ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 3, с. 291-297
УДК 551.515.7
ИНТЕНСИВНЫЕ АРКТИЧЕСКИЕ МЕЗОЦИКЛОНЫ
© 2007 г. И. И. Мохов*, М. Г. Акперов*, В. Е. Лагун**, Э. И. Луценко**
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: mokhov@ifaran.ru **Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт 199397 Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38 Поступила в редакцию 17.02.2006 г., после доработки 26.06.2006 г.
Проведен анализ характеристик полярных мезомасштабных циклонов (ПМЦ) в атмосфере над СевероЕвропейским бассейном по данным о распределении облачного покрова за период 1981-1995 гг. Отмечены особенности годового хода и межгодовые изменения параметров арктических мезоциклонов, имеющих форму спирали и запятой. При значительных межгодовых вариациях значимые тренды характеристик арктических мезоциклонов над Северо-Европейским бассейном в конце XX века не выявлены. Показано, что кумулятивное распределение для повторяемости ПМЦ хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией в диапазоне размеров арктических мезоциклонов от 50 до 400 км. Проведен анализ применимости распределения Вейбулла в качестве аппроксимации распределения числа циклоно-дней в зависимости от размеров ПМЦ. Отмечено, что в 1990-х гг. соответствие реального распределения распределению Вейбулла ухудшилось по сравнению с 1980-ми гг., особенно по сравнению с первой половиной 1980-х гг. В значительной мере это связано с увеличением в 1990-х гг. локального максимума в распределении для арктических мезоциклонов с размерами (диаметрами) около 400 км. Этот локальный максимум был выявлен для всех типов мезомасштабных вихревых образований и для всех анализировавшихся 5-летних подпериодов в течение 1981-1995 гг. Отмечено существенное различие функций распределения повторяемости ПМЦ в зависимости от их размеров для разных типов арктических мезоциклонов.
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивные полярные субсиноптические циклонические вихри (polar lows, arctic lows) образуются, как правило, в холодный период года над свободной от льда морской поверхностью [1, 2]. Характерный диаметр полярных мезоциклонов (ПМЦ) составляет от нескольких десятков до нескольких сотен километров. В Арктике наиболее изученной областью активного мезомасштабного циклогенеза является акватория к западу от Шпицбергена. Повышенные межширотные термические контрасты в приводном слое при значительном проникновении теплых атлантических вод на север в сочетании с мощным тропосферным переносом создают в зимний сезон условия для развития бароклинной неустойчивости в этом регионе. В большинстве случаев ПМЦ, образующиеся над Северо-Европейским бассейном, перемещаются на юг к побережью Скандинавии или в юго-восточном направлении, достигая иногда акватории Карского моря. Типичная скорость перемещения циклонических мезових-рей достигает 50 км/час, при приближении к суше они быстро диссипируют; изредка встречаются малоподвижные ПМЦ. Характерное время жизни ПМЦ порядка суток.
Данные о полярных мезоциклонах появились во второй половине XX века [3]. Более обширная информация об интенсивных мезоциклонах в полярных широтах стала доступной при использовании спутниковых изображений облачного покрова. По-
видимому Т. Бержерон [4] первым отметил особенности циклогенеза над относительно теплой водой зимой. Согласно [5] до 1969 г. формирование полярных мезоциклонов традиционно приписывалось термической неустойчивости. Затем в ряде работ был сделан вывод, что для их образования существенны бароклинные возмущения [6].
Наряду с бароклинной неустойчивостью для формирования полярных мезоциклонов существенными являются условия для проявления конвективных режимов [5, 7-9]. Так, в [7, 8] сделан вывод о формировании ПМЦ в результате бароклинной неустойчивости при слабой статической устойчивости в нижней тропосфере, когда холодный воздух нагревается, втекая вокруг крупномасштабного циклона в область с теплой океанической поверхностью.
Следует отметить, что в различных арктических и антарктических регионах относительная роль разных факторов в формировании ПМЦ (в том числе конвекции, бароклинности, адвекции циклонической завихренности, орографического форсинга) различна [1]. Бароклинный форсинг ответствен за генерацию большинства вихрей, затем становятся важными другие процессы. Конвекция играет ключевую роль в Северном полушарии, где турбулентные потоки явного и скрытого тепла могут отличаться на порядок в различных регионах, например в Баренцевом море, в районе полярного фронта. В Южной полярной области потоки на поверхности относительно малы. Перепад температуры на мор-
Рис. 1. Полярные мезоциклоны спиралевидной формы 20 марта 2002 г. (а - размер А около 520-540 км) и в форме запятой 20 января 2002 г. (б - размер Б около 430-450 км) в районе Баренцева моря на снимках со спутников NOAA-14 и NOAA-15 соответственно.
ской поверхности и приповерхностного воздуха в антарктических широтах никогда не достигает величин, проявляющихся в Арктике. Мезовихри над Южным океаном имеют много общих черт с мезо-циклонами, отмеченными в северной части Тихого океана, где конвекция играет ограниченную роль. В свою очередь, в Арктике орография играет относительно слабую роль по сравнению с прибрежными
районами в Антарктике, за исключением окрестности Гренландии.
