Одеській гідрометеорологічний інститут

ШУРДА Ксенія Едуардівна

УДК 551.513: 551.515.4

Умови виникнення та просторово-часова мінливість

опадів теплого півріччя і гроз на півдні України

( Українське Причорномор\я ).

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

А в т о р е ф е р а т дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук.

Одеса - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському гідрометеорологічному інституті

Міністерства освіти України

Науковий керівник

кандидат геграфічних наук, доцент

Кудрянь Олександр Пантелійович,

Одеській гідрометеорологічний інститут,

доцент кафедри теоретичної метеорології

та метеорологічних прогнозов

Офіційні опоненти:

доктор геграфічних наук, професор

Міщенко Зінаїда Антонівна,

Одеській гідрометеорологічний інститут,

професор кафедри агрометеорології та

агрометеорологічних прогнозів

кандидат географічних наук, доцент

Тихомірова Віра Олексіївна,

Херсонський державний аграрний університет,

зам.декана економічного факультету

Провідна установа:

Український науково-дослідний гідрометеорологічний

інститут Держкомгідромету, м. Київ

Захист відбудеться " 4 " березня 1999 р. о 14 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01

Одеського гідрометеорологічного інституту за адресою:

270016, м. Одеса, вул. Львівська, 15, ОГМІ

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського

гідрометеорологічного інституту, м. Одеса, вул. Львівська, 15, ОГМІ

Автореферат розісланий 29 січня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лобода Н.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність та рівень дослідженності тематики. Конвективні процеси в атмосфері, серед яких зливові опади і грози викликають найбільший інтерес, є основними погодостворюючими процесами у тепле півріччя. Вони визначають небезпечні явища погоди, режим зволоження, кліматичні та гідрологічні характеристики регіону.

Розвиток конвекції у вирішальній мірі залежить від умов атмосферної циркуляції і термодинамічного стану атмосфери, на які, в свою чергу, впливають фізико-географічні особливості регіону. Незважаючи на очевидну важливість вивчення ролі цих факторів у розвитку конвективних явищ, детальні дослідження їх для південних районів України відсутні. Необхідність розробок в цій області визначається також тим, що кількість і якість стандартної метеорологічної інформації за останні роки поменшала і все більшого застосування здобуває інформація метеорологічних супутників Землі.

Мета та основні завдання наукового дослідження. Метою дослідження була оцінка ролі атмосферної циркуляції у розвитку конвективних явищ - зливових опадів і гроз на півдні України, а також розробка нового підходу до обліку різних характеристик циркуляції з використанням матеріалів спостережень, в тому числі інформації метеорологічних супутників. Найбільша увага приділена циркуляційним механізмам синоптичного масштабу, але розглядалися також зв'язки явищ з макро- і мезопроцесами.

Відповідно до мети дослідження були поставлені задачі:

- розробити і застосувати новий підхід до визначення умов розвитку грозової діяльності та літніх опадів з використанням характеристик атмосферної циркуляції та інформації метеорологічних супутників;

- отримати просторову структуру грозової діяльності на півдні України;

- визначити багаторічну мінливість грозової діяльності та літніх опадів за останні 130 років;

- встановити зв'язок між циркуляційними механізмами синоптичного і мезомасштабу та конвективними явищами;

- розробити методику комплексного використання даних синоптичного аналізу та інформації метеорологічних супутників для підвищення ефективності прогнозу конвективних явищ.

Теоретична і практична цінність дослідження та наукова новизна отриманих результатів полягає у слідуючому:

- розроблено новий підхід до визначення ролі характеристик атмосферної

циркуляції у розвитку конвективних явищ на півдні України;

- уперше отриманий просторово-часовий розподіл грозової діяльності на півдні України;

- визначено залежність розвитку і переміщення хмарних систем, що визначаються по знімках хмарності, від структури поля тиску та його змін в середній тропосфері;

- розроблено методику комплексного використання синоптичної і супутникової інформації для підвищення ефективності прогнозу конвективних явищ.

Впровадження наукових розробок. Отримані в роботі результати можуть використовуватися в оперативних підрозділах метеорологічної служби при складанні прогнозу опадів і гроз на півдні України на 24 години та менше. Особливістю запропонованих рекомендацій є широке застосування інформації метеорологічних супутників і мінімальне використання тих параметрів стану атмосфери, які визначаються з великою погрішністю. Для даного регіону з дуже слабим висвітленням аерологічною інформацією це має вирішальне значення при прогнозі конвективних явищ. Встановлення причин відсутності опадів і гроз, коли атмосферні фронти переміщуються через південь України, також підвищує ефективність прогнозу явищ.

Результати дослідження просторово-часової мінливості гроз і опадів можуть бути використані при побудові теорії клімату регіону.

