УДК 551.515.1.001.572(262)
Моделирование эволюции серии средиземноморских циклонов с помощью региональной модели атмосферы
А. А. Лаврова*, Е. С. Глебова*, И. В. Тросников*, В. Д. Казначеева*
В связи со сложной орографией и присутствием насыщенного влагой воздуха Средиземноморский регион характеризуется повышенной бароклин-ной и конвективной неустойчивостью, что приводит к внезапному циклогенезу и возникновению опасных явлений погоды. Приводятся результаты исследования механизмов образования средиземноморских циклонов, особенностей этапов их эволюции и динамических процессов, происходящих при этом в толще атмосферы, с помощью региональной численной модели атмосферы ЕТА на примере отдельных случаев циклогенеза над Средиземным морем. Показано, что циклогенезу благоприятствует вторжение холодного арктического воздуха на юг Западной Европы, приводящее к формированию областей бароклинной неустойчивости и повышенного влагосодержания воздуха в районе зарождения вихря. В результате использования в модели вертикальной координаты ^ удалось более точно рассчитать вертикальную скорость ветра, поэтому ярко проявилось влияние орографии на увеличение влагосо-держания и количества осадков. Рассмотрено преобразование структуры метеорологических полей в ходе развития вихрей. Произведено вычисление спиральности и показано, что эта характеристика может являться одним из самых ранних предикторов циклогенеза.
1. Введение
Средиземноморские циклоны, зарождаясь в пределах региона Средиземного моря, оказывают существенное влияние не только на погоду и климат самого региона, являясь причиной опасных явлений погоды, таких как сильные осадки, наводнения, штормовые ветры, оползни, грозы и т. п., но также и на погоду регионов, расположенных в Центральной и Восточной Европе (Венгрия, Румыния, Россия, Украина), и в странах передней азии (Турция, Сирия, Ирак) [9]. особенностью средиземноморских циклонов является внезапное обострение процессов циклогенеза, обусловленного географическими особенностями региона с его сложной орографией (Альпы, Балканы, Малая Азия), присутствием насыщенного влагой средиземноморского воздуха, что способствует повышенной бароклинной неустойчивости, интенсивному выделению скрытого тепла, увеличению температурных контрастов и часто приводит к интенсивному возникновению
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail:
особо опасных явлений при отсутствии соответствующего прогноза этих явлений.
Средиземноморские циклоны, проникающие на территорию России и Украины, в отечественной литературе принято называть "южными" циклонами. Именно эти циклоны дают практически самые обильные осадки [2], как те, что имели место на европейской территории России в феврале 2006 г. или в августе 2008 г., вызвав сильнейшие наводнения на Украине и в Молдавии и принеся немалые бедствия. Поэтому исследование средиземноморских циклонов является достаточно актуальным для России.
Учитывая социальные и экономические последствия средиземноморских циклонов, Европейские страны ежегодно проводят международные конференции, касающиеся изучения, моделирования и прогнозирования южных циклонов. В 2000 г. был открыт международный проект "Средиземноморские штормы", в рамках ВМО существует проект MEDEX (Средиземноморский эксперимент), посвященный вопросам климатологии средиземноморских циклонов, физическим и динамическим факторам их возникновения применительно к проблеме прогноза циклонов и связанных с ним неблагоприятных условий погоды.
Целью данного исследования является выявление механизмов образования средиземноморских циклонов, особенностей этапов их эволюции и рассмотрение динамических процессов, происходящих при этом в толще атмосферы, с помощью моделирования отдельных случаев циклогенеза над Средиземным морем, используя региональную численную модель атмосферы ЕТА, высокое пространственное разрешение которой позволяет более детально изучить области бароклинной неустойчивости.
2. Описание модели, исходные данные, методика анализа
Данная работа представляет собой синтез моделирования и синоптического анализа. Были проанализированы ежедневные синоптические карты английской Метеорологической службы за 2002—2006 гг. и определены случаи возникновения средиземноморских циклонов.
На рис 1 представлено число циклонов, наблюдавшихся в течение каждого месяца за каждый год. Всего было зафиксировано 84 циклона. Видно, что максимальное число циклонов за месяц (до 3—4 выходов) отмечается именно в зимний сезон, когда происходит активизация Средиземноморской фронтальной зоны. 2004 г. отличался значительной активностью южных циклонов, что отразилось на количестве осадков. По данным Гидро-
N-П-П-П-П---
3
2 - п " " гт п -п -гг
° III VI ГХ ХТГ ТТТ УГ ТХ XII ТТТ VI ТХ XII ТТТ УТ IX ХТТ III VI тх хтт 2002 г. 2003 г, 2004 г. 2005 г, 2006 г.
Рис. 1. Число южных циклонов И, вышедших на Европейскую территорию России с 2002 по 2006 г.
