Введение к работе
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ диссертационной работы, выносимые на
защиту: 9
В одном из документов Всемирной метеорологической организации, относящихся к программе исследования климата, подчеркивается, что облачный покров как самый мощный и изменчивый регулятор радиационного режима атмосферы и подстилающей поверхности относится к числу ведущих факторов формирования климата.
Нет необходимости обращать особое внимание на то, что облака и непосредственно связанные с ниш осадки оказывают огромное влияние на многие стороны экономической и общественно-культурной деятельности человека. Информация о различных характеристиках облаков - их количестве, высоте границ, водности, дальности видимости, обледенении, наличии осадков и др.- широко используется при планировании и обслуживании деятельности авиации, морского, автомобильного и железнодорожного транспорта. Важны сведения об облаках и осадках для строительной индустрии, энергетики, здравоохранения и организации отдыха человека.
Облака оказывают влияние на потоки солнечной радиации и радиационный баланс земной поверхности, а через него на термический и влажно-стный режим деятельного слоя почвы и приземного слоя воздуха. По этой причине исключительно велико значение информации об облачном покрове и осадках для сельскохозяйственного производства.
Исследование поля облаков и получение статистических (климатических) характеристик этого поля - важная составная часть Всемирной программы изучения климата, продолжающей и развивающей Программу исследований глобальных атмосферных процессов.
Большое внимание исследованию облаков уделялось при выполнении обширной национальной прграммы "Разрезы", возглавлял которую академик Г.И.Марчук. В текущем десятилетии проводится "Глобальный эксперимент по изучению круговорота энергии и воды", в программе которого подчеркнуто, что вода во всех своих состояниях играет определяющую роль во многих процессах на Земле, в частности, водяной пар и облачность, будучи самыми изменчивыми радиационно-активными частями атмосферы, вносят основной вклад в парниковый эффект. Широко проблема облаков (от микрофизических процессов до глобальных систем) была представлена на "Европейской конференции по глобальной энергетике и круговороту воды" (18-22 июля 1994г., Лондон) и "Международной конференции по колебаниям и предсказанию муссонов" (9-13 мая 1994г. Триест).
Облачность тесно взаимосвязана с полями других метеовеличин, прежде всего, влажности и температуры воздуха, радиации, скорости ветра.
Наиболее полными (по длительности и пространственному охвату) рядами наблюдений были и остаются наблюдения за такими метеовеличинами как температура и давление воздуха, скорость ветра, анализу которых и
уделялось наибольшее внимание. Хотя другие метеовеличины (радиация, влажность, облачность) также были в поле зрения исследователей, возможности для получения достаточно надежных статистических (климатических) характеристик их были ограниченными.
Обстановка изменилась в последние десятилетия в связи с широким использованием метеорологических ИСЗ для получения информации о полях облаков и радиации. Если по длительности наблюдения с помощью спутников все еще существенно уступают наземным, то по объему и особенно по систематичности, однородности и пространственному охвату спутниковые данные уже сейчас многократно превосходят наземные наблюдения (прежде всего, за облачностью).
Вообще говоря, в наиболее полных (трехмерных) моделях к полю облаков предъявляются достаточно жесткие требования: нужны сведения о количестве облаков всех трех ярусов, высоте нижней и верхней границ, водности, фазовом состоянии, альбедо и поглощательной способности облаков различных форм. Однако, достаточно полными (статистически достоверными) данными для всего земного шара наука располагает лишь в отношении обшего количества облаков. Сведения о других параметрах облаков носят, как правило, фрагментарный характер - они получены для ограниченных районов и интервалов времени.
Поскольку облака относятся к числу наиболее изменчивых во времени и пространстве метеоявлений, то практически невозможно сведения об облаках, полученные в одном районе, распространить и считать репрезентативными в других районах.
С этой точки зрения более простые подходы к учету облаков при моделировании атмосферных процессов следует предпочесть более сложным. Нельзя также не обратить внимания на то, что включение новых факторов с целью более полного описания и без того, как правило, очень сложных систем (к ним относятся практически все атмосферные прцессы и явления) нередко приводит не к улучшению, а к ухудшению конечных результатов (в смысле адекватности их наблюдаемым в природе).
