РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГРОЗОВЫХ И ГРАДОВЫХ ОБЛАКОВ НАД ЗАПАДНОЙ СИБИРЬЮ
|
Введение
Характеристики конвективной облачности 6
1.1 Физика образования кучево-дождевого облака 7
1.2 Жизненный цикл кучево-дождевого облака 9
1.3 Процесс образования града 11
1.4 Синоптические условия образования кучево-дождевой облачности 13
1.5 Ранние исследования по заданной теме 15
2. Методы и средства идентификации градовых ячеек 19
2.1 Обнаружение градовых ячеек по данным аэрологического зондирования 19
2.2 Метод обнаружения градовых облаков с помощью установок ДМРЛ-С . 21
2.3 Обнаружение градовых ячеек с помощью метеорологических спутников 23
3. Материалы и методы исследования 26
3.1 Описание территории исследования 26
3.2 Работа с базами данных 27
3.3 Методы исследования 30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
Характеристики конвективной облачности 6
1.1 Физика образования кучево-дождевого облака 7
1.2 Жизненный цикл кучево-дождевого облака 9
1.3 Процесс образования града 11
1.4 Синоптические условия образования кучево-дождевой облачности 13
1.5 Ранние исследования по заданной теме 15
2. Методы и средства идентификации градовых ячеек 19
2.1 Обнаружение градовых ячеек по данным аэрологического зондирования 19
2.2 Метод обнаружения градовых облаков с помощью установок ДМРЛ-С . 21
2.3 Обнаружение градовых ячеек с помощью метеорологических спутников 23
3. Материалы и методы исследования 26
3.1 Описание территории исследования 26
3.2 Работа с базами данных 27
3.3 Методы исследования 30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
Современные климатические изменения проявляются не только в изменении средних величин температуры воздуха, количества выпавших осадков, но и в резком увеличении частоты экстремальных метеорологических явлений [46]. Во многих регионах, включая Западную Сибирь, увеличивается частота и интенсивность неблагоприятных погодных явлений: штормов, гроз, экстремальной жары, наводнений, засух, лесных пожаров и др.
Среди многообразия неблагоприятных метеорологических явлений те из них, которые связаны с процессами развития мощной конвекции в атмосфере (интенсивные грозы, сильные ливни, град, шквалы, смерчи), являются наиболее разрушительными, и поэтому их исследование с целью повышения качества диагноза и прогноза, имеет большое практическое значение [55].
Характеристики грозовой и градовой облачности в разных физико- географических регионах существенно различаются, поэтому для повышения эффективности их прогноза необходимо корректировать пороговые значения, используемые для регистрации физических характеристик облачности. Кроме того, в регионах, где зафиксировано изменение климата необходима и корректировка используемых пороговых значений. Территория Западной Сибири расположена вблизи одного из очагов наибольшей скорости потепления. Обнаружение повторяемости и частоты конвективных явлений на территории Западной Сибири сегодня особенно трудная задача, поскольку для таких явлений характерна локальность формирования как по территории, так и во времени. Сеть метеорологических наблюдений для обнаружения таких явлений редка. Трудности исследования параметров облачности при наличии грозовых и градовых процессов над Западной Сибирью объясняются не только редкой сетью метеорологических станций, но и отсутствием сети метеорологических радиолокаторов и недостаточно частой регистрацией облачности с метеорологических спутников. В связи с этим в последнее десятилетие возлагаются надежды на достоверную диагностику грозовых и градовых облаков по данным радиолокаторов ДМРЛ-С, первые из которых установлены в районе г. Новосибирск и есть надежда на создание сети таких радиолокаторов на территории Западной Сибири.
В России расширение сети современных метеорологических радиолокаторов отечественного производства [15], главными задачами которой является идентификация ряда неблагоприятных явлений погоды, в том числе гроз и града начато с 2012 г. Радиолокационные измерения ряда параметров облачности с высокой частотой обновления информации, позволяют отслеживать скорость развития конвективной облачности и фиксировать процессы формирования гроз и града. Использование для конкретных регионов определенных пороговых значений параметров грозовой и градовой облачности по данным ДМРЛ-С повышает качество прогноза таких явлений [34], а их наличие является перспективой для развития системы наукастинга для территории Западной Сибири.
