прогноза радиационных и радиационно-адвективных туманов в летние месяцы заблаговременностью до 8 часов.

3. Установлено, что наиболее часто туманы образуются в областях с восходящими движениями при слабом ветре, давление при этом чаще всего падает.

4. При помощи моделирования оценен вклад различных факторов в образование и развитие радиационных туманов.

5. Выявлены особенности пространственно-временной изменчивости отдельных метеовеличин в туманах.

6. Проведена количественная оценка влияния вертикальной скорости синоптического масштаба и ее распределения с высотой на образование и развитие туманов.

Научная новизна и практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты на только позволяют охарактеризовать условия образования туманов на северо-западе ЕЧР, но так же внести новые дополнительные данные, которые следует учитывать при составлении прогноза и построении численных моделей туманов.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научных семинарах кафедры метеорологии, климатологии и охраны атмосферы РГТМУ, кафедры геофизического обеспечения Военной инженерно-космической академии им. А.Ф. Можайского, на Всероссийской научной конференции (Воронеж, 26-28 мая 1997 г.) «Современные методы подготовки специалистов и совершенствование систем и средств наземного обеспечения авиации».

По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 103 источника, приложения. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 11 рисунков и 37 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается обоснование актуальности темы, определяется цель и задачи исследования, сформулированы основные результаты и область их применения, определена практическая значимость работы.

В первой главе обсуждено состояние проблемы туманов. Выделяются основные направления решения этой задачи.

5

Показано, что статистические исследования туманов широко применяются во всех регионах страны. Начало исследованиям по выше указанной проблеме связано с работами A.C. Зверева, М.Е. Берлянда, Б.В. Кирюхина, продолжено в работах М.В. Буйкова, С.А. Солдатенкова, В.И. Хворостянова и других.

Образование, эволюция и рассеяние облаков и туманов определяется совместным действием нескольких факторов: адвективным и турбулентным притоком тепла и влаги, радиационным теплообменом, микрофизическими процессами в облаках и туманах, взаимодействием с подстилающей поверхностью. Для реалистичного описания облаков и туманов, взаимосвязи с другими характеристиками планетарного пограничного слоя в модели необходимо учитывать все эти процессы.

Однако при этом возникают трудности, связанные с пониманием физики процессов, отсутствия полного комплекса данных измерений метеовеличин на разных этапах. Поэтому в разных моделях некоторые из указанных факторов учитывались приближенно или вообще не рассматривались.

Численные модели туманов в основном развивались в двух направлениях. Первое связано с описанием адвективной трансформации воздушной массы, приводящей к возникновению туманов адвективного происхождения. Такие модели двумерны, в них учитывается горизонтальная неоднородность, но часто не рассматриваются или рассматриваются весьма приближенно радиационные процессы.

В моделях второго направления туманы, возникающие вследствие радиационного охлаждения подстилающей поверхности, рассматриваются в приближении горизонтальной однородности, т. е. при отсутствии адвективных процессов. Такие модели одномерны, но в них обычно более детально рассчитывается радиационный теплообмен и более точно вертикальный турбулентный перенос.

В настоящее время одной из актуальных задач является изучение различных видов туманов в целях усовершенствования метода их прогнозирования, при этом наиболее полные результаты получаются при сочетании теоретических и статистических исследований. В данной работе такой подход применен к исследованию радиационных и адвективно-радиационных туманов.

Поскольку опытных данных по туманам недостаточно, необходима разработка моделей образования туманов с использо-

ванием возможностей, появляющихся в результате развития численных методов исследования с помощью ЭВМ.

Вторая глава работы посвящена статистическому анализу туманов на северо-западе ЕЧР и усовершенствованию методики прогнозирования радиационных и радиационно-адвективных туманов.

Под влиянием возрастающих требований практики все большее развитие получают количественные методы прогноза тумана. За последние 20 лет в связи с развитием вычислительной техники большое внимание уделяется исследованиям гидродинамических методов прогнозов. Но в практической работе при составлении прогнозов погоды, особенно отдельных явлений, пока преобладают качественные синоптические методы. При составлении локальных прогнозов погоды, а прогнозы туманов всегда являются локальными, статистические и полуэмпирические методы еще долгое время будут оставаться основными методами.

С целью повышения качества прогнозов туманов в диссертации проведено подробное статистическое исследование образования туманов на основе ежечасных данных о фактической погоде на шести авиационных метеостанциях (Сиверский, Пушкин, Смуравьево, Левашово, Андреаполь, Мончегорск) за 5-ти - 10 летний периоды наблюдений.

Количество туманов, наблюдаемых на этих станциях в различные годы неодинаково, а среднее количество в год составляет на метеостанциях: Пушкин - 59, Сиверская - 54, Левашово

- 51, Смуравьево - 46, Андреаполь - 33, Мончегорск -22.

