Оценка характеристик кучево-дождевых облаков различного происхождения и структурной организации над Западной Сибирью по данным дистанционного зондирования и наземных наблюдений
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Кучево-дождевые облака 5
1.1 Фронтальная облачность 5
1.2 Внутримассовая облачность 11
1.3 Мезомасштабные конвективные системы (МКС) 13
2 Метеорологические радиолокаторы и их использование в исследованиях облачности...22
2.1 Сеть метеорологических локаторов (ДМРЛ-С) в России 22
2.2 Данные, получаемые с помощью ДМРЛ-С, и их применение в прикладной
деятельности 24
2.3 Современные исследования кучево-дождевых облаков на основе применения
радиолокационных данных 25
3 Оценка характеристик кучево-дождевых облаков различного происхождения и
структурной организации над Западной Сибирью по данным дистанционного зондирования и наземных наблюдений 29
3.1 Физико-географическое описание территории исследования 29
3.2 Материалы и методы исследования 30
3.3 Временная изменчивость радиолокационных характеристик кучево-дождевых
облаков различного происхождения и структурной организации 35
3.4 Статистические параметры радиолокационных характеристик кучево-дождевых
облаков различного происхождения и структурной организации 38
3.5 Атмосферные явления по данным ДМРЛ-С и WAREP 43
3.6 Грозовая активность, связанная с кучево-дождевой облачностью различного
происхождения и структурной организации 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЬЕ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 53
ПРИЛОЖЕНИЕ А Временная изменчивость характеристик кучево-дождевых облаков в течении их жизненного цикла 58
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Описательная статистика радиолокационных характеристик кучево-дождевых облаков 64
ПРИЛОЖЕНИЕ В Атмосферные явления наблюдавшиеся по данным ДМРЛ-С 70
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Таблицы сопряженности 72
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Временная изменчивость грозовой активности, радиолокационной отражаемости и интенсивности осадков 73
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Кучево-дождевые облака 5
1.1 Фронтальная облачность 5
1.2 Внутримассовая облачность 11
1.3 Мезомасштабные конвективные системы (МКС) 13
2 Метеорологические радиолокаторы и их использование в исследованиях облачности...22
2.1 Сеть метеорологических локаторов (ДМРЛ-С) в России 22
2.2 Данные, получаемые с помощью ДМРЛ-С, и их применение в прикладной
деятельности 24
2.3 Современные исследования кучево-дождевых облаков на основе применения
радиолокационных данных 25
3 Оценка характеристик кучево-дождевых облаков различного происхождения и
структурной организации над Западной Сибирью по данным дистанционного зондирования и наземных наблюдений 29
3.1 Физико-географическое описание территории исследования 29
3.2 Материалы и методы исследования 30
3.3 Временная изменчивость радиолокационных характеристик кучево-дождевых
облаков различного происхождения и структурной организации 35
3.4 Статистические параметры радиолокационных характеристик кучево-дождевых
облаков различного происхождения и структурной организации 38
3.5 Атмосферные явления по данным ДМРЛ-С и WAREP 43
3.6 Грозовая активность, связанная с кучево-дождевой облачностью различного
происхождения и структурной организации 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЬЕ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 53
ПРИЛОЖЕНИЕ А Временная изменчивость характеристик кучево-дождевых облаков в течении их жизненного цикла 58
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Описательная статистика радиолокационных характеристик кучево-дождевых облаков 64
ПРИЛОЖЕНИЕ В Атмосферные явления наблюдавшиеся по данным ДМРЛ-С 70
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Таблицы сопряженности 72
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Временная изменчивость грозовой активности, радиолокационной отражаемости и интенсивности осадков 73
На территории России наблюдаются выраженные последствия изменения климата. Во второй половине XX - начале XXI в. отмечается повышение повторяемости конвективной облачности на данной территории [12]. На фоне быстрого потепления в северном полушарии, происходит увеличение влагосодержания и усиление конвективных процессов, что привело к увеличению повторяемости опасных метеорологических явлений [17]. Особенно выраженный тренд роста повторяемости конвективных (опасных) явлений отмечается на территории Западной Сибири [36]. Наибольшую опасность представляют мезомасштабные конвективные системы и фронтальные кучево-дождевые (грозовые) облака. С ними связаны многие опасные явления, причиняющие значительный экономический ущерб и представляющие угрозу для жизни населения. К таким явлениям относятся сильные шквалистые ветры и микропорывы, сильная грозовая деятельность, интенсивные осадки, а также крупный град и смерчи [2,38]. В отличие от них, внутримассовая конвективная облачность не приводит к таким интенсивным опасным явлениям, однако с её прогнозированием возникают трудности в оперативной практике [35,43]. В связи с этим, остаётся важный вопрос связанный, со своевременным прогнозированием и предупреждением опасных конвективных явлений. Таким образом, комплексное изучение характеристик и их особенностей кучево-дождевых облаков (Cb) Западной Сибири, критически важно для понимания механизмов её развития, выявления условий формирования и прогнозирования сопутствующих опасных явлений на территории исследования.