При оперативной работе сети ДМРЛ-С, для критерия диагностики града, как и грозы, в первую очередь используются значения высоты верхней границы облачности и вертикальный профиль радиолокационных отражаемостей, а именно их значения на специальных уровнях (высоте нулевой изотермы и на уровне интенсивной кристаллизации, т. е. на уровне изотермы -15 °С, превышающей, как правило, уровень нулевой изотермы на 2-2.5 км). Большое значение для диагноза развития конвективных явлений имеет и максимальное значение радиолокационной отражаемости в столбе атмосферы [15]. Кроме перечисленных параметров, актуальны научные исследования по возможности использования значений вертикально интегрированной водности атмосферы и турбулентности, как предикторов для явления гроз разной интенсивности и града.
Проверка точности диагностики грозовой и градовой облачности над Западной Сибирью пока остается не осуществленной, поэтому предлагаемые результаты исследований обладают актуальностью. Кроме того, радиолокационный метод идентификации гроз и града является вероятностным, поэтому актуально сравнить сочетание данных ДМРЛ-С с информацией метеорологических станций, расположенных в зоне действия радиолокатора, такое сопоставление информации позволяет повысить ее качество.
Целью настоящей работы является сравнение радиолокационных характеристик кучево-дождевой облачности, во время регистрации гроз и града метеорологическими станциями, расположенными в радиусе 200 км от установок ДМРЛ-С Новосибирской области. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) По данным штормовых телеграмм с метеостанций Новосибирской области за период 2021-2023 гг. выявить случаи (время и координаты) зарегистрированных гроз и града.
2) Используя синоптические карты определить генезис каждого случая грозы и града.
3) Данные о грозах и граде, зарегистрированные на метеорологических станциях сопоставить по времени и месту их расположения с характеристиками облачности, регистрируемых ДМРЛ-С.
4) Сформировать базы радиолокационных параметров грозовой и градовой облачности и рассчитать их статистические характеристики.
5) Определить пороговые значения ряда радиолокационных параметров грозовой и градовой облачности, перспективные для их прогноза.
6) Выполнить дискриминантный анализ параметров грозовой и градовой облачности.
7) Сравнить параметры грозовой и градовой облачности, регистрируемые ДМРЛ-С на территории Западной Сибири с результатами регистрации в других регионах.
8) Сравнить высоту верхней границы градовой облачности, регистрируемой ДМРЛ-С на территории Западной Сибири с результатами их определения по данным спутников и аэрологического зондирования.
Среди многообразия неблагоприятных метеорологических явлений те из них, которые связаны с процессами развития мощной конвекции в атмосфере (интенсивные грозы, сильные ливни, град, шквалы, смерчи), являются наиболее разрушительными, и поэтому их исследование с целью повышения качества диагноза и прогноза, имеет большое практическое значение [55].
Характеристики грозовой и градовой облачности в разных физико- географических регионах существенно различаются, поэтому для повышения эффективности их прогноза необходимо корректировать пороговые значения, используемые для регистрации физических характеристик облачности. Кроме того, в регионах, где зафиксировано изменение климата необходима и корректировка используемых пороговых значений. Территория Западной Сибири расположена вблизи одного из очагов наибольшей скорости потепления. Обнаружение повторяемости и частоты конвективных явлений на территории Западной Сибири сегодня особенно трудная задача, поскольку для таких явлений характерна локальность формирования как по территории, так и во времени. Сеть метеорологических наблюдений для обнаружения таких явлений редка. Трудности исследования параметров облачности при наличии грозовых и градовых процессов над Западной Сибирью объясняются не только редкой сетью метеорологических станций, но и отсутствием сети метеорологических радиолокаторов и недостаточно частой регистрацией облачности с метеорологических спутников. В связи с этим в последнее десятилетие возлагаются надежды на достоверную диагностику грозовых и градовых облаков по данным радиолокаторов ДМРЛ-С, первые из которых установлены в районе г. Новосибирск и есть надежда на создание сети таких радиолокаторов на территории Западной Сибири.
В России расширение сети современных метеорологических радиолокаторов отечественного производства [15], главными задачами которой является идентификация ряда неблагоприятных явлений погоды, в том числе гроз и града начато с 2012 г. Радиолокационные измерения ряда параметров облачности с высокой частотой обновления информации, позволяют отслеживать скорость развития конвективной облачности и фиксировать процессы формирования гроз и града. Использование для конкретных регионов определенных пороговых значений параметров грозовой и градовой облачности по данным ДМРЛ-С повышает качество прогноза таких явлений [34], а их наличие является перспективой для развития системы наукастинга для территории Западной Сибири.
