научная статья по теме АНОМАЛЬНО СИЛЬНАЯ БОРА НА ЧЕРНОМ МОРЕ: НАБЛЮДЕНИЕ ИЗ КОСМОСА И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Геофизика

Текст научной статьи на тему «АНОМАЛЬНО СИЛЬНАЯ БОРА НА ЧЕРНОМ МОРЕ: НАБЛЮДЕНИЕ ИЗ КОСМОСА И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ»

УДК 551.55

АНОМАЛЬНО СИЛЬНАЯ БОРА НА ЧЕРНОМ МОРЕ: НАБЛЮДЕНИЕ ИЗ КОСМОСА И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

© 2015 г. А. В. Гавриков, А. Ю. Иванов

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117997Москва, Нахимовский просп., 36 E-mail: gavr@sail.msk.ru Поступила в редакцию 20.02.2014 г., после доработки 10.02.1015 г.

При помощи мезомасштабной модели высокого разрешения WRF-ARW и анализа радиолокационных изображений (РЛИ) спутников Radarsat-1 и Radarsat-2, исследуется аномально сильная новороссийская бора, наблюдавшаяся в январе—феврале 2012 г. Бора уверенно воспроизвелась не только в узкой прибрежной зоне, но и далеко в открытой части Черного моря. В результате исследования показано, что оптимально сконфигурированная модель WRF-ARW, используя вложенные сетки с горизонтальным разрешением 9/3/1 км, хорошо воспроизводит бору на качественном и количественном уровне. Детали и структура боры (например, полосы-струи и др. особенности), видимые на РЛИ, отчетливо воспроизвелись в результате численного моделирования. Совместный анализ позволил сделать заключение о высокой эффективности двух альтернативных методов исследования динамики этого опасного метеорологического явления.

Ключевые слова: Черное море, новороссийская бора, модель WRF-ARW, численное моделирование, радиолокационные изображения, совместный анализ.

Б01: 10.7868/80002351515050053

ВВЕДЕНИЕ

Новороссийская бора — черноморское название сильного холодного катабатического ветра. Возникает в местностях, где невысокий горный хребет отделяет континент от относительно теплого моря. В холодное время года над холодным континентом формируется область повышенного давления, которая начинает движение в сторону теплого моря — области пониженного давления. В случае, когда поток обладает достаточной энергией, холодный воздух преодолевает препятствие, испытывая при этом сжатие в вертикальной плоскости. Перетекание воздуха происходит через перевалы, где он, будучи окруженным с боков более высокими горами, испытывает дополнительное сжатие в горизонтальной плоскости. Естественно, что такое сужение потока сопровождается увеличением скорости. Далее холодный воздух устремляется по долинам вниз, увеличивая скорость под влиянием силы тяжести и барического градиента [1]. Ввиду особенности своего происхождения бора имеет небольшой вертикальный масштаб — обычно не более 2 км. В целом, бору относят к мезомасштабным процессам [2].

Подобного рода явления наблюдаются в разных регионах планеты. Широко известна адриатическая и новоземельская бора, мистраль, сарма и другие. Наиболее изученной является бора на Адриатическом море, однако благодаря климатическим и топографическим особенностям она часто не сопровождается аномально сильным падением температуры и скоростью ветра, как новороссийская бора. В среднем в Новороссийске бора задувает 45 дней в году, причем максимум приходится на ноябрь. Из этих дней в половине случаев скорость ветра превышает штормовые значения (20 м/с) и примерно 5 дней — ураганные (более 33 м/с) значения. Продолжительность отдельной боры, как правило, составляет 1—3 суток и редко превышает 7 дней [3]. Примерно раз в 5— 10 лет в Новороссийске и окрестностях случается аномально сильная бора с ветром силой 35—45 м/с, что приводит к стихийным бедствиям.

В настоящей работе исследуется бора, произошедшая в конце января—начале февраля 2012 г. Скорость ветра в г. Новороссийске и окрестностях достигла значений 30—40 м/с с порывами до 40—50 м/с; температура воздуха упала с +10° до —19°С. На море наблюдались волны высотой 2—4 м, в прибрежной зоне холодный штормовой

ветер срывал брызги с гребней волн, что привело к массовому обледенению судов, портовых сооружений и набережных. Судя по этим характеристикам, эта бора отличалась своей аномальной силой и привела к катастрофическим последствиям [4].

Несмотря на многочисленные попытки изучить бору, существующие методы исследования и прогноза не всегда оказываются эффективными. Так, использование синоптического метода позволяет прогнозировать крупномасштабные метеорологические явления, при этом прогноз на местном уровне осуществим только на качественном уровне. Более успешными могут оказаться эмпирические методы, основанные на статистическом анализе данных наблюдений. Однако подобный подход требует большого количества станций и длинных рядов измерений. К сожалению, исследуемый регион не отвечает этим требованиям. Таким образом, наиболее эффективным методом представляется численное моделирование состояния атмосферы в момент действия боры.

