Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

1940 г. Летом над деревней Мещёры в тогда еще Горьковской области разразилась страшная гроза. С первыми каплями дождя на землю посыпались серебряные деньги! Мещёрские селяне собрали около тысячи монет эпохи Ивана Грозного. Скорее всего, сильные ливни вымыли из земли горшок с монетами, а прошедший над этим местом смерч поднял их в воздух. Когда воронка ослабела, деньги полетели на землю.

1954 г. На городок Давенпорт (США) пролился голубой дождь. Цвет дождевым каплям придала пыльца американского тополя и вяза, втянутая в облако смерчами.

1 Смерчи на Дальнем Востока

1.1 Общее описание атмосферных вихрей с вертикальной осью вращения

В настоящее время науке известно множество явлений природы. Большая часть из них уже полностью изучена и знания об этих погодных процессах во всю применяются в специализированных учреждениях на благо общества, но существует и ряд явлений, которых наука не может объяснить. Стихийное явление, исследуемое в данной работе, не относиться к числу тех таинственных явлений, но также нет единой точки зрения о физике формирования данного феномена природы. Известно множество интересных гипотез о том, откуда берется смерч и как он работает. Более того, некоторые из этих идей прямо противоположны друг другу. Данная работа является обобщением утверждений о физике формирования атмосферного вихря, о его структуре и «поведении».

Время жизни торнадо разделено на стадии: зарождение, соприкосновение с поверхностью, разрушение. Из трех ступеней, как самую интересную, можно выделить ступень зарождения, так как знание о причинах образования вихря, помогло бы вовремя его обнаружить и впоследствии предупредить население.

Итак, рассмотрим этап зарождения. Начинается он от формирования кучевых облаков путем конвекции – это восходящие теплые и влажные потоки воздуха. Когда процесс приобретает более интенсивный характер, маленькое облачко превращается в огромный, мощный конвективный комплекс.

Термин «конвекция» был введен впервые В. Прутом в 1834 г. для определения способа передачи тепла в жидкости [5]. Эта форма тепло- и массообмена является чрезвычайно распространенной в атмосфере Земли и реализуется в результате потери статической устойчивости горизонтальных слоев воздуха. Горизонтальные масштабы конвективных движений в атмосфере меняются от сотни метров (размер небольшого конвективного облака) до нескольких сотен километров (мезомасштабные конвективные комплексы и линии шквалов).

Выделяют мелкую конвекцию и глубокую конвекцию. Хотя данное подразделение в известном смысле условно, потому что нельзя провести четкой границы между этими двумя понятиями, поскольку условия погоды при развитии мелкой и глубокой конвекции существенно отличаются друг от друга.

К мелкой конвекции относят системы течений, развивающиеся в неустойчиво стратифицированных горизонтальных слоях воздуха толщиной до 2 км. В пределах таких сравнительно тонких слоев изменением плотности воздуха с высотой можно пренебречь. При мелкой конвекции вклад неадиабатических факторов, связанных с процессом образования осадков, незначителен. Мелкая конвекция представлена слоисто-кучевыми облаками, и кучевыми облаками хорошей погоды [5].

В отличие от мелкой конвекции, глубокая - развивается в слоях большой вертикальной протяженности, охватывающих почти всю тропосферу, а иногда и нижнюю часть стратосферы. С точки зрения горизонтальных масштабов глубокая конвекция охватывает большой диапазон движений от изолированных кучево-дождевых облаков до мезомасштабных конвективных комплексов и линий шквалов. С практической точки зрения анализ и прогноз мезомасштабных систем глубокой конвекции представляет большой интерес, поскольку с ними бывают связаны интенсивные ливневые осадки и паводки, градобития и шквалистые ветры, приносящие значительный экономический ущерб. Эти системы наблюдаются как в тропической зоне, так и в умеренных широтах в теплый период года.

