CC BY
27
УДК 551.509.313: 551.510.522
Д.В. Блинов1, В.Л. Перов2, Б.Е. Песков3, Г.С. Ривин4
ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ БОРА 7-8 ФЕВРАЛЯ 2012 г. В РАЙОНЕ г. НОВОРОССИЙСК И ЕЕ ПРОГНОЗ ПО МОДЕЛИ COSMO-RU
В холодное время года на южных склонах Кавказских гор в районе от Анапы до Новороссийска наблюдается сильный порывистый ветер. В этой ситуации возникает барический градиент, направленный примерно по нормали к Кавказскому хребту, с северо-востока на юго-запад. Рассмотрен прогноз экстремального ветра (боры) в районе Новороссийска по модели COSMO-Ru Гидрометцентра России с шагами сетки 7,0 и 2,2 км. Проведен детальный анализ прогностических полей. Показано, что модель хорошо воспроизводит пространственно-временную структуру поля ветра и других метеорологических полей.
Ключевые слова: численное моделирование прогноза погоды, COSMO-Ru, орографические усиления ветра, новороссийская бора, внутренние волны, гидравлические скачки.
Введение. Борой принято называть сильный и порывистый ветер, возникающий при переваливании воздушной массы через горный хребет и направленный вниз по горному склону, расположенному вблизи морского побережья. Зимой бора приносит сильное похолодание в прибрежные районы, расположенные вблизи относительно теплого моря. Поэтому прогноз возникновения и продолжительности боры представляет собой актуальную задачу по обеспечению безопасности деятельности человека на побережье и на морском шельфе. Бора и подобные ей ветры наблюдаются в разных районах земного шара: бора в Новороссийске и прилегающих регионах Черноморского побережья [1—3, 6, 7], сарма на Байкале [1], бора в Хорватии [11, 16, 17, 27] и т.д. Кроме того, к ветрам этого типа можно отнести чинук у подножия Скалистых гор в штате Колорадо, США [12, 20, 26].
Естественно, что в силу различия физико-географических условий эти ветры имеют местные особенности, однако во всех районах бора развивается при наличии определенных общих условий. К этим условиям относятся большие горизонтальные градиенты давления и температуры между антициклоном над выхоложенным зимой континентом и циклоном над теплым морем; невысокие горные хребты, ориентированные по нормали к воздушным потокам. С этой точки зрения Новороссийск — район, способствующий развитию боры. Цемесская бухта, по берегам которой расположен Новороссийск, вытянута с северо-запада на юго-восток. С северо-востока бухта и город закрыты хребтом Варада, высота которого составляет 500—650 м над уровнем моря (ур. м.). Около Ново-
российска на этом хребте находится Мархотский перевал [9], высота которого около 450 м над ур. м. Через этот перевал и происходит в первую очередь вторжение холодного воздуха на побережье.
Выделяют 5 типов боры — стоковую, внутримас-совую, муссонную, фронтальную и смешанную [1]. Рассматриваемый нами случай относится к фронтальной боре. Этот тип боры возникает при прохождении или вскоре после прохождения холодного фронта через Новороссийск. Для фронтальной боры характерно не только наличие больших горизонтальных градиентов давления (направленных в сторону моря) и температуры, но и наличие сильной инверсии на высоте 0,7—1,5 км, отделяющей нижний слой холодного воздуха от более теплого наверху, причем разность температуры между верхней и нижней границами инверсии может достигать 10—12 °С. Наблюдения показывают, что фронтальная бора локализуется не только у Новороссийска, но охватывает и все северо-восточное побережье от Анапы до Туапсе.
