Численное моделирование сильных осадков в Прикарпатье
Проведено аналiз умов формування опадiв над Україною впродовж синоптичного перiоду з 21 по 27 липня 2008 р. пiд час сильних паводкiв в схiдних Карпатах. Використовувалися дiагностичнi та прогностичнi моделi фронтальних мезомасштабних хмарних утворень, розробленi в УкрНДГМI. Чисельнi експерименти про...
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18858 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Численное моделирование сильных осадков в Прикарпатье / Т.А. Белый, А.М. Пирнач // Доп. НАН України. — 2009. — № 10. — С. 115-121. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-18858 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Белый, Т.А. Пирнач, А.М. 2011-04-11T15:10:16Z 2011-04-11T15:10:16Z 2009 Численное моделирование сильных осадков в Прикарпатье / Т.А. Белый, А.М. Пирнач // Доп. НАН України. — 2009. — № 10. — С. 115-121. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18858 551.576 Проведено аналiз умов формування опадiв над Україною впродовж синоптичного перiоду з 21 по 27 липня 2008 р. пiд час сильних паводкiв в схiдних Карпатах. Використовувалися дiагностичнi та прогностичнi моделi фронтальних мезомасштабних хмарних утворень, розробленi в УкрНДГМI. Чисельнi експерименти проводилися для фронтальних смуг i конвективних утворень рiзних масштабiв, якi давали сильнi опади над гiрськими масивами схiдних Карпат i прилеглих територiй. Визначенi ключовi динамiчнi та мiкрофiзичнi параметри, якi привели до утворення сильних опадiв, що зумовили катастрофiчнi паводки. Three-dimensional, time-independent, and forecasting numerical models developed in UHRI were used for the modeling of frontal cloud systems passed over the Carpathian region during flood in July 2008 and caused a strong precipitation. Numerical experiments were conducted to study the cloud potential ability to produce precipitations of different intensities. Influences of relief, updrafts and downdrafts, and the mechanism of cloud and precipitation formation were the objects of numerical experiments. Results of a numerical study of the precipitation formation conditions during the synoptical period on July 21–27 in mesoscale frontal rainbands and convective cloud clusters were analyzed. The research of the key parameters causing a heavy precipitation has been conducted. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Науки про Землю Численное моделирование сильных осадков в Прикарпатье Simulation of strong precipitations in the Ciscarpathian region Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Численное моделирование сильных осадков в Прикарпатье |
| spellingShingle |
Численное моделирование сильных осадков в Прикарпатье Белый, Т.А. Пирнач, А.М. Науки про Землю |
| title_short |
Численное моделирование сильных осадков в Прикарпатье |
| title_full |
Численное моделирование сильных осадков в Прикарпатье |
| title_fullStr |
Численное моделирование сильных осадков в Прикарпатье |
| title_full_unstemmed |
Численное моделирование сильных осадков в Прикарпатье |
| title_sort |
численное моделирование сильных осадков в прикарпатье |
| author |
Белый, Т.А. Пирнач, А.М. |
| author_facet |
Белый, Т.А. Пирнач, А.М. |
| topic |
Науки про Землю |
| topic_facet |
Науки про Землю |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Simulation of strong precipitations in the Ciscarpathian region |
| description |
Проведено аналiз умов формування опадiв над Україною впродовж синоптичного перiоду з 21 по 27 липня 2008 р. пiд час сильних паводкiв в схiдних Карпатах. Використовувалися дiагностичнi та прогностичнi моделi фронтальних мезомасштабних хмарних утворень, розробленi в УкрНДГМI. Чисельнi експерименти проводилися для фронтальних смуг i конвективних утворень рiзних масштабiв, якi давали сильнi опади над гiрськими масивами схiдних Карпат i прилеглих територiй. Визначенi ключовi динамiчнi та мiкрофiзичнi параметри, якi привели до утворення сильних опадiв, що зумовили катастрофiчнi паводки.