Основной особенностью глубокой конвекции является ее большая вертикальная протяженность. По причине проникновения восходящих движений на значительные высоты в системах глубокой конвекции конденсируется высокое количество водяного пара. Теплота конденсации нагревает частицы воздуха и сообщает им дополнительное вертикальное ускорение. Таким образом, фазовые переходы влаги играют ключевую роль в развитии и поддержании систем глубокой конвекции. Вторая важная особенность глубокой конвекции состоит в том, что, вследствие ее больших горизонтальных масштабов, на нее оказывает существенное влияние горизонтальная неоднородность метеорологических полей синоптического масштаба, эффект вращения Земли (сила Кориолиса), и неоднородность подстилающей поверхности [5].

Торнадо относиться к явлению глубокой конвекции. Когда влажный воздух, поднимающийся с поверхности земли, достигает определенного уровня, влажный воздух, находящейся в нем, начинает конденсироваться. Образуются капли воды и выделяется большое количество теплоты, которая повышает температуру, делая воздух еще легче. Тем самым скорость восходящего потока воздуха увеличивается. Капли и еще не сконденсированный пар достигают высоты с отрицательным значением температуры и превращаются льдинки. Теплый воздух будет увеличивать облако и массу снежинок в нем. Вскоре под действием силы тяжести снежинки устремятся вниз [9].

Т. Фуджита дает следующее определение: торнадо - это быстро вращающийся мизоциклон, сопровождающийся разрушительным ветром на земной поверхности или вблизи ее и почти всегда наблюдаемый как облачная воронка, выходящая из кучево-дождевого облака [5]. А Хромов С.П. дает следующие определение смерчу: смерч ­ сильный локальный вихрь под облаками с почти вертикальной, но часто изогнутой осью. Он опускается в виде воронки из низкого основания кучево-дождевого облака. Возникновение смерча связано с особо сильной неустойчивостью стратификации нижних слоев атмосферы. Такие условия могут возникнуть в жаркую погоду из-за сильно прогретой поверхности земли.

Детальная статистика по торнадо имеется с 1844-1988 на территории СССР [3]. За этот период было зафиксировано 248 случаев смерчей. Схожая статистика есть и в США, с 1916 по 1980 г. было зафиксировано около 26000 торнадо [5].

Оценка скорости ветра в торнадо представляет большую сложность, поскольку система циркуляции сама по себе невелика и вероятность пересечения торнадо наблюдательной площадки мала. Кроме того, измерение скорости традиционными контактными датчиками практически исключается, т. к. подобного рода приборы просто разрушаются. Доплеровская техника к настоящему времени еще не достигла достаточно высокого пространственного разрешения, чтобы определять размеры торнадо и скорости в нем. Поэтому оценки скорости в торнадо делаются, в основном, по масштабу причиненных разрушений. В отдельных случаях ветер определяется по данным измерений на сети специальных датчиков давления. Оценки по воздействию торнадо на различные предметы дают скорости до 216 м/с. Структура торнадо часто бывает довольно сложной: на периферии основной воронки образуются так называемые вихри всасывания, которые вращаются вокруг ее центра. Размер таких вихрей составляет, как правило, 40-50 м, их число может достигать шести из одного облака [10].

1.2 Признаки торнадо

Необходимо выделить ряд признаков, по которым можно определить наличие смерча в выходных данных модели. Хотя общая теория образования атмосферных вихрей все еще до конца не разработана, но в книге [11] приводятся некоторые общие черты присущие смерчам: вращательное движение частиц воздуха происходит вокруг центральной оси и является винтовым; вокруг основания вихря образуются сильные горизонтальные ветра; имеется значительное изменение давления и температуры в области вихря; наблюдаются восходящие и нисходящие потоки воздушных масс; смерч, как правило, образуется из грозового облака или системы облаков, в котором имеется сильная завихренность.

1.3 Дополнительные параметры идентификации смерча

Одним из признаков существования атмосферного вихря является наличие вертикального движения воздушных масс. Для анализа расчетных полей модели программным комплексом были сгенерировалы изображения. Один файл с изображением содержал данные за 3 минуты. На каждом рисунке был представлен ряд графиков, по которым можно идентифицировать смерч. Для того чтобы удостовериться в том, что смерч действительно наблюдался необходимо изучить сгенерированные изображения как минимум за три, четыре часа, т.е. просмотреть около ста рисунков. Каждый трехминутный файл с изображением содержит около 40 различных графиков, из которых только 31 есть вертикальные уровни. Такое множество картинок и графиков увеличивают время идентификации смерча.

