Новоземельская бора: подветренные характеристики и структура натекающего потока

Новоземельская бора, как и другие ветры подобного типа (новороссийская бора ^[5], чинук ^[12], альпийские фёны ^[11] и др.), является результатом мезомасштабного усиления ветра при обтекании потоком препятствия в виде горных хребтов небольшой высоты. Это явление наблюдается на западном побережье Новой Земли, при перетекании воздуха через хребет с высотами в районе наблюдений около 500 м (Рис.1). По данным единственной на архипелаге метеостанции Малые Кармакулы бора наблюдается при ветрах восточной четверти и может достигать в порывах скорости ветра до 60 м/с ^[3]. Изученность данного ветра низкая, в отличие от других явлений такого типа. Среди немногочисленных работ, посвященных новоземельской боре, стоит отметить работу ^[16], в которой проводится анализ воспроизведения поля ветра в районе Новой Земли по данным реанализа ASR ^[23]. Также новоземельская бора упоминается в работе ^[13], посвященной статистическому анализу экстремальных скоростей ветра в Арктике. Вместе с тем, в недавней работе ^[5] показано, что подобные явления играют большую роль во взаимодействии океана и атмосферы в Арктике.

Считается, что новоземельская бора схожа с новороссийской, однако исследований, подтверждающих данное предположение, не проводилось. Новороссийская бора изучена значительно лучше ^{[1, 2, 6]}); в частности, в работе ^[6] показано, что она относится к так называемым бурям подветренных склонов (downslope windstorms). Такие явления воспроизводятся мезомасштабными численными моделями атмосферы ^{[4, 10, 12]}. При этом над горами субкритический поток переходит в сверхкритическое состояние ^{[9, 14]}, и толщина слоя боры над подветренным склоном резко уменьшается, что влечет за собой резкое усиление ветра. На некотором удалении от подветренного склона поток скачкообразно возвращается в субкритическое состояние, такой скачок в атмосфере аналогичен гидравлическому в жидких средах, при этом в зоне скачка происходит активная турбулентная диссипация энергии ^{[9, 14]}. Переход от субкритического к сверхкритическому состоянию может возникать в результате суперпозиции или обрушения внутренних гравитационных волн над горами, интенсивность которых очень чувствительна к изменению состояния натекающего потока ^[14]. Именно поэтому большое внимание во всех известных исследованиях подветренных бурь, в том числе адриатической боры ^[10], альпийских фёнов ^[12], и др., а также в задачах идеализированного моделирования ^{[19, 22]} уделяется именно изучению состояния натекающего потока.

Несмотря на то, что подветренным бурям посвящено множество исследований, и существующих гипотез их возникновения (гидравлическая, линейная и нелинейная волновые гипотезы), поиск общих особенностей и механизма формирования различных ветров такого типа остается актуальной задачей.

В данной работе на основе данных наблюдений и реанализа MERRA c помощью предложенного ранее метода ^[6] будет изучена структура натекающего потока, взаимосвязь скорости на подветренном склоне с характеристиками натекающего потока во время новоземельской боры. Будет проверена гипотеза о сходном физическом механизме возникновения новоземельской и новороссийской боры.

Сеть метеорологических наблюдений в районе исследования представлена станцией Малые Кармакулы (Рис.1). В работе рассмотрены 12 эпизодов наиболее сильной новоземельской боры с 1979 по 2010 гг., со скоростью ветра более 30 м/с, общая длина выборки составляет 238 значений.

Рис.1 Карта-схема района исследований. Красным пунсоном отмечена метеостанция Малые Кармакулы, желтым крестом отмечена точка с координатами 72°с.ш., 58°в.д., в которой проводился анализ натекающего потока по данным реанализа MERRA. Внизу показан разрез высот рельефа вдоль линии, соединяющей эти две точки

Для изучения натекающего потока, который и определяет состояние потока с подветренной стороны хребта, использован реанализ MERRA ^[24] с пространственным разрешением 0.667° × 0.5°, основанный на системе усвоения данных GEOS-5. В узле реанализа с координатами 58˚ в.д. и 72˚ с.ш. (на расстоянии около 50 км с наветренной стороны от новоземельского хребта, см. Рис.1) рассматривались вертикальные профили потенциальной температуры и ветра, а также давление на уровне моря. Ближайшая станция радиозондирования с наветренной стороны новоземельского хребта расположена в Диксоне и слишком сильно удалена от наветренного склона. По станции Диксон было проведено тестирование реанализа, для примера был взят период 1-28 февраля 2010 г., в течение которого в том числе наблюдалась и новоземельская бора (23-28 февраля). В рассматриваемой задаче наиболее важны не абсолютные величины температуры или скорости ветра, а структура натекающего потока, которая хорошо воспроизводится реанализом (коэффициент корреляции составляет 0.99 для температуры и 0.85 для скорости ветра). Для рассматриваемой задачи такие оценки показывают приемлемость использования реанализа MERRA.