Three-dimensional, time-independent, and forecasting numerical models developed in UHRI were used for the modeling of frontal cloud systems passed over the Carpathian region during flood in July 2008 and caused a strong precipitation. Numerical experiments were conducted to study the cloud potential ability to produce precipitations of different intensities. Influences of relief, updrafts and downdrafts, and the mechanism of cloud and precipitation formation were the objects of numerical experiments. Results of a numerical study of the precipitation formation conditions during the synoptical period on July 21–27 in mesoscale frontal rainbands and convective cloud clusters were analyzed. The research of the key parameters causing a heavy precipitation has been conducted.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18858 |
| citation_txt |
Численное моделирование сильных осадков в Прикарпатье / Т.А. Белый, А.М. Пирнач // Доп. НАН України. — 2009. — № 10. — С. 115-121. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT belyita čislennoemodelirovaniesilʹnyhosadkovvprikarpatʹe AT pirnačam čislennoemodelirovaniesilʹnyhosadkovvprikarpatʹe AT belyita simulationofstrongprecipitationsintheciscarpathianregion AT pirnačam simulationofstrongprecipitationsintheciscarpathianregion |
| first_indexed |
2025-11-25T13:20:45Z |
| last_indexed |
2025-11-25T13:20:45Z |
| _version_ |
1850515468164530176 |
| fulltext |
УДК 551.576
© 2009
Т.А. Белый, А.М. Пирнач
Численное моделирование сильных осадков
в Прикарпатье
(Представлено академиком НАН Украины В. И. Старостенко)
Проведено аналiз умов формування опадiв над Україною впродовж синоптичного перiоду
з 21 по 27 липня 2008 р. пiд час сильних паводкiв в схiдних Карпатах. Використову-
валися дiагностичнi та прогностичнi моделi фронтальних мезомасштабних хмарних
утворень, розробленi в УкрНДГМI. Чисельнi експерименти проводилися для фронталь-
них смуг i конвективних утворень рiзних масштабiв, якi давали сильнi опади над гiр-
ськими масивами схiдних Карпат i прилеглих територiй. Визначенi ключовi динамiчнi
та мiкрофiзичнi параметри, якi привели до утворення сильних опадiв, що зумовили ка-
тастрофiчнi паводки.
Наводнения в Карпатах — это достаточно опасное явление, которое часто приводит к разру-
шительным последствиям. Они были предметом многих исследований, но больше изучались
их гидрологические особенности. Метеорологическим аспектам этого явления уделялось
значительно меньше внимания, а численное моделирование отдельных кучевых образова-
ний, связанных с конкретными регионами, вообще является достаточно редким явлением.
Это связано со значительными трудностями математического характера, с недостаточным
количеством данных зондирования атмосферы и т. д.
Попытка такого моделирования была осуществлена, например, в [1–3], где исследова-
лись случаи весенних и осенних паводков, а облачность исследуемых переходных периодов
характеризовалась преимущественно слоисто-кучевыми облаками.
В данной работе рассмотрен случай сильного наводнения в Прикарпатье в летний пе-
риод (21–27 июля 2009 г.). Сопровождавшие его фронтальные системы состояли преиму-
щественно из конвективных образований, что потребовало существенной модификации ал-
горитма расчета, представленного в [1].
Главным предметом исследования в обоих случаях были фронтальные облачные систе-
мы, дававшие сильные осадки. Фронтальные облака переходных и летних периодов отлича-
ются между собой по физической природе. В первом случае преобладают слоистые облака
с кучевыми вкраплениями (затопленная конвекция). Сложность их моделирования заклю-
чается в необходимости моделирования мезомасштабных процессов порядка сотен кило-
метров с масштабами порядка нескольких километров. Эта же проблема остается и для
второго случая — фронтальных облаков летнего периода, где значительно больший вес
имеет кучевая облачность. Масштабы таких кучевых образований определяются десятка-
ми километров.
Для численного моделирования были использованы прогностические модели с учетом
орографии, теоретические основы которых были заложены в [1, 2, 4, 5]. Запишем систему
уравнений в схематическом виде в “Z-сигма” системе координат ξ, η, ζ:
dSi
dt
= Fi +∆Si;
∂ρu
∂ζ
+
∂ρv
∂η
+
∂ρw
∂ξ
= 0; ρ =
p
RT
;
Si = (u, v, w, T, q, fk), i = 1,2, . . . ,8; k = 1,2,3,
(1)
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №10 115
где t — время; u, v, w — компоненты скорости ветра вдоль осей ξ, η, ζ, направленные
соответственно на восток, север и перпендикулярно к земле; ρ — плотность воздуха; p,
T — давление и температура воздуха; R — газовая постоянная сухого воздуха; q — удель-
ная влажность воздуха; fk — функции распределения облачных частиц и частиц осад-
ков по размерам (мелкие капли, дождевые капли, кристаллы); ∆Si — турбулентный пе-
ренос; Fi — описывают отдельные физические процессы (F1 − F3 представляют правые
части уравнений для проекций скорости, учитывающие ускорение Кориолиса, ускорение
силы тяжести, градиенты давления и т. д. [5, 6]; F4 − F5 описывают притоки тепла и вла-
ги [4, 5]; F6 − F8 описывают процессы переноса облачных частиц и осадков, конденсацион-
ные и коагуляционные процессы, скорость зарождения капель кристаллов, падения частиц
и др. [5]).
