Пірнаючі циклони над Україною

"Пірнаючий" циклон - позатропічний циклон, що характеризується особливою траєкторією, як правило, з півночі на південь і високою швидкістю переміщення.

Термін "Пірнаючий" пов'язаний із зовнішнім сприйняттям географічної карти: все, що на півночі - вгорі, все, що на півдні - внизу.

Циклон, на великій швидкості - 50 км/ч хоч би - що уривається з півночі на південні території асоціюється з чимось, що повалилося зверху або що "упірнув". Хороша швидкість переміщення циклону зазвичай супроводиться явищами погоди, характерними для фронтів, на яких, загалом і тримається циклон (а попереду завжди теплий фронт: дощ, вітер, часто гроза (якщо теплий період). Різке падіння атмосферного тиску - за визначенням.

В разі "пірнаючого" циклону всі його частини знаходяться із зрушенням на 90° відносно "звичайного" (рухомого із заходу на схід) циклону: передня частина і теплий фронт на півдні (а не сході), теплий сектор - на заході (а не півдні), тилова частина - на півночі і північному сході (а не заході і північному заході). У ряді випадків за "упірнаючим" циклоном слідує ультраполярное вторгнення (обвал холоду із півночі та схожу і вихід арктичного антициклону або гребеня високого тиску з півночі).

Для Європейської території СНД траєкторії "упірнаючих" циклонів проходят частіше всього:

від Баренцева морить через Фінляндію і захід центру Європейської території Росії на нижній Дон;

від мису Канін ніс через Корів на Татарстан і далі на пониззя Уралу;

від Північного моря через Ськагерраксий проливши і Польщу на нижній Дунай і далі на Курдестан.

Характерна синоптична ситуація при цьому - блокада зі сходу західного перенесення потужним антициклоном. При цьому зазвичай присутній ще один антициклон з центром на північному заході Європи, частенько це відріг від Гренландського максимуму. Чим східніше траєкторія "упірнаючого" циклону, тим більше холодна повітряна маса втягується в його циркуляцію. Такі циклони в холодну частину року рідко в теплих секторах несуть відлигу. Переважно сніг, у теплому секторі циклону часто мокрий. Наголошуються обширні зони завірюх.

Дуже красивий циклон зародився в районі Гудзонової затоки в 3 декаді жовтня 1969 року. По потоку промайнув за добу до Ісландії, за другу - до півдня Норвегії. Синоптики ЮЗ ЕТС нічого в цьому не побачили.

проте, до ночі Гродно, Ліда, Берестя, Калінінград відзначили пориви 20-24. До ранку 27 жовтня циклон вже тіпав Балтіку.

Україна переполошилась - волинські синоптики забили на сполох.

До вечора того дня весь ЮЗ ЕТС був в зоні штормового вітру.

Тиск 970 мб.

Найнеприємніше - перенесення часток грунту (слабка запорошена буря) для степів України до початку опадів.

А ще не приємне - почався перекіс моря в результаті зганяння води.

Сиваш і все українське приазов’є оголилося на 5 метров - вода по Азову пішла на Кубань.

Кубань затопило - море наблизилося на 0,2-5 км. (там болота, лимани, так що вода легко заходила).

У Карпатах поваляло силу-силенну лісу.

Цей тип циклонiв вiдноситься до складних в прогнозуваннi синоптичних процесiв, що виправдовує необхiднiсть пошуку нових методик їх дослiдження.

Оцiнки балансiв кiнетичної i вихревої енергiї показали, що iнтегральнi запаси вихревої енергiї збiльшуються в процесi розвитку циклону i складають вiд 30 до 78% повної кiнетичної енергiї. Приток вихревої кiнетичної енергiї в циклон здiйснюється в основному за рахунок адвентивного фактору, а також в результатi переходу доступної потенцiальної енергiї в кiнетичну, при цьому перший фактор домiнує в фазi початкового розвитку, а другий - в перiод заповнення циклону, що є характерним для початку розвитку висотного циклону.

