Методика диагноза и прогноза тропических ливней по минимальному комплекту данных: На примере Республики Чад тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.09, кандидат физико-математических наук Галмай Орози

• Галмай Орози
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Галмай Орози

Введение

1 Географическое положение и характеристика климата республика Чад (р. Чад)

1.1 Географическое положение

1.2 Общая характеристика климат и основные климатообразующие факторы

1.2.1 Циркуляционные факторы климата

1.2.2 Общая характеристика климата

1.2.3 Характеристика климата по районам

1.2.4 Суточный ход метеорологических характеристик и особые явления погоды

2 Параметризация конвекции и методы расчета осадков

2.1 Обзор методов параметризации конвекции

2.2 Метод облачных ансамблей

2.3 Влажно-конвективное приспособление

2.4 Метод Кую и его модификации

2.5 Струйная модель облака

3 Характеристики стратификации атмосферы над Судано-Сахельской зоной ^

3.1 Особенности информационного обеспечения исследований

3.2 Параметризация профилей температуры и влажности

3.3 Изменчивость параметров профилей температуры и влажности

4 Моделирование тропических ливней на базе универсальных средств программного обеспечения компьютеров

4.1 Характеристика развития автоматизации технологии синоптического прогноза

4.2 Назначение и краткое описание комплекса для моделирования конвективных явлений как приложения MS Office

4.2.1 Входная информация и методы ее получения и хранения

4.2.2 Структура комплекса

4.2.3 Перечень важнейших обозначений величин из входного потока данных

4.3 Краткое описание алгоритма и использованных формул

4.3.1 Вычисление характеристик стратификации атмосферы

4.3.2 Вычисление параметров состояния частицы конвективных потоков

5 Результаты использования комплекса для теоретических и прикладных исследований

5.1 Оценка условий выпадения осадков в Судано-Сахельской зоне

5.2 Метод оценки распределения осадков по территории на основе приземных данных

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика диагноза и прогноза тропических ливней по минимальному комплекту данных: На примере Республики Чад»

Изучение проблемы осадков целенаправленно для хозяйственной деятельности стран Африки и в частности республики Чад представляется актуальной сегодня и важнейшей задачей. Выпадение осадков на границе тропической зоны и зоны Сахели, где располагается республика Чад, отличается значительной неустойчивостью из года в год. До настоящего времени это явление рассматривалось в мировой научной литературе в масштабе всей зоны Сахеля и в долгосрочном плане. При этом сравнивались суммы осадков в разные годы с изменчивостью различных метеорологических и геофизических характеристик.

Таким образом, оставался в стороне вопрос о причинах отсутствия и выпадения дождей для каждого конкретного дня. Без изучения этих причин невозможно понять природу засух. Каждый год перед началом выпадения первого дождя создаются условия такие же как во время засухи, но в один год эти условия прерываются ливнями, а в другой год вообще не наблюдается дождей. Это значит, что требуется изучить физические условия выпадения тропических дождей. Наличие хорошо организованной метеорологической службы и географическое положение республики Чад позволяют произвести такое исследование.

Работа была ориентирована на то, чтобы путем анализа закономерностей развития конвективных облаков получить условия выпадения из них тропических ливней, а затем на этой основе создать метод, который позволит рассчитывать в прогностических подразделениях метеорологического департамента республики Чад картину благоприятных для выпадения осадков условий по территории, используя общедоступные программно-аппаратные средства и минимальный комплект данных (приземную метеорологическую информацию).

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи: 5

1) Создать базу общегеографических и метеорологических данных по территории республики Чад и на основе полученных материалов характер, частоту и особенности территориального распределения опасных конвективных явлений и в том числе тропических ливней.

2) Изучить современные методы прогноза и параметризации конвективных осадков и выбрать наиболее подходящий в качестве основы с учетом специфики района и информационной освещенности.

3) Провести анализ аэрологических данных и выявить минимальный набор параметров для описания стратификации атмосферы при прогнозе над исследуемым районом.

