Модель азиатской депрессии летнего периода на изобарическом уровне 1000 гПа Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.513

ГРНТИ 37.21.77

МОДЕЛЬ АЗИАТСКОЙ ДЕПРЕССИИ ЛЕТНЕГО ПЕРИОДА НА ИЗОБАРИЧЕСКОМ УРОВНЕ 1000 гПа

Ю.В. ШИП КО, кандидат технических наук, доцент

ВУНЦВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

Д.В. БУЧНЕВ, кандидат технических наук

ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

М.А. ОБЛОГИН

ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

О.Р. БАЛАБАН

ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

В статье рассматривается построение модели азиатской депрессии - главного объекта атмосферной циркуляции нижней тропосферы в летний период над территорией Ближнего Востока. Разработана программная реализация модели на изобарическом уровне 1000 гПа, на базе которой рассчитаны параметры циклонической циркуляции. В качестве исходной информации использован архивный материал реанализа параметров атмосферы NCEP/DOE за 1985-2017 гг. Приводятся результаты первичного статистического анализа параметров модели.

Ключевые слова: азиатская депрессия, модель, центр циркуляции, характеристики объекта циркуляции, центр действия атмосферы.

SUMMER PERIOD ASIAN DEPRESSION MODEL AT A 1000 BAR hPa LEVEL

YU.V. SHIPKO, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor

MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)

D.V. BUCHNEV, Candidate of Technical Sciences

MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)

M.A. OBLOGIN

MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)

O.R. BALABAN

MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)

The article discusses the construction of a model of the Asian depression - the main object of atmospheric circulation of the lower troposphere in the summer over the territory of the Middle East. A software implementation of the model at an isobaric level of 1000 hPa was developed, on the basis of which the parameters of cyclonic circulation were calculated. The archive information of the NCEP/DOE atmospheric parameters for 1985-2017 was used as the initial information. The results of the primary statistical analysis of the model parameters are given.

Keywords: Asian depression, model, center of circulation, circulation object characteristics, atmosphere action center.

Введение. Выполнение задач авиационными подразделениями ВКС России в Сирийской Арабской Республике по борьбе с террористическими формированиями требует повышения качества и эффективности метеорологического обеспечения при подготовке и ведении операций. В основе метеорологического обеспечения авиации лежит знание закономерностей процессов атмосферной циркуляции, обусловливающих характер погоды и ее изменений.

Основным звеном атмосферной циркуляции над территорией Ближнего и Среднего Востока в теплый период года (апрель-октябрь) является азиатская депрессия (АД) - преобладаю-

щий тип барического поля. АД представляет собой обширную и глубокую область низкого давления с центром над южными районами Афганистана и северо-западными Пакистана. Депрессия имеет сезонный характер, начинает формироваться в апреле и достигает максимального развития в июле и августе; для депрессии характерна большая устойчивость (в июле и августе -94-96 %). АД в среднем прослеживается до высоты 3-4 км и не исчезает даже в периоды холодных вторжений. Давление в ее центре колеблется от 987 до 1005 гПа [1, 2].

Актуальность. АД обусловливает ясную, жаркую и сухую погоду. Температура воздуха днем повышается до 30-40, местами до 50-53 оС. В условиях АД часто отмечаются пыльные бури с сильными ветрами (20-22 м/с). Горизонтальная видимость при пыльных бурях уменьшается до нескольких метров. Возникающие термические вихри создают большую запыленность воздуха и иногда такие вихри достигают силы урагана (более 30 м/с), поднимают пыль на большую высоту и перемещают ее на значительные расстояния, что приводит к резкому ухудшению видимости на большой территории в течение нескольких суток [1]. Отмеченные метеорологические условия ограничивают или исключают применение авиации, ВВСТ.

Таким образом, в целях совершенствования метеорологического обеспечения функционирования авиационных подразделений в районах Ближнего Востока актуальна задача разработки модели АД (с выявлением особенностей атмосферной циркуляции нижней тропосферы) - для оценки ее влияния на авиационные погодно-климатические характеристики и совершенствования прогностических методов.

