Метод прогноза приземной температуры воздуха на 24 часа в холодное полугодие для Черноморского побережья Грузии при адвекции холода

Западная Грузия является основным районом в СССР, где на больших площадях культивируются цитрусовые растения. Б зимних условиях в субтропических районах Грузии благодаря теплому климату еще продолжается вегетационный период цитрусов. Поэтому резкое понижение температуры воздуха у поверхности Земли, особенно до -2°С и ниже, представляет для них опасность. Известны случаи резких понижений температуры воздуха на Черноморском побережье Грузии, когда в значительной степени были повреждены цитрусовые растения (зима 1950, 1964, 1972, 1973 гг.).

Продовольственной программой СССР, принятой майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС, предусматривается дальнейшее повышение эффективности работ, связанных с сельским хозяйством. Важнейшим фактором в процессе совершенствования, управления и планирования сельскохозяйственного производства является «научно-обоснованный учет и рациональное использование природно-климатических и погодных условий, характерных для конкретных регионов страны» .

Своевременная и правильная информация об ожидаемом понижении температуры воздуха у поверхности Земли на Черноморском побережьи Грузии в холодный период года является вопросом первостепенного значения в задаче оперативного принятия мер по защите цитрусовых растений. На основании прогнозов бюро погоды для защиты ценных цитрусовых культур от ожидаемых понижений температуры воздуха работники сельского хозяйства производят дымление, укрытие растений и другие комплексные мероприятия в целях уменьшения степени их повреждения.

Кроме работников и специалистов сельского хозяйства в краткосрочных прогнозах понижения приземной температуры воздуха заинтересованы также руководители коммунального хозяйства. Важность этого вопроса вызвала интерес многих исследователей к изучению температурного режима в Западной Грузии, именно в холодный период года. Исследования многих авторов, касающиеся природных условий в Западной Грузии, показали, что в холодное полугодие на рассматриваемой наш территории наблюдаются низкие температуры воздуха, которые в основном связаны с перемещением холодных арктических воздушных масс. Но вместе с тем Главный Кавказокий хребет хорошо защищает указанный район от проникновения этих воздушных масс непосредственно с севера. Холодные вторжения воздуха происходят в указанный район в основном с северо-запада или с запада через акваторию Черного моря. Черное море вносит значительный вклад в формирование погодных условий на побережье Грузии, в частности, в установлении температурного режима.

В настоящее время для прогноза заморозков в отдельных районах Грузии, в том числе и на Черноморском побережьи Грузии, внедрен метод «Условия образования заморозков по Грузии» (автор М.А.Захашвили) и метод «Прогноз заморозков и морозов в локальных районах Грузии» (автор И.В.Чоговадзе). Согласно этим споообам прогноз заморозков осуществляется с учетом циркуляционных процессов в атмосфере, ожидаемой облачности и скорости ветра, а также адвективной и фактической температуры в исходный орок в пункте прогноза. Оба метода прогноза заморозков хорошо оправдываются при стационарных атмосферных процессах.

Основными методами прогноза температуры воздуха у поверхности Земли на территории Грузии, включая Черноморское nodeи метод режье, являются синоптический методТА.А.Ёачуриной. Синоптики бюро погоды Аджарской и Абхазской ГМО (г.Батуми и г. Сухуми) в оперативных прогнозах качественно учитывают известное отепляющее влияние Черного моря в холодный период. А в методике А. А. Бачуриной, как известно, влияние моря на ожидаемую температуру воздуха в прибрежных пунктах не учитывается, так как методика получена для воздушных масс, перемещающихся по суше.

Таким образом, задача разработки метода прогноза температуры воздуха у поверхности Земли при адвекции холода с запада на Черноморское побережье Грузии, с помощью которого было бы возможно максимально учитывать региональные физико-ге (c)графические особенности исследуемой территории, в частности объективный учет трансформационных изменений температуры холодных воздушных масс при их перемещении над акваторией Черного моря, остается актуальным.

Учитывая вышесказанное, задачей данной работы является усовершенствование метода прогноза температуры воздуха у поверхности Земли на Черноморском побережье Грузии путем более точного учета отдельных факторов: прогностических траекторий воздушных частиц с учетом негеострофичности атмосферных процессов (в частности продления срока заблаговременноети прогноза траекторий воздушных частиц аналитическим способом до 24 ч, учета изменения скорости ветра со временем при их расчете), трансформационных изменений температуры воздушных масс при их перемещении с запада через акваторию Черного моря (дополнительный учет изменений температуры за счет турбулентного теплообмена между перемещающейся воздушной массой и Черным морем вдоль траектории, учет изменения характера подстилающей поверхности при переходе воздушных масс с суши на море, нелинейного изменения температуры воздуха, скорости ветра и дефицита точки росы вдоль траектории на поверхности 850 гПа).

Методика прогноза траекторий воздушных частиц, основанная на использовании данных объективного анализа и прогноза полей геопотенциала, нашла широкое использование в оперативной практике прогноза метеоэлементов, однако любой неудачный прогноз высотных барических полей какой-либо заблаговременноети, как правило, ведет к ошибкам в прогнозе траекторий частиц.