По проблеме облаков и осадков выполнено большое число исследований как в нашей стране, так и за рубежом. Такие исследования проводятся и получены важные результаты в Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова, Гидрометеорологическом центре РФ, Институте экспериментальной метеорологии, ВНИИГМИ-МЦД, Высокогорном геофизическом НИИ, Арктическом и Антарктическом НИИ, Московском, С.-Петербургском и некоторых других университетах, институтах Академии наук РФ (ИФА, Вычислительный центр СО АН, Институт прикладной математики), Росийском гидрометеорологическом институте, Военной инженерно-космической академии им. А.Ф.Можайского. Значительное внимание проблеме облаков уделяется в странах ближнего (Украина, Грузия, Узбекистан, Литва, Эстония) и дальнего (США, Япония, Великобритания, Германия, Китай) зарубежья.
Однако, проблема фазовых переходов воды в атмосфере столь сложна и многообразна, что остается много и нерешенных вопросов.
1. Впервые обобщены и проанализированы данные спутниковых на
блюдений за облаками по всему земному шару за более, чем 25-летний
период (1965-1992 г.г.). Эти данные использованы для определения
всевозможных статистических характеристик глобального поля облаков
при различном пространственном и временном осреднении.
-
Построены глобальные (мировые) карты средних месячных, сезонных и годовых значений общего количества облаков (п) для двух 10-летних периодов наблюдений: 1971-1980 и 1981-1990 г.г.
-
Впервые исследована зависимость плотности (повторяемости) и функции распределения количества облаков от размера той площади обзора, по которой п определено. Доказано, что два принципиально разных вида распределения n (U -образный и куполообразный) обусловлены влиянием именно площади обзора.
-
Построены и проанализированы пространственная, временная и пространственно-временная автокорреляционные функции количества облаков в широтном и меридиональном направлении.
-
Выполнен спектральный анализ глобального поля облаков.
-
Впервые исследовано (качественно-физически и на основе численной модели) влияние распределения вертикальной скорости синоптического масштаба по высоте на изменение во времени вертикального градиента температуры (термической устойчивости атмосферы), на возникновение мезомасштабных вертикальных движений и образование конвективных облаков (Си cong, Cb).
-
Выяснены условия, при которых в областях пониженного давления образуется или слоистообразная или конвективная, в том числе грозовая, облачность.
-
Построена модель образования ирверсий температуры (приземных и вблизи границ облаков), учитывающая эффекты изменения вертикальной скорости с высотой и конденсации водяного пара в облаке.
-
Изучены годовые и суточные колебания количества и плотности распределения облаков. При объяснении наблюдаемых особенностей суточного хода п необходим учет зависимости влажно-адиабатического градиента от температуры и давления.
-
Изучена роль смешения (вовлечения) воздушных масс с различными термогигрометрическими характеристиками. Показано, что при высоких температурах, в частности, в нижней части тропических циклонов роль смешения (вовлечения) в формировании полей водности и осадков вполне сравнима с ролью вертикальных движений.
-
Оценены временные тренды количества облаков на всех материках и океанах, а также связи поля облаков с полями других метеовеличин.
12. Выполнен качественно-физический анализ уравнения переноса вихря скорости ветра и построена модель возникновения синоптических вихрей в бароклинной атмосфере. На их основе дано толкование (объяснение) эмпирических правил образования и развития целого ряда атмосферных процессов и явлений.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в статистическом анализе и динамическом моделировании полей облаков глобального и синоптического масштабов. Конкретные цели работы сводятся: к получению и анализу статистических характеристик глобального поля облаков, построению динамических моделей образования и развития облаков и синоптических вихрей, качественно-физической и количественной оценке различных факторов формирования облаков, установлению связей поля облаков с полями других метеовеличин.
Ставится задача - получить характеристики облаков в таком виде, чтобы их можно было использовать при моделировании общей циркуляции атмосферы и климата Земли, разработке методов прогноза погоды.
НАУЧНАЯ ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ положений и выводов работы подтверждается взаимосравнением результатов моделирования и теоретических заключений с данными многочисленных наблюдений (измерений), а также оценками статистической значимости полученных результатов. Предсказания теории согласуются и объясняют эмпирические правила, установленные путем анализа синоптико-аэро-логических материалов и опыта оперативной работы.