Информационный ресурс исследования. В работе использовался архивный материал резервного объективного анализа (реанализа) параметров атмосферы NCEP/DOE АМ1Р-11 [3, 4] за летние месяцы (июнь, июль, август) периода 1985-2017 гг. Рассматривались файлы данных срочных (00, 06, 12, 18 ч Всемирного скоординированного времени) значений геопотенциальной высоты И1000 на изобарическом уровне 1000 гПа. Предварительно проведен расчет среднесуточных значений Н1000 в узлах регулярной сетки (с шагом 2,5 град. по широте и долготе). Использовалась разработанная программа автоматизированной обработки файлов реанализа ^ЕРЮОЕ АМ1Р-11 [5].

Программно-реализованная модель АД. Рассматривается поверхность геопотенциальной высоты уровня 1000 гПа, ограниченная по широте и долготе (ф=10-40 град. северной широты, Х=30-90 град. восточной долготы) и представленная дискретными значениями И^ в узлах регулярной сетки с шагом 2,5 град. (фг., . = 1, 2, ..., 13; Xj,] = 1, 2,..., 25). Отображение среднесуточной поверхности И1000 (пример для 3 июля 2015 г.) представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 - Участок среднесуточной поверхности геопотенциальной высоты И1000 (3 июля 2015 г.), ограниченный по широте и долготе (ф=10-40 град., Х=30-90 град.)

Использован подход [6, 7], определяющий циклонический объект как объем «чаши» (с жидкостью), образованной топографией изобарической поверхности с некоторой краевой изо-гипсой Н0 и горизонтальной плоскостью, проходящей через эту изогипсу. Рассматривается проекция изобарической поверхности на плоскость экватора в системе координат ХОУ, центр которой совмещен с центром Земли, ось X проходит через нулевой меридиан, ось У направлена на восток. Полагается аналогия между проекцией поверхности геопотенциальной высоты (заданного изобарического уровня) на плоскость ХОУ и двумерным распределением на этой плоскости величин X, У с условной массой р^ в точке (х {, у ) [7]:

Ра =

(Но -Н а ) СЮ Ф,

XI (Но-На) соеф

(1)

где учитываются только точки (узлы сетки), для которых выполняется условие Н ^ < Н0.

Для рассматриваемого циклонического объекта АД алгоритм построения модели включает следующие последовательные процедуры:

1) определение минимального значения геопотенциальной высоты Нт|п в рассматриваемой области (ф=10-40 град., ^=30-90 град.) и расчет его координат (фт;п, Хт;п). Данное значение принимается за центр циркуляции. Как показано на рисунке 2, значение Нт|п соответствует глобальному (для данной области) минимуму поверхности Н1000 ;

Рисунок 2 - Проекция среднесуточной поверхности геопотенциальной высоты Н1000 (3 июля 2015 г.) на меридиональную плоскость (отмечены минимум поверхности и краевая изогипса)

2) значение Н0 = Н т|п + 4 условно принимается за краевую изогипсу (в этом случае учитывается, что изогипсы принято проводить через 4 дам). Как следует из рисунка 2, плоскость, проходящая через краевую изогипсу геопотенциальной поверхности, отсекает локальные минимумы и ложбины различной конфигурации и ориентации. Чтобы формализовать структурные особенности полученной «чаши» неправильной формы, вводятся характеристики циркуляционных объектов АД;

3) принимается во внимание, что центром циркуляции можно считать и центр масс системы точек с весами (1) [6, 7], поэтому дополнительно рассчитываются координаты хс, ус такого центра масс в системе XOY по формулам механики [7]:

Xc =

r ZZ (H0 "Hy)c0s 2 Фг C0s A

i j_

ZZ (Ho -Hj) cos Ф

'ZZ (Ho- Hj)cos 2 ф. sin A

Ус =

. J

ZZ (Ho-Hj )cos Ф.

. J

(2)

где r - радиус Земли.

