УДК 551.511.3:551.577
Векторный фронтогенез как фактор генерации
осадков
Н. И. Комасько*, Н. П. Шакина*, Е. Н. Скриптунова*, А. Р. Иванова*
По данным объективного анализа и наблюдений за осадками на станциях Европы и запада Средней Азии за 2005—2013 гг. оценены статистические связи векторного фронтогенеза и его составляющих — скалярного и вращательного фронтогенеза — с повторяемостью осадков разных градаций интенсивности. Найдено, что векторный фронтогенез является третьим по значению фактором генерации осадков (после конвективной неустойчивости и наличия фронтальных зон). Среди характеристик векторного фронтогенеза наиболее эффективным в смысле разделения случаев наличия и отсутствия осадков (в особенности сильных и очень сильных) является вращательный фронтогенез, который ранее не рассматривался с этой точки зрения. Оценены региональные особенности изучаемых статистических связей по территории области расчета. Полученные результаты могут использоваться для развития метода вероятностного прогноза осадков.
Ключевые слова атмосферные фронты, скалярный и вращательный фронтогенез, конвективная неустойчивость, фронтальный параметр, осадки.
1. Введение
Для образования облаков и выпадения осадков, как известно, необходимо наличие восходящих движений в достаточно мощном слое атмосферы. Такие движения возникают чаще всего в результате либо разрешения конвективной неустойчивости, либо прохождения атмосферных фронтов. Глубокая конвективная неустойчивость также генерируется преимущественно на атмосферных фронтах, поэтому от 75 до 80% всех осадков в средних широтах выпадает в зонах атмосферных фронтов.
Между тем атмосферный фронт, определяемый как зона высокой баро-клинности (больших горизонтальных градиентов температуры), сам по себе не порождает вертикальных перемещений воздуха. Для того чтобы на фронте возникли вертикальные движения, он должен быть нестационарным — горизонтальный градиент температуры на этом фронте должен меняться со временем, т. е. должен наблюдаться фронтогенез либо фронтолиз. Применительно к двухмерной задаче (прямолинейный фронт, однородный в продольном направлении) характер вертикальных циркуляций определяется известной теоремой Сойера — Элиассена [6, 9]: поперечные к фронту вертикальные циркуляции в квазигеострофическом приближении являются компенсационными по отношению к фронтогенетическому либо фронтолитическому эффекту горизонтально-
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: nbmet@yandex.ru.
го ветра. Иначе говоря, если имеется сходимость ветра к фронту и это приводит к увеличению горизонтального градиента температуры, то на теплой стороне фронта воздух будет подниматься относительно холодного, т. е. будет иметь место анафронт. Если ветер обусловливает уменьшение горизонтального градиента температуры, то на теплой стороне фронта воздух будет опускаться относительно холодного, и такой фронт будет катафронтом. В ложбинах и циклонических областях атмосферные фронты являются, как правило, анафронтами и представляют наибольший интерес с точки зрения прогнозирования погоды: именно на этих фронтах в основном выпадают осадки.
На картах погоды синоптик обычно проводит фронты, ориентируясь, кроме контрастов температуры, на поле давления (ложбина) и наличие осадков, а также на другие признаки. Соответственно и объективный метод выделения зон атмосферных фронтов, предложенный в работе [3], был первоначально предназначен для автоматического воспроизведения процедуры проведения фронтов синоптиком, при этом в качестве одного из основных признаков наличия фронта использовалась циклоничность барического поля.
В случае непрямолинейного атмосферного фронта его эволюция означает изменение не только модуля горизонтального градиента температуры на фронте (так называемый скалярный фронтогенез), но и направления этого градиента, являющегося вектором, его поворот (вращательный фронтогенез). Изменение со временем вектора горизонтального градиента температуры в индивидуальной частице называется векторным фронтогенезом. Как скалярный, так и вращательный фронтогенез являются факторами генерации вертикальных движений, а вместе с ними — облаков и осадков.
В работах [2, 4, 5] по данным наблюдений за осадками на станциях и объективного анализа полей температуры, давления, влажности и ветра был оценен вклад в общее вынуждение восходящих движений и осадков таких факторов, как наличие атмосферных фронтов, конвективной неустойчивости и скалярного фронтогенеза. Было найдено, что скалярный фронтогенез на изобарической поверхности 850 гПа мало информативен, но в сочетании с такими характеристиками основных вынуждающих факторов, как фронтальный параметр и высота уровня конвекции, позволяет повысить успешность разделения случаев наличия и отсутствия осадков, особенно сильных.
В данной работе впервые дается оценка статистических связей векторного фронтогенеза и его составляющих — скалярного и вращательного фронтогенеза — с осадками основных градаций интенсивности. Анализ проводился с использованием большего объема материала, чем в работе [4], и более детально.
