Исследование боры в районе Адриатического моря - Студенческий научный форум

XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Исследование боры в районе Адриатического моря

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Неоднородность подстилающей поверхности является одним из определяющих факторов возмущения атмосферного слоя нижней тропосферы. Воздушный поток, проходя над орографически неровной территорией, преобразуется, формируя атмосферные движения различных пространственно-временных масштабов: от небольшой турбулентности в устойчиво-стратифицированных потоках до фронтальных образований при переходе через крупные горные хребты.

Бора это название сильного холодного и порывистого ветра, дующего с горных хребтов в сторону теплого моря. Классическая бора ассоциируется с потоком холодной воздушной массы над горным хребтом, когда воздух поднимается с наветренной стороны, происходит конденсация водяного пара и образование облаков, а интенсивный нисходящий воздушный поток достигает ураганной силы с подветренной стороны. Считается, что вертикальный масштаб боры достигает 200-400 м над уровнем моря, а горизонтальный занимает несколько километров от побережья. Бора часто наблюдается в холодное полугодие с октября по апрель. Зимой течение вокруг горного хребта ослабляет охлаждающий эффект, а летом усиливает согревающий.

С борой могут быть связаны «невидимые» орографические волны с подветренной стороны хребта [1], которые не образуют облака и являются опасным видом атмосферных движений при эксплуатации воздушных судов. Самые сильные ветры возникают в результате разбивания горных волн вращательной турбулентности возникающей, когда воздушные потоки прерываются горными вершинами. Исследования процесса образования горных волн, установление закономерностей его протекания, нахождение зависимостей, необходимых для анализа структуры волн, можно проводить методом подобия. В работе рассчитан один из критериев подобия – безразмерное число Фруда – для анализа боры в Динарских Альпах.

Динарские Альпы тянутся за длинным Адриатическим побережьем Хорватии, как изогнутый хребет, самая высокая точка – 1831 метра. Восточное побережье Адриатического моря характеризуется теплым климатом круглый год. Ветровой режим определяется в основном слабыми местными бризами и северо-восточными ветрами. В зимний сезон эти ветры могут меняться под влиянием кратковременных сильных ветров, дующих с северо-востока (бора).

На Адриатическом побережье различают два вида боры. Первый тип Черная Бора; это влажный теплый ветер, второй тип Прозрачная Бора; это сухой холодный ветер, который называется Адриатическая Бора [2].

Рассмотрим случай Адриатической Боры, произошедшей 11 апреля 2011 г. По данным реанализа за 12:00 UTCможно убедиться в том, что ветер имел северо-восточное направление у хребтов и переносил с собой холодный воздух на теплую морскую поверхность (Рис. 1).

Рис. 1 Карты реанализа направления ветра и температуры на АТ-850 за 11.04.2011 12:00 UTC

Исследование выполнено на основе аэрологических данных, полученных с трёх станций: Prostejov, Zagreb - наветренные и Zadar – подветренная; цифровой модели рельефа (Рис. 2а) и космических снимков спектрорадиометра MODIS, установленного на спутниках Terra и Aqua.

 

а)

б)

1

2

Рис. 2 Расположение аэрологических станций Prostejov, Zagreb и Zadar (а) и высотный профиль местности по направлению, обозначенному красным отрезком (б)

Высотный профиль построен по перпендикуляру распространения горных волн (ГВ) к горному хребту, волны хорошо заметны на спутниковом снимке видимого диапазона как параллельные облачные полосы (Рис. 3а).

 

а)

б)

Рис. 3 Распространение ГВ в видимом 0.6 мкм (а) и пароводяном 7.3 мкм (б) каналах спектрорадиометра MODIS

Вертикальные профили метеопараметров при наблюдении орографических волн построены по аэрологическим данным со станций Prostejov, Zagreb и Zadar (Рис. 4)

 

Рис. 4 Вертикальные профили метеопараметров при наблюдении орографических волн на станциях Prostejov, Zagreb и Zadar

Преодолев горное препятствие, воздушный поток устремляется вниз по склону с увеличением скорости ветра в долине (подветренная станция Zadar).

Температура точки росы и температура воздуха над станцией Prostejov достаточно близки друг к другу с высоты 1.5 км до высоты 7.2 км. Над станцией Zagreb температура точки росы и температура практически совпадают на высоте 2.2 км, а также наблюдается инверсия температуры на высоте 2.6 км. Над станцией Zadar наблюдается приподнятая температурная инверсия на высоте 2.5 км.

Над станцией Prostejov наблюдается влажный слой (>70%) от 1 до 6 км. Влажный слой (96%) на высоте 2.2 км над станцией Zagreb. Над станцией Zadar наблюдается влажный слой (>70%) на высоте 2.2 км.

При прохождении горной вершины ветер меняет своё направление с СЗ на СВ - перпендикулярное к горному хребту, что является необходимым условием для возникновения ГВ.

