СРАВНЕНИЕ АЭРОСИНОПТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ГРОЗ РАЗНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Особенности образования и наблюдения кучево-дождевых облаков и гроз 7
1.1 Механизм образования конвективной облачности 8
1.2 Стадии формирования кучево-дождевого облака 9
1.3 Синоптические процессы, приводящие к образованию большего
количества молниевых разрядов 11
1.4 Синоптические процессы, приводящие к образованию мезомасштабных
гроз 12
1.5 Обзор ранее проведенных исследований по данной теме 14
2. Средства распознавания кучево-дождевой облачности и регистрации гроз
18
2.1 Визуальные наблюдения на метеорологических станциях 19
2.2 Аэрологические наблюдения 20
2.3 Спутниковые наблюдения 21
2.4 Расчетные методы и прогностические модели 23
2.5 Радиолокационные наблюдения 25
3. Материалы и методы исследования 28
3.1 Физико-географическое описание района исследования 28
3.2 Используемые массивы данных 29
3.3 Методы, использованные при расчетах 32
4. Аэросиноптические условия образования гроз разной интенсивности над
юго-востоком западной сибири 36
4.1 Синоптические параметры грозовой активности фронтальных и
внутримассовых облаков 36
4.2 Радиолокационные характеристики грозовой облачности по данным
ДМРЛ-С 40
4.2.1 Радиолокационные параметры конвективной облачности фронтального и внутримассового происхождения в разные летние месяцы 42
4.2.2 Параметры радиолокационных характеристик кучево-дождевой
облачности в разных синоптических ситуациях за период 2021-2023 гг 46
4.2.3 Радиолокационные характеристики кучево-дождевой облачности с осадками и без осадков над юго-востоком Западной Сибири 51
4.2.4 Высота верхней границы, водность и максимальная радиолокационная отражаемость кучево-дождевой облачности как основные характеристики
мощности грозовой активности 55
4.2.5 Грозы, отмеченные на метеостанциях, но не опознанные ДМРЛ-С 64
4.3 Сравнение аэросиноптических характеристик грозовой облачности с
результатами измерений на других территориях 68
4.4 Сравнение радиолокационных характеристик грозовой облачности с
результатами измерений на других территориях 70
4.5 Сравнение параметров грозовой облачности, зарегистрированной ДМРЛ- С с результатами регистрации спутниковым и аэрологическим зондированием 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 79
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 81
ПРИЛОЖЕНИЕ А 92
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Особенности образования и наблюдения кучево-дождевых облаков и гроз 7
1.1 Механизм образования конвективной облачности 8
1.2 Стадии формирования кучево-дождевого облака 9
1.3 Синоптические процессы, приводящие к образованию большего
количества молниевых разрядов 11
1.4 Синоптические процессы, приводящие к образованию мезомасштабных
гроз 12
1.5 Обзор ранее проведенных исследований по данной теме 14
2. Средства распознавания кучево-дождевой облачности и регистрации гроз
18
2.1 Визуальные наблюдения на метеорологических станциях 19
2.2 Аэрологические наблюдения 20
2.3 Спутниковые наблюдения 21
2.4 Расчетные методы и прогностические модели 23
2.5 Радиолокационные наблюдения 25
3. Материалы и методы исследования 28
3.1 Физико-географическое описание района исследования 28
3.2 Используемые массивы данных 29
3.3 Методы, использованные при расчетах 32
4. Аэросиноптические условия образования гроз разной интенсивности над
юго-востоком западной сибири 36
4.1 Синоптические параметры грозовой активности фронтальных и
внутримассовых облаков 36
4.2 Радиолокационные характеристики грозовой облачности по данным
ДМРЛ-С 40
4.2.1 Радиолокационные параметры конвективной облачности фронтального и внутримассового происхождения в разные летние месяцы 42
4.2.2 Параметры радиолокационных характеристик кучево-дождевой
облачности в разных синоптических ситуациях за период 2021-2023 гг 46
4.2.3 Радиолокационные характеристики кучево-дождевой облачности с осадками и без осадков над юго-востоком Западной Сибири 51
4.2.4 Высота верхней границы, водность и максимальная радиолокационная отражаемость кучево-дождевой облачности как основные характеристики
мощности грозовой активности 55
4.2.5 Грозы, отмеченные на метеостанциях, но не опознанные ДМРЛ-С 64
4.3 Сравнение аэросиноптических характеристик грозовой облачности с
результатами измерений на других территориях 68
4.4 Сравнение радиолокационных характеристик грозовой облачности с
результатами измерений на других территориях 70
4.5 Сравнение параметров грозовой облачности, зарегистрированной ДМРЛ- С с результатами регистрации спутниковым и аэрологическим зондированием 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 79
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 81
ПРИЛОЖЕНИЕ А 92
Современные изменения климата выявлены во множестве различных исследований и представлены, например, в оценочных докладах об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации, подготавливаемых Росгидрометом [54], а также в трудах Сибирского регионального научно-исследовательского гидрометеорологического
института [69].
