книги из ГПНТБ / Аполлов, Б. А. Курс гидрологических прогнозов учебник

Формирование восточно-сибирского антициклона в большой сте­ пени зависит также от притока холодных воздушных масс, втор­ гающихся преимущественно через Карское море и Таймыр в тылу циклонов, находящихся над восточной частью бассейна Лены и Охотским морем. Характеристикой развития таких процессов слу­ жит разность аномалий приземного атмосферного давления, осредиеиных по двум сферическим прямоугольникам, ограниченным с юга 40° и с севера 75° с. ш. Первый из них лежит между 80 и 110° в. д.,

ются условия для ускоренного развития восточно-сибирского ан­ тициклона. Когда же ДРущсО, то развитие антициклона замед­ ляется.

Установлено, что величина отклонения А Т ежегодных сроков появления плавучего льда на Лене от средних сроков довольно тесно связана с названными характеристиками возникновения и

развития сибирского антициклона Да и Д-Руш- Уравнение регрес­ сии имеет вид

на Лене составляют в начале сентября, их заблаговременность в среднем около полутора месяцев.

На реках Западной Сибири плавучий лед появляется преиму­ щественно в третьей декаде октября и в начале ноября. Раннее на­ ступление устойчивых холодов обусловливает появление льда уже во второй декаде октября и связано с ранним формированием и быстрым развитием в августе и сентябре гребня восточно-сибир­ ского антициклона, направленного на нижнее течение Оби. Раз­ витие гребня характеризуется осредненной разностью аномалий давления 6 Р в сентябре и августе по станциям Иркутск, Енисейск и Сургут, расположенным вдоль его оси. Усилению гребня способ­ ствуют холодные вторжения с севера и северо-запада. Их интен­ сивность характеризуется направлением ведущего потока в тропо­ сфере в сентябре, отражаемым индексом меридионалы-юсти /. Индекс подсчитывается по средним месячным картам высот изоба­ рической поверхности 500 мб (Н 5т) как разность средних высот в сферических прямоугольниках: / — 40—80° с. ш. 60—105° в. д. и

II — 40—80° с. ш. 105—180° в. д. На рис. 147 видно, что если веду­ щий поток направлен с северо-запада на юго-восток и обусловли­ вает поступление холодного воздуха, то средняя высота Н т в за­ падном прямоугольнике значительно выше, чем в восточном, и, следовательно, І ^ > 0. Если с юго-запада и запада выносятся теп­ лые воздушные массы, то средняя высота Н 500 в западном прямо­ угольнике, наоборот, значительно ниже, чем в восточном и, следо­ вательно, /СО. В рассматриваемом случае среднее значение пн-

399

декса / = 2,3 декаметра, т. е. обычно ведущий поток направлен на бассейн Оби с северо-запада.

В годы, когда развитие гребня начинается рано, 6 Р > 0 и веду­ щий поток в сентябре имеет обычное северо-западное пли север­

к ледообразованию на реках, в одном направлении. Сам же процесс

втакие годы идет равномерно в соответствии с начальной тен­ денцией. В годы, когда условия поступления холодного или теп­ лого воздуха в сентябре и условия развития гребня давления влияют на развитие процесса не в одном направлении, это разви­ тие становится или замедленным, или ускоренным. Это объясняет вид зависимости между величиной отклонения А Т срока появления

льда на реках от среднего срока и обоими названными факторами для Средней Оби

(/ — 2,3) равен 45, при одинаковых — нулю. Прогнозы с помощью уравнения (2.XIV) составляются в начале октября и имеют забла­ говременность в среднем около месяца.

На реках северной половины Европейской территории СССР

ранние сроки появления льда приходятся на октябрь, а поздние — на конец ноября и начало декабря. Атмосферные процессы в этот период существенно меняются. Основная закономерность наиболее крупных изменений состоит в смене синоптических сезонов осени и предзимья. Укажем, что под синоптическим сезоном понимается период, в течение которого преобладают атмосферные процессы, сходные между собой по географической локализации основных высотных гребней и ложбин в тропосфере, а также по направле­ ниям перемещения циклонов и антициклонов в ее приземном слое. Обычно сезон длится около двух месяцев. Как правило, синоптп-