Расположение метеостанций по отношению по отношению к уровню моря достаточно разнообразно. Однако исследование, проведенное в работе, не подтвердило выводы некоторых авторов (Вольфцун) о зависимости количества туманов от высоты расположения метеостанции по отношению к уровню моря. По этим выводам наибольшее количество туманов должно наблюдаться на наиболее высоко расположенной станции (Андреаполь

- 230 м, а больше их в Пушкине - 75 м).

Большая часть туманов наблюдается в теплое и переходное к холодному полугодия, с максимумом в августе месяце для пяти метеостанций. Исключение составляет Мончегорск, у которого этот максимум наблюдается в ноябре (14,9%), что обусловлено расположением этой станции за полярным кругом. Так как основной причиной образования туманов служит охлаждение воздуха, то из-за наличия суточного хода температуры

7

ся хорошо выраженный суточный ход туманов. Для большинства пунктов суточный ход всех туманов обратный суточному ходу температуры.

Туманы во всех пунктах, как правило, образуются в ночное время суток, начиная с предвечерних сумерек и достигая максимума в конце ночи и часы, близкие к восходу солнца. Для Сиверской, Пушкина, Андреаполя и Мончегорска - это 5 часов утра, Смуравьево - 3 часа и Левашово - 2 часа. Во вторую половину дня туманы маловероятны во всех пунктах, за исключением Мончегорска, где в условиях полярной ночи туманы могут образовываться в течение всех суток.

Поскольку туманы образуются в теплую половину года, наибольшая их повторяемость приходится на интервал температур от 0 до +10°С (35-45%) для всех аэродромов, кроме Мончегорска, где максимум в интервале -20--10°С - 24,3%. Отметим так же, что при отрицательных температурах здесь наблюдается 68,4%. На большинстве станций туманы образуются при влажности 95-97%, а в Пушкине - при 98-100%. Достаточно высокая повторяемость туманов при влажности менее 100% противоречит теоретическим предсказаниям о процессе образования туманов, согласно которому туманы должны образовываться при влажности 100%.

Это противоречие возникает либо из-за того, что зачастую влажность воздуха, измеренную в густой дымке, которая наблюдается при влажности 85-90%, приписывают погоде с туманом. Подобная ошибка вполне вероятна, так как определение метеорологической дальности видимости на метеостанциях производится в основном визуально.

Или же, можно предположить, что незначительные перенасыщения, необходимые для поддержания конденсационного роста капель, существуют лишь как кратковременные отклонения от некоторой средней влажности в тумане. А метеорологические приборы из-за большой инерционности измеряют эту среднюю влажность.

Чаще всего туманы образуются при штиле или слабых ветрах 1-3 м/с, а повторяемость туманов при ветрах более 5 м/с практически равна нулю. Направление ветра преимущественно юго-западное для Сиверской, Пушкина, Смуравьево, в Левашово - западное, в Андреаполе - южное, в Мончегорске - восточное, что обусловлено местными особенностями этих станций.

На метеостанциях бытует мнение, что существует достаточно большое количество переносных туманов и синоптики,

8

получив информацию об образовании тумана в направлении, откуда идет перемещение воздушного потока, пытаются пред-вычислить время появления этого тумана. С целью исследования возможности появления выносных туманов проведен следующий анализ. Были отобраны все случаи возможного переноса туманов с юго-западного направления для AMC Сиверская, Смуравьево, Пушкин, поскольку их географическое положение позволяет предположить наличие такого переноса (от Сиверской Пушкин - 60 км на северо-восток, Смуравьево - 150 км на юго-запад). Таких случаев для переноса Смуравьево - Сиверский — 18 (7% от общего числа). Сиверский - Пушкин - 13 (6% от общего числа случаев), т. е. вероятность такого переноса незначительна, хотя повторяемость туманов, наблюдаемых на этих станциях в один и тот же день, составляет 27% (68 случаев) для Смуравьево - Сиверский, и 41% (88 случаев) для Сиверский -Пушкин. Следовательно, говорить о большой вероятности переноса тумана не приходится, а следует обращать внимание на благоприятные синоптические условия для образования туманов во всем регионе.

Важной характеристикой тумана является его продолжительность в том или ином пункте. Наиболее надежную информацию об этой характеристике можно получить по данным AMC, где ведутся ежечасные наблюдения. Для этого воспользуемся данными за 10-летний период на метеостанции Сиверская. Согласно этим данным общая продолжительность туманов изменяется в широких пределах: от 82 часов в январе до 370 - в августе. Средняя же продолжительность изменяется менее значительно: от 2,9 часа в феврале до 6,1 часа в ноябре. Наиболее часто туманы наблюдаются в течение 2-3 часов - 37,6%, а 4-6 часов - 29,4%, более 7 часов - 18,6%. Вероятность тумана продолжительностью более 25 часов не более 1-2%.