4) Разработать комплект программных средств, позволяющих решать задачи прогноза параметров конвекции и ливней, с использованием только общедоступных пользовательских систем компьютерного сбора, обработки и наглядного представления данных.

5) Изучить условия выпадения осадков на рассматриваемой территории и разработать методику их диагноза и прогноза, а также получить способы оценки количества осадков по наземным данным.

Диссертация состоит из пяти глав. В главе 1 дана характеристика физико-географических условий республики Чад. В главе 2 рассмотрен методов расчета характеристик конвекции и ливневых осадков, которые признаны наиболее физически обоснованными в настоящее время. В главе 3 проведено исследование степени соблюдения условий применимости струйного метода в реальных условиях конвективных явлений республики Чад. В главе 4 описаны специфические особенности принятого в работе метода численной реализации модулей расчета характеристик конвекции и параметров тропических ливней. В главе 5 приведены результаты исследований условий выпадения тропических ливней и разработки метода их расчета по минимальному комплекту исходных данных. 6

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Галмай Орози

Заключение

В заключение диссертации отметим, что развитие конвективных облаков в сезон дождей в центральном и южном Чаде так же благоприятно, как и в самых влажных частях тропической зоны Африки. Однако данные по Чаду полнее и лучше по качеству, чем в других странах зоны Сахеля. Территория Чада располагается почти на уровне моря и является слабо холмистой местностью. Это позволяет, используя данные республики Чад, провести полноценный физико-математический анализ условий образования кучево-дождевых облаков и осадков. По этим данным были создана база, обеспечивающая научно-исследовательские работы по изучению тропических ливней в Судано-Сахелской зоне. Проведен физико-статистический анализ аэрологических данных исследуемого района, показывает, что изменчивость основных четырех параметров на 85 % описывается двумя главными факторами, которые практически полностью определяются: первый - приземной температурой, а второй - массовой долей водяного пара. Это значит также, что выпадение осадков и их количество в экваториальной Африке определяется в первую очередь условиями вблизи земной поверхности. В экваториальной Африке описание профилей температуры и влажности по ежедневным аэрологическим данным следует проводить с помощью двухпараметрических моделей.

Для моделирования в целях прогноза процессов тропического облака и осадкообразования при полученных условиях, наиболее приемлемой является струйная модель. Она подробно исследована как раз при таких упрощенных предположениях, которые характерны для погоды в исследуемом районе.

Разработана компьютерная технология расчета характеристик конвекции и конвективного облака по струйной модели, в которой в качестве

107 оболочки используется пакет Ехсе1-97, а все необходимые модули выполнены в виде приложений к нему. Это создает возможность использовать универсальные программные средства среды Windows в качестве автоматизированного рабочего места синоптика.

Изучены условия выпадения тропических ливней. При использовании двухпараметрического представления изменения температуры и влажности с высотой получены аппроксимационные формулы для расчета характеристик конвекции по приземным данным. Использование этих формул позволило сформулировать необходимые условия выпадения тропических ливней в форме критериев, вычисляемых только по хорошо обеспеченным наблюдениями величинам.

Распределения суточных сумм осадков для всех станций Чада можно считать логарифмически нормальным. Это позволяет использовать метод полиномиальной регрессии и получить зависимость среднего количества осадков за сутки в день с дождем от значений температуры и массовой доли водяного пара в этот день.

Получен метод оценки вероятности регистрации осадков в пункте при благоприятных для выпадения осадков сочетаниях приземных условий по температуре и влажности.

108

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Галмай Орози, 2000 год

1. Абдалла Хияр Абдалла. Синоптико-статическое исследование условий возникновения гроз и пыльных бур в аэропорту Хартум и возможности краткосрочного прогноза этих опасных для авиации явлений. Автореферат дисс. канд. геогр. наук. -СПб.: 1994. -16 с.

2. Алибегова Ж. Д. Элизбарашвили э. ш. Статиитическая структура атмосферных осадков в горных районах. -Л.: Гидрометеоиздат, 1980.-136 с.

3. Аптон г. Анализ таблиц сопряженности. -М.: Финансы и статистика, 1982. -143 с.

