ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 6, с. 688-698
УДК 551.555.4
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧЕРНОМОРСКОЙ БОРЫ © 2013 г. В. В. Ефимов, В. С. Барабанов
Морской гидрофизический институт НАНУкраины Украина, 99022 Севастополь, ул. Капитанская, 2 E-mail: efimov@alpha.mhi.iuf.net Поступила в редакцию 18.12.2012 г., после доработки 29.04.2013 г.
С использованием численной модели региональной атмосферной циркуляции воспроизведено развитие сильной боры в зимний период вблизи Южного берега Крыма. Рассмотрены характерные особенности полей скорости и температуры, определяющие формирование интенсивного приповерхностного течения над подветренным склоном горного хребта, такие как обрушение внутренних волн и блокирование воздушного потока. Рассмотрена эволюция термодинамических полей в процессе развития и затухания сильной боры, сопровождающаяся резким понижением температуры воздушного потока, формированием струйного приповерхностного течения и значительной пространственно-временной изменчивостью в широком диапазоне масштабов.
Ключевые слова: бора, численное моделирование, внутренние волны, воздушный поток, течение.
Б01: 10.7868/80002351513060060
1. ВВЕДЕНИЕ
Черноморская бора — сильный холодный и порывистый ветер, дующий в сторону моря на подветренных склонах Южного берега Крыма (ЮБК) и на участке побережья от Анапы до Туапсе со скоростями ветра 15—20 м/с, и иногда и до 40—50 м/с. Наиболее известна Новороссийская бора, которая отмечается в среднем 46 дней в году и Ялтинская бора, повторяющаяся 7—8 дней [1]. Как правило, она сопровождается понижением температуры на 10°—15°, что наряду с сильным ветром может вызывать обрывы линий электропередач, затопление судов и другие разрушения. Такого типа ветер наблюдается во многих районах земного шара. Так, в работе [2] указано, что в более чем 25 районах Земного шара наблюдаются ветры типа боры, носящие различное местное название.
Ранние аналитические модели боры относили ее к типу катабатических ветров, т.е. гравитационных течений холодного приповерхностного воздуха, стекающего с прибрежных гор в теплую атмосферу над морем. При этом условием появления больших скоростей ветра являются большие перепады температур воздуха в приземном пограничном слое между наветренным и подветренным склоном, которые не всегда наблюдаются для ветров, относящихся к боре. Поэтому в настоящее время в качестве главных рассматриваются два физических механизма формирования боры как одного из видов горного ветра, для кото-
рого характерно развитие максимальных скоростей ветра над подветренным склоном. Первый представляет резонансное возбуждение волн в устойчиво стратифицированной области, расположенной ниже зоны обрушения внутренних волн, формирующейся над подветренным склоном горы [3]. Второй механизм представлен нелинейной гидродинамической моделью, описывающей вторжение струи стратифицированного воздуха в пограничный слой над горой. Здесь возрастание скорости над подветренным склоном является следствием взаимодействия между слоем стратифицированного воздуха и хорошо перемешанной турбулентной областью, образующейся над ним вследствие обрушения гравитационных внутренних волн [4].
Таким образом, значительное усиление скорости ветра над подветренным склоном вызывается нелинейными эффектами, что значительно усложняет аналитическое описание развития боры. Поэтому основные достижения в изучении возмущений, вносимых орографией в термодинамические процессы в атмосфере связаны с применением численных моделей. Число работ, посвященных численному моделированию горных ветров достаточно велико, хотя статей, в которых рассматривается именно бора, т.е. ветер дующий с гор на море, значительно меньше. В числе одной из последних отметим обзор [2], в котором приводятся результаты исследований боры, развивающейся на северо-восточном берегу Адриатического моря. В частности, с использованием численной
модели атмосферной циркуляции с высоким пространственным разрешением (до 267 м) были воспроизведены характерные особенности боры, такие как появление струйных течений с максимальными скоростями на подветренном склоне гор, порывистость скорости ветра, ее изменчивость для разных термодинамических условий, пространственные неоднородности поля скорости, связанные с трехмерной орографией [2, 5]. Дано сравнение результатов моделирования с данными измерений, показавшее хорошее согласие между ними.
Необходимо отметить, однако, что приведенные численные эксперименты не относятся к зимнему периоду года (данные за ноябрь и апрель). Экстремальные случаи Черноморской боры, которые мы рассматриваем, относятся к зимнему периоду и сопровождаются значительным понижением температуры. Это обстоятельство является важной особенностью развития наиболее интенсивных случаев Черноморской боры в зимний период.
Новороссийской боре посвящена работа [1], остающаяся до настоящего времени наиболее полным обзором исследований боры в Черном море. Некоторые результаты численного моделирования Новороссийской боры даны в работе [6]. Современные численные модели региональной атмосферной циркуляции дают хорошую возможность воспроизведения развития боры непосредственно для конкретных синоптических условий и их интерпретации с учетом известных физических представлений.
