CC BY
78
Метеорология Библиографический список
1. Калинин Н.А., Смирнова А. А. Исследование радиолокационных характеристик для распознавания опасных явлений погоды, связанных с кучево-дождевой облачностью // Метеорология и гидрология. 2005. № 1. С. 84-95.
2. Калинин Н.А., Смирнова А.А. Определение водности и водозапаса кучево-дождевой облачности по информации метеорологического радиолокатора // Метеорология и гидрология. 2011. № 2. С. 30-43.
3. Калинин Н.А., Смирнова А.А. Совместное использование данных радиолокационных и станционных наблюдений для анализа облачных полей // Метеорология и гидрология. 2002. № 8. С. 53-60.
4. Наставление по краткосрочным прогнозам погоды общего назначения. РД 52.88.629-2002. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. 42 с.
5. Руководство по производству наблюдений и применению информации с неавтоматизированных радиолокаторов МРЛ-1, МРЛ-2, МРЛ-5. РД 52.04.320-91. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 360 с.
A.A. Pomortceva, V.A. Gordina THE STUDY OF SYNOPTIC CONDITIONS OF FORMATION OF SQUALLS ON THE PERM REGION
The article presents the results of the study of synoptic conditions of education squalls on the territory of the Perm region (the type of the pressure field, the periphery of the pressure of education, type and intensity of the atmospheric fronts) over the 5-year period. Estimated values of radar characteristics (reflectivity, height radar echoes in radar kernel) in periods of observation, the most close to the dates of registration of the squalls.
Keywords: squall; convective phenomena; pressure education; atmospheric fronts; weather radar.
Anna A. Pomortceva, Candidate of Geographical Science, Associate Professor of Department of Meteorology and the Protection of Atmosphere, Perm State National Research University; 15 Bukireva, Perm, Russia 614990; smimova@psu.ru
Vladislava A. Gordina, Student of Department of Meteorology and the Protection of Atmosphere, Perm State National Research University; 15 Bukireva, Perm, Russia 614990; vlada-musechka@yandex.ru
УДК 551.557
Н.И Толмачева, А.Д. Крючков
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ОБЛАЧНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ПО КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Проведены исследования пространственно-временного распределения облачных структур с использованием информации метеорологических спутников Земли (МСЗ) за многолетний период, анализ скорости, кривизны и траекторий циклонических систем, рассмотрена динамика облачных образований по данным МСЗ, изучено перемещение циклонических образований по космическим снимкам, установлены поправочные коэффициенты, углы разворота, кривизна облачной спирали и рассчитаны схемы экстраполяции для разных стадий.
Ключевые слова: метеорологический спутник; космический снимок; облачная система; динамика облачных образований.
* Толмачева Н.И, Крючков А. Д., 2013
Толмачева Наталья Игоревна, кандидат географических наук, доцент кафедры метеорологии и охраны атмосферы Пермского государственного национального исследовательского университета; 614990, Россия, Пермь, ул. Букирева, 15; nitolmacheva@yandex.ru
Крючков Андрей Дмитриевич, магистр гидрометеорологии, инженер кафедры метеорологии и охраны атмосферы Пермского государственного национального исследовательского университета; 614990, Россия, Пермь, ул. Букирева, 15; meteo@psu.ru
Метеорология
Для исследования пространственно-временного распределения облачных структур использовалась информация метеорологических спутников NOAA за период 2000-2009 гг. Данные представлены в виде космических снимков, включающих территорию Восточной Европы, стран Скандинавии, европейскую территорию России, районы Урала и Сибири с разрешением порядка 3 км. Каждые сутки включают 25 космических снимков. Полярно-орбитальные метеорологические спутники земли МСЗ серии NOAA (США) выводятся на солнечно-синхронные орбиты, т.е. каждые сутки спутник проходит над любой территорией примерно в одно и то же местное время. Высота орбиты порядка 830-870 км, орбиты проходят вблизи полюсов Земли и, с учетом широкой полосы обзора (3000 км), это гарантирует съемку любого участка поверхности не менее 4 раз в сутки с каждого спутника.
Для анализа проводилась выборка характерных случаев перемещения облачных систем над Уралом и выделение их траектории. Эти облачные системы прослеживались в течение 2-5 суток с момента их возникновения до разрушения. Всего было рассмотрено 2000 таких серий. Для исследования движения облачных систем определялось перемещение каждого из характерных участков облачной системы (точки 1-55). Изменение скорости от одного срока к другому позволило вычислить ускорение или замедление перемещения облачной системы. Фактическая скорость с поправочным коэффициентом за предыдущий интервал используется в качестве прогностической.