Так как прогнозирование боры требует учитывать влияние не только фоновых метеорологических условий в конкретном районе, но и специфику локального рельефа, до недавнего времени прогноз боры осуществлялся по эмпирическим графикам и формулам [7, 10]. Прогноз при помощи гидродинамических моделей прогноза погоды был затруднен из-за грубого (для этого явления) горизонтального разрешения и сильно сглаженного локального рельефа в этих моделях. Поэтому для оценки максимальной скорости боры в районах ее локального орографического усиления делались попытки вычисления дополнитель-
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии, аспирант; e-mail: denisblinov@ya.ru
2 ФГБУ "Гидрометцентр России", лаборатория численных прогнозов погоды по ограниченной территории, канд. физ.-мат. н., вед. науч. с.; e-mail: perov@mecom.ru
3 ФГБУ "Гидрометцентр России", лаборатория прогнозов опасных явлений и анализа карт, канд. геогр. н., вед. науч. с.; e-mail: peskov@mecom.ru
4 ФГБУ "Гидрометцентр России", лаборатория численных прогнозов погоды по ограниченной территории, докт. физ.-мат. н., заведующий лабораторией. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии, докт. физ.-мат. н., профессор; e-mail: gdaly.rivin@mail.ru
ного увеличения фоновой скорости на основе статистического подхода [2]. Только в последнее время появилась возможность использовать для прогноза боры гидродинамическую модель прогноза погоды С08М0-Яи [4] с горизонтальным разрешением 2,2 км, достаточным для описания локального рельефа. Здесь обсуждаются результаты прогноза по этой модели.
Кратко остановимся на физических механизмах, объясняющих появление боры. В научной литературе было предложено несколько таких механизмов. Первый основан на аналогии с нелинейным гидравлическим потоком над препятствием, описываемым уравнениями мелкой воды [5, 8, 21]. Этот подход показывает, что в воздушном потоке, переваливающем через горный хребет, при определенном соотношении между его толщиной, скоростью, величиной инверсии на верхней границе и высотой хребта происходит переход от докритического режима (с небольшим уменьшением толщины потока и увеличением его скорости) к сверхкритическому (с сильным уменьшением толщины потока и увеличением его скорости). Сверхкритический режим и дает большое увеличение скорости на подветренном склоне хребта [14]. Далее вниз по потоку происходит обратный переход от сверхкритического режима к докритическому. Этот переход происходит в небольшой по горизонтали зоне, поэтому носит название скачка.
Второй механизм основан на суперпозиции орографических волн, распространяющихся вверх и вниз в стратифицированном потоке и частично отражающихся от внутренних слоев с изменяющимся параметром Скорера [18, 19]. Заметим, что использование в этом подходе линейной теории распространения орографических волн для объяснения нелинейных волновых процессов имеет ограниченное применение.
Третий механизм основан на явлении обрушения орографических волн [13]. Вертикально распространяющиеся волны становятся неустойчивыми и обрушиваются, что приводит к появлению на некоторой высоте слоя сильного перемешивания над подветренным склоном. Этот слой действует как отражающий (критический слой) для волн, растущих во времени в слое между критическим слоем и подветренным склоном, а сам процесс приводит к появлению сильных поверхностных ветров [14]. Следует отметить важный для моделирования боры результат: в работах [23, 25] показано, что механизм обрушения волн, который усиливает направленный вниз по склону ветер, и механизм, основанный на гидравлическом подходе, с переходом от докритического режима к сверхкритическому, дают схожие результаты.
Кроме того, в ряде работ по математическому моделированию бору рассматривают как двумерный поток над изолированным горным хребтом, есть попытки объяснить наблюдаемые характеристики потока в терминах двумерных гидравлических и волновых теорий.
В последнее время появились работы по диагностическому моделированию боры при помощи трехмерных негидростатических численных моделей. Интересные результаты получены в работе [28], где наряду с известной моделью для мезопроцессов WRF-ARW использована волновая модель SWAN.
Наша работа посвящена исследованию трехмерной нестационарной мезомасштабной структуры боры при помощи прогностической модели COSMO-Ru Гидрометцентра России.
Постановка проблемы. Были поставлены две задачи: во-первых, кратко проанализировать основные синоптические процессы, сопровождающие экстремальную бору 7—8 февраля 2012 г. при помощи фактических данных (кольцевая карта по данным ГИСМЕТЕО) и оперативной прогностической модели COSMO-Ru с горизонтальным разрешением 7 км; во-вторых, оценить качество прогноза боры в районе Новороссийска с помощью оперативной прогностической модели COSMO-Ru с горизонтальным разрешением 2,2 км.
Материалы и методы исследований. Исследования осуществлялись с помощью системы краткосрочного негидростатического прогноза погоды COSMO-Ru. Начиная с сентября 2009 г. на суперкомпьютере SGI Altix4700 ФГБУ "Главный вычислительный центр Росгидромета" функционирует система краткосрочного прогноза погоды COSMO-Ru для территории Центральной и Восточной Европы, Урала и части Западной Сибири (от Франции до Новосибирской области с запада на восток и от Новой Земли до Ливана с севера на юг) на базе совместной негидростатической модели атмосферы COSMO (по названию одноименного метеорологического консорциума) и деятельного слоя суши.