Быстрое развитие авиации привело к значительному увеличению скоростей полетов. В связи с этим возрастают требования к более детальному анализу и прогнозу ухудшенной видимости. Нужна информация об интенсивности тумана, т. е. о видимости в нем. Таких данных в литературе, к сожалению, недостаточно. Согласно данным на AMC Сиверская, наиболее часто туманы с видимостью менее 200 м наблюдаются в октябре и ноябре, с видимостью 200-400 м - в августе , марте, 400-800 м - сентябре и декабре, 800-1000 м - октябре и ноябре.

На метеостанции достаточно часто (36,7% от общего числа случаев) наблюдаются поземные туманы, 13,6% этих туманов

9

наблюдается в гребнях, антициклонах, на периферии антициклонов.

Как правило, такие туманы не затрудняют работу авиации, при условии, что такой туман не находится на взлетно-посадочной полосе. Однако переход при благоприятных условиях таких туманов в высокие - процесс протекающий достаточно быстро. Причем этот переход определяется не только длительностью выхолаживания, но и скоростью выхолаживания, а также вертикальным распределением температуры, относительной влажности, скорости ветра.

Выше отмечено, что наибольшая повторяемость туманов приходится на теплый и переходный к холодному периоды года. На метеостанции Сиверская в это время наблюдаются в основном радиационные и радиационно-адвективные туманы, особенности образования которых заключаются в следующем. В тыловых частях циклонов и малоградиентных полях пониженного давления после прекращения дневной конвективной деятельности, дающей кратковременные ливневые осадки, увлажняющие поверхность почвы, начиная с вечерних сумерек, по низинам образуются поземные туманы, которые во второй половине ночи переходят в высокие, покрывающие всю поверхность. Рассеиваются такие туманы после достаточного прогрева к 11-12 часам дня.

Исходя из этого можно предположить, что количество дней с туманами зависит от осадков, что подтверждается совместным анализом о сезонной повторяемости конвективной облачности, гроз и туманов. Именно в летние месяцы наблюдается наибольшая повторяемость конвективных облаков и связанных с ними ливневых осадков. Данные хорошо согласуются с выводами других авторов (Кошеленко).

При разработке прогноза тумана прежде всего оценивают синоптическую обстановку. Для каждого района можно подобрать типичные синоптические условия, благоприятные для образования тумана.

В таблице 1 представлена повторяемость туманов на AMC Сиверская при различных синоптических ситуациях. Из таблицы видно, что наибольшая повторяемость туманов (18,7%) наблюдается после прохождения фронтальной зоны (теплого и холодного фронта, либо холодного фронта с волнами). Второй максимум приходится на гребень антициклона (17,3%), а в циклоне и антициклоне повторяемость туманов почти одинакова (13,9 и 14,1% соответственно).

Таблица 1.

Повторяемость (%) туманов по месяцам в зависимости от синоптического положения

(1984-1993 года)

Синопт. полож. месяц

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII год

Тыл циклона 0,2 0,2 0,5 - - 1,5 1,3 2,3 2,0 - - 8,1

Теплый сектор - 0,2 0,2 - 1.0 - 0,5 0,5 - 0,2 1,8 0,5 5,0

Циклон 0,5 - 1,0 0,2 - 2,3 4,5 2,5 2,3 0,2 0,2 - 13,9

Малогр. поле - - 0,5 0,8 - 1,5 2,3 2,3 0,2 - - 0,5 8,1

Фронт-я зона 1,3 0,2 1,3 0,5 2,3 1,5 0,5 3,8 1,3 1,5 3,3 1,3 18,7

Фронт окклюз. 0,2 0,2 0,5 1,5 - 0,2 0,2 0,2 - 0,5 0,2 0,2 3,5

Теплый фронт 0,2 0,2 0,2 0,5 0,2 - - 0,2 - 0,2 0,2 1,5 3,8

Ложбина - - 0,5 0,2 0,8 1,0 0,5 0,2 0,2 0,2 0,2 - 4,0

Седловина 0,5 - - 0,2 - 0,2 2,0 0,2 0,2 - - - 3,5

Антициклон 0,8 1,8 1,3 0,2 1,0 0,2 0,5 2,5 1,5 3,5 0,5 0,2 14,1

Гребень 0,2 1,0 1,0 0,8 1,5 1,8 2,0 3,0 3,0 1,0 1,3 1,0 17,3

4,3 4,0 7Д 4,3 6,8 9,8 14,4 17,9 10,7 7,6 7,8 5,3 100%

При других синоптических ситуациях их повторяемость колеблется от 4 до 8% с наименьшим значением в седловине и фронте окклюзии (3,5%). Таблица удобна для использования в оперативной работе.