В прогнозе по космической информации, например, осадков не учитывается зависимость скорости
перемещения циклонических образований от кривизны спирали, в данном исследовании
определяются количественные критерии — кривизна облачной спирали ( угол разворота ( Щ, длина
выметов (/) для уточнения прогноза скорости перемещения по территории Урала. В исследовании
\
.■v
кривизна линии, представленной на рис. 1, определяется выражением К Т ---------, где К— кривизна
a S
облачной спирали, AS = const. Здесь ~— угол между касательной и кривой в точках 1 и 2, точка 1 лежит на кривой на расстоянии AS от точки 2. В настоящей работе угол ~ используется для определения кривизны различных участков облачных систем. В изолированных облачных шапках вычислялась наибольшая кривизна перистообразной облачной шапки; в облачных вихрях — наибольшая кривизна спирали.
Далее вычисляется длина выметов перистообразных облаков I. Известно, что выметы перистообразных облаков указывают на адвекцию теплого воздуха в верхней и средней тропосфере, а также на падение давления у поверхности Земли и являются показателями активности процесса. Подсчитывается длина выметов перистообразных облаков при дифференцированном разделении направления перемещения облачных систем за 3-12-часовые интервалы. Прогнозируется облачная система путем формальной экстраполяции на 3, 6, 12, 24 ч временные интервалы. Экстраполяция проводится по последовательным космическим снимкам видимого или ИК-диапазона, на которых выделяют облачную систему и интерполируют положение ее основных участков: области наибольшей кривизны облачной спирали (рис. 2, точка 3), головы вихря (рис. 2, точка 1), передней (рис. 2, точка 2, 4) и тыловой (рис. 2, точка 5) кромок. Скорость смещения основных участков облачной системы в последующие часы (3, 6, 12) принимается равной скорости за предыдущие. Затем находятся поправочные коэффициенты для каждой стадии развития циклона и вводятся в методику прогноза (осадков, опасных явлений и др.). Разработана схема экстраполяции участков облачных систем для Урала.
Метеорология
в
у"'
Рис. 2. Схема экстраполяции основных участков облачных систем: а и б - последовательные снимки, по которым проводилась экстраполяция, в - прогнозируемое положение облачной системы
Выделялось пять стадий развития облачных систем. К первой стадии относились все облачные формы начальной стадии циклогенеза: облачная шапка фронтальной волны, изолированная облачная шапка у точки окклюзии. В трех последующих стадиях облачная система имела форму вихря: вторая стадия соответствует облачному вихрю молодого циклона, когда появляется вихревая структура в облачности; в третьей стадии, стадии максимального развития, облачность приобретает хорошо выраженную спиралевидную форму (в этой стадии три спирали, соответствующие теплому, холодному фронтам и фронтам окклюзии, сходятся в одной точке); в четвертой стадии вихрь имеет одну сильно закрученную спираль фронта окклюзии. Пятая стадия - разрушение облачной системы и исчезновение вихревой структуры. В дальнейшем рассчитывается угол разворота $при различных траекториях смещения циклонических образований по космическим снимкам (рис. 3).
Рис. 3. Угол разворота $
Анализ скорости, кривизны и траекторий циклонических систем. В анализе использовались космические снимки ЫОАА за период 2000-2009 гг. Рассмотрим детально процессы за август, декабрь 2002 г. и июнь 2003 г. Для остальных циклонических систем приведем статистику.
В августе циклоны проходили над Уралом в следующие дни: с 8 по 12, с 13 по 16, 24 по 27 августа по территории 50 9§552э3!;. ш. и 502й97029%. д. В процессе с 8 по 12 августа 2002 г. (рис. 4) циклон появился с запада европейской территории России. В начальной стадии 8 августа в срок 04 ч 38 мин (рис. 5а) скорость тыловой кромки на 10 км/ч больше скорости передней в точках Т1, Т2. В момент формирования облачной спирали 10 августа 14 ч 53 мин и 15 ч 36 мин самая большая скорость наблюдается в голове вихря и в тыловой части.
В развитом и окклюдированном циклонах 11 августа 7 ч 29 мин и 9 ч 36 мин (рис. 56) быстрее всего перемещается голова вихря и передняя сторона — 33-38 км/ч в точках Т1, ТЗ. В стадии заполняющегося циклона 11 августа в сроки 13 ч 24 мин и 15 ч 46 мин, когда вихревая структура исчезает совсем, скорость передней и тыловой кромок выравнивается — 21-25 км/ч (табл. 1).
По мере развития циклонической облачной системы 8 августа ее кривизна изменяется. В начальной стадии развития циклона в сроки 00 ч 24 мин и 04 ч 38 мин, когда в изолированной шапке наблюдаются выбросы перистообразной облачности, располагающейся в вершине гребня, ~ составляет 1202э3|табл. 1, значения кривизны ~в градусах).
