CC BY
40
100
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 551.5 Т.Е. Данова
СОВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТРОПОСФЕРЕ ПРИЧЕРНОМОРЬЯ
Оценены запасы кинетической энергии в тропосфере Причерноморского региона в теплый период года. Максимальные значения кинетической энергии характерны для апреля, наибольшие запасы кинетической энергии наблюдаются в тропосфере над Харьковом. Представлен анализ изменчивости кинетической энергии в атмосфере Причерноморского региона за последние сорок лет. Показано значительное и устойчивое уменьшение запасов кинетической энергии в теплый период года. Выявлено перемещение на север динамических условий образования мощной конвекции.
Ключевые слова: кинетическая энергия, Причерноморье, динамика.
Окружающая нас атмосфера всегда находится в движении, основным источником, способствующим циркуляции атмосферы, является солнечная энергия. В атмосфере в целом заключено огромное количество энергии в различных видах. В атмосфере образование кинетической энергии происходит и в больших и в малых масштабах. Большая часть кинетической энергии атмосферы создается в тропиках в результате перемещения больших масс воздуха. Малые местные возмущения генерируют мало кинетической энергии [1; 2]. Наибольшую роль в атмосфере играет конвекция, с ней связано образование кучево-дождевых облаков. Конвективные процессы в атмосфере можно рассматривать как результат перехода энергии неустойчивости в кинетическую энергию воздушной массы. Поскольку с кучево-дождевой облачностью в умеренных широтах связана реализация таких опасных явлений, как грозы, град, торнадо - изучение баланса кинетической энергии в период современных климатических изменений является актуальным вопросом.
Материалы и методика исследований
Для расчета кинетической энергии в качестве исходного материала использовались данные о скорости ветра на изобарических поверхностях в слое тропосферы 1000-300 гПа. Обработаны материалы радиозондирования атмосферы за теплый период года, с апреля по сентябрь 1973-2012 гг. за срок 00 часов по Гринвичу, полученные из базы данных Вайомингского университета (США) [3]. Радиозондирование проводилось на 10 станциях, расположенных на территории стран, входящих в Причерноморский регион: Россия (Ростов-на-Дону, Туапсе, Дивное); Украина (Одесса, Киев, Харьков, Львов); Турция (Стамбул, Анкара); Румыния (Бухарест). Все станции находятся на территории стран, граничащих с Черным морем, или находящихся на пути перемещения воздушных потоков к Черному морю. Для определения динамики кинетической энергии в тропосфере Причерноморского региона выделим район, ограниченный сторонами квадрата 38°-50°с.ш. и 25°-45°в.д. с площадью около 3 млн км2 (рис. 1).
Для анализа динамики кинетической энергии тропосферы представляет интерес исследование пространственно-временного изменения кинетической энергии в слое между изобарическими поверхностями р1 и р2 [4-6] (1):
где р1 и р2 - давление воздуха на нижней и верхней границах слоя.