Развитие современных методов дистанционного зондирования произвели революцию в изучении облачности. Особое значение в этом процессе принадлежит сети доплеровских метеорологических радиолокаторов (ДМРЛ-С), позволяющих не только детально анализировать микрофизические характеристики облаков, но и осуществлять оперативное предупреждение опасных явлений. На территории Западной Сибири ключевую роль играет единственный радиолокатор ДМРЛ-С, расположенный в аэропорту Толмачёво (г. Новосибирск). Его уникальность заключается в сочетании высокого временного разрешения (10-минутные интервалы сканирования) с возможностью получения трёхмерной структуры облачности.
На территории Западной Сибири исследований кучево-дождевых облаков по данным метеорологических радиолокаторов недостаточно, в отличие от исследований с использованием спутниковых данных. Это определяет важность и актуальность исследования с использованием данных ДМРЛ-С.
Целью диссертационной работы является оценка характеристик кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации над территорией Западной Сибири по данным дистанционного зондирования и наземных наблюдений.
Объект исследования - кучево-дождевые (грозовые) облака.
Предмет исследования - характеристики кучево-дождевых облаков различного происхождения и структурной организации над территорией Западной Сибири в теплый период 2021-2023 гг.
Для достижения цели, были сформированы, следующие задачи:
1. формирование базы данных случаев прохождения кучево-дождевых (грозовых) облаков над территорией Западной Сибири в теплый период 2021-2023 гг. по данным спутникового и радиолокационного зондирования;
2. разработка методики проведения оценки характеристик отобранных случаев кучево-дождевых (грозовых) облаков;
3. оценка радиолокационных характеристик кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации над территорией исследования;
4. анализ изменчивости радиолокационных характеристик кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации над Западной Сибирью в течении их жизненного цикла;
5. расчет повторяемости атмосферных явлений, характерных кучево-дождевым (грозовым) облакам различного происхождения и структурной организации над рассматриваемой территорией;
6. оценка грозовой активности, связанной с исследуемыми случаями кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации над территорией Западной Сибири.
Развитие современных методов дистанционного зондирования произвели революцию в изучении облачности. Особое значение в этом процессе принадлежит сети доплеровских метеорологических радиолокаторов (ДМРЛ-С), позволяющих не только детально анализировать микрофизические характеристики облаков, но и осуществлять оперативное предупреждение опасных явлений. На территории Западной Сибири ключевую роль играет единственный радиолокатор ДМРЛ-С, расположенный в аэропорту Толмачёво (г. Новосибирск). Его уникальность заключается в сочетании высокого временного разрешения (10-минутные интервалы сканирования) с возможностью получения трёхмерной структуры облачности.
На территории Западной Сибири исследований кучево-дождевых облаков по данным метеорологических радиолокаторов недостаточно, в отличие от исследований с использованием спутниковых данных. Это определяет важность и актуальность исследования с использованием данных ДМРЛ-С.
Целью диссертационной работы является оценка характеристик кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации над территорией Западной Сибири по данным дистанционного зондирования и наземных наблюдений.
Объект исследования - кучево-дождевые (грозовые) облака.
Предмет исследования - характеристики кучево-дождевых облаков различного происхождения и структурной организации над территорией Западной Сибири в теплый период 2021-2023 гг.