При оперативной работе сети ДМРЛ-С, для критерия диагностики града, как и грозы, в первую очередь используются значения высоты верхней границы облачности и вертикальный профиль радиолокационных отражаемостей, а именно их значения на специальных уровнях (высоте нулевой изотермы и на уровне интенсивной кристаллизации, т. е. на уровне изотермы -15 °С, превышающей, как правило, уровень нулевой изотермы на 2-2.5 км). Большое значение для диагноза развития конвективных явлений имеет и максимальное значение радиолокационной отражаемости в столбе атмосферы [15]. Кроме перечисленных параметров, актуальны научные исследования по возможности использования значений вертикально интегрированной водности атмосферы и турбулентности, как предикторов для явления гроз разной интенсивности и града.
Проверка точности диагностики грозовой и градовой облачности над Западной Сибирью пока остается не осуществленной, поэтому предлагаемые результаты исследований обладают актуальностью. Кроме того, радиолокационный метод идентификации гроз и града является вероятностным, поэтому актуально сравнить сочетание данных ДМРЛ-С с информацией метеорологических станций, расположенных в зоне действия радиолокатора, такое сопоставление информации позволяет повысить ее качество.
Целью настоящей работы является сравнение радиолокационных характеристик кучево-дождевой облачности, во время регистрации гроз и града метеорологическими станциями, расположенными в радиусе 200 км от установок ДМРЛ-С Новосибирской области. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) По данным штормовых телеграмм с метеостанций Новосибирской области за период 2021-2023 гг. выявить случаи (время и координаты) зарегистрированных гроз и града.
2) Используя синоптические карты определить генезис каждого случая грозы и града.
3) Данные о грозах и граде, зарегистрированные на метеорологических станциях сопоставить по времени и месту их расположения с характеристиками облачности, регистрируемых ДМРЛ-С.
4) Сформировать базы радиолокационных параметров грозовой и градовой облачности и рассчитать их статистические характеристики.
5) Определить пороговые значения ряда радиолокационных параметров грозовой и градовой облачности, перспективные для их прогноза.
6) Выполнить дискриминантный анализ параметров грозовой и градовой облачности.
7) Сравнить параметры грозовой и градовой облачности, регистрируемые ДМРЛ-С на территории Западной Сибири с результатами регистрации в других регионах.
8) Сравнить высоту верхней границы градовой облачности, регистрируемой ДМРЛ-С на территории Западной Сибири с результатами их определения по данным спутников и аэрологического зондирования.
В результате проведенного исследования было установлено, что сопоставление радиолокационных и наземных случаев регистрации гроз и града продемонстрировало достаточно высокий уровень согласования данных о наличии опасных явлениях погоды по информации сети ДМРЛ-С и по данным на метеостанциях. Несовпадение составило примерно 16%. Следовательно, полученные для Западной Сибири результаты соответствуют оценке «хорошо» [47]. Заметим, что анализ результатов сопоставления радиолокационных и наземных наблюдений опасных явлений погоды с помощью системы «ВАЛИРАД» над Европейской частью России тоже продемонстрировал высокий уровень согласования данных (80%) об опасных явлениях погоды по информации сети ДМРЛ-С и по данным на метеостанциях [15, 47].
Высота верхней границы облачности в летний период (июнь-июль) при фронтальных грозах составляет, в среднем 11 км, а при выпадении града 11,5 км. Максимальные высоты верхних границ облачности при фронтальной грозе достигали 15 км в июле, а при градовой трижды верхняя граница достигала высоты 16 км.
Сравнение высоты верхней границы градовых облаков с высотой тропопаузы, выявило, что если размер выпавших градин более 10 мм, то верхняя граница радиоэха облачности в июне и июле достигает высот 15-16 км. При этом верхняя граница тропопаузы, определенная по данным аэрологического зондирования, не превышает высоту 12 км. Если же размер градин менее 10 мм, то высота тропопаузы примерно совпадает с высотой верхней границы радиоэха градовой облачности.
