Подветренные горные волны в различных регионах
|
ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1. Горные волны 6
1.1. Современное состояние изучения горных подветренных волн 6
1.2 Схема строения горных волн и связанной с ними облачности 15
1.3. Синоптические условия формирования орографических волн 21
Глава 2. Материалы и методы исследования 29
2.1. Материалы исследования 29
2.1.1. Спутниковые исследования горных волн 29
2.1.2 Цифровая модель рельефа 32
2.1.3 Данные радиозондирования 35
2.1.4 Реанализ MERRA-2 37
2.2 Верификация реанализа MERRA-2 41
2.3 Методы исследования 49
2.3.1 Критерии, использующиеся для оценки горных волн 49
2.3.2 Цветосинтезирование спутниковых снимков 59
Глава 3. Детальный анализ случаев горных волн 64
3.1 Волны над Малоазиатским нагорьем 64
3.1.1 Орография и климат 64
3.1.2 Анализ случая горных волн над Малоазиатским нагорьем 66
3.2 Волны над Адриатическим регионом 81
3.2.1 Орография и климат 81
3.2.2 Анализ случая горных волн над регионом Адриатики 84
3.3 Волны над Атласскими горами 99
3.3.1 Орография и климат 99
3.3.2 Анализ случая горных волн над Атласскими горами 102
Глава 4. Анализ результатов 110
4.1 Струйное течение 110
4.2 Полученные характеристики горных волн 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 132
ПРИЛОЖЕНИЕ 138
Глава 1. Горные волны 6
1.1. Современное состояние изучения горных подветренных волн 6
1.2 Схема строения горных волн и связанной с ними облачности 15
1.3. Синоптические условия формирования орографических волн 21
Глава 2. Материалы и методы исследования 29
2.1. Материалы исследования 29
2.1.1. Спутниковые исследования горных волн 29
2.1.2 Цифровая модель рельефа 32
2.1.3 Данные радиозондирования 35
2.1.4 Реанализ MERRA-2 37
2.2 Верификация реанализа MERRA-2 41
2.3 Методы исследования 49
2.3.1 Критерии, использующиеся для оценки горных волн 49
2.3.2 Цветосинтезирование спутниковых снимков 59
Глава 3. Детальный анализ случаев горных волн 64
3.1 Волны над Малоазиатским нагорьем 64
3.1.1 Орография и климат 64
3.1.2 Анализ случая горных волн над Малоазиатским нагорьем 66
3.2 Волны над Адриатическим регионом 81
3.2.1 Орография и климат 81
3.2.2 Анализ случая горных волн над регионом Адриатики 84
3.3 Волны над Атласскими горами 99
3.3.1 Орография и климат 99
3.3.2 Анализ случая горных волн над Атласскими горами 102
Глава 4. Анализ результатов 110
4.1 Струйное течение 110
4.2 Полученные характеристики горных волн 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 132
ПРИЛОЖЕНИЕ 138
Турбулентность в тропосфере представляют большую опасность для авиации. В документе Всемирной метеорологической организации «Авиационные аспекты горных волн» указывается, что турбулентность, связанная с горными волнами, может быть хуже, чем та, которую испытывают пилоты воздушных судов во время грозы.
Записи Национальный совета по безопасности на транспорте (NTSB) за период с 1990 по 2017 год содержат 42 аварии, в которых турбулентность горных волн была основным фактором. Сильная орографическая турбулентность может сделать невозможным управление самолетом и даже привести к поломке. В базе данных NTSB отмечено 16 несчастных случаев со смертельным исходом из-за «потери контроля» при попадании в турбулентность горных волн.
Единой теории, объясняющей физику турбулентных процессов в атмосфере, на данный момент всё ещё не разработано, для изучения и разработок прогнозирования развития турбулентности применяются модели численного моделирования, спутниковые снимки, определяются индексы и параметры для выявления паттернов.
