УДК 551.555.4.001.572(470.62)
Оценка качества моделирования новороссийской боры с помощью модели WRF-ARW
П. А. Торопов*, А. А. Шестакова*
Рассматриваются случаи новороссийской боры в 2012 и 2013 гг. На основе натурных данных приводится описание этого явления. Оценивается возможность использования мезомасштабной негидростатической версии модели WRF-ARW для прогноза новороссийской боры. На основе большого объема натурных данных выполнены детальные оценки результатов моделирования. Обосновывается подбор оптимальной конфигурации модели для численного моделирования новороссийской боры.
1. Введение
Новороссийская бора, представляющая исключительную опасность, часто сопровождается ураганным ветром и сильным морозом. Это нередко становится причиной крупного ущерба и человеческих жертв на Черноморском побережье Кавказа. Новороссийская бора, как правило, наблюдается в холодное полугодие, в период с октября по апрель, и связана с ультраполярными вторжениями на юг европейской территории России. Горизонтальный масштаб явления составляет несколько десятков километров, вертикальный — несколько сотен метров [3]. В статье [14] дан обзор всех работ по исследованию физического механизма возникновения боры. В настоящее время большинство исследователей относит бору к разновидности ветра подветренных склонов (downslope windstorms), особенно сильную бору. Такой ветер наблюдается во многих районах мира. Наиболее изучены адриатическая бора [9, 12, 13] и ветер на восточных склонах Скалистых гор (Боулдер, США) [15—17]. Среди актуальных работ, посвященных моделированию новороссийской боры, можно отметить [1,4, 22]. Однако в этих работах отсутствует детальная оценка результатов моделирования по большой выборке натурных данных, не обосновываются результаты выбора той или иной конфигурации модели, нет детального анализа физических механизмов возникновения явления. Данная работа посвящена изучению новороссийской боры на основе большого объема измерений, проведенных в ходе экспедиций сотрудниками и студентами кафедры метеорологии и климатологии Московского государственного уни-вер си тета им. М. В. Ломо но со ва (МГУ), а так же моде ли ро ва ния с помощью модели WRF-ARW. Авторами статьи была решена задача подбора
* Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова; e-mail: tormet@inbox.ru.
Рис. 1. Сеть станций, данные наблюдений которых использованы в работе.
1) станции Росгидромета; 2) ветровая сеть новороссийского порта; 3) автоматические метеостанции экспедиции НСО кафедры метеорологии и климатологии МГУ. На рисунке не показаны станции Крымск (расположена севернее) и Озереевка (находится западнее станции Алексино).
оптимальной конфигурации модели для воспроизведения новороссийской боры.
2. Натурные данные и методология 2.1. Данные наблюдений
Рассматривается несколько случаев новороссийской боры, которые были зафиксированы в 2012 и 2013 гг. На рис. 1 изображена сеть, использовавшаяся для наблюдений в 2013 г. и включающая:
— данные регулярных наблюдений на станциях Росгидромета Крымск, Ге лен джик и Но во рос сийск, кото рые пред став ля ли со бой дан ные стан дарт-ных станционных наблюдений на высоте 2 м с дискретностью 3 ч. Скорость ветра измеряли на высоте 10 м и осредняли за 10 мин;
— данные портовой службы Новороссийска — сеть из пяти действующих ветровых датчиков, размещенных по всему побережью Цемесской бухты; измерения проводили с дискретностью 2 мин на высоте 10 м. В 2012 г. датчик на станции Алексино не работал, но функционировала станция Озереевка (на рис. 1 не указана, расположена в 10 км к западу от стан ции Алексино);
— данные наблюдательной сети, созданной в зимней экспедиции научно го студен чес ко го об щес тва (НСО) ка фед ры ме те о роло гии и кли мато-логии МГУ. Эти экспедиции с 2005 г. проводятся ежегодно в период с 26 января по 5 февраля в Геленджике на базе Южного отделения Института океанологии РАН им. П. П. Ширшова. В 2012 г. сеть наблюдений состояла из трех автоматических метеостанций (АМС) Davis Vantage Pro
(рис. 1, станции Маркотхский хребет, Марьина Роща, Голубая бухта), временная дискретность наблюдений — 5 мин. В 2013 г. АМС, установленные в рамках экспедиции НСО, функционировали с 29 января по 1 марта. Сеть наблюдений состояла из шести АМС, временная дискретность измерений 15 мин.
Отсутствие данных о вертикальной структуре потока с наветренной стороны хребта (т. е. натекающего потока) затрудняет изучение боры [10, 11, 21]. Поскольку данные аэрологических наблюдений отсутствовали, были привлечены данные реанализа МБЯКА. Горизонтальное разрешение этих данных составило 2/3° по широте и 1/2° по долготе, что, конечно, слишком грубо для задач, связанных с оценкой моделирования такого локального и пространственно неоднородного явления, как бора. Тем не менее использование этих данных можно считать правомерным, так как натекающий поток в случае новороссийской боры не возмущен горными препятствиями и является относительно однородным. Для сравнения с результатами моделирования была выбрана точка, расположенная достаточно далеко от боковых границ расчетной области (на удалении около 50 км от наветренной стороны Кавказского хребта).