Для достижения цели, были сформированы, следующие задачи:
1. формирование базы данных случаев прохождения кучево-дождевых (грозовых) облаков над территорией Западной Сибири в теплый период 2021-2023 гг. по данным спутникового и радиолокационного зондирования;
2. разработка методики проведения оценки характеристик отобранных случаев кучево-дождевых (грозовых) облаков;
3. оценка радиолокационных характеристик кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации над территорией исследования;
4. анализ изменчивости радиолокационных характеристик кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации над Западной Сибирью в течении их жизненного цикла;
5. расчет повторяемости атмосферных явлений, характерных кучево-дождевым (грозовым) облакам различного происхождения и структурной организации над рассматриваемой территорией;
6. оценка грозовой активности, связанной с исследуемыми случаями кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации над территорией Западной Сибири.
В ходе диссертационного исследования было отобрано и проанализировано 45 случаев прохождения кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации (внутримассовых Cb, фронтальных Cb и МКС) над территорией Западной Сибири за период 2021-2023 гг. по данным дистанционного зондирования и наземных наблюдений. Получены следующие основные результаты.
1. Получены оценки изменчивости радиолокационных характеристик для отобранных случаев кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации. Статистические параметры изменчивости исследуемых величин в облаках, осреднённые по всех случаям каждого типа, составили:
• максимальная по вертикали радиолокационная отражаемость:
- для внутримассовых Cb: среднее арифметическое и медиана - около 15,0 dBZ, 75- и 95-процентили - 19 и 26 dBZ, максимум - 30 dBZ;
- для фронтальных Cb: среднее арифметическое и медиана - около 17 и 15 dBZ, 75- и 95-процентили - 20 и 30 dBZ, максимум - 50 dBZ;
- для МКС: среднее арифметическое и медиана - около 18 и 16 dBZ, 75- и 95- процентили - 23 и 34 dBZ, максимум - 52 dBZ.
• высота верхней границы облаков:
- для внутримассовых Cb: среднее арифметическое и медиана - 3,3 км, 75- и 95-процентили - 3,9 и 4,7 км, максимум - 6,6 км;
- для фронтальных Cb: среднее арифметическое и медиана - 5,4 км, 75- и 95-процентили - 6,5 и 8,1 км, максимум - 11 км;
- для МКС: среднее арифметическое и медиана - 7 км,
75- и 95-процентили - 8,3 и 10 км, максимум - 13 км.
• мгновенная интенсивность осадков:
- для внутримассовых Cb: среднее арифметическое и медиана - 0,5 и 0,3 мм/ч, 75- и 95-процентили - 0,5 и 1,8 мм/ч, максимум - 3,7 мм/ч;
- для фронтальных Cb: среднее арифметическое и медиана - 1,0 и 0,3 мм/ч, 75- и 95-процентили - 0,7 и 3,9 мм/ч, максимум - 61 мм/ч;
- для МКС: среднее арифметическое и медиана - 1,4 и 0,4 мм/ч,
75- и 95-процентили - 0,8 и 6,1 мм/ч, максимум - 74 мм/ч.
Статистические параметры вертикальной интегральной водности в облаках, осреднённые по всех случаям каждого типа, составили:
• вертикальная интегральная водность'.
- для внутримассовых Cb: среднее арифметическое и медиана - 0,3 и 0,2 кг/м2, 75- и 95-процентили - 0,4 и 0,6 кг/м2, максимум - 1,3 кг/м2;
- для фронтальных Cb: среднее арифметическое и медиана - 0,5 и 0,3 кг/м2, 75- и 95-процентили - 0,5 и 1,6 кг/м2, максимум - 17 кг/м2;
- для МКС: среднее арифметическое и медиана - 0,7 и 0,3 кг/м2, 75- и 95-процентили - 0,5 и 2,4 кг/м2, максимум - 18 кг/м2.