Расчет кинетической энергии производился по полю давления и ветра с учетом рекомендаций, приведенных в [4-6]. Количественная оценка кинетической энергии проводилась по значению фактического ветра, согласно выражению (1), приведенному к удобному для расчетов виду (2):
(1)
Современная динамика кинетической энергии в тропосфере Причерноморья
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
101
Рис. 1. Расположение станций в Причерноморском регионе
1 4
К = — У Сг2 Ар,
(2)
где - среднее значение скорости ветра в слое Ар^ =1000-850, 850-700, 700-500, 500-400 и 400-300 гПа; / =1, 2, 3, 4 - число слоев атмосферы от поверхности земли до уровня 300 гПа. С учетом значения Аpi представим уравнение в виде (3)
К = -12 Я
150 { с + С850 1 +150 { С850 + С700 1
+2001
+2001
2
Снс\с\ + С
2 С \ 2
700 1 ""500 | + 2001 С500 + С400 |
2
С400 + С300
2
Сьс\с\ + С л
+
2
+
2
10
дж
м
(3)
0 75 (С0 + С850 )2 + 0, 75 (С850 + С700 )2 +
+ (С700 + С500 ) + (С500 + С400 ) + (С400 + С300 )
кдж
м
Результаты и их обсуждение
Выполненный расчет кинетической энергии по слоям тропосферы показал, что вертикальное распределение кинетической энергии в тропосфере характеризуется увеличением значений от поверхности земли (Ктт = 50 кДж/м2) до 300 гПа поверхности (Ктах = 1 360 кДж/м2) и меняется незначительно на разных станциях региона (рис. 2). Следует заметить, что такая же тенденция характерна для отдельных случаев мощной конвекции в Северном Причерноморье. Значения кинетической энергии для суперячейковых градовых процессов в несколько раз превышают значения кинетической энергии для случаев с одноячейковыми и многоячейковыми процессами [7; 8]. Этот факт объясняется тем, что мощные градовые процессы (суперячейковые) реализуются в атмосфере с сильными сдвигами ветра (как по скорости, так и по направлению) в пограничном слое, а также при наличии струйного течения в верхней тропосфере.
х
2
X
300
400
500
л
Е
(D
S
и
(D
ч «
л «
600
700
800
900
1000
Львов
Бухарест
Стамбул
Киев
Одесса
Анкара
Харьков
Туапсе
Ростов
Дивное
1000,00 1200,00 1400,00
Кинетическая энергия, кДж/м2
Рис. 2. Вертикальное распределение кинетической энергии (кДж/м2) в тропосфере Причерноморского
региона
Пространственное распределение средних значений кинетической энергии в тропосфере Причерноморского региона, рассчитанных для всего теплого периода года, показало наличие зон максимумов на северо-востоке и минимумов - на юго-западе (рис. 3). Для региона в теплый период года
характерны средние значения кинетической энергии К40 = 550*700 кДж/м2.
0
24Е 26Е 2ВЕ ЗОЕ 32Е 34Е Ж 38Е 40Е 42Е
Рис. 3. Пространственное распределение средних значений кинетической энергии (кДж/м2) в тропосфере
Средние значения кинетической энергии в тропосфере Причерноморского региона для каждого месяца теплого периода года представлены в табл. 1 (шрифтом «жирный курсив» показаны максимальные значения для каждого месяца). Как видим, максимальные значения кинетической энергии характерны для апреля К = 827,70 кДж/м2, в остальные месяцы теплого периода года тропосфера характеризуется значительно меньшими запасами - разница в значениях от 30 (в августе) до 15% (в сентябре). Кроме того, наибольшие запасы кинетической энергии наблюдаются в тропосфере над Харьковом К = 711,38*999,96 кДж/м2.
