Адаптація методів прогнозу туману з урахуванням їх кліматології
Альтернативна назва
Adaptation of fog forecasting methods with regard to their climatology
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Укладач
Редактор
Назва журналу
ISSN
E-ISSN
Назва тому
Видавець
Анотація
Яцишен А.О. Адаптація методів прогнозу туману з урахуванням їх кліматології.– Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 103 «Науки про Землю». – Одеський національний університет імені І. І. Мечникова, МОН України, м. Одеса, 2026.
Дисертаційну роботу присвячено розв’язанню актуального науково-прикладного завдання підвищення ефективності локального прогнозування радіаційних туманів шляхом адаптації методів визначення температури туманоутворення до кліматичних умов конкретного пункту спостережень та врахування впливу процесів міжрівневого обміну у граничному шарі атмосфери на еволюцію туманного шару.
Актуальність теми зумовлена тим, що тумани належать до найбільш складних для прогнозування метеорологічних явищ, а ефективність існуючих емпіричних, чисельних методів їх прогнозу істотно залежить від ступеня адаптованості до місцевих фізико-географічних і кліматичних умов. Універсальні прогностичні схеми, розроблені для окремих регіонів, часто втрачають точність при застосуванні в інших умовах, що зумовлює необхідність урахування кліматологічних характеристик туманів та фізичних особливостей процесів у граничному шарі атмосфери.
У роботі використано комплекс кліматологічних, статистичних, синоптичних і розрахункових методів дослідження. Виконано аналіз багаторічних рядів спостережень за туманами і температурою туманоутворення, матеріалів радіозондування атмосфери, а також застосовано методи апроксимації добово-річного розподілу температури туманоутворення, оцінювання коефіцієнта турбулентного обміну, турбулентних потоків тепла і висоти граничного шару атмосфери.
У першому розділі розглянуті сучасні погляди на загальні характеристики туманів, механізми їх утворення, а також проаналізовано роль кліматологічних і фізичних чинників у формуванні туманів. Узагальнено традиційні уявлення про вплив температурної стратифікації, турбулентного обміну та процесів у граничному шарі атмосфери на процеси утворення і еволюції радіаційних туманів.
У другому розділі проаналізовано основні методи прогнозу радіаційних туманів. Зокрема, підходи до визначення температури туманоутворення, часу утворення і розсіювання туману, а також інших характеристик, що визначають його еволюцію. Показано, що ефективність цих методів значною мірою залежить від локальної адаптації та врахування фізичного стану граничного шару атмосфери.
У третьому розділі обґрунтовано підхід до адаптації методів прогнозу туману з урахуванням кліматологічних характеристик предикторів та фізичних процесів, що відбуваються у граничному шарі атмосфери при утворенні радіаційних туманів. На основі даних станції Київ за 2012–2020 рр. досліджено добово-річний розподіл туманів і температури туманоутворення, виконано апроксимацію її розподілу. Встановлено, що найбільш ефективною є поліноміальна апроксимація фактичних значень температури туманоутворення, що дає можливість визначати її кліматологічне значення для конкретного пункту, місяця і часу доби та використовувати його як додатковий критерій контролю для визначення предиктанта.
На матеріалах температурно-вітрового зондування збільшеної часової роздільності та наземних спостережень на станції Lindenberg (Німеччина) досліджено вплив температурної стратифікації, турбулентних потоків тепла та міжрівневого обміну у граничному шарі атмосфери на еволюцію радіаційних туманів, як альтернативних предикторів їх прогнозу. Встановлено, що утворення і розвиток радіаційних туманів тісно пов’язані з формуванням приземного затримуючого шару, подальшою трансформацією типу стратифікації внаслідок еволюції турбулентного обміну у граничному шарі атмосфери. Показано, що зв’язок між коефіцієнтом турбулентного обміну та висотою граничного шару атмосфери є відносно тісним у періоди до та після утворення туману, але істотно послаблюється після його утворення та в період максимального розвитку через посилення інверсійної стратифікації. Встановлено, що для туманів із вертикальною потужністю до 150-170 м характерні максимальні значення коефіцієнта турбулентності, тоді як подальше збільшення вертикальної потужності туману супроводжується зменшенням інтенсивності локального турбулентного обміну.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше обґрунтовано підхід до використання кліматологічних характеристик добово-річного розподілу температури туманоутворення як додаткового критерію адаптації методів прогнозу радіаційних туманів до конкретного пункту; що дозволило удосконалити підхід до оцінювання температури туманоутворення шляхом її порівняння з кліматологічним значенням, притаманним певному пункту, сезону року та часу доби. Встановлена структура зв’язку між вертикальною потужністю радіаційного туману та характеристиками турбулентного обміну у граничному шарі атмосфери. Обґрунтований підхід до використання кількісних характеристик турбулентних потоків тепла у граничному шарі як предиктору прогнозу утворення і розсіяння радіаційних туманів.
Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості використання запропонованого підходу для підвищення ефективності локального прогнозування туманів у діяльності метеорологічних підрозділів, насамперед у сфері метеорологічного забезпечення авіації, підрозділів безпілотних систем Сил оборони України.
Yatsyshen A.O. Adaptation of fog forecasting methods with regard to their climatology. – Qualifying scientific work submitted as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 103 “Earth Sciences”. – Odesa I. I. Mechnikov National University, Ministry of Education and Science of Ukraine, Odesa, 2026. The dissertation is devoted to solving an urgent scientific and applied problem related to improving the efficiency of local forecasting of radiation fogs by adapting methods for determining the fog formation temperature to the climatic conditions of a specific observation site and by taking into account the influence of interlevel exchange processes in the atmospheric boundary layer on the evolution of the fog layer. Relevance of the research topic is determined by the fact that fogs are among the most difficult meteorological phenomena to forecast, while the efficiency of existing empirical and numerical forecasting methods substantially depends on the degree to which they are adapted to local physical-geographical and climatic conditions. Universal forecasting schemes developed for particular regions often lose accuracy when applied under different conditions. This necessitates the consideration of the climatological characteristics of fogs and the physical features of processes occurring in the atmospheric boundary layer. The study applies a set of climatological, statistical, synoptic, and computational research methods. Long-term observation series of fogs and fog formation temperature were analyzed, along with atmospheric radiosounding data. In addition, methods were used for approximating the diurnal-annual distribution of fog formation temperature, estimating the turbulent exchange coefficient, turbulent heat fluxes, and the height of the atmospheric boundary layer. The first chapter considers modern views on the general characteristics of fogs, the mechanisms of their formation, and the role of climatological and physical factors in fog development. Traditional concepts concerning the influence of temperature stratification, turbulent exchange, and processes in the atmospheric boundary layer on the formation and evolution of radiation fogs are summarized. The second chapter analyzes the main methods for forecasting radiation fogs. In particular, it examines approaches to determining fog formation temperature, the time of fog formation and dissipation, as well as other characteristics that define fog evolution. It is shown that the efficiency of these methods largely depends on local adaptation and on taking into account the physical state of the atmospheric boundary layer. The third chapter substantiates an approach to adapting fog forecasting methods with regard to the climatological characteristics of predictors and the physical processes occurring in the atmospheric boundary layer during radiation fog formation. Based on data from the Kyiv station for 2012–2020, the diurnal-annual distribution of fogs and fog formation temperature was investigated, and its distribution was approximated. It was established that polynomial approximation of the actual values of fog formation temperature is the most effective. This makes it possible to determine its climatological value for a specific location, month, and time of day, and to use this value as an additional control criterion for determining the predictand. Using high-temporal-resolution temperature-wind sounding data and surface observations from the Lindenberg station in Germany, the influence of temperature stratification, turbulent heat fluxes, and interlevel exchange in the atmospheric boundary layer on the evolution of radiation fogs was investigated as alternative predictors for their forecasting. It was established that the formation and development of radiation fogs are closely associated with the formation of a near-surface blocking layer and the subsequent transformation of stratification type as a result of the evolution of turbulent exchange in the atmospheric boundary layer. It was shown that the relationship between the turbulent exchange coefficient and the atmospheric boundary layer height is relatively strong in the periods before and after fog formation, but weakens substantially after fog formation and during the period of maximum development due to intensification of inversion stratification. It was found that fogs with a vertical depth of up to 150–170 m are characterized by maximum values of the turbulence coefficient, whereas a further increase in the vertical depth of fog is accompanied by a decrease in the intensity of local turbulent exchange. The scientific novelty of the obtained results lies in the fact that, for the first time, an approach has been substantiated for using the climatological characteristics of the diurnal-annual distribution of fog formation temperature as an additional criterion for adapting radiation fog forecasting methods to a specific observation site. This made it possible to improve the approach to estimating fog formation temperature by comparing it with the climatological value characteristic of a particular location, season, and time of day. The structure of the relationship between the vertical depth of radiation fog and the characteristics of turbulent exchange in the atmospheric boundary layer has been established. An approach has also been substantiated for using quantitative characteristics of turbulent heat fluxes in the atmospheric boundary layer as a predictor for forecasting the formation and dissipation of radiation fogs. The practical significance of the obtained results lies in the possibility of applying the proposed approach to improve the efficiency of local fog forecasting in the activities of meteorological units, primarily in the field of meteorological support for aviation and for unmanned systems units of the Defence Forces of Ukraine.