2. Проведён анализ повторяемости и характеристик неблагоприятных и опасных явлений, сопутствующих исследуемым случаям прохождения кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации. Статистические параметры изменчивости исследуемых величин в облаках, осреднённые по всех случаям каждого типа, составили:
• по данным ДМРЛ-С (ПО «ГИМЕТ-2010»):
- для внутримассовых Cb: в 100 % случаев отмечается ливневый дождь различной интенсивности, в том числе в 53 % случаев - сильный; в 13 % случаев - гроза с различной вероятностью (30-90 %);
- для фронтальных Cb: в 100 % случаев - сильный ливневый дождь; в 100 % случаев - гроза с различной вероятностью, в том числе в 60 % случаев - гроза с вероятностью более 90 %; в 53 % случаев - град различной интенсивности, в том числе в 13 % случаев - сильный;
- для МКС: в 100 % случаев - сильный ливневый дождь; в 100 % случаев - гроза вероятностью более 90 %; в 60 % случаев - град различной интенсивности, в том числе в 20 % случаев - сильный;
• по данным наблюдений на метеостанциях (код WAREP):
- для фронтальных Cb: в 47 % случаев - осадки умеренной или сильной интенсивности, в том числе в 7 % - ОЯ «Сильный ливень»; в 60 % случаев - гроза; в 20 % случаев - сильный ветер (20-24 м/с); в 33 % случаев - град;
- для МКС: в 33 % случаев - осадки умеренной или сильной интенсивности; в 67 % случаев - гроза; в 7 % случаев - сильный ветер (20-24 м/с); в 7 % случаев - град.
• по данным грозопеленгации (WWLLN):
- для внутримассовых Cb: в 13 % случаев - гроза (1 разряд молнии);
- для фронтальных Cb: в 73 % случаев - гроза; в 60 % случаев - более 100 разрядов молний и в 33 % случаев - более 1000.
- для МКС: в 100 % случаев - гроза; в 67 % случаев - более 100 разрядов молний и в 33 % случаев - более 1000.
3. Проведён анализ изменчивости характеристик кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации в течении их жизненного цикла, а также их связи с характеристиками сопутствующих явлений - интенсивностью осадков и грозовой активности. Получены эмпирические уравнения (уравнения множественной регрессии), связывающие изменение количества разрядов молний, генерируемых фронтальными Cb и МКС, с изменением их радиолокационных характеристик (значений радиолокационной отражаемости, интенсивности осадков, высоты ВГО и интегральной водности, соответствующих 95-процентилю) в течении жизненного цикла этих облачных систем. Данные уравнения описывают 65 и 45 % изменчивости молниевой активности (R2 = 0,65 и R2 = 0,45), связанной с фронтальными Cb и МКС соответственно.
Результаты диссертационного исследования, включающие количественные оценки характеристик кучево-дождевых (грозовых) облаков различного генезиса и структурной организации и сопутствующих им явлений, а также оценки их связи, могут быть использованы для совершенствования методов прогнозирования опасных и неблагоприятных явлений конвективного происхождения над Западной Сибирью.
Апробация полученных результатов была проведена на следующих конференциях:
- XXIX Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы";
- XV Сибирское совещание и школа молодых ученых по климато¬экологическому мониторингу.
1. Получены оценки изменчивости радиолокационных характеристик для отобранных случаев кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации. Статистические параметры изменчивости исследуемых величин в облаках, осреднённые по всех случаям каждого типа, составили:
• максимальная по вертикали радиолокационная отражаемость:
- для внутримассовых Cb: среднее арифметическое и медиана - около 15,0 dBZ, 75- и 95-процентили - 19 и 26 dBZ, максимум - 30 dBZ;
- для фронтальных Cb: среднее арифметическое и медиана - около 17 и 15 dBZ, 75- и 95-процентили - 20 и 30 dBZ, максимум - 50 dBZ;
- для МКС: среднее арифметическое и медиана - около 18 и 16 dBZ, 75- и 95- процентили - 23 и 34 dBZ, максимум - 52 dBZ.
• высота верхней границы облаков:
- для внутримассовых Cb: среднее арифметическое и медиана - 3,3 км, 75- и 95-процентили - 3,9 и 4,7 км, максимум - 6,6 км;
- для фронтальных Cb: среднее арифметическое и медиана - 5,4 км, 75- и 95-процентили - 6,5 и 8,1 км, максимум - 11 км;
- для МКС: среднее арифметическое и медиана - 7 км,
75- и 95-процентили - 8,3 и 10 км, максимум - 13 км.
• мгновенная интенсивность осадков:
- для внутримассовых Cb: среднее арифметическое и медиана - 0,5 и 0,3 мм/ч, 75- и 95-процентили - 0,5 и 1,8 мм/ч, максимум - 3,7 мм/ч;
- для фронтальных Cb: среднее арифметическое и медиана - 1,0 и 0,3 мм/ч, 75- и 95-процентили - 0,7 и 3,9 мм/ч, максимум - 61 мм/ч;
- для МКС: среднее арифметическое и медиана - 1,4 и 0,4 мм/ч,
75- и 95-процентили - 0,8 и 6,1 мм/ч, максимум - 74 мм/ч.
