Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Зарождение, перемещение, эволюция тайфунов и их прогнозирование синоптико-статистическими методами

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Кузин, Виталий Сергеевич, Владивосток

Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу природной среды ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ региональный НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ДВНИГМИ)

На правах рукописи КУЗИН ВИТАЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ЗАРОЖДЕНИЕ, ПЕРЕМЕЩЕНИЕ, ЭВОЛЮЦИЯ ТАЙФУНОВ И ИХ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СИНОПТИКО-СТАТИСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель доктор географических наук, профессор Г.В. Свинухов

Владивосток 1999

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АЭ - Анти-Эль-Ниньо ВВ - восточная волна

ВЗК - внутритропическая зона конвергенции

ВПС - верхний пограничный слой

ВТА - верхнетропосферный антициклон

ВТЛ - верхнетропосферная ложбина

ВТП - верхнетропосферный поток

МВ - мезовихрь

МЛ - муссонная ложбина

МЭ - мощное Эль-Ниньо

НТВ - начальное тропическое возмущение

СП - северное полушарие

ТВ - тропическое возмущение

ТД(Тс1) - тропическая депрессия. . ..

ТЦ - тропические циклоны "

Ту - тайфуны

ТБ - тропический шторм

ХФ - холодный фронт

ЭВ - экваториальная волна

ЭЛ - экваториальная ложбина

ЮП - южное полушарие

Е - антициклонический сдвиг ветра с высотой

<1 - диаметр облачного массива

Б - горизонтальная дивергенция

НВТАзоо ~ мощность ВТА по данным карт Нзоо

НВТА50о ~ мощность ВТА по данным карт Н50о

и24,48,72 ~ весовой коэффициент учитывающий прогностическую траекторию ТВ или Ту на 24, 4 8, 72

^"и7оо _ горизонтальный сдвиг ветра на Н7оо в зоне действия вихря

- вертикальный сдвиг ветра в слое (Н2оо - Н90о) ДО - циклонический сдвиг ветра с высотой

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Стр. 4

1.КРУПНОМАСШТАБНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ ТРОПОСФЕРЫ И АЭРОСИНОПТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ ТАЙФУНОВ (ТЦ) 9

1.1. Состояние вопроса 9

1.2. Типы атмосферной циркуляции в тропической зоне Тихого океана определяющие зарождение тайфунов над северозападной частью Тихого океана 14

1.3. Синоптические модели зарождения ТЦ над северозападной частью Тихого океана 19

1.4. Эволюция облачных систем в развивающихся и неразвивающихся тропических возмущениях (ТВ) 31

1.5. Аэросиноптические условия зарождения ТЦ в северозападной части Тихого океана в период развития Эль-Ниньо 37

2. ПРОГНОЗ ЗАРОЖДЕНИЯ, ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ТАЙФУНОВ 51

2.1. Состояние вопроса 51

2.2. Синоптический метод прогноза зарождения тайфунов

(ТЦ) на 1-3 суток 66

2.3. Физико-статистический способ прогноза зарождения тайфунов на 1-3 суток 71

2.4. Эмпирический метод прогноза зарождения и эволюции тайфунов на 24, 48, 72 ч на основе синоптического анализа 7 5

2.5. Статистический метод прогноза эволюции тайфунов, выходящих на территорию Вьетнама с заблаговременностью до

трех суток 99

2.6. Трехуровенная модель прогноза перемещения тайфунов

на 24, 48, 72 ч 103

3. АЭРОСИНОПТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СИЛЬНЫХ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНЫХ ОСАДКОВ И КАТАСТРОФИЧЕСКИХ НАВОДНЕНИЙ В ПЕРИОД ВЫХОДА ТАЙФУНОВ В УМЕРЕННЫЕ ШИРОТЫ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА 105

3.1. Состояние вопроса 105

3.2. Аэросиноптические условия формирования в Приморье сильных продолжительных осадков и катастрофических наводнений в период выхода тайфунов в умеренные широты Дальнего Востока 106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