По правилам консорциума COSMO, в который Росгидромет вошел в качестве полноправного члена в сентябре 2009 г., Немецкая служба погоды (DWD) ежедневно в оперативном режиме предоставляет ФГБУ "Гидрометцентр России" необходимые для функционирования системы COSMO-Ru начальные и боковые граничные условия из своей системы глобального моделирования GME [22], которая с 29 февраля 2012 г. имеет 60 уровней по вертикали и равномерную треугольную сетку с шагом 20 км по горизонтали.
В 2010—2011 гг. в ФГБУ "Гидрометцентр России" проведены оперативные испытания системы COSMO-Ru для области интегрирования (рис. 1) с горизонтальным шагом сетки 7 км, имеющей 40 уровней в атмосфере (высота верхнего уровня составляет примерно 23 км), 7 уровней в почве (глубина нижнего уровня 7,29 м) и 720x600 узлов на каждом уровне. В дальнейшем этот вариант системы будем обозначать COSMO-Ru7. Рассмотрев результаты оперативных испытаний моделей атмосферы, развиваемые и используемые в Гидрометцентре России, которые показали, что характеристики этих моделей находятся на современном международном уровне, на заседании 13 апреля 2011 г., Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизиче-
Рис. 1. Прогноз на 33 ч. давления на уровне моря (белые линии), давления на 500 гПа (черные линии) и температуры на высоте 2 м
(оттенки серого цвета) для 13:00 07.02.2012
ским прогнозам Росгидромета рекомендовала ФГБУ "Гидрометцентр России":
— внедрить в оперативную практику в качестве базовой модель COSMO-Ru7 для численного прогнозирования следующих метеорологических величин (полей и метеограмм): осадков, температуры и влажности воздуха, фонового приземного ветра;
— подготовить технологию распространения прогностической продукции модели COSMO-Ru7 в прогностические подразделения УГМС/ЦГМС европейской территории России.
В настоящее время оперативная система краткосрочного прогноза погоды COSMO-Ru7 использует версию 4.21 совместной модели COSMO (от 6 декабря 2011 г.) и версию 1.18 препроцессинга (от 11 марта 2011 г.) для подготовки начальных и боковых граничных условий по данным указанной выше системы глобального моделирования GME. Результаты прогноза погоды с помощью системы COSMO-Ru7 в виде карт (около 3000 в сутки) и метеограмм (около 1000 в сутки) передаются пользователям через 3,5 ч. после срока наблюдения. Для территории Центрального и части Южного федеральных округов в оперативном режиме используется вариант системы COSMO-Ru с сеткой 2,2 км, содержащей 420x470x50 узлов. В Новосибирском региональном центре на вычислительной системе G-Scale S4700 в оперативном режиме работает вариант системы COSMO-Ru с сеткой из 360x280x40 узлов и шагом 14 км для территории, включающей Урал и Сибирь. Часть результатов ежедневных оперативных прогнозов приведена на сайтах (в скобках указаны модели и соответствующие территории):
— Иир:/те1еот1о.ги/со8то-га (С08М0-Яи7),
—http://sochi.meteoinfo.ru/bull/maps-cosmo (С08М0-Яи2 для части ЮФО, связанной с метеорологическим обеспечением Олимпиады в 2014 г.),
— Мр://аЬт£т1ги/с£ьЫп/тй/тёех.рГ?5&2 (С08М0-Яи8).
Результаты исследований и их обсуждение. Из 7 случаев боры с ноября 2011 г. по март 2012 г. самой сильной (экстремальной) была бора в период с 6 по 9 февраля 2012 г. В этот период порывы ветра в Новороссийске достигали особо опасных величин (>28 м/с), ураганной силы (>33 м/с) и экстремально редкой и опасной силы (>40 м/с), вызывающей большой ущерб и жертвы. Бора 6—9 февраля 2012 г. достигала опасной силы (таблица) как в Новороссийске (28-44 м/с), так и в 30—120 км юго-восточнее (в Геленджике до 39 м/с, в Туапсе до 33 м/с), в Анапе (40 км северо-западнее Новороссийска) скорость ветра достигала 27 м/с. Сила боры увеличивалась не равномерно, а скачками (около 5 м/с), оставаясь затем практически неизменной в течение примерно 6 ч. после каждого скачка.
