Vpliv orografije v modelih ozračja : Zavetrna ciklogeneza

1. Vpliv orografije v modelih ozračja: Zavetrna ciklogeneza Avtor: Luka Matavž Mentor: Nedjeljka Žagar

2. Zavetrni ciklon je pojav, ki ga lahko opazimo predvsem v zmernih širinah. • V Evropi je k razumevanju zavetrne ciklogeneze veliko prispeval eksperiment ALPEX • Eksperiment je trajal 13 mesecev in sicer od septembra 1981 do oktobra 1982 • Postavili so dodatnih 24 meteoroloških postaj za merjenje tlaka in hitrosti vetra • 17 letal iz Ženevskega letališča pa je vzletavalo po naprej določenih poteh.

3. Pri modelu, ki so ga uporabljali za analizo podatkov območje simulacije zajema večino Evrope in del Severne Afrike • Model ima 13 slojev v vertikalni smeri, kjer so sloji definirani s ploskvami konstantne potencialne temperature (θ) • Vrednosti θ so od 270 K pa do 370 K (pri p=0) z razmikom 5 K med plastema v spodnji plasti in 10 K v zgornji plasti • Površje Zemlje je predstavljeno z ovojno topografijo • Za ta model so določili povprečno višino grebena Alp na 2400 m (posledica slabe ločljivosti modela)

4. Bistveno stvar, ki je razložil projekt ALPEX v povezavi z nastankom ciklona v zavetrju Alp in Genovskem zalivu je, da pri tem gre za ustavljanje hladnega severozahodnega toka v spodnjem predelu troposfere • Tok se razdeli na dva dela: • En del hladnega zraka zavije v anticiklonalni smeri okoli vzhodnih Alp, kar velikokrat privede do nastanka burje na Jadranu • Drugi del hladnega zraka pa zavije v ciklonalni smeri okoli zahodnih Alp, kar privede do mistrala, ki zapiha po dolini Rone proti Lionskem zalivu.

5. Deformacija polja vetra in pritiska, in linija hladne fronte nad Alpami

6. Statistika nastanka zavetrnih ciklonov v zahodnem Mediteranu v času projekta ALPEX • Kriteriji, ki so ciklone v Genovskem zalivu uvrstil med tip zavetrnega ciklona: • Osnovni pogoj je bil obstoj baroklinega območja in posledično nastanek hladne fronte v bližini Alp, kateri je sledila formacija zaprtega območja nizkega zračnega pritiska (na nivoju morja) južno od Alp • Osnovni tok poteka v smeri od severa ali severozahoda proti Alpam, oziroma severna in zahodna stran Alp na privetrni strani

7. Vseh takih primerov je bilo 40: • 11 jih bilo v obdobju zime (Dec- Feb) • 10 spomladi (Mar-Maj) • 5 poleti (Jun-Avg) • 14 jeseni (Sep-Nov). • Vsi ti cikloni so bili opazovani od časa nastanka hladne fronte do trenutka ko je se je ciklon umaknil iz območja severne Italije • Pri 37 od 40 primerov (93%) je bil kot posledica ciklogeneze prisoten mistral • v 24 primerih (60%) se je pojavil severni fen • v 21 primerih (53%) pa se ob tem pojavila burja

8. Padec tlaka v središču ciklona med časom prve pojavitve in najmočnejšega razvoja je bil v povprečju samo 7 hPa, maksimalna vrednost pa je bila 20 hPa. • Zanimiv rezultat pa se je pokazal pri primerjavi naraščanja tlaka v Munchnu in padcu tlaka v Genovskem zalivu. V ¾ primerih je namreč bila magnituda povišanja tlaka višja kot magnituda padca tlaka v Genovi • Pri projektu se je izkazalo, da je bilo v večini primerih dokaj izrazito naraščanje vrtinčnosti v osnovnem toku z višino, in da je maksimum vrtinčnosti bil v zgornji troposferi

9. Klasifikacija Tipa ciklona • »Vordenseiten« tip (jugozahodni tok v zgornjih plasteh), (2/3 primerov)

10. »Uberstromungs« tip (severozahodni tok v zgornjih plasteh), (1/3 primerov)

11. Potencialna temperatura kot vertikalna koordinata • Pri modelu se uporabljajo enačbe v (x, y, θ, t) sistemu • Pogoj, da lahko vzamemo ta sistem: • Statično stabilno ozračje • Procesi so adiabatni • Če so pogoji izpolnjeni se bo delec zraka vedno gibal po ploskvi konstantne potencialne temperature (θ) • Enačbe gibanja v tem sistemu:

12. Montgomery potencial (tokovna funkcija v θ-sistemu) • Ta tokovna funkcija nam lahko definira geostrofski »horizontalni« tok na ploskvah θ = konst. • Hidrostatični približek • Izentrope so po v statično stabilnem ozračju enakomerno porazdeljene po višini, razdaljo med njimi pa lahko izražamo v δp ali δφ (ponavadi raje v δp) • Dobimo kontinuitetno enačbo

13. 700 hPaploskev, kjer je prikazana temperaturna advekcija in vertikalna gibanja. Neprekinjene črte prikazujejo pozitivno temperaturno advekcijo, prekinjene pa negativno temperaturno advekcijo, v enotah 10-4 K/s, narisane pa so v razmiku 2*10-4 K/s. Območja kjer je ω < -5 μbar/s (vertikalno gibanje navzgor) so senčena temno sivo, območja z ω > 5 μbar/s pa so senčene svetlo sivo.