2.2. Рассматриваемые случаи новороссийской боры
27 января 2012 г. бора возникла на фоне ультраполярного вторжения на южной периферии обширного антициклона с центром над северной частью Западной Сибири, давление в центре антициклона превышало 1060 гПа. С середины января до середины февраля южная периферия этого вихря находилась над Черноморским побережьем Кавказа. В такой синоптической ситуации над территорией Южного и Северо-Кавказского федеральных округов в нижней части тропосферы господствовал северо-восточный ветер. На Черноморском побережье Кавказа сложились условия, благопри-я тству ю щие воз никно ве нию боры.
Согласно данным наблюдений, описанным в разделе 2.1, средняя скорость ветра во время боры 27 января 2012 г. в пределах области исследования составила 13 м/с. Осредненные по времени натурные значения скорости ветра, среднеквадратическое отклонение (СКО), а также максимальные значения скорости и минимальная температура приведены в табл. 1. На наветренной станции Крымск скорость ветра была минимальна, она колебалась от 3 до 6 м/с. Станции Озереевка и Голубая бухта находятся на удалении от хребтов и зафиксированная на них скорость была относительно невелика (до 17 м/с). Максимальная скорость ветра наблюдалась у подножия подветренного склона Маркотхского хребта — на станциях порта Но во рос сийск (кроме стан ции Озе ре ев ка) и на стан ции Марь и на Роща в районе Геленджика. В целом скорость ветра на станциях в районе Геленджика (Марьина Роща, Маркотхский хребет) была меньше, чем в Новороссийске, так как по направлению с запада на восток высота хребтов увеличивается (с 400 до 600 м над уровнем моря), и холодный воздух не так ин-тен сив но об те ка ет гор ные пре пя тствия, как в ра йо не Но во рос сий ска. По этой причине в районе Новороссийска бора возникла раньше (примерно в 6 ч 25 января 2012 г.) и лишь через 36 ч появилась в Геленджике. Таким образом, очевидна первостепенная роль структуры рельефа в форми-
Таблица 1
Скорость ветра и температура во время боры 26—28 января 2012 г.
Номер Станция Скорость ветра, м/с Минимальная температура, °С
средняя максимальная СКО
1 Озереевка 10,1 17,1 4,3 —
2 Шесхарис-1 17,7 30,5 7,3 —
3 Шесхарис-7 23,6 35,0 8,0 —
4 Восточный пирс 14,7 32,5 7,1 —
5 Западный пирс 11,7 32,8 7,7 —
6 Крымск 4,1 6,0 1,1 -14,5
7 Геленджик 7,0 12,0 3,5 -10,3
8 Новороссийск 20,4 31,0 6,5 -14,0
9 Марьина Роща 10,2 25,0 8,8 -13,9
10 Маркотхский хребет 13,7 19,8 3,1 -18,8
11 Голубая бухта 7,7 10,8 1,9 -11,4
роваиии зон максимальной и минимальной скорости ветра при боре. Отметим, что станции Геленджик и Голубая бухта расположены в аэродинамической тени.
Натекающий поток имел следующую структуру: нижний нейтрально стратифицированный слой (градиент температуры -0,6 К/100 м, т. е. немного меньше влажноадиабатического) — до высоты 350—400 м, слой приподнятой инверсии (градиент 0,9 К/100 м) — от 400 до 1500 м, выше в тропосфере была слабонеустойчивая стратификация (градиент около -0,66 К/100 м). Причиной образования инверсии, вероятно, являлось динамическое нагревание воздуха при нисходящих движениях в антициклоне. На профиле скорости ветра хорошо видны два максимума — на высоте 1 км в слое инверсии (низкотропосферное струйное течение, образующееся, согласно одной из гипотез работы [8], в результате незатухающих инерционных колебаний) и на высоте тропопаузы (максимум соответствует струй но му тече нию).
Сильнейшая за последние 30 лет катастрофическая бора антицикло-нального типа возникла 7—8 февраля 2012 г. Она образовалась на фоне того же обширного антициклона, что и бора 27 января 2012 г. Средняя скорость ветра во время новороссийской боры для всех станций составила 14 м/с, максимальная скорость достигала 35—39 м/с на станциях порта Новороссийск. Однако не установлен фактор, играющий ключевую роль в возникновении боры, так как данный антициклон существовал с середины января до середины февраля, а бора наблюдалась всего несколько раз и ее продолжительность не превышала 2 сут. Вероятно, имело место блокирование потока, в результате чего с наветренной стороны хребта накапливался холодный и тяжелый воздух. Начало боры связано с переваливанием накопленного воздуха через хребет при достижении некоторой критической массы или (и) определенных скоростей набегающего потока. Позднее поток вновь блокировался и ситуация повторялась.
Бора, зафиксированная 29 января и 14—15 февраля 2013 г., была слабой, скорость ветра на отдельных станциях не превышала 18 м/с, средняя
для всех станций скорость ветра составила 4 м/с. В обоих случаях бора развивалась на южной периферии антициклона с центром над центральной (29 января) и северной (14—15 февраля) частью Западной Сибири.
Вероятно, одной из причин различия боры по скорости ветра являются высота и мощность инверсии. Термическая структура натекающего потока для разных случаев боры схожа. Однако м
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.