Если все перечисленные синоптические ситуации объединить по наблюдающимся в них вертикальным движениям, то получим: 31,4% наблюдается в областях с нисходящими движениями и 68,6% - при восходящих движениях.

Полученные данные хорошо согласуются с результатами исследования барической тенденции, наблюдаемой в момент образования тумана. Согласно анализу, выполненному на AMC Сиверская в течение последних 5 лет (1992-1996 года), давление падало в 44,8% от общего числа случаев (339), росло в 34,3%, и сохранялся ровный ход в 20,9%. Значение самого давления изменялось в широких пределах: от 967 до 1024 Гпа.

Как правило, областям с восходящими движениями присуще наличие низкой облачности. Анализ количества и форм облачности показывает, что наиболее часто за 30 минут до тумана наблюдается менее 7 б St-Sc облачности на станциях Сиверская, Смуравьево, Левашово, Мончегорск с максимумом в Пушкине -48,8%. В Андреаполе максимум повторяемости приходится на безоблачную погоду (32,3%), на других станциях она колеблется от 11 до 20%. При малооблачной погоде (1-4 б общей) больше всего образуется туманов в Андреаполе, затем идут Сиверская и Смуравьево.

А вот при наличии более 7 баллов St-Sc облачности почти на всех станциях эта повторяемость около 30% и максимальная в Пушкине (37,9%). Полученные результаты подтверждают сделанные ранее выводы, что большая часть туманов образуется в областях с восходящими вертикальными движениями.

Основные итоги статистического исследования:

1) Туманы, по данным шести метеостанций, образуются при штилевых условиях или слабых (1-3 м/с) ветрах.

2) Наибольшая повторяемость туманов наблюдается в летне-осеннее время года с максимумом в августе для 5 аэродромов (за исключением Мончегорска, расположенного за полярным кругом).

3) В суточном ходе максимальная повторяемость туманов соответствует второй половине ночи - часы близкие к восходу солнца.

Наиболее часто продолжительность туманов составляет от 2 до 6 часов.

4) Данные о синоптических условиях образования туманов на северо-западе ЕЧР показывают, что наибольшее количество туманов наблюдается в областях пониженного давления с восходящими вертикальными движениями. Эти результаты хорошо согласуются с наблюдениями за облаками и изменением давления за последние 3 часа до образования тумана.

Прогнозирование туманов на метеостанции Сиверская осуществлялось преимущественно методом A.C. Зверева.

П.К. Душкиным предложена новая альтернативная методика статистического прогнозирования радиационных и радиа-ционно-адвективных туманов. Она достаточно проста в использовании и не требует больших расчетов, что очень удобно в оперативной работе.

Суть прогноза сводится к следующему. Во-первых, определяется, благоприятна ли синоптическая обстановка для образования туманов. Если она благоприятна, то на основании прогноза погоды определяем, во-вторых, среднее количество облачности в баллах, независимо от ее ярусности, которое должно выражаться двумя альтернативными градациями: N < 5 баллов и N > 5 баллов. В-третьих, берем показания дефицита точки росы в 18 часов (Л18) и по формуле:

^пр =0,8r22+0,16F20 +0,04F18

F22, V20, ViB - скорость ветра в 18, 20 22 часа, рассчитываем значение ветра. Используя графики для определенного месяца, прогнозируем отсутствие или наличие тумана к 6 часам утра.

Рис. 1. График прогноза тумана в летние месяцы (июнь, июль, август),-N <5 б,--— АГ > 5 б

П.К. Душкин построил график для прогноза радиационного и радиационно-адвективного тумана в Минском и Московском аэроузлах с учетом их местных особенностей. Графики охватывают те месяцы, в которых наблюдается максимальное количество туманов, и в них отсутствуют летние месяцы. В диссертации для прогноза туманов на метеостанции Сиверская были использованы эти графики в неизменном виде. Оправдываемость по ним составила для осенне-весеннего и зимнего периодов 84,7% (по Минскому графику), т. е. метод в эти периоды дает хорошие результаты без внесения каких-либо изменений.

Использование графиков в неизменном виде для летних месяцев привело к снижению качества прогноза до 59,7%. Поэтому в диссертации по предложенной П.К. Душкиным методике, используя 10-летний ряд наблюдений, были построены графики (рис. 1) для прогноза туманов в летние месяцы. Общая оправдываемость их составила 81%, на наличие тумана - 87%, на отсутствие - 67%.

Для ускорение процесса прогноза тумана графики введены в компьютер. Автоматизированный метод используется в работе на метеостанции Сиверская и в вышестоящем метеоподразделении.