391

ческий сезон осени на рассматриваемой территории начинается в середине августа п в середине октября сменяется синоптическим сезоном предзимья, который длится до середины декабря. О про­ цессах, преобладающих на протяжении всего сезона, можно су­ дить, основываясь на их однородности, по характеристикам про­

(Печора, Мезень, Северная Двина), где ледообразование происхо­ дит обычно в октябре под решающим влиянием процессов сезона осени. Однако даже и здесь нередко бывает, что в сентябре на­ правление воздушного потока в тропосфере северное или северозападное, и, значит, следует ожидать раннего появления льда; но уже в середине октября новый синоптический сезон (предзимье) начинается с интенсивного юго-западного выноса теплых воздуш­ ных масс. В результате лед, где он успел образоваться, тает, а на остальных реках появление льда отодвигается вследствие потеп­ ления на более поздние сроки. Таким образом, для прогнозов сро­ ков появления льда на реках северной половины Европейской тер­ ритории СССР необходимо учитывать характер процессов синопти­ ческого сезона предзимья. При этом прогнозы будут иметь доста­ точную заблаговременность, если они составляются еще до начала этого сезона.

Важная особенность развития атмосферных процессов над Ев­ ропейской территорией СССР на протяжении предзимья — их меньшая однородность, чем в другие сезоны. Повторяемость пре­ обладающего типа процессов в течение предзимья составляет в среднем всего около 60% (весной более 70%), а около 20% про­ цессов имеют обратный характер, т. е. в холодном сезоне вызы­ вают потепления или в теплом похолодания. Поэтому для количе­ ственной характеристики преобладающих атмосферных процессов здесь лучше применять не осредненныс за месяц значения метео­ рологических элементов, как это делается для районов Сибири, а суммарные показатели интенсивности процессов, обусловливаю­ щих похолодания.

Наиболее полно выявлены условия, определяющие с большой заблаговременностью сроки и характер начала ледообразования на реках бассейна Волги выше Куйбышевского водохранилища. Рассмотрение атмосферных процессов, непосредственно обусловли­ вающих появление льда на реках этого бассейна, показало, что

массы. Поэтому условия ледообразования достаточно четко отра­ жает суммарная характеристика (индекс) похолоданий за вторую половину октября и первую половину ноября. Дни похолоданий определяются по понижению средней суточной температуры по сравнению с предыдущими сутками и нормой за данный день. За характеристику похолодания принимается абсолютная величина отклонения средней суточной температуры воздуха от нормы за

392

каждый день похолодания АѲі = |0і — Ѳ|, а за характеристику всех

ный период.

Вторая половина октября п первая половина ноября приходятся

15/ХІ

на синоптический сезон предзимья, поэтому величина 22 АѲ,- 39 15/Х

этот период связана с характером атмосферных процессов, преоб­ ладающих в сезоне. Предвидеть его с большой заблаговременно­ стью позволяет выявленная С. Т. Пагава закономерность появле­ ния процессов, типичных для предзимья, уже в сентябре, в подав­ ляющем большинстве случаев — во второй декаде этого месяца. Поэтому основным аргументом (предиктором) для прогноза сроков

появления льда является рассмотренная характеристика похолода20/TX

нин за вторую декаду сентября 22 АѲ*. В качестве примера при-

и д х

ведем уравнение регрессии для прогноза отклонения от нормы дат появления льда на Средней Волге

1000 мб (77^0) на расстоянии 1500 км от оси ведущего потока,

диоиальности, подсчитанного как разность средних высот изоба­

в начале третьей декады сентября с заблаговременностью, в сред­ нем несколько большей полутора месяцев.

Важной составной частью рассматриваемого метода для бас­ сейна Волги является оценка условии дружного или прерывистого развития ледовых явлений. Установлено, что в годы с дружным ледообразованием еще в августе—сентябре над приполярными районами формируются очаги холода в виде крупных антициклоническмх образований. В качестве показателя формирования таких очагов принято совпадение отрицательной аномалии температуры воздуха и положительной аномалии давления в одной из следую­ щих характерных районов: приполярного, гренландского и тай­ мырского максимумов давления, исландского минимума, севера

393

Скандинавии и Европейской территории СССР. Отсутствие таких очагов во всех зонах обусловливает недружное, прерывистое ледо­ образование. Точность прогнозов при дружном ледообразовании довольно высокая. При прогнозе недружного ледообразования с вероятностью 80% следует ожидать повторных ледоходов. Это оз­ начает, что если по уравнению (З.ХІѴ) получены ранние даты ус­ тойчивого ледообразования, то оно будет происходить с перерывами, а если поздние, то, вероятно, неустойчивое появление льда в сроки, близкие к норме или немного раньше. Понятно, что при таком развитии ледовых явлений точность прогнозов понижается. Воз­ можность предвидеть не только сроки устойчивого появления льда,

на — в октябре.

