Введение к работе
Актуальность проблемы.
Рассматриваемый в диссертации круг вопросов составляет узловую часть проблемы географической зональности. Суть ее - вопрос о факторах, определяющих зональность географической среды, и о характере их влияния. Исследования в этой области особенно актуальны сейчас, когда рост численности населения и технологические достижения' превратили человечество в фактор планетарного масштаба.
В.В. Докучаев выделил астрономические факторы зональности (орбитальные характеристики и форму Земли). В дальнейшем А.А. Григорьев и М.И. Будыко ввели в рассмотрение соотношение радиационного баланса (R) и затрат тепла на испарение выпадающих осадков (Lr) - радиационного индекса сухости. Изолинии R/Lr в равнинных районах согласованы с границами основных природных зон. Вместе с тем имеется множество ситуаций, вскрытых в трудах русских ученых и в особенности МАЛетросянца, которые связаны с архитектурой и дислокаці '. горных стран и еще требуют изучения степени их подчиненности действиям закона географической зональности.
В качестве инструментария для такого исследования в настоящее время еще не возможно в полной мере использовать математическое моделирование, ввиду крайней сложности и многомасштабности процессов, которые требуется учесть при изучении влияния рельефа на осадки. Кроме того, необходимо постоянно иметь в виду, что практическая деятельность по прогнозу погоды в горах не может быть основана только на результатах численных прогнозов, но требует методического обеспечения синоптической интерпретации всего комплекса данных о географическом объекте, включая особенности рельефа
Невозможно ограничиться и чисто эмпирическим подходом. Наиболее многочисленные инструментальные наблюдения в горах производятся за атмосферными осадками. Применяемые методы оценки осадков вне точек наблюдения основаны на использовании либо данных ближайшего к интересующей точке осадкомерного поста, либо карты шогиет суточных сумм осадков, составленной для района. Оба метода допускают большие
4 погрешности, так как осадки в горах отличаются большой пространственной неоднородностью, а имеющаяся сеть метеостанций и осадкомерных постов в горах недостаточна и нерепрезентативна. На Кавказе, где метеорологическая сеть является одной из лучших в горных территориях, около 65% постов расположены ниже 900 м, еще 34% постов расположены от 900 до 2500 м и только менее 1 % выше 2500. Посты оснащены осадкомерными приборами, имеющие разные уровни погрешности. Кроме того, они весьма неравномерно распределены и по элементам горного рельефа. Основная часть осадкомеров находится вблизи дна долин. Склоны и вершины освещены гораздо хуже.
Основное внимание в работе уделено вопросам оценки ливневых осадков. Атмосферные осадки являются одной из характеристик климата, внимание к которой если не растет, то, по крайней мере, никогда не ослабевает. Относясь к явлениям, влияние которых на деятельность человека и окружающую его среду наиболее велико и может проявляться как в положительном, так и в отрицательном смысле, они постоянно' привлекают внимание экологов, гидрологов и метеорологов. Признано, что, несмотря на постоянно возрастающую потребность населения земного шара в воде, важнейшая приходная составляющая водного баланса - атмосферные осадки -известна еще недостаточно точно. Особенно велики погрешности определения характеристик осадков в горных областях.
На основании имеющейся информации уже выявлен ряд особеїшостей в распределении осадков в горах. Показано, что количество осадков зависит от высоты местности, от ориентации хребтов по отношешпо к влагонесущим массам воздуха, от доступности форм рельефа а также от особенностей синоптических процессов, обусловленных преобразованием мезомасштабной циркуляции атмосферы под действием рельефа. Механизм влияния рельефа на осадки ливневого характера не вскрыт, а предложенный Бьеркнесом механизм стимулирования горами обложных осадков опирается на этот необъясненный пока механизм.