4. Афифи А., Эйзен С. Статистический анализ. Подход с использованием ЭВМ. -М.: Мир, 1982. -488 с.

5. Бекряев В.И., Довгалюк Ю. А., Зинченко A.B. Определение некоторых свойств ансамбля конвективных облаков по данным аэрологического зондирования // Тр. ГГО. 1979. Вып. 405. -С. 3-9.

6. Бекряев В.И. Практикум по физическим основам воздействия на атмосферные процессы.-Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-144 с.

7. Белов П.Н., Борисенков Е.П., Панин Б.Д. Численные методы прогноза погоды. -Л.: Гидрометоиздат, 1989. -376 с.

8. Бирман Б.А., Балашова Е.В. Муссоны гвинейского залива // Тр. ВНИИГМИМЦД, 1983. -Вып. 99. -С. 3-13.

9. Воробьев Б.М. Некоторые результаты численного моделирования сильно нагретых конвективных струй в стратифицированной атмосфере // Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета РГГМУ, СПб.: Изд. РГГМУ, 1997. -С. 28-29.

10. Воробьев В.И. Синоптическая метеорология.-Л. .Гидрометоиздат, 1991. -616 с.

11. Боровиков В. П., Боровиков И. П. Statistica статистический анализ и обработка данных в среде Windows. -М.: Информационно-издательский дом1091. Филин", 1998. -608 с.

12. Бюллетень ВМО. 1998. -Т. 47. -NO 1. -С. 91-92.

13. Гетц К., Джильберг М. Программирование в Microsoft Office для пользователя. -К.: Издательская Группа BHV, 2000. -384 с.

14. Дмитриев А. А. Ортогональные экспоненциальные функции в гидрометеорологии. -Д.: Гидрометеоиздат, 1973. -119 с.

15. Динамика атмосферы, облачность и теплообмен в тропиках / Под ред. Белова П.Н. Т. 7. ПИТАЛ . Л.: Гидрометоиздат, 1983. -264 с.

16. Динамика погоды / Под ред. Манаве С. -Л.: Гидрометоиздат, 1988. -416 с. (Пер. с англ.)

17. Зверев А.С. Синоптическая метеорология и основы предвычисления погоды. -Л.: Гидрометоиздат, 1968. -771 с.

18. Зинченко А.В. Алгоритм приближенного расчета облачной конвекции на основе струйной модели // Труды ГГО. -1994. -Вып. 482. -С. 61-65.

19. Гринзоу Л. Философия программирования для Windows 95/NT. -СПб.: Символ-Плюс, 1997. -640 с.

20. Калинин Н.И. Засуха грозная стихийная сила // Человек и стихия'86. -Л.: Гидрометоиздат, 1985. -С. 78-79.

21. Климаты Африки / Под ред. Лебедева А.И., Сорочан О.Г. -Л.: Гидрометоиздат, 1974. -568 с.

22. Колин С. Рамадж. Эль-Нино // В Мире Науки (Scientific American). M.: Изд. Мир, 1996. -№.8. -С. 38-47. (Пер. с англ.)

23. Лебедев А.Н. Климат Республики Судан // Тр. ГГО. 1962. -Вып. 030. -С. 170-239.

24. Майкл Х.Глаяц. Засуха в Африке // В мире Науки (Scientific American). -M.: Мир, 1986, №.8. -С. 4-11. (Пер. с англ.)

25. Матвеев Л.Т. Динамика облаков. Л.: Гидрометоиздат, 1981. -310 с.110

26. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. -Л.: Гидро-метоиздат, 1984. -751 с.

27. Матвеев Л.Т. Теория общей циркуляции атмосферы и климата земли. -Л.: Гидрометоиздат, 1991. -295 с.

28. Матвеев Ю. Л. О функциях распределения водности облаков // Тр. ВНИИГМИМИД, 1981. -Вып. 65. -С. 73-78.

29. Матвеев Ю. Л. Пространственная структура глобального поля облачности //Тр. ГГО, 1981. -Вып. 460. -С. 38-43.