Синоптическая ситуация была спрогнозирована с точностью, достаточной для своевременных и эффективных штормовых предупреждений [7], и за-благовременностью до 48 ч. моделью С08М0-Яи7; а экстремальная бора — точнее, но с меньшей заблаго-временностью системой С08М0-Яи2. Основными факторами формирования боры были резкое увеличение приземного барического градиента, примерно перпендикулярно горному хребту, и адвекция холода за фронтом. Температура воздуха, приближавшегося с северо-востока к Азовскому морю, составляла от
-20 до -25 °С, в то же время над Черным морем — около +5 °С. У хребта холодный воздух задерживался, и изотермы и изобары сгущались в узкой зоне шириной около 50 км.
Фактические максимальные порывы ветра (м/с) в Новороссийске с 6 по 10 февраля 2012 г. по 3-часовым интервалам (время московское)
Дата Интервал времени, ч.
01—04 04—07 07—10 10—13 13—16 16—19 19—22 22—01
06.02 < 16 18 <16 < 16 21 22 28 29
07.02 30 33 34 40 40 42 44 44
08.02 44 44 42 28 24 42 28 27
09.02 25 28 25 22 20 25 24 24
10.02 25 25 23 26 26 20 <16 <16
На рис. 1 представлен выполненный по начальным данным на 04:00 мск. 6 февраля 2012 г. прогноз на 33 ч. полей давления на уровне моря и на поверхности 500 гПа, а также приземной температуры на высоте 2 м по модели С08М0-Яи7. На этом рисунке видны, как и на соответствующей фактической карте ГИСМЕТЕО, характерные черты синоптической ситуации, — мощный холодный антициклон с давлением до 1060 гПа севернее и северо-восточнее Азовского моря и активный циклон с давлением до 980 гПа над теплым Средиземным морем с большими значениями барического градиента и скорости ветра между ними.
Весь период боры эта ситуация сохранялась, в целом характеризуясь полосой экстремально высокого давления — от Новосибирска до Лондона — с холодным воздухом, распространявшимся с северо-востока на теплые южные моря, где при прогреве формировалась полоса низкого давления от Туниса до Баку. Ан-тициклональные образования перемещались с востока на запад, циклонические — с запада на восток. В период их максимального сближения в районе Новороссийска градиент давления и ветер достигли максимальных величин. Один из циклонов, перемещаясь через Турцию и юг Черного моря на Кавказ и север Каспийского моря, попал на южную периферию полосы высокого давления с движением уже с востока на запад. Усиливая вначале (6 февраля) адвекцию холода, этот циклон затем (8 февраля) уменьшил ее. При этом градиенты температуры, северо-восточные ветры и бора ослабли.
На рис. 2 представлен прогноз полей ветра и порывов ветра на уровне 10 м по модели с горизонтальным разрешением 2,2 км. Видно более интенсивное усиление ветра в районе Новороссийска и других прибрежных районах, чем в районах, не связанных с горными хребтами. Прогноз порывов ветра по модели с разрешением 2,2 км оказался точнее, чем по модели с разрешением 7 км: максимальная скорость ближе к наблюдаемой в среднем на 5 м/с. На рис. 2 показаны и усиления ветра с порывами, превышающими 25 м/с, в районе Новороссийска, Геленджика, Туапсе и вблизи Южного берега Крыма. Над Азовским морем видны сильные средние ветры (до 20 м/с), но порывы
Рис. 2. Прогноз на 10 ч. ветра (значки) и его порывов (оттенки серого) на высоте 10 м для 02:00 07.02.2012
ветра слабее, чем около Новороссийска. По моделям С08М0-Яи (особенно с разрешением 2,2 км) скорость и порывы ветра в опасном диапазоне (более 25—30 м/с) спрогнозированы с достаточной для оперативной практики точностью, так как несущественны ошибки (в несколько часов и м/с) прогноза времени достижения борой опасных (>27 м/с) и критически опасных (>34 м/с) градаций. На практике менее важны ошибки прогноза (по градациям) ослабления боры, хотя они иногда были заметны из-за того, что по модели не воспроизводились вторичные опасные "всплески" боры со скоростью до 26—28 м/с в течение 10—20 ч. после начала ослабления. Продолжительность периода ослабления со всплескам в 6 рассмотренных случаях боры была пропорциональна силе предшествующей боры.
