География и геология/

2. Наблюдение, анализ и прогнозирование метеорологических условий

 

Недострелова Л.В., д.геогр.н. Хохлов В.М.

Одеський державний екологічний університет, Україна

 

ЕНЕРГЕТИКА АНТИЦИКЛОНІВ

 

Є загальноприйнятим, що першоджерелом атмосферної енергії є приплив тепла за рахунок сонячної радіації. Прямим результатом цього є нагрівання атмосфери і підстильної поверхні океану та суші, тобто генерування внутрішньої енергії. При цьому головна частина потоку тепла від Сонця нагріває не атмосферу, а поверхні океанів та материків, які, у свою чергу, й віддають тепло до атмосфери. За рахунок того, що зазначений приплив тепла від Сонця надходить на поверхню Землі нерівномірно, в атмосфері спостерігаються великі меридіональні температурні контрасти, які й обумовлюють пере­важно зональну циркуляцію, що має великі запаси кінетичної енергії, частина якої постійно дисипує за рахунок процесів тертя. Одна з голов­них проблем теорії загально циркуляції – відповісти на запитання, яким чином деяка частина внутрішньої енергії, що створюється за рахунок припливу тепла від Сонця, у підсумку перетворюється у кінетичну енергію [1,2]. Енергетика глобальної атмосфери досліджується вже протягом 50 років. Взявши за основу зонально симетричну структуру глобальної атмосфери, Лоренц у 1955 р. [3] розділив кінетичну (К) та доступну потенціальну (Р) енергії на середньозональні (підрядковий індекс Z) та вихрові (підрядковий індекс Е) компоненти, а також сформулював перетворення одного виду енергії в іншій, ґрунтуючись на ейлеровій середній меридіональній циркуляції. Поняття ейлерової середньої (ЕС) припускає визначення середньозональних величин на ізобаричних поверхнях та відхилень від них, що мають назву "вихрових". Як випливає з назв, запаси одних видів енергії в атмосфері визначаються зональними (середніми по широтному колу) величинами, а інші – відхиленнями від них. Надалі було визнано, що використання ЕС призводить до певних труднощів. Одна з них полягає у тому, що за допомогою ейлерової серед­ньої меридіональної циркуляції важко однозначно описати меридіональ­ні переноси тепла, вологи та кутового моменту. Щоб справитися з цими труднощами, було запропоновано метод трансформованої ейлерової середньої (ТЕС), в якому до традиційної середньої циркуляції додається корекція Стокса.

 У наукових працях, присвячених енергетиці атмосфери, повна потенціальна енергія розділяється на доступну та недоступну частини [1,2,3]. В оборотних адіабатичних процесах, що спричиняють перетворення пов­ної потенціальної енергії (ППЕ) у кінетичну (КЕ), потенціальна температура (q) кожної частки повітря зберігається і, відповідно, зберігається статистичний розподіл потенціальної температури. Серед гіпотетичних станів атмосфери, що мають такий же статистичний розподіл q, як й реальний стан, є один, який має найменшу ППЕ і береться як еталонний. У цьому стані ізобаричні та ізентропічні поверхні є горизонтальними і q ніде не зменшується з висотою. Згідно з Лоренцем [3], недоступною енергією (НПЕ) вважається ППЕ відповідного еталонного стану, а доступна енергія (ДПЕ) визначається як перевищення повної потенціальної енергії над недоступною. Оскільки оборотні адіабатичні процеси не змінюють еталонного стану, то вони, відповідно, не впливають на величину НПЕ. Тому перетворення повної потенціальної енергії у КЕ є еквівалентом перетворення доступної потенціальної енергії у КЕ. По суті, доступна потенціальна енергія є мірою частини повної потенціальної енергії, здатної перетворитися у кінетичну енергію. Звідси й виник термін "доступна потенціальна енергія". Точно кажучи, атмосфера не може набути еталонного стану і ДПЕ є вірніше верхньою межею кількості енергії, що є доступною для перетворення у КЕ. Генерація ДПЕ за рахунок припливу тепла, перетворення ДПЕ у КЕ у випадку оборотних адіабатичних процесів і дисипація КЕ за рахунок тертя можуть розглядатися як три складові основного енергетичного циклу загальної циркуляції атмосфери.