Известно, что значения высоты верхней границы конвективной облачности и величины радиолокационной отражаемости при грозах в разных широтах различаются [48]. Величины высоты верхней границы грозовых и градовых облаков в Западной Сибири, достигают высот 10-11 км, что сопоставимо с высотами аналогичной облачности в более южных широтах [43] и сопоставимо с результатами регистрации высоты такой облачности с метеорологических спутников [21, 65]. В Западной Сибири средние значения Нвго выше чем в Северо-Западной части России (9,5 км) и на территории Северного Кавказа (10,7 км), но ниже чем в Индии (13 км). Средние значения высоты верхней границы, измеренные с помощью радиолокатора ДМРЛ-С для Западной Сибири, получились выше чем значения, измеренные с помощью аэрологического зондирования для Юго-Восточной части Западной Сибири (7 км) и по данным спутникового зондирования (для грозовой облачности 10,2 км, для градовой 8,9 км).
Водность градовых облаков значительно выше, чем конвективных облаков с линями и грозами. Это связано с наличием более мощного облачного слоя с интенсивными восходящими движениями, благодаря чему над Западной Сибирью формируются облачные элементы в виде градин диаметром более 10 мм. Значения VIL в таких градовых облаках меняются в пределах 16-32 кг/м2. При размере диаметра выпавших градин менее 10 мм, значения VIL, регистрируются в диапазоне 8-16 кг/м2, хотя согласно [15] для градовой облачности значения VIL должны быть не менее 16 кг/м2.
Грозы и град образуются в конвективной облачности только при наличии воздушной турбулентности. Атмосферные фронты в циклонах, могут формировать и среднюю или сильную турбулентность в зависимости от ряда факторов. Большинство сильных турбулентностей вызвано быстрым движением холодного фронта, содержащего большое количество влаги [11]. Чем сильнее ветер и больше коэффициент трения, зависящий от шероховатости подстилающей поверхности, тем интенсивнее динамическая турбулентность. В результате представленных исследований самая высокая турбулентность наблюдается в облачности холодных фронтов, а во внутримассовой она почти в два раза меньше. Почему в проанализированной градовой облачности турбулентность меньше чем в грозовой - вопрос остается открытым и требует дополнительных исследований, поскольку мощные кучево-дождевые облака, из которых, выпадают ливневые осадки и град, всегда формируются сильной турбулентностью. Возможно, во время выпадения, сформировавшегося над Западной Сибирью града, над территорией с плоской подстилающей поверхностью турбулентность уменьшается, но это эти исследования требуют дополнения. Также стоит отметить, что чаще всего (50,1%) в конвективной облачности наблюдалась турбулентность со значением10 см2/с.
В мощных градовых конвективных ячейках измеряемые значения максимальной отражаемости увеличиваются до 60 dBZ, а в грозовых не более 55 dBZ.
Значения радиолокационной отражаемости Z на уровнях температуры 0°С и -150C различаются для грозовых и градовых облаков примерно на 20%, поэтому параметры могут быть успешно использоваться для прогноза образования града.
Пороговые значения радиолокационных параметров (Нвго, Zmax, VIL) для градовой облачности выше, чем для фронтальной грозовой на 15%. Также хочется отметить, что пороговые значения Нвго для возникновения гроз и града у ДМРЛ-С для Западной Сибири значительно выше, чем у МРЛ-5 для Уральского Прикамья.
Полученные соотношения подтверждают возможность использования значений VIL, Zmax, Z-15% для расчёта предполагаемой Нвго. Если влагосодержание атмосферы велико и имеются благоприятные условия для дальнейшего развития конвекции, то кучевое облако быстро растет и в вертикальном и в горизонтальном направлениях. Увеличивается и количество ледяных кристаллов, повышающих вероятность развития молнии.
Полученные результаты дискриминантного анализа не могут быть использованы для составления прогноза возникновения или отсутствия гроз и града над территорией Западной Сибири.
Высота верхней границы облачности в летний период (июнь-июль) при фронтальных грозах составляет, в среднем 11 км, а при выпадении града 11,5 км. Максимальные высоты верхних границ облачности при фронтальной грозе достигали 15 км в июле, а при градовой трижды верхняя граница достигала высоты 16 км.