Современная динамика кинетической энергии в тропосфере Причерноморья 103
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2013. Вып. 3
Таблица 1
Средние значения кинетической энергии (кДж/м2) в тропосфере Причерноморского региона
Станция Долгота Широта Месяцы теплого периода года Средние значения
апрель май июнь июль август сентябрь
Бухарест 26,18 44,48 662,85 564,34 510,21 558,15 482,97 616,75 552,38
Дивное 43,21 45,55 809,18 586,52 518,05 705,88 631,21 810,70 628,44
Одесса 30,76 46,43 794,40 562,35 570,29 532,90 507,64 681,42 581,05
Киев 30,45 50,4 930,51 706,30 699,83 624,53 577,03 805,13 684,20
Ростов 39,81 47,25 919,02 719,05 631,67 726,18 639,30 786,42 688,68
Стамбул 28,81 40,96 717,66 631,95 627,58 527,74 483,33 586,10 554,34
Харьков 36,13 49,96 999,96 729,82 711,38 634,69 564,33 770,25 698,39
Туапсе 39,04 44,06 809,62 619,01 499,10 654,22 558,30 699,01 627,24
Львов 23,95 49,81 723,04 642,20 677,37 595,25 609,66 684,30 628,64
Анкара 32,54 40,02 910,79 706,80 561,78 673,84 678,36 704,49 671,27
Среднее 827,70 646,83 600,73 623,34 573,21 714,46 631,46
Для выявления динамики кинетической энергии (кДж/м2) в тропосфере Причерноморского региона от десятилетия к десятилетию разделим весь период наблюдений 1973-2012 гг. на четыре десятилетних периода. Рассчитаем аномалии - это отклонение среднего значения кинетической энергии для станции за каждое десятилетие К10 от рассчитанных средних сорокалетних значений для этой
станции К40 (4):
А = Кш - К40. (4)
Таким образом, в результате расчетов получены аномалии средней для тропосферы кинетической энергии (кДж/м2) для каждого десятилетнего периода с 1973 по 2012 г. (табл. 2). Как видим, только над станцией Харьков в последнее десятилетие наблюдается положительная аномалия, остальные станции характеризуются значительным уменьшением кинетической энергии, с максимумом над станцией Анкара. Рассчитанные суммы аномалий для каждого десятилетия свидетельствуют о значительном устойчивом снижении кинетической энергии в Причерноморском регионе на величину 1 133,17 кДж/м2.
Таблица 2
Аномалии средней для тропосферы кинетической энергии (кДж/м2)
Станция Долгота, градусы Широта, градусы Период лет (года)
1973-1982 1983-1992 1993-2002 2003-2012
Бухарест 26,18 44,48 4,92 22,27 -15,01 -12,18
Дивное 43,21 45,55 65,67 42,86 -28,16 -80,37
Одесса 30,76 46,43 28,53 3,52 45,39 -77,43
Киев 30,45 50,40 29,33 -27,86 -1,34 -0,14
Ростов 39,81 47,25 55,31 7,07 -6,59 -55,79
Стамбул 28,81 40,96 106,25 2,22 -61,81 -46,66
Харьков 36,13 49,96 51,06 -63,61 7,78 4,76
Туапсе 39,04 44,06 36,32 -8,59 6,41 -44,20
Львов 23,95 49,81 77,45 -38,24 -37,89 -53,15
Анкара 32,54 40,02 163,78 -5,75 -54,20 -149,37
Сумма аномалий 618,63 -66,10 -145,41 -514,54
Пространственное распределение рассчитанных аномалий кинетической энергии в тропосфере Причерноморского региона для двух последних десятилетий показало, что над всей центральной и северной частью региона в период 1993-2002 гг. наблюдалась зона положительных аномалий с центром над станцией Одесса (рис. 4А). Необходимо уточнить, что наиболее мощные градовые процессы
(суперячейковые) - явление в Причерноморье очень редкое, однако в 1993 г. они наблюдались три раза: 23, 29 мая и 24 июня [7; 8]. Именно в период 1993-2002 гг. в тропосфере над Одессой наблюдается максимум кинетической энергии. В период 2003-2012 гг. эта зона сместилась на север, всю исследуемую территорию заняла зона отрицательных аномалий, в это десятилетие суперячейковых процессов в регионе не наблюдалось (рис. 4Б).
24Е 26Е 28Е ЗОЕ 3!Е 34Е 36Е 3äE 4ÛE 42Е
24Е 26Е 28Е ЗОЕ J2E 34Е ЗЙЕ ЗЙЕ 4ÛE 42Е
Рис. 4. Пространственное распределение аномалий кинетической энергии (кДж/м2) в тропосфере
за два последних десятилетия
Кроме того, рисунок изолиний свидетельствует о тенденции переноса с юга региона на север. Учитывая, что основной составляющей для расчета кинетической энергии является скорость ветра на изобарических поверхностях, полученные результаты свидетельствуют о значительном уменьшении скорости ветра в тропосфере региона. Выявленная динамика к перемещению с юга на север зоны больших отрицательных аномалий совпадает также с тенденцией температурных изменений и свидетельствует о формировании над Причерноморским регионом динамически спокойной атмосферы.