Система решалась методом расщепления на отдельные подсистемы [5]. Существенно
модифицирован был алгоритм расчета вертикальных движений. Поскольку конвективные
образования, которые давали осадки, были очень мощными, область интегрирования была
продлена до высоты 15 км, что создавало дополнительные трудности при вычислении про-
цессов в районе тропопаузы. Поэтому, в процессе расчета, область интегрирования разбива-
ли на отдельные слои по высоте в зависимости от скорости роста вертикальных движений
и месторасположения относительно тропопаузы.
Начальные поля динамических и термодинамических метеовеличин рассчитывали с по-
мощью диагностических моделей, которые описаны в [2, 5]. Исходным фактическим мате-
риалом для моделирования служили ежедневные данные радиозондирования сетевых аэро-
логических станций Британского центра атмосферных данных (BADC).
Были построены трехмерные диагностические численные модели атмосферы для пе-
риода 20–27 июля. Они использовались для диагноза состояния атмосферы в выбранный
момент времени и для построения начальных полей при моделировании эволюции обла-
чности и осадков.
Спутниковые снимки за этот период четко показывают образование и развитие ярко
выраженного вихря со сплошной облачностью, который в ночь с 21 на 22 июля состоял
из отдельных более мелких вихрей. В ночь с 22–23 июля они слились в сплошную массу,
которая 23–24 июля начала распадаться на отдельные вихри.
Погода над восточными Карпатами определялась влиянием холодного фронта, кото-
рый 22 июля, двигаясь с северо-запада, встретился с теплой воздушной массой, переме-
щавшейся с востока. Эволюция температуры в восточной части Карпат характеризовалась
притоком холодного воздуха с северо-запада вдоль склонов 21–22 июля и встречным пото-
ком теплого и влажного воздуха с востока и юго-востока. Встреча этих двух воздушных
масс обусловила интенсивное развитие конвективной облачности и сильные осадки. Свер-
хмощные кучевые облака пробивали тропопаузу, которая превышала 10 км, а в некоторых
случаях достигали 15 км.
Иной по физическому развитию процесса была воздушная масса, размещенная на се-
веро-востоке от Карпат и на левом берегу Днестра. В этом районе более сильным было
влияние северных и северо-восточных воздушных потоков. Контрасты температуры и вла-
жности здесь были гораздо меньше, а образовавшаяся облачность была слоистой с вкра-
плениями отдельных конвективных облаков. На северо-востоке области источники вла-
ги не были такими интенсивными, но занимали обширные площади, и по притоку вла-
ги в заданный район могли конкурировать с более интенсивными юго-западными источ-
никами.
116 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №10
Рис. 1. Распределение метеорологических характеристик на высоте 1 км и интегральные характеристики
облачности за 21–22.07.08, 23.30.
Ряд 1 — 22.07.08. Ряд 2 — 21.07.08. а — давление, гПа; б — температура, ◦С; в — вертикальная составляющая
вихря, 10−3/с; г — максимальные по высоте скорости восходящих движений, см/с; д — интегральное по
высоте пресыщение по отношению ко льду, мм (соразмерное с суммой осадков)
На рис. 1 показаны характеристики атмосферы, рассчитанные с помощью трехмерных
численных диагностических моделей для двух моментов зондирования атмосферы (23 ч
30 мин, 21 и 22 июля). С помощью вложенной сетки на рисунке более детально отобра-
жена область, охватывающая украинские Карпаты. Шаг вложенной сетки по горизонтали
равняется 5 км, по вертикали — 200 м.
Как видно из рисунка, распределения представленных характеристик имеют пятни-
стую структуру с вкраплениями полос различной длины. Структура поля давления вме-
щает отдельные замкнутые области не только в горах, но и на относительно ровных по-
верхностях. Структура вихря характеризуется наличием мезомасштабних вихрей разных
размеров и направлений движения, в них иногда вкраплены характерные цепочки, кото-
рые помечают путь отдельных организованных возмущенных потоков. Похожую струк-
туру имеют и вертикальные движения. Количество ядер восходящих движений в го-
рах больше, чем на равнине, а масштабы у них меньше. Мезомосштабные ячейки ма-
лых размеров встречаются и на относительно ровной местности. Они предопределены
не только рельефом, но и особенностями перемещения разнонаправленных потоков, ко-
торые встречаясь, обусловливают возмущения разных масштабов и разной физической
природы.