2. Актуальність та ступінь дослідженості тематики

Пірнаючі циклони суттєво відрізняються від інших позатропічних вихорів синоптичного масштабу за деякими критеріями. Понад усе, це складний характер еволюції пірнаючих циклонів, які часто виникають над малоосвітленими метеорологічними даними районами Північної Атлантики, а потім швидко переміщуються в південні райони Східної Європи. В області впливу пірнаючих циклонів відмічаються несприятливі погодні умови - штормове посилення вітру, тривалі хуртовини і пильові бурі, різке зниження температури повітря. Для території України пірнаючі циклони - достатньо рідке явище (за середніми багаторічними даними біля трьох циклонів на рік), що додатково відбивається на слабкий вивченості цих атмосферних об'єктів.

Нечисленні роботи за досліджуємою тематикою було виконано в основному в 50-60-х роках з використанням синоптико-кліматичного підходу, що дозволило отримати ряд важливих результатів про повторюваність, типові траєкторії, структуру термобаричних полів і погодні умови, пов'язані з пірнаючими циклонами. Однак, принципово важливі сторони фізичного механізму виникнення і еволюції пірнаючих циклонів залишаються поки нез'ясованими, що потребує застосування інших методів їх дослідження. Одним з таких методів, який запропонований в даній роботі, є енергетичний підхід, який стосовно пірнаючих циклонів раніше не використовувався. Отримані в роботі результати дозволили суттєво розширити сучасне уявлення про фізичний механізм еволюції цього типу атмосферних процесів.

3. Виявлення пірнаючих циклонів на території України

Стосовно території України дані про структуру пірнаючих циклонів, отримані автором з аналізу аеросиноптичного матеріалу за 20-річний період (1970-1989 роки). В холодне півріччя (жовтень-березень) за вказаний період було виявлено 59 випадків пірнаючих циклонів, що переміщувалися територією України, з них 51 випадок належить до циклонів північно-західного типу траєкторій (I тип), 7 випадків - до північного (II тип) і 1 випадок - до ультраполярного (III тип). Для з'ясування найбільш сприятливих умов виникнення і переміщення пірнаючих циклонів була застосована відома класифікація макроциркуляційних процесів А.Л. Каца. При цьому виявлено, що пірнаючим циклонам в рівній мірі відповідають процеси, що спостерігаються при змішаній і західній формах циркуляції (48 і 52% випадків відповідно) з переважанням меридіональній орієнтації висотних гребенів і улоговин. Виявлено, що ці ж форми циркуляції можуть спостерігатися і при відсутності пірнаючих циклонів (листопад-грудень 1978-79 рр). У зв'язку з цим для уточнення макропроцесів, сприятливих до виникнення пірнаючих циклонів, додатково пропонується використовувати параметри довгих хвиль Россбі (довжина (L), амплітуда (А), довгота (λ) розташування висотного гребеня, широта (φ) основи хвилі). Осереднені за 59 випадками вказані вище параметри хвилі Россбі мають такі значення: L=82 град. довготи; А=10 град. широти; λ=3 град. з. д.; φ=45 град. півн. ш. В випадках, коли пірнаючі циклони були відсутні, але при наявності сприятливої форми макроциркуляції, відхилення від осереднених параметрів в 2-3 рази перевищують відповідні відхилення при переміщенні пірнаючих циклонів на територію України. Таким чином, використання комплексу макроциркуляційних параметрів атмосфери дозволяє більш об'єктивно оцінити вирогідність виникнення або відсутності пірнаючих циклонів в конкретному географічному регіоні, ніж при традиційному синоптичному аналізі.