В последние годы изменения климата выражаются наиболее ярко. Они коснулись и количества, и силы случающихся опасных явлений. Поэтому с каждым годом важность их исследования возрастает, но техническая оснащенность наблюдателей и исследователей, а также территориальная неравномерность наблюдаемых опасных явлений не позволяет в полной мере дать оценку влияния климатических изменений. Отмечается, что изменения атмосферной циркуляции отражаются в режиме атмосферных осадков и оказывают отчетливое влияние на возникновение экстремальных погодных явлений [5].
Выявлено, что существенные искажения в прогностические поля осадков также вносят местные циклоны. В ходе анализа прогностического материала модели COSMO-RU получено, что предупрежденность факта формирования местных циклонов составляет 67 % [70].
Отмечается ослабление конвективной активности на юге европейской территории России и Урала, где выявлено сокращение повторяемости критических значений индексов. На побережье Черного моря и на юге Сибири отмечены положительные тренды повторяемости критических значений индексов CAPE и WMAXSHEAR, которые указывают на рост вероятности развития опасных явлений погоды (ОЯП), в том числе интенсивных, в данных регионах [52].
В целом, результаты указывают на общую интенсификацию КОЯП в большинстве регионов России за исключением ряда регионов на юге европейской территории России. Повторяемость умеренных ОЯП имеет тенденцию к уменьшению, а наиболее сильных — к росту [52].
Комплексный анализ характеристик грозовой деятельности и их изменчивости на территории Западной Сибири проводился в многочисленных исследованиях: В.П. Горбатенко, А.А. Дульзона, И.В. Латышевой и других [5, 18-25, 27, 42, 70, 81]. Были выявлены схожие тенденции изменения грозовой деятельности, однако из-за разного периода исследований и большого временного разрыва между ними сопоставление в некоторых случаях просто невозможно. Исследование и анализ влияния глобального изменения климата на повторяемость опасных явлений и изменение их интенсивности, должны проводиться непрерывно для более оперативного реагирования и изменения прогностических материалов.
Отдельно стоит отметить наблюдения конвективной облачности и ОЯП по данным ДМРЛ-С. В России сеть ДМРЛ-С начала формироваться с 2012 года - первая установка была запущена на позиции «Валдай». В Новосибирской области установки ДМРЛ-С введены в работу с 2016-2017 годов [45]. Так как настройки первой установки проводились в Новгородской области (на позиции для первой установки ДМРЛ-С), есть основания предполагать наличие существенных отличий в пороговых значениях для определения ОЯП в разных регионах. Особенно, когда территории находятся на достаточно большом удалении друг от друга, что дает резкие различия в климатических характеристиках.
На сегодняшний день сопоставление визуальных и радиолокационных наблюдений является наиболее перспективным методом исследования, так как, во-первых, наблюдения с метеостанций, считающиеся эталонными, могут дать оценку точности результатов наблюдений с установки ДМРЛ-С. Во- вторых, такое сопоставление очень важно для улучшения прогноза ОЯП, в особенности - для гроз внутримассового генезиса, которые из-за мезомасштабных размеров и быстрого развития, часто не определяются как в ходе радиолокационных наблюдений, так и в ходе анализа синоптических карт и спутниковых снимков, что существенно снижает оправдываемость прогнозов и предупрежденность ОЯП.
