Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Влияние макро- и мезомасштабных факторов атмосферной циркуляции на интенсивность градовых процессов

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата физико-математических наук, Барекова, Мариника Викторовна, Б. м.

Федеральная служба РФ по гидрометеорологии и мониторингу природной среды

ВЫСОКОГОРНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Барекова Мариника Викторовна

УДК 551.578.7:551.513(479)

ВЛИЯНИЕ МАКРО- И МЕЗОМАСШТАБНЫХ ФАКТОРОВ АТМОСФЕРНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ГРАДОВЫХ ПРОЦЕССОВ (НА ПРИМЕРЕ КАВКАЗСКОГО РЕГИОНА)

11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -Доктор географических наук Г.Г.Гораль

АННОТАЦИЯ

Дана физико-географическая и климатическая характеристика региона Кавказа. Исследована повторяемость градовых процессов в регионе на основе статистических данных и анализа приведенной повторяемости градовых процессов. Показано распределение градовых процессов в зависимости от рельефа и определены наиболее градоопасные районы и районы развития наиболее интенсивных градовых процессов.

Проведены исследования макро- и мезомасштабных факторов циркуляции в средней тропосфере при развитии градовых процессов различной интенсивности в регионе Кавказа. Получено, что при меридиональном типе макроциркуляции развиваются наиболее интенсивные и катастрофические градовые процессы, а при зональном - средней и слабой интенсивности. Изучены среднетропосферные циклоны, непосредственно формирующие характер термобарического поля над регионом прогноза и определена "опасная" область, от положения циклона в которой зависит мезорайон развития и интенсивность градового процесса. Показано, что при развитии наиболее интенсивных и катастрофических градовых процессов, имеющих одинаковую пространственную структуру, в средней тропосфере складывается иденичный, оптимальный режим макромасштабной циркуляции.

Проведен анализ структуры термобарического поля средней тропосферы над регионом прогноза и выявлено, что роль, определяющая интенсивность градового процесса, принадлежит термическому фактору: интенсивности адвекции холодного воздуха в системе "градоопасной зоны". Определены количественные значения параметра интенсивности адвекции при развитии градовых процессов различной интенсивности. Показано, что "градоопасная зона" играет роль среднетропосферного холодного фронта.

Исследовано приземное распределение термодинамической индивидуальности воздушной массы в равнинных, предгорных и горных

районах. По значению температур термодинамической индивидуальности воздушной массы предложена классификация воздушных масс у земли.

Выявлен механизм образования областей градиента Л1;см/Дх в условиях сложного рельефа и определена их взаимосвязь с зарождением и развитием градовых процессов различной интенсивности. Установлены пороговые и максимальные значения градиентов Д1:см/Лх и выявлены очаговые районы зарождения и развития градовых процессов для всех градоопасных районов Кавказа.

Установлено, что характер пространственного положения и перемещения областей градиента Д1:см/Дх уточняет положение линии приземного фронта, определяя реальную зону контраста между двумя энергетически различными воздушными массами.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ _;_2

ВВЕДЕНИЕ_^_4

ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ И КЛИМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕГИОНА И ПОВТОРЯЕМОСТЬ ГРАДОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА КАВКАЗЕ_13

1.1. Краткая физико-географическая характеристика региона Кавказа_¿3

1.2. Климатическая характеристика региона Кавказа_\ 7

1.3. Характеристика повторяемости градовых процессов в регионе Кавказа_21

1.4. Влияние рельефа на распределение и повторяемость градовых процессов в регионе

Кавказа_28

Выводы___________3 9

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕР МАКРОМАСШТАБНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ В СРЕДНЕЙ

ТРОПОСФЕРЕ И ИНТЕНСИВНОСТЬ ГРАДОВЫХ ПРОЦЕССОВ В РЕГИОНЕ

КАВКАЗА____!_41

2.1. Данные для исследования и методика анализа___4 5

2.2. Характер макромаспггабной циркуляции в средней тропосфере (АТ^гПа) в связи с развитием градовых процессов различной интенсивности в регионе Кавказа_52