Для ідентифікації типів пірнаючих циклонів пропонується використовувати такі гідродинамічні характеристики як: адвекція вихору (АΩ) і температури (Ат), дивергенція швидкості (D), вертикальна ізобарична швидкість (τ). При цьому вказані характеристики осереднялись за центральною частиною циклонів, а також за площею, що перевищує вихора (для врахування впливу гідродинамічної структури фону, на якому еволюціоніровали пірнаючі циклони). Додатково проводиться також осереднення за часом, відповідному періоду існування конкретного циклону. В результаті на прикладі 8 випадків показано, що:

найбільш показовим параметром для розмежування різних типів пірнаючих циклонів є фонова адвекція вихора, у тий час як для центральних частин циклонів значення АΩ ідентичні для всіх трьох типів, тобто процес еволюції пірнаючих циклонів в значній мірі визначається динамічною структурою оточуючого їх фону;

пірнаючим циклонам усіх типів відповідає "нестандартний" для позатропічних циклонічних утворень характер вертикального розподілу адвекції температури, а саме: наявність значної адвекції холоду в середній тропосфері (-1.3 - 5.1⋅10-5 К⋅с-1 в центральній частині), і перевищуючої її в 2-3 рази адвекції тепла в верхніх шарах (2.9 - 8.8⋅10-5 К⋅с-1);

вертикальний розподіл дивергенції і вертикальних токів однозначно не відображують специфіку того чи іншого типу пірнаючих циклонів, однак можуть бути корисними при діагнозі циклогенезу, оскільки вони достатньо добре реагують на інтенсивність процесу. Так, найбільш інтенсивні циклони I типу мають класичну вертикальну структуру дивергенції і вертикальних токів: конвергенція в нижніх шарах (-0.23⋅10-5 с-1) і дивергенція - у верхніх (0.53⋅10-5 с-1) при наявності квазібездивергентного рівня поблизу поверхні 500 гПа з максимумом висхідних вертикальних токів (-6.19 гПа/12 год). В слабко-розвинутих циклонах II і III типів спостерігається аномалія в розподілі розглядаємих характеристик, а саме: конвергенція в нижній і верхній тропосфері і наявність низхідних вертикальних токів в середній. В цілому, додаткове притягнення кількісних гідродинамічних характеристик суттєво покращує об'єктивність методу ідентифікації різних типів пірнаючих циклонів, ніж при звичайному якісному синоптичному аналізі.

4. Аналіз енергетики і вологовмісту пірнаючих циклонів

Рівняння балансу питомої кінетичної енергії (К) і масової частки водяної пари (q) в ізобаричній системі координат, які використовуються в аналізі, мають вигляд:

Просторові похідні в рівняннях балансу апроксимірувались за схемою Шумана, а інтегрування проводиться за формулою трапецій.

Результати аналізу енергетики і вологовмісту пірнаючих циклонів, що знаходились в фазі максимального розвитку:

досліджувались три пірнаючих циклони, відповідно типовим траєкторіям:

I тип - 16-19 грудня 1985 р.,

II - 13-16 листопада 1988 р.,

III - 24-27 лютого 1980 р.

Циклони, що розглядались, на момент свого максимального розвитку були розташовані: циклон I типу (18.12.85 р) - дещо на північ від Азовського моря;

циклон II типу (15.11.88 р) - над північними районами України;

циклон III типу (25.02.80 р) - над Середнім Уралом.

Незважаючи на достатньо широку широтну смугу розташування циклонів, макроциркуляційні умови для усіх випадків були схожі. Так, інтенсивність висотної фронтальної зони на широті розташування циклонів в кожному випадку складала 36 дам/1000 км, а горизонтальні відстані між приземними центрами циклонів і відповідними їм центрами на рівні АТ-500 гПа складали всього 3-4 градуси меридіану, тобто циклони в розглядаємі дати представляли собою вихори з квазівертикальними вісями. Вологістно-енергетичні характеристики осереднювались за площею S, яка свідомо перевищувала розміри циклону, включаючи до себе вплив фону; за площею S1, відповідній центральній частині вихора, а також за складаючими його частинами - передній Sп і тиловій Sт. Області Sп і Sт визначалися в залежності від напрямку пересування циклонів і почасти включали до себе вплив фону. Шар атмосфери 1000-100 гПа був розбитий на 5 збільшених шарів, які характеризують процеси різних шарів тропосфери: 1000-850, 850-700, 700-500, 500-300 і 300-100 гПа. Додатково розраховувались інтегральні характеристики балансів К і q в шарах 1000-700, 1000-300 і 1000-100 гПа.