Статистические параметры вертикальной интегральной водности в облаках, осреднённые по всех случаям каждого типа, составили:
• вертикальная интегральная водность'.
- для внутримассовых Cb: среднее арифметическое и медиана - 0,3 и 0,2 кг/м2, 75- и 95-процентили - 0,4 и 0,6 кг/м2, максимум - 1,3 кг/м2;
- для фронтальных Cb: среднее арифметическое и медиана - 0,5 и 0,3 кг/м2, 75- и 95-процентили - 0,5 и 1,6 кг/м2, максимум - 17 кг/м2;
- для МКС: среднее арифметическое и медиана - 0,7 и 0,3 кг/м2, 75- и 95-процентили - 0,5 и 2,4 кг/м2, максимум - 18 кг/м2.
2. Проведён анализ повторяемости и характеристик неблагоприятных и опасных явлений, сопутствующих исследуемым случаям прохождения кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации. Статистические параметры изменчивости исследуемых величин в облаках, осреднённые по всех случаям каждого типа, составили:
• по данным ДМРЛ-С (ПО «ГИМЕТ-2010»):
- для внутримассовых Cb: в 100 % случаев отмечается ливневый дождь различной интенсивности, в том числе в 53 % случаев - сильный; в 13 % случаев - гроза с различной вероятностью (30-90 %);
- для фронтальных Cb: в 100 % случаев - сильный ливневый дождь; в 100 % случаев - гроза с различной вероятностью, в том числе в 60 % случаев - гроза с вероятностью более 90 %; в 53 % случаев - град различной интенсивности, в том числе в 13 % случаев - сильный;
- для МКС: в 100 % случаев - сильный ливневый дождь; в 100 % случаев - гроза вероятностью более 90 %; в 60 % случаев - град различной интенсивности, в том числе в 20 % случаев - сильный;
• по данным наблюдений на метеостанциях (код WAREP):
- для фронтальных Cb: в 47 % случаев - осадки умеренной или сильной интенсивности, в том числе в 7 % - ОЯ «Сильный ливень»; в 60 % случаев - гроза; в 20 % случаев - сильный ветер (20-24 м/с); в 33 % случаев - град;
- для МКС: в 33 % случаев - осадки умеренной или сильной интенсивности; в 67 % случаев - гроза; в 7 % случаев - сильный ветер (20-24 м/с); в 7 % случаев - град.
• по данным грозопеленгации (WWLLN):
- для внутримассовых Cb: в 13 % случаев - гроза (1 разряд молнии);
- для фронтальных Cb: в 73 % случаев - гроза; в 60 % случаев - более 100 разрядов молний и в 33 % случаев - более 1000.
- для МКС: в 100 % случаев - гроза; в 67 % случаев - более 100 разрядов молний и в 33 % случаев - более 1000.
3. Проведён анализ изменчивости характеристик кучево-дождевых (грозовых) облаков различного происхождения и структурной организации в течении их жизненного цикла, а также их связи с характеристиками сопутствующих явлений - интенсивностью осадков и грозовой активности. Получены эмпирические уравнения (уравнения множественной регрессии), связывающие изменение количества разрядов молний, генерируемых фронтальными Cb и МКС, с изменением их радиолокационных характеристик (значений радиолокационной отражаемости, интенсивности осадков, высоты ВГО и интегральной водности, соответствующих 95-процентилю) в течении жизненного цикла этих облачных систем. Данные уравнения описывают 65 и 45 % изменчивости молниевой активности (R2 = 0,65 и R2 = 0,45), связанной с фронтальными Cb и МКС соответственно.
Результаты диссертационного исследования, включающие количественные оценки характеристик кучево-дождевых (грозовых) облаков различного генезиса и структурной организации и сопутствующих им явлений, а также оценки их связи, могут быть использованы для совершенствования методов прогнозирования опасных и неблагоприятных явлений конвективного происхождения над Западной Сибирью.
Апробация полученных результатов была проведена на следующих конференциях:
- XXIX Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы";
- XV Сибирское совещание и школа молодых ученых по климато¬экологическому мониторингу.