Yatsyshen A.O. Adaptation of fog forecasting methods with regard to their climatology. – Qualifying scientific work submitted as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 103 “Earth Sciences”. – Odesa I. I. Mechnikov National University, Ministry of Education and Science of Ukraine, Odesa, 2026. The dissertation is devoted to solving an urgent scientific and applied problem related to improving the efficiency of local forecasting of radiation fogs by adapting methods for determining the fog formation temperature to the climatic conditions of a specific observation site and by taking into account the influence of interlevel exchange processes in the atmospheric boundary layer on the evolution of the fog layer. Relevance of the research topic is determined by the fact that fogs are among the most difficult meteorological phenomena to forecast, while the efficiency of existing empirical and numerical forecasting methods substantially depends on the degree to which they are adapted to local physical-geographical and climatic conditions. Universal forecasting schemes developed for particular regions often lose accuracy when applied under different conditions. This necessitates the consideration of the climatological characteristics of fogs and the physical features of processes occurring in the atmospheric boundary layer. The study applies a set of climatological, statistical, synoptic, and computational research methods. Long-term observation series of fogs and fog formation temperature were analyzed, along with atmospheric radiosounding data. In addition, methods were used for approximating the diurnal-annual distribution of fog formation temperature, estimating the turbulent exchange coefficient, turbulent heat fluxes, and the height of the atmospheric boundary layer. The first chapter considers modern views on the general characteristics of fogs, the mechanisms of their formation, and the role of climatological and physical factors in fog development. Traditional concepts concerning the influence of temperature stratification, turbulent exchange, and processes in the atmospheric boundary layer on the formation and evolution of radiation fogs are summarized. The second chapter analyzes the main methods for forecasting radiation fogs. In particular, it examines approaches to determining fog formation temperature, the time of fog formation and dissipation, as well as other characteristics that define fog evolution. It is shown that the efficiency of these methods largely depends on local adaptation and on taking into account the physical state of the atmospheric boundary layer. The third chapter substantiates an approach to adapting fog forecasting methods with regard to the climatological characteristics of predictors and the physical processes occurring in the atmospheric boundary layer during radiation fog formation. Based on data from the Kyiv station for 2012–2020, the diurnal-annual distribution of fogs and fog formation temperature was investigated, and its distribution was approximated. It was established that polynomial approximation of the actual values of fog formation temperature is the most effective. This makes it possible to determine its climatological value for a specific location, month, and time of day, and to use this value as an additional control criterion for determining the predictand. Using high-temporal-resolution temperature-wind sounding data and surface observations from the Lindenberg station in Germany, the influence of temperature stratification, turbulent heat fluxes, and interlevel exchange in the atmospheric boundary layer on the evolution of radiation fogs was investigated as alternative predictors for their forecasting. It was established that the formation and development of radiation fogs are closely associated with the formation of a near-surface blocking layer and the subsequent transformation of stratification type as a result of the evolution of turbulent exchange in the atmospheric boundary layer. It was shown that the relationship between the turbulent exchange coefficient and the atmospheric boundary layer height is relatively strong in the periods before and after fog formation, but weakens substantially after fog formation and during the period of maximum development due to intensification of inversion stratification. It was found that fogs with a vertical depth of up to 150–170 m are characterized by maximum values of the turbulence coefficient, whereas a further increase in the vertical depth of fog is accompanied by a decrease in the intensity of local turbulent exchange. The scientific novelty of the obtained results lies in the fact that, for the first time, an approach has been substantiated for using the climatological characteristics of the diurnal-annual distribution of fog formation temperature as an additional criterion for adapting radiation fog forecasting methods to a specific observation site. This made it possible to improve the approach to estimating fog formation temperature by comparing it with the climatological value characteristic of a particular location, season, and time of day. The structure of the relationship between the vertical depth of radiation fog and the characteristics of turbulent exchange in the atmospheric boundary layer has been established. An approach has also been substantiated for using quantitative characteristics of turbulent heat fluxes in the atmospheric boundary layer as a predictor for forecasting the formation and dissipation of radiation fogs. The practical significance of the obtained results lies in the possibility of applying the proposed approach to improve the efficiency of local fog forecasting in the activities of meteorological units, primarily in the field of meteorological support for aviation and for unmanned systems units of the Defence Forces of Ukraine.
Опис
Ключові слова
туман, радіаційний туман, температура туманоутворення, кліматологія туманів, граничний шар атмосфери, температурна стратифікація, приземна інверсія, турбулентний обмін, турбулентні потоки тепла, вертикальна потужність туману, fog, radiation fog, fog formation temperature, fog climatology, atmospheric boundary layer, temperature stratification, near-surface inversion, turbulent exchange, turbulent heat fluxes, vertical depth of fog, 103 Науки про Землю
Бібліографічний опис
Яцишен А. О. Адаптація методів прогнозу туману з урахуванням їх кліматології : дис. … д-ра філос. у галузі 10 Природничі науки : 103 / А. О. Яцишен ; наук. керівник О. М. Грушевський ; Одес. нац. ун-т імені І. І. Мечникова. Одеса, 2026. 144 с.
DOI
ORCID:
УДК
551.575.1:551.509.32(043.5)