Апробація та публікації результатів. Основні результати дисертації докладалися на семінарі кафедри теоретичної метеорології і метеорологічних прогнозів Одеського гідрометеорологичного інституту ( ОГМІ ) у червні 1998 р. та на розширеному науковому семінарі кафедр метеорологічного факультету ОГМІ у жовтні 1998 р. Окремі частини роботи докладалися у Гідрометцентрі Чорного та Азовського морів ( ГМЦ ЧАМ ). Рекомендації по прогнозу літніх опадів і гроз передані в ГМЦ ЧАМ.

Матеріали дисертації досить повно відображені в 7 статтях, 6 з яких були опубліковані у Міжвідомчому науковому збірнику України " Метеорологія, кліматологія і гідрологія".

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та додатків. Повний обсяг дисертації становить 201 сторінку, серед яких ілюстрації займають 45 сторінок, таблиці - 5 сторінок, додатки ( А, Б, В ) - 41 сторінку, список використаних літературних джерел (117 найменувань) - 9 сторінок.

Декларація конкретного сосбистого внеску здобувача в розробку результатів, що виносяться на захист:

- запропоновано новий підхід до визначення ролі характеристик атмосферної циркуляції у розвитку конвективних явищ на півдні України;

- розроблено методику комплексного використання синоптичної і супутникової інформації для прогнозу конвективних явищ;

- запропоновано методику облічення даних для прогнозування грозової діяльності на півдні України.

Методології, методи дослідження предмету та об'єкта. В роботі використовується методологія синоптико-статистичного аналізу для оцінки ролі атмосферної циркуляції у розвитку конвективних явищ. Для встановлення зв'язку між циркуляційними механізмами синоптичного і мезомасштаба та конвективними явищами використовувались дані синоптичного аналізу в комплексі з інформацією метеорологічних супутників.

Вихідними матеріалами були приземні карти погоди, карти баричної топографії, щоденники погоди, дані радіозондування атмосфери та знимкі хмарності за 1980-1989 р.р. ( тепле півріччя ).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ.

У ВСТУПІ обгрунтовано актуальність теми дисертації і сформульовані основні положення, які складають наукову новизну та предмет захисту.

У першому розділі зроблено короткий огляд наукових праць, в яких викладені результати дослідження умов розвитку конвекції. У зв'язку з великим впливом конвективних процесів на формування небезпечних явищ погоди кількість праць в цій області дуже велика. Це відображує не лише науковий інтерес до конвективних явищ, але й складність порушеної проблеми. У зв'язку з цим в огляді літератури основна увага приділялася науковим працям, виконаним в останні десятиріччя. Розглянуті термодинамічні умови формування мезоструктурних утворень конвективної хмарності - гряд, осередків та конвективних комплексів. Вивченню механізмів виникнення цих утворень, насамперед, сприяв розвиток супутникової метеорології. Певна роль належить і виконаним за останні роки інтенсивним дослідженням конвекції на спеціальних літаках - лабораторіях, за допомогою яких виявлені такі явища в атмосфері, як диференціальна адвекція, зсуви вітру в області конвективних хмар та їх роль у розвитку останніх. Враховуючи неоднорідність підстеляючої поверхні в даному регіоні були розглянуті праці, в яких досліджені питання впливу системи море-суша на розвиток конвекції з урахуванням добового ходу сонячної радіації. Наприкінці розділу приведено огляд основних праць, в яких розроблені методи прогнозування конвективних явищ.

У другому розділі розглянуті фізико-географічні особливості півдня України, головним чином орографія регіону. Показано, що, незважаючи на відносно невелику мінливість висот місцевості ( менш 200 м понад рівнем моря ), її вплив виявляється у розподілі літніх опадів і гроз. Для того, щоб уперше охарактеризувати опади теплого півріччя і грози, як явища у конкретному регіоні, в цьому розділі була розглянута їх просторово-часова мінливість.

Були визначені основні характеристики поля грозової діяльності: середнє по місяцях і роках число гроз по даним 36 метеорологічних станцій і постів; середньоквадратичні відхилення і поля кореляції числа гроз.

Середнє за десятиріччя ( 1980-1989 р.р.) поле грозової діяльності у тепле півріччя характеризується зростанням числа гроз вглиб континенту і виникненням окремих осередків з максимальним і мінімальним їх числом. Один з осередків з максимумом числа гроз ( 30-33 грози ) розташований на півночі, а другий - на півдні Одеської області ( 26-28 гроз ). Осередок з мінімумом гроз знаходиться на півдні Херсонської області ( 19-23 грози ). Розподіл гроз в основному зберігається протягом усіх місяців теплого півріччя та у тепле півріччя загалом за десять років. Це свідчить про постійність дії тих факторів, які формують поле грозової діяльності:

а) несприятливий ( за рідким винятком ) вплив моря на конвекцію - це більш холодна, чим повітря поверхня моря в денні години і бризова циркуляція; б) характер траекторій хмарності хвильових збурень ( переважно вздовж 30О східної довготи ); в) вплив орографії - тобто відрігів Волино-Подольської піднесеності, зокрема, на утворення осередку мінімуму гроз в долині нижньої течії ріки Інгул.