В третьей главе представлена одномерная нестационарная модель образования и развития радиационного тумана. Исходными уравнениями модели служат уравнения притока тепла и влаги в турбулентной атмосфере, записанные в инвариантной форме

Ж. + = 8 К дП

дг дг дг /"|\ дг дг дг

Здесь 77 = ф + £- д/Ср - эквивалентно-потенциальная температура;

£> = # + 5 - удельное влагосодержание;

<3 - потенциальная температура;

q — массовая доля водяного пара;

5 - массовая водность облака;

Ь и Ср - удельная теплота конденсации и теплоемкости воздуха при постоянном давлении.

Зависимость К от Z описывалась формулой:

К(г) = Н*ЬМ*{1-ехр(- г / £*)) (2)

где L* - масштаб (характерный размер) приземного слоя воздуха, называемый масштабом Монина-Обухова; Н* - постоянная Кармана; I/* - скорость трения.

Для определения зависимости вертикальной скорости от высоты использовано уравнение:

где Wh - значение вертикальной скорости на верхней границе (h) приземного слоя;

R - радиус циклона (антициклона);

т0х - напряжение трения при z - h вдоль оси х;

тдг(2) ~ напряжение трения при любых z вдоль оси х;

р = 1,29 • 10~3 г/м3 - плотность воздуха; 2<в t = 2 cos ф - кориолисов параметр; ш - угловая скорость вращения Земли; ф - географическая широта местности. Граничные условия зададим в виде: На поверхности земли:

T(i,0) = T(0,0)-Wi,

где D - величина понижения температуры воздуха вблизи земной поверхности, зависящая от эффективного излучения и теп-лофизических свойств почвы (определяется по графику Д. Брента)

?(*. = Ыт{г о - Ро)> s(i, 0) = S - q(t, 0). На верхней границе пограничного слоя т(*,#) = т(0,Я)

q(t,H) = q(0,H) 6(i, #) = 0 Начальное распределение при t = О: z(z, О) = б(г, 0)-zya

q(z, 0) = f0qm(x{z, О), p(z)) 5(z,0) = 0

/о - относительная влажность воздуха при г = 0, а при * = 0 - в пределах всего пограничного слоя,

дт - массовая доля пара в состоянии насыщения

дт^,р) = 0,622 £(*)/р (4) £(г) - давление насыщенного пара, для зависимости которого от Т применена формула ВМО; распределение давления воздуха по высоте описывалось с помощью уравнения статики.

Численное решение системы уравнений при заданных начальных и граничных условиях осуществлено методом прогонки на неравномерной сетке по высоте.

Не останавливаясь на методике определения Г и 6 по известным П и 5, перейдем к анализу результатов моделирования.

В главе 4 излагаются результаты моделирования туманов. Исходные данные были выбраны на основе статистического анализа условий образования туманов на северо-западе ЕЧР.

Начальное значение Т(0,0) принималось равным 15°С, 10°С, -5°С; относительной влажности воздуха /о=90, 80, 70%; скорость ветра на высоте флюгера их =0, 1, 2, 3 м/с; понижение температуры почвы за 1 час Б = 2,5; 2,0; 1,5°С; г0 = 0,025; 0,2; 0,5; 0,7 м. За начало отсчета взято время захода солнца 2100, счет будем вести 8 часов, что будет соответствовать 5 часам утра — наиболее частому времени образования туманов.

Туманы образуются, в основном, в приземном слое воздуха. Распределение температуры, скорости ветра, коэффициента турбулентности и вертикальной скорости с высотой существенно в этом слое зависит от свойств подстилающей поверхности, важной характеристикой которой является параметр шероховатости г0.

Рассмотрим вначале влияние этого параметра на образование и развитие радиационного тумана. Поскольку скорость ветра на высоте флюгера взята равной 3 м/с для всех случаев, то изменение коэффициента турбулентности и вертикальной скорости происходит лишь за счет Zo. Максимальные значения К и Ж наблюдаются в верхней части пограничного слоя и изменяются в зависимости от

Z0 = 0,025 м Wmax = 0,17 см/ с ктах = 3,61 м2/ с

Z0 = 0,2 м Wmax = 1,47 см/ с ^тах = 5,32 м2/ с

Z0 = 0,5 м Wmax = 2,48 см/ с ктах = 7,00 м2 / с

Z0 = 0,7 м Жтах = 2,93 см/ с ¿гтах = 7,80 м2 / с

Заметим также, что изменение параметра шероховатости земной поверхности в большей мере влияет на изменение вертикальной скорости, чем на коэффициент турбулентности. Так, увеличение Z0 от 0,2 м до 0,7 м приводит к увеличению И^тах почти в 2 раза (с 1,47 см/с до 2,93 см/с), а Ктел - в 1,5 раза ( с 5,3 м2/с до 7,8 м2/с). Наиболее показательным параметром развития тумана является его мощность. На рис. 2 (1 кривая) представлено изменение верхней границы тумана (ВГТ) и нижней границы облака (НГО) в зависимости от Z0.

