УДК 551.555.4(470.62)
Моделирование новороссийской боры
В. В. Ефимов*, В. С. Барабанов*
Выполнены численные расчеты новороссийской боры, развившейся 6— 8 февраля 2012 г., с использованием модели региональной атмосферной циркуляции ШЕР. Воспроизведены основные характеристики метеорологических полей. Показано, что максимальная скорость ветра достигается в области подветренного склона непосредственно над бухтой. Развитие боры сопровождается интенсивными волновыми колебаниями, связанными с обтеканием прибрежных гор, режим которого меняется во времени. Изменения рассчитанной и измеренной скоростей приземного ветра хорошо согласуются между собой.
Новороссийская бора — сильный холодный и порывистый ветер, дующий с прибрежных горных хребтов на море в районе Новороссийска, — относится к достаточно распространенным явлениям погоды. За год она наблюдается в среднем 46 дней, чаще всего с ноября по март, обычно сопровождается понижением температуры (иногда до -25°С и ниже) и во многих случаях вызывает значительные, вплоть до катастрофических, разрушения [1]. Несмотря на продолжительную историю наблюдений боры и попыток ее моделирования с использованием упрощенных физических представлений, детальное описание пространственно-временной структуры термодинамических полей и особенностей формирования новороссийской боры не было получено, хотя основные процессы, формирующие горные ветры, к которым относится и новороссийская бора, достаточно хорошо известны. Рассматриваются два физических механизма, формирующих бору. Первый представляет собой резонансное возбуждение подветренных волн в устойчиво стратифицированном пограничном слое, приводящее из-за нелинейных эффектов к обрушению волн и значительному усилению ветра на подветренной стороне гор [4]. Второй механизм представ ляет со бой гид равли чес кую модель втор же ния струи страти фи ци ро-ванного воздуха в пограничный слой атмосферы над горой [2, 9]. В любом случае значительное усиление ветра на подветренном склоне связано с сугубо нелинейными эффектами, что значительно усложняет аналитическое описание развития боры. Поэтому большое значение в изучении возмущений, вносимых орографией в термодинамические процессы в атмосфере, имеют численные модели [5—7].
Недавний случай сильной новороссийской боры наблюдался 7 и 8 февраля 2012 г. Согласно информации meteoinfo.ru, до "конца суток 7 февра-
* Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины; e-mail: efimov@alpha. mhi. iuf.net.
Рис. 1. Изменения средней (1, 2) и максимальной (5) скорости ветра на высоте 10 м и температуры на высоте 2 м (4, 5) в районе Новороссийска 6— 8 февраля 2012 г. по данным моделирования (1,4) и измерений (2,5,5).
ля в Новороссийске ураганный ветер 35—40 м/с, ночью, утром и днем 8 февраля до 45 м/с, сопровождающийся быстрым обледенением судов и понижением температуры до -9...-150С". На рис. 1 показаны изменения средней и максимальной скорости порывов ветра, а также температуры воздуха в Новороссийске за 6—8 февраля 2012 г. (На рисунках и в тексте указано Всемирное скоординированное время.) Как видно, северо-западный ветер ночью 6 февраля усилился и достиг максимума утром 8 февраля, а затем между 7 и 13 ч его скорость резко уменьшилась с 38 до 12 м/с. Температура воздуха в течение 6—8 февраля почти монотонно понизилась от 5 до -130С.
С помощью численной модели региональной атмосферной циркуляции было выполнено динамическое моделирование этого эпизода развития боры. Рассмотрены структура метеорологических полей и особенности формирования экстремальной скорости ветра в Новороссийском регионе.
Использовалась численная модель региональной атмосферной циркуляции WRF-ARW версии 3.3 с горизонтальным разрешением во внутренних доменах 1 х 1 и 0,333 х 0,333 км [8]. Эта широко распространенная модель была многократно описана, поэтому кратко перечислим выбранные схемы параметризаций подсеточных процессов и некоторые другие параметры, заданные в описываемых расчетах.
По вертикали были заданы 37 неравномерно расположенных по высоте ^-уровней с большим разрешением в планетарном пограничном слое. Использовались схемы параметризаций RRTM (Rapid Radiative Transfer Model) и Дудья для расчета радиационного баланса длинноволновой и коротковолновой радиации соответственно, ^ина — Фриша — для расчета
кучевой конвекции в доменах с разрешением 9 и 3 км (в домене с разрешением 1 и 0,3 км кучевая облачность 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. Схема приземного слоя позволяет определить потоки импульса, тепла и влаги от поверхности и тем самым задать на нижнем модельном уровне граничные условия для расчета вертикального переноса в схеме пограничного слоя. Планетарный пограничный слой пара-метризировался при помощи схемы YSU (Университета Енсей, Южная Корея), а также в некоторых случаях c помощью схемы MYJ (Меллора — Ямады — Янича) уровня 2.5.
Входными для внешнего домена являлись данные оперативного анализа GDAS FNL, которые обновлялись каждые 6 ч. После адаптации модели к заданным начальным условиям развитие атмосферных процессов во всех четырех доменах определялось лишь периодически обновляющимися граничными условиями на внешнем домене.