2.3. Среднетропосферные циклоны_61

2.3.1. Основные характеристики и кинематика__б1

2.3.2 Положение среднетропосферного циклона внутри макроложбины и относительно

региона Кавказа при развитии градовых процессов различной интенсивности_70

2.3.3. Повторяемость и термическая индивидуальность среднетропосферных циклонов_72

2.4. Примеры характерной структуры термобаричсского поля средней тропосферы при развитии градовых процессов различной интенсивности в регионе Кавказа_78

2.5. Аэросиноптические и термодинамические условия развития суперячейковых градовых процессов - аналогов на Северном Кавказе_86

Выводы_96

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ МЕЗОМ А СШТАЕНЫХСИНОПТИЧЕСКИХФАКТОРОВ СРЕДНЕЙ ТРОПОСФЕРЫ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ГРАДОВЫХ ПРОЦЕССОВ В РЕГИОНЕ КАВКАЗА_98

3.1. Структура "градоопасной зоны" и ее связь с характером макромасштабной циркуляции

в средней тропосфере_99

3.2. Результаты статистического анализа взаимосвязи параметров высотных "градоопасных зон" с интенсивностью градовых процессов_¿04

Выводы__£12

ГЛАВА 4. ПРИЗЕМНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ АТМОСФЕРЫ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОГО РЕЛЬЕФА НЕГО СВЯЗЬ С РАЗВИТИЕМ ГРАДОВЫХ ПРОЦЕССОВ РАЗЛИЧНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ_Ц4

4.1. Распределение термодинамической индивидуальности воздушной массы у земли_

4.2. Распределение характеристик термодинамической индивидуальности воздушной массы у земли в связи с локализацией и интенсивностью градовых процессов на Северном Кавказе

_:_;_¿зо

4.3. Определение очагов постоянной градовой опасности и уточнение мест зарождения и обострения градовой деятельности на основе анализа трансформации приземных линий

потенциальной неустойчивости атмосферы для региона Северного Кавказа_'_¿37

4.4. Распределение характеристик потенциальной неустойчивости у земли в связи с локализацией и интенсивностью градовых процессов в Армении_144

4.5.Распределение термодинамических характеристик воздушной массы у

поверхности земли и градовые процессы в Грузии_450

4.6. Особенности приземного распределения температуры смоченного термометра в Азербайджане при развитии градовых процессов различной интенсивности_i59

4.7. Уточнение положения фронтальных разделов у поверхности земли при прогнозе развития градовых процессов на основе анализа трансформации приземных линий

потенциальной неустойчивости атмосферы_1 75

Выводы _484

ЗАКЛЮЧЕНИЕ_190

ЛИТЕРА ТУРА__£94

ПРИЛОЖЕНИЯ_2 06

ВВЕДЕНИЕ

Развитие градовых процессов и сопутствующих им опасных явлений погоды (ливень, гроза, шквал) определяется целым рядом атмосферных факторов различного масштаба. К ним относятся макрофизические параметры, определяющие механизм зарождения и роста града, термодинамические условия возникновения и развития градовых процессов различной интенсивности и типа, а также факторы атмосферной циркуляции от мезо- до макромасштаба, обусловливающие потенциальные энергетические возможности воздушных масс.

В той или иной степени эти факторы учитываются в существующих ныне детализированных методах прогноза града: мезорайона развития, интенсивности и типа градового процесса /1,43,100,105/.

Однако, поиск унифицированных параметров атмосферы определяющих развитие градового процесса различной интенсивности, является сегодня актуальной задачей в силу ряда причин. С одной стороны, это обусловливается расширением знаний о природе градовых процессов и усложнением методов

V/ V* /-1

воздействия на градовые процессы различной интенсивности и структуры. С другой - сложностью прогноза в наиболее градоопасных регионах, связанной с разнообразием рельефа и климатических особенностей этих регионов.