Данные о натекающем потоке, как показано в работах ^{[6, 12]}, позволяют сделать выводы не только об общей термической и ветровой структуре натекающего потока, но и о гидродинамических характеристиках потока, эффектах возможного частичного блокирования потока горами, о наличии благоприятных условий для развития волновых движений в атмосфере. Изучение взаимосвязей между характеристиками натекающего потока и подветренными возмущениями скорости позволяют делать предположения о возможных физических механизмах формирования боры.

Для изучения компоненты градиента давления по нормали к хребту, величина которой, при прочих равных условиях, показывает интенсивность боры, были использованы данные подветренной станции Малые Камакулы, с наветренной стороны – данные реанализа MERRA. Реанализ в силу низкого пространственного разрешения не может воспроизводить мезо- и микромасштабные возмущения поля давления, которые всегда возникают при боре как с подветренной, так и с наветренной стороны. Поэтому в данном случае, в отличие от новороссийской боры ^[6], приземное давление с наветренной стороны рассматривается как «фоновое», а разницу между наветренным и подветренным давлением следует понимать как отклонение (возмущение) поля давления с подветренной стороны от среднего (определяющегося крупномасштабными процессами в атмосфере) значения.Средняя ошибка воспроизведения приземного давления реанализом MERRA на станции Диксон (где атмосферное давление определяют только синоптические процессы) составляет 0.3 гПа, с СКО 0.3 гПа.

Отсутствие данных метеорологических наблюдений на Новой Земле (за исключением станции Малые Кармакулы) не позволяет сделать выводы о пространственной структуре поля ветра при новоземельской боре. В работе ^[16] такие оценки сделаны по данным реанализа ASR с высоким пространственным разрешением. Показано, что бора наблюдается на западном побережье архипелага между 73˚ и 75˚ с.ш., а самые высокие скорости ветра наблюдаются севернее станции Малые Кармакулы.

На самой станции Малые Кармакулы, по данным наблюдений, максимальные скорости при боре отмечаются при восточном и юго-восточном направлении ветра. В среднем в год бора дует со скоростью более 10 м/с 57 дней, более 15 м/с — 30 дней. В среднем из 100 дней боры 3 дня скорость достигает 30 м/с; раз в 18 лет средняя скорость ветра достигает 45 м/с.

Новоземельская бора, как и новороссийская, адриатическая бора и другие ветры такого типа, характеризуется сильной турбулизованностью потока на подветренной стороне, что выражается в значительной порывистости ветра. Амплитуда изменений скорости ветра за три часа достигает 25 м/с (Рис.3). В работе ^[7], в частности, высказываются предположения о значительном влиянии обрушения внутренних волн на высотах (когда амплитуда волн достигает критически большого значения и возникает локальная неустойчивость) на порывистость ветра у земли.

При новороссийской и адриатической боре всегда происходит понижение температуры воздуха за счет адвекции более холодного воздуха из северных континентальных районов. В случае новоземельской боры температура воздуха с подветренной стороны может как понижаться, так и повышаться, что связано с адвекцией различных воздушных масс (морских умеренных, арктических или континентальных). Во время боры всегда фиксируется метель или поземок, часто выпадают осадки; новоземельская бора может наблюдаться как при ясной погоде, так и в условиях сплошной облачности (как и новороссийская). Наиболее благоприятная синоптическая ситуация для развития новоземельской боры возникает при перемещении североатлантического циклона по северу европейской территории России, при этом к северу от Новой Земли часто располагается антициклон. Возникает большой градиент давления, направленный вдоль новоземельского хребта, и сильный геострофический ветер восточной четверти.

По данным реанализа, натекающий поток во время боры всегда имеет трехслойную термическую структуру с приподнятой инверсией, как и в случае новороссийской боры ^[6]. В нижнем слое температура с высотой в среднем убывает (Рис.2б), выше (с нижней границей от 150 до 900 м) наблюдается температурная инверсия, вертикальный градиент температуры может достигать 2.2°/100м, а толщина – до 1500 м. Градиент температуры в инверсии и ее толщина в среднем увеличиваются в момент кульминации боры (Рис.2б). Выше слоя инверсии градиент температуры близок к влажноадиабатическому. В целом, во время боры устойчивость в нижней тропосфере возрастает (Рис.2в). Согласно ^[22], мощность и высота приподнятой инверсии в значительной мере определяет характер обтекания и подветренные эффекты. При прочих равных условиях, более сильные инверсии приводят к возникновению аналога гидравлического скачка с подветренной стороны (и, соответственно, к увеличению скорости ветра у земли), в то время как более слабые инверсии – к развитию подветренных волн ^[22], которые не играют фундаментальной роли в формировании сильных подветренных бурь ^[9].