Характеризуя отличия между распределением метеорологических характеристик, рас-
считанных для начального и развитого состояния процессов, особое внимание следует обра-
тить на распределение вихрей и вертикальных движений.
21 июля вихревая деятельность была спокойнее, облака были кучевые, и распределя-
лись отдельными ячейками, расположенными в основном над горами. 22 июля развитие
облачности и осадков было интенсивнее и характеризовалось большей плотностью ядер
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №10 117
Рис. 2. Пространственное распределение характеристик облачности после 2 ч развития с различными на-
чальными состояниями атмосферы.
Цифры возле шкал: 1 — концентрация кристаллов, 1/г; 2 — насыщение относительно льда, г/кг; 3 —
водность, г/кг. Цифры у изолиний — температура
и отдельных полос. Насыщение относительно льда по площади и величине значительно
превышало наблюдавшееся 21 июля.
Основное ядро с пересыщением пара относительно льда было размещено к югу от ото-
браженной на рис. 1, д области и было связано с ядром облачности, отмеченным спутни-
ковыми снимками. Узкие потоки водяного пара, которые пробивались через рельеф с юга
и запада, встречались в Карпатах в бассейне рек Стрый и Днестр и способствовали образо-
ванию конвективных облаков. На пути этого потока поблизости Ивано-Франковска и высо-
когорной части украинских Карпат (г. Говерла и соседние вершины) также возникали кон-
вективные образования.
В ячейках наиболее сильных осадков были мощные конвективные образования, ото-
браженные на рис 2. Эти облака были получены путем интегрирования системы (1) при
начальном состоянии: а) t = 0 (23.30, 21.07.08), б) t = 0 (23.30, 22.07.08).
Они характеризовались кристаллическими вершинами, смешанными прослойками под
ними, насыщением относительно льда и сильными восходящими и нисходящими движени-
ями, достигавшими в отдельных случаях 10 м/с. Такие восходящие движения достаточно
редкие, но они четко указывают на возможность возникновения катастрофических осадков.
Особой роли кристаллических вершин в образовании сильных осадков уделялось внимание
многих исследователей [7–9]. В данном случае их присутствие имело определяющее влияние
на интенсивность осадков в ночь с 22 на 23 июля.
Влияние кристаллических вершин с большой концентрацией кристаллов усиливалось
наличием высокорасположенных (около 15 км) перистых облаков, содержащих большое ко-
118 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №10
личество мелких кристаллов, постоянно засевающих нижележащие кристаллические вер-
шины кучевых облаков.
Области с насыщением относительно льда, облаками и сильными восходящими движе-
ниями не всегда совпадают. Это обусловлено разницей между скоростями движения обла-
чных систем в целом, и отдельных частей в заданной области, т. е. относительным движени-
ем отдельного малого мезомасштабного пятна к системе в целом. Последнее не исключает
возможности выпадения осадков в насыщенные слои и последующего их роста, если эти
области размещены рядом.
Если же под кристаллическими облаками размещены смешанные прослойки или области
с насыщением относительно льда, то складывались наиболее благоприятные условия для
получения сильных, а то и катастрофических осадков. Такие области чаще появлялись 22
июля и значительно реже 21 июля.
Особенного внимания требуют расчеты интенсивности осадков. Их абсолютная величи-
на в значительной степени определяется интенсивностью механизмов образования облаков
и осадков. Гипотеза о том, что вся образованная в облаках твердая и жидкая субстанция
выпадает из облака в данном случае достаточно далека от реальности. Численные экспе-
рименты показали, что изменение интенсивности механизмов образования осадков может
изменить их величину на порядок, а то и больше.
На рис. 3 приведена эволюция облачности и осадков за 21–23 июля 2008 г. в предпо-
ложении, что параметры осадкообразования имеют среднестатистические значения [1, 5]
и присутствует коагуляция мелких капель с крупными, и с кристаллами.
Если проанализировать рис. 3 можно отметить, что намного более сильные и занимав-
шие большую площадь осадки наблюдались 22–23 июля. Но и 21–22 июля при достаточно
интенсивных механизмах осадкообразования, осадки в отдельных местах могли быть силь-
ными. Например, следует обратить внимание на два ряда кучевых облаков, обнаруженных
вблизи точки (x; y) = (50; 50 км), интенсивность осадков из которых достигала 8 мм/ч.
Характерным для 22 июля было образование слоистой облачности на северо-востоке
Карпат и на левом берегу Днестра. Как показало последующее численное моделирование,
осадки были здесь не слишком сильными, но занимали значительно большие площади, чем
в горах.