Цель диссертации состоит в том, чтобы, привлекая результаты исследований динамики горной атмосферы, результаты статистических
5 исследований поля рельефа, результаты по физике образования конвективных облаков, а также на факты, обнаруженные синоптическими и климатологическими методам выявить причинно-следственные связи, приводящие к влиянию рельефа на формирование ливневых осадков в горах При этом было необходимо также разработать методы комплексной интерпретации данных о рельефе совместно с синоптическими оценками, климатическими характеристиками и результатами численного моделирования атмосферных процессов.
Основное внимание обращено на горы, находящиеся на территориях, которые традиционно находятся в сфере интересов ученых России - это горные массивы Кавказа, Тянь-Шаня, Карпат, а также горы развивающихся стран Азии и Африки (Эфиопия, Сирия, Индокитай). Рассматриваются ливневые осадки теплого периода, так как именно они дают основной вклад в сумму и вызывают основную массу опасных явлений природы в горах (селевые потоки, паводки, наводнения, образование суховеев, засух ипустьшь).
Задачи исследования
- Определить пространствеїтс-временньїе масштабы, на которых
проявляется влияние рельефа на осадки, систематизировать сведения об
изменениях под влиянием гор метеорологических величин, определяющих
условия осадкообразования и уточтппъ характеристики осадков, существенно
изменяющиеся в горных условиях.
- Выявить характерные особенности рельефа, учет которых существенен
при анализе процессов ливнеобразовапия в горных регионах, разработать метод
построения цифровой модели рельефа, адекватно отражающей эти особенности
района
- Проанализировать основные факторы, определяющие особенности
образования и повышенную интенсивность и продолжительность ливневых
осадков в горах и разработать метод их расчета, ориентированный на
использование, по возможности, наименьшего объема в основном пршемных
метеорологических данных.
- Разработать метод оценки воздействия горного рельефа на поле
атмосферного давления для использования при расчете мезомасштабных
вертикальных скоростей в горном пограничном слое, использующий
минимальный объем информации, доступной исследователю при составлении
прогностических или климатологических оценок.
- Создать метод оценки горизонтального перераспределения влажности
в пределах горной области. Найти теоретически обоснованную форму
зависимости метеорологических величин, определяющих сумму осадков за
некоторый промежуток теплого периода, от параметров рельефа
Объект исследования.
Представляется актуальным и познавательно важным для физической географии свести выше указанную совокупность задач к следующей совокупности блоков вопросов, ответ на которые составляет суть проблемной ситуации и формулу защиты:
-
Имеется ли возможность синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах на основе использован;.. достижений динамической метеорологии, физики пограничного слоя и количественного анализа неизбежно ограниченного объема данных, доступных для использования в оперативной практике синоптика и для климатологических обобщений?
-
Какие процессы необходимо учитывать и какова система приоритетов использования данных наблюдений и методов численного моделирования пространственно-временной неоднородности метеорологических полей при учете возмущающего влияния рельефа?
3. Каковы в условиях неизбежной ограниченности исходной
информации от сети приземных горных метеорологических станций пути
описания наиболее метеорологически значимых процессов и параметрического
учета стратификации атмосферы в горах?
4. Какие особенности кинематики ветра, распределения ливневых
осадков и показателей увлажненности территории должен в первую очередь
учитывать специалист, работающий в условиях влияния горного рельефа на
пространственно-временную неоднородность метеорологических полей?
5. Каковы возможности учебно-методического и практического развития, внедрения и использования синоптической интерпретации ливневых осадков в условиях горных стран Мир
Методика исследования
Исследование проводилось: а) путем теоретического анализа результатов метеорологических наблюдений, численных экспериментов и анализа теоретических выводов других исследователей; б) на основе собственных численных экспериментов автора по расчетам осадков и метеорологических величин, определяющих осадки, для Северо-запада РФ, Кавказа, Северной Африки, Аравийского полуострова и Индокитая; в) на основе обработки дшшых о рельефе.
Научная новизна
Дан аналитический обзор результатов современных исследований, освещающих свойства метеорологических параметров, важных для изучения проблемы лив необразования в горах. На его основе и выделены те особенности и показатели, которые необходимо объяснить и использовать при синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах..