В условиях недостаточной влажности облачные полосы не образуются и горные волны остаются «невидимыми» для пилотов и радиолокаторов, для изучения данного явления было выбрано три соседних региона с подходящими метеорологическими условиями и со схожей высотой гор (до 2 км): регион Малоазиатского нагорья с множеством изрезанных хребтов в западной и центральной части; регион Адриатики, включающий Динарские Альпы и Апеннины; Атласские горы, отделяющие средиземноморье от засушливых условий пустыни Сахары.
Проведенная работа была сосредоточена на следующих задачах:
• Комплексное исследование орографических волн в регионах Малоазиатского нагорья, Адриатики, Атласа с применением спутниковых снимков, геоинформационных систем, данных аэрологии и реанализа;
• Верификация реанализа MERRA-2;
• Цветосинтезирование снимков в RGB-модель с разными
спектральными каналами;
• Проверка гипотезы проявления орографических возмущений в каналах CO2 и O3;
• Обнаружение оси струйного течения по данным реанализа и цветосинтезированным снимкам;
• Получение значений критических скоростей на вершинах хребтов, при которых образуются горные волны в рассматриваемых регионах.
Глава 1 посвящена общему рассмотрению процессу образования возмущений, возникающих при взаимодействии воздушного потока с горными препятствиями. Были приведены описания работ, посвященных изучению и моделированию связанной с этим турбулентностью, описаны захваченные и вертикально распространяющиеся волны, характерная облачность и возможность возникновения роторов. Рассмотрены благоприятные синоптические условия, такие как прохождение фронтов и оси струйного течения, гребень, развитие отсеченного циклона от резкой ложбины, инверсионные слои.
В Главе 2 описываются использованные материалы, такие как спутниковые снимки спектрорадиометра MODIS, установленного на спутниках Terra и Aqua, цифровая модель рельефа на основе данных SRTM, аэрологические наблюдения, реанализ MERRA-2, для которого была выполнена верификация. Таким образом, была сформирована база данных из 45 общих случаев возникновения орографических волн, из них 7 случаев над Малоазиатским нагорьем, 8 над Динарскими Альпами, 9 над Апеннинами, 21 над Атласом. В методах исследования описаны используемые критерии для оценки развития горных волн, приведены легенды цветосинтезированных снимков для идентификации «невидимых» волн и наличия оси струйного течения. Также проверена гипотеза применения каналов CO2 и О3 для обнаружения орографических колебаний.
В Главе 3 детально рассматриваются отдельные случаи возникновения горных волн в регионах Малоазиатского нагорья, Адриатики и Атласа с применением всего доступного набора данных для анализа. Описаны особенности рельефа и климата, влияющие на развитие возмущений, определено расположение аэрологических станций.
В Главе 4 представлены все результаты исследования, проведенного для 45 случаев распространения орографических волн над регионами Малоазиатского нагорья, Адриатики и Атласа. Приводятся диапазоны рассчитанных параметров по каждому региону с наветренной и подветренной стороны, проверено наличие оси струйного течения и его скоростей. Были выполнено построение зависимости критической скорости, при которой могут возникать горные волны, от высоты вершины по результатам исследования в выбранных регионах и по эмпирическим данным для гор Крыма, Швеции, Северной Англии и Сьерра-Невада.
В разделе «Заключение» представлены обобщенные результаты и выводы проведенной работы. В разделе «Приложение» находятся дополнительные сопутствующие материалы, задействованные в исследовании.
Записи Национальный совета по безопасности на транспорте (NTSB) за период с 1990 по 2017 год содержат 42 аварии, в которых турбулентность горных волн была основным фактором. Сильная орографическая турбулентность может сделать невозможным управление самолетом и даже привести к поломке. В базе данных NTSB отмечено 16 несчастных случаев со смертельным исходом из-за «потери контроля» при попадании в турбулентность горных волн.
Единой теории, объясняющей физику турбулентных процессов в атмосфере, на данный момент всё ещё не разработано, для изучения и разработок прогнозирования развития турбулентности применяются модели численного моделирования, спутниковые снимки, определяются индексы и параметры для выявления паттернов.