После проведения анализа фактического материала и полученных при моделирова-
нии результатов можно сделать вывод, что ключевые параметры, определяющие избыто-
чное количество осадков предопределены постоянным притоком влаги, доставленной ра-
зными воздушными массами. Наиболее сильная осадкообразующая активность наблюда-
лась тогда, когда несколько течений сливались в одно. Тогда интенсивное образование ви-
хрей и мощных конвективных облаков резко увеличивало вероятность выпадения сильных
осадков.
Из-за большого количества способного к сублимации водяного пара определяющую роль
в образовании осадков над Карпатами в летний период играют микрофизические характе-
ристики, особенно крупнокапельная фракция.
Осадки имеют ячейковую структуру с четко выраженными ядрами, интенсивность в ко-
торых может достигать невероятной величины. Если в окружении этих ячеек находится
неизрасходованный водяной пар, способный к сублимации, который втягивается внутрь на-
званной ячейки и влечет за собой постоянный рост большого количества, как водяных,
так и кристаллических частиц, вероятность выпадения катастрофических осадков резко
повышается.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №10 119
Рис. 3. Эволюция интенсивности осадков в период 21–23 июля. Цифры возле шкалы — интенсивность
осадков, мм/ч. Цифры над рисунками — время развития облачности в часах. Справа — дата. Центральная
точка расчета (x, y) = (0,0 км) — пункт радиозондирования Ужгород
Причиной образования ячейковых структур являются, в основном ячейки холодного
воздуха, предопределенные как орографией, так и метеорологическими условиями.
1. Пiрнач Г.М. Моделювання еволюцiї мезомасштабних хмарних утворень над Карпатами // Наук.
працi УкрНДГМI. – 2007. – Вип. 256. – С. 19–43.
2. Пiрнач Г.М., Дудар С.М., Шпиг В.М. Чисельне моделювання фронтальних хмарних систем, якi
супроводжували сильний паводок в Карпатах у листопадi 1998 року // Там само. – 2006. – Вип. 255. –
С. 5–25.
3. Krakovskaia S. V., Palamarchuk L.V., Shpyg V.M. Numerical simulation of clouds and precipitation
caused catastrophic floods along the Elbe river in August 2002 // In Proc. of WMO Int. Cloud Modelling
Workshop. – Gamburg, 2004.
4. Pirnach A. Construction and application of the various numerical models for study of the cloud dynamics
and structure of the frontal rainbands // J. Atmos. Res. – 1998. – 45–47. – P. 356–376.
5. Пiрнач Г.М. Чисельне моделювання хмар та опадiв у системах атмосферних фронтiв. – Київ: Нiка-
центр, 2008. – 296 с.
6. Пiрнач Г.М. Моделювання фронтальних хмар iз сильними опадами для рiвнинних та гiрських ре-
льєфiв // Наук. працi УкрНДГМI. – 2004. – Вип. 253. – С. 37–50.
7. Heymsfield G.M., Heymsfield A. I., Belcher L. Observations of Florida Convective Storms Using Dual
Wavelength Airborne Radar // Proc. of 14th ICCP 19–23 July 2004. – Bolonia. – P. 547–550.
120 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №10
8. Hallet J. Characterization of mixed phase cloud and precipitation // Proc. of 14th ICCP 19–23 July 2004. –
Bolonia. – P. 782–785.
9. Woods C.P., Stoelinga M.T., Locatelli J. D., Hobbs P.V. Microphysical processes and synergistic inter-
action between frontal and orographic forcing of precipitation during the 13 September 2001. – Improve –
2 event over the Oregon Cascades // J. Atmos. Sci. – 62. – P. 3520–3534.
Поступило в редакцию 10.07.2009Институт геофизики им. С.И. Субботина
НАН Украины, Киев
T.A. Belyi, A. M. Pirnach
Simulation of strong precipitations in the Ciscarpathian region
Three-dimensional, time-independent, and forecasting numerical models developed in UHRI were
used for the modeling of frontal cloud systems passed over the Carpathian region during flood
in July 2008 and caused a strong precipitation. Numerical experiments were conducted to study
the cloud potential ability to produce precipitations of different intensities. Influences of relief,
updrafts and downdrafts, and the mechanism of cloud and precipitation formation were the objects
of numerical experiments. Results of a numerical study of the precipitation formation conditions
during the synoptical period on July 21–27 in mesoscale frontal rainbands and convective cloud
clusters were analyzed. The research of the key parameters causing a heavy precipitation has been
conducted.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №10 121
|