Географическгш вестник Метеорология
*К*;ч1№
ЙОПШЗЗЯАРТ (ГЬ?. I ]|
2*5** 0р»лязг.4 Цл-ъяр* Цаохлг-вб 0»а
-1С1*]
■ Ю[ *1
^п| *|
-ПГх|
ИМИ 1514 7«вЖ|1И) »>»2Э
И ЛШГМ ^ОСТ'М'С
Рис. 4. Космические снимки облачности 1ЧОАА-16 8-12 августа
а) б)
Рис. 5. Скорость перемещения облачных систем в Т1, Т2, ТЗ, Т4, Т5: а) 8 августа 2002 г.; б) 11 августа 2002 г.
По мере развития циклона формируется прогиб в тылу облачной спирали и появляется вихревая структура облачности (в 14 ч 53 мин. и 15 ч 36 мин.).
Метеорология
В стадии молодого циклона (10 августа в 7 ч 29 мин. и 9 ч 36 мин.) кривизна уменьшается до 110°, в развитом и окклюдированном (11 августа 13 ч 24 мин. и 15 ч 46 мин.) — до 90-70° (рис. 56), в заполняющемся (12 августа) вновь увеличивается до 160° (табл. 1), при этом фронтальная полоса становится квазипрямолинейной.
Выметы перистых облаков 8 августа в начальной стадии формирования циклонической облачной системы в 00 ч 24 мин и 04 ч 38 мин имеют наибольшую длину в среднем 800 км (табл. 1, длина выметов перистообразной облачности /). В этой стадии, а также в начале формирования вихревой структуры происходит удлинение выметов перистообразной облачности в среднем на 25 км каждый час. Начиная со стадии молодого циклона, длина выметов уменьшается до 600 км. При заполнении окклюдированного циклона длина перистообразных выметов сокращается на 20 км каждый час (табл. 1). В стадии заполняющегося циклона они полностью отсутствуют.
Таблица 1
Значения скорости, кривизны, траектории облачных систем
в различных стадиях развития, август 2002 г.
Характеристики 8-12.08 13-16.08. 24-28.08
Начальная стадия Т1 60 65 50
Т2 50 60 40
ТЗ 40 40 40
Т4 50 50 40
Т5 50 50 50
Стадия молодого циклона Т1 50 60 45
Т2 50 50 40
ТЗ 40 45 45
Т4 35 40 40
Т5 35 40 30
Развитый Т1 50 40 30
Т2 50 30 40
ТЗ 40 40 40
Т4 30 35 30
Т5 30 20 30
Окклюдированный Т1 40 30 30
Т2 35 30 30
ТЗ 35 35 20
Т4 35 30 20
Т5 30 20 25
Заполняющийся Т1 25 25 25
Т2 33 20 20
ТЗ 28 20 25
Т4 21 20 20
Т5 30 20 20
Значения кривизны ~ градусы Нач. стад. 120 90 125
Ст. молод. 110 70 100
Развит. 90 70 90
Окклюд. 70 50 60
Зало ли. 160 180 170
Длина выметов перистообразных облаков 1, км Нач. стад. 800 500 600
Ст. молод. 600 300 550
Развит. 500 200 350
Окклюд. 400 200 200
Зало ли. 0 0 0
Траектория Запад Запад Юго-запад
Примечание: точки Т1-Т5 соответствуют точкам 1-5.
В процессе с 12 по 16 августа 2002 г. (рис. 6) циклон появился с запада европейской территории России. В начальной стадии 12 августа в сроки 7 ч 04 мин. и 8 ч 53 мин. скорость передней кромки на
Метеорология
5 км/ч больше тыловой (табл. 1, Т1). Во второй стадии 13 августа в срок 15 ч 52 мин самая большая скорость передней кромки, которая составляет 60 км/ч (табл. 1, Т2).
^.-иашгм.лрт ц:ь а. щ
МЭЕ
ОйгМТ^! Огл*
0 ПС*У>:‘! ЕТ»4Н
-1СМ
Л2Ш
*101*1
-I
Угтя (пч у^1г!згд у-.!ю
5Г'1?М ОИЧБ'С
Рис. 6. Космические снимки облачности 13-16 августа 2002 г.
В развитом циклоне 14 августа самая большая скорость наблюдается в передней кромке облачной спирали и голове вихря — 40 км/ч (табл. 1, Т1, ТЗ). В окклюдированном циклоне 14 августа в 03 ч 54 мин и 15 ч 52 мин. быстрее всего перемещается северо-восточная составляющая — 35 км/ч. В срок 13 ч 04 мин. 16 августа в заполняющемся циклоне скорость постепенно выравнивается и составляет 20-25 км/ч (табл. 1).