При Zq = 0,025 м туман образуется лишь через 7 часов от начального момента времени, при Zq = 0,2 м туман образуется через 4 часа, а при Z0 = 0,5 м и 0,7 м - через 3 часа. Над более шероховатыми поверхностями ВГТ повышается быстрее. Так для Z0 = 0,2 м через 4 часа она будет 1,4 м, а для ZQ = 0,5 м -9 м, для Z0 = 0,7 м - 15,6 м, интенсивнее понижается нижняя граница облака. Слияние тумана и облака происходит при 2"0 = 0,5 м и 0,7 м через 5 часов, а для Z0 = 0,2 м - через 8 часов.

Водность в туманах максимальна вблизи земной поверхности и с высотой убывает, в облаке наоборот она минимальна вблизи нижней границы, потом возрастает до определенного уровня и снова убывает.

Из практики известно, что вертикальные скорости синоптического масштаба охватывают огромные области с неоднородной поверхностью земли. Если задать Wmax = 2 см/с (полученное при Z0 = 0,36 м - среднее значение от всех перечисленных Zq) над всеми приведенными поверхностями, то туманы через 8 часов от начального момента времени сольются с облаками для всех значений Z(, (рисунок 2-2 кривая). Это хорошо согласуется с данными наблюдений за туманами.

Так определение значения Zq над неоднородной поверхностью достаточно сложная задача, нами при дальнейших иссле-

дованиях принято = 0,25 м (среднее значение для местности, в которой расположена метеостанция).

Рис. 2. ВГТ и НГО в различные моменты времени в зависимости от:

1 )-при различных значениях ИЛгпах;

2 )---Z0 при Wraax = 2 см/с;

3 )-----L* при Wmay, = 2 см/с, Ux = 3 м/с.

Z, м

€50 \

200

20 г -

Ui'OmIc

^ v. Ui'-ZWc _ U» -Ом/с Ъ=4,5аС

...P*2.0'C

, , • ^Ul -3/n/c. WnW-Scm/C

SO,* ом/с.

^ Wmax -fie*!/с ___Wmat ^ - ¿¿»k

5Г

4 4

Рис.3. ВГТ и НГО в различные моменты времени в зависимости от:

1 )-Ux при Wmax = 2 см/с;_ _ Щ при Wmax = 2 см/с;

2 )---W при Щ =3м/с, Ктах = 5,7 м2/с;

3)_ . при 17х = 3 м/с, *гаах = 5,7 м2/с, Wmax - 2 см/с.

Зависимость верхней границы туманов и нижней границы

облаков от термической устойчивости L* представлены на рисунке 2 кривой 3.

Значение L* достаточно сильно влияет на изменение К и W с высотой, увеличение L* (25 м, 50 м, 100 м) ведет к ослаблению W и усилению К во всем слое (iTraax = 2,8; 5,7; 11,4 м2/с).

Образованию радиационных туманов способствует турбулентное перемешивание (что подтверждает статистическое исследование - большая часть туманов на аэродроме Сиверский образуется при наличии слабого ветра (73%)), однако при интенсивном турбулентном перемешивании охватывается очень мощный слой воздуха и каждая частица воздуха охлаждается от земной поверхности мало.

Развитию туманов вверх, образованию облачности способствуют восходящие вертикальные движения, но поскольку они ослабевают с увеличением X* (например, на Z = 7 м W = 0,5; 0,3; ОД см/с), то туманы при малых значениях L* будут образовываться интенсивнее и быстрее.

Так при L* = 25 м и 50 м образуются туманы через 3 часа

счета (1,8 и 0,8 м), облако в первом случае - через 4 часа (299 м), во втором - через 5 часов (314 м). Туман сливается с облаком на Z = 57 м для L* = 25 м к 5 часам счета, для L* = 50 м через 7 часов на высоте 86 м. При L* = 100 м не смотря на интенсивное турбулентное перемешивание образуется низкий туман, высота которого к 8 часам достигает 8,6 м, а облачность не образуется из-за более слабой скорости нарастания восходящих движений с высотой (при L* = 25 м Wmax = 2 см/с наблюдается

с высоты 437 м, при L* = 50 м - 656 м, L* = 100 м - 984 м).

Так как при устойчивой стратификации турбулентный обмен определяется в основном скоростью ветра, рассмотрим влияние скорости ветра (и следовательно коэффициента турбулентности) на образование туманов и облаков (Рис. 3 кривые 1).

Из рисунка 3 видно, что при различных значениях восходящих движений, влияние турбулентного обмена на ВГТ и НГО не одинаково. При Wmax =2 см/с усиление скорости ветра на высоте флюгера с 0 до 3 м/с (ÍTmax от 0 до 5,7 м2/с) и приводит к более медленному образованию облачности.