В условиях недостаточной влажности облачные полосы не образуются и горные волны остаются «невидимыми» для пилотов и радиолокаторов, для изучения данного явления было выбрано три соседних региона с подходящими метеорологическими условиями и со схожей высотой гор (до 2 км): регион Малоазиатского нагорья с множеством изрезанных хребтов в западной и центральной части; регион Адриатики, включающий Динарские Альпы и Апеннины; Атласские горы, отделяющие средиземноморье от засушливых условий пустыни Сахары.
Проведенная работа была сосредоточена на следующих задачах:
• Комплексное исследование орографических волн в регионах Малоазиатского нагорья, Адриатики, Атласа с применением спутниковых снимков, геоинформационных систем, данных аэрологии и реанализа;
• Верификация реанализа MERRA-2;
• Цветосинтезирование снимков в RGB-модель с разными
спектральными каналами;
• Проверка гипотезы проявления орографических возмущений в каналах CO2 и O3;
• Обнаружение оси струйного течения по данным реанализа и цветосинтезированным снимкам;
• Получение значений критических скоростей на вершинах хребтов, при которых образуются горные волны в рассматриваемых регионах.
Глава 1 посвящена общему рассмотрению процессу образования возмущений, возникающих при взаимодействии воздушного потока с горными препятствиями. Были приведены описания работ, посвященных изучению и моделированию связанной с этим турбулентностью, описаны захваченные и вертикально распространяющиеся волны, характерная облачность и возможность возникновения роторов. Рассмотрены благоприятные синоптические условия, такие как прохождение фронтов и оси струйного течения, гребень, развитие отсеченного циклона от резкой ложбины, инверсионные слои.
В Главе 2 описываются использованные материалы, такие как спутниковые снимки спектрорадиометра MODIS, установленного на спутниках Terra и Aqua, цифровая модель рельефа на основе данных SRTM, аэрологические наблюдения, реанализ MERRA-2, для которого была выполнена верификация. Таким образом, была сформирована база данных из 45 общих случаев возникновения орографических волн, из них 7 случаев над Малоазиатским нагорьем, 8 над Динарскими Альпами, 9 над Апеннинами, 21 над Атласом. В методах исследования описаны используемые критерии для оценки развития горных волн, приведены легенды цветосинтезированных снимков для идентификации «невидимых» волн и наличия оси струйного течения. Также проверена гипотеза применения каналов CO2 и О3 для обнаружения орографических колебаний.
В Главе 3 детально рассматриваются отдельные случаи возникновения горных волн в регионах Малоазиатского нагорья, Адриатики и Атласа с применением всего доступного набора данных для анализа. Описаны особенности рельефа и климата, влияющие на развитие возмущений, определено расположение аэрологических станций.
В Главе 4 представлены все результаты исследования, проведенного для 45 случаев распространения орографических волн над регионами Малоазиатского нагорья, Адриатики и Атласа. Приводятся диапазоны рассчитанных параметров по каждому региону с наветренной и подветренной стороны, проверено наличие оси струйного течения и его скоростей. Были выполнено построение зависимости критической скорости, при которой могут возникать горные волны, от высоты вершины по результатам исследования в выбранных регионах и по эмпирическим данным для гор Крыма, Швеции, Северной Англии и Сьерра-Невада.
В разделе «Заключение» представлены обобщенные результаты и выводы проведенной работы. В разделе «Приложение» находятся дополнительные сопутствующие материалы, задействованные в исследовании.
В Главе 1 рассматривались работы, посвященные исследованию орографических возмущений, было описано строение горных волн, связанную с ними облачность, а также благоприятные для развития синоптические условия. В Главе 2 были представлены используемые в магистерской диссертации материалы, в виде данных ДЗЗ, аэрологии и реанализа, для которого была выполнена верификация. В методах исследования приводились критерии для оценки орографических колебаний и цветосинтезированные изображения для идентификации горных волн и воздушных масс. Также была проверена гипотеза о проявлении орографических возмущений в каналах CO2 и O3. В Главе 3 описаны результаты детального исследования конкретных случаев над регионами Малоазиатского нагорья, Адриатики и Атласа. В Главе 4 анализируются результаты работы, включающей в общем количестве 45 случаев наличия горных волн, из которых 7 наблюдались над Малоазиатским нагорьем, 8 над Динарскими Альпами, 9 над Апеннинами, 21 над Атласом.
