Введение к работе
Нижней границы атмосферы над морем является водная поверхность, которая обладает рядом специфических свойств, отличающих ее от подстилающей поверхности на суше, где характер и положение неоднородностей подстилающих поверхности фиксированы и не меняются во времени, а так же не зависят от скорости ветра. Водная поверхность, напротив характеризуется совокупностью волн, имеющих различные размеры, форму и скорость и претерпевающих как закономерные, так и нерегулярные изменения. Размеры, пространственное распределите и временные изменения океанических волн подчиняются статистическим законам, причем характер воздушного потока и скорость ветра играют здесь решающую роль. Кроме того, в поверхностном слое моря имеют место орбитальные движения и дрейфовые течения, взаимодействующими с воздушным потоком.
Нижние несколько метров атмосферы над морем имеют огромное значение, поскольку именно здесь происходит динамическое взаимодействие между атмосферой И океаном. На самой поверхности раздела осуществляется передача количества движения, определяющая характеристики пограничных слоев и в атмосфере и в океане. Таким образом, ветер над морской поверхностью имеет важное значение для оценки взаимодействия атмосферы и океана и прогноза волнений.
Сведения о ветре также важны для решения таких практических задач как обеспечения работы всех судов, добычи полезных ископаемых, биологического освоения шельфа, прогноза наводнений и т.д. Следовательно, точность определения поля ветра влияет на конечные результаты расчета этих важных характеристик.
Актуальность темы исследования. Так как измерений ветра в океане сравнительно немного, а точность их часто не высока, то актуальной задачей является расчет поля ветра.
При построении полей ветра по данным наблюдений, возникают трудности, связанные с недостаточной точностью и плотностью сети наблюдений в открытом океане. К сожалению, при этом, не могут быть использованы наблюдения на береговых и островных станциях, где воздушный поток искажается рельефом и строениями. Для уменьшения влияния ошибок наблюдений может использоваться объективный анализ, который, однако, требует знание основных особенностей самих полей.
С учетом всего сказанного, наряду с развитием и совершенствованием сети наблюдений, целесообразно совершенствовать и методы расчета полей ветра над океаном.
Так как наблюдешм над атмосферным давлением выполняются с точностью ±0,1 гПа (наименее искажаемый метеорологический параметр, измеряемый с борта кораблей), поле давление является скалярным, а наблюдениями на береговых и островных станциях можно воспользоваться при его построении, то целесообразно использовать для описания поля ветра наблюдения давления у поверхности земли. Кроме того, современные численные методы прогноза погоды дают возможность предсказать поле давления, по которому можно определить геострофический ветер. Для определения ветра в приводном слое нужно уметь перейти от геосгрофического ветра к приводному.
Пели и задачи работы. Основной целью диссертационной работы является разработка оперативного алгоритма расчета ветра в приводном слое атмосферы, основанного на использовании стандартных гидрометеорологических наблюдений (СГМН).
Для достижения цели пришлось решить ряд задач:
-
Аппроксимировать поле давления по случайно расположенным пунктам и рассчитывать составляющие барического градиента с определенным пространственным шагом;
-
Рассчитывать геострофический (градиентный) ветер в том числе и с учетом особенностей низких широт;
3. Осуществить переход от геострофического (градиентного) ветра к приземному. Подставлены задачи решались в следующей последовательности:
-
На основе двух рядов данных для разных физико-географических условий был изучен вопрос о выборе пространственного шага для определения геострофического (градиентного) ветра;
-
С помощью метода наименьших квадратов проводится аппроксимация поля давления для полинома третей степени в условиях открытого океана для умеренных широт. Для низких широт в Атлантическом океане поле давления аппроксимируется полиномами более высокой степени в диапазоне широт 20 ю.ш - 20 с.ш. для разных диапазонов долгот;
-
На основе нелинейной модели планетарного пограничного слоя атмосферы была разработана схема, по которой осуществляется переход от геострофического ветра к приводному. При этом использовались аппроксимированные функции притоков компонентов касательного напряжения и параметрический учет градиента температуры на верхней границе пограничного слоя. В модели учитываются стратификация приводного слоя и верней части погранслоя, а также шероховатость морской поверхности через формулу Чарнока.
Методика исследования и исходный материал. В качестве исходного материала для исследования выбора пространственного шага для определения составляющих барического градиента были привлечены данные эксперимента Вангара, выполненного в Австралии, и данные с карт АТ850 для декабря и июля I960 г. для района Москвы. Определенный по этим двум рядам данных градиент давления по 4-м и 8-ми точкам показывает, что для разных физико-географических условий оптимальный шаг по пространству лежит в пределах 170-350 км.
Для изучения особенности поля ветра вблизи экватора использовались данные об атмосферном давлении из опубликованного в 1996 г. немецкого ежегодника, осредненные за десять лет в диапазоне 20 с.ш. 20 ю.ш. и 0 - 40 з.д. Этот материал был обработан и проанализирован с помощью компьютерных средств, входящих в комплект MS OFFICE. Полученные при этом результаты расчета ветра в свободной атмосфере и в приводном слое на высоте 10 м. подтверждаются наблюдениями. Для умеренных широт для северной Атлантики брались данные с синоптических карт за 1968 год, имеющиеся в архиве РГТМУ, в диапазоне широт 35-60 с.ш. и 0-50 з.д. Для надежной аппроксимации поля давления брались квадраты 10 х 10 и 15 х 15 в зависимости от количества точек, содержащихся в них. Дополнительным материалом в исследованиях является данные из НИСП "ПРИЛИВ" (рейс 7 и 8), НИС "ОКЕАН" (рейс 8), НИСП "ВОЛНА" (рейс 10) и И/С "Ю.М. Шокальский" (рейс 12), с помощью которых была получена новая эмпирическая зависимость для расчета скорости ветра в приводном слое Мирового океана. С помощью этих данных также были исследованы зависимости Сю/G от разных параметров, входящих в комплекс СГМН.
Научная новизна и практическая значимость. Настоящая работа отличается от других предыдущих исследований тем, что в ней наиболее полно рассмотрены все этапы расчета ветра (описание поля давления, определение градиента давления, расчет геострофического или градиентного ветра с учетом особенностей низких широт, параметризация стратификации в планетарном пограничном слоя атмосферы —ППС).
Расчет поля ветра осуществляется с помощью разработанного оперативного алгоритма, представляющего собой программу, написанную на Фортране 90. Это позволяет с помощью составленного интерфейса облегчить расчеты на практике. Кроме того входные параметры для расчетов являются стандартными и регулярно поступают в мировые центры данных.
В целом на защиту выносятся:
-
Обзор разных методов измерения ветра над водной поверхностью с оценкой их точности и возникающих при их проведении трудностей;
-
Результаты исследования вопроса о выборе пространственного шага при определении градиента давления и расчете геострофического ветра;
.3. Аналитические модели и результаты расчетов геострофімеского и приводного ветра, сделанные на их основе вблизи экватора в Атлантическом океане;
4. Предложенный оперативный алгоритм расчета ветра над океаном для умеренных широт, с учетом влияющих факторов.
Апробация работы была проведена на итоговых заседаниях Ученого Совета, семинарах и заседаниях кафедры динамики атмосферы и космического землеведения РГГМУ в 1999-2000 гг.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В список использованных источников включены найменованім 117 работ. В двух приложениях приведена программа расчета поля ветра, которая была написана на Фортране 90. Работа состоит из 161 страниц и содержит б таблиц и 31 рисунков.