30. Матвеев Ю. Л. Параметризация глобального поля облачности в моделях общей циркуляции атмосферы // Тр. Казанского НИИ Госкомгидромета СССР, 1983. -Вып. 87. -С. 54-52.

31. Матвеев Ю. Л. Физико-статистическое исследование глобального поля облачности.-Л.: 1983. -175 с.

32. Мещерская А. В. и др. Естественные составляющие метеорологических полей. Л.: Гидрометоиздат, 1970. -199 с.

33. Облака и облачная атмосфера: Справочник.-Л.: Гидрометеоиздат, 1989.647 с.

34. Обмен Метеорологическими данными. ВМО, 1996. - №. 837. -25 с.

35. Орлова Е.М. Краткосрочный прогноз атмосферных осадков. -Л.: Гидрометоиздат, 1979. -168 с.

36. Пол Санна и др. Visual Basic для приложений (версия 5). -СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1997. -704 с. (Пер. с англ.)

37. Радиация в облачной атмосфере / Под ред. Фейгельсон Е. М. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. -260 с.

38. Риль Г. Тропическая метеорология. -М.: Изд-во. Иностр. Лит-ры, 1963. -364 с.

39. Руководство по краткосрочным прогнозам погоды. Ч. 1. -Л.: Гидрометоиздат, 1964. -519 с.1.l

40. Русин И.Н. Гидродинамические методы долгосрочных прогнозов погоды. -Л.: Изд. ЛПИ, 1984.-150 с.

41. Русин И. Н. Современные методы метеорологических прогноз погоды. -Л.: изд. ЛПИ, 1987. 96 с.

42. Русин И.Н. Прогноз погоды: искусство, наука или производство? // Человек и стихия'92. СПб.: Гидрометоиздат, 1991. -С. 65-69.

43. Русин И. Н. Влияние гор на формирование ливневых осадков. -С-пб.: РГГМИ. 1996. 50 с.

44. Русин И. Н. Синоптическая интерпретация данных при расчете ливневых осадков в горах. -СПб.: РГГМУ. 2000. -200 с.

45. Русин И.Н. и др. Автоматизированный расчет количества осадков в теплый период года по методу Е. М. Орловой // Сборник работ ЛГМЦ, 1986. -№.4.-С. 5-21.

46. Русин И.Н., Тараканов Г.Г. Сверхкраткасрочные прогнозы погоды. -СПб.: РГГМИ, 1996. -128 с.

47. Русин И. Н. и др. Условия образования ливней в тропиках и субтропиках // Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета РГГМУ, СПб.: Изд. РГГМУ, 2000. -С. 12-13.

48. Сагоян Л.Т. Республика Чад. Справочник.- М.: Восточная Литература, 1993. -151 с.

49. Тверская Н. П., Соколова Г. П. Статистические характеристики вертикальных профилей температуры и влажности в атмосфере в дни с конвективной облачностью // Тр. ГГО, 1975. -Вып. 356. -С. 46-53.

50. Успенский Б.Д., Веселова Г.К. Новая аэрологическая диаграмма и ее применение при диагнозе и прогнозе погоды. -Л.: Гидрометеоиздат, 1969, 28 с.

51. Уэллс Э., Хешбаргер C.Microsoft excel 97: разработка приложений. -СПб.: Киев, БХВ Санкт Петербург, 1998. -624 с. (Пер. с англ.)112

52. Фалькович А. И. Динамика и энергетика внутритропической конвергенции. -JL: Гидрометоиздат, 1979. -247 с.

53. Хаин А.П. О применении гипотезы условной неустойчивости второго рода при параметризации атмосферной конвекции // Метеорология и гидрология, 1977. -№ 2. -С. 103-108.

54. Хандожко Л.А. Оценка экономического эффекта прогнозов погоды. -Л.: ЛПИ, 1987.-49 с.

55. Шметер С.М. Термодинамики и физика конвективных облаков. -Л.: Гидрометоиздат, 1987. -287 с.

56. Allan Н. Murphy. The Early History of Probability Forecasting: Somme Extensions and Clarifications // Wea. Forecasting. -1998. -Vol.13. -№. 1. -P. 5-15.