Как видно на рис. 1, в рассматриваемом эпизоде бора имела явно выраженные стадии развития: бора начала развиваться от почти нулевой скорости ветра в 12 ч 6 февраля, достигла максимального развития около 18 ч 7 февраля, а затем к 5 ч 8 февраля скорость ветра резко уменьшилась и далее сохранялась на уровне ~15 м/с. Так же изменялась скорость и по наблюдениям в Геленджике (не показано), где сама скорость была в 1,2— 2 раза меньше.
Рассмотрим сначала пространственное распределение скорости ветра в регионе для стадии максимально развитой боры, а затем характерные особенности термогидродинамических полей в процессе их развития. На рис. 2 показаны рассчитанные поля скорости ветра на высоте 10 м для Новороссийского региона. Характерной особенностью являются локализация максимальной скорости ветра в прибрежной области и достаточно быстрое затухание по мере удаления от берега. При этом наибольшая скорость ветра наблюдается непосредственно в Цемесской бухте. Над морем воспроизводятся неоднородности поля скорости, возникающие при обтекании ветром особенностей прибрежной орографии [3]. Отметим, что распределение скорости ветра в регионе было рассчитано в модели с разрешением во внутреннем домене 333 x 333м ис использованием массива данных топографии SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission) с разрешением 90 м, что позволяет воспроизвести достаточно мелкомасштабные детали полей метеорологических величин.
Видно, что скорость ветра у поверхности достигает ~40 м/с, что хорошо согласуется с данными измерений, приведенными на рис. 1. На нем кроме измеренной показана также и рассчитанная по модели скорость ветра на высоте 10 м для точки, располагающейся в районе бухты (44,66° с. ш., 37,85° в. д.). Как видно, в ходе развития боры во времени рассчитанные и измеренные значения скорости и температуры в целом неплохо согласуются. Близко совпадают моменты времени резкого уменьшения скорости ветра по данным расчета и измерений (около 5 ч 8 февраля). Если учесть, что в численной модели усваиваются только входные данные на границах
37,6° в. д. 37,7 37,8 37,9 38,0 38,1
Рис. 2. Рассчитанное поле скорости ветра на высоте 10м на 0 ч 8 февраля 2012 г. и рельеф для Новороссийского региона.
Цветом показан модуль скорости ветра (м/с), изолиниями — рельеф (м).
внешнего домена, то различие мелкомасштабных временных особенностей рассчитанных и измеренных полей вполне объяснимо.
Отличительную особенность развития боры в регионе — локализацию максимальной скорости приповерхностного ветра в самой Цемесской бухте — проанализируем более подробно. Для этого рассмотрим вертикальную структуру полей скорости и потенциальной температуры на меридиональном разрезе вдоль 37,85° в. д., проходящем через бухту, последовательно для трех моментов времени: в начале развития, для развившейся боры и в стадии затухания, после резкого уменьшения скорости ветра (рис. 1, 3).
В начале развития бора представляет собой относительно тонкую струю приповерхностного ветра над морем и подветренным склоном горного хребта (рис. 3а). Толщина потока составляет около 100—200 м. Скорость вблизи поверхности над подветренным склоном уже на этом этапе развития достигает 25—30 м/с. Над наветренным склоном гор скорость составляет 10—15 м/с, высота потока — до 1,5 км. Анализ поля потенциальной температуры показывает, что в пограничном слое развивается блоки ро ва ние на бе га ю ще го пото ка, а сам поток пред став ля ет низ кот ро-посферное струйное течение с максимальной скоростью 15—20 м/с на высоте ~0,6—1,2 км. Течение локализовано в области сильно устойчиво стратифицированного воздуха, где значения частоты Брента — Вяйсяля
44,5 44,6 44,7 44,8° с. ш.
-, —1-,-,-,—
44,5 44,6 44,7 44,8° с. ш.
Рис. 3. Вертикальная структура модуля скорости ветра (цвет) и потенциальной температуры (изолинии) на меридиональном разрезе вдоль 37,85°в.д.в19чб февраля (а), в 18 ч7 февраля (б) и в 12 ч 8 февраля 2012 г. (в) по данным расчетов.
Здесь и на рис. 4 и 5 температура приведена в относительных единицах: градусы Кельвина - 273.
N = ^А0/Дг0о (^ — ускорение силы тяжести; А0/Аг — градиент потенциальной температуры; 00 — среднее значение) составляют до ~4 • 10-2 с-1 .
В стадии развитой боры (рис. 36) скорость ветра увеличилась до 40— 45 м/с, толщина струйного течения в атмосфере над морем и подветренным склоном — до 600—900 м. Качественно структура полей скорости ветра и температуры осталась прежней. По-прежнему расположение изотерм в атмосфере за подветренным склоном явно указывает на обрушение внутренних волн и, следовательно, на формирование области турбулентности. В использованной численной параметризации турбулентного обмена Меллора — Яма
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.