Поэтому для упрощения поставленной задачи предлагается рассмотреть два параметра. По этим параметрам можно определить время начала и окончания процесса интенсивной.

.

Параметр А1 показывает направление вертикального перемещения воздушных масс в каждом узле модельной сетки. Если вертикальные движения достаточно интенсивные и преимущественно равнонаправленные, то можно ожидать, что А1 будет иметь достаточно большие значения соответствующего знака: нисходящие движения – отрицательные А1, восходящие – положительные значения А1. Если в рассматриваемом столбе атмосферы наблюдаются разнонаправленные вертикальные токи, то значение А1 по абсолютной величине будет невелико, даже если в локальных слоях вертикальные токи были достаточно интенсивными. При наличии смерча на рассматриваемой территории должны наблюдаться близко расположенные интенсивные вертикальные токи разных знаков. Наличие больших по абсолютной величине максимальных и минимальных значений А1, а так же разницы А1_макс - А1_мин показывает наличие интенсивных восходящих и нисходящих потоков.

.

Величина А2 показывает среднюю интенсивность вертикальных потоков в столбе воздуха. В совокупности со значением А1 величина А2 идентифицирует факт наличия интенсивной конвекции, в отличии от существенных вертикальных движений, вызванных прохождением фронтов и/или наличием струйных течений над рассматриваемой территорией.

2 Модель прогноза погоды

2.1 Модель WRF-ARW, как аппарат для проведения экспериментов

2.1.1 Описание модели WRF-ARW

Модель WRF-ARW разработана в США. Здесь WRF является сокращением от Weather Research and Forecasting. ARW — сокращение от Advanced Research WRF.

В разработке модели WRF принимает участие несколько учреждений: Национальный центр исследования атмосферы (NCAR); Национальные центры прогнозов окружающей среды (NCEP); Метеорологическое агентство ВВС США (AFWA); Исследовательская лаборатория ВМФ США (NRL); Центр анализа и прогноза гроз Университета шт. Оклахома (CAPS) и Федеральная администрация по авиации (FAA). Модель WRF-ARW начала эксплуатироваться в NCEP с ноября 2004 года.

WRF состоит из следующих основных блоков: предварительной обработки (WRF Preprocessing System, WPS), инициализации, модели WRF (динамических модулей ARW или NMM и параметризации) и системы подготовки и вывода модельной продукции (WRF-POST). Для модели ARW существует дополнительный блок трехмерного вариационного усвоения наблюдений. Ниже дается краткое описание каждого блока.

Модель WRF состоит грубо из двух частей: динамического ядра и набора параметризаций физических процессов [12]. Под динамическим ядром понимается модель ARW или другие, а под параметризацией – выбор соответствующих признаков (переключателей) в списках вводимых переменных (файл NAMELIST).

В модели имеются блоки диагностики, в которых рассчитывается достаточно большое количество дополнительных переменных, используемых в практике синоптических прогнозов. Кроме этого в системе вывода обеспечивается возможность интерполяции переменных с модельных уровней на изобарические поверхности или геометрические высоты. Предусмотрена также возможность представления выходной продукции в коде ГРИБ для ее распространения по линиям связи. Выходная информация содержит около 200 наименований переменных, характеризующих состояние атмосферы, подстилающей поверхности и почвы, включая гидрологические характеристики типа поверхностного и грунтового стока.

2.1.2 Исходные уравнения

Модель WRF базируется на негидростатических уравнениях для сжимаемой жидкости, записанных в декартовых координатах по горизонтали и с использованием орографической координаты , которая напоминает сигма координату, но отличается от нее тем, что она определяется не через полное давление р, а через его гидростатическую составляющую

(2.1)

где p_h – гидростатическая составляющая давления, p_hs и p_ht – гидростатическое давление на нижней и верхней границах, соответственно.

Характеристики

Список файлов ВКР