Середньоквадратичні відхилення числа гроз від 4 на півдні зростає до 12 в північній частині території. Це свідчить про значну мінливість на півночі числа гроз по місяцях і роках. Коефіцієнти кореляції числа гроз досить великі в західній частині регіону ( 0.70 -0.80 ), меншають на півдні ( 0.60 ) і ще більше - на сході ( 0.40 ). Таке зменшення може бути пояснено асинхронністю атмосферних процесів в західній і східній частинах території.

Високі коефіцієнти кореляції дають можливість отримані далі в роботі дані про багаторічний режим грозової діяльності вважати характерними для значної частини регіону.

Часова мінливість грозової діяльності на півдні України є слабо вивченою, тому були розглянуті дані спостережень в Одесі ( Обсерваторія ) за період з 1866 до 1996 р.р., тобто за 131 рік.

Для дослідження часового ходу числа гроз був застосований спектральний аналіз і метод згладжування рядів. Значущими періодами Т з відповідними ним амплітудами ( А ) виявилися: 10.27 ( 1.46 ); 4.32 ( 1.77 ); 2.20 ( 1.56 ).

При згладжуванні по 5-річчям в зміні числа гроз була виражена тенденція до 9-11-річної циклічності, а при биноміальному згладжуванні - добре виражена 4-5-річна циклічність. У останні десятиріччя, коли значно зросла сонячна активність, виявилася 10-11-річна циклічність часової мінливості числа гроз. Ряд, згладжений по максимальному періоду, характерний утворенням декількох екстремумів з інтервалами між ними в 20-22 роки; також була виявлена 10-11-річна циклічність.

Для визначення ролі макроциркуляційних процесів в конвективної діяльності був проведений порівняльний аналіз числа гроз з повторюваністю форм циркуляції по Г.Я.Вангейгейму і А.Л.Кацу. Була виявлена деяка тенденція в багаторічному зв'язку числа днів з формою циркуляції Е по Вангейгейму і числа гроз, але краще виражений зв'язок між часовим ходом числа днів з меридіональною циркуляцією Nm по Кацу і зміною числа гроз по роках.

Дослідження часової мінливості кількості опадів у тепле півріччя також було проведено по даним Одеської обсерваторії в період з 1866 до 1996 р.р. В результаті спектрального аналізу були визначені три значущих періоди Т з відповідними амплітудами ( А ): 7.15 ( 23.36 ); 2.69 ( 17.97 ); 2.13 ( 20.79 ).

При биноміальному згладжуванні ряду багаторічної мінливості кількості опадів добре виявилася 7-8-річна циклічність з напівперіодом в 4-5 років. Ряд, згладжений по максимальному періоду, має 5 максимумів опадів з інтервалом в 27-29 років. Періоди значного зволоження припадають на 70-ті роки дев'ятнадцятого сторіччя, друге десятиріччя двадцятого сторіччя, першу половину 30-х та 40-х років і на 70-ті роки двадцятого сторіччя. Роки з 1895 до 1907 та з 1920 до 1924 - були найбільш посушливими на півдні України. Найбільш чітко виявляється 7-8-річна циклічність, яка, як і 4-5-річна циклічність при грозах, може бути застосована для фонового зверхдовгострокового прогнозу опадів.

У третьому розділі досліджується атмосферна циркуляція синоптичного масштабу при якій виникають грози і опади на півдні України. Основною метою був не формальний статистичний облік відомих синоптичних ситуацій, при яких виникають грози, а детальний аналіз кожного явища грози і конвективних опадів із залученням всіх матеріалів спостережень - карт погоди і баричної топографії, щоденників погоди і щомісячних спостережень, даних радіозондування за період з 1980 до 1989 р.р. Використовувалися відомості про опади на п'яти станціях півдня України, розташованих відносно рівномірно по території, а грози враховувалися тільки в Одесі, так як за десять років дані про грозову діяльність на інших станціях відсутні.

В результаті комплексного аналізу матеріалів спостережень були виділені шість варіантів атмосферних процесів, при яких виникають конвективні явища: 1) холодний фронт; 2) холодний фронт з хвилями; 3) фронт оклюзії; 4) хвильовий циклон; 5) розвинений циклон; 6) висотний циклон.

У цих варіантах відсутні такі процеси, як теплий фронт і внутрішньомасові грози. Грози на теплих фронтах за розглянутий період були відзначені лише в деякіх випадках, тому в окрему групу їх виділяти недоцільно. А більшість випадків гроз і опадів при існуванні малоградієнтних полів тиску біля поверхні землі, які виникали в холодній, відносно однорідній повітряній масі за фронтом і могли б бути визначені як внутрішньомасові, виявилися пов'язаними з циклонічною циркуляцією в середній і верхній тропосфері, а також з висотними циклонами, виникаючими часто над півднем Європи у тепле півріччя.