 Використовуючи енергетичні характеристики для аналізу еволюції вихорів синоптичного масштабу, можна отримати результати, які дозволять суттєво розширити уявлення про динаміку вихорів. Розрахунок та аналіз характеристик енергетики окремих синоптичних утворень є показовим засобом комплексного дослідження їх еволюції. В даній статті енергетичний підхід використовується для дослідження еволюції антициклону. Треба зауважити, що енергетика антициклонів, на відміну від циклонів, раніше практично не досліджувалася [4].

Метою даної наукової роботи є дослідження енергетичних характеристик атмосфери у випадку такого синоптичного утворення як антициклон, проведення аналізу еволюції антициклону в рамках енергетичного підходу. 

В якості вихідних даних у даному дослідженні використовувалися дані в вузлах регулярної широтно-довготної сітки про метеорологічні величини на ізобаричних поверхнях від АТ1000 до АТ100 для області, яка в горизонтальній площині обмежена координатами l1 і l2 та j1 і j2. Метеорологічні величини, які використовуються у дослідженнях: горизонтальні складові зональної та меридіональної складових вектора швидкості вітру u і v, аналога вертикальної швидкості в ізобаричній системі координат t та температури повітря T. Область дослідження обмежується 50-800 пн.ш. і 20-650 с.д., період дослідження 20-24 липня 2003 року. Для опису синоптичного процесу використовувалися карти абсолютної і відносної топографії Російського Гідрометцентру за вказаний період. Розглянемо стисло синоптичну ситуацію. На приземній карті за 00 СГЧ 20 липня 2003 р. спостерігається антициклон із центром над Архангельськом. Це баричне утворення має дві замкнуті ізобари 1020 і 1025 гПа, максимальний тиск у його центрі становить 1025,2 гПа. По південній, західній і північно-західній периферії антициклону проходить атмосферний фронт. На висотних картах абсолютної топографії антициклону відповідає гребінь, який розповсюджується з Атлантики. 21 та 22 липня 2003 р. антициклон змістився на південь і його центр розташовувався поблизу Москви. Антициклон має одну замкнуту ізобару 1020 гПа і максимальний тиск у центрі 1023,0 гПа. Південно-західна периферія антициклону знаходиться над територією північної та північно-східної України. На сході України в Донецькій області на ст. Дебальцеве 22 липня зафіксовано СГЯ – сильний дощ. 23 та 24 липня 2003 р. синоптична ситуація майже не змінювалася, а антициклон поступово руйнувався, внаслідок чого на кінець розглянутого періоду над Україною спостерігалося малоградієнтне баричне поле.

 В результаті досліджень можна зробити наступні висновки. Запаси зональної ДПЕ (РZ) і КЕ (КZ) збільшуються з початку виникнення синоптичного утворення і досягають максимальних значень в період максимального розвитку антициклону. По мірі руйнування баричного утворення запаси зональної ДПЕ (РZ) і КЕ (КZ) зменшуються. Запаси вихрової ДПЕ (РЕ) і КЕ (КЕ) максимальні значення мають в період стадії максимального розвитку баричного утворення. Збільшення вихрової енергії РЕ і КЕ свідчить про перебудову термічного поля над районом дослідження. Зональна орієнтація поля температури змінюється на меридіональну, що збільшує меридіональний контраст температури. А це, в свою чергу, приводить до посилення атмосферного фронту, який є причиною стихійного гідрометеорологічного явища – сильний дощ, яке спостерігалося 22 липня 2003 року на сході України, який знаходився під впливом південної периферії антициклону. Максимальні перетворення зональних потоків у вихрові відбувається на стадії максимального розвитку антициклону. Виявлено збільшення інтегральних переносів енергії BPZ, BPE, BKZ, BKE в період максимального розвитку синоптичного утворення.

Література

1. Хохлов В.М. Енергетика атмосфери. Конспект лекцій. – О.: Екологія, 2008.– 62 с.

2. Лоренц Э.Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы: Пер. с англ. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 259 с.

3. Lorenz E.N. Available potential energy and the maintenance of the general circulation // Tellus. – 1955. – Vol. 7. – P. 157-167.

4. Хохлов В.Н. Энергетический бюджет антициклонов в процессе их эволюции // Метеорология, климатология и гидрология. 1999. – №38. – С.47-54.