Разработан метод построения цифровой модели метеорологически значимого рельефа гор, включающий обоснование дискретности снятия данных, процедуру последовательного дополнєшія для упрощения ввода дашгых, методику фильтрации мелкомасштабных шумов и метод семантического контроля качества.
На основе анализа цифровых моделей рельефа нескольких регионов впервые разработан подход для количественного определения характеристик рельефа, важных для синоптических, климатологических и экологических приложений. Выявлены типы структурных образований в поле рельефа, позволяющие систематизацию влияния рельефа на погодные условия архитектуры различных участков гор
Предложенные автором методы оценки условий выпадения и интенсивности ливневых осадков позволили выявить основные количественныезависимости, отражающие влияние рельефа на осадки - это
зависимость массовой доли водяного пара и относительной влажности от положения точки на склоне и значения ыезомасштабных вертикальных скоростей в средней и верхней части горного пограничного слоя.
Разработан метод расчета вызванных рельефом гор отклонений приземного давления в горах от синоптического фона, а также для оценки мезомасштабных вертикальных скоростей в слое горного трения. Метод ориентирован на применение в условиях слабой ннформациошюй насыщенности, характерной для удаленных от центра и труднодоступных районов. Вскрыт механизм образования значительного локального увеличения барического градиента и скорости ветра под влиянием особенностей рельефа гор.
Метод расчета горизонтального перераспределения .массовой доли водяного пара в горах, предложенный автором, позволил обнаружить появление зон повышенной влажности в определенных частях склонов гор под влиянием мезомасштабных вертикальных скоростей, вызванных взаимодействием гор и внешнего потока. Выявленные автором основные параметры для статистической корректировки результатов прогнозирования влажности и осадков- в горах, позволяют уточнять синоптическую интерпретацию атмосферных процессов в горах.
Теоретический анализ взаимосвязей метеорологических величии в горах, выполненный автором, позволил объяснить характер зависимости осадков от высоты и обосновать форму их зависимости от характеристик рельефа. Показано, как для конкретного региона можно уточнить связи сумм осадков с характеристиками рельефа, используя материалы метеорологических наблюдений.
Основные результаты и положения работы, выносимые на защиту:
1. Метод построения цифровой модели рельефа гор, направленный на то, чтобы поле высот рельефа, при минимальной детализации правильно воспроизводило важные для определения осадков особенности. Обоснование дискретности снятия данных, методики фильтрации мелкомасштабных шумов и семантического контроля результатов.
-
Результаты оценок характеристик сглаженного рельефа на примере ряда горных районов. Связанные структурные элементы в поле рельефа, сходные с широко известными структурными элементами поля барической топографии и существешгые для типизации положения метеорологической станции при изучешш зависимости метеорологических величин от характера рельефа гор.
-
Метод оценки возможности выпадения ливневых осадков в горах и расчета их интенсивности и количества, ориентированный на использование минимального комплекта в основном приземЕїьк метеорологических данных, доступных исследователю как в условиях диагноза, так ь при прогнозе.
-
Определение наиболее чувствительных к влиянию рельефа данных из минимально необходимого для расчета ливневых осадков комплекта.
5. Метод синоптической интерпретации данных о рельефе и
атмосферной циркуляции над горами для расчета отклонений давления,
скорости ветра и вертикальных токов в горном пограничном слое.
6. Результаты исследования характера отклонений в поле давления,
ветра и вертикальных токов в горах с рельефом, состоящим из типовых форм.
7. Метод синоптической интерпретации данных о рельефе и
синоптической ситуации, влияющих на горизонтальное распределение
влажности воздуха в горах в условиях различных типовых форм рельефа.
8. Выявление причин формирования зависимости сумм осадков за
теплый период от характеристик рельефа.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются следующим. 1) Предложенные методы основаны на современных научных положениях и количественных методах. 2) Результаты расчетов согласуются с имеющимися данными наблюдешга и объясняют многие из ранее отмеченных особенностей климата и погоды в горах. 3) Анализ по различным регионам и с привлечением выборок большого объема показал общность основных выявленных соотношений. 4) Сопоставление получаемых на основе предложенных количественных методов синоптической интерпретации атмосферных процессов в горах результатов с натурными данными и проверка
их на статистически независимом материале подтвердили достоверность полученных результатов и сделанных выводов.