В период с 1977 по 1992г.г. получаемые автором результаты по статистическому анализу и моделированию структуры глобального поля облаков систематически включались в отчеты (общим числом свыше 10) по темам, которые выполнялись по хоздоговорам с ВНИИГМИ-МЦД (Госкомгидро-мет СССР, 1977-1984 г.г.) и Институтом оптики атмосферы Сибирского отделения РАН (1985-1992 г.г.), а также по планам программы " Человек и окружающая среда. Охрана и рациональное использование природных ресурсов." (Госкомитет по науке и технике, Минвуз РСФСР, 1980-1990г.г.). Два отчета за 1991 и 1992 г.г. подготовлены во исполнение хоздоговоров с Институтом физики атмосферы РАН.
Результаты анализа географических особенностей распределения облачности по земному шару, статистического описания глобального поля облаков и его параметризации с помощью систем ортогональных функций использованы для разработки (в рамках хоздоговорных тем "Атмосфера -KIA" и "Атмосфера КГ) комплекса зональных статистических глобально-региональных моделей безоблачной и облачной атмосферы, использованных головным заказчиком (ЦНИИ "Комета") в 1988-1992г.г.для метеорологического обеспечения космического землеобзора.(Акт о внедрении научных результатов исследований за 1985-1992г.г. в рамках хоздоговорных работ
"Спутник" и "Орбита" от 15 декабря 1995г.)
Некоторые из научных результатов автора включены в учебники и справочные издания:
-Хромов СП. "Метеорология и климатология" (1983г.),
-Воробьев В.И. "Синоптическая метеорология" (1991г.),
-Дроздов О.А., Кобышева Н.В., Школьный Е.П. и др. "Климатология" (1989г.),
-Матвеев Л.Т. "Курс общей метеорологии. Физика атмосферы" (2ое изд., 1984г., Зе изд., 1996г.),
-Мазин И.П., Хргиан А.Х. (редакторы) " Облака и облачная атмосфера. Справочник" (1992г.),
-Седунов Ю.С., Авдюшин СИ., Борисенков Е.П. и др. (редколлегия): "Атмосфера. Справочник " (1991г.).
Основные результаты исследований, выполнявшихся в течение 19 лет, представлялись на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:
-семинаре " Атмосфера-океан-космос", возглавляемом академиком РАН Г.И.Марчуком (ГКНТ СССР, ноябрь 1980г.);
-конференции молодых ученых и специалистов НИИ и УГКС (Алма-Ата, апрель 1981г.);
-Всесоюзной школе - семинаре "Анализ гидрометеорологической ин-формации"(Ташкент, декабрь 1981г.);
-Третьей Всесоюзной научно-практической конференции по безопасности полетов (Ленинград, Академия гражданской авиации, октябрь 1982г.);
-Всесоюзных симпозиумах "Физические аспекты теории климата" (Обнинск, 1984,1987г.г.);
-Третьем Всесоюзном симпозиуме "Метеорологические исследования в Антарктике" (Ленинград, 1986 г.);
-семинарах СПКОР (Советская программа климатологии облачности и радиации);
-межведомственных семинарах по радиационному теплобмену ("Радиационный клуб");
-симпозиуме "Технические и экологические проблемы охраны природной среды" (Объединенный европейский научный центр, Италия, Милан-Торонто-Вербана-Испра, май 1994 г.)
-Европейской конференции по глобальной энергетике и круговороту воды на Земле (Великобритания, Лондон, Академия наук и Метеорологическая служба, июль 1994 г.)
-Всесоюзных школах Института Физики атмосферы АН СССР (1981-1983 г.г.);
-V Всесоюзном совещании по применению статистических методов в метереологии (Казань, 1985 г.);
-Всесоюзной конференции "Активные воздействия на гидрометеорологические процессы" (Киев, 1987 г.);
-VI Всесоюзном совещании по применению статистических методов в метереологии (Калининград, 1990 г.);
-Международной конференции по исследованию изменчивости и предсказанию муссонов (Италия, Триест, май 1994 г..тезисы доклада);
-Международном симпозиуме "Методы охраны атмосферы и водной среды. Регулирование и долгосрочное планирование природоохранных мероприятий" (С-Петербург, ноябрь 1994 г.);
-Международной конференции по геоэкологии (Казань, сентябрь1996 г., тезисы двух докладов);
-Международной конференции по колебаниям климата (Германия, сентябрь 1995 г.,тезисы доклада);
-Межведомственных совещаниях-семинарах по подведению итогов работы по теме "Орбита" (Томск, Ленинград, Москва, Выборг, 1984-1988 г.г.);
-Итоговых сессиях Ученого Совета РГГМИ (ЛГМИ), 1980-1996 г.г.