Интенсивные ПМЦ вызывают экстремальные погодные условия, штормовые волнение и ветер, обледенение судов и сооружений, снежные заряды. Учет экстремальных ситуаций, связанных с ПМЦ, важен при проектировании и строительстве промышленных объектов в высоких широтах и для обеспечения морских транспортных операций.
На рис. 1 приведены примеры определения горизонтального размера мезомасштабных вихрей различных типов по данным спутниковых изображений облачности с указанием величины диаметра вихрей. Выделяют разные типы ПМЦ, в том числе в форме спирали (рис. 1а) и запятой (рис. 16). Полярных ме-зоциклонов спиралевидной формы (ПМЦ-С) меньше, чем ПМЦ типа запятых (ПМЦ-3). ПМЦ-С имеют подобно тропическим циклонам (тайфунам) "глаз". Но ни один из известных ПМЦ не имел столь большой скорости ветра или столь низкое давление в центре, как у тропических циклонов [1].
В данной работе проведен анализ параметров арктических мезоциклонов по имеющимся эмпирическим данным [10-13] для последних десятилетий двадцатого столетия, включая анализ особенностей годового хода и межгодовой изменчивости вихревых образований различных типов, функций распределения в зависимости от размеров, их изменений [14, 15].
ДАННЫЕ
При анализе использовался архив изображений 253 мезомасштабных вихревых образований, зафиксированных над акваторией Северо-Европейского бассейна, Баренцева и Карского морей (рис. 2) за период 1981-1995 гг. Эти данные получены на основе спутниковой информации об облачном покрове, полусферных и глобальных архивов аэрометеорологической информации, дополненных результатами прямых метеорологических, гидрологических и ледовых измерений [12]. При анализе, кроме спутниковых данных об облачности, использовались четырехсрочные в сутки карты погоды и карты барической топографии Н-500 из архива Арктического и Антарктического научно-исследовательского института Росгидромета и данные реанализа КСЕР/КСЛЯ [16] и Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В отличие от геострофического режима с балансом градиента давления (р-1(ЭР/Эг)) и силы Корио-лиса /V) для интенсивных полярных мезоциклонов существенна роль центробежной силы (Р/г) в уравнении
Р2/г + /V = р-10Р/Эг), (1)
где /= 2ю8т ф - параметр Кориолиса, ю - угловая скорость вращения Земли, ф - широта, р - плотность, V- скорость, Р - давление, г - радиус кривиз-
82N 80N 78N 76N 74N 72N 70N 68N 66N
20W 10W 0 10Е 20Е 30Е 40Е 50Е 60Е 70Е
1 2 3
Рис. 2. Распределение мезомасштабных вихревых образований над акваторией Северо-Европейского бассейна, Баренцева и Карского морей для периода 1981-1995 гг. (3 градации соответствуют числу случаев от 1 до 3).
ны. Для геострофических вихрей в пренебрежении центробежной силой
fV = p-10P/3r). (2)
При этом (Ro = Vc/fc) < 1) перепад давления между периферией и центром циклона ДРС (интенсивность циклона) пропорционален характерной скорости циклона Vc и его размеру (радиусу) rc:
р-1ДРс ~ V- (2а)
Для другого асимптотического режима, когда несущественна сила Кориолиса (Ro = Vc/(frc) > 1), для циклострофических вихрей
V2/r = р-1(ЭР/Эг). (3)
При этом для циклострофических вихрей характерна пропорциональность перепада давления между периферией и центром циклона ДРС и квадрата
т/2
скорости Vc:
Р-1ДР ~ V2. (3а)
Для промежуточного режима при условии сопоставимости силы Кориолиса и центробежной силы (Ro = Vc /(frc) ~ 1)
V2/r ~ fV. (4)
При этом в приполярных широтах c sin ф ~ 1 характерный радиус циклона rc с характерной скоростью Vc порядка Vc/2to. Подобные вихри промежуточного режима между геострофическими и цикло-
строфическими вихрями можно назвать циклогеострофическими [17].
ПМЦ - это циклогеострофические вихри. Анализ данных [18] свидетельствует о том, что для ПМЦ Яо ~ 1 [17]. При скоростях порядка 15-30 м/с характерный диаметр полярных мезоциклонов, согласно (4), порядка 150-600 км. Меньший размер ПМЦ по сравнению с тропическими ураганами связан с большими значениями параметра Кориолиса в высоких широтах [9, 19].
В табл. 1 приведены среднемесячные значения повторяемости (число циклоно-дней) интенсивных вихревых образований разного типа и их суммарной повторяемости в атмосфере Северо-Европейского бассейна для всего периода 1981-1995 гг.
Согласно табл. 1 над Северо-Европейским бассейном среднегодовая повторяемость ПМЦ-З более чем вдвое превышает повторяемость ПМЦ-С. Максимальная повторяемость (до 4-х циклоно-дней в декабре, в том числе до 3-х дней с интенсивными ПМЦ типа запятых) отмечена зимой и весной. Летом ПМЦ обоих типов практически не отмечались. В среднем за год интенсивные арктические мезо-циклоны (арктические ураганы) проявляются над Северо-Европейским бассейном в течение одного дня в месяц в виде ПМЦ-З и вдвое реже в виде ПМЦ-С.
В та
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.