В результаті аналізу складових балансів кінетичної енергії і вологовмісту встановлено, що:

найбільші інтегральні запаси кінетичної енергії мав циклон I типу (11.88⋅ ⋅10-5 Дж/м2), а найменші - циклон II типу (6.47⋅10-5 Дж/м2). Максимум енерговмісту відмічався в тиловій частині циклонів I і III типів і передній - в циклоні II типу;

приплив кінетичної енергії за рахунок дивергенції горизонтального потоку (К2>0) відбувався в основному крізь західну і північну межі вихорів з перевагою того чи іншого напрямку в залежності від типу циклона, а відтік - переважно крізь східну межу в циклонах I і II типів, і крізь південну - в циклоні III типу;

для усіх трьох типів пірнаючих циклонів характерним є приплив кінетичної енергії за рахунок дивергенції вертикального потоку (К3>0) в середній тропосфері (шар 700-500 гПа) із вище - і нижчерозташованих шарів; максимальний відтік спостерігався в верхній тропосфері. Внесок цього фактору на порядок менше горизонтального переносу кінетичної енергії;

в усіх циклонах спостерігався перехід потенціальної енергії в кінетичну (К4>0) в нижній тропосфері; зворотній процес відбувався в шарі 700-300 гПа в циклонах I і II типів. В циклоні III типу генерація кінетичної енергії відмічалася в усій тропосфері з максимумом в шарі 500-300 гПа (33.9 Вт/м2). При цьому основні перетворення енергії в усіх циклонах відбувалися в їх тилових частинах;

основний внесок в формування пошарових змін К4 дає зміна вітру з висотою (δFсдв) з максимумом впливу в області верхньотропосферної струмінної течії (500-300 гПа). Термічний фактор (δFадв) переважатиме в верхніх шарах (300-100 гПа), однак інтегральне значення його в декілька разів менше, ніж зсувного;

знак генерації кінетичної енергії К4 добре узгоджується з еволюцією циклонічних вихорів. Так, приплив енергії в усій товщі тропосфери за рахунок цього фактору в циклоні III типу призводив до значного його розвитку з висотою (до рівня 200 гПа) в послідуючий після фази максимального розвитку період. І, навпаки, відтік кінетичної енергії за рахунок її перетворення в потенціальну в середній і верхній тропосфері передував заповненню циклонів I і II типів в цьому шарі атмосфери;

основні запаси водяної пари q були зосереджені в передніх частинах циклонів в нижньому 3-ох кілометровому шарі (біля 75% інтегрального вологовмісту). Найбільше значення q відмічалося в циклоні II типу - 11.14 кг/м2, найменше - в циклоні III типу - 6.94 кг/м2;

надходження вологи в циклонах відбувалося в основному за рахунок горизонтального переносу (q2), який призводив до збільшення вологовмісту в центральних частинах циклонів I і III типів, і зменшення - в циклоні II типу. При цьому приплив вологи в циклоні I типу відбувався переважно крізь західну межу, в циклоні II типу - крізь південну, і в циклоні III типу - крізь північну;

перерозподіл водяної пари вертикальними токами (q3) призвів до його накопичення в середній тропосфері в циклонах II і III типів, і в верхній - в циклоні I типу.

Таким чином, пірнаючі циклони різних типів в фазі максимального розвитку відрізняються перш за усе за такими характеристиками як: K2, q2, K4, а величини K3 і q3 можуть бути використані як додаткові ідентифікатори при діагностиці типу циклона.

5. Дослідження динаміки енергетики і вологовмісту пірнаючих циклонів в процесі їх еволюції

Вологістно-енергетичні характеристики розглядалися тільки в тому шарі атмосфери, в якому вихор був поширений в конкретний момент часу, що дало змогу оцінити зміну інтенсивності енергетичних перетворень в залежності від фази розвитку циклонів.