Сравнение высоты верхней границы градовых облаков с высотой тропопаузы, выявило, что если размер выпавших градин более 10 мм, то верхняя граница радиоэха облачности в июне и июле достигает высот 15-16 км. При этом верхняя граница тропопаузы, определенная по данным аэрологического зондирования, не превышает высоту 12 км. Если же размер градин менее 10 мм, то высота тропопаузы примерно совпадает с высотой верхней границы радиоэха градовой облачности.
Известно, что значения высоты верхней границы конвективной облачности и величины радиолокационной отражаемости при грозах в разных широтах различаются [48]. Величины высоты верхней границы грозовых и градовых облаков в Западной Сибири, достигают высот 10-11 км, что сопоставимо с высотами аналогичной облачности в более южных широтах [43] и сопоставимо с результатами регистрации высоты такой облачности с метеорологических спутников [21, 65]. В Западной Сибири средние значения Нвго выше чем в Северо-Западной части России (9,5 км) и на территории Северного Кавказа (10,7 км), но ниже чем в Индии (13 км). Средние значения высоты верхней границы, измеренные с помощью радиолокатора ДМРЛ-С для Западной Сибири, получились выше чем значения, измеренные с помощью аэрологического зондирования для Юго-Восточной части Западной Сибири (7 км) и по данным спутникового зондирования (для грозовой облачности 10,2 км, для градовой 8,9 км).
Водность градовых облаков значительно выше, чем конвективных облаков с линями и грозами. Это связано с наличием более мощного облачного слоя с интенсивными восходящими движениями, благодаря чему над Западной Сибирью формируются облачные элементы в виде градин диаметром более 10 мм. Значения VIL в таких градовых облаках меняются в пределах 16-32 кг/м2. При размере диаметра выпавших градин менее 10 мм, значения VIL, регистрируются в диапазоне 8-16 кг/м2, хотя согласно [15] для градовой облачности значения VIL должны быть не менее 16 кг/м2.
Грозы и град образуются в конвективной облачности только при наличии воздушной турбулентности. Атмосферные фронты в циклонах, могут формировать и среднюю или сильную турбулентность в зависимости от ряда факторов. Большинство сильных турбулентностей вызвано быстрым движением холодного фронта, содержащего большое количество влаги [11]. Чем сильнее ветер и больше коэффициент трения, зависящий от шероховатости подстилающей поверхности, тем интенсивнее динамическая турбулентность. В результате представленных исследований самая высокая турбулентность наблюдается в облачности холодных фронтов, а во внутримассовой она почти в два раза меньше. Почему в проанализированной градовой облачности турбулентность меньше чем в грозовой - вопрос остается открытым и требует дополнительных исследований, поскольку мощные кучево-дождевые облака, из которых, выпадают ливневые осадки и град, всегда формируются сильной турбулентностью. Возможно, во время выпадения, сформировавшегося над Западной Сибирью града, над территорией с плоской подстилающей поверхностью турбулентность уменьшается, но это эти исследования требуют дополнения. Также стоит отметить, что чаще всего (50,1%) в конвективной облачности наблюдалась турбулентность со значением10 см2/с.
В мощных градовых конвективных ячейках измеряемые значения максимальной отражаемости увеличиваются до 60 dBZ, а в грозовых не более 55 dBZ.
Значения радиолокационной отражаемости Z на уровнях температуры 0°С и -150C различаются для грозовых и градовых облаков примерно на 20%, поэтому параметры могут быть успешно использоваться для прогноза образования града.
Пороговые значения радиолокационных параметров (Нвго, Zmax, VIL) для градовой облачности выше, чем для фронтальной грозовой на 15%. Также хочется отметить, что пороговые значения Нвго для возникновения гроз и града у ДМРЛ-С для Западной Сибири значительно выше, чем у МРЛ-5 для Уральского Прикамья.
Полученные соотношения подтверждают возможность использования значений VIL, Zmax, Z-15% для расчёта предполагаемой Нвго. Если влагосодержание атмосферы велико и имеются благоприятные условия для дальнейшего развития конвекции, то кучевое облако быстро растет и в вертикальном и в горизонтальном направлениях. Увеличивается и количество ледяных кристаллов, повышающих вероятность развития молнии.
Полученные результаты дискриминантного анализа не могут быть использованы для составления прогноза возникновения или отсутствия гроз и града над территорией Западной Сибири.