Облако образуется быстрее при Wmax = 2 см/с и штилевых

условиях через 3 часа - НГО 600м; через 4 часа при U1 = 1 м/с - НГО 445 м; через 5 часов при Ux = 3 м/с НГО 314 м. Однако понижение нижней границы происходит быстрее при скорости ветра 1 м/с на высоте флюгера.

Туман при Wmax =2 см/с для всех скоростей ветра образуется через 3 часа, только его верхняя граница при этом для иг = 0 м/с выше (1,8 м), чем при Ux -1 м/с и 3 м/с (0,8). При штилевых условиях его верхняя граница повышается быстрее, чем при наличии ветра. Однако слияние тумана и облака происходит в то же время 7 часов на высоте 194 м, что и при Ux = 3 м/с на Z - 87 м, а быстрее всего оно происходит при í/j = 1 м/с на высоте 89 м.

Ослабление вертикальной скорости с 2 см/с до 1 см/с приводит к тому, что верхняя граница тумана повышается с усилением скорости ветра (т. е. увеличением турбулентного обмена). Туман образуется через 4 часа для всех рассматриваемых значений скорости ветра, но верхняя граница для 3 м/с наблюдается

на высоте 1,6 м, для 1 м/с - на 1,3 м, для штиля - на 1,1 м. Через 8 часов от начального момента она повышается соответственно до 30 м, 28 м и 22 м. Нижняя граница облачности при этом значении вертикальной скорости понижается быстрее при наличии ветра, чем при штилевых условиях.

Из проведенного анализа следует, что при слабых восходящих вертикальных токах образуются низкие туманы высотой 20-30 м, при этом незначительное увеличение мощности тумана происходит при усилении турбулентного обмена.

Усиление вертикальных токов до 2 см/с приводит к тому, что мощность туманов увеличивается по мере уменьшения скорости ветра. Облачность понижается быстрее всего при иъ =1м/с, а сочетание = 2 см/с и и1 =1м/с является

наиболее удачным для слияния облака и тумана.

Из приведенных выше результатов вытекает, что усиление (ослабление) турбулентного обмена не оказывает существенного влияния на мощность тумана, в большей степени она зависит от вертикальных движений.

На рисунке 3 (кривая 2) представлена зависимость ВГТ и НГО от Ж. Из рисунка хорошо видно, как повышается ВГТ по мере увеличения вертикальной скорости при сохранении остальных параметров задачи без изменения.

Туман образуется раньше всего при значении ~№тах = 2 см/с,

ВГТ - 0,8 м через 3 часа. К 4 часам, когда образуются туманы при других значениях IV, его высота достигает 2,3 м, для Жтах = 1 см/с - 1,4 м, Штах = 0 - 1 м, И^ = -1 см/с - 0,8 м.

Через 5 часов в верхней части рассматриваемого слоя образуется при Т^щах = 2 см/с облако, НГО 314 м, которое к 7 часам

счета достигает верхней границы тумана.

К 8 часам счета мощность остальных туманов составляет ЦГтах = 1 см/с - 30 м, Жтах = 0 - 5,7 м, УГ^ = -1см/с - 2,4 м.

При отрицательных и нулевых значениях УУ, туманы образуются только за счет турбулентного обмена, но его усиление не приводит к значительным изменениям. Так усиление К с 5,7 м2/с до 11,4 м2/с при И^ах = 0, привело к поднятию верхней границы тумана лишь с 5,7 м до 7,5 м.

Рассмотрим влияние понижения температуры поверхности почвы, т. е. эффективного излучения и теплофизических свойств почвы на образование туманов и облаков при

Жт^ = 2 см/с, и1 = 1 м/с. Из рисунка 3 (кривая 3) видно, что с

увеличением понижения температуры почвы в 1 час сокращается время образования тумана, увеличивается его мощность, нижняя граница облака понижается интенсивнее. При 2> = 2,5° С туман образуется через 3 часа (ВГТ 0,8 м), облако -через 4 часа с НГО 468 м, которые к 6 часам сливаются друг с другом на высоте 86 м.

При 2> = 2,0° С туман и облако образуются одновременно в 4 часа ВГТ -1м, НГО - 492 м. Слияние тумана и облака происходит через 8 часов на высоте 57 м.

При О = 1,5° С облако образуется через 4 часа, как и в предыдущих двух случаях с НГО - 572 м, а вот туман - только к 7 часам, его мощность к 8 часам составляет 1,6 м, НГО -200 м.

Заметим, что изменение падения температуры поверхности почвы в первые часы в большей мере влияет на туман, т. к. он образуется вблизи земной поверхности, облачность же во всех рассматриваемых случаях образуется в 4 часа, величина £> влияет лишь на его нижнюю границу.

Полученные результаты согласуются с фактическими наблюдениями за туманами.