Анализ полей давления на уровне моря по результатам расчетов показал сгущение изобар на уровне моря и изотерм на поверхности 950 гПа (на высоте около 500 м) в районе Новороссийска. Изобары и изотермы направлены вдоль хребта, задерживающего распространение холодного воздуха в нижнем слое толщиной несколько сотен метров и частично пропускающего его через Мархотский перевал и выше хребта (до 500—1000 м). Изотермы также сгущаются со временем и длительное время вытянуты вдоль хребта. На высоте 500—1000 м холодный воздух задерживался на период до 10 ч. не только из-за горного препятствия, но и вследствие движения воздуха вдоль хребта. Позже, с появлением макросиноптической составляющей направления ветра поперек хребта, холодный фронт проходил к морю не только у земли, но и в слое 500— 1000 м (со средней скоростью всего 1,5—3 м/с). В результате на поверхности 950 гПа (~500 м) холодный фронт проходил береговую линию на 16 ч. позже, чем у земли (в отличие от обычной задержки на 2 ч.), на поверхности 900 гПа (~1000 м) — еще на 11 ч. позже, а на поверхности 850 гПа (~1500 м) — еще на 6 ч. позже.
а
Таким образом, макросиноптический барический градиент и ветер, возросшие в 2—3 раза по сравнению с обычными значениями, с приближением мощных антициклонов и циклонов в узкой зоне ~50 км над горным хребтом дополнительно усиливаются еще в 2—3 раза. Последнее видно на рис. 3, а по локальному сгущению изобар над хребтом у Новороссийска и усилению порывов ветра в 2—3 раза большему при боре, чем у порывов ветра вдали от хребта.
Появление составляющей ветра поперек хребта (сдвигающей, хотя и с существенной задержкой, холодный фронт к берегу на высоте 500—1500 м и усиливающей бору) видно, в частности, для этой же составляющей ветра на поверхности 500 гПа. Бора усиливается, по-видимому, из-за сгущения линий тока на перевале и ускорения движения холодного тяжелого воздуха вниз по горному склону в сторону моря.
Анализ еще 6 случаев боры в холодный сезон 2011/12 г. показал, что отсутствие составляющей ветра поперек хребта с суши на море в верхней части пограничного слоя и до поверхности 500 гПа существенно ослабляет бору при сходных барических градиентах у поверхности земли, так как отсутствует перетекание воздуха над хребтом. Однако слишком сильные ветры поперек хребта к морю, в частности в слое от поверхности от 850 до 500 гПа, приводят к сдвигу далеко в море района падения холодного воздуха и усиления в нем ветра.
На рис. 3 представлены прогнозы на 7 февраля в 02:00 мск. поля давления на уровне моря (рис. 3, а) и поля температуры на уровне 950 гПа (рис. 3, б), на то время, когда бора достигла 30 м/с (таблица). Сгущение изобар у Новороссийска повторяет повышение отметок рельефа юго-восточнее города, где хребет ограничивает распространение холодного клина воздуха.
Когда порывы ветра при боре достигли экстремальных значений (40 м/с), сгущение изобар у Ново-
б
Рис. 3. Прогноз на 10 ч. для 02:00 07.02.2012 давления на уровне моря (изолинии), облачности (серое) (а) и температуры на 950 гПа (б)
российска усилилось еще больше, причем оно распространилось по всему северу Кавказского хребта, где перетекание через высокую часть хребта, как и боры у берега (район Сочи и южнее), не отмечалось, как и обычно. На рис. 3, б представлен прогноз температуры на поверхности 950 гПа в период быстрого нарастания (порывами) скорости от 22 до 42 м/с при боре. Видно, что температурное поле практически повторяет барическое: изотермы сгущаются вдоль северной части Кавказского хребта, ограничивающего распространение самого холодного приземного воздуха. Сгущение наиболее выражено у Новороссийска, т.е. у наиболее узкой и низкой части Кавказа в этом районе. С 2:00 до 15:00 7 февраля происходило дальнейшее быстрое сгущение изотерм и изобар по мере притока еще более холодного воздуха с северо-востока. В этот период началось похолодание над Черным морем, сначала у Анапы (рис. 3), а затем вплоть до Туапсе, где также была сильная бора. Северо-западнее Новороссийска температура понизилась от -6 до -10 °С, затем до -16 °С, юго-восточнее — от +6 до -2 °С.