111 113

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Тропические циклоны принадлежат к одному из наиболее разрушительных природных явлений на Земном шаре. Ежегодный ущерб, наносимый тропическими циклонами (тайфунами) , исчисляется миллиардами долларов и сопровождается человеческими жертвами. Северо-западная часть Тихого океана является одной из самых активных областей тропического циклогенеза Мирового океана, где в течение года в среднем зарождается около 28 ТЦ (тропических циклонов), из них около 18 ТЦ достигают стадии тайфуна (ТУ). Тайфуны нередко сопровождаются ураганным ветром до 50 м/с и более, сильными дождями с выпадением до 5001000 мм осадков в сутки и более, наводнениями, а также сильным волнением, нередко сопровождающимся высоким штормовым нагоном при выходе тайфунов на побережье и затоплением низких участков побережья. Почти ежегодно в среднем от 1 до 2 ТЦ прямо или косвенно воздействуют на территорию Российского Дальнего Востока, которые нередко сопровождаются интенсивными продолжительными дождями и наводнениями, а также сильным штормовым ветром, нередко на побережье достигающим ураганной силы.

Ущерб от тайфунов в Дальневосточном регионе России может достигать нескольких сотен миллионов долларов в год, поэтому как исследование зарождения, перемещения и эволюции тайфунов, так и их прогнозирование весьма актуальны для Дальневосточного региона России и имеет большое прикладное значение.

Основное содержание диссертации составляют исследования, которые выполнялись в процессе научных разработок. Работа выполнена по плановым темам Росгидромета на 1981-1997 гг.: 1.01e.Об, 1.02г.05, 1.2г.07, 1.2д.04, 1.1.1.6, 1.1.1.4, теме N 1 советско-вьетнамского и российско-вьетнамского сотрудничества (1983-1995 гг.).

Цель и задачи работы. Основная цель работы заключалась в исследовании аэросиноптических условий зарождения и эволюции тайфунов и их прогнозирование на 1-3 суток.

Для выполнения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Исследована крупномасштабная циркуляция тропосферы, благоприятствующая зарождению тайфунов.

2. На основании крупномасштабной циркуляции тропосферы были предложены пять синоптических моделей зарождения тайфунов в северо-западной части.Тихого океана.

3. Разработаны:

а) синоптический метод прогноза зарождения тайфунов на 1-3 суток;

б) физико-статистический метод прогноза зарождения тайфунов на 1-3 суток (24, 48, 72 ч);

в) модель прогноза перемещения тайфунов на 1-3 суток, С учетом вклада теплого ядра тайфунов (адвективный фактор) в фоновый поток тропосферы;

г) эмпирический способ прогноза зарождения и эволюции тайфунов на 24, 48, 72 ч на основе синоптического анализа.

Фактический материал. Для решения поставленных задач были привлечены аэросиноптический материал тропической зоны западной части Тихого океана за период с 1958 по 1995 гг., а также аэросиноптический материал экспедиций Тайфун-7а, Тайфун-81, Тай-фун-87, Тайфун-89, Тайфун-90 и снимки облачности с ИСЗ Ж5АА, Метеор и СМЭ за период с 197 8 по 1995 гг.

Научная новизна. Впервые на обобщенном аэросиноптическом материале тропической зоны западной части Тихого океана северного и южного полушарий совместно со снимками облачности с ИСЗ СМБ была протипизирована крупномасштабная циркуляция атмосферы тропической зоны, благоприятствующая зарождению тайфунов, созданы синоптические модели зарождения ТЦ, синоптический и физико-статистический методы прогноза зарождения ТЦ с заблаговре-менностью до трех суток, а также эмпирический способ прогноза зарождения и эволюции тайфунов на 24, 48, 72 ч на основе синоптического анализа с использованием крупномасштабной циркуляции тропосферы, вплоть до поверхности Н2оо/ а. также разработана трехуровенная модель прогноза перемещения тайфунов с учетом нижнего слоя тропосферы, Н50о и Н30о, и вклада адвекции теплого ядра тайфунов в перестройку тропосферных потоков в средних и верхних слоях тропосферы при выходе тайфунов из баротропной

тропической тропосферы в зону бароклинной тропосферы субтропических и умеренных широт.

Автором исследованы аэросиноптические условия формирования сильных продолжительных осадков в Приморском крае, обусловливающих катастрофические наводнения, в связи с выходом тайфунов на территорию Дальнего Востока.

Результаты работы выносимые на защиту:

1.Типы атмосферной циркуляции, благоприятствующие зарождению тропических циклонов.

2.Синоптические модели зарождения тропических циклонов.

3.Синоптический метод прогноза зарождения тропических циклонов на 1-3 суток.

4.Эмпирический способ прогноза зарождения и эволюции тайфунов на 24,48,72ч.