Незважаючи на однакову тривалість існування розглядаємих циклонів (4 доби), вони суттєво відрізняються за характером еволюції.

Так, циклон I типу пройшов чотири фази розвитку фронтального циклона - від фази утворення (хвилі) до фази заповнення, причому кожний період тривав біля доби. Еволюція цього віхора не призвела до розвитку висотного циклона.

Циклон II типу представляв собою невеликий частковий вихор в улоговині поширеної депресії над Баренцевим морем. Процес "пірнання" здійснився в результаті регенерації цього часткового циклону на холодному фронті. Характерною особливістю цього циклона став той факт, що він первісно був розвинений до рівня АТ-300 гПа.

Циклон III типу відрізнявся від двох попередніх швидким розвитком на протязі доби від фази утворення хвилі до фази максимального розвитку. При цьому спостерігався розвиток цього циклону до рівня АТ-300 гПа, а в період заповнювання, який тривав дві доби, - до рівня АТ-200 гПа.

Таким чином, вологістно-енергетичні характеристики в пірнаючих циклонах дають можливість кількісного опису їх еволюції, включаючи і процес регенерації.

Основні виводи стосовно балансу кінетичної енергії зводяться до такого:

інтегральний вміст кінетичної енергії в пірнаючих циклонах по мірі їх розвитку з висотою в 2-3 рази зростає від моменту виникнення до початку заповнення. В фазах виникнення і заповнення основні запаси К зосереджені в передніх частинах циклонів, а в фазі максимального розвитку - переважно в тилових;

приплив кінетичної енергії за рахунок тривимірної дивергенції потоку (К2+К3) переважав в процесі еволюції циклонів II і III типів, а в циклоні I типу спостерігався постійний відтік енергії за рахунок цього фактору. Найбільша інтенсивність адвективних процесів при цьому спостерігалася в тиловій частині в період розвитку, при заповненні - в передніх частинах циклонів;

генерація кінетичної енергії К4 додатна в усіх трьох циклонах в фазах утворення-максимальний розвиток, а в період заповнення значно слабішає в циклонах I і II типів і змінює знак на протилежний в циклоні III типу;

порівняння адвективного припливу кінетичної енергії (К2+К3) і її генерації К4 показало, що в циклонах I і II типів ці фактори одного порядку практично в усі фази розвитку, а в циклоні III типу перехід потенціальної енергії в кінетичну переважав в процесі його еволюції;

регенерація циклона II типу добре виражена в часовому ході інтегрального вмісту кінетичної енергії: максимальне значення К (10.19⋅10-5 Дж/м2) спостерігалося перед регенерацією, і значне її зменшення (майже в 3 рази) - в наступний строк. Подальший розвиток циклону супроводжувався збільшенням кінетичної енергії, однак її максимальне значення було все ж таки менше, ніж в строки, попередні регенерації. Процес регенерації супроводжувався інтенсивним горизонтальним припливом кінетичної енергії (К2>0) в область вихора. Просторова термодинамічна неоднорідність циклона під час входження холодного фронту достатньо чітко відображається в величинах генерації кінетичної енергії: в передній і тиловій частинах відмічалися практично рівні за модулем, але протилежні за знаком величини К4 (41.4 і - 46.4 Вт/м2 відповідно);

швидкий розвиток циклона III типу з висотою відбувався на фоні інтенсивної генерації кінетичної енергії в період утворення-максимальний розвиток, при цьому основний внесок в інтегральне значення К4 належав тиловій частині (137.9 Вт/м2);

аналіз повної зміни кінетичної енергії (К1+К2+К3) показав, що циклон I типу в цілому був осередком накопичення кінетичної енергії, а циклони II і III типів - осередками витоку.