Получение универсальных, физически обоснованных синоптических предикторов, учитывающих циркуляционные факторы различного масштаба, позволит улучшить локальный прогноз града, повысить его точность, надежность, заблаговременность.

Известно, что существенное влияние на распределение конвективных процессов оказывает рельеф местности /15,41,70,99/. При этом особенности в распределении процессов наблюдаются как по регионам, так и внутри каждого региона. Поэтому важной задачей является разработка надежных методов прогноза опасных конвективных явлений погоды, особенно их интенсивности, с учетом влияния орографии на возникновения и локализацию градовой конвекции.

Несмотря на то, что вопросам взаимодействия фронтальных разделов с подстилающей поверхностью сложных форм уделялось большое внимание /66,71,97,102/, этот вопрос, в применении к решению конкретной задачи прогноза градовых процессов различной интенсивности, не является решенным и требует дальнейших исследований.

Целью данной работы является исследование влияния макро- и мезомас-штабных циркуляционных факторов средней тропосферы, а также горизонтального распределения характеристик приземной потенциальной неустойчивости атмосферы на интенсивность и мезорайон развития градовых процессов различной интенсивности в регионе Кавказа.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

• изучение влияния макромасштабных факторов циркуляции средней тропосферы на интенсивность градовых процессов в регионе Кавказа;

• изучение влияния структуры термобарического поля средней тропосферы на интенсивность градового процесса и поиск количественных критериев оценки "градоопасной зоны";

• исследование приземного распределения термодинамической индивидуальности воздушной массы в регионе Кавказа и определение величины горизонтального градиента температуры смоченного термометра Д1:см/Дх в различных районах Кавказа, определяющей зарождение и развитие градового процесса той шиной интенсивности;

• уточнение пространственного положения и перемещения фронтальных разделов у земли с помощью анализа областей градиентов Д1:см/Лх и определение очаговых районов возникновения и развития градовых процессов в регионе Кавказа.

Кроме указанных задач в работе исследовано распределение и повторяемость градовых процессов в условиях сложного рельефа и определены наиболее градоопасные районы.

Метод исследования. Для решения поставленных задач был применен физико - статистический метод исследования, основанный на диагностическом анализе макро- и мезомасштабных циркуляционных факторов средней тропосферы, характера термобарического поля над регионом, а также метеорологической и радиолокационной информации об особенностях возникновения и развития градовых процессов различной интенсивности в регионах Кавказа.

Поиск унифицированных критериев оценки синоптической ситуации и количественных характеристик приземной потенциальной неустойчивости атмосферы при развитии градовых процессов различной интенсивности в регионе Кавказа проводился на основе анализа псевдопотенциальных температур, как консервативных энергетических характеристик состояния атмосферы.

Экспериментальной основой работы явился сбор, анализ и обобщение аэросиноптической, метеорологической, радиолокационной информации, а также данных о повторяемости градовых процессов различной интенсивности, почерпнутых из информационных отчетов Военизированных служб по борьбе с градом Госкомгидромета (ВС) в 1983-89 годах и личного архива автора.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

• установлено, что тип макромасштабной циркуляции в средней тропосфере предопределяет интенсивность градовых процессов, развивающихся в регионе Кавказа; показано, что при развитии наиболее интенсивных и катастрофических градовых процессов в средней тропосфере складывается определенный оптимальный режим макромасштабной циркуляции, приводящий к возникновению идентичных термодинамических условий в атмосфере и развитию градовых процессов с одинаковой пространственной структурой;

• выявлены качественные и количественные характеристики таких факторов макроциркуляции, как среднетропосферные циклоны и определена их роль

в развитии наиболее интенсивных и катастрофических градовых процессов в регионе Кавказа;

• показана определяющая роль термического фактора в структуре "градоопасной зоны" в средней тропосфере, предложен количественный параметр, характеризующий степень адвекции холодного воздуха в системе "градоопасной зоны" и определена его связь с интенсивностью градовых процессов, развивающихся в регионе Кавказа; установлено, что "градоопасная зона" является среднетропосферным холодным фронтом, влияющим на интенсивность градового процесса в регионе Кавказа;