В изолированной шапке 12 августа кривизна составляет '•• = 9й2а|В молодом и развитом циклоне появляется вихревая структура облачности. В окклюдированном сильно закручивается голова облачного вихря ~= 502^2В заполняющемся циклоне 16 августа ~достигает 1802э3|табл. 1, значения кривизны Длина выметов 12 августа в начальной стадии около 500 км. Начиная со стадии молодого циклона 13 августа в срок 15 ч 52 мин. длина выметов уменьшается до 300 км, а в стадии заполняющегося циклона они полностью отсутствуют (табл. 1, длина выметов 1).
В процессе с 24 по 28 августа (рис. 7) циклон появился с юш-запада европейской территории России. В начальной стадии 24 августа в сроки 02 ч 12 мин. и 5 ч 04 мин. скорость тыловой кромки на 10 км/ч больше скорости передней кромки (табл. 1, Т2, Т5).
В молодом циклоне 24 августа в сроки 14 ч 29 мин. и 15 ч 44 мин. самая большая скорость в голове вихря и передней кромки — 45 км/ч (табл. 1, Т1, ТЗ). 26 августа в развитом и окклюдированном — 20-35 км/ч (табл. 1, Т1-Т5). В стадии заполняющегося циклона 28 августа в 7 ч
44 мин. и 10 ч 53 мин., когда вихревая структура исчезает, скорости передней и тыловой кромок составляют 20-25 км/ч (табл. 1).
По мере развития кривизна циклона изменяется. В начальной стадии 24 августа в 02 ч 12 мин и 5 ч 04 мин кривизна в облачной шапке увеличивается ( ~ 12511? В молодом и окклюдированном ~
составляет 9()‘Ш00д|В стадии заполнения '''-вновь увеличивается до 1702||табл. 1, значения кривизны Максимальные выметы перистообразных облаков наблюдаются 24 августа в начальной стадии развития и соответствуют 600 км. С 25 по 27 августа в развитом и окклюдированном выметы
Метеорология
уменьшаются до 200 км, а в стадии заполняющегося циклона полностью исчезают (табл. 1, длина выметов перист, обл, €),
Йу 5««йГннри
шт
Плллдо Насшгай
.1ПШ
х*5и сящ у.) л»
Рис. 7. Космические снимки облачности 24-28 августа 2002 г.
В декабре циклоны проходили через территорию Урала с юга, юга-запада, 45 ЩвЗЩ.ш. и 48 9§552э328 в.д,, в следующие дни — с 3 по 6 декабря, с 7 по 9 декабря, с 15 по 18 декабря и с 20 по 26 декабря. В процессе с 3 по 6 декабря (рис. 8) циклон появился с юга-запада европейской территории России.
3 декабря в сроки 5 ч 46 мин. и 07 ч 04 мин. в начальной стадии скорость передней кромки облачной системы равняется 43-50 км/ч, тыловой — 40 км/ч (табл. 2, Т2, Т4 и Т5). Самая большая скорость в «голове» облачного вихря и в северной части облачной системы до 40 км/ч (табл. 2, Т1, Т2). По мере развития 5 декабря в 04 ч 36 мин. происходит замедление в среднем 5-10 км/ч. В области наибольшей кривизны спирали скорость перемещения всей системы является наиболее постоянной величиной — около 30 км/ч. 6 декабря в сроки 16 ч 30 мин. и 17 ч 45 мин. в стадии заполнения скорость составляет 15-20 км/ч (табл. 2, Т1-Т5).
По мере развития циклонической облачной системы её кривизна изменяется. В начальной стадии ~^= 1002^ окклюдированном изменяется ( ~= 60и в стадии заполнения кривизна увеличивается до 1802э3|табл. 2, значения кривизны ^
Наблюдается зависимость скорости выметов перистообразных облаков от перемещения облачной системы. С юго-запада длина выметов в начальной стадии циклона 3 декабря намного больше -около 1200 км. Постепенно длина уменьшается и в окклюдированном она составляет 600 км. В стадии заполнения выметы облачности практически отсутствуют (табл. 2, длина выметов /).
Метеорология
ЙІЯЇбМІ ГЛНГ [СЬ 2. І 1|
Флй* і^даяиа П.і-інТЕ'-з, Цасштаб
-101 *1
-■ді.кі
*Ш1Ш
.-.і
К-ЗвІ ЮТі ї-ЯвІЛШ У.ІЙ
Ы 5в'*'М Іяч 072'27Е
Рис. 8. Космические снимки облачности Ы0АА-16. 3-6 декабря 2002 г.
