Синоптическая интерпретация атмосферных процессов в горах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.09, доктор географических наук Русин, Игорь Николаевич

• Русин, Игорь Николаевич
• доктор географических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор географических наук Русин, Игорь Николаевич

Введение.

1 .Атмосферные процессы и осадки в горах. ^

1.1. Усиление осадков в горах: пространственно-временные масштабы явления. ' ^

1.2. Взаимосвязи характеристик осадков теплого периода в горах. Л

1.3. Особенности вертикальной структуры атмосферы в горах. Ь

1.4. Основные сведения о воздействии гор на циркуляцию окружающей атмосферу. ^ ^

1.5. Выводы.

2.Количественное описание рельефа применительно к решению метеорологических задач,

2.1 .Подготовка данных о высотах рельефа.

2.2. Вопросы учета уклона метеорологически значимого рельефа. ^

2.3. Семантический анализ и типовые конфигурации метеорологически значимого рельефа. ^ ^

2.4. Выводы.

3. Влияние свойств воздушной массы и рельефа на формирование д 5~ конвективных осадков. *

3.1. Зависимость физических характеристик облачности и осадков от мощности кучевых облаков. ^ ^

3.2. Оценка толщины облаков для параметризации их характеристик. >

3.3. Учет характеристик ансамблей кучевых облаков. '1 ^.

3.4. Условия образования мощных кучевых облаков в однородной воздушной массе. ! X 5Г

3.5. Совместимость условий выпадения ливневых осадков. I

3.6. Выводы. 4ТО

4. Вертикальные скорости в пограничном слое атмосферы над горным регионом,

4.1 Формирование доля давления и вертикальных токов в горных районах.

4.2. Эффективная высота рельефа в задачах разного масштаба. 4 &с/

4.3. Анализ влияния рельефа на приземное давление и воздушные потоки над Т- унтерами,

4.4. Выводы.

5. Зависимость влажности от рельефа,

5.1. Уравнение баланса водяного пара в атмосфере над горами и его замыкание.

4ЪЧ Л

5.2. Зависимость влажности от высоты рельефа при упрощенном варианте уравнения баланса п а •

5.3. Влияние двумерной структуры рельефа на положение зон конденсации. Ы

5.4. Зависимость сумм осадков теплого периода от характеристик рельефа

5.5. Выводы> Заключение Литература.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синоптическая интерпретация атмосферных процессов в горах»

Актуальность проблемы.

Рассматриваемый в диссертации круг вопросов составляет узловую часть проблемы географической зональности. Суть ее - вопрос о факторах, определяющих зональность географической среды, и о характере их влияния. Исследования в этой области особенно актуальны сейчас, когда рост численности населения и технологические достижения превратили человечество в фактор планетарного масштаба.

В.В. Докучаев выделил астрономические факторы зональности (орбитальные характеристики и форму Земли). В дальнейшем A.A. Григорьев и М.И. Будыко ввели в рассмотрение соотношение радиационного баланса (R) и затрат тепла на испарение выпадающих осадкор (Lr) - радиационного индекса сухости. Изолинии R/Lr в равнинных районах согласованы с границами основных природных зон. Вместе с тем имеется множество ситуаций, вскрытых в трудах русских ученых и в особенности М.А.Петросянца, которые связаны с архитектурой и дислокацией горных стран и еще требуют изучения степени их подчиненности действиям закона географической зональности.

В качестве инструментария для такого исследования в настоящее время еще не возможно в полной мере использовать математическое моделирование, ввиду крайней сложности и многомасштабности процессов, которые требуется учесть при изучении влияния рельефа на осадки. Кроме того, необходимо постоянно иметь в виду, что практическая деятельность по прогнозу погоды в горах не может быть основана только на результатах численных прогнозов, но требует методического обеспечения синоптической интерпретации всего комплекса данных о географическом объекте, включая особенности рельефа.

Невозможно ограничиться и чисто эмпирическим подходом, Наиболее многочисленные инструментальные наблюдения в горах производятся за атмосферными осадками. Применяемые методы оценки осадков вне точек наблюдения основаны на использовании либо данных ближайшего к интересующей точке осадкомерного поста, либо карты изогнет суточных сумм осадков, составленной для района. Оба метода допускают большие погрешности, так как осадки в горах отличаются большой пространственной неоднородностью, а имеющаяся сеть метеостанций и осадкомерных постов в горах недостаточна и нерепрезентативна. На Кавказе, где метеорологическая сеть является одной из лучших в горных территориях, около 65% постов расположены ниже 900 м, еще 34% постов расположены от 900 до 2500 м и только менее 1 % выше 2500. Посты оснащены осадкомерными приборами, имеющие разные уровни погрешности. Кроме того, они весьма неравномерно распределены и по элементам горного рельефа. Основная часть осадкомеров находится вблизи дна долин. Склоны и вершины освещены гораздо хуже.

Основное внимание в работе уделено вопросам оценки ливневых осадков. Атмосферные осадки являются одной из характеристик климата, внимание к которой если не растет, то, по крайней мере, никогда не ослабевает. Относясь к явлениям, влияние которых на деятельность человеку и окружающую его среду наиболее велико и может проявляться как в положительном, так и в отрицательном смысле, они постоянно привлекают внимание экологов, гидрологов и метеорологов. Признано, что, несмотря на постоянно возрастающую потребность населения земного шара в воде, важнейшая приходная составляющая водного баланса -атмосферные осадки - известна еще недостаточно точно. Особенно велики погрешности определения характеристик осадков в горных областях.