Аналитический способ прогноза траекторий воздушных частиц / 86 / основан на использовании данных о геопотенциале и фактическом ветре на картах барической топографии лишь за исходный срок наблюдений, а также вычисленных за этот срок наблюдений из уравнений движения локальных ускорений скорости ветра. Однако использование этой методики в практике прогноза метеоэлементов оказалось ограниченным из-за сравнительно небольшой заблаговременноети прогноза траекторий 12 ч.

Предлагаемая нами методика расчета прогностических траекторий аналитическим способом заблаговременноетью до 24 ч основывается на использовании данных о фактическом ветре в исходный срок наблюдений и за срок, предшествующий исходному сроку наблюдений. Использование локальных ускорений, вычисленных за предшествующий срок наблюдений с помощью уравнений движения, позволяет улавливать тенденцию изменения негеострофических отклонений при быстром развитии барических образований на различных уровнях атмосферы, а именно, учитывать возможную смену знаков через 12 ч на противоположный, а также знаков локальных ускорений.

Следует отметить, что из-за отсутствия данных о фактическом ветре в свободной атмосфере по акватории Черного моря методика прогноза траекторий частиц разрабатывалась на основе данных для равнинной части Европейской территории СССР. Данные по оценке полученных прогностических траекторий частиц, рассчитанных описанным методом с заблаговременноетью до 24 ч, -весьма обнадеживающие, они приведены в главе 3. Разработанная методика прогноза траекторий аналитическим способом может быть использована на Черноморском побережье Грузии при хорошо выраженных северо-западных процессах (в этом случае в свободной атмосфере используются радиозондовые данные о фактическом ветре на прибрежных станциях).

При разработке синоптико-статистического метода прогноза температуры воздуха у поверхности Земли сначала по фактическим данным о ветре определялось местоположение района, откуда поступает воздушная масса, затем определялась зависимость между трансформационным изменением температуры воздуха и факторами, которые обусловливали физические процессы трансформации воздушных масс.

Обработка всей исходной информации осуществлялась о помощью современных методов математической статистики. Окончательный выбор наиболее информативных предикторов и получение расчетных прогностических уравнений был осуществлен с помощью статистического приема пошагового просеивания методом включения и множественного пошагового регрессионного анализа.

В данной работе кроме известных параметров, обусловливающих трансформационные изменения температуры воздушных масс над водной поверхностью, впервые был использован параметр, учитывающий изменение разности температуры воздух — вода вдоль траектории воздушной частицы (аналог изменения турбулентного теплообмена между морем и воздухом вдоль траектории). Целесообразность использования этого параметра для прогноза приземной температуры воздуха на Черноморском побережье с учетом влияния моря было подтверждено статистическим способом. Корреляционная связь в рассматриваемом районе между названным параметром и трансформационными изменениями температуры воздушных масс при западных холодных вторжениях через акваторию Черного моря оказалась довольно высокой, 4.= 0,97.

Научная новизна работы заключается в разработке синопти-ко-статистического метода прогноза температуры воздуха у поверхности Земли для Черноморского побережья Грузии при адвекции холода с учетом влияния моря в холодное полугодие, который может использоваться в оперативной практике.

Предлагается методика прогноза траекторий воздушных частиц аналитическим способом, которая позволяет: а) увеличить заблаговременноеть прогноза траекторий до 24 ч по сравнению с метшдом, изложенным в руководстве по краткосрочным прогнозам погоды (1964 г.) — б) учитывать при построении траекторий дополнительно к среднему фактическому ветру в исходный срок наблюдений по пути перемещения воздушной массы еще рассчитанные по предлагаемым в работе формулам прогностические составляющие скорости ветра.

Впервые для определения трансформационных изменений температуры воздуха над водной поверхностью был использован параметр, учитывающий одновременно турбулентно-конвективный теплообмен и горизонтальный градиент температуры поверхностного слоя воды вдоль траекторий воздушных частиц.

При прогнозе приземной температуры воздуха в число предикторов также были включены рассчитываемые термодинамические характеристики на поверхностях 850 и 700 гПа, с помощью которых учитывается нелинейное изменение температуры воздуха, скорости ветра, а также влияние облачности, турбулентного перемешивания в пограничном слое, характера подстилающей поверхности (суша, море) вдоль траекторий движения воздушных частиц и др.

Применение указанных параметров в качестве предикторов позволило повысить оправдываемоеть прогноза приземной температуры воздуха в рассматриваемом районе по сравнению с синоптическим.

При составлении прогноза температуры воздуха на 24 ч для Черноморского побережья Грузии при адвекции холода с запада построение прогностических траекторий частиц можно произвести либо графическим способом (с использованием прогностических карт барической топографии ATq5q), либо предложенным нами аналитическим способом, не требувщим использования прогностических карт геопотенциала.

Разработанная методика позволяет количественно оценить отепляющее влияние Черного моря при адвекции холода в холодный период года, а также учитывать роль изменения подстилающей поверхности при переходе воздушной массы с суши на море.