Анализ атмосферных процессов, обусловливающих ледообразо­ вание на реках южной части Европейской территории СССР, показал, что решающую роль играют здесь вторжения холодного воздуха в антицнклонических системах, а именно те процессы, при которых средняя суточная температура воздуха понижается в но­ ябре до отрицательных средних суточных значений, а в октябре становится ниже 15° С. В качестве количественной характеристики атмосферных процессов в октябре принята сумма похолоданий £ДѲ в этом месяце, причем за дни похолоданий приняты те, когда средняя суточная температура воздуха была, как указывалось, ниже 15° С и, кроме того, ниже, чем накануне, а атмосферное дав­ ление— выше, чем накануне; за величину, характеризующую похо­ лодание, принимается ДѲ=15 — 0.

394

Чтобы полнее оценить тенденцию перестройки процессов от се­ зона осени к предзимью, при прогнозе учитывается изменение ано­ малии давления на севере Европейской территории СССР — на станциях Мурманск и Архангельск от сентября к октябрю. Изме­ нение ее знака с отрицательного на положительный свидетельст­ вует о тенденции к усилению антициклонических вторжений в но­ вом сезоне, противоположная смена знаков — о тенденции к их ос­ лаблению. Выделена также группа случаев, когда знаки аномалий не менялись. Прогнозы составляются с помощью графических за­

в конце октября и имеют заблаговременность в среднем около месяца.

кращения действия ледяных переправ и всякого рода работ на льду, так и время открытия навигации и начала сплава леса. По­ следние, правда, непосредственно связаны с окончанием ледохода, но продолжительность ледохода, особенно сплошного, на большин­ стве рек невелика, 3—7 дней.

В отношении изменения сроков вскрытия (начала ледохода) по территории и их изменчивости по годам для рек отдельных райо­ нов отметим лишь следующее.

На карте изохроны средних сроков вскрытия рек имеют широт­ ное направление и в общем говорят о значительном изменении этих сроков даже на сравнительно небольших расстояниях по ме­ ридиану. Объясняется это тем, что процесс разрушения льда и таяния снега происходит в значительной мере под влиянием сол­ нечной радиации. Некоторую роль в этом играет и то, что толщина льда на реках увеличивается с юга на север. Этими же причинами вызывается то, что изменчивость ежегодных дат вскрытия во мно­ гих районах (в Западной Сибири, в восточных и центральных рай­ онах Европейской территории Советского Союза) меньше, чем еже­ годных дат появления льда.

Методы долгосрочных прогнозов сроков вскрытия рек рассмот­ рим тоже по отдельным районам и на отдельных примерах. На­ помним, что атмосферные процессы в синоптическом сезоне весны более однородны, чем в сезонах осени и предзимья.

Вскрытие рек Восточной Сибири в среднем начинается в пер­ вых числах мая на юге и к концу месяца распространяется на ни­ зовья Лены. Среднее квадратическое отклонение ежегодных сроков вскрытия от средних (от нормы) составляет лишь 5—6 дней. При этом наблюдаются довольно большие отклонения от нормы в сто­ рону раннего вскрытия. Такие вскрытия обусловлены возник­ новением уже в марте западного переноса воздушных масс, т. е.

395

циклонов, идущих с запада на бассейн Лены. Таких же длительных против нормы задержек вскрытия не бывает, потому что возра­ стающий со временем приход солнечной радиации вызывает раз­ рушение ледяного покрова даже при относительно холодной по­ годе. Следовательно, сроки вскрытия Лены и других рек Восточ­ ной Сибири определяются главным образом тем, возникает ли в марте над этой территорией западный перенос воздушных масс, обусловливающий общее потепление, пли сохраняется восточно­ сибирский антициклон с гребнями, направленными на запад и се­ веро-восток. Для количественной характеристики барического поля над Восточной Сибирью применено разложение его в ряд по полиномам Чебышева.