Число Фруда, введенное Уильямом Фрудом в 1870 году [2], применяется в случаях, когда существенно воздействие внешних сил, и характеризует соотношение между силой инерции и внешней силой, в поле которой происходит движение. Число Фруда определяется по формуле:

 

(1)

где - средняя скорость ветра [м/с], H - высота барьера [м] относительно высоты воздушного потока и N - частота Бранта-Вяйсяла [с-1].

Частота Брента-Вяйсяля (частота плавучести) описывает частоту колебаний объема воздуха в стабильной атмосфере [3]:

 

(2)

где θ – потенциальная температура, g – ускорение свободного падения, z – высота.

Структура волнового процесса при различных числах Фруда представлена на рис. 5.

Рис. 5 Структура волнового процесса при различных числах Фруда

Таким образом, структура горных волн определяется скоростью ветра и градиентом потенциальной температуры.

Построенный на рис. 2б профиль высот имеет несколько вершин, с которыми должен столкнуться воздушный поток при движении по наветренной стороне склона. Для расчёта числа Фруда было выделено две вершины с высотами 1300 м и 1500 м.

По формулам (1), (2) рассчитаны частоты Брента-Вяйсяля N и числа Фруда Fr для случая наблюдения орографических волн за 11.04.2011 12:00 UTC (Таблица 1).

Таблица 1 – Данные о высоте, частоте Брента-Вяйсяля и числе Фруда для станций Prostejov, Zagreb и Zadar

Станция

Высота станции (м)

Высота (м)для расчета числа Fr

N (с-1)

Fr

Prostejov

216

1515

0.0015

3.1

Zagreb

128

2471

0.0033

0.8

Zadar

80

2281

0.006

0.4

На нижних уровнях ветру требуется больше кинетической энергии, чтобы преодолеть гору, чем на высоте, близкой к вершине горы. Поэтому нижние ветры либо блокируются, либо отклоняются вокруг барьера, в то время как более высокие ветры, как правило, проходят над горными вершинами.

На станции Prostejov число Фруда >> 1. Это характерно для условий слабой устойчивости и сильного ветра. Воздушный поток свободно распространяется.

На станции Zagreb число Фруда ≤ 1, небольшие амплитудные колебания, облака плотно сбиваются в кучу, часть потока не сможет пересечь вершину.

На станции Zadar число Фруда < 1. На вершине горы скорость ветра всего 3 м/с. Длина волны короче ширины горного хребта, поэтому часть потока воздуха была заблокирована с наветренной стороны.

Для анализа высоты распространения орографических волн были привлечены каналы водяного пара (Рис. 3б): излучение водяного пара средней тропосферы отражает снимок в канале 7.3 мкм, а снимок в канале 6.7 мкм - излучение в верхней тропосфере [3, 4]. По цветосинтезированному изображению в каналах 0.8, 7.3 и 6.7 мкм был сделан фотометрический разрез (Рис. 6).

Рис. 6 Фотометрические разрезы яркости (0.8, 6.7, 7.3 мкм) и высотный профиль

Высокие значения яркости в видимом спектральном канале (красная кривая) свидетельствуют о высокой отражаемости оптически плотных облаков. Высокие значения яркости в пароводяных каналах (кривые зеленого и синего цвета) свидетельствуют о мощных волновых движениях, занимающих всю тропосферу, влияние горного хребта прослеживается до высоты 7 км.

С подветренной стороны наблюдаются «невидимые» орографические волны, их длина, измеренная по фотометрическим разрезам, в среднем меняется от 6 до 4 км в направлении к морской поверхности.

Заключение

В результате проведенного исследования было рассмотрено движение воздушного потока по наветренным склонам, с помощью расчёта числа Фруда была оценена его возможность пересечь горные вершины. Расчётные значения были сопоставлены с фотометрическими разрезами и картами реанализа для лучшей интерпретации полученных результатов.

Список литературы

  1. Соловых, А. Д. Исследование орографических волн и безразмерного числа Фруда / А. Д. Соловых, Т. Е. Симакина // Гидрометеорология и физика атмосферы: современные достижения и тенденции развития: Материалы Всероссийской научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 21–23 марта 2023 года. – Санкт-Петербург: Издательско-полиграфическая ассоциация высших учебных заведений, 2023. – С. 461-465.

  2. Berzegova, R. B., Bedanokov, M. K., & Kuizheva, S. K. (2019). Modeling of the Adriatic Bora on the Croatian Coast. Ecologica Montenegrina, 23, 87–96.

  3. Faculty of Science Department of Earth, Ocean and Atmospheric Sciences [Электронныйресурс]: UBC ATSC 113 - Weather for Sailing, Flying & Snow Sports. – Режимдоступа: https://www.eoas.ubc.ca/ courses/atsc113/flying/met_concepts/03-met_concepts/03d-mountain_waves (датаобращения: 18.12.2023).

  4. Федосеева, Н. В. Использование цифровых текстурных фильтров для выделения «невидимых» орографических волн на спутниковых изображениях в каналах водяного пара / Н. В. Федосеева, Т. Е. Симакина // Материалы 20-й Международной конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, 14–18 ноября 2022 года. – Москва: Институт космических исследований Российской академии наук, 2022. – С. 463.

Просмотров работы: 17