Наиболее сильно на время образования тумана влияет изменение начального значения относительной влажности воздуха. Так, увеличение /о Д° 90% при УУтах = 2 см/с, Ктах = 5,7 м2/с приводит к образованию тумана через 1 час (0,9 м), - облака через 2 часа - 314 м, и слиянию тумана и облака через 4 часа на высоте 90 м. Уменьшение относительной влажности до 70% сопровождается увеличением времени, необходимого для достижения воздухом состояния насыщения. Несмотря на значительное понижение температуры подстилающей поверхности (7°С от начального значения) туман образуется только к 7 часам, а к 8 часам его ВГ достигает 3 м.

В работе проведены численные эксперименты при других значениях То- Уменьшение начальной температуры приводит к понижению водности туманов и облаков, при отрицательных значениях (Т = -5°С) максимальное значение водности не превышает 0,6 г/кг. Это подтверждает приводимые в литературе выводы о росте водности туманов с ростом температуры, при которой они наблюдаются.

Отмечено, что перед рассеянием тумана температура воздуха обычно повышается. В диссертации проведено исследование

рассеяния тумана путем повышения температуры поверхности почвы на 1°С в час. При воздействии таким образом на низкий туман (6 м) - туман через 3 часа полностью рассеивается и наблюдается только облако с НГО 220 м. при воздействии на мощный туман (656 м), он через 4 часа приподнимается на высоту 1,5 м, его верхняя граница -11м, водность - 0,004 г/кг, а на высоте 37 м наблюдается облако.

Таким образом, повышение температуры поверхности почвы проводит к росту температуры воздуха в нижних слоях рассматриваемого слоя, которое за счет слабого турбулентного обмена постепенно распространяется вверх разрушает инверсию температуры, а в случае мощного тумана ведет к образованию приподнятой инверсии. В верхних слоях за счет восходящих вертикальных движений за рассматриваемый промежуток времени (3-4 часа после образования тумана), сохраняется падение температуры во времени, которое приводит к образованию облачности.

В заключении сформулированы основные результаты исследований:

1) Обобщены и проанализированы данные фактических наблюдений за туманами на шести пунктах за 5-ти и 10-летние периоды. Эти данные использованы для построения модели тумана и уточнения его прогноза.

2) Туманы на северо-западе ЕЧР наблюдаются преимущественно в летне-осеннюю половину года. Максимум приходится на август месяц, на вторую половину ночи, на часы, близкие к восходу солнца.

3) Наиболее часто туманы образуются в областях с восходящими вертикальными движениями (68,7%), при слабом (13 м/с) ветре. Данные наблюдений за давлением подтверждают этот вывод, в 45% случаев давление падало, в 21% случаев -сохраняло ровный ход и 34% случаев - росло.

4) Хорошо просматривается связь туманов с осадками. После прохождения ливневых и обложных дождей днем, вероятность образования туманов при «прояснениях» ночью увеличивается.

5) Предложен уточненный график прогноза радиационных и радиационно-адвективных туманов в летние месяцы.

6) Построена модель образования радиационных туманов, учитывающая эффект изменения вертикальной скорости с высотой.

7) Выявлена зависимость образования туманов от характера подстилающей поверхности. На основе расчетов получены данные о зависимости верхней границы туманов от параметра теплофизических свойств почвы.

8) Проведена количественная оценка влияния вертикальной скорости синоптического масштаба на образование и развитие туманов. Показана их большая роль в формировании высоких радиационных туманов.

Увеличение вертикальной скорости приводит к сокращению времени образования туманов, увеличению его верхней границы, а в некоторых случаях слиянию тумана с облаком.

При отрицательных вертикальных движениях образуются лишь низкие и поземные туманы.

Наряду с основными параметрами при составлении прогноза тумана (синоптическое положение, влажность, скорость ветра) необходимо учитывать значение и знак барической тенденции, показывающий направление вертикальных движений.

В приложении представлена программа численной модели туманов.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Некоторые особенности образования туманов на юге Ленинградской области / РГГМУ. - СПб. - 1995. -14 с. - Деп. в ВИНИТИ 22.07.96, № 2481 - В 96.

2. Анализ образования туманов на юго-западе Ленинградской области и возможность их прогнозирования: Сборник науч. метод, материалов «Проблемы повышения эффективности метеорологического, аэродромно-технического обеспечения авиации Вооруженных сил» / ВВВ АИУ - 1996. - вып. 18/411

3. Особенности образования конвективных облаков и гроз на северо-западе Европейской части России / РГГМУ - СПб. -1994. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 16.06.94, № 1503 - В 94.

4. Статистический анализ и моделирование туманов на северо-западе Европейской части России: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции (26-28 мая) «Современные методы подготовки специалистов и совершенствование систем и средств наземного обеспечения авиации» .Воронеж, 1997. - с.

- 154 с.

136-138.

^ Лукин В.А.