На Рис.2а показаны профили компоненты скорости ветра, перпендикулярной новоземельскому хребту, во время начальной и кульминационной фазы боры. Так же, как и для новороссийской боры, наблюдается локальное усиление ветра в нижней тропосфере — низкотропосферное струйное течение (далее - НСТ), со скоростями 10-20 м/с. Во время боры низкотропосферное струйное течение обычно расположено в нижней части приподнятой инверсии либо под ней, в среднем на высоте около 400 м. Высота обращения ветра H₀ (высота, на которой перпендикулярная хребту компонента скорости ветра становится отрицательной) в среднем расположена на высоте около 5 км, но в отдельные сроки ветры восточной четверти могут занимать всю тропосферу и даже нижнюю стратосферу. В большинстве случаев НСТ и слой приподнятой инверсии расположены ниже, чем для новороссийской боры.

Рис.2 Средний вертикальный профиль перпендикулярной хребту скорости ветра (а), температуры воздуха (б), частоты Брента-Вяйсяля (в) для начальной (пунктир) и кульминационной (сплошная линия) фазы боры по данным реанализа MERRA в точке с координатами 58⁰ в.д. и 72⁰ с.ш.

Если приподнятая инверсия — характерная черта натекающего потока для большинства (но не для всех) подветренных бурь ^{[12, 14, 21]}, то ярко выраженное НСТ, которое наблюдается при новороссийской и новоземельской боре, наблюдается лишь для некоторых отдельных эпизодов адриатической боры ^[7] и совсем не характерно для ветров Боулдера или альпийских фёнов. Поэтому, вероятно, НСТ не является определяющим фактором возникновения этих ветров, хотя по-видимому, струйное течение способствует значительному усилению ветра на подветренной стороне.

Кроме того, не для всех подветренных бурь характерно и обращение ветра с высотой, которое наблюдается в тропосфере в большинстве рассмотренных эпизодов новоземельской, а также для новороссийской боры. Так, при известных подветренных бурях в Боулдере наблюдался монотонный рост скорости ветра с высотой с обращением ветра лишь в средней стратосфере ^[14], а адриатическая бора даже разделяется на два типа — мелкую, которая формируется в условиях обращения ветра в натекающем потоке в средней или нижней тропосфере, и глубокую, обычно более слабую, при которой северо-восточный ветер, перпендикулярный хребту, наблюдается во всей тропосфере ^[11].

Впрочем, наличие резко выраженного расслоения тропосферы по устойчивости также не является необходимым условием возникновения подветренных бурь. В лабораторных исследованиях ^[18] показано, что подобные ветры могут возникать в однородной атмосфере без расслоения по плотности или скорости.

Частичное блокирование потока, натекающего на препятствие, всегда присутствует в задачах обтекания протяженных хребтов. Накопление холодного воздуха с наветренной стороны при низких скоростях ветра и большой устойчивости увеличивает величину блокирования, то есть толщину слоя воздуха, потенциальной энергии которого недостаточно для совершения работы подъема частицы. С наветренной стороны хребта у земли или в некотором слое, ограниченном высотой хребта, формируется зона стагнации потока, ветер ослабевает или меняет направление, при небольшой протяженности хребта возможно боковое обтекание. Величину блокирования потока удобно характеризовать обратным горным числом Фруда Fr_m^-1 и числом Бюргера Bu, которые выражаются по формулам ^[15]:

`Fr_m^(-1) = (Nh_m)/(U)`

`Bu=(Nh_m)/(fL_m)`

где U – скорость натекающего потока, N – частота Брента-Вяйсяля, f – параметр Кориолиса, L_m – длина препятствия вдоль потока, h_m - высота препятствия.

Согласно этим критериям, блокирование возникает при Bu >1 и Fr_m^-1 >1. Во время новороссийской боры в большинстве случаев Bu >1 при Fr_m^-1 ≤ 1, то есть Кавказский и Маркотхский хребет являются «гидродинамически крутыми» ^[6]. Для новоземельской боры число Бюргера в большинстве случаев принимает значения близкие к единице или меньше, таким образом более пологий новоземельский хребет не является «гидродинамически крутым».

Высота блокирования Z_b - высота, на которой потенциальная температура на наветренной стороне равна потенциальной температуре у земли на подветренной стороне (т. е. уровень, ниже которого воздух блокируется) — для новоземельской боры в среднем меньше, чем для новороссийской, что объясняется большей пологостью горных хребтов Новой Земли.

И для новоземельской, и для новороссийской боры проявляется неоднозначность роли устойчивости потока в формировании и развитии явления. Связь подветренной скорости с числом Бюргера, которое и показывает устойчивость стратификации нижнего слоя натекающего потока, в некоторые сроки имеет вид хорошо выраженной прямой зависимости, а в некоторые – обратной (Рис.3).