• предложена классификация воздушных масс у поверхности земли по их термодинамической индивидуальности, выявлены особенности распределения характеристик термодинамической индивидуальности воздушной массы-псевдопотенциальной температуры смоченного термометра 9Р и температуры смоченного термометра в равнинных условиях, предгорных и горных районах Кавказа;

• показана связь областей градиентов Д1:см/Дх с возникновением и развитием градовых процессов различной интенсивности в регионе Кавказа и установлены количественные значения величин градиентов Д1:см/Дх при развитии градовых процессов от слабых до катастрофических для всех градоопасных районов Кавказа; выявлено, что механизм образования областей градиентов Д1:см/Дх един во всех градоопасных районах Кавказа;

• установлено, что область градиента Д1;см/Дх есть локальный участок фронта и показано, что реальная зона контраста между двумя воздушными массами расположена вдоль цепочки областей градиента Д1:см/Дх, позади фронтальной линии, определенной в поле обычной температуры;

• выявлено, что области постоянного возникновения градиента Д1:см/Дх являются очаговыми районами возникновения и развития градовых процессов.

Практическая ценность работы. Результаты исследования влияния факторов макро- и мезомасштабной циркуляции в средней тропосфере, распределения термодинамической индивидуальности воздушной массы у земли, возникновения и связи градиента А^м/Ах с развитием градовых процессов различной интенсивности, а также ряд унифицированных параметров, полученных при исследовании, могут быть применены при прогнозе опасных конвективных явлений погоды и уточнении положения приземных фронтов в регионах со сложной орографией.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

• влияние характера макромасштабной циркуляции средней тропосферы и его основных характеристик на интенсивность градовых процессов в регионе Кавказа;

• влияние структуры термобарического поля средней тропосферы и интенсивности адвекции холодного воздуха в системе "градоопасной зоны" на интенсивность градовых процессов в регионе Кавказа;

• связь консервативных температур, характеризующих термодинамическую индивидуальность воздушной массы, с образованием областей градиента А1;см/Ах и их влияние на возникновение, развитие и интенсивность градовых процессов в регионе Кавказа;

• уточнение положения приземных фронтов на основе анализа пространственного распределения и перемещения областей градиента А1;см/Дх.

Структура работы. В первой главе диссертации излагаются физико-географические и климатические особенности Кавказского региона, исследуется распределение и повторяемость градовых процессов на основе статистического анализа и анализа повторяемости выпадения града по орографическим группам ( учет различных форм рельефа региона), а также анализа приведенной повторяемости градовых процессов (число дней с развитием града приве-

дено к единице площади в 1 млн га), в сравнении для всех градоопасных регионов СНГ.

Показано, что наиболее градоопасными являются предгорные и горные районы, к которым относятся Предкавказье и Центральное Закавказье, а наименее - равнинные степи и полупустынные районы Восточного Закавказья, а также прибрежные районы Западного Кавказа. Повторяемость града возрастает с увеличением высоты места над уровнем моря, вплоть до 3000м. Минимальная повторяемость градовых процессов составляет 3-4 дня в год, максимальная -14-20 дней в год.

Приведенная повторяемость максимальна в Краснодарской ВС:30, 4 дня. Наибольшая частота интенсивных градовых процессов отмечается в СевероКавказской (4,2 дн.) и Краснодарской ВС(3,6 дн.). В Закавказских ВС приведенная повторяемость близка к средним значениям (18,3 дня, для интенсивных процессов 1,8 дня).

Вторая глава посвящена исследованию влияния факторов макромасштаб-ной циркуляции в средней тропосфере на интенсивность градовых процессов в регионе Кавказа. Показано, что типами макромасштабной циркуляции, приводящими к развитию интенсивных и катастрофических градовых процессов являются: меридиональный (средний между С и Е), зональный с нарушением зональности, когда появляется меридиональная составляющая Смена меридиона