Оценка качества прогноза ветра в Новороссийске показана на рис. 4 (по оси абсцисс показано время по Гринвичу, 12:00 соответствует 12:00 6 февраля, а по оси ординат — величина порывов ветра). Сплошной линией показаны максимальные значения скорости ветра за 3-часовой период по данным наблюдений, квадратики, кружки и треугольники — результаты прогноза порывов ветра с начальными данными от 12:00 6 февраля, 00:00 7 февраля и 00:00 8 февраля соответственно. Видно, что модель хорошо описывает увеличение порывов ветра 6 февраля и их максимальные значения, которые достигали 42—44 м/с во время экстремальной боры 7 февраля. Как отмечалось выше, утром 8 февраля градиент давления в нижней
тропосфере резко уменьшился. Вследствие этого скорость ветра и его порывов также уменьшилась (за период 54—57 часов). Прогноз показал затухание боры на 3 ч. раньше наблюденного.
Анализ боры на основе гидравлического механизма. Сравнительный анализ боры 7 февраля 2012 г. проведен на основе гидравлического механизма в момент времени, когда бора имеет максимальные значения скорости ветра при вторжении холодного воздуха через невысокий Мархотский перевал. На рис. 5 ясно видна слоистая по высоте структура поля потенциальной температуры. Устойчиво стратифицированный слой холодного воздуха толщиной около 3,75 км (8 < 288 К) расположен в нижней тропосфере между Краснодаром и Кавказским хребтом, а менее устойчиво стратифицированный слой — над ним. Между этими слоями существует область с развитой турбулентностью (с малыми значениями числа Ричардсона), с относительно слабым ветром, направление которого отличается от такового у ветра в нижнем слое, т.е. наблюдается поворот ветра. Эта область характеризует критический слой. Под критическим слоем изолинии потенциальной температуры опускаются вниз над подветренным склоном и, достигнув его основания, резко поднимаются вверх над морем. Такое поведение изолиний 8 очень похоже на критическое течение со скачком в моделях, основанных на гидравлическом подходе [5, 8, 11, 21, 24, 29], которое приводит к резкому усилению ветра над подветренным склоном.
К основным параметрам таких моделей относятся: толщина натекающего на горы потока (Н0), его средняя скорость (и0), потенциальная температура (80), стратификация (И0) (частота Брента—Вяйсяля), высота горного хребта (8), разность температуры между нижним и верхним слоями (Л8) и число Фруда
Рис. 4. Порывы ветра в Новороссийске по данным наблюдений (сплошная линия) и по прогнозам по начальным данным за 12 ч. для 06.02.2012 (квадраты), на 00:00 для 07.02.2012 (кружки) и на 00:00 08.02.2012 (треугольники). Время по Гринвичу 12:00 на оси абсцисс
соответствует 12:00 06.02.2012
Рис. 5. Вертикальный разрез поля потенциальной температуры (К) через Геленджик (а) и через точку, находящуюся в Цемесской бухте
Новороссийска (б), на 08:00 08.02.2012 (прогноз на 40 ч.)
^г). Толщина слоя холодного воздуха в натекающем потоке (Краснодар) составляет около 3,75 км (высота Мархотского перевала 450 м).
Используя осредненные по высоте устойчивого слоя значения параметров модели С08М0-Яи: частоту Брента—Вяйсяля N = [(#/80)8Э/Эг]1/2 = 0,018 с-1, горизонтальный ветер и0 = 12 м/с, можно получить вертикальное волновое число к = N0/U0 = 0,0015 м-1 и вертикальную длину волны = 2п/к ~ 4200 м. Из данных работ [15] уравнение для вычисления числа Фру-да в стратифицированном потоке воздуха имеет вид
Fг =
у 2и0п1__
N о Я о 8,п (1Ш 0)'
2 кЯо
где и8 — скорость ветра на нижнем уровне модели. Число Фруда вычислялось для 5 вертикальных колонн ниже изотермы, совпадающей с критическим уровнем. Две из этих колонн расположены до перевала (над г. Краснодар и пос. Славянское), третья — прямо над вершиной перевала, четвертая — за перевалом (над береговой линией в г. Новороссийск) и пятая колонна — над морем в 10 км от берега. Значения числа Фруда для указанных колонн составили 0,38; 0,64; 1,0; 1,62; 0,58 соответственно. Видно, что значения числа Фруда в натекающем потоке (1-я и 2-я колонны) имеют докритические значения ^г < 1,0), над перевалом число Фруда становится критическим ^г = 1,0), после перевала, вниз по склону и над линией берега (в области скачка) оно сверхкритическое ^г > 1,0), а затем над морем становится снова докритическим ^г < 1,0).