1. По результатам верификации реанализа MERRA-2 на примере данных за 30.04.2019 над Малоазиатским нагорьем, выявлено, что
• наиболее значимые несоответствия отмечаются в профилях скорости и направления ветра (вплоть до 6 м/с и 55°). Значения температуры воздуха имеют минимальные расхождения в слое тропосферы до 10 км (в пределах 1%) и не требуют существенной корректировки;
• реанализ недостаточно хорошо отображает процессы приземного уровня. Погрешности скорости ветра достигают 20% для всех станций, кроме Sumsun (84%) и Istanbul (27%). Максимальное отклонение температуры достигает 3 °С для станции Sumsun. Для этой же станции наблюдается максимальное отклонение направления ветра до 55°;
• в стратосфере температура отклоняется от 1 до 6 °С, направление ветра > 30° (на станциях Isparta и Izmir), скорость ветра до 6 м/с (для Isparta).
• во отношению к данным радиозондирования число Фруда в большинстве случаев занижено, кроме подветренных станций Istanbul и Sumsun;
• наибольшие погрешности для станций Isparta и Sumsun, причем для наветренной станции Isparta погрешности наибольшие выше 200 гПа, а на подветренной Sumsun - в приземном слое. Isparta - высокогорная станция, окруженная сложным разрезанным рельефом, а Sumsun находится близ морского берега.
2. Гипотеза об использовании спутниковых снимков в каналах О3 и CO2 для интерпретации «невидимых» орографических волн себя не оправдала.
3. Использование RGB-модели определения воздушных масс помогает обнаруживать ось струйного течения на спутниковых снимках, но её может перекрывать плотная облачность верхнего уровня. Комбинирование информации с карт реанализа на уровне 300 гПа и данной RGB-модели является наиболее надежным способом идентифицировать положение струйного течения, влияющего на возникновение горных волн.
4. Чаще всего «невидимые» и «видимые» орографические волны проявляются совместно, но бывают исключения, например,
• над Малоазиатским нагорьем из 7 случаев в 2-х (за 30.04.2019 и 16.04.2020) оптически видимая орографическая облачность практически не наблюдалась над территорией Турции, «невидимые» же волны были распространены во всех рассматриваемых случаях;
• в регионе Адриатики над Динарскими Альпами лишь в 2 случаях (за 24.04.2019 и 28.03.2024) из 8 оптически плотная орографическая облачность свободно распространялась с подветренной стороны, в других случаях она либо скапливалась с наветренной стороны, либо вовсе практически не образовывалась.
• над Апеннинами облачность чаще задерживалась с наветренной стороны (5 случаев из 9), в случаях за 28 и 31 марта 2024 орографические облака наиболее свободно преодолевали вершину, также в случаях за 23.01.2006 и 22.12.2011 облачные полосы наблюдались с подветренной стороны в некоторых местах. Эти случаи отмечаются тем, что для них число Фруда Fr > 0.6, число Ричардсона > 0.3.
• над Атласом орографические облака хорошо прослеживались с подветренного склона в 11 случаях из 21, в 7 случаях в основном скапливались с наветренной стороны, а за 27.02.2015, 13.05.2019 и 10.03.2020 облачность практически отсутствовала.
5. Ось струйного течения проходила над горными хребтами в 60% общего количества случае, в территориальной близости в 36% и всего в 4% отсутствовало. В 68% всех случаев скорости не превышали 60 м/с. Над Малоазиатским и Динарским нагорьями скорости до 60 м/с составляли 57%, а до 50 м/с - 43% случаев. Над Апеннинами скорости менее 60 м/с в 56% всех случаев и в одинаковом соотношении менее 50 м/с и до 70 м/с. Над Атласом в 19% случаев скорости струйного течения более 70 м/с, в 33% случаев от 60 до 70 м/с, в 19% от 50 до 60 м/с и менее 50 м/с в 24%, а максимальная скорость была равна 85 м/с (за 21.01.2004)...
