УДК 551.515.9

 

Ивус Г.П., к.геогр.н., Зубкович* С.А., ст.преп., Хоменко Г.В., к.геогр.н., Ковальков И.А., асп.

Одесский государственный  екологический университет

*Харьковский гидрометеорологический техникум ОГЕУ

 

 

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН ОПАСНОГО ВЕТРА НА ТЕРРИТОРИИ УКРАИНЫ

     На основе общего анализа полей фронтального параметра, относительного вихря и опасного приземного ветра

 ( ≥ 10 м∙с 1) определенно, что между указанными полями существует качественная связь, которая позволяет рассматривать

 фронтальный параметр и относительный вихрь как дополнительные предикторы при прогнозе сильного ветра и шквалов.

Ключевые слова: фронтальный параметр, относительный вихрь, бароклинность, опасный ветер

 

Вступление.  С девяностых годов прошлого века значительно увеличились количество опасных явлений погоды во многих регионах земного шара, в том числе и в Украине. Эти явления, такие как смерчи, шквалы, сильные ливни, как правило, связанные с мезомасштабними процессами, для изучения которых нужна более детальная информация  чем та,  которая включает в себя данные метеорологических и аэрологических наблюдений. Однако известно, что локальные атмосферные процессы развиваются на крупномасштабном фоне, поэтому для выявления условий развития опасных явлений погоды целесообразно использовать количественные характеристики процессов синоптического масштаба, в частности, относительный вихрь скорости ветра, потенциальный вихрь, разные виды фронтального параметра, некоторые критерии гидродинамической неустойчивости

Цель  и методика исследования .

В данной работе сделана попытка оценить влияние бароклинности  атмосферы, то есть   горизонтальной неоднородности поля температуры на   формирование зон опасного ветра ( ≥ 10 м∙с- 1) на территории Украины впериод 11 - 16 октября 2009 года.

В качестве характеристики бароклинности нижней  половины тропосферы выбрано фронтальный параметр ψ. Во многих  исследованиях  рассматривается, что  этот   параметр достаточно  хорошо  описывает  активность атмосферных процессов в зоне фронтов [2,3]. Это связано з тем, что параметр ψ описывает не только температурные контрасты, а и пространственную  неоднородность поля влажности, которая  учитывается  путем  использования  сведений  о масовой части  водяного пара.

Тем не менее  по  результатам роботы [4] пределенно, что  более информативной характеристикой атмосферных процессов есть фронтальный параметр F, который является суммой   ψ+Р, де Р учитывает  циклоничность барического поля в нижней тропосфере. Так как  алгоритм определения  параметра Р достаточно  сложный, в данной работе для учета  циклоничности использованы поля геострофического  относительногого вихря Ωр.

        Расчеты фронтального параметра выполнены  по  результатам объективного анализа полей геопотенциала,  температуры и  влажности  в узлах географической  сетки с шагом 2,5° по широте и долготе на изобарических поверхностях 850 і 500 гПа за 00h  каждого дня указанного периода.

        Для расчета относительного вихря использованы поля геопотенциала Н500, который  характеризует  циклоничность барического  поля в средней тропосфере.  Область расчетов ограничена  меридианами 10 і 50°в.д. и  параллелями 30 і 65°с.ш. Для совместного  анализа полученных  и фактических   полей привлекались  также карты приземной , карты барической топографи,  карты штормовых оповищений за эти дни и  сроки. Для ориентированной оценки влияния  конвекции на формирование  поля приземного ветра сделаны расчеты некоторых параметров конвекции по данным радиозондирования отдельных пунктов Украины.

       Таким образом, об  эффективности параметра ψ свидетельствует его  хорошая  связь  с зонами осадков на атмосферных  фронтах.  Например,  с  участками  фронтов,  где  ψ ≥ 5 ед.   (единица ψ это 10-10 м-1), и в  60% связаны с зонами осадков [2,3]. Отметим также, что в соответствии  с  результатами работы [5] благоприятные условия  для шквалов на фронтах образуются уже  при ψ ≥ 2,5 ед.

Выражение для этого  параметра имеет  вид

 

 

                                                         ,                                                        (1)

    где      – единичный вектор, направленный  в область

 

минимальных значений температуры и  влажности;

                         – двухмерный векторный дифференциальный оператор;

 

ZTE – еквивалентная толщина слоя между  изобарическими поверхностями Рu і Рl.