Рис.3 Параметры блокирования потока (разность потенциальной температуры подветренной и наветренной воздушных масс Δθ, обратное горное число Фруда Fr_m^-1, число Бюргера Bu) и подветренная скорость u_d а) 23 февраля-2 марта 2010 г. и б) 16-18 мая 2008 г.

В работе ^[17] показано, что одним из главных факторов возникновения адриатической боры является увеличение разности температуры Δθ между подветренной и наветренной воздушными массами. Однако для новоземельской боры, так же, как и для новороссийской, такой связи не прослеживается (Рис.4). Во время новоземельской боры разность температур может принимать различные, в том числе и отрицательные значения (Рис. 3б), когда температура на наветренной стороне выше, чем на подветренной (чего не наблюдалось во время новороссийской боры).

Рис.4 Диаграмма рассеяния скорости ветра на подветренной станции u_dи разности потенциальной температуры подветренной и наветренной воздушных масс Δθ во время боры

Сравнение всех характеристик натекающего потока во время боры и подветренной скорости u_d показало, что для более сильной новоземельской боры в целом характерны более высокие скорости НСТ и меньшая величина блокирования (воздух легче перетекает через препятствие — в основном за счет увеличения скорости натекающего потока), как и для новороссийской боры. Так же, как и для новороссийской боры, низкое положение инверсии приводит к увеличению блокирования.

Наиболее тесная связь наблюдается между u_d и компонентой градиента давления по нормали к хребту, которая возникает в первую очередь за счет резкого падения давления в Малых Кармакулах. Эффект падения давления на подветренном склоне хребта при одновременном его росте на наветренном описан во многих работах ^{[6, 7, 21]}. Важно отметить, что возрастание градиента давления обусловлено в первую очередь не синоптическими процессами, а мезомасштабными эффектами обтекания хребта и волновой динамикой. На Рис.5 для двух эпизодов боры приведена разница давления между подветренной и наветренной сторонами, рассчитанная разными способами. Величина ΔP рассчитана по описанной выше схеме (давление с наветренной стороны хребта по данным реанализа MERRA минус давление по данным наблюдений на подветренной станции Малые Кармакулы), а ΔP_meso = ΔP-ΔP_syn, где ΔP_syn - разница давления в тех же точках, но для обеих использован реанализ MERRA. Последнюю величину следует расценивать только как крупномасштабный градиент, так как мезомасштабные процессы заведомо не воспроизводятся реанализом. Вклад мезомасштабного увеличения градиента давления ΔP_meso в моменты кульминации боры может достигать 70% от общей величины градиента (Рис.5), то есть сравним со вкладом крупномасштабных процессов и даже превышает его.

Рис.5 Скорость ветра на подветренной станции, u_d, перепад давления между наветренной и подветренной стороной хребта ΔP, а также перепад давления, создаваемый мезомасштабными процессами ΔP_meso , для эпизодов боры а) 16-19 марта 1993 г. и б) 23 февраля – 2 марта 2010 г.

Проведен анализ структуры натекающего потока во время нескольких эпизодов новоземельской боры по данным реанализа, а также данных наблюдений на подветренной станции Малые Кармакулы. Новоземельская бора формируется в условиях низкотропосферного струйного течения и приподнятой инверсии на высотах, близких к высоте хребта, в натекающем потоке, также выявлено частичное блокирование потока горами во время боры. Новоземельский хребет при боре не является гидродинамически крутым, но, как и для новороссийской боры, в момент максимального развития боры горное число Фруда принимает значения меньше единицы. Таким образом, на данном этапе исследования можно предполагать значительное сходство между новороссийской и новоземельской борой.

Показано, что новоземельская бора, как и новороссийская, сопровождается резким падением давления на подветренной стороне хребта, что приводит к увеличению перепада давления между наветренным и подветренным склонами новоземельского хребта. При этом вклад мезомасштабных процессов в формирование этого перепада давления достигает 70% Известно, что мезомасштабные возмущения поля давления при обтекании воздушным потоком орографии могут создаваться следующими процессами: блокированием потока с наветренной стороны, генерацией внутренних гравитационных волн, развитием подветренно-волновых возмущений ^[20]. Для подветренных бурь наиболее вероятным источником мезомасштабных возмущений давления является генерация внутренних гравитационных волн над горами, что приводит к возникновению волнового сопротивления. Связь между подветренными бурями и высоким волновым сопротивлением обсуждается в большом количестве работ (см., например, ^[8]).

Поэтому дальнейшие исследования механизмов формирования новоземельской (и новороссийской) боры должны быть направлены на проверку гипотезы о наибольшем вкладе волновых процессов в формирование боры.