При аналізі складових рівняння балансу водяної пари в процесі еволюції пірнаючих циклонів зроблено такі висновки:

для всіх типів пірнаючих циклонів характерне зменшення вологовмісту під час їх розвитку. При цьому основні запаси вологи зосереджені: в передній частині - в циклоні II типу, в тиловій - в циклоні III типу. В циклоні I типу відмічалась зміна розташування максимума q від однієї фази до іншої, обумовлена параболічною траєкторією пересування цього циклону;

циклони I і II типів в процесі еволюції, судячи по знаку дисипативного члена q4, віддають вологу навколишньому середовищу в основному шляхом неадіабатичних процесів (конденсація водяної пари, утворення хмарності та опадів). В циклоні III типу процес конденсації переважав в фазах утворення і заповнювання, а в період максимального розвитку вологовміст вихора збільшувався за рахунок інтенсивної тривимірної адвекції;

регенерація циклона II типу відбувалася на фоні інтенсивного горизонтального припливу вологи (14.09⋅10-5 кг/м⋅с2), що призвело до збільшення інтегрального вологовмісту в області циклона в наступну добу майже в два рази.

Порівняння отриманих для пірнаючих циклонів характеристик балансів кінетичної енергії і вологовмісту з аналогічними даними для циклонів інших типів показало, що досліджуємі циклони є середніми за інтенсивністю енергетичних перетворень об'єктами. При цьому, найбільш близькими до циклонів інших типів за характером часових змін вологістно-енергетичних характеристик є циклони I типу, тоді як циклони II і III типів, для яких яскраво виражений меридіональний характер макроциркуляції, за рядом параметрів (К2, К4, q) суттєво відрізняються від інших позатропічних циклонів.

Таким чином, використання енергетичних і вологістних характеристик пірнаючих циклонів в процесі їх еволюції дає можливість з врахуванням традиційного синоптичного аналізу для розробки об'єктивного методу ідентифікації пірнаючих циклонів різних типів.

Отримані різними методами (синоптико-кліматичним, гідродинамічним, енергетичним) відомості про пірнаючі циклони дозволяють поглибити знання про фізичний механізм і кількісно оцінити можливість існування та еволюції цих процесів.

Список літератури

1. Воробьев В.И. Синоптическая метеорология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

2. Дашко Н.А. Курс лекций по синоптической метеорологии. - Владивосток: Дальневосточный государственный университет, 2005.

3. Зверев А.С. Синоптическая метеорология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977.

4. Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.

5. Семёнова И.Г. Термические и динамические характеристики ныряющих циклонов, влияющих на погодные условия Украины // Метеорология, климатология и гидрология. - 1997. - Вып.34. - С.21-25.

6. Семёнова И.Г. Энергетика ныряющих циклонов // Метеорология, климатология и гидрология. - 1997. - Вып.34. - С.25-30.

7. Семёнова И.Г. Динамика влажностно-энергетических характеристик ныряющих циклонов // Метеорология, климатология и гидрология. - 1998. - Вып.35. - С.63-69.

8. Хохлов В.Н., Семёнова И.Г. Восстановление трехмерных полей метеорологических величин с помощью сплайн-функций; Одес. гидрометеоролог. ин-т. - Одесса, 1994. - 11 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 03.01.95, № 37 - Ук95 // Анот. в библиогр. указ. ВИНИТИ, № 4, 1995.

9. Кивганов А.Ф., Хохлов В.Н., Семёнова И.Г. Энергетические характеристики циклонов, влияющих на погодные условия Украины; Одес. гидрометеоролог. ин-т. - Одесса, 1995. - 30 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 05.12.95, № 2621-Ук95 // Анот. в библиогр. указ. ВИНИТИ, № 3, 1996.

10. Семёнова И.Г. Ныряющие циклоны, оказывающие влияние на погодные условия Украины; Одес. гидрометеоролог. ин-т. - Одесса, 1996. - 15 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 12.06.96, № 1400-Ук96 // Анот. в библиогр. указ. ВИНИТИ, № 9 (297), б/о 207, 1996.

11. http://www.lib.ua-ru.net/inode/18234.html