Реферат: Пірнаючі циклони над Україною

Пірнаючі циклони суттєво відрізняються від інших позатропічних вихорів синоптичного масштабу за деякими критеріями. Понад усе, це складний характер еволюції пірнаючих циклонів, які часто виникають над малоосвітленими метеорологічними даними районами Північної Атлантики, а потім швидко переміщуються в південні райони Східної Європи. В області впливу пірнаючих циклонів відмічаються несприятливі погодні умови - штормове посилення вітру, тривалі хуртовини і пильові бурі, різке зниження температури повітря. Для території України пірнаючі циклони - достатньо рідке явище (за середніми багаторічними даними біля трьох циклонів на рік), що додатково відбивається на слабкий вивченості цих атмосферних об'єктів.

Нечисленні роботи за досліджуємою тематикою було виконано в основному в 50-60-х роках з використанням синоптико-кліматичного підходу, що дозволило отримати ряд важливих результатів про повторюваність, типові траєкторії, структуру термобаричних полів і погодні умови, пов'язані з пірнаючими циклонами. Однак, принципово важливі сторони фізичного механізму виникнення і еволюції пірнаючих циклонів залишаються поки нез'ясованими, що потребує застосування інших методів їх дослідження. Одним з таких методів, який запропонований в даній роботі, є енергетичний підхід, який стосовно пірнаючих циклонів раніше не використовувався. Отримані в роботі результати дозволили суттєво розширити сучасне уявлення про фізичний механізм еволюції цього типу атмосферних процесів.

3. Виявлення пірнаючих циклонів на території України

Стосовно території України дані про структуру пірнаючих циклонів, отримані автором з аналізу аеросиноптичного матеріалу за 20-річний період (1970-1989 роки). В холодне півріччя (жовтень-березень) за вказаний період було виявлено 59 випадків пірнаючих циклонів, що переміщувалися територією України, з них 51 випадок належить до циклонів північно-західного типу траєкторій (I тип), 7 випадків - до північного (II тип) і 1 випадок - до ультраполярного (III тип). Для з'ясування найбільш сприятливих умов виникнення і переміщення пірнаючих циклонів була застосована відома класифікація макроциркуляційних процесів А.Л. Каца. При цьому виявлено, що пірнаючим циклонам в рівній мірі відповідають процеси, що спостерігаються при змішаній і західній формах циркуляції (48 і 52% випадків відповідно) з переважанням меридіональній орієнтації висотних гребенів і улоговин. Виявлено, що ці ж форми циркуляції можуть спостерігатися і при відсутності пірнаючих циклонів (листопад-грудень 1978-79 рр). У зв'язку з цим для уточнення макропроцесів, сприятливих до виникнення пірнаючих циклонів, додатково пропонується використовувати параметри довгих хвиль Россбі (довжина (L), амплітуда (А), довгота (λ) розташування висотного гребеня, широта (φ) основи хвилі). Осереднені за 59 випадками вказані вище параметри хвилі Россбі мають такі значення: L=82 град. довготи; А=10 град. широти; λ=3 град. з. д.; φ=45 град. півн. ш. В випадках, коли пірнаючі циклони були відсутні, але при наявності сприятливої форми макроциркуляції, відхилення від осереднених параметрів в 2-3 рази перевищують відповідні відхилення при переміщенні пірнаючих циклонів на територію України. Таким чином, використання комплексу макроциркуляційних параметрів атмосфери дозволяє більш об'єктивно оцінити вирогідність виникнення або відсутності пірнаючих циклонів в конкретному географічному регіоні, ніж при традиційному синоптичному аналізі.

Для ідентифікації типів пірнаючих циклонів пропонується використовувати такі гідродинамічні характеристики як: адвекція вихору (АΩ) і температури (Ат), дивергенція швидкості (D), вертикальна ізобарична швидкість (τ). При цьому вказані характеристики осереднялись за центральною частиною циклонів, а також за площею, що перевищує вихора (для врахування впливу гідродинамічної структури фону, на якому еволюціоніровали пірнаючі циклони). Додатково проводиться також осереднення за часом, відповідному періоду існування конкретного циклону. В результаті на прикладі 8 випадків показано, що:

найбільш показовим параметром для розмежування різних типів пірнаючих циклонів є фонова адвекція вихора, у тий час як для центральних частин циклонів значення АΩ ідентичні для всіх трьох типів, тобто процес еволюції пірнаючих циклонів в значній мірі визначається динамічною структурою оточуючого їх фону;

пірнаючим циклонам усіх типів відповідає "нестандартний" для позатропічних циклонічних утворень характер вертикального розподілу адвекції температури, а саме: наявність значної адвекції холоду в середній тропосфері (-1.3 - 5.1⋅10-5 К⋅с-1 в центральній частині), і перевищуючої її в 2-3 рази адвекції тепла в верхніх шарах (2.9 - 8.8⋅10-5 К⋅с-1);

вертикальний розподіл дивергенції і вертикальних токів однозначно не відображують специфіку того чи іншого типу пірнаючих циклонів, однак можуть бути корисними при діагнозі циклогенезу, оскільки вони достатньо добре реагують на інтенсивність процесу. Так, найбільш інтенсивні циклони I типу мають класичну вертикальну структуру дивергенції і вертикальних токів: конвергенція в нижніх шарах (-0.23⋅10-5 с-1) і дивергенція - у верхніх (0.53⋅10-5 с-1) при наявності квазібездивергентного рівня поблизу поверхні 500 гПа з максимумом висхідних вертикальних токів (-6.19 гПа/12 год). В слабко-розвинутих циклонах II і III типів спостерігається аномалія в розподілі розглядаємих характеристик, а саме: конвергенція в нижній і верхній тропосфері і наявність низхідних вертикальних токів в середній. В цілому, додаткове притягнення кількісних гідродинамічних характеристик суттєво покращує об'єктивність методу ідентифікації різних типів пірнаючих циклонів, ніж при звичайному якісному синоптичному аналізі.