 

                                                    .                                               (2)

 

В (2) Р – тиск, – функція від еквівалентної температури

                                                         .                                                     (3)

 

 

 

 

В формулах (2), (3) індексы и та l означают верхнюю и нижнюю изобарические поверхности, которые ограничивают слой атмосферы, (в нашому случае  изобарические поверхности  500 і 850 гПа).

В соответствии с формулой  (1) параметр ψ описывает изменение плотности изолиний  в бароклинной зоне в направлении   уменьшения  температуры воздуха[2]. Относительный  вихрь в  геострофическом  приближении расчитывался по данным объективного аналиа поля геопотенциала

                                                                           ,

где g – ускорение силы тяжести, l – параметр Кориолиса, Н – висота изобарической поверхни500 гПа;               

          – двухмерный оператор Лапласа.

Результаты исследования и их анализ. В период с 11 по 16 октября 2009 года территория Украины находилась под влиянием двух систем атмосферных фронтов: арктического и полярного. На  начало периода (11.10.09 р.) полярная система фронтов проходила в широтному направлении почти вдоль 40°север.ш. и  только  над Адриатическим морем приобретала  меридиональную направленность  благодаря  фронту оклюзии. Арктическая система фронтов проходила над центральными районами Западной Европы, северным побережьем  Черного моря и дальше  над Северным Кавказом (рис. 1а). Погодные условия над западными и центральными районами Украины формировались под действием  теплого  участка арктического фронта,  а  на  южные   районы  влиял  холодный   участок.  Поле фронтального параметра за 11.10.09 г., которое здесь не демонстрируется, показывает, что  больше активной есть полярная система фронтов, где значения ψ достигают 20 ед. Теплому участку арктического фронта над западными районами Украины, где везде наблюдаются грозы с осадками и усилением  ветра в отдельных  пунктах до 10-14 м∙с-1 (рис. 1б), соответствуют положительные значения ψ до 6 ед., то есть этот участок  фронта является  достаточно  активным и благоприятным  для образования грозовых очагов с осадками и усилением скорости ветра.

       Через сутки на волне  холодного участка  арктического  фронта сформировался циклон с минимальным давлением (1000,4 гПа) недалеко от Варшавы (рис. 1в) 45 м∙с-1.     Циклон в виде  замкнутого центра    прослеживается к изобарической поверхности  700 гПа. Он находится под дельтой динамически значимой высотной фронтальной зоны (ВФЗ), с которой в верхней и средней тропосфере связаны струйные течения со скоростью до 45 м∙с-1. С Системы фронтов занимают более северное положение и потому над Черноморским бассейном расположены теперь ветви полярного фронта, а не арктического, как в предыдущие сутки. Наиболее активным участкам арктического фронта (в центральной части циклона) и участкам полярного фронта над Украиной отвечает область, где фронтальный параметр ψ  приобретает положительные значения до 10 ед.. На рис. 1г видно, что эта область расположена в широтной полосе 47-55° сев.ш. между 15 и 30° в.д., то есть охватывает западную и центральную части Украины. Но, как показывает карта штормовых оповещений за 12.10.09 г., над большей частью Украины наблюдались лишь туманы и низкая облачность. Усиление ветра до 18 м∙с-1   отмечалось вблизи Говерлы, а  до 12-13 м∙с-1  - в отдельных пунктах западного побережья Крыма. Это свидетельствует о том, что между зонами с повышенными значениями ψ и опасным ветром связи в данной ситуации нет.

 

     В течении суток (с 12 на 13.10.09 г.) над Балканским полуостровом образовался южный циклон с давлением в центре около 996 гПа и объединился с западным циклоном над Прибалтикой. Таким образом, 13 октября центральные районы Европы находились под воздействием двоцентрового циклона, с которым связанны системы арктического и полярного фронтов (рис. 2а). Именно эти фронты предопределяли погодные условия и способствовали формированию зон опасного ветра в разных частях Украины с 13 по 16 октября усиление ветра до 12-15 м∙с-1   над западными и

 

(а)

 

(б)

(в)

 

(г)

 

Рис. 1 - Приземный анализ – (а), штормовые оповещення – (б) за 11.10.09 г.;

             приземный анализ – (в), фронтальний параметр – (г) за 12.10.09 г.