Главной задачей настоящих исследований является сравнение радиолокационных характеристик кучево-дождевой облачности, во время регистрации фронтальных и внутримассовых гроз метеорологическими станциями, расположенными в радиусе 200 км от радиолокатора ДМРЛ-С.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1. По данным штормовых телеграмм с метеостанций Новосибирской области
за период 2021 - 2023 гг. выявить случаи одиночных гроз и гроз,
зарегистрированных несколькими метеостанциями.
2. Используя базы синоптических приземных и кольцевых карт, определить генезис каждой грозы: фронтальный или внутримассовый.
3. Данные ДМРЛ-С сопоставить по времени и месту их регистрации на метеорологических станциях, расположенных в зоне радиолокации.
4. Создать базы радиолокационных параметров грозовой облачности разного генезиса (фронтальной и внутримассовой) и рассчитать их статистические характеристики.
5. Определить пороговые значения ряда радиолокационных параметров грозовой облачности, перспективные для прогноза внутримассовых гроз.
6. Сравнить параметры грозовой облачности, регистрируемые ДМРЛ-С на территории Западной Сибири с результатами регистрации в других регионах.
7. Сравнить высоту верхней границы облачности, регистрируемой ДМРЛ-С на территории Западной Сибири с результатами анализа аэрологической и спутниковой информации.
института [69].
В последние годы изменения климата выражаются наиболее ярко. Они коснулись и количества, и силы случающихся опасных явлений. Поэтому с каждым годом важность их исследования возрастает, но техническая оснащенность наблюдателей и исследователей, а также территориальная неравномерность наблюдаемых опасных явлений не позволяет в полной мере дать оценку влияния климатических изменений. Отмечается, что изменения атмосферной циркуляции отражаются в режиме атмосферных осадков и оказывают отчетливое влияние на возникновение экстремальных погодных явлений [5].
Выявлено, что существенные искажения в прогностические поля осадков также вносят местные циклоны. В ходе анализа прогностического материала модели COSMO-RU получено, что предупрежденность факта формирования местных циклонов составляет 67 % [70].
Отмечается ослабление конвективной активности на юге европейской территории России и Урала, где выявлено сокращение повторяемости критических значений индексов. На побережье Черного моря и на юге Сибири отмечены положительные тренды повторяемости критических значений индексов CAPE и WMAXSHEAR, которые указывают на рост вероятности развития опасных явлений погоды (ОЯП), в том числе интенсивных, в данных регионах [52].
В целом, результаты указывают на общую интенсификацию КОЯП в большинстве регионов России за исключением ряда регионов на юге европейской территории России. Повторяемость умеренных ОЯП имеет тенденцию к уменьшению, а наиболее сильных — к росту [52].
Комплексный анализ характеристик грозовой деятельности и их изменчивости на территории Западной Сибири проводился в многочисленных исследованиях: В.П. Горбатенко, А.А. Дульзона, И.В. Латышевой и других [5, 18-25, 27, 42, 70, 81]. Были выявлены схожие тенденции изменения грозовой деятельности, однако из-за разного периода исследований и большого временного разрыва между ними сопоставление в некоторых случаях просто невозможно. Исследование и анализ влияния глобального изменения климата на повторяемость опасных явлений и изменение их интенсивности, должны проводиться непрерывно для более оперативного реагирования и изменения прогностических материалов.
Отдельно стоит отметить наблюдения конвективной облачности и ОЯП по данным ДМРЛ-С. В России сеть ДМРЛ-С начала формироваться с 2012 года - первая установка была запущена на позиции «Валдай». В Новосибирской области установки ДМРЛ-С введены в работу с 2016-2017 годов [45]. Так как настройки первой установки проводились в Новгородской области (на позиции для первой установки ДМРЛ-С), есть основания предполагать наличие существенных отличий в пороговых значениях для определения ОЯП в разных регионах. Особенно, когда территории находятся на достаточно большом удалении друг от друга, что дает резкие различия в климатических характеристиках.
