УДК 551.515.11:551.509.5
Современные представления об атмосферном фронтогенезе. II. Некоторые результаты расчетов по реальным данным
Н. П. Шакина*, А. Р. Иванова*, Н. И. Комасько*
Представлен обзор опубликованных результатов расчетов составляющих векторного фронтогенеза для конкретных процессов по реальным и модельным данным. Расчеты выявили значение фронтогенеза как причины возникновения ложбин и гребней на высотной фронтальной зоне, меандрирования и интенсификации струйных течений, зарождения и эволюции циклонических вихрей. Основными количественными характеристиками фронтогенетиче-ской вектор-функции являются ее составляющие по изолинии потенциальной температуры на изобарической поверхности и по нормали к этой изолинии. Первая составляющая описывает фронтогенетический эффект поворота изотерм (вращательный фронтогенез), вторая является мерой изменения модуля горизонтального градиента температуры (скалярный фронтогенез). Характеристики фронтогенеза используют не только как содержательные диагностические показатели, но и как индикаторы будущей перестройки атмосферных полей. Представлены предварительные результаты расчетов характеристик фронтогенеза для случая волны большой амплитуды на высотной фронтальной зоне с интенсивным струйным течением и глубоким стратосферным вторжением. Показано, что опускание тропопаузы на холодной стороне во входе области максимального ветра на почти прямолинейном участке высотной фронтальной зоны обусловлено главным образом скалярным фронтогенезом, тогда как вращательный фронтогенез играет основную роль в области резкого поворота изогипс, обусловливая интенсивный подъем воздуха на теплой стороне и опускание на холодной. Сравнение расчетов по данным объективного анализа и по выходным данным глобальной полулагранжевой модели атмосферы показывает, что модель правильно в качественном отношении воспроизводит струйное течение, топографию тропопаузы и распределение эффектов фронтогенеза, но в количественном отношении прогностические поля являются заметно сглаженными.
Введение
Фронтогенез, определяемый как процесс изменения горизонтального градиента температуры в индивидуальной частице, является одним из основных механизмов перераспределения свойств между движениями разных масштабов. Еще одним фундаментальным механизмом, обусловливающим перестройку атмосферных полей и эволюцию погодообразующих процессов, является гидродинамическая неустойчивость, приводящая к волно- и вихреобразованию в зонах контрастов температуры и ветра. Гидродинамическая неустойчивость изучалась чрезвычайно интенсивно в течение почти всего ХХ в., что оказало боль-
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: chakina@mecom.ru.
шое влияние на развитие численных методов прогноза. Изучение фронтогенеза, обусловливающего появление этих зон контрастов, привлекало внимание ученых. В последнее время расчеты характеристик фронтогенеза как диагностических величин стали больше применяться для исследования широкого класса атмосферных процессов от синоптических масштабов до мезомасштабов.
В предлагаемой статье, состоящей из двух частей, представлен обзор исследований фронтогенеза в векторном смысле, включающем как сближение изотерм, так и их поворот. В первой части статьи [3] анализируются теоретические положения, представлены формулы, используемые для диагностических расчетов. Во второй части дан обзор опубликованных физических выводов из расчетов фронтогенеза по реальным и модельным данным, а также представлены некоторые расчеты авторов.
Важнейшим свойством фронтогенеза является его роль генератора вертикальных циркуляций, которые могут быть как термически прямыми (восходящие движения на стороне более теплого воздуха), так и термически обратными (восходящие движения на стороне более холодного воздуха). В восходящих ветвях циркуляционных ячеек на атмосферных фронтах развиваются зоны облачности и осадков. В толще тропосферы и в слое струйных течений нисходящие движения в циркуляционных ячейках, обусловленных фронтогенезом, формируют стратосферные вторжения — зоны опускания стратосферного воздуха на тропосферные уровни. Кроме того, известно, что фронтогенез в свободной атмосфере создает условия для приземного циклогенеза и является предшественником последнего. Видимая эволюция циклонов в нижних слоях, включая стадию окклюдирования, также связана с фронтогенезом на верхних уровнях. Известно также, что в восходящих ветвях циркуляционных ячеек, сопутствующих фронтогенезу, создаются условия конвективной неустойчивости и развиваются полосы конвективных облаков и ливневых осадков. Обнаружены и другие важные следствия фронтогенетических процессов, активно изучаемые средствами численного моделирования, диагностических расчетов, а также прямых инструментальных измерений.