Научная и практическая значимость.
Исследование законов пространственного распределения
гидрометеорологических характеристик в горах является важной научной и значимой практически проблемой. С одной стороны, оно содействует раскрытию структуры гидрометеорологических-полей и их связи со структурой рельефа территории, а значит, может быть обеспечено только путем углубления знаний о законах формирования природных явлений. Этим оно способствует развитию науки. С другой стороны, оно содействует повышению надежности сведений о распределении по территории гидрометеорологических показателей. Это важно для совершенствования прогноза погоды в горах, а также имеет кадастровое значение, обеспечивая уточнения оценок объема водных ресурсов и уязвимости природной среды.
Одной из наиболее сложных практических проблем является учет влияния рельефа на атмосферные осадки. Важность ее в возможности на основе более надежной оценки осадков лучше рассчитывать речной сток, знание режима которого необходимо при проектировании и строительстве оросительных систем, гидротехішческих сооружений н осуществлении разного рода водохозяйственных мероприятий. Заблаговременное и надежное предсказание ожидаемого объема половодного или паводкового стока на основе более достоверной информации о режиме осадков, распределенных по бассейнам горных рек, - один из важнейших практических результатов работы.
Количественные связи осадков и рельефа необходимы также для решения актуальных вопросов развития пастбищного животноводства, строительства и эксплуатации сооружений, прокладки сетей коммуникаций и связи в горных условиях Реализация.
Основные результаты работы, представляемой в виде диссертации, используются в учебной деятельности РГГМУ и других учебных заведений гидрометеорологического профиля РФ в виде учебных пособий, курсов лекций
и монографий. Научные труды, консультащш, расчетные методы и программные продукты автора применяются в научно-практической деятельности гидрометеорологических учреждений Северо-Запада РФ, странах Африки и Азии. Ученики автора работают во многих гидрометеорологических учреждениях РФ и за рубежом. Под руководством автора защищены три кандидатские диссертации. Апробация работы.
Результаты исследовашш автора докладывались на Всесоюзном, совещании. "Статистическая интерпретация результатов гидродинамического прогноза с целью прогноза погоды." Ташкент.VI-85. Всесоюзной, конференции, по авиационной метеорологии. Москва ГХ-86. Всесоюзной, конференции: "Статистическая интерпретация гидродинамических прогнозов". Алма-Ата. VI-87. IIL Всесоюзной конференции по статистической интерпретации гидродинамических прогнозов. Нальчик, VIII-89. Всесоюзном совещании "Проблемы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Сибири". Красноярск, VI1I-89. Всероссийской, конференции: "Современная география и окружающая среда". Казань, IX-96. Итоговых сессиях Ученого совета РГТМУ (I-9S, 1-96,1-97,1-98, 1-99,1-2000). Научных семинарах РГГМУ, кафедры климатологии Географического факультета СПбГУ, Объединенном семинаре отделов ГТО им. А.И.Воейкова
Личный вклад автора в разработку научных результатов
Все теоретические результаты, представленные в диссертации были получены самим автором. В работах, выполненных в соавторстве, вклад автора выражался в постановке задач, руководстве получением результатов, теоретическом анализе результатов и превышал 70 %. Результаты, выносимые на защиту автором, получены в течение последних 10 лет.
Публикации результатов исследований
Работа обобщает многолетние исследования автора по проблеме расчета и прогноза осадков. Из общего количества научных публикаций автора, представленного более чем 100 работами, основные результаты диссертаций
12 содержатся в 41 публикации, среди которых три учебных пособия и две монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, разделов
1-5 с выводами по каждому разделу и заключения. Работа содержит страниц
, 31 рисунок, 29 таблиц и список литературы га 306 наименований.