Таким образом, использование предлагаемых методов прогноза траекторий частиц аналитическим способом с заблаговремен-ностью до 24 ч и синоптико-статистического метода прогноза температуры воздуха на Черноморском побережье Грузии при адвекции холода с запада в холодный период года позволит специалистам прогностических подразделений повысить качество прогнозов и эффективность гидрометобеспечения сельского и коммунального хозяйства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе получены следующие основные результаты.

1. Впервые для Черноморского побережья Грузии разработан синоптико-статистический метод прогноза приземной температуры воздуха на 24 ч в холодное полугодие при адвекции холода, учитывающий влияние местных региональных особенностей, в частности, моря и гор.

2. Впервые для определения трансформационных изменений температуры воздуха над водной поверхностью был использован параметр, учитывающий одновременно турбулентно-конвективный теплообмен и горизонтальный градиент температуры поверхностного слоя воды вдоль траектории движения воздушной массы. Этот параметр, представляющий собой изменение разности температуры воздух — вода вдоль прогностических траекторий воздушных часv тицХ/ = [(ТкTKw) ~ (X -1 HJJ, оказался наиболее информативным предиктором во всех полученных уравнениях, использующих данные о температуре поверхностного слоя моря для прогноза приземной температуры воздуха в рассматриваемом районе.

Целесообразность использования этого параметра для прогноза приземной температуры воздуха на Черноморском побережье Грузии с учетом влияния моря была подтверждена статистическим способом.

3. Впервые для свободной атмосферы разработан аналитический метод прогноза траекторий воздушных частиц с заблаго-временностью 24 ч, основанный на гидродинамическом расчете.

V из уравнений движения локальных ускорений скорости ветра 4 т.

Эт5 * и ^ в исходный и предшествующий ему срок наблюдений.

Этот способ может с одинаковой успешностью использоваться в свободной атмосфере как над равнинной поверхностью суши, так и при достаточном количестве данных о фактическом ветре — над водной поверхностью моря.

4. Усовершенствован аналитический способ прогноза траекторий воздушных частиц с заблаговременностью 12 ч, изложенный в Руководстве по краткосрочным прогнозам погоды (1964 г.).

5. В методике расчета прогностических траекторий воздушных частиц аналитическим методом а) увеличена заблаговремен-ность прогноза траекторий до 24 ч путем учета негеострофич-ности атмосферных процессов в исходный и предшествующий ему срок наблюденийб) с целью уточнения расчета при построении траекторий частиц предложено дополнительно к среднему фактическому ветру по пути перемещения воздушной массы в исходный срок наблюдений учитывать рассчитанные по предлагаемым формулам прогностические составляющие, скорости ветра.

Для расчета по предлагаемому аналитическому способу прогностических траекторий частиц не требуется использования прогностических карт геопотенциала различной заблаговременное ти.

6. Предложены рекомендации к построению прогностических траекторий воздушных частиц графическим способом в перемещающихся с запада антициклонах, вызывающих понижение приземной тешературы воздуха на Черноморском побережье Грузии.

7. Предложены рекомендации для определения адвективных значений температуры воздуха у поверхности Земли для случаев, когда начальные точки траекторий частиц попадают в высокогорные районы с очень низкой температурой воздуха.

8. Выделены 4 типа синоптических процессов, обусловливающих адвекцию холодных воздушных масс на Черноморском побережье с запада.

9. На основании обработки климатических данных о температуре поверхностного слоя моря и их осреднения по территории в холодный и теплый периоды выявлено 10 районов в акватории Черного моря, отличающихся по температурному режиму.

10. Получены корреляционные связи мевду многолетними среднемесячными значениями температуры поверхностного слоя Черного моря в различных его районах. Оказалось, что эти связи довольно точно аппроксимируются уравнениями линейных регрессий.

11. Оправдываемоеть предлагаемого синоптико-статистического метода прогноза приземной температуры воздуха при адвекции холода на побережье Грузии в холодный период согласно авторской проверке на зависимом материале составляет по различным прогностическим уравнениям 85−99 $.

12. Предварительные результаты проверки синоптико-стати-стического метода прогноза приземной температуры воздуха в рассматриваемом районе в оперативных условиях показали оправдываемо с ть 84−88 $.

13. При проведении соответствующей статистической обработки материала для других водных бассейнов (по аналогии с предлагаемым методом прогноза температуры воздуха у поверхности Земли на побережье Черного моря) могут быть получены свои региональные методики.

14. Перспективным, на наш взгляд, является использование ЭВМ при прогнозе траекторий воздушных частиц аналитическим способом. Для этого потребуются большой точности данные об объективном анализе составляющих скорости фактического ветра, позволяющие с высокой точностью определять негеострофичность атмосферных процессов.

15. По образцу синоптико-статистического метода прогноза температуры воздуха у поверхности Земли в холодный период года на Черноморском побережье Грузии при адвекции холода с запада могут быть получены для этого же района методы прогноза приземной температуры воздуха при адвекции тепла в холодный период, или адвекции холода и тепла в теплый период года.