Таким образом, результаты прогнозов новороссийской боры по модели С08М0-Яи демонстрируют хорошее совпадение с теоретическими результатами, основанными на гидравлическом подходе.
Выводы:
— прогноз экстремальной новороссийской боры 6—8 февраля 2012 г. с помощью системы прогноза по-
годы С08М0-Яи показал, что модель правильно описывает основные характеристики этого явления и его развитие во времени. Проанализирована макромасш-табная синоптическая ситуация, приводящая к направленному к морю (примерно по нормали к горному хребту) большому (в 2—3 раза больше обычного) барическому градиенту в нижней тропосфере;
— аналогичная ситуация в случаях более слабой боры выявлена в работе [29]. Действие барического градиента приводит к вторжению холодного воздуха, расположенного перед хребтом, через низкие перевалы на Черноморское побережье. Система С08М0-Яи2 правильно воспроизвела резкое усиление ветра над подветренным склоном в Новороссийске, которое очень напоминает скачок в гидравлических моделях. Вычисленные значения числа Фруда для 5 вертикальных колонн, находящихся до перевала, прямо над ним и после перевала, подтвердили переход воздушного потока от докритического режима перед перевалом к критическому прямо над ним и к сверхкритическому с резким усилением ветра над подветренным склоном в районе Новороссийска. После прохождения береговой линии воздушный поток снова переходит в до-критический режим;
— анализ результатов показал, что кроме достаточно больших значений барического градиента по нормали к хребту и инверсии для развития сильной боры необходимо наличие струйного течения в набегающем потоке (в Ростове-на-Дону и Краснодаре). Однако основной фактор — достаточно большие значения барического градиента в нижней тропосфере, уменьшение которого утром 8 февраля привело к резкому ослаблению ветра и его порывов.
В заключение авторы выражают благодарность А.А. Васильеву, А.В. Кислову и сотрудникам кафедры метеорологии и климатологии МГУ имени М.В. Ломоносова за полезные дискуссии о природе новороссийской боры и особенностях ее развития.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурман Э.А. Местные ветры. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 341 с.
2. Бухаров М.В., Лосев В.М., Песков Б.Е. Автоматизированная оценка локального усиления ветра в районе Новороссийска // Метеорология и гидрология. 2010. № 2. С. 35—43.
3. Васильев А.А. Болтанка вертолетов на Черноморском побережье Кавказа при ветрах типа боры // Тр. Центрального института прогнозов. 1965. Вып. 146. С. 11—20.
4. Вильфанд Р.М., Ривин Г.С., Розинкина И.А. Мезомасш-табный краткосрочный региональный прогноз погоды в Гидрометцентре России на примере COSMO-RU // Метеорология и гидрология. 2010. № 1. С. 5—17.
5. Гутман Л.Н., Перов В.Л. О нестационарных задачах мезометеорологии // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1970. № 1. С. 3—13.
6. Мастерских М.А. К прогнозу фронтальной боры в районе Новороссийска // Тр. Гидрометцентра СССР. 1968. Вып. 22. С. 43—46.
7. Наставление по краткосрочным прогнозам погоды общего назначения. Обнинск: ИГ-СОЦИН, 2009. 50 с.
8. Перов В.Л., Аргучинцев В.К., Эпова Л.Е. Бароклинная модель прогноза катабатических ветров // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1974. № 9. С. 915—924.
9. Российский гидрометеорологический энциклопедический словарь. СПб., 2008. 101 с.
10. Руководство по краткосрочным прогнозам погоды. Ч. 1. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 293 с.
11. Belusic D., Pasaric M., Orlic M. Quasi-periodic bora gusts related to the structure of the troposphere // Q. J. R. Meteorol. Soc. 2004. Vol. 130. P. 1103—1121.
12. Bower J.B., Durran D.R. A study of wind profile data collected upstream during windstorms in Boulder, Colorado // Mon. Weath. Rev. 1986. Vol. 114. P. 1491—1500.