метцентра России, в Москве за январь выпало 210% месячной нормы (наблюдалось 3 южных циклона), в летний период на европейской территории России осадки в 1,5—2 раза превышали норму, в то время как осенью 2005 г., когда не было зарегистрировано ни одного южного циклона, отмечался дефицит осадков на всей европейской территории.
Из всех рассмотренных случаев были выбраны несколько наиболее интересных для дальнейшего моделирования с помощью региональной модели ЕТА, адаптированной к бассейну Средиземного моря и территории Восточной Европы.
Особенностями региональной модели ЕТА является высокое пространственное разрешение (0,2° по горизонтали, 45 уровней по вертикали) и использование вертикальной координаты q, введение которой позволяет более точно учесть рельеф подстилающей поверхности и рассчитывать вертикальные потоки, что в свою очередь повышает точность расчета количества осадков [4]. Следует заметить, что модель ЕТА неоднократно использовалась для исследования средиземноморского циклогенеза как разработчиками [7], так и другими специалистами [10]. При моделировании синоптической ситуации и условий циркуляции в атмосфере над бассейном Средиземного моря целесообразно использовать именно региональные модели атмосферы, поскольку в них более тонко описывается подстилающая поверхность. Как показали результаты исследований средиземноморских циклонов, значительную роль в их зарождении играет обтекание потоком горных хребтов (в частности, Альп). В большинстве глобальных моделей атмосферы сохраняется "объем" горного препятствия, в то время как его высота обычно существенно занижается. Поскольку вершины горных хребтов нередко задерживают воздушные потоки, влияя на средиземноморский циклогенез, подобная деформация рельефа может привести к существенным ошибкам в расчетах. В модели ЕТА рельеф представлен в виде сеточных параллелепипедов, высота которых близка к фактической высоте гор.
В качестве начальных данных и граничных условий использовались глобальные поля анализа и прогноза NCEP с разрешением 1 [11]. Граничные условия в модели обновляются каждые 6 ч, в результате чего возникающие при интегрировании ошибки, связанные с неточностью начальных данных, не выходят за пределы допустимой величины, а сама модель получает свежую информацию о меняющихся условиях циркуляции из глобальной модели.
Выходные данные модели включают анализ и прогноз основных метеорологических величин (давления, геопотенциала, температуры, влажности воздуха, скорости ветра) на разных высотах, с помощью которых можно оперативно вычислять более сложные динамические характеристики циклогенеза, такие как потенциальная завихренность, индекс бароклинной неустойчивости, спиральность и другие.
По прогностическим полям на первые сутки прогноза через каждые 6 ч строились следующие карты: приземного давления с накопленными за 6 ч осадками, скорости ветра в приземном слое и на высоте 10 м, поля Н850 с изотермами и Н500 с относительной топографией, зональной и меридиональной компонентов скорости ветра на изобарических поверхностях 500 и 250 гПа с положением струйных течений, интегральной влажности, за-
вихренности на поверхностях 500 и 850 гПа (С = dv/dx - du/dy), потенциальной завихренности:
de
PV = Cef Яй, (1)
dz
где Се — завихренность на изэнтропических поверхностях, f — параметр Кориолиса, de/dz — вертикальный градиент потенциальной температуры.
Для анализа бароклинной неустойчивости в слое атмосферы был рассчитан индекс Иди по формуле из [6]:
сЕ = 0,31f —, (2)
N dz
где аЕ — индекс Иди, du/dz — вертикальный градиент скорости ветра, N =
1 de „
=---параметр статической устойчивости. Отрицательное значение ин-
й dz
декса Иди свидетельствует о наличии бароклинной неустойчивости в слое, что может являться одной из основных причин зарождения и дальнейшего развития циклона. Для анализа вертикальной структуры метеорологических полей были построены разрезы температуры, скорости ветра, влажности и завихренности через центры циклонов и их фронтальные зоны.
Для диагностики крупномасштабной вихревой неустойчивости использовалась также такая величина, как относительная спиральность
Hs = jj (V - V) I - (U - U) | }dz. (3)
Здесь h — высота слоя до изобарической поверхности 700 гПа; U и V — компоненты ветра в циклоне, U и V — компоненты скорости ветра, осред-ненной в слое от поверхности земли до высоты h с учетом скорости вовлечения [5, 6]. В каждой точке сетки модели, где вычисляется ветер, производилось осреднение значений составляющих скорости ветра с применением весовых коэффициентов по столбу атмосферы от уровня 150 гПа над поверхностью до изобарической поверхности 300 гПа. Затем осуществлялся расчет движения вихря путем поворота вектора скорости ветра направо и корректировки ее модуля. Если осредненная скорость ветра была меньше 15 м/с, то вектор поворачивался на 30°, а модуль скорости перемещения вихря составлял 75% значения модуля средней скорости. Если же осредненная скорость ветра превышала 15 м/с, то вектор поворачивался на 20°, а модуль скорости перемещения вихря достигал 80% значения средней скорости.
Для каждой моделируемой ситу
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.