Облачные ячейки, возникающие над Черным морем при вторжениях холодного воздуха

1. Введение
Вторжение холодных воздушных масс в атмосферу над Черным морем через северную границу региона является одним из экстремальных погодных явлений в осенне-зимний период. Скорость ветра при этом достигает 15 – 20 м/с, температура приповерхностного воздуха опускается до –10 …–15 °С, что при температуре поверхности моря 5 – 7 °С приводит к большим величинам суммарного (явного и скрытого) потока тепла через поверхность моря, достигающим 700 – 800 Вт/м2 (Ефимов и др., 2014). Такое значительное выхолаживание вызывает быстрое понижение температуры поверхности моря, а в осенний период часто приводит к формированию крупномасштабных холодных аномалий температуры, достигающих 4 – 5 °С, вследствие вовлечения холодной воды из термоклина (Ефимов и др., 2014). Во всех случаях вторжение холодных воздушных масс в Черноморский регион сопровождается развитием конвективной облачности над морем, причем размеры облачных структур существенно увеличиваются по мере удаления от наветренного берега. При ближайшем рассмотрении спутниковых снимков обнаруживается, что поле облачности состоит в основном из нерегулярных конвективных ячеек, но можно также выделить вытянутые по направлению ветра короткие валики.
В данной работе исследуется характерный случай вторжения холодного воздуха над Черным морем, имевший место в январе 2010 г. При помощи атмосферной модели WRF-ARW была воспроизведена интенсивная конвекция над морем 25 января 2010 г. и проведено сравнение результатов моделирования с доступными данными наблюдений. Для верификации использовались спутниковые данные об облачности (спектрорадиометр MODIS на спутнике Terra), температуре верхней границы облаков (радиометр AATSR на спутнике Envisat) и удельной влажности (радиометр AMSR-E на спутнике Aqua). По результатам моделирования нами были численно изучены структура атмосферного пограничного слоя (АПС) во время холодного вторжения.

2. Характерный случай холодного вторжения 25 января 2010 г.
2.1 Тип конвекции
Рассмотрим, в каком виде была воспроизведена конвекция над морем в модели WRF. Для этой цели используем модельные поля потенциальной температуры и вертикальной скорости. Известно, что стационарная конвекция может происходить как в виде двумерных валиков, так и в виде трехмерных ячеек (Etling, Brown, 1993). В природе наблюдаются обе эти формы в зависимости от параметров АПС. Тип конвекции (валики или ячейки) зависит от отношения высоты инверсии, Н, к масштабу длины Монина-Обухова, L. Пороговое значение –H/L, при котором один тип конвекции сменяется на другой, точно установить не представляется возможным. В работе (Etling, Brown, 1993) указано, что валики образуются при –H/L < 5, а при 5 < –H/L < 25 имеет место смешанная конвекция.
Согласно результатам моделирования WRF отношение –H/L менялось от ~25 в прибрежной области до 30 над открытым морем, т.е. –H/L близко к теоретическому пороговому значению, отделяющего смешанную конвекцию от ячеистой. Таким образом, над морем происходила смешанная конвекция, но основную роль в конвективном перемешивании играли именно ячейки. Можно сделать вывод, что модель правильно воспроизвела структуру конвекции, наблюдаемую на спутниковом снимке.
2.2 Размеры ячеек
Проверим теперь, насколько модели удалось воспроизвести размеры конвективных ячеек. Высоту конвективных ячеек (по сути, высоту верхней границы облаков) Hcloud можно рассчитать, зная температуру верхней границы облаков (по спутниковым данным) и вертикальный профиль температуры воздуха (по модели WRF). Чтобы установить, как изменялась при удалении от берега высота верхней границы облаков, был проведен разрез вдоль одной из облачных «цепочек». Хотя вблизи берега, где облаков меньше, чем над открытым морем, оценка менее достоверна, но, тем не менее, по данным наблюдений было установлено, что величина Hcloud при удалении от берега возрастала от ~2 до 2.5 км.
Определим теперь высоту конвективных ячеек, воспроизведенных в модели WRF. По результатам моделирования было установлено, что воздух в конвективных потоках поднимался выше верхней границы АПС, проникая в устойчиво стратифицированную атмосферу, и, таким образом, над АПС располагался слой вовлечения, в котором конвективный поток тепла был отрицателен. Высота верхней границы слоя вовлечения составляла 1.2 км вблизи берега и 1.8 км над открытым морем.
Таким образом, модель хотя и занижает вертикальные масштабы ячеек, но, тем не менее, верно воспроизводит обнаруженное по спутниковым данным приращение Hcloud на 0.5 – 0.6 км при удалении от побережья в открытое море. Некоторое занижение Hcloud, возможно, связано с погрешностями в начальных условиях для моделирования.
Как было установлено по спутниковому снимку облачности, горизонтальные размеры ячеек над морем увеличивались от 1 – 2 км вблизи берега до ~10 км на расстоянии 300 км от берега. Чтобы оценить горизонтальный размер конвективных движений по результатам моделирования, были рассчитаны пространственные спектры полей вертикального потока влаги, Fq = ρ q w, где ρ – плотность, q – удельная влажность, w – вертикальная скорость. Для анализа были выбраны именно поля Fq, а не w, поскольку внутренние гравитационные волны вносят искажения в спектры вертикальной скорости вблизи верхней границы АПС. С целью проверить, как изменялся горизонтальный размер ячеек при удалении от берега, для спектрального анализа было выбрано две области: вблизи берега и над открытым морем. На каждом уровне z поле Fq раскладывалось в двумерный ряд Фурье и затем определялось распределение волновой энергии в зависимости от модуля волнового вектора. Как оказалось, максимум приходится на волны с длинами ~1.3 км вблизи берега и ~2 км над открытым морем. Интересно отметить, что различие между масштабами движений над морем практически отсутствует вблизи поверхности и проявляется лишь на высоте проникающей конвекции. Таким образом, масштаб возмущений в поле Fq увеличивается по мере удаления от берега, хотя и не так значительно как масштабы облачности на спутниковом снимке. Вблизи берега горизонтальный размер возмущений составлял в среднем 1.2 – 1.4 км, что хорошо согласуется с размерами конвективных ячеек, определенными по спутниковому снимку.

3. Заключение
В работе рассмотрен характерный случай зимнего вторжения холодного воздуха в Черноморский регион. Была проведена верификация результатов моделирования WRF с использованием имеющихся спутниковых данных об облачности и температуре верхней границы облаков для двух областей: вблизи побережья и над открытым морем. Согласно результатам моделирования конвекция относилась к смешанному типу, т.е. протекала как в виде валиков, так и в виде ячеек, причем последние играли главную роль в конвективном теплообмене. Было обнаружено, что хотя высота верхней границы облаков в модели занижена, приращение Hcloud на 0.5 – 0.6 км над морем при удалении от побережья воспроизведено правильно. Как показал спектральный анализ, вблизи берега горизонтальные размеры возмущений в полях вертикального потока влаги хорошо согласуются с размерами облаков, определенными по спутниковому снимку. Кроме того, модель воспроизвела увеличение горизонтальных размеров облачных ячеек при удалении от берега.
Таким образом, в работе воспроизведены основные свойства полей облачности, наблюдаемые над Черным морем во время холодных вторжений (смешанный тип конвекции, выстраивание облачных «цепочек» в меридиональном направлении, а также увеличение высоты верхней границы облаков при удалении от берега), и показано, что модель WRF может использоваться для физической интерпретации спутниковых данных.
Работа выполнена при частичной поддержке по проекту РФФИ № 16-05-00551-а