1. По результатам верификации реанализа MERRA-2 на примере данных за 30.04.2019 над Малоазиатским нагорьем, выявлено, что
• наиболее значимые несоответствия отмечаются в профилях скорости и направления ветра (вплоть до 6 м/с и 55°). Значения температуры воздуха имеют минимальные расхождения в слое тропосферы до 10 км (в пределах 1%) и не требуют существенной корректировки;
• реанализ недостаточно хорошо отображает процессы приземного уровня. Погрешности скорости ветра достигают 20% для всех станций, кроме Sumsun (84%) и Istanbul (27%). Максимальное отклонение температуры достигает 3 °С для станции Sumsun. Для этой же станции наблюдается максимальное отклонение направления ветра до 55°;
• в стратосфере температура отклоняется от 1 до 6 °С, направление ветра > 30° (на станциях Isparta и Izmir), скорость ветра до 6 м/с (для Isparta).
• во отношению к данным радиозондирования число Фруда в большинстве случаев занижено, кроме подветренных станций Istanbul и Sumsun;
• наибольшие погрешности для станций Isparta и Sumsun, причем для наветренной станции Isparta погрешности наибольшие выше 200 гПа, а на подветренной Sumsun - в приземном слое. Isparta - высокогорная станция, окруженная сложным разрезанным рельефом, а Sumsun находится близ морского берега.
2. Гипотеза об использовании спутниковых снимков в каналах О3 и CO2 для интерпретации «невидимых» орографических волн себя не оправдала.
3. Использование RGB-модели определения воздушных масс помогает обнаруживать ось струйного течения на спутниковых снимках, но её может перекрывать плотная облачность верхнего уровня. Комбинирование информации с карт реанализа на уровне 300 гПа и данной RGB-модели является наиболее надежным способом идентифицировать положение струйного течения, влияющего на возникновение горных волн.
4. Чаще всего «невидимые» и «видимые» орографические волны проявляются совместно, но бывают исключения, например,
• над Малоазиатским нагорьем из 7 случаев в 2-х (за 30.04.2019 и 16.04.2020) оптически видимая орографическая облачность практически не наблюдалась над территорией Турции, «невидимые» же волны были распространены во всех рассматриваемых случаях;
• в регионе Адриатики над Динарскими Альпами лишь в 2 случаях (за 24.04.2019 и 28.03.2024) из 8 оптически плотная орографическая облачность свободно распространялась с подветренной стороны, в других случаях она либо скапливалась с наветренной стороны, либо вовсе практически не образовывалась.
• над Апеннинами облачность чаще задерживалась с наветренной стороны (5 случаев из 9), в случаях за 28 и 31 марта 2024 орографические облака наиболее свободно преодолевали вершину, также в случаях за 23.01.2006 и 22.12.2011 облачные полосы наблюдались с подветренной стороны в некоторых местах. Эти случаи отмечаются тем, что для них число Фруда Fr > 0.6, число Ричардсона > 0.3.
• над Атласом орографические облака хорошо прослеживались с подветренного склона в 11 случаях из 21, в 7 случаях в основном скапливались с наветренной стороны, а за 27.02.2015, 13.05.2019 и 10.03.2020 облачность практически отсутствовала.
5. Ось струйного течения проходила над горными хребтами в 60% общего количества случае, в территориальной близости в 36% и всего в 4% отсутствовало. В 68% всех случаев скорости не превышали 60 м/с. Над Малоазиатским и Динарским нагорьями скорости до 60 м/с составляли 57%, а до 50 м/с - 43% случаев. Над Апеннинами скорости менее 60 м/с в 56% всех случаев и в одинаковом соотношении менее 50 м/с и до 70 м/с. Над Атласом в 19% случаев скорости струйного течения более 70 м/с, в 33% случаев от 60 до 70 м/с, в 19% от 50 до 60 м/с и менее 50 м/с в 24%, а максимальная скорость была равна 85 м/с (за 21.01.2004)...