В сроки с 7 по 9 декабря циклон выходил с юго-западной части европейской территории России, 53 9§58293! ,ш. и 45 92 70293$.д. В первой стадии 7 декабря (рис. 9а) в срок 05 ч 30 мин скорость передней и тыловой кромок составляет 30-45 км/ч (табл. 2, Т2 и Т5). В момент формирования облачной спирали 7 декабря в 17 ч 25 мин. и 18 ч 36 мин. большая скорость наблюдается в голове облачного вихря и в тыловой части (табл. 2, Т1 и Т5). В развитом и окклюдированном 8 декабря в сроки 3 ч 27 мин. и 4 ч 46 мин. (рис. 96) быстрее всего перемещается передняя часть — 40 км/ч (табл. 2, Т2). В стадии заполняющегося циклона вихревая структура исчезает и скорость выравнивается до 15-20 км/ч (табл. 2, Т1-Т5).
Таблица 2
Значения скорости, кривизны, траектории облачных систем _____________________в различных стадиях развития, декабрь 2002 г. __________________
Характеристики 3-6.12.03 7-9.12.03
Начальная стадия Т1 45 50
Т2 43 45
ТЗ 40 43
Т4 50 40
Т5 40 30
Стадия молодого циклона Т1 40 35
Т2 40 35
ТЗ 30 30
Т4 40 30
Т5 30 35
Развитый Т1 40 30
Т2 40 40
ТЗ 30 25
Т4 30 25
Т5 20 20
Метеорология
Окончание табл. 2
Характеристики 3-6,12.03 7-9.12.03
Окклюдированный Т1 30 32
Т2 25 30
ТЗ 25 28
Т4 25 25
Т5 20 15
Заполняющийся Т1 20 20
Т2 20 20
ТЗ 20 20
Т4 20 20
Т5 15 15
Значения кривизны ~в градусах Нач. стад. 100 90
Ст. молод 90 70
Развит. 90 50
Окклюд. 60 50
Заполн. 180 160
Длина выметов перистообразных облаков 4 км Нач. стад. 800 1000
Ст. молод 600 600
Развит. 500 500
Окклюд. 400 300
Заполн. 0 0
Траектория Юго-запад Юго-запад
Кривизна облачной спирали изменяется. В начальной стадии 7 декабря ~ = 902э1 В окклюдированном ~= |Ю э®В стадии заполнения вновь увеличивается до 160“Щтабл. 2, значения кривизны Длина выметов 7 декабря в первой стадии — 1000 км, далее постепенно уменьшается до 300 км. В стадии заполнения полностью отсутствует (табл. 2, длина выметов I).
Рис. 9. Скорость перемещения облачных систем в Т1, Т2, ТЗ, Т4, Т5: а) 7 декабря 2002 г.; б) 9 декабря 2002 г.
Динамика облачных образований по данным МСЗ. Анализ изменения скорости циклонических образований по космическим снимкам за 2002-2010 гг. позволил выявить области ускорения и замедления облачных систем в различных стадиях их развития. Максимальное значение скорости наблюдается в первых двух стадиях развития системы в период формирования облачной спирали и в начальной стадии. Эти области захватывают переднюю, центральную и южную часть системы, достигая максимальных значений 50-60 км/ч в точках 1, 2 и 3 (рис. 10).
Метеорология
Рис. 10. Скорость перемещения основных участков облачной системы, км/ч
В стадии молодого циклона абсолютные значения скорости становятся меньше на 5-10 км/ч (табл. 3, Т1-Т5). В стадии развитого циклона во всех районах циклонического вихря скорость в последующие 12 ч уменьшается на 3-6 км/ч. В окклюдированном циклоне скорость всех участков облачной спирали продолжает уменьшаться в среднем на 3-5 км/ч. Наиболее быстро замедляется скорость облачной системы заполняющегося циклона (на 10-15 км/ч). Скорость быстрее уменьшается в передней части облачной системы, чем в тыловой.
Таблица 3
Скорости перемещения в различных стадиях развития облачной системы, км/ч
Годы Точки облачной системы Начальная стадия Стадия молодого циклона Развитый Окклюди- рованный Заполня- ющийся Средние значения
2000-2004 Т1 64 56 50 46 30 50
Т2 56 54 52 43 35 48
ТЗ 52 50 45 40 35 45
Т4 48 44 38 30 35 37
Т5 67 65 58 43 25 54
2005-2010 Т1 65 56 51 42 33 50
Т2 64 55 46 42 38 49
ТЗ 62 49 44 40 22 44
Т4 50 40 42 32 24 42
Т5 72 68 60 45 26 64
Область ускорения существует только в начальной стадии развития циклонической облачной системы и в молодом циклоне, в остальных же стадиях облачные системы перемещаются с замедлением.