На основании имеющейся информации уже выявлен ряд особенностей в распределении осадков в горах. Показано, что количество осадков зависит от высоты местности, от ориентации хребтов по отношению к влагонесущим массам воздуха, от доступности форм рельефа а также от особенностей синоптических процессов, обусловленных преобразованием мезомасштабной циркуляции атмосферы под действием рельефа. Механизм влияния рельефа на осадки ливневого характера не вскрыт, а предложенный Бьеркнесом механизм стимулирования горами обложных осадков опирается на этот необъясненный пока механизм.

Цель диссертации состоит в том, чтобы, привлекая результаты исследований динамики горной атмосферы, результаты статистических исследований поля рельефа, результаты по физике образования конвективных облаков, а также на факты, обнаруженные синоптическими и климатологическими методам выявить причинно-следственные связи, приводящие к влиянию рельефа на формирование ливневых осадков в горах. При этом было необходимо также разработать методы комплексной интерпретации данных о рельефе совместно с синоптическими оценками, климатическими характеристиками и результатами численного моделирования атмосферных процессов.

Основное внимание обращено на горы, находящиеся на территориях, которые традиционно находятся в сфере интересов ученых России - это горные массивы Кавказа, Тянь-Шаня, Карпат, а также горы развивающихся стран Азии и Африки (Эфиопия, Сирия, Индокитай). Рассматриваются ливневые осадки теплого периода, так как именно они дают основной вклад в сумму и вызывают основную массу опасных явлений природы в горах (селевые потоки, паводки, наводнения, образование суховеев, засух и пустынь).

Задачи исследования

- Определить пространственно-временные масштабы, на которых проявляется влияние рельефа на осадки, систематизировать сведения об изменениях под влиянием гор метеорологических величин, определяющих условия осадкообразования и уточнить характеристики осадков, существенно изменяющиеся в горных условиях.

- Выявить характерные особенности рельефа, учет которых существенен при анализе процессов ливнеобразования в горных регионах, разработать метод построения цифровой модели рельефа, адекватно отражающей эти особенности района.

- Проанализировать основные факторы, определяющие особенности образования и повышенную интенсивность и продолжительность ливневых осадков в горах и разработать метод их расчета, ориентированный на использование, по возможности, наименьшего объема в основном приземных метеорологических данных.

- Разработать метод оценки воздействия горного рельефа на поле атмосферного давления для использования при рйСЧСТ^ мезомасштабных вертикальных скоростей в горном пограничном слое, использующий минимальный объем информации, доступной исследователю при составлении прогностических или климатологических оценок,

- Создать метод оценки горизонтального перераспределения влажности в пределах горной области. Найти теоретически обоснованную форму зависимости метеорологических величин, определяющих сумму осадков за некоторый промежуток теплого периода, от параметров рельефа.

Объект исследования.

Представляется актуальным и познавательно важным для физической географии свести выше указанную совокупность задач к следующей совокупности блоков вопросов, ответ на которые составляет суть проблемной ситуации и формулу защиты:

1. Имеется ли возможность синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах на основе использования достижений динамической метеорологии, физики пограничного слоя и количественного анализа неизбежно ограниченного объема данных, доступных для использования в оперативной практике синоптика и для климатологических обобщений?

2. Какие процессы необходимо учитывать и какова система приоритетов использования данных наблюдений и методов численного моделирования пространственно-временной неоднородности метеорологических полей при учете возмущающего влияния рельефа?

3. Каковы в условиях неизбежной ограниченности исходной информации от сети приземных горных метеорологических станций пути описания наиболее метеорологически значимых процессов и параметрического учета стратификации атмосферы в горах?

4. Какие особенности кинематики ветра, распределения ливневых осадков и показателей увлажненности территории должен в первую очередь учитывать специалист, работающий в условиях влияния горного рельефа на пространственно-временную неоднородность метеорологических полей?

5. Каковы возможности учебно-методического и практического развития, внедрения и использования синоптической интерпретации ливневых осадков в условиях горных стран Мир

Методика исследования

Исследование проводилось; а) путем теоретического анализа результатов метеорологических наблюдений, численных экспериментов и анализа теоретических выводов других исследователей; б) на основе собственных численных экспериментов автора по расчетам осадков и метеорологических величин, определяющих осадки, для Северо-запада РФ, Кавказа, Северной Африки, Аравийского полуострова и Индокитая; в) на основе обработки данных о рельефе.

Научная и практическая значимость.

Исследование законов пространственного распределения гидрометеорологических характеристик в горах является важной научной и значимой практически проблемой. С одной стороны, оно содействует раскрытию структуры гидрометеорологических полей и их связи со структурой рельефа территории, а значит, может быть обеспечено только путем углубления знаний о законах формирования природных явлений. Этим оно способствует развитию науки. С другой стороны, оно содействует повышению надежности сведений о распределении по территории гидрометеорологических показателей. Это важно для совершенствования прогноза погоды в горах, а также имеет кадастровое значение, обеспечивая уточнения оценок объема водных ресурсов и уязвимости природной среды,

Одной из наиболее сложных практических проблем является учет влияния рельефа на атмосферные осадки. Важность ее в возможности на основе более надежной оценки осадков лучше рассчитывать речной сток, знание режима которого необходимо при проектировании и строительстве оросительных систем, гидротехнических сооружений и осуществлении разного рода водохозяйственных мероприятий. Заблаговременное и надежное предсказание ожидаемого объема половодного или паводкового стока нц основе более достоверной информации о режиме осадков, распределенных по бассейнам горных рек, - один из важнейших практических результатов работы.

Количественные связи осадков и рельефа необходимы также для решения актуальных вопросов развития пастбищного животноводства, строитедьства и эксплуатации сооружений, прокладки сетей коммуникаций и связи в горных условиях.