В настоящей работе используется хорошо зарекомендовавшая себя модель WRF (Weather Research and Forecasting Model) с исследовательским ядром Advanced WRF (ARW). Это негидростатическая региональная высокоразрешающая модель, обладающая мощным динамическим ядром и учитывающая неоднородность подстилающей поверхности. Она продолжает постоянно совершенствоваться и широко применяется для моделирования погоды как в прикладных, так и в научно-исследовательских задачах. Выходная продукция содержит всю информацию, необходимую для решения поставленной задачи. Основное преимущество WRF-ARW — это широкий набор схем параметризаций физических процессов, позволяющий подобрать конфигурацию модели, исходя из характера решаемой задачи. Подробное описание модели дается в работе [5], а также в руководствах пользователя [6] и на сайте: http://www.wrf-model.org.

Первыми работами, в которых проведено численное моделирование новороссийской боры с помощью WRF, стали работы [7] и [8], в которых получены обнадеживающие результаты.

Наконец, следует отметить, что в последнее время большое внимание уделяется мониторингу мезометеорологических процессов, в том числе и боры из космоса, с помощью радиолокационной съемки; в этом направлении получены определенные результаты [9—13]. Методологические основы анализа и интерпретации РЛИ и снимков из космоса, отображающих проявления местных ветров, в частности боры и фёна, изложены в [9, 11, 13, 14]. В 2012 г. оперативный космический мониторинг, ор-

ганизованный ИТЦ "СКАНЭКС", позволил увидеть развитие ситуации в северо-восточной части Черного моря из космоса. Подробный анализ серии снимков, полученных во время боры, проведен в [4, 15]. В общем случае анализ космических снимков дает качественную информацию, однако современные методы обработки калиброванных РЛИ позволяют восстанавливать поля ветра над морем с помощью моделей National Center for Atmospheric Research (NCEP) и скаттерометриче-ской C-band Model (CMOD) [11-14].

В настоящей статье представлены и обсуждаются результаты численного эксперимента, проведенного с помощью мезомасштабной модели WRF-ARW и подкрепленного совместным анализом серии снимков спутников Radarsat-1, Radar-sat-2, Terra, Aqua и др. (которые вполне обоснованно могут рассматриваться как данные для верификации модели), полученных во время аномально сильной январско-февральской боры 2012 г.; это в итоге позволило качественно и количественно охарактеризовать это опасное метеорологическое явление.

МОДЕЛЬ WRF-ARW

Для воспроизведения январско-февральской боры была выбрана WRF-ARW версии 3.5.0 и принято решение воспользоваться вложенными областями (доменами) без обратной связи. Конфигурация доменов представлена на рис. 1. Пространственное разрешение для доменов d01, d02 и d03 составило 9, 3 и 1 км соответственно. Разрешение по вертикали для всех сеток составляло 36 уровней (верхняя граница на уровне 50 гПа). Дискретизация по времени составила 1 час. По данным наблюдений в период с 24 января по 10 февраля 2012 г. произошло несколько случаев усиления ветра (фактически два повтора боры), поэтому для полного описания стадий развития боры было принято решение воспроизвести весь этот промежуток по времени.

Конфигурация модели определялась в основном набором используемых в ней параметризаций субмезомасштабных процессов. Исходя из рассматриваемой задачи ключевым моментом являлся выбор схем для микрофизических процессов, конвекции, приземного и пограничного слоя. В итоге для учета микрофизики была выбрана схема WSM6, в которой наиболее полно описывается смешанная фаза облаков и осадков [16]. Схема параметризации конвекции использовалась только в доменах с разрешением 9 и 3 км (d01 и d02), при этом применялась улучшенная схема Каина и Фритша [17, 18], так как она имеет хорошую обратную связь с мезомасштабной динамикой атмосферы. В домене d03 параметризация конвек-

Рис. 1. Размеры и расположение расчетных областей (доменов), используемых при моделировании.

ции не использовалась. В качестве модели приземного слоя, подстилающей поверхности и почвы использовались хорошо зарекомендовавшая себя схема параметризации ММ5, основанная на теории подобия Монина—Обухова [19]. Планетарный пограничный слой задавался схемой, созданной в южнокорейском Университете Ёнсей [20].

В качестве начальных условий использовались данные оперативного анализа NCEP FNL с пространственным разрешением 1° х 1°, 26 уровнями по вертикали и с шагом по времени 6 час. Эти данные хорошо усваиваются моделью WRF, имеют высокое разрешение и обладают необходимой информацией для моделирования.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Для валидации модели использовалась доступная метеорологическая и синоптическая информация (данные метеостанций в гг. Темрюк, Анапа, Новороссийск, Геленджик и Джубга). Эти метеоданные, а также карты приземного анализа Краснодарского ЦГМС, стали основным материалом,

позволяющим, провести анализ синоптической ситуации во время боры.

Наибольший интерес представляет сравнение значений скорости ветра на высоте 10 м между WRF и станционными данными, полученными стандартным методом. На рис. 2 срочные измерения (через 3 часа) представлены треугольниками, а результат счета модели — сплошной линией (через час) для ближайшего к станции узла вычислительной сетки. Известно, что данные метеостанций — это результат измерений в точке, а модельные — результат сбора и усвоения информации в квадрате сетки. Для того чтобы максимально повысить эффективность подобного сравнения, для количественного сравнения используются только

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»