УДК 551.515.1/.12.2(262.5)
Наблюдение квазитропического циклона над Черным морем
В. В. Ефимов*, С. В. Станичный*, М. В. Шокуров*, Д. А. Яровая*
Описывается редкое для Черноморского региона атмосферное явление — мезомасштабный циклон, имеющий все основные свойства тропических циклонов. Циклон развился в юго-западной части моря и просуществовал около 5 сут. Приводятся общие характеристики циклона и его воздействие на термодинамическую структуру верхнего слоя моря.
Введение
Тропические циклоны (ТЦ) достаточно распространены в тропических областях Мирового океана и развиваются в ряде случаев до катастрофических явлений погоды. Тропические циклоны по сравнению со среднеши-ротными имеют как правило небольшой размер (около 200—300 км), значительную скорость ветра (до 100 м/с) и безоблачную центральную область с ясным или почти ясным небом — глазом. Тропические циклоны образуются и развиваются только над теплым океаном, температура поверхности которого, по общепринятым оценкам, должна быть не менее 27°С. Имеются и другие характерные особенности тропических циклонов, отличающие их от более крупномасштабных циклонов средних широт [2—4, 11, 12].
С появлением спутниковых снимков облачности Земли оказалось, что и в атмосфере внетропических регионов могут возникать циклонические вихри, которые по многим признакам можно отнести к квазитропическим циклонам. В первую очередь они также обладают компактной осесиммет-ричной пространственной структурой, развиваются только над морской поверхностью, и основным механизмом их генерации также является подъем влажного воздуха с выделением большого количества скрытого тепла при конденсации. Квазитропические циклоны разного происхождения время от времени развиваются над Средиземным морем [5, 10, 14, 15, 17—20, 23—25]. В полярных областях при вторжении холодного воздуха с суши на море довольно часто образуются полярные циклоны, которые также можно отнести к квазитропическим [13, 21, 22].
В конце сентября 2005 г. в атмосфере над юго-западной частью Черного моря развился интенсивный мезомасштабный циклон, имевший все внешние признаки тропического циклона. Он характеризовался наличием
* Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины.
глаза, который в диаметре не превышал 300 км, и имел близкую к осесим-метричной структуру. На спутниковых снимках за 25 и 26 сентября четко прослеживались спиралевидные полосы облаков, а скорость ветра по данным спутниковых измерений "ОшкБса!:" [28] в зоне циклона достигала 20—25 м/с. Хотя этот циклон и не достиг разрушительных свойств тропического урагана, но тем не менее ухудшение погоды, вызванное ветром и поверхностными волнами, привело к приостановке рейсов судов на пути в Стамбул. Циклон располагался, слабо блуждая, над юго-западной частью Черного моря с 25 по 29 сентября, затем переместился на юг и к 30 сентября покинул акваторию Черного моря. Над сушей он быстро заполнился.
Рассмотрим эволюцию циклона на основе имеющихся данных. Как правило, мезомасштабные атмосферные процессы, и в частности рассматриваемый циклон, имеют малую обеспеченность измерениями. Кроме спутниковых фотографий облачности и измерений ветра на спутнике "ОшкБса!:", других метеоданных с высоким пространственным разрешением не имелось. Также были использованы результаты оперативного анализа КСБР/ЫСЛЯ с разрешением 1 х 1°, распространяемого по каналам международного обмена [27]. Кроме того, для более детального изучения структуры этого циклона нами были выполнены численные эксперименты с использованием региональной атмосферной модели ММ5, детальное обсуждение которых содержится в работе [1].
Синоптическая ситуация
На рис. 1а показаны поля приземной скорости ветра и давления на уровне моря по данным оперативного анализа за 0 ч 25 сентября. Видна область высокого давления на севере из-за блокирующего антициклона, а также область пониженного давления над Черноморским регионом. Кроме того, несмотря на достаточно грубое пространственное разрешение данных в модели оперативного анализа, можно выделить две небольшие барические депрессии глубиной около 1010 гПа над Черным морем. Депрессия в западной части моря и послужила в дальнейшем основой для развития квазитропического циклона. Скорость ветра в депрессии составляла около 10 м/с, давление в центре было на 3 гПа ниже, чем на периферии. Распределение приземного ветра за предшествующий расчетный срок (18 ч 24 сентября) еще не показывало наличия циклона, поэтому структура на рис. 1а может рассматриваться как начальная стадия зарождения циклона над морем.
Определение причин и необходимых и достаточных условий зарождения тропических циклонов представляет собой одну из не решенных до конца проблем. Известно, что только в одном случае из десяти тропические депрессии развиваются и достигают силы тропических циклонов. Для рассматриваемого черноморского циклона условием, способствовавшим его зарождению в начальной стадии, явилось уменьшение устойчивости атмосферы, связанное с вторжением холодного воздуха в Черноморский регион.