В дисертації дано детальний аналіз кожного варіанту синоптичних процесів і статистичні дані про повторюваність процесів і гроз. Найчастіше грози виникають при проходженні холодних фронтів з повторюваністю 65.5 % від загального числа разглянутих процесів. Другий по повторюваністі процес - висотні циклони (15.9 %). Меншу повторюваність мають циклони (10 %), холодні фронти з хвилями (4.6 %) і фронти оклюзії (4.0 %).

Різні фактори, як фізично закономірні, так і випадкові, є причиною відсутності гроз. Відношення числа гроз на холодних фронтах до числа холодних фронтів в середньому за десять років становить 28.5 %, для фронтів оклюзії - 43.8 %, для хвильових і розвинених циклонів - 45 та 36.8 % відповідно. Для холодних фронтів з хвилями і висотних циклонів це відношення найбільш високе - 66.6 та 58.1 % відповідно.

Для грозової діяльності виключно важливе значення має час проходження фронту. У період з 24 до 8 години грози на холодних фронтах, розташованих в передній частині висотної улоговини, спостерігалися тільки у 8.9 % випадків, а коли фронт розташовувався в тиловій частині висотної улоговини імовірність гроз близька до 0. Оскільки значна частина фронтів переміщується в період доби несприятливий для розвитку конвекції і число таких фронтів змінюється від року до року, то добовий фактор може бути також елементом формування погодних умов і режиму зволоження.

Розвиток хвильових процесів на холодних фронтах істотно змінює структуру хмарності та погодних явищ, але розподіл їх понад територією пов'язаний з траєкторією хмарної системи хвилі. На відстані 150-200 км вплив цієї системи значно слабшає.

Оклюдовані хмарні утворення мають невелику повторюваність, але їх горизонтальні розміри і протяжність по вертикалі дуже значні, тому грози спостерігаються часто, в нічний час також.

Циклони, добре виражені біля поверхні землі і оформлені по височині, відносно рідко впливають на південь України. Основною умовою утворення гроз в циклонах є вологонестійка стратифікація, великий вологовміст атмосфери і висхідні впорядковані вертикальні рухи, тоді як термічна нестійкість в нижній тропосфері виражена слабо або відсутня. Відсутність термічної нестійкості має велике значення і в циклонах грози часто не мають розвитку.

Висотні циклони є однією з цікавих і недостатньо вивчених циркуляційний систем, виникаючих на півдні України і прилеглих територіях, які впливають на південь України в середньому близько 6 днів у тепле півріччя, а в окремі роки - до 18 днів ( 1989 р. ). Виникаючі при ізоляції холодної маси, висотні циклони неоднорідні по термічній структурі: малоградієнтна область холоду в центральній частині циклону та бароклинна зона невеликої ширини і протяжності навколо холоду. Холодне повітря одночасно є також сухим, тому інтенсивна конвекція тут не розвивається, а під периферійною частиною циклону виникають невеликі циклонічні вихори, в яких є сприятливі умови для розвитку конвекції, гроз і значних опадів. З висотними циклонами пов'язані інтенсивні нічні грози і найбільш сильні зливи - понад 90 мм опадів за добу.

Використовуючи детальну статистику про повторюваність синоптичних процесів за 10 років, була можливість з'ясувати вплив мінливості цих процесів відносно повторюваності гроз в ці роки. Головними процесами, що впливають на грозову діяльність, виявилися холодні фронти ( включаючи фронти з хвилями ) і висотні циклони. Ці два процеси зумовили фактично усі грози в 7 роках з 10, причому максимум ( 22 грози ) в 1989 р. виник внаслідок розвитку висотних циклонів ( 14 ) і проходження холодних фронтів ( 17 ), але другий максимум ( 20 гроз ) в 1982 р. є результатом впливу холодних фронтів ( 10 ) і циклонів ( 5 ) при мінімумі висотних циклонів ( 1 ). Мінімум гроз ( 9 випадків ) сформувався в результаті мінімальної повторюваності всіх процесів в 1983 р.

Для статистичної оцінки зв'язку між опадами і атмосферною циркуляцією був застосований кластерний аналіз з попереднім виділенням синоптичних ситуацій і градацій опадів.

З метою максимально врахувати характер процесу і баричного полю було виділено 8 типових процесів, в число яких увійшли раніше розглянуті типи і додатково холодні фронти з урахуванням їх розташування: а) в передній частині висотної улоговини; б) в тиловій частині висотної улоговини; у) в малозбуреному західному переносі. Крім того, враховувався час проходження фронту через південь України ( день, ніч ). В залежності від розмірів було виділено два види циклонів - циклони синоптичного масштабу і мезоциклони.

В результаті кластерного аналізу були визначені 4 градації опадів: слабі ( 0-1.5 мм ), помірні ( 1.6-6.4 мм ), значні ( 6.5-25.9 мм ) і сильні ( 26.0-90.3 мм ).