Координаты (2) связаны с географическими координатами посредством известных формул: xc = r cos Фс cos Ас, ус = r cos фс sin Ас. Рассматриваемые условные центры циркуляции (Ф min, Amin ) и (Фс, A c), определенные по п. 1 и п. 3, отличаются, поскольку в их приведенных понятиях заложен разный физический смысл;

4) определяются площадь S, ограниченная краевой изогипсой H0, условная «масса» М рассматриваемого объема «чаши» и их отношение z = M / S (условная плотность циклонического образования) следующим образом [6, 7]:

S = r2Аф ДА ZZ cosФ.,

. J

M = r^AAZZ(Ho - Hj)cos ф.,

(3)

(4)

. j

где Аф, АХ - шаги по меридиану и параллели, выделяющие элементарную площадку (в данном случае 2,5о по широте и долготе);

5) рассчитывается геометрическая характеристика концентрации двумерного распределения около центра масс (эллипса рассеяния) - угол 9 между главной осью эллипса и осью X принятой системы координат XOY, для которого:

2ро о tg 20 = x у

_2 2 ' о -о

x у

(5)

где р, <х, <у - коэффициент корреляции и средние квадратические отклонения величин X, Y

рассматриваемого распределения соответственно [7];

6) от величин <х, <у можно перейти к параметрам <и, ау - полуосям или главным средним квадратическим отклонениям эквивалентного единичного эллипса рассеяния [7]:

о2=

0х+0 + V (0х) +4Р 0х0У

о2 =

—2, „2 // 2 „2\2 , л„2 2 2

0x +0у -VК -0у) + 4Р0х0у

(6)

7) как характеристика формы двумерного распределения «масс» рассчитывается коэффициент сжатия эллипса рассеяния: к = ау / <и .

Схема положения эллипса рассеяния масс циклонических образований АД в системе координат XOY представлена на рисунке 3 [7].

Рисунок 3 - Схема ориентации эллипса рассеяния масс циклонических образований АД на плоскости ХОУ

Следует заметить, как показано на рисунке 3, отрицательным значениям угла 9 соответствуют направления главной оси и (сти) эллипса рассеяния масс циклонических образований АД с

северо-востока на юго-запад.

Статистические оценки характеристик модели АД. Разработанная программно-реализованная модель АД позволила провести вычислительный эксперимент, в результате которого получена выборка (объема N > 3000) описанных выше параметров модели. Результаты статистической обработки многомерной выборки представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Статистические оценки параметров модели АД уровня 1000 гПа (июнь, июль, август, 1985-2017 гг.)

Параметр модели Среднее значение Медиана Максимум Минимум Среднее квадратическое отклонение

нтп , дам -2,9 -3,0 4,0 -10,0 2,1

фс, град. с. ш. 27,7 27,8 39,5 18,7 1,5

X с, град. в. д. 65,5 65,5 88,1 45,0 6,7

^ км2 3 671 700 3 549 000 11 413 700 408 000 1 647 900

М, км дам 5 631 600 5 201 300 23 145 200 851 700 2 919 600

2, дам 1,509 1,490 2,330 0,867 0,228

9, град. -23,1 -23,1 44,9 -44,8 6,8

Сти, км 1003 1025 1906 177 306

ст„, км 154 144 398 56 65

к 0,163 0,144 0,772 0,055 0,072

На рисунке 4 представлены результаты вычислительного эксперимента - распределение центров циркуляции ( фс, Xс) барических образований АД.

Долгота восточная.

Рисунок 4 - Распределение центров циркуляции АД в летний период (уровень 1000 гПа, 1985-2017 гг.)

Как следует из рисунка 4, местоположение тепловой депрессии в летний период (в связи с активностью) имеет значительную устойчивость, в особенности по широте, что соответствует понятию стационарного (в смысле локализации) барического образования.

На рисунках 5, 6 даны гистограммы распределения параметров АД летнего периода. Как следует из рисунка 5 а, минимумы поверхностей геопотенциальной высоты уровня 1000 гПа имеют, в основном, отрицательные значения. По рисунку 5б (где не показаны крайне редкие случаи положительных значений угла 9) отмечается устойчивый наклон главной оси эллипса рассеяния рассматриваемого центра действия атмосферы - с северо-востока на юго-запад (рисунок 3, таблица 1). Гистограммы распределения координат центра циркуляции (рисунок 6) подтверждают вывод об устойчивости положения АД летнего периода.