5.Модель прогноза перемещения тайфунов на 24,48,72 ч. с учетом вклада теплого ядра тайфунов (адвективный фактор в фоновый поток тропосферы) .

6.Аэросиноптические условия формирования сильных продолжительных осадков и катастрофических наводнений в период выхода тайфунов в умеренные широты Дальнего Востока.

Практическое значение работы. Основные теоретические положения, научные результаты работы, выводы и рекомендации нашли применение для использования выше указанных методов прогноза в практике. Автором разработаны методические указания по синоптическому методу прогноза зарождения тайфунов на 1-3 суток, физико-статистический метод прогноза зарождения тайфунов на 24, 4 6, 72 ч, эмпирический способ прогноза зарождения и эволюции тайфунов на 24, 48, 72 ч с использованием трехуровенной модели прогноза перемещения тайфунов на 24, 48, 72 ч.

Предложены три типовые схемы развития синоптических процессов, формирующих сильные продолжительные осадки и катастрофические наводнения в Приморском крае. Даны основные рекомендации к прогнозу сильных осадков в Приморье, обусловливающих катастрофические наводнения.

Результаты работы используются при чтении лекций на кафедре метеорологии, климатологии и охраны атмосферы ДВГУ, ДВГТУ,

Дальрыбвтуза, а также при решении задач комплексной защиты территории Приморского края от катастрофических наводнений при выходе тайфунов в умеренные широты Дальнего Востока.

Апробация работы. По теме диссертации автором представлены доклады, сообщения на семинарах, конференциях и симпозиумах:

1. Второй Международный симпозиум по тропической метеорологии, Обнинск, 1985 г.

2. Научная конференция по проблемам гидрологии рек зоны БАМ и Дальнего Востока, Владивосток, 198 6 г.

3. Сообщение в отделе анализа Мировой погоды, Москва, ГМЦ, 1990 г.

4. Пятый Международный симпозиум по тропической метеорологии, Обнинск, 1991 г.

5. Международная конференция по экологии и безопасности жизнедеятельности. Общие проблемы, Владивосток, 1994 г.

6. Научная конференция по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды, Москва, 1996 г.

7. Международная конференция: Стихия. Строительство. Безопасность. Владивосток, 1997 г.

Достоверность научных положений диссертации обоснована выполненными на современном уровне многочисленными исследованиями в северо-западной части Тихого океана в сезон тайфунов, теоретическими проработками с использованием простых и строгих аналитических решений и статистических зависимостей, обобщением и анализом всех имеющихся материалов по акватории северо-западной части Тихого океана и прилегающими к нему регионами Азиатского континента и тропической зоны южного полушария.

Степень личного участия автора. Работа обобщает результаты собственных исследований с 1974 года и метеорологических разработок, выполненных по аэросиноптическим материалам тропической зоны западной части Тихого океана, включая Дальневосточный регион.

Вклад автора в разработку научной проблемы основывается на анализе аэросиноптического материала (с 1958 по 1995 гг.), а также использование материалов пяти экспедиций (Тайфун-7 8, Тай-

фун-81, Тайфун-87, Тайфун-89, Тайфун-90) и состоит в разработке оригинального подхода как аэросиноптических условий зарождения тайфунов, так и прогнозирование зарождения, перемещения и эволюции тайфунов с заблаговременностью 1-3 суток.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 2 6 статьях в открытой печати. Список публикаций по теме диссертации приведены в конце диссертации. Они представлялись и обсуждались на научных конференциях и симпозиумах.

Основное содержание диссертации составляют исследования, которые выполнялись в процессе научных разработок. Работа выполнена по плановым темам Росгидромета на 1981-1997 гг.: 1.01e.06, 1.02г.05, 1.2г.07, 1.2д.04, 1.1.1.6, 1.1.1.4, теме N 1 советско-вьетнамского и российско-вьетнамского сотрудничества (1983-1995 гг.) .

1. КРУПНОМАСШТАБНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ ТРОПОСФЕРЫ И АЭРОСИНОПТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ (ТАЙФУНОВ)

1.1. Состояние вопроса

В тропической зоне Тихого океана наблюдаются три крупномасштабные циркуляционные системы: пассаты, экваториальная ложбина (ВЗК) и муссоны. Первые характеризуются исключительным постоянством, муссоны - исключительной периодичностью.