13. Clark T.L., Peltier W.R. On the evolution and stability of finite amplitude mountain waves // J. Atm. Sci. 1977. Vol. 34. P. 1715—1730.
14. Clark T.L., Peltier W.R. Critical level reflection and the resonant growth of nonlinear mountain waves // J. Atm. Sci. 1984. Vol. 41. P. 3122—3134.
15. Durran D.R., Klemp J.B. Another look at downslope winds. Pt 2. Nonlinear amplification beneath wave-overturning layers // J. Atm. Sci. 1987. Vol. 44. P. 1402—1412.
16. Hoinka K.P. Observation of the airflow over the Alps during a föhn event // Q. J. R. Meteorol. Soc. 1985. Vol. 111. P. 199—224.
17. Klaic Z.B., Belusic D, Grubisic V. et al. Mesoscale airflow structure over the Northern Croatian cost during MAP IOP 15 — a major bora event // Geofizika. 2003. Vol. 20. P. 23—61.
18. Klemp J.B., Lilly D.K. The dynamics of wave-induced downslope winds // J. Atm. Sci. 1975. Vol. 32. P. 320—339.
19. Klemp J.B., Lilly D.K. Numerical simulation of hydrostatic mountain waves // J. Atm. Sci. 1978. Vol. 35. P. 78—107.
20. Lilly D.K., Zipser E.J. The front range windstorm of 11 January 1972 — a meteorological narrative // Weatherwise. 1972. Vol. 25. P. 56—63.
21. Long R.R. Some aspects of the flow of stratified fluids II. Experiments with a two fluid system // Tellus. 1954. Vol. 6. P. 97—115.
22. Majewski D, Liermann D, Prohl P. et al. The operational global icosahedral-hexagonal gridpoint model GME: Description and high-resolution tests // Mon. Wea. Rev. 2002. Vol. 130. P. 319—338.
23. Pitts R.O., Lions T.J. Airflow over a two-dimensional escarpment. II. Hydrostatic flow // Q. J. R. Meteorol. Soc. 1990. Vol. 116. P. 363—378.
24. Rotach M.W., Zardi D. On the boundary-layer structure over highly complex terrain: Key findings from MAP // Q. J. R. Meteorol. Soc. 2007. Vol. 133. P. 937—948.
25. Saito K. A numerical study of the local downslope wind "Yanaji-Kaze" in Japan. Pt 2. Non-linear aspect of the 3-D flow over a mountain range with a col // J. Met. Soc. Japan. 1993. Vol. 71. P. 247—270.
26. Scinocca J.F., Peltier W.F. Pulsating downslope windstorms // J. Atmos. Sci. 1989. Vol. 46. P. 2885—2914.
27. Smith R.B. Aerial observations of the Yugoslavian bora // J. Atmos. Sci. 1987. Vol. 44. P. 269—297.
28. Toropov P.A., Myslenkov S.A., Shestakova A.A. Numi-rical simulation of Novorossiysk bora and related wind waves using the WRF-ARW and SWAN models // Russ. J. of Earth Sci. 2012. Vol. 12. P. 1—7.
29. Vecenaj Z., Belusic D, Grisogono B. Characteristics of the near-surface turbulence during a bora event // Ann. Geophys. 2010. Vol. 28. P 155—163. URL: www.anngeophys.net/28/1/2010/ (дата обращения: 05.12.2012).
Поступила в редакцию 27.09.2012
D.V. Blinov, V.L. Perov, B.E. Peskov, G.S. Rivin
EXTREME BORA OF FEBRUARY 7-8, 2012, IN THE AREA OF NOVOROSSIYSK AND ITS FORECAST WITH THE COSMO-RU MODEL
Strong gusty winds are observed during the cold season at the southern slopes of the Caucasus between Anapa and Novorossiysk towns when the pressure gradient is directed approximately normally to the Caucasus range, i.e. from north-east to south-west. The forecast of extreme wind (bora) in the Novorossiysk using the COSMO-Ru model with 7.0 km and 2.2 km grid cells developed at the Hydrometeorological Centre of Russia is discussed. A detailed analysis of prognostic fields is performed. It was shown that the model is good in simulating the spatial and temporal structure of the wind field and other meteorological fields.
Key words: numerical weather prediction, COSMO, severe downslope wind, bora of Novorossiysk, internal waves, hydraulic jumps.