14. Topografija tlaka na ploskvi potencialne temperature θ = 305 K (ob istem času kot zgornja slika). Neprekinjene črte predstavljajo izolinije Montgomery tokovne funkcije z enoto m2/s2, in narisane v razmiku 10 m2/s2. Tanke črtkane črte so izobare v razmiku 50 hPa. Debela črtkana črta pa predstavlja mejo med negativno in pozitivno advekcijo tlaka. Severno in vzhodno od te črte je pozitivna advekcija tlaka, na drugi strani pa negativna.

15. iz druge slike lahko naredimo povezavo med advekcijo pritiska na θ-ploskvi in vertikalnimi gibanji (ω oz. w). • Izobara na izentropski ploskvi ( θ = konst. ) je enako kot izoterma na izobarni ploskvi (p = konst.) • Podobno lahko enačimo tudi, da temp. advekcija na p-ploskvi sovpada z advekcijo tlaka na θ-ploskvi • Poudariti pa je treba da to lahko upoštevamo samo v ozračju, ki je statično stabilno oz. Sp > 0 in tam, kjer so vsi procesi adiabatni.

16. Vpliv blokiranja zraka in razdelitev toka v spodnjem delu troposfere na vzhod in zahod zaradi Alp, na proces zavetrne ciklogeneze. • Vsi izračuni so bili izvedeni v sistemu (x,y, θ ,t). Zato so tudi absolutno vrtinčnost (celotno) razdelili na (relativno) vrtinčnoststriženja in (absolutno) vrtinčnostukrivljanja. • Za predstavitev vrtinčnosti so uporabili naravni koordinatni sistem

17. Pri procesu zavetrne ciklogenezegre za transformacijo iz strižne vrtinčnosti v vrtinčnost zaradi ukrivljenosti toka, oziroma se ustvari dodatna komponenta vrtinčnostizaradi ukrivljanja toka • To je posledica tega, da se južno od Alp, polje pritiska in vetra deformirata skupaj z izentropsko ploskvijo, kar privede do hitre transformacije med strižno in ukrivljenostnovrtinčnostjo.

18. intenziteta nastanka ciklona v Genovskem zalivu je odvisna od: • Velikosti vetrovnega stržena nad severozahodno Evropo, • intenzitete zaustavljanja hladnega zraka v spodnji troposferi, • prisotnosti vlažnega in toplega zraka na južni strani Alp • Pri nastanku ciklona ob polarni fronti poteka deformacija polja pritiska in vetra veliko počasneje, ker ni prisotne nobene orografske ovire, prav tako pa formacija vala (doline in grebena) ni fiksirano na določeno točko, kot je to pri orografskem nastanku ciklogeneze.

19. Študija primera med projektom ALPEX • Ciklogeneza 30 Aprila 1982 v Genovskem zalivu Izentropska ploskev pri θ = 292 K, 30. Aprila 1982 ob 00 GMT. Črtkane črte predstavljajo Montgomery tokovne funkcijo z razmikom 10 m2/s2, medtem ko odebeljena črtkana črta predstavlja vrednost M = 30000 m2/s2. Polne črte pa ponazarjajo izobare, ki so narisane vsakih 50 hPa, Odebeljena polna črta pa predstavlja 700 hPa

20. Ob času 12 GMT

21. Montgomery potencial, in izotahe ( izolinije konstantnega vetra) na ploskvi θ = 292 K, ob času 06 GMT. Hitrosti so podane v vozlih (1 kt = 0,5 m/s)

22. Deformacija materialne (izentropske) ploskve med procesom ciklogeneze v Genovskem zalivu. Površina je narisana vsakih za čas vsakih 6 ur, in sicer med 4. Marcem ob 00 GMT in 6. Marcem 1982 ob 00 GMT. Na severni in južni strani površine so označene tudi vrednosti obeh vrtinčnosti in vrednost tlaka.

23. Trajektorija delca zraka med Ciklogenezo v Genovskem zalivu. Vsakih 6 ur med 20. Marcem ob 06 GMT in 21. Marcem 1982 ob 00 GMT so delcu zraka določili vrednosti vrtinčnosti in tlaka.

24. Viri • Holton, J. An Introductionto DynamicMeteorology. Četrta izdaja. 200 WheelerRoad, Burlington: ElsevierAcademicPress, 2004. • Martin, J. Mid-latitude atmospheric dynamics : a first cource. West Sussex: John Wiley & SonsLtd, 2006. • Pichler, H. Steinacker, R. On thesynopticsanddynamicsoforographicallyinducedcyclones in theMediterranean. MeteorologyandAtmosfericphysic, 1987