Эти системы формируют основные течения (поток) атмосферы тропической зоны. На фоне крупномасштабных циркуляционных систем прослеживаются циркуляционные системы меньшего масштаба, которые называют возмущениями основного течения или просто возмущениями. Циркуляция воздуха в возмущениях и основной поток, накладываясь друг на друга, образуют общую циркуляцию атмосферы в тропической зоне Тихого океана /62/.

Движение различных масштабов в тропической зоне взаимосвязаны друг с другом так же, как и в умеренных широтах. Их взаимодействие способствует обмену энергией между возмущениями различных масштабов, определяя развитие или затухание тропических возмущений.

У поверхности Земли мелкомасштабное турбулентное трение обусловливает такой поворот ветра, который способствует притоку воздуха в центр циклона (к оси ложбины) или оттоку воздуха от центра антициклона (от оси гребня), т.е. создаются обширные поля дивергенции (конвергенции) воздушных потоков. Этот процесс практически не отличается от аналогичных процессов в умеренных широтах.

В ряде случаев над возмущениями в верхней тропосфере, на уровне 20 0 гПа располагается верхнетропосферное струйное течение. Оно способствует возникновению здесь крупномасштабной дивергенции (конвергенции). По выражению А.И. Фальковича /65/, там образуется верхний пограничный слой (ВПС). Действие ВПС противоположно действию нижнего пограничного слоя.

Рассматривая действие крупномасштабных движений, А. И. Фалькович на основании данных АТЭП показал, что крупномасштабные движения способствуют увеличению завихренности, т.е. углублению (усилению) возмущений.

Вместе с тем, крупномасштабные восходящие движения приводят к увеличению суммарной энергии в слое 0-3 км и к уменьшению ее в верхних слоях тропосферы. Это способствует появлению неустойчивости и развитию конвекции, следовательно, крупномасштабные восходящие движения ответственны за создание конвективной неустойчивости.

В том же направлении в пределах возмущения действует процесс радиационного выхолаживания. Выхолаживание, в среднем, возрастает с высотой и увеличивает конвективную неустойчивость атмосферы. Конвективную неустойчивость атмосферы увеличивает также турбулентный поток энергии, направленный от океана в атмосферу.

Таким образом, три процесса - крупномасштабные восходящие движения, радиационное выхолаживание в пределах возмущения и поток энергии от океана в атмосферу создают благоприятные условия для возникновения и развития проникающей конвекции, которая перебрасывая энергию снизу вверх, компенсирует крупномасштабные движения.

Тропические возмущения (ТВ) в основном переносятся с востока на запад со средней скоростью 6-8 м/с. Когда возмущение находится в равновесии, т.е. в нем не меняется со временем распределение энергии по высоте, характер крупномасштабных движений и приток энергии от океана, это означает, что искажение профиля энергии за счет крупномасштабных восходящих движений компенсируется влажной конвекцией, диссипацией энергии из-за турбулентного трения и так называемой "вентиляцией" /84/, связанной с различной скоростью движения слоев возмущения и, следовательно, перестройкой стратификации. Вентиляция отсутствует, если все слои в возмущении движутся с одинаковой скоростью, т.е. нет сдвига ветра на высоте. Увеличение относительного вихря за счет крупномасштабных движений компенсируется турбулентным переносом момента в облаках и силой трения. Перемещение

тропического возмущения на более теплую водную поверхность вызывает его углубление. Повышение температуры поверхности воды приводит к росту конвективной неустойчивости, при этом также возрастает поток энергии от океана в атмосферу /65/. Все это вызывает усиление влажной конвекции в возмущении, следовательно, она не только компенсирует действие крупномасштабных движений, но и возбуждает их.

Во-вторых, влажная проникающая конвекция, если она достаточно развита, формирует теплое ядро возмущения. Возникающий градиент температуры обусловливает рост градиента давления и углубление возмущения /65/.

Таким образом, для возникновения тайфуна необходима высокая температура поверхности воды (не ниже 27° С) , которая увеличивает поток энергии от океана в атмосферу и усиливает влажную конвекцию в возмущении. Необходимо также, чтобы параметр Кориолиса был не очень малым (тайфуны в полосе 4-5° широты от экватора не образуются).

При выполнении этих двух условий наиболее важным для образования тайфуна будет считаться отсутствие "вентиляции". Поэтому наиболее благоприятными для зарождения ТЦ будут случаи, когда возмущение движется как единое целое (при очень