На рис. 1в, г приведены данные вертикального зондирования атмосферы в 0 ч 25 сентября в западной и восточной частях Черного моря. Поскольку реальное зондирование над морем не выполнялось, здесь приведены
-40 -20 0 20 Т, °С -40 -20 0 20 Т, °С
Рис. 1. Пространственное распределение скорости ветра (м/с; а) на изобарической поверхности 1000 гПа и давления на уровне моря (гПа; а), конвективной доступной потенциальной энергии (Дж/кг; б); вертикальное зондирование по данным оперативного анализа за 0 ч 25 сентября 2005 г. в точках 43° с. ш., 32° в. д. (в) и 43° с. ш., 38° в. д. (г).
Пояснения приведены в тексте.
расчетные профили по данным модельного оперативного анализа. Жирная прерывистая линия показывает изменение с высотой температуры объема воздуха, поднимающегося адиабатически с поверхности моря, сначала по сухой адиабате, а после достижения уровня конденсации по влажной адиабате. Жирные сплошные линии показывают профиль температуры (справа) и профиль температуры точки росы (слева). Как видно на рис. 1в, с изобарической поверхности 900 гПа и почти до тропопаузы (выше поверхности 300 гПа) поднимающаяся с поверхности частица воздуха теплее окружения. Такая стратификация атмосферы благоприятна для развития конвекции. Мерой неустойчивости является конвективная доступная потенциальная энергия (САРЕ), которая численно равна площади между пунктирной и сплошной кривыми от уровня конденсации до уровня равновесия на рис. 1в [9]. Распределение САРЕ для всего региона Черного моря приведено на
рис. 16. Видно, что она достигает больших значений над морем с максимумом 1600 Дж/кг, причем в восточной части моря значения САРЕ больше, чем в западной.
На рис. 1в видно также, что температура точки росы близка к температуре воздуха во всей тропосфере, что свидетельствует о большой относительной влажности. Это значит, что принимать участие в процессе конвекции с выделением скрытого тепла при конденсации может не только теплый влажный воздух с поверхности моря, но и вся влажная толща тропосферы.
На рис. 1г показано зондирование в восточной части моря. В отличие от западной части здесь имеется задерживающий слой до поверхности 800 гПа, препятствующий конвекции, в котором поднимающаяся частица холоднее окружения. Мера интенсивности задерживающего слоя — отрицательная конвективная доступная потенциальная энергия (CIN) — численно равна площади между сплошной и пунктирной кривыми от уровня конденсации до уровня свободной конвекции [9]. Распределение CIN показывает, что задерживающий слой отсутствует в юго-западной части моря. Это, вероятно, объясняет, почему циклон развился именно там.
Конвективно неустойчивое состояние атмосферы в районе Черного моря сформировалось в течение нескольких предшествовавших циклону суток. Начиная с 19 сентября над европейской территорией России установился блокирующий антициклон и простоял там до конца сентября. 18 сентября над Испанией сформировался отсеченный высокий циклон с холодным ядром. Он передвигался на восток, приводя к интенсивной конвекции над Средиземным морем из-за адвекции холодного воздуха на теплую поверхность моря. С 20 по 24 сентября он был блокирован над Балканами указанным выше антициклоном. Все это время в нем была ярко выражена конвекция с аномальными осадками. К 25 сентября этот циклон заполнился, и общая синоптическая ситуация в регионе характеризовалась очень слабой циркуляцией на всех уровнях в свободной атмосфере, что видно при просмотре полей геопотенциала и ветра на разных уровнях.
Хорошо известно, что отсутствие сильного ветра и особенно вертикального сдвига скорости ветра является необходимым условием для формирования тропического циклона. Как видно, в данном случае это условие было выполнено. Из-за отсутствия сильного ветра циклон имел возможность долго находиться на одном месте над теплым морем, а отсутствие сдвига скорости ветра способствовало развитию его баротропной структуры. Еще одним благоприятным условием для начала развития тропического циклона является наличие обширного "резервуара" конвективной доступной потенциальной энергии и фоновой конвергенции в нижнем слое атмосферы, "собирающей" теплый влажный воздух в одном месте. Как видно на рис. 1а, циркуляция в антициклоне на севере и слабом циклоне над поверхностью моря способствовала поверхностной конвергенции над Черным морем.
Сам же "резервуар" конвективной доступной потенциальной энергии, как уже говорилось, находился над всей акваторией моря (рис. 16). Основные причины его формирования — это, в первую очередь, теплая поверхность Черного моря (23°С) и, во-вторых, относительно холодная влажная
воздушная масса, сформировавшаяся в балканском циклоне за предшествующие несколько суток.
Эволюция и структура циклона
Были выполнены численные расчеты, позволившие воспроизвести эволюцию циклона с момента его возникновения и до его заполнения над сушей, а также изучить его структуру. Детали расчетов и описание модели подробно рассмотрены в работе [1]. Была использована региональная численная модель атм
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.