Современная динамика кинетической энергии в тропосфере Причерноморья
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
105
Выводы
Рассчитаны средние значения кинетической энергии в тропосфере Причерноморского региона для каждого месяца теплого периода года. Теплый период года в регионе исследования характеризуется запасами кинетической энергии: K40 = 550*700 кДж/м2. Наибольшими запасами кинетической
энергии в тропосфере отличается апрель: K = 827,70 кДж/м2. Тропосфера на северо-востоке исследованного региона представлена максимальными запасами кинетической энергии на протяжении всего теплого периода года: K = 711,38*999,96 кДж/м2.
Анализ динамики пространственно-временного распределения кинетической энергии в тропосфере Причерноморского региона показал значительное уменьшение средних значений кинетической энергии в теплый период года. Рассчитанные суммы аномалий показали за сорок лет устойчивое снижение кинетической энергии на величину 1 133,17 кДж/м2.
Современные климатические изменения, а именно повышение температуры воздуха, имеют решающее влияние на формирование условий развития мощных конвективных явлений. Повышение температуры воздуха в регионе приводит к перемещению на север зоны интенсивных динамических параметров атмосферы, с которыми связано развитие мощной конвекции. Участившиеся случаи выпадения тропических ливней, крупного града, образования торнадо в приполярных регионах свидетельствуют о перемещении на север условий образования мощной конвекции, которая чаще всего связана со столкновением теплой и холодной воздушных масс, а также с формированием в атмосфере зон струйного течения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ван Мигем Ж. Энергетика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 327 с.
2. Монин А.С. Введение в теорию климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 246 с.
3. База данных радиозондирования атмосферы. URL: http://weather.uwyo.edu
4. Борисенков Б.П. Теория расчета некоторых энергетических характеристик атмосферы // Тр. ААНИИ. 1966. Т. 279. С. 5-13.
5. Борисенков Е.П. Сезонные преобразования энергии в атмосфере северного и южного полушарий // Тр. ААНИИ. 1964. Вып. 253. C. 109-121.
6. Борисенков Е.П. Энергетика общей циркуляции атмосферы // Метеорологические исследования. М.: Наука, 1969. Вып. 16. С.70-84.
7. Данова Т.Е. О влиянии энергии различных видов на интенсивность градовых процессов в Северном Причерноморье // Метеорология, климатология и гидрология. 2000. Вып. 41. С. 156-161.
8. Данова Т.Е., Данова Г.М. Анализ мезомасштабной структуры полей радиоэха суперячейковых облаков // Радиолокационное исследование природных сред: Тр. ХХ-ХХ1 Всерос. симпоз. СПб., 2003. С. 205-210.
Поступила в редакцию 10.07.13
T.E. Danova
Modern dynamics of kinetic energy in the troposphere of Black sea region
Stocks of kinetic energy in troposphere of the Black sea region during the warm period of year are estimated. The maximal values of kinetic energy are characteristic for April, the greatest stocks of kinetic energy are observed in troposphere above Kharkov. The analysis of variability of kinetic energy in the atmosphere of the Black sea region for the last forty years is presented. Significant and stable reduction of stocks of kinetic energy during the warm period of year is shown. It is revealed that dynamic conditions of the formation of a powerful convection move in the north direction.
Keywords: kinetic energy, Black sea region, dynamics.
Данова Татьяна Евгеньевна, кандидат географических наук, доцент
Одесский государственный экологический университет 65016, Украина, г. Одесса, ул. Львовская, 15 Е-таП: [email protected]
Danova T.E.,
Ph.D. (geographic), associate professor
Odessa State Environmental University 65016, Ukraine, Odessa, Lvovskaya st., 15 E-mail: [email protected]