Анализ зависимости облачной системы и её отдельных участков от траектории показал, что самая большая скорость отмечается при западных траекториях циклонов (табл. 4). Максимальное значение скорости (60-65 км/ч) наблюдается в голове облачного вихря и в области наибольшей кривизны облачной спирали — в точках 1 и 3. Большая скорость (55-60 км/ч) наблюдается также вдоль всей облачной спирали с её тыловой стороны. При юго-западных траекториях циклонов «голова» облачного вихря (фронт окклюзии) (45-50 км/ч) и тыловая кромка спирали (40-45 км/ч), где расположен холодный фронт, перемещаются медленнее. При северо-западных траекториях циклонов южная часть облачной спирали движется быстрее центральной. С передней стороны южной части спирали и в области наибольшей кривизны скорость составляет 50-60 км/ч.
Таким образом, скорость перемещения отдельных частей облачной системы и положение области ускорения в облачной системе зависят от траектории перемещения циклона. Если в направлении перемещения циклонической облачной системы имеется северная составляющая (юго-западные циклоны), то с наибольшей скоростью перемещается северная половина облачного вихря, если же имеется южная составляющая (северо-западные циклоны), то центральная и южная части.
Выметы перистообразных облаков, указывая на адвекцию тёплого воздуха в верхней и средней тропосфере и на падение давления у поверхности Земли, являются показателями активности процесса.
Таблица 4
Метеорология
Значения скорости при различных траекториях циклона, км/ч
Средние значения траектории Начальная стадия Стадия молодого циклона Развитый Окклюди- рованный Заполня- ющийся Средние значения
Северо-запад 55 53 47 43 42 48
Запад 65 62 55 48 34 53
Юго-запад 56 54 52 50 45 51
Выметы перистых облаков имеют наибольшую длину около 1000 км (табл. 5) в начальной стадии формирования циклонической облачной системы. В этой стадии, а также в начале формирования вихревой структуры происходит удлинение выметов перистообразной облачности.
Таблица 5
Средние значения выметов перистообразных облаков в различных стадиях развития, км
Тип Точки облачной системы Начальная стадия Стадия молодого циклона Развитый Окклюди- рованный Заполня- ющийся Среднее значение
Северо-запад Т1 1000 800 800 300 0 580
Т2 1100 900 600 400 0 600
ТЗ 1000 1000 620 240 0 572
Т4 1050 1020 730 220 0 604
Т5 1300 800 520 250 0 574
Запад Т1 800 600 500 300 0 440
Т2 500 500 200 240 0 288
ТЗ 800 550 540 230 0 424
Т4 960 950 540 300 0 536
Т5 920 650 600 200 0 474
Юго-запад Т1 800 600 500 300 0 440
Т2 1000 600 500 330 0 486
ТЗ 600 550 350 240 0 348
Т4 880 650 370 260 0 380
Т5 800 750 550 320 0 420
Начиная со стадии молодого циклона, длина выметов уменьшается с 900 км до 500 км в окклюдированном. Уменьшение длины выметов происходит в развитом циклоне. При заполнении циклона резко сокращается длина перистообразных выметов до 300 км и в стадии заполняющегося циклона они полностью отсутствуют (табл. 6).
Таблица 6
Средние значения кривизны ~в различных стадиях развития системы, градусы
Средние значения траектории Начальная стадия Стадия молодого циклона Развитый Окклюди- рованный Заполня- ющийся Средние значения
Северо- запад 125 100 90 70 180 113
Запад 120 105 70 60 170 105
Юго-запад 100 95 83 73 175 106
Скорость облачной системы связана с длиной перистых облаков в различных стадиях развития системы. С увеличением длины перистых облаков скорость системы возрастает, и, наоборот, при сокращении или исчезновении перистообразных выметов облачная система перемещается медленнее.
Метеорология
По мере развития циклонической облачной системы её кривизна изменяется. В начальной стадии развития циклона, когда в изолированной облачной шапке наблюдаются выбросы перистообразной облачности, кривизна облачной шапки составляет 1202э3| (табл. 5). По мере развития циклона формируется прогиб в тылу облачной системы и появляется вихревая структура облачности. В стадии молодого циклона кривизна спирали ~= 100 92 в этой стадии сильно искривлена полоса холодного фронта. В стадии развитого циклона кривизна продолжает увеличиваться, а прогиб фронтальной полосы уменьшается.
В окклюдированном циклоне этот процесс продолжается: сильнее закручивается голова облачного вихря (~= 5 5 Щи выпрямляется южная часть полосы фронта окклюзии, но все изменения кривизны происходят очень медленно. В заполняющемся циклоне вихревая структура часто исчезает совсем, а фронтальная полоса становится квазипрямолинейной.