Отметим, что прибрежный ветер, направленный с гор на море и определяемый как бора, развивается в самых разных синоптических условиях, в различные сезоны года и имеет различную интенсивность. В работе [1] предлагается классификация Новороссийской боры на четыре режима, в основу которой были положены гидродинамические условия общей циркуляции и аэрологическая структура тропосферы, на фоне которой развивается бора. В первую очередь, учитываются различия вертикальной структуры поля ветра и температуры: выделяются случаи сравнительно тонкого слоя холодного воздуха, переваливающегося через хребет, более толстого однослойного потока, двухслойного потока, состоящего из двух разнонаправленных слоев воздуха. Конечно, свойства боры для таких выделенных режимов могут различаться.
В статье будет рассматриваться наиболее распространенный и наглядный случай фронтальной боры, развивающейся в холодное время года, от момента ее зарождения до максимального развития с экстремальными скоростями ветра и последующего затухания, сопровождающейся значительным падением температуры. Как правило,
такое развитие боры продолжается в течение 1— 3 суток, что можно считать типичным для зимней Черноморской боры: согласно [1], средняя продолжительность Черноморской боры составляет 2, 4 суток, причем днем с борой считается день, в котором хотя бы в один из сроков наблюдения скорость ветра в прибрежной зоне была больше 15 м/с. Фактически это означает, что характерное время одного эпизода боры от ее зарождения до затухания относительно невелико — менее 2 суток.
Далее в разделе 2 будет дано краткое описание численной модели, использованной для моделирования выбранного случая развития боры. В разделе 3 описаны результаты моделирования и сравнение с измерениями на метеостанции. Далее рассмотрены характерные особенности полей скорости и температуры в процессе развития боры от ее начала до затухания и дана их оценка в сравнении с известными физическими моделями. В заключении кратко изложены основные результаты моделирования.
2. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ
Использовалась численная модель региональной атмосферной циркуляции ARW-WRF версии 3.4 на четырех вложенных расчетных сетках с горизонтальным разрешением во внутренней сетке 333 х 333 м [7]. Такое высокое пространственное разрешение требовалось для более детального учета сложного рельефа гор. В недавних работах [8, 9] приведены примеры успешных расчетов на основе ARW-WRF с минимальным шагом сетки 500 и 444 м соответственно.
Кратко перечислим основные настроечные параметры, выбранные нами для данного случая из большого набора вариантов параметризаций согласно обозначениям технического описания [7].
По вертикали были заданы 37 неравномерно расположенных по высоте ст-уровней с увеличенным разрешением в планетарном пограничном слое. Использовались схемы параметризации: RRTM (Rapid Radiative Transfer Model) и Dudhia для расчета радиационного баланса длинноволновой и коротковолновой радиации соответственно, Kain-Fritch — для расчета кучевой конвекции в расчетных областях с разрешением 9 и 3 км (в областях с разрешением 1 и 0.3 км кучевая конвекция рассчитывается явно и параметризация не применялась). Для описания фазовых переходов в атмосфере (микрофизических процессов) применялась схема Single-Moment 3-class.
Для параметризации приземного пограничного слоя трения, использовалась схема MM5 similarity. Планетарный пограничный слой параметризовался при помощи схемы Mellor-Y&mada-Janjic 1.5 уровня, в которой одной из прогностических переменных являлась кинетическая энергия турбу-
Рис. 1. Карта барической топографии за 00 ч 30 марта
2006 г. (по данным metofiice.gov.uk).
лентности [7]. Отметим, что для моделирования боры выбор схем параметризации пограничного слоя не являлся определяющим. Нами были опробованы и другие схемы для планетарного пограничного слоя, и результаты воспроизведения боры отличались незначительно.
Входными для внешней расчетной области являлись данные оперативного анализа FNL (Global Final Analyses) c разрешением 0.5° x 0.5°, которые обновлялись каждые 6 часов. После адаптации модели к заданным начальным условиям развитие атмосферных процессов во всех четырех расчетных областях определялось лишь периодически обновляющимися граничными условиями на внешней области.
Дискретность модельных расчетов составляла ~60 с, выходные данные сохранялись с дискретностью 1 ч (для некоторых расчетов — 10 мин). Шаг сетки по горизонтали Ах = 0.3 км позволял эффективно разрешать пространственные неоднородности 7Ах ~ 2 км [7]. Использовалась база данных рельефа SRTM [10] с дискретностью 3'' (около 90 м), в которой для некоторых точек на крутых склонах Крымских гор возникали значительные перепады высот. Поэтому для устойчивости численной схемы WRF в ст-координатах применялась процедура с
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.