Вертикальные циркуляции во фронтальных зонах
Первая гидродинамическая модель двухмерной фронтальной зоны, фронтогенеза и вертикальных циркуляций в ограниченном слое в квазигеострофиче-ском приближении была развита в работах Сойера [29, 30] и Элиассена [10, 11], основной результат которых состоял в установлении следующей закономерности (известной как теорема Сойера — Элиассена): вертикальные циркуляции, поперечные по отношению к фронтальной зоне, в квазигеострофическом приближении являются компенсационными по отношению к фронтогенетическо-му эффекту горизонтального ветра. Компенсационный характер циркуляций означает их стремление восстановить баланс термического ветра, нарушаемый фронтогенетической адвекцией.
В дальнейшем это направление исследований развивалось в серии работ по моделированию эволюции линейного деформационного поля или бароклин-но-неустойчивых возмущений, в которых, как известно, возникают и развиваются модельные фронты, имеющие основные черты реальных атмосферных фронтов.
В работах Хоскинса [12, 13], Хоскинса и Брезертона [14] были развиты ставшие уже классическими модели фронтогенеза в линейном деформационном поле в предположении невязкого адиабатического движения и в приближении геострофического момента (детали см. также [2]). Решения, полученные в этих работах большей частью аналитически, демонстрируют развитие восходящих движений на теплой стороне развивающейся фронтальной зоны и опускания на холодной стороне, причем образуются складка тропопаузы в верхней тропосфере и струйное течение на ее теплой стороне. Вблизи подстилающей поверхности появляется зона резких контрастов температуры, а в толще тропосферы — бароклинная зона с наклоном в сторону холодного воздуха.
Опускание тропопаузы в этой модели на холодной стороне струйного течения получено, однако, менее интенсивным, чем на это указывали наблюдения начиная с [27] (это были самолетные измерения температуры и ветра, они детально рассмотрены в обзоре [17]). Более реалистичные выводы были получены в численных моделях [9, 25, 26]. В частности, в модели с полными уравнениями [16] с учетом адвекции холода и тепла вдоль фронта был получен тот важный вывод, что от характера адвекции зависят многие существенные свойства тропосферной фронтальной зоны. Так, при адвекции холода нисходящая ветвь циркуляции оказывается более интенсивной и смещается в сторону теплого воздуха, так что максимальное опускание в согласии с наблюдениями имеет место непосредственно во фронтальной зоне. Ранее Шапиро [35] на основе анализа данных самолетных измерений и в рамках модели Сойера — Элиассена предположил, что присутствие адвекции холода при циклоническом сдвиге ветра может усиливать нисходящую ветвь прямой циркуляционной ячейки в зоне сходимости потока во входе струйного течения и сдвигать ее к теплой стороне высотной фронтальной зоны. Модельные расчеты подтвердили эту гипотезу, которая в дальнейшем была названа эффектом Шапиро (впервые в статье [28]), или концептуальной моделью Шапиро [31].
Концептуальная модель Шапиро в несколько более детальном виде исходит из представления о наличии высотной фронтальной зоны со сходящимся северо-западным потоком, в котором изэнтропы в начальный момент почти параллельны изогипсам. Это — эквивалентно-баротропная стадия эволюции. Приблизительно через 24 ч фронтальная зона изменяется таким образом, что термическая ложбина отстает от барической, что приводит к адвекции холода вдоль фронтальной зоны (стадия адвекции холода). Еще через сутки ложбина в поле геопотенциальных высот превращается в замкнутую область низкого давления (стадия замкнутого циклона) с адвекцией тепла в передней части и адвекцией холода в тылу. Наконец, спустя еще сутки замкнутый циклон размыкается и превращается в сходящийся юго-западный поток с геострофической адвекцией тепла во фронтальной зоне (стадия адвекции тепла). Фактически эта схема описывает процесс развития меандрирования высотной фронтальной зоны и связанного с ней струйного течения.
Наблюдения, суммированные в [31], показывают, что такая эволюция отмечается не всегда. Однако тесная связь характера адвекции с эволюцией струйного течения наблюдается всегда, и не только на северо-западном участке струйного течения, но и на его юго-западном участке, хотя продолжительность стадий эволюции часто бывает большей.
Подчеркнем, что изменение структуры циркуляционной ячейки, усиление нисходящей ветви в термически прямой ячейке и смещение интенсивной узкой нисходящей ветви во фронтальную зону получены в моделях с примитивными уравнениями и, следовательно, являются результатом агеострофичности ветра и нелинейного взаимодействия модельных полей.
В трехмерных моделях с высоким разрешением, исследующих развитие ба-роклинной неустойчивости во всей толще тропосферы, рассматривался также вопрос о наличии связи между приземным и верхнетропосферным фронто-генезом. В работе [18] дается отрицательный ответ на этот вопрос на основе численных экспериментов с модельной зональной струей при переменном коэффициенте горизонтальной диффузии: изменение этого параметра в одной из фронтальных зон не влияло на структуру другой фронтальной зоны (хотя в толще тропосферы прослеживаются обе зоны, объединенные зоной относительно пониженной бар
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.