В циклонах, перемещающихся с запада и юго-запада, сильно закручена северная часть спирали (~= 9()Щ и более слабо (~= 702э|8— южная часть. По мере развития циклонов северная часть облачной спирали закручивается, а южная часть постепенно распрямляется. Скорость облачной системы тесно связана с кривизной спирали холодного фронта и фронта окклюзии. При увеличении кривизны спирали скорость увеличивается. Эта связь характерна для различных стадий облачной системы и при различных траекториях перемещения. Со скоростью перемещения облачной системы тесно связана кривизна спирали, ее скорость возрастает, а с увеличением кривизны, наоборот, уменьшается.
Перемещение циклонических образований по космическим снимкам. Прогноз местоположения облачного вихря проводят по последовательным снимкам, на которых выделяют облачную систему и интерполируют положение её основных участков: головы вихря (рис. 11, точка 1), области наибольшей кривизны облачной спирали (рис. 11, точка 3), передней (рис. 11, точка 2,4) и тыловой (рис. 11, точка 5) кромок.
Схема прогноза перемещения облачной системы в стадии молодого циклона представлена на рис.
11, окклюдированного — на рис. 12.
Рис. 11. Схема в стадии молодого циклона:
1 - точка Т1, 2 - точка Т2, 3 - точка ТЗ, 4 - точка Т4, 5 - точка Т5
В исследовании угол ~использовался для определения кривизны облачной системы. Кривизна спирали изменяется от 1302э% начальной стадии развития, до 602э% окклюдированном и до 1802э% заполняющемся.
Метеорология
Рис. 12. Схема окклюдированного циклона
Траектория перемещения тесно связана с углом разворота циклона. При движении циклона с запада угол разворота $на протяжении всей жизни составляет 1202э3|табл. 7). В начальной стадии развития циклон поворачивает на 1О-15 'Щв момент формирования облачной спирали — на 20 92 В развитом и окклюдированном — на 40 926 итоге в заполняющемся циклоне угол разворота сводится к нулю. При северо-западной траектории циклон разворачивается, угол разворота составляет 1002э328В
ооо
начальной стадии поворот осуществляется на 20 $2 в стадии молодого циклона — на 30 $2 в развитом — на 15 2Щв окклюдированном — на 15 2Щв стадии заполнения вихревая структура исчезает.
ооо
При юго-западных траекториях угол разворота составляет 80 92В начальной стадии — на 15 92 В момент формирования облачной спирали — на 15 2Щв окклюдированном — 25 2Ш
Таблица 7
Зависимость угла разворота Фот траектории перемещения циклона
Угол Северо-запад Запад Юго-запад
Угол разворота (ср) 100 120 80
При западных траекториях скорость смещения основных участков облачной системы в последующие 12 ч в первой и во второй стадиях развития принимается равной скорости в предыдущие 12 ч, в третьей стадии скорость предыдущего смещения умножается на коэффициент
0.7, а в четвертой и пятой стадиях — на коэффициент 0.6. При северо-западных скорость смещения основных участков облачной системы в последующие 12 ч в первой и во второй стадиях принимается равной скорости в последующие 12 ч, в третьей скорость предыдущего смещения умножается на 0.7, в четвертой и пятой стадиях — на 0.5. При юго-западных скорость смещения в третьей стадии умножается на 0.8, в четвертой и пятой стадиях — на 0.6 (табл. 8).
Метеорология
Таблица 8
Поправочные коэффициенты перемещения циклонических образований в зависимости от стадии развития, траектории
Траектории № точки Начальная стадия Стадия молодого циклона Развитый Окклюди- рованный Заполня- ющийся
Северо-запад Ъ 1.0 1.0 0.7 0.5 0.5
т2 1.0 1.0 0.7 0.45 0.5
Тз 1.0 1.0 0.8 0.52 0.5
т4 1.0 1.0 0.7 0.52 0.5
т5 1.0 1.0 0.7 0.53 0.65
Запад ъ 1.0 1.0 0.7 0.6 0.6
т2 1.0 1.0 0.7 0.5 0.6
Тз 1.0 1.0 0.8 0.5 0.5
т4 1.0 1.0 0.75 0.6 0.5
т5 1.0 1.0 0.7 0.6 0.63
Юго-запад ъ 1.0 1.0 0.8 0.6 0.6
т2 1.0 1.0 0.8 0.55 0.5
Тз 1.0 1.0 0.82 0.55 0.5
т4 1.0 1.0 0.85 0.6 0.5
т5 1.0 1.0 0.7 0.6 0.5
В исследовании установили поправочные коэффициенты, углы разворота $ кривизну облачной спирали ~и рассчитали схемы экстраполяции для разных стадий.
Выводы
Космические снимки играют важную роль как в анализе синоптического положения, прогнозе облачности и осадков, так и в прогнозировании динамики облачных образований. На основе проделанной работы сделаны следующие выводы:
1. Области максимальных скоростей наблюдаются в первых двух стадиях развития системы. В период формирования облачной спирали (в Т1, Т2, ТЗ), достигая максимальных значений 50-70 км/ч. Замедление скорости облачной системы на 10-15 км/ч происходит в заполняющемся циклоне.