Суть этого разложения состоит в том, что кривую или поле ат­ мосферного давления представляем аналитически в виде ряда, со­ стоящего из суммы произведений числовых коэффициентов на оп­ ределенные функции, заданные алгебраическими многочленами (по­ линомами Чебышева). Разложение кривой имеет вид

единицы до п соответственно числу точек, в которых задана кривая;

Хфі-і.

Для вычисления полиномов имеются таблицы чисел Чебышева, представляющих для равноотстоящих значений аргумента х неболь­ шие целые числа. Разложение поля в ряд по полиномам Чебышева (ф,; opj) имеет вид

F ( x , у)= Л оо-М і0'?і (я) ф (іО+ДоіТо W Фі (У)+Лц<Рі (л*) Р, (у) +

(обозначения прежние).

Коэффициенты разложения вычисляются по формуле

£ F (X, у) <?i (х) *\>J (у)

(6.XIV)

У, ?? (-г) (у)

Таблицы произведений фі(а:)% (у) составляются на основе упо­ мянутых чисел Чебышева в соответствии с количеством точек, в которых определяется F (х, у ) . Для аналитического представле­ ния поля атмосферного давления на синоптической карте выбира­ ется сетка, в узлах которой снимаются значения давления. Расстоя­ ния между узлами по каждой оси должны быть равны между со­ бой. По Восточной Сибири данные снимались в точках пересечения параллелей (через 5°) с меридианами (через 10°) с карт среднего месячного давления на уровне моря за март каждого года. Гра­ ницы поля — 90 и 120° в. д. и 50 и 70° с. ш. — определены последо-

396

вательнымн приближениями. В этих границах находится 20 узлов сетки, по которым и выполнялось разложение.

Точное совпадение вычисленного поля с фактическим достига­ ется, если число членов разложения равно числу точек, которыми задано поле. Одно из преимуществ разложения по полиномам Че­ бышева состоит в том, что обычно поле удовлетворительно описы­ вается небольшим числом членов разложения.

Сопоставление вычисленных одиннадцати коэффициентов раз­ ложения со сроками вскрытия р. Лены показало, что последние наиболее тесно связаны с двумя коэффициентами — третьим (Л0і) и седьмым (Л21). Каждый из членов разложения по полиномам Чебышева характеризует определенный вид атмосферных процес­ сов. В частности, третий член отражает интенсивность западного переноса, а седьмой — развитие областей высокого давления на юговостоке, северо-востоке и западе рассматриваемой территории, что соответствует положению восточно-сибирского антициклона и его основных гребней. В дополнение к характеристикам барического поля для прогноза учитывается отклонение от нормы средней ме­ сячной температуры воздуха в марте по ст. Киренск (АѲш)- По­

него Енисея начинается на юге в среднем в третьей декаде апреля II к третьей декаде мая распространяется на низовья Оби и Енисея. Основная часть периода, когда происходит вскрытие рек южной половины Западной Сибири и формирование на них волны поло­ водья, взламывающей затем лед в среднем и нижнем течении Оби и Енисея, приходится на синоптический сезон весны; он начина­ ется обычно со второй декады марта и оканчивается в первой де­ каде мая. Однородность атмосферных процессов, преобладающих в течение синоптического сезона, позволяет судить о них по харак­ теристикам процессов, наблюдающихся в начале сезона, т. е. в марте. Решающую роль среди них играют выносы тепла с юго-за­ пада, при которых в апреле средние суточные температуры ста­ новятся положительными не только на равнинных частях бассей­ нов, но и в горах Алтая. Выносы тепла происходят при образова­ нии высотной барической ложбины над Европейской территорией

СССР и сопряженного гребня над Западной Сибирью. По восточ­ ной периферии ложбины происходят выходы юго-западных цикло­ нов, по западной'—вторжения холодного воздуха в антициклонах. Повторяемость подобных процессов в марте не велика, в среднем б дней, поэтому поля средних месячных величин метеорологических элементов слабо отражают их развитие. Из схемы процессов этого типа ясно (рис. 149), что при них наблюдается одновременно по­ вышение температуры воздуха в Западной Сибири и понижение