2. Использованные данные и диагностические характеристики
Расчеты проведены с использованием девятилетнего ряда данных оперативного объективного анализа (ООА) Гидрометцентра России (с 1 января 2005 г. по 31 декабря 2013 г.) и базы данных о полусуточных суммах осадков по измерениям на станциях за тот же период. По материалам ООА — приземному давлению, геопотенциалу, температуре, влажности и составляющим скорости ветра на стандартных изобарических поверхностях в узлах географической сетки с шагом 1,25° был рассчитан следующий набор диагностических характеристик
для областей 37,5—75,0° с. ш., 25° з. д. — 25° в. д. и 40—75° с. ш., 25—60° в. д., охватывающих территорию Европы, Урал и часть Средней Азии.
1. Фронтальный параметр F — положительная и безразмерная характеристика наличия фронтальных зон [3].
2. Уровень нейтральной плавучести LNB (level of neutral buoyancy) (км) — характеристика конвективной неустойчивости сеточного масштаба. Расчет LNB производили в узлах сетки по методу частицы. Уровень нейтральной плавучести, отождествляемый с верхней границей конвективной облачности и называемый обычно уровнем конвекции, определялся как уровень пересечения кривых состояния и стратификации.
3. Скалярный фронтогенез Qn (К/(м • с)) — скорость изменения во времени модуля градиента потенциальной температуры в индивидуальной частице на изобарической поверхности [8]. Величина Qn — составляющая векторной фронтогенетической функции по оси, направленной по нормали к изэнтропе (изолинии потенциальной температуры) на изобарической поверхности в сторону меньших значений потенциальной температуры. Отметим, что на изобарической поверхности изэнтропы совпадают с изотермами.
4. Вращательный фронтогенез Qs (К/(м • с)) — скорость изменения направления градиента потенциальной температуры на изобарической поверхности. Величина Qs — составляющая векторной фронтогенетической функции, направленная по касательной к изэнтропе так, что низкая потенциальная температура остается слева.
5. Горизонтальная дивергенция скалярного фронтогенеза Dn (К/(м2 • с)).
6. Горизонтальная дивергенция вращательного фронтогенеза Ds (К/(м2 • с)).
7. Горизонтальная дивергенция векторной фронтогенетической функции D = D + D .
n s
Диагностические характеристики 3—7 рассчитывались на изобарических поверхностях 925, 850, 700 и 500 гПа. Они характеризуют величину, стоящую в правой части омега-уравнения в виде, предложенном в работе [7]:
f 2 =_2Vp' Q' (i)
где
S=j-vfi (2)
— векторная фронтогенетическая функция; N2 =— —--— частота Брента
dp 9 dP
— Вяйсяля; f — параметр Кориолиса; ю = — — вертикальная скорость в изо-
dt
барических координатах; Vp — оператор градиента на изобарической поверхности.
Составляющие векторной фронтогенетической функции имеют вид
а =—Jt V9 = 2 |V9| [Div — Esh sin 2a — Est cos 2a],
Q =|V9|d- = 2|V9[ — Et sin2a + Eshcos2a]. (3)
Здесь Div — дивергенция скорости; E — деформация растяжения; Esh — деформация сдвига; Z — относительная завихренность; a — угол между осями х и n (ось х направлена на восток):
^. du dv ^ du dv
Div = — + — , Est =---,
dx dy dx dy
c=dv _du E =dv + du f4_
Z Эх dy , = Эх + ду • (4)
В выражении для Qn знак минус перед производной по времени от модуля градиента температуры обусловлен тем, что ось n направлена в сторону, противоположную V9 — в сторону холодного воздуха.
Из уравнения (1) следует, что дивергенция векторной фронтогенетической функции непосредственно определяет вертикальные движения в соответствующей точке, а величины
Dn =_2Vр -[nQ],D, =_2Vp -[[Q]
соответственно описывают вклад скалярного и вращательного фронтогенеза в вынуждение вертикальных движений в этой точке. Сами же составляющие векторной фронтогенетической функции Qn и Qs характеризуют изменение вектора горизонтального градиента температуры во времени в результате дивергенции скорости ветра, завихренности и деформаций индивидуальной частицы воздуха, как видно из уравнений (3).
Казалось бы, следует ожидать наилучшую связь с осадками у величины D = Dn + D. Однако поскольку уравнение (1) выведено в квазигеострофическом приближении и не является точным в реальных бароклинных зонах и, кроме того, при расчетах производные аппроксимируются конечными разностями и вследствие этого поля Dn и Ds являются несколько сглаженными по отношению к Qn и Qs (эффекты этого сглаживания нельзя заранее оценить), то целесообразно рассчитывать все четыре упомянутые диагностические характеристики и затем сопоставлять их с осадками в данном квадрате за соответствующие 12 ч.
Полусуточные суммы осадков I разделяли, как это было сделано ранее авторами работы [4], на следующие градации интенсивности: 0,2—1 мм/12 ч — слабые осадки, >1 мм/12 ч — значительные осадки, >6 мм/12 ч — сильные осадки, >19 мм/12 ч — очень сильные осадки. Указанные градации незначительно отличаются от принятых в настоящее время [1] для твердых осадков. Различие состоит в том, что, согласно [1], к си
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.