 

центральными районами Украины и до 15-20 м∙с-1 . Над северо-западным побережьем Черного моря отмечалось в наибольшем числе пунктов 13.10.2014, потому для этой даты приведенные поля фронтального параметра, относительного вихря, и карта штормовых оповещений (рис. 2б, в, г). Как видно из рис. 2б, область, где ψ  изменяется от 5 до 20 ед., расположенна вблизи центра циклона и связана с ветвями полярного и арктического фронтов, которые здесь наиболее сближены. Часть этой области находится над западными и центральными районами Украины, где в большом количестве пунктов наблюдался опасный ветер, а в некоторых пунктах – грозы (рис. 2г). Все эти явления связаны с активным участком теплого фронта, на котором параметр ψ   превышал пороговое значение для шквалов (ψ  = 2,5 ед.).

      Раньше отмечалось, что для идентификации атмосферных фронтов удобнее использовать параметр F, который описывает не только бароклиннисть, но и циклоничнисть барического поля нижней тропосферы. В качестве характеристики циклоничности в данной работе использованные поля относительного вихря на изобарической поверхности 500 гПа, то есть учитывается влияние циклоничности барического поля в средней тропосфере на активность фронтов. На рис. 2в для примера представлено поле Ωр  за 13.10.09 г. Видно, что южному циклону отвечает замкнутая область, где относительный вихрь достигает 6∙10-5 с-1, то есть в пять раз превышает порядок этой величины. При этом над Западной Украиной вихрь приобретает значение от 3 до, 6∙10-5 с-1,  а над центральной ее частью он резко изменяется от положительных значений к отрицательным. Как показывает рис. 2г, именно в этих районах Украины  сформировались зоны опасного ветра. Это значит, что  в данной ситуации значительную  роль может играть  циклоничность барического поля, которая не учитывается  параметром ψ.

       В следующие сутки (в 14.10.09 г.) южная часть циклона с двумя меридионально ориентированными участками холодных фронтов находилась на территории Украины (рис. 3а). Ветви теплых фронтов проходили севернее 50° сев. ш., поэтому погодные условия определялись, в основном  влиянием холодных фронтов не только 14 октября, но и 15, когда скорости ветра от 10 до 16 м∙с-1   были зафиксированы во многих пунктах Западной и Центральной Украины и в Крыму (рис. 3б). Как видно из рис. 3в, участкам холодных фронтов над Украиной, с которыми связанны скорости ветра от 10 до 17 м∙с-1  , отвечает распространенная зона положительных значений ψ (до 30 ед.), то есть опасный ветер над западными и центральными районами Украины и Крымом связан с интенсивной бароклинностью в нижней и средней тропосфере. Относительно влияния циклоничности, то из анализа поля относительного вихря Ωр  выплывает, что усилению  ветра на  больших территориях в  данном случае может способствовать также циклоническая  кривизна  поля давления, которая характеризуется большими значениями Ωр (> 8·10-5с-1) и ее резкие изменения (рис. 3г). Сравнение рисунков 3б и 3г показывает, что областям, где скорость  ветра ≥ 10 м∙с-1 , отвечает центральная часть замкнутой области с Ωр=8·10-5с-1 (Западная Украина) и полоса их максимального уплотнения  (центральные и южные районы Украины и Крым).

 

       Аналогичная ситуация происходила  15 и 16 октября, то есть поле ветра формируется также в бароклинной зоне, интенсивность которой большая (значение  достигают Аналогичная ситуация происходила и 15 и 16 октября, то есть полет ветру формируется также в бароклинной зоне, интенсивность которой большая (значение достигают ψ= 45 ед.), а опасный ветер наблюдается лишь над центральной и южной частями Украины и в большинстве пунктов его скорость не превышает 12 м∙с-1. Отметим, что над этими районами происходят разные изменения циклоничного вихря, который достигает значений 7·10-5с-1  ед.), а опасный ветер наблюдается лишь над центральной и южной частями Украины и в большинстве пунктов его скорость не превышает 12. м с-1 .Отметим, что над этими районами происходят  разные изменения циклонического  вихря, который  достигает  значений  7·10-5с-1.

 

 

 

 

(а)

 

(б)

 

(в)

 

(г)

 

 

             Рис. 2 - Приземный анализ – (а), фронтальный параметр – (б);

              относительный вихрь – (в), штормовые оповещения – (г) за 13.10.09 г.