397

ее на северо-западе и в центре Европейской территории СССР. Для количественной характеристики таких процессов были осреднены ежедневные средние суточные температуры воздуха по трем стан­ циям Западной Сибири — Барнаул, Тайга и Сургут п отдельно по станциям Москва и Ленинград. Затем по годам были выбраны те дни в марте, когда средние температуры по первым трем станциям повышались и были выше— 15° С, а по двум другим — понижа­ лись. Сумма температур за эти дни марта по сибирским станциям, взятых в виде превышений над —15° С, тесно связана с аналогич­ ной суммой за апрель и в основном определяет сроки вскрытия рек Западной Сибири. В качестве дополнительного фактора при

долгосрочном прогнозе, осо­ бенно для рек южных районов Западной Сибири, необходимо учитывать среднюю высоту снежного покрова в степях Се­ верного Казахстана и в пред­ горьях Алтая. Она здесь в об­ щем невелика. Когда снега меньше нормы, то уже при пер­ вых потеплениях большая пло­ щадь освобождается от снега и начинается усиленный про­ грев воздуха над темной по­ верхностью почвы. При относи­ тельно высоком снежном по­ крове на длительное время со­ храняются благоприятные ус­ ловия для ночного выхолажи­ вания воздуха.

На рис. 150 приведена за­ висимость для прогнозов вскры­ тия рек бассейна Верхней Оби. С помощью этой зависимости прогнозы составляются в на­

чале апреля II имеют заблаговременность в среднем 25 дней.

Реки северной половины Европейской территории СССР и Прпуралья вскрываются обычно во второй половине апреля — первой половине мая. Анализ атмосферных процессов, с которыми связано вскрытие рек бассейна Камы и Тобола, привел к выводу о возмож­ ности характеризовать эти процессы — выносы тепла с запада и юго-запада — по колебаниям средней суточной температуры воз­ духа, осредненной по станциям Пермь, Чердынь и Уфа. За основу количественной характеристики принята паивысшая температура Ѳмакс, достигнутая за период каждого потепления, выраженная в виде превышения над —10° С, т. е. как (Ѳманс+Ю). Продолжи­ тельность и интенсивность потепления учитываются коэффициен­ том ß, который при разных сочетаниях их принимает значения от нуля до двух; в большинстве случаев он равен единице. Общая ха­

398

рактеристика потеплении подсчитывается за период с 20 февраля по 31 марта (для рек южной части территории по 20 марта). Урав­ нение регрессии для прогнозов имеет вид (коэффициент корреля­ ции 0,87).

31/ III

20/II

Аналогичные уравнения получены для прогнозов вскрытия се­ верных притоков Волги и южных притоков Северной Двины.

Реки, протекающие южнее и западнее, вскрываются преимуще­ ственно во второй половине марта и первой половине апреля. Среднее квадратическое отклонение сроков начала весеннего ле­ дохода от нормы к югу и западу резко возрастает и составляет,

АТ дн

Рис. 150. Зависимость отклоне­ ния от нормы (АТ) сроков вскрытия рек бассейна Верхней Оби от характеристики потеп­ лений в марте (2ДѲ) и высоты

тае на 10 см и более ниже нормы {/), на 3—9 см ниже нормы (2), близка к норме (3) и выше нормы

( 4) .

например, для Немана и Нижнего Дона 14—18 дней. При этом наибольшие отклонения от нормы бывают в сторону ранних сро­ ков, что связано с большим влиянием океана на климат в зимние месяцы и ослаблением этого влияния весной. Раннее вскрытие юж­ ных и западных рек наблюдается уже в феврале. Следовательно, на эти сроки влияют атмосферные процессы двух синоптических сезонов: зимы, начинающейся в середине декабря, и весны, кото­ рая начинается в среднем в середине марта. К тому же и сам синоптический сезон зимы в некоторые годы делится на две части, существенно различные по характеру преобладающих атмосферных процессов.

в первую очередь степенью развития западного переноса воздуш­ ных масс в феврале. Интенсивный западный перенос обусловли­ вает не только раннее начало таяния снега и льда, но и переход

399