XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

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.

Код для цитирования: Скопировать