N 2400

2000 1600 1200 800 400 О

_

\ :

\ \

\ \

; / \ \ \ \

1

/ _/ \

/ - J-

-8 -4 О Нтт, дам а) минимум поверхности H1000

Рисунок 5 - Гистограммы распределения параметров АД в летний период (уровень 1000 гПа, 1985-2017 гг.)

-40 -30 -20 -10 9, град, б) угол ориентации эллипса рассеяния

20 24 28 32 Срс, град. 40 50 60 70 80 Л,с, град,

а) широта б) долгота

Рисунок 6 - Гистограммы распределения географических координат центра циркуляции АД в летний период

(уровень 1000 гПа, 1985-2017 гг.)

Предварительный анализ характеристик АД в начале и конце летнего периода показал их статистическое различие. Из общей выборки результатов вычислительного эксперимента сформированы две подвыборки: за первую декаду июня и последнюю декаду августа (за период 1985-2017 гг.). Например, на рисунке 7 дано распределение центров циркуляции АД на координатной плоскости для этих подвыборок. Как следует из рисунка 7, визуально выделяются два кластера - центры циркуляции АД в начале и конце лета.

Гистограммы распределения географических координат в сравнении (для двух подвыборок) приведены на рисунке 8. Проверка по критерию Смирнова-Колмогорова подтвердила их различие (и по широте, и по долготе) на уровне значимости а=0,05.

45 50 55 60 65

о 1 декада июня ♦ 3 декада августа Рисунок 7 - Распределение центров циркуляции АД в начале и конце лета (уровень 1000 гПа, 1985-2017 гг.)

Рисунок 8 - Гистограммы распределения географических координат центров АД в начале и конце лета

(уровень 1000 гПа, 1985-2017 гг.)

Выводы. В данном исследовании предлагается новая модель азиатской депрессии летнего периода, разработанная с использованием подхода [6, 7] (построения циркумполярного вихря северного полушария) на основе сеточных данных геопотенциальной поверхности определенного изобарического уровня. Учитывая, что АД имеет место в нижних слоях тропосферы, рассматривается уровень 1000 гПа.

Достоверность полученных результатов исследования обоснована использованием большого объема исходных данных, применением программной реализации расчетных алгоритмов.

Положение центра циркуляции и другие представленные параметры АД являются одними из основных характеристик общей циркуляции атмосферы, которые могут служить индикатором развития синоптических процессов в нижней тропосфере в рамках прогнозирования метеорологических условий на различные сроки.

Определенную роль в моделировании процессов циркуляции атмосферы может играть выбор краевой изогипсы циркуляционного образования. Вопрос о выборе краевой изогипсы остается открытым, а в зависимости от выбранного подхода меняются и расчетные параметры объекта циркуляции.

В статье представлен первичный статистический анализ результатов вычислительного эксперимента, дальнейшие исследования, в частности проведение разведочного статистического многомерного анализа данных [8] (с целью выявления их вероятностной и геометрической природы) позволит сформировать адекватные отображения реальных атмосферных процессов.

Построенная модель позволяет дать оценку связей (синхронных/асинхронных) между параметрами АД и характеристиками погодных условий. Разработанная программная реализация и использование комплекса характеристик модели в качестве предикторов позволяют более полно и оперативно отражать особенности атмосферной циркуляции над макрорегионом Ближнего и Среднего Востока в схемах метеорологических прогнозов, моделях климатической системы, моделировать параметры атмосферы при эксплуатации вооружения, военной и специальной техники ВКС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авиационно-климатическая характеристика Среднего Востока. М.: Военное изд-во МО СССР, 1977. 110 с.

2. Апасова Е.Г. О характеристиках местоположения центров действия атмосферы // Труды ВНИИГМИ-МЦД. Статистические методы анализа и прогноза в метеорологии. Вып. 58. М.: Гидрометеоиздат, 1979. С. 89-97.