На сегодняшний день сопоставление визуальных и радиолокационных наблюдений является наиболее перспективным методом исследования, так как, во-первых, наблюдения с метеостанций, считающиеся эталонными, могут дать оценку точности результатов наблюдений с установки ДМРЛ-С. Во- вторых, такое сопоставление очень важно для улучшения прогноза ОЯП, в особенности - для гроз внутримассового генезиса, которые из-за мезомасштабных размеров и быстрого развития, часто не определяются как в ходе радиолокационных наблюдений, так и в ходе анализа синоптических карт и спутниковых снимков, что существенно снижает оправдываемость прогнозов и предупрежденность ОЯП.
Главной задачей настоящих исследований является сравнение радиолокационных характеристик кучево-дождевой облачности, во время регистрации фронтальных и внутримассовых гроз метеорологическими станциями, расположенными в радиусе 200 км от радиолокатора ДМРЛ-С.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1. По данным штормовых телеграмм с метеостанций Новосибирской области
за период 2021 - 2023 гг. выявить случаи одиночных гроз и гроз,
зарегистрированных несколькими метеостанциями.
2. Используя базы синоптических приземных и кольцевых карт, определить генезис каждой грозы: фронтальный или внутримассовый.
3. Данные ДМРЛ-С сопоставить по времени и месту их регистрации на метеорологических станциях, расположенных в зоне радиолокации.
4. Создать базы радиолокационных параметров грозовой облачности разного генезиса (фронтальной и внутримассовой) и рассчитать их статистические характеристики.
5. Определить пороговые значения ряда радиолокационных параметров грозовой облачности, перспективные для прогноза внутримассовых гроз.
6. Сравнить параметры грозовой облачности, регистрируемые ДМРЛ-С на территории Западной Сибири с результатами регистрации в других регионах.
7. Сравнить высоту верхней границы облачности, регистрируемой ДМРЛ-С на территории Западной Сибири с результатами анализа аэрологической и спутниковой информации.
В рамках исследования было проанализировано более 3000 случаев гроз, из них 11,1% составили грозы внутримассового генезиса, а остальные 88,9% - фронтального. Распределение грозовой активности по месяцам типичное: с плавным ростом и достижением максимальных значений в июле, а затем с плавным спадом грозовой активности к концу августа. Количество внутримассовых гроз наоборот с начала летнего периода возрастает и достигает максимума в августе. Фронтальные грозы, ожидаемо, чаще всего возникали в ситуации циклона, а внутримассовые - в антициклональной обстановке.
Чаще всего, значения высоты верхней границы облачности достигали высоты 11 км и выше, причем, за период исследования максимальное значение составило 16 км и наблюдалось в грозах обоих типов генезиса в июне 2022 и 2023 годов, и в июле 2021 года, а минимальное - 4 км, которое наблюдалось в конвективных облаках фронтального генезиса в июне 2021 года.
Радиолокационная отражаемость на уровне изотермы 0оС чаще всего была больше, чем аналогичная величина, измеренная на высоте изотермы - 15оС. Максимальное значение радиолокационной отражаемости за период исследования составило 60 dBz и наблюдалось в разных случаях на разных уровнях измерения (0оС и -15оС) в кучево-дождевых облаках фронтального типа в июне 2022-2023 годов, и в июле 2021-2022 годов. При этом, внутримассовые облака по параметрам развитости и мощности не уступали, а иногда даже превосходили фронтальные облака. Например, наибольшая повторяемость радиолокационной отражаемости внутримассовых облаков приходилась на значение 45 dBz, а у фронтальных - 40 dBz. Также, июльские внутримассовые кучево-дождевые облака по величине средней радиолокационной отражаемости превзошли аналогичный параметр фронтальной конвективной облачности на десятые доли.
Наибольшие средние арифметические значения радиолокационной отражаемости и высоты верхней границы облачности приходятся на синоптическую ситуацию - размытое барическое поле. В местных циклонах средние значения всех исследуемых радиолокационных характеристик несколько ниже, чем в остальных синоптических ситуациях. При этом для конвективной облачности внутримассового генезиса наибольшие средние значения водности, радиолокационной отражаемости и высоты верхней границы облачности приходятся непосредственно на обстановку местного циклона.