2. Анализ зависимости скорости от траектории движения циклона показал, что максимумы отмечаются при западных траекториях циклона, 60-65 км/ч наблюдается в голове облачного вихря и в области наибольшей кривизны облачной спирали — в Т1 и ТЗ. Скорость 55-60 км/ч наблюдается вдоль всей облачной спирали с её тыловой стороны, в Т5. При юго-западных траекториях циклонов голова облачного вихря перемещается медленнее — 45-50 км/ч в Т1 и тыловая кромка спирали 40-
45 км/ч в Т5, где расположен холодный фронт. При северо-западных траекториях циклонов южная часть облачной спирали движется быстрее центральной.
3. Выметы перистых облаков имеют наибольшую длину 1100 км в начальной стадии формирования циклонической облачной системы. В этой стадии, а также в начале формирования вихревой структуры происходит удлинение выметов перистообразной облачности. Начиная со стадии молодого циклона длина выметов уменьшается с 900 км до 500 км в окклюдированном. При окклюдированнии циклона резко сокращается длина перистообразных выметов 300 км, и в стадии заполняющегося циклона они полностью отсутствуют.
4. По мере развития циклонической облачной системы её кривизна изменяется. В начальной стадии развития циклона, когда в изолированной облачной шапке наблюдаются выбросы перистообразной облачности, кривизна составляет в среднем 120 92 По мере развития циклона формируется прогиб в тылу облачной системы и появляется вихревая структура облачности. В стадии молодого циклона кривизна спирали ~= 1 (Х)'Шв этой стадии наиболее сильно искривлена полоса холодного фронта. В стадии развитого циклона кривизна продолжает увеличиваться, а прогиб фронтальной полосы уменьшается. В окклюдированном циклоне продолжает сильнее закручиваться голова облачного вихря (~ = 55Щ и выпрямляется южная часть полосы фронта окклюзии. В заполняющемся циклоне вихревая структура часто исчезает совсем, а фронтальная полоса становится квазипрямолинейной.
Метеорология
5. Рассчитаны поправочные коэффициенты и угол разворота $ при различных траекториях смещения циклонических образований по космическим снимкам. При движении циклона с запада угол разворота составляет $= 1202э|При северо-западной траектории составляет $= 1002эгПри юго-западных траекториях угол разворота составляет $= 802эг8
6. Скорость смещения основных участков в первой и во второй стадиях принимается равной скорости в предыдущие 12 ч, в третьей скорость предыдущего смещения умножается на 0.7, в четвертой и пятой стадиях — на 0.5.
7. Рассчитаны схемы для разных стадий развития.
8. В исследовании выявлены динамические характеристики облачных систем, которые могут использоваться при прогнозе облачности и осадков по космическим снимкам.
Библиографический список
1. Волкова Е.В., Успенский А.Б. Определение количества облачности по изображениям облачного покрова в видимом и инфракрасном диапазонах спектра с полярно-орбитальных ИСЗ // Метеорология и гидрология. 1998. № 9. С 15-21.
2. Справочник потребителя спутниковой информации / под ред. В.В. Асмуса, О.Е. Милехина. СПб.: Гидрометеоиздат, 2005. 114 с.
3. Толмачева Н.И. Космические методы исследований в метеорологии. Интерпретация спутниковых изображений: учеб. пособие. Пермь, 2012. 208 с.
4. Виртуальная лаборатория дистанционного обучения спутниковой гидрометеорологии. 1ЖЬ: http://meteovlab.meteorf.ru/ (дата обращения 20.05.2013).
N.I. Tolmachyova, A.D. Kryuchkov RESEARCH OF DYNAMICS OF CLOUD FORMATIONS BY SPACE INFORMATION
Investigations of the spatial and temporal distribution of cloud structures using the information of Earth’s meteorological satellites (EMS) for a several years, the analysis of speed, curvature, and the trajectories of cyclonic systems, the dynamics of cloud formations according to the EMS, studied the movement of cyclonic by satellite images, set the correction factors angles of rotation, the curvature of the cloud spiral and extrapolation schemes are designed for different stages.
Keywords: weather satellite; satellite image; cloud system; the dynamics of cloud formations.
Natalya I. Tolmachova, Candidate of Geographical Science, Associate Professor of Department of Meteorology and the Protection of Atmosphere, Perm State National Research University; 15 Bukireva, Perm, Russia 614990; nitolmacheva@yandex. ru
Andrey D. Kruchkov, Ingeneer of Department of Meteorology and the Protection of Atmosphere, Perm State National Research University; 15 Bukireva, Perm, Russia 614990; meteo@psu.ru