Було встановлено, що імовірність випадання слабих опадів на холодних фронтах, розташованих в передній і тиловій частинах висотної улоговини, становить 0.80, а імовірність слабих опадів в циклонічних утвореннях становить тільки 0.17. Імовірність помірних опадів для холодних фронтів, розташованих в передній і тиловій частинах висотної улоговини ( денний час ), і висотних циклонів становить 0.25 та 0.27 відповідно. При інших процесах вона коливається від 0.02 до 0.09. Значні опади фактично відсутні на холодних фронтах в нічний час і при західному переносі; вони дуже рідко спостерігалися на холодних фронтах, розташованих в тиловій частині висотної улоговини, як в нічні, так і в денні години. Їх сумарна імовірність становить 0.02. Сильні опади виникають головним чином у висотних циклонах і при хвильових збуреннях з імовірністю 0.46 та 0.27 відповідно.

Отримані результати можуть бути корисні при складанні прогнозу опадів, особливо коли на південь України переміщуються холодні фронти.

У четвертому розділі для розгляду особливостей розвитку хмарних систем фронтів та циклонічних збурень і пов'язаних з ними погодних явищ використовувалася інформація метеорологічних супутників та інші матеріали спостережень. Початковими даними були знімки хмарності за 1980-1989 р.р. ( тепле півріччя ) та, частково, 1993 і 1995 р.р., приземні карти погоди та карти баричної топографії ( за той же період ). З використанням карт АТ-500 за 00 Гр.ч. та синхронних за часом знімків хмарності визначався перенос хмарних елементів фронтів, циклонів або окремих мезомасштабних комплексів з урахуванням їх характеристик: яскравості, структури, розмірів. Визначалася еволюція хмарної системи і зміни траєкторії, хвильова структура переносу в області фронтальної зони з розрахунком в окремих випадках адвекції вихору.

Було розглянуто 112 випадків переміщення хмарності холодних фронтів: по західній траєкторії - 64 випадки; по південно-західній - 27 випадків і по північно-західній - 21. З урахуванням змін поля геопотенціалу і напрямів переносу на протязі доби, визначеного по картах за два строки, отримано більш детальний зв'язок між напрямом переносу повітряної маси і кількістю опадів на півдні України, встановлений раніше із застосуванням кластерного аналізу.

Еволюція хмарності і, як наслідок, опади при західному переносі виявилися такими, що залежать від характеру хвильових процесів в області фронтальної зони. Було виділено п'ять різновидностей цих процесів: при двох з них, коли були відсутні хвильові збурення, опади були незначними ( 0-6 мм ). Відмінність між ними полягає в тому, що в першій різновидності напрям переносу на протязі доби не змінювався, а в другій - він набував невелику південну складову. До третьої різновидності віднесені випадки з квазіпостійним висотним гребнем з малою амплітудою в західному переносі, внаслідок чого хмарність руйнувалася і опади становили 0-1.5 мм або були відсутні. Четверта і п'ята різновидності характерні хвильовими процесами, при яких збурення з відповідною хмарною системою переміщалися із заходу на схід або висотна улоговина виникала над півднем України. У обох випадках опади складали від 6 до 25 мм, іноді були більшими, а в окремих випадках вночі були меншими.

Для оцінки розподілу траєкторій хмарних елементів всіх п'яти різновидностей західного переносу визначалися широти, на яких траєкторії перетиналися з меридіаном 30О с.д. в інтервалі 44О30/ - 48О п.ш. Оцінка розподілу проводилася із застосуванням методу статистичних випробувань ( Монте-Карло ). Було визначено число випадків проходження 64 траєкторій через меридіан 30О в.д. Імовірність того, що траєкторії знаходяться у виділеному інтервалі, становить 0.95 при досить малій дисперсії ( 0.08 ). Цей результат свідчить, що при незбуренім або з хвилями невеликої амплітуди західному переносі в початкову добу абсолютна більшість траєкторій хмарних систем проходить в такому інтервалі широт, що ці системи впливають на південь України. Особливим питанням є еволюція хмарних систем.

Південно-західний перенос характеризується розвитком улоговини в тропосфері над півднем Європи і Середземним морем. Можливі три варіанти змін переноса за добу, які найчастіше спостерігаються: 1) незначні зміни в положенні улоговини і напрямі переносу хмарної системи; 2) поглиблення улоговини з невеликою зміною в напрямі переносу; 3) переміщення улоговини на схід із зміною в напрямі переносу хмарної системи. При першому варіанті прогноз траєкторії хмарної системи фронту або циклону не представляє великих труднощів. Зокрема, можна визначити імовірність проходження основного масиву хмарності з півдня на північ вздовж фронтальної зони на захід від півдня України і, таким чином, подальше проходження фронту через регіон без опадів. Розвиток цього процесу можна передбачити тільки з допомогою інформації метеорологічних супутників. Прогноз перебудови поля тиску при другому і третьому варіанті значно складніший і відноситься до області чисельних методів прогнозу, будучи найменше розробленим в регіональному відношенні.