4. Аналіз енергетики і вологовмісту пірнаючих циклонів

Рівняння балансу питомої кінетичної енергії (К) і масової частки водяної пари (q) в ізобаричній системі координат, які використовуються в аналізі, мають вигляд:

Просторові похідні в рівняннях балансу апроксимірувались за схемою Шумана, а інтегрування проводиться за формулою трапецій.

Результати аналізу енергетики і вологовмісту пірнаючих циклонів, що знаходились в фазі максимального розвитку:

досліджувались три пірнаючих циклони, відповідно типовим траєкторіям:

I тип - 16-19 грудня 1985 р.,

II - 13-16 листопада 1988 р.,

III - 24-27 лютого 1980 р.

Циклони, що розглядались, на момент свого максимального розвитку були розташовані: циклон I типу (18.12.85 р) - дещо на північ від Азовського моря;

циклон II типу (15.11.88 р) - над північними районами України;

циклон III типу (25.02.80 р) - над Середнім Уралом.

Незважаючи на достатньо широку широтну смугу розташування циклонів, макроциркуляційні умови для усіх випадків були схожі. Так, інтенсивність висотної фронтальної зони на широті розташування циклонів в кожному випадку складала 36 дам/1000 км, а горизонтальні відстані між приземними центрами циклонів і відповідними їм центрами на рівні АТ-500 гПа складали всього 3-4 градуси меридіану, тобто циклони в розглядаємі дати представляли собою вихори з квазівертикальними вісями. Вологістно-енергетичні характеристики осереднювались за площею S, яка свідомо перевищувала розміри циклону, включаючи до себе вплив фону; за площею S1, відповідній центральній частині вихора, а також за складаючими його частинами - передній Sп і тиловій Sт. Області Sп і Sт визначалися в залежності від напрямку пересування циклонів і почасти включали до себе вплив фону. Шар атмосфери 1000-100 гПа був розбитий на 5 збільшених шарів, які характеризують процеси різних шарів тропосфери: 1000-850, 850-700, 700-500, 500-300 і 300-100 гПа. Додатково розраховувались інтегральні характеристики балансів К і q в шарах 1000-700, 1000-300 і 1000-100 гПа.

В результаті аналізу складових балансів кінетичної енергії і вологовмісту встановлено, що:

найбільші інтегральні запаси кінетичної енергії мав циклон I типу (11.88⋅⋅10-5 Дж/м2), а найменші - циклон II типу (6.47⋅10-5 Дж/м2). Максимум енерговмісту відмічався в тиловій частині циклонів I і III типів і передній - в циклоні II типу;

приплив кінетичної енергії за рахунок дивергенції горизонтального потоку (К2>0) відбувався в основному крізь західну і північну межі вихорів з перевагою того чи іншого напрямку в залежності від типу циклона, а відтік - переважно крізь східну межу в циклонах I і II типів, і крізь південну - в циклоні III типу;

для усіх трьох типів пірнаючих циклонів характерним є приплив кінетичної енергії за рахунок дивергенції вертикального потоку (К3>0) в середній тропосфері (шар 700-500 гПа) із вище - і нижчерозташованих шарів; максимальний відтік спостерігався в верхній тропосфері. Внесок цього фактору на порядок менше горизонтального переносу кінетичної енергії;

в усіх циклонах спостерігався перехід потенціальної енергії в кінетичну (К4>0) в нижній тропосфері; зворотній процес відбувався в шарі 700-300 гПа в циклонах I і II типів. В циклоні III типу генерація кінетичної енергії відмічалася в усій тропосфері з максимумом в шарі 500-300 гПа (33.9 Вт/м2). При цьому основні перетворення енергії в усіх циклонах відбувалися в їх тилових частинах;

основний внесок в формування пошарових змін К4 дає зміна вітру з висотою (δFсдв) з максимумом впливу в області верхньотропосферної струмінної течії (500-300 гПа). Термічний фактор (δFадв) переважатиме в верхніх шарах (300-100 гПа), однак інтегральне значення його в декілька разів менше, ніж зсувного;

знак генерації кінетичної енергії К4 добре узгоджується з еволюцією циклонічних вихорів. Так, приплив енергії в усій товщі тропосфери за рахунок цього фактору в циклоні III типу призводив до значного його розвитку з висотою (до рівня 200 гПа) в послідуючий після фази максимального розвитку період. І, навпаки, відтік кінетичної енергії за рахунок її перетворення в потенціальну в середній і верхній тропосфері передував заповненню циклонів I і II типів в цьому шарі атмосфери;

основні запаси водяної пари q були зосереджені в передніх частинах циклонів в нижньому 3-ох кілометровому шарі (біля 75% інтегрального вологовмісту). Найбільше значення q відмічалося в циклоні II типу - 11.14 кг/м2, найменше - в циклоні III типу - 6.94 кг/м2;

надходження вологи в циклонах відбувалося в основному за рахунок горизонтального переносу (q2), який призводив до збільшення вологовмісту в центральних частинах циклонів I і III типів, і зменшення - в циклоні II типу. При цьому приплив вологи в циклоні I типу відбувався переважно крізь західну межу, в циклоні II типу - крізь південну, і в циклоні III типу - крізь північну;