Поскольку все опасные явления погоды активизируются при конвективной неустойчивости нижней тропосферы, сделанная также попытка хотя бы приблизительно оценить роль конвекции в формировании зон опасного ветра. Для оценки влияния конвекции на локальные усиления ветра для некоторых пунктов радиозондирования рассчитан параметр САРЕ, который описывает доступную потенциальную энергию конвективной неустойчивости и индекс неустойчивости ТТ [1, 5].

Конвективная деятельность и изменчивость ее интенсивности на территории Украины достаточно детально исследована в работе [1], где, в частности, отмечается, что в теплый период (май-сентябрь) наибольшую повторяемость имеет слабая конвекция, для которой параметр САРЕ имеет значение в интервале 0-500 Дж·кг-1  

 

 

(а)

 

(б)

 

(в)

 

(г)

Рис. 3 - Приземний анализ – (а), штормовые оповещения – ( б), фронтальный параметр – (в), относительный вихрь – (г) за 14.10.09 г.

 

    Анализ данных радиозондирования для ст. Киев, Одесса, Харьков, Львов за отдельные сроки рассмотренного периода показал, что параметр САРЕ равняется нулю во всех случаях. Это не противоречит результатам указанной работы, согласно которой уже в начале осени (в сентябре) конвекция значительно ослаблюеться: повторяемость слабой конвекции (0-500 Дж•кг-1) составляет всего 11%, а более интенсивная конвекция образуется менше, чем в одном случаев. Можно ожидать, что в октябре конвекция может быть еще менее интенсивной.          

 В работе [1], где рассматривается проблема прогноза шквалов, для учета влияния конвекции на усиление приземного ветра используется индекс неустойчивости ТТ. Ниже представлены ТТ для Киева за ночные и дневные сроки с 11 по 15.10.09.

 

Дата

11

12

13

14

15

Строк

00

12

00

12

00

12

00

12

00

12

ТТ°,С

38

50

45

38

47

52

47

22

44

40

 

Как показывают результаты расчетов, значение ТТ не намного більше  порогового значения, которое составляет  44°С, т.е. можно считать, что вклад конвекции в формировании опасного ветра незначительный. Про это  свидетельствуют результаты ТТ за отдельные  сроки для Львова, Одессы и Харькова (максимальное значение не превышает  51°С).

Выводы.  За рассмотренный период, главную роль в формировании зон опасного ветра на территории Украины играют  атмосферные фронты, в зоне которых параметр ψ превышал  пороговое значение 2,5 ед. и  в отдельные сроки достигал  50 ед.  но  количественной святи  между  скоростью  ветра и  параметром ψ не обнаружено.

Обнаруженная связь  между  полями относительного вихря в средней тропосфери и зонами опасного ветра указывает на  значительное  большое влияние  циклоничности поля дав нления на скорость приземного ветра.

Індекс конвективной неустойчивости приобретал, в основному, значения, меншие или несколько большие за пороговое значение, поэтому  в рассмотренных ситуациях вклад енергии конвективной неустойчивости  в формировании зон опасного ветра незначительный..

 

Список литературы

1.                 Балабух В.А. Межгодовая изменчивость интенсивности конвекции в Украине / Глобальные и региональные изменения климата [Шестопалов В.М., Логинов В.Ф., Осадчий В.И. и др.]. – К.: Ника-Центр, 2011 – С. 150-159.

2.                 Шакина Н.П., Скриптунова Е.Н., Иванова А.Р., Калугина Г.Ю. Субъективный и объективный анализы атмосферних фронтов. ІІ Обїективное віделение зон фронтов // Метеорология и гідрологія. – 1998. - № 8. – С. 5-15.

3.                 Шакина Н.П., Скриптунова Е.Н., Иванова А.Р. Объективный аналіз атмосферних фронтов и оценка его эффективности // Метеорология и гідрологія. – 2000. - № 7. – С. 5-16.

4.                 Шакина Н.П., Скриптунова Е.Н. Спектр повторяемости осадков на территории Европейской части бывшего СССР в зависимости от интенсивности фронтальних зон и конвективной неустойчивости сеточного масштаба // Метеорология и гідрологія. – 2006. - № 4. – С. 5-18.

5.                 Юсупов Ю.И. К вопросу об оперативном прогнозе шквалов // Тр. ГМЦ РФ. – 2008. – Вып. 342. – С. 55-78.