Дослідження розвитку хмарних систем з урахуванням фактичних полів тиску показало, що хмарність фронтів та циклонів дуже активно реагує на зміну поля тиску за часом і вздовж траєкторії: вона за короткий строк виникає при формуванні циклонічного поля і, навпаки, руйнується при переміщенні в область з антициклональним характером поля тиску. У роботі приведені приклади такого розвитку.

Північно-західний перенос на південь України виникає при тропосферних хвилях великої амплітуди, які характеризуються значною інерцією. У більшості випадків напрям переносу змінювався на протязі доби мало і в першому варіанті враховується тільки перетворення форми хмарних масивів. У початковому положенні вони можуть бути неупорядкованими хмарними скупченнями, але коли фронт переміщується на південь набувають полосову структуру. До другого варіанту віднесені випадки істотних змін поля тиску в тропосфері і в переносі, що відбувається внаслідок розвитку західних або північно-західних циклонів над східною частиною Європи.

У окремому розділі розглянуто хмарні системи висотних циклонів за даними інформації метеорологічних супутників. Основними характеристиками хмарності є її мезомасштабна структура, що складається з комплексів конвективних хмар діаметром від декількох десятків до 200-300 км. Вихрова структура хмар, незважаючи на замкнену циклонічну циркуляцію, в більшості випадків виражена слабо. Градієнти геопотенціалу у висотних циклонах невелики і швидкість переміщення мезомасштабних конвективних комплексів становить 10-30 км/годину. Тому при повільному переміщенні великого по розмірах комплексу локальні опади бувають значними ( 20-30 мм ). При сприятливих умовах під бароклинною зоною на периферії висотного циклону виникають невеликі циклони, в яких формується значна по розмірах хмарна система. Переміщаючись в системі висотного циклону, така хмарність обумовлює інтенсивні опади. Для прогнозу явищ в області висотних циклонів вирішальне значення має інформація метеорологічних супутників і радіолокаторів.

У п'ятому розділі розглядаються умови виникнення сильних опадів на півдні України. Як сильні враховувалися опади, добові суми яких становили 30 мм і більше. За десять років на п'яти метеорологічних станціях півдня України ( Болград, Одеса, Роздільна, Вознесенськ, Херсон ) було відмічено 32 випадки таких опадів. У одну й ту ж добу сильні опади спостерігалися тільки у 3 випадках на трьох станціях одночасно, двічі - на двох станціях, а в інших 27 випадках - тільки на одній станції. Це свідчить про різко виражений локальний характер сильних опадів. Опади з кількістю 80 мм і більше за 10 років спостерігалися двічі в Одесі і один раз в Херсоні. У 18 випадках сильні опади були зумовлені висотними циклонами, в 8 - переміщенням хвильових збурень на холодних фронтах, в двох випадках - фронтами оклюзії і в одному - холодним фронтом. Число випадків сильних опадів значно зросло в останні роки десятиріччя ( 1987-1989 р.р.).

Дослідження умов виникнення сильних опадів у висотних циклонах показало, що основною причиною опадів було залучення до системи циркуляції висотного циклону хмарних систем, які утворилися під бароклинною периферійною зоною висотного циклону - циклонічних вихорів. Переміщуючись з невеликою швидкістю, ці мезомасштабні хмарні системи зумовлюють інтенсивні і тривалі локальні опади. Екстремальні опади ( 80 мм і більше за 12 годин і менше ) виникали, коли хмарність формувалася над Чорним морем. Сильні опади і грози відмічалися в береговій зоні; процес ставав більш інтенсивним при додатковому розвитку термічної конвекції над сушею.

Умови виникнення сильних опадів в хвильових збуреннях на холодних фронтах і структура поля цих опадів представляють великий інтерес. Тому з використанням даних про опади на 26 станціях півдня України і пересувної сітки координат було отримане поле кореляції опадів в області хвильових збурень. Ізокореляти мають вигляд еліпсоїда, велика вісь якого витягнута в напрямі переносу - з південного заходу на північний схід. Значення коефіцієнта кореляції 0.50 спостерігаються на відстані біля 150-200 км від центра еліпсоїда, а потім швидко зменьшуються. Область значних опадів має розміри 150-200 км, що складає біля 2/3 розміру хмарної системи хвильового збурення і визначається на ІК-знімку у вигляді яскравого хмарного утворення. Проведені розрахунки підтвердили відоме положення, що хвилі на холодних фронтах, як і більш розвинені циклонічні вихори виникають при позитивній адвекції вихору в області фронтальної зони.