Процент сухих гроз (грозы без осадков) составил 21,9-23,9%, причем нижний порог значений был получен при детализации характеристик в радиусе не более 100 км от установки ДМРЛ-С. Можно предположить, что такое количество гроз без осадков действительно может влиять на увеличение возникновения лесных пожаров в летний период в Сибири.
При вероятности возникновения грозы 50% и 70% значения радиолокационной отражаемости для внутримассовой конвективной облачности несколько выше, чем для фронтальной. Но при этом, для внутримассовой облачности различные вероятности возникновения грозы достижимы при более низких значениях высоты верхней границы облачности, чем для фронтальных.
Дополнительно было выявлено 300 случаев конвективной облачности (с грозой и несколько с градом), отмеченных на метеостанциях, но нераспознанных установкой ДМРЛ-С (радиоэхо на карте отсутствовало). А также 9 случаев конвективной облачности с грозой, радиоэхо которых было распознано некорректно - низкие значения отражаемости, вертикально протяженности облака или водности. Суммарно процент ошибок составил 15,2%, то есть оправдываемость наблюдений по ДМРЛ-С Новосибирской области составила 84,8% - это хороший результат, согласно техническим регламентам установок.
Чаще всего, значения высоты верхней границы облачности достигали высоты 11 км и выше, причем, за период исследования максимальное значение составило 16 км и наблюдалось в грозах обоих типов генезиса в июне 2022 и 2023 годов, и в июле 2021 года, а минимальное - 4 км, которое наблюдалось в конвективных облаках фронтального генезиса в июне 2021 года.
Радиолокационная отражаемость на уровне изотермы 0оС чаще всего была больше, чем аналогичная величина, измеренная на высоте изотермы - 15оС. Максимальное значение радиолокационной отражаемости за период исследования составило 60 dBz и наблюдалось в разных случаях на разных уровнях измерения (0оС и -15оС) в кучево-дождевых облаках фронтального типа в июне 2022-2023 годов, и в июле 2021-2022 годов. При этом, внутримассовые облака по параметрам развитости и мощности не уступали, а иногда даже превосходили фронтальные облака. Например, наибольшая повторяемость радиолокационной отражаемости внутримассовых облаков приходилась на значение 45 dBz, а у фронтальных - 40 dBz. Также, июльские внутримассовые кучево-дождевые облака по величине средней радиолокационной отражаемости превзошли аналогичный параметр фронтальной конвективной облачности на десятые доли.
Наибольшие средние арифметические значения радиолокационной отражаемости и высоты верхней границы облачности приходятся на синоптическую ситуацию - размытое барическое поле. В местных циклонах средние значения всех исследуемых радиолокационных характеристик несколько ниже, чем в остальных синоптических ситуациях. При этом для конвективной облачности внутримассового генезиса наибольшие средние значения водности, радиолокационной отражаемости и высоты верхней границы облачности приходятся непосредственно на обстановку местного циклона.
Процент сухих гроз (грозы без осадков) составил 21,9-23,9%, причем нижний порог значений был получен при детализации характеристик в радиусе не более 100 км от установки ДМРЛ-С. Можно предположить, что такое количество гроз без осадков действительно может влиять на увеличение возникновения лесных пожаров в летний период в Сибири.
При вероятности возникновения грозы 50% и 70% значения радиолокационной отражаемости для внутримассовой конвективной облачности несколько выше, чем для фронтальной. Но при этом, для внутримассовой облачности различные вероятности возникновения грозы достижимы при более низких значениях высоты верхней границы облачности, чем для фронтальных.
Дополнительно было выявлено 300 случаев конвективной облачности (с грозой и несколько с градом), отмеченных на метеостанциях, но нераспознанных установкой ДМРЛ-С (радиоэхо на карте отсутствовало). А также 9 случаев конвективной облачности с грозой, радиоэхо которых было распознано некорректно - низкие значения отражаемости, вертикально протяженности облака или водности. Суммарно процент ошибок составил 15,2%, то есть оправдываемость наблюдений по ДМРЛ-С Новосибирской области составила 84,8% - это хороший результат, согласно техническим регламентам установок.