3. Kanamitsu M., Ebisuzaki W.I., Woollen J. et al. NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis (R-2) // Bull. Amer. Meteorol. Soc., 2GG2. V. 83. P. 1631-1643.

4. NCEP/DOE AMIP II Reanalysis [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.esrl.noaa.gov/ pcd/data/ gridded/data.ncep.reanalysis2.html (дата обращения: 22.G5.2G18).

5. Автоматизированная обработка файлов реанализа параметров атмосферы NCEP/DOE AMIP-II: свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2018618252 от 10.07.2018 / Шипко Ю.В., Кукарских Л.А.; заявл. 22.05.2018, заявка № 2018615521.

6. Багров Н.А., Орлова И.И. К вопросу определения центра циркуляции атмосферы // Труды ГМЦ. Статистические методы долгосрочного прогноза погоды. Вып. 211. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. С. 3-14.

7. Глызь Г.А. О некоторых характеристиках циркумполярного вихря // Труды ВНИИГМИ-МЦД. Статистические методы анализа и прогноза в метеорологии. Вып. 58. М.: Гидрометеоиздат, 1979. С. 98-1G4.

8. Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Классификация и снижение размерности: Справ. изд. / Под ред. С.А. Айвазяна. М.: Финансы и статистика, 1989. 6G7 с.

REFERENCES

1. Aviacionno-klimaticheskaya harakteristika Srednego Vostoka. M.: Voennoe izd-vo MO SSSR, 1977. 11G p.

2. Apasova E.G. O harakteristikah mestopolozheniya centrov dejstviya atmosfery // Trudy VNIIGMI-MCD. Statisticheskie metody analiza i prognoza v meteorologii. Vyp. 58. M.: Gidrometeoizdat, 1979. pp. 89-97.

3. Kanamitsu M., Ebisuzaki W.I., Woollen J. et al. NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis (R-2) // Bull. Amer. Meteorol. Soc., 2GG2. V. 83. pp. 1631-1643.

4. NCEP/DOE AMIP II Reanalysis fElektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://www.esrl.noaa.gov/pcd/data/gridded/data.ncep.reanalysis2.html (data obrascheniya: 22.G5.2G18).

5. Avtomatizirovannaya obrabotka fajlov reanaliza parametrov atmosfery NCEP/DOE AMIP-II: svidetel'stvo o gos. registracii programmy dlya EVM № 2018618252 ot 10.07.2018 / Shipko Yu.V., Kukarskih L.A.; zayavl. 22.05.2018, zayavka № 2018615521.

6. Bagrov N.A., Orlova I.I. K voprosu opredeleniya centra cirkulyacii atmosfery // Trudy GMC. Statisticheskie metody dolgosrochnogo prognoza pogody. Vyp. 211. L.: Gidrometeoizdat, 1978. pp. 3-14.

7. Glyz' G.A. O nekotoryh harakteristikah cirkumpolyarnogo vihrya // Trudy VNIIGMI-MCD. Statisticheskie metody analiza i prognoza v meteorologii. Vyp. 58. M.: Gidrometeoizdat, 1979. pp. 98-1G4.

8. Ajvazyan S.A., Buhshtaber V.M., Enyukov I.S., Meshalkin L.D. Prikladnaya statistika: Klassifikaciya i snizhenie razmernosti: Sprav. izd. / Pod red. S.A. Ajvazyana. M.: Finansy i statistika, 1989. 6G7 p.

© Шипко Ю.В., Бучнев Д.В., Облогин М.А., Балабан О.Р., 2018

Шипко Юрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник научно -исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией Военно-воздушных сил), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, yshipko@mail.ru.

Бучнев Дмитрий Владимирович, кандидат технических наук, заместитель начальника отдела научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией Военно-воздушных сил), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, d_buch@list.ru.

Облогин Михаил Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией Военно-воздушных сил), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А.

Балабан Олеся Руслановна, младший научный сотрудник научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией Военно-воздушных сил), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, bal-olesya@mail.ru.