Наприкінці п'ятого розділу приводяться основні результати дослідження грозової діяльності з використанням даних радіозондування в Одесі за 1980-1989 р.р. ( тепле півріччя ) в період переміщення холодних фронтів ( 112 випадків ). Запропонована методика обліку даних для прогнозування грозової діяльності в даному регіоні. Актуальність методики полягає у тому, що територія, з якою переноситься повітряна маса, дуже слабо або зовсім не освітлена аерологичними даними і помилки у визначенні початкових даних для прогнозу явищ досить значні. Особливо це торкається характеристик вологості: градієнти вологості в області фронту великі і її визначення пов'язано з такими погрішностями, що прогноз явища не може бути успішним. Виходячи з цього, запропоновано враховувати вологість таким чином: якщо по розрахунку передбачається проходження через пункт прогнозу яскравої на ІК-знімку хмарності фронту, то вважати відносну вологість в цій повітряній масі достатньою ( 80-100 % ) для розвитку інтенсивної конвекції, якщо стратифікація атмосфери вологонестійка.

Для оцінки термічного стану підстеляючої поверхні, що значною мірою визначає нестійкість нижньої тропосфери, пропонується використати максимальну денну температуру ( за 15-16 г ) і відповідну температуру точки роси біля поверхні землі. Для статистичної оцінки зв'язку між станом атмосфери і явищем грози запропоновано враховувати тільки відмінність температур між повітряною масою, що піднялася адіабатично від поверхні землі до рівня 500 гПа, і повітряної маси на цій поверхні, яка переміститься на південь України.

Таким чином, явище грози статистично ставиться в залежність від різниці температур повітря і точки роси біля поверхні землі в період максимального прогрівання і різниці температур повітряної маси, що адіабатично піднялася до рівня 500 гПа, і навколишнього повітря на поверхні 500 гПа. При складанні прогнозу ці величини можна прогнозувати загальноприйнятими методами.

На графіку, побудованому з використанням фактичних значень вказаних параметрів, виділяються дві області. Об'єктивне розділення цих областей зроблене за допомогою дискриминантного аналізу. Рівняння прямої

у = -4.4 + 0.7 х

розділяє область з грозами при у > 0 ( область А ) і область з їх відсутністю при у < 0 ( область Б ). У області А імовірність грози становить 0.95, а імовірність її відсутності в області Б близька до 1.

При прогнозування значень температури на 24 години та менше можуть виникнути погрішності, які внесуть корективи у цей зв'язок. Ефективність прогнозу явища буде залежати від точності прогнозу початкових параметрів.

ВИСНОВКИ.

1. Поле грозової діяльності в береговій зоні на півдні України характеризується зростанням числа гроз від узбережжя до півночі в середньому на 4-5 випадків на 100 км в теплий період. Однак такий розподіл порушується далі вглиб континенту. Максимум числа гроз відмічається на півночі регіону ( район Сербки-Вознесенська - 30-33 грози в тепле півріччя ). Осередок з мінімумом числа гроз знаходиться в нижній течії ріки Інгул ( 19-23 випадки ).

Максимум гроз пояснюється особливостями атмосферної циркуляції і впливом акваторії Чорного моря на конвективну хмарність. Траєкторії більшості хвильових збурень проходять через західну частину регіону, а хмарність холодних фронтів розпадається в денні години над акваторією Чорного моря. Постійне географічне положення осередків максимума і мінімума гроз в кожному місяці теплого півріччя підтверджує вплив фізико-географічних умов на розподіл грозових осередків.

Коефіцієнти кореляції середньомісячного числа гроз для західної частини регіону досить високі ( 0.70 - 0.80 ) і зменшуються на схід ( 0.40 ). Поле кореляції дозволяє визначити область, для якої можна застосувати кліматологічні характеристики, розраховані по даним для одного пункту.

2. У багаторічній мінливості числа гроз за 1866-1996 р.р. із застосуванням спектрального аналізу виявлена циклічність з статистично значущими періодами в 10.27 років, 4.32 і 2.20 роки при значних амплітудах.

Циклічність в 9-11, 4-5 років і 2 роки виявляється при згладжуванні ряду по 5-ти і 10-річчям. 4-5- річна циклічність добре виражена і без згладжування, що дозволяє застосовувати її для фонового зверхдовгострокового прогнозу грозової діяльності. При згладжуванні по 10-річчям і максимальному періоду виявляється 9-11 і 20-23-річна циклічність. Таким чином спостерігається фонова залежність між мінливістю числа гроз, деякими макроциркуляційними характеристиками і сонячною активністю.

3. У багаторічних коливаннях кількості опадів теплого півріччя за 1866-1996 р.р. за допомогою спектрального аналізу була визначена циклічність із значущими періодами в 7.15 років, 2.69 і 2.13 роки.

Циклічність в 7-8 років добре виявляється при згладжуванні ряду згідно з биноміальним законом і в багаторічному ході кількості опадів без згладжування. У останні десятиріччя виразно виявилася циклічність в 8 років з полуперіодом в 4 роки. Виявляється також і дворічна циклічність, але з малою амплітудою. При згладжуванні по максимальному періоду виявилася повторюваність екстремумів кількості опадів з періодом в 27-29 років.