57. Arakawa A., Shubert W. Interaction of cumulus cloud ensemble with the large-scale environment. P. 1.// J. Atmos. Sci. -1974. -Vol. 31. -№ 3. -P. 674-701.

58. Betts A.K. A new convective adjustment schemes. I: Observational and theoretical basics //Quart. J. Roy. Meteor. Soc. -1986. 112. -P. 677-691.

59. Bhalme H.N. El Nino-Soutern Oscillation (ENSO) // ETR-9. -WMO/TD. -1991. №. 496. -Vol. II. -P. 84-92.

60. Bluestein H.B. Synoptic-Dynamic Meteorology in Midlatitudes. -Vol. II: Observations and Theory of Weather Systems. -Oxford University Press, 1993. -594 p.

61. Bolton D. The computation of equivalent potential temperature // Mon. Wea. Rev., 1980. -Vol. 108. P. -1046-1053.

62. Chang C.P. and Krisnamurti T. N. Monsoon meteorology. New York: Clarendon Press, 1987. -544 p.

63. Charley J. G. Dynamics of desrts and drought in the sahel // Quart J. Roy. Met. Soc. -15(75. -Vol. 101. -NO 428. -P. 193-202.

64. Climat, secheresse et desertification. OMM, 1997. -№. 869. -13 p.

65. Cotton W.R., Anthes R.A. Storm and cloud dynamics. -Academic Press, 1989.113-872 p .

66. Das P.K. Monsoons (fifty IMO lecture). WMO, 1986. -№. 613. -155 p.

67. Dhonneur G. The cloud clusters- the main component of the Sahelian Meteorology: int. Conf. on Early Results of FGGE and Large-scale aspects of its Monsoon Experiments, Tallahassee, USA. -WMO, 1981. -Session 8. -P. 11-15.

68. Emmanuel K.A. Atmospheric convection. Oxford University Press, 1994. 580 p.

69. Johns R.H. Meteorological conditions associated with bow echo development in convective storms // Wea. Forecasting, 1993. № 8. -P. 294-299.

70. Hildebrandsson H.H. Quelques récherches sur les centres d'action de l'atmosphère. K. Svenska Vetens-Acad.Handl, 1987. -22. 33 p.

71. Kenneth Have and Ogallo L.A.J. Climate variations, drought and desértifica-tion.-WMO, Geneva, 1993. -№ 653. -45 p.

72. Kuo H.L. Further studies of the parameterization of the influence of cumulus convection on large-scale flow// J. Atmos. Sci. 1974. 31. -P. 1231-1240.

73. Mandai G.S. Intertropical Convergence Zone. ETR-9, WMO/TD, 1991. -Vol. I. -№. 496. -P. 197-212.

74. Michaud L.M. Heat to work convection during upward heat convection. Part II: Internally generated entropy method. // Atmos. Research, 1996. Vol.41. -№.2. -P. 93-108.

75. Ryan B.F. On the global variation of precipitating layer clouds // Bull. Amer. Meteor. Soc., 1996. -Vol. 77. -№. 1. -P. 53-70.

76. Sandra C.B. Barreira. The effects of the parameterization of physical process in the Argentine Naval Meteorological Service five-level model // Atm. Research, 1996. -Vol. 43. -№. 1. -P. 47-75.

77. Schneider E.K. and Lindzen R.S. A discussion of the parameterization of momentum exchanges by cumulus convection // J. Geophysical Research, 1976. -81. 3158-3160 p.114

78. Silvana R.B. and Henri Sauvageot. The estimation of rainfall in the Sahelian squall line by the areathreshold method // Atmos. Research, 1997. -Vol.43. -№. 3. -P. 207-216.

79. Vaidya S.S. Parameterization of cumulus convection and fluxes through PBL. ETR-9. WMO/TD , 1991. -Vol. II. -№. 496. -P.43-58.

80. Vaidya S.S. and Singh S.S. Thermodynamic Adjustment Parameters in the Betts-Miller Scheme of Convection // Wea. Forecasting, 1997. -Vol. 12. -№. 4. -P. 819-825.115