Циклічність опадів не співпадає з циклічністю гроз, за винятком короткоперіодних циклів в 4 та 2 роки. Це пояснюється відсутністю в багатьох випадках зв'язку між умовами утворення опадів і гроз: значні опади не завжди супроводжуються грозовою діяльністю і, навпаки, грози на півдні України часто виникають при невеликих опадах або їх відсутності.

4. Внаслідок детального аналізу матеріалів спостережень за десятирічний період визначені атмосферні процеси, що зумовлюють виникнення гроз і опадів теплого півріччя на півдні України: холодний фронт; холодний фронт з хвилями; фронт оклюзії; хвильовий циклон; розвинений циклон; висотний циклон.

Повторюваність процесу, при якому найчастіше виникають грози - проходження холодних фронтів, становить 65.5 %. Другий по повторюваності процес - висотні циклони ( 15.9 % ). Меншу повторюваність мають циклони, холодні фронти з хвилями та фронти оклюзії.

Відношення числа гроз до числа випадків проходження холодних фронтів в середньому за десятирічний період становить 28.5 %, для фронтів оклюзії - 43.8 %, для хвильових і розвинених циклонів - 45.0 та 36.8 % відповідно. Значно більше це співвідношення для холодних фронтів з хвилями і висотних циклонів - 66.6 та 58.1 % відповідно.

Для виникнення грози виняткове значення має час проходження фронту. У період з 24 до 8 годин грози на холодних фронтах спостерігаються тільки у 8.9 % випадків, а при розташуванні фронту в тиловій частині висотної улоговини імовірність гроз близька до 0.

5. Міжрічна мінливість локального числа гроз ( за 10-річний період ) визначалася головним чином повторюваністю холодних фронтів і висотних циклонів. В абсолютній більшості випадків річні максимуми числа гроз співпадають з найбільшою повторюваністю цих двох атмосферних процесів. Грозова діяльність спостерігається при одночасному здійсненні цих процесів або при аномальному розвитку одного з них.

6. Для визначення статистичного зв'язку атмосферної циркуляції з кількістю опадів у тепле півріччя із застосуванням кластерного аналізу виявилося доцільним більш детально врахувати особливості тропосферної циркуляції в області холодних фронтів, виділивши 8 варіантів процесів: 1) холодний фронт в передній частині висотної улоговини; 2) холодний фронт в тиловій частині висотної улоговини; 3) холодний фронт в малозбуренному західному переносі; 4) холодний фронт з хвилями; 5) фронт оклюзії; 6) циклон ( хвильовий і розвинений ); 7) висотний циклон; 8) мезоциклон.

По кількості опадів було виділено 4 градації: слабі ( 0-1.5 мм ), помірні ( 1.6-6.4 мм ), значні ( 6.5-25.9 мм ) і сильні ( 26.0-90.3 мм ). Імовірність випадання слабих опадів на холодних фронтах, розташованих в передній і тиловій частинах висотної улоговини становить 4/5 від загального числа фронтальних опадів, а в циклонічних утвореннях - тільки 0.17. Імовірність помірних опадів становить 0.25 для холодних фронтів, розташованих в передній частині висотної улоговини в денний час, та 0.27 для висотних циклонів. Значні опади фактично відсутні на холодних фронтах в нічний час і при західному переносі. Сильні опади виникають головним чином у висотних циклонах ( з імовірністю 0.46 ) і хвильових збуреннях ( з імовірністю 0.27 ).

7. В результаті спільного аналізу знімків хмарних систем і карт баричної топографії отримана подальша деталізація зв'язку між напрямом переносу повітряної маси і кількістю опадів, встановлена раніше із застосуванням кластерного аналізу. Еволюція хмарності при західному переносі виявилася такою, що залежить від характеру хвильових процесів в області фронтальної зони. Було виділено п'ять різновидностей цих процесів; при двох із них з відсутністю збурень опади були незначними ( 0-6 мм ), при блокуючому гребні з малою амплітудою збурення опади становили 0-1.5 мм або були відсутні, а при виникненні хвильових збурень в західному переносі опади були значними ( 6-25 мм і більше ).

З використанням методу статистичних випробувань ( Монте-Карло ) показано, що при західному переносі траєкторії повітряної маси і хмарності на протязі доби істотно не міняються і тоді південь України перебуває під впливом цієї хмарності.

Значно складніше здійснюється перенос хмарної маси при південно-західних потоках. Хмарність, меридіонально орієнтована, часто переміщується вздовж південного потоку на північ і, при відсутності умов її регенерації, фронт проходить через південь України без опадів. Прогноз опадів і гроз при південно-західному і південному переносі доцільно здійснювати з максимальним використанням інформації метеорологічних супутників.

8. Особлива різновидність хмарності виникає у висотних циклонах ( ВЦ ) і найчастіше являє собою скупчення мезомасштабних