CC BY
74
О. Ю. Ленская
МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ И РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ В МЕЗОМАСШТАБНОМПРОГНОЗЕ (На примере опасных явлений погоды в Москве 24 июля 2001 г.)
В настоящее время в практике гидрометеорологических центров для составления краткосрочного (на 1-3 суток) прогноза погоды на территории нескольких тыс. км анализ синоптической ситуации производится на основе набора численных прогностических карт, а также по информации метеорологических спутников. Некоторые гидрометцентры России, особенно в центральной европейской части, располагают также данными метеорологических радиолокаторов, которые предоставляют информацию о развитии, перемещении и интенсивности зон осадков в радиусе до 500 км. В ряде случаев наибольший практический интерес представляет прогноз опасных явлений погоды, связанных с развитием систем мощной кучево-дождевой облачности, таких как: град, интенсивные ливни, вызывающие паводки, шквалы, а в ряде регионов и смерчи. Подобные явления регистрируются и в Челябинской области, но с большей частотой они возникают в центральных и юго-западных регионах России, где производят разрушения, наносят урон сельскому хозяйству, а порой приводят и к человеческим жертвам.
Особенностью сверхкраткосрочного (мезомасштабного) прогноза систем осадков и сопутствующих погодных явлений является заблаговременное предсказание места и времени их возникновения. Из практики известно, что даже простая идентификация опасного явления и оценка его климатической повторяемости в значительной мере улучшает качество прогноза. В связи с этим, наиболее подходящим для этих целей инструментом, является метеорологический радиолокатор, который позволяет получать обновленную информацию о системах осадков каждые 10 мин. Объем необходимой для составления прогноза информации значителен, а актуальность сверхкраткосрочных прогнозов погоды исчисляется в лучшем случае часами.
При прогнозе развития зон осадков с заблаговременностью до 12 часов, существует разрыв во времени между методом линейной интерполяции, который может успешно применяться для смещения этих зон на срок до получаса, и использованием методов прогноза осадков для скоплений крупного масштаба. Этот пробел должен быть заполнен как сведениями о мезомасштабных системах осадков (МСО), характерных для данного географического региона (мезоклиматоло-гия), так и собственными знаниями и опытом метеоролога, разрабатывающего прогноз. Последнее в нашем случае воспринимается как свободное использование концептуальных моделей МСО для полуколичественных пространственновременных оценок развития зон осадков.
Для того, чтобы показать, каким образом в сверхкраткосрочном прогнозе возможно использование комплекса спутниковых, радиолокационных данных, синоптической информации, а также разработанных новых концептуальных моделей МСО, в данной работе представлен пример анализа развития одного из характерных представителей МСО — мезомасштабного конвективного комплекса (МКК). МКК обычно определяют [9] как системы глубокой конвекции с обширной зоной восходящих движений в верхней тропосфере, которые на изображениях
в инфракрасном (температурном) диапазоне с геостационарных спутников образуют квазикруговую шапку облаков верхнего яруса, сохраняющую характерные масштабы > 105 км2 в течении более четверти суток. В регионах, где часто формируются такие комплексы, с их развитием связана значительная доля интенсивных осадков и опасных явлений погоды (ОЯП). Развитию такого МКК Московском регионе, 24 июля 2001 г., сопутствовали интенсивные ливневые осадки, град, шквалы и даже смерч, вызвавший значительные разрушения и даже жертвы среди населения столицы. В работе последовательно описаны данные и стандартные методы, а также методы прогноза на основе недавно развитых моделей эволюции и иерархии МСО, на основе представления о «жизненном» цикле мезомасштабных скоплений описаны три этапа прогноза соответствующие данной концепции.
ДАННЫЕ И СТАНДАРТНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Спутниковая информация. Для анализа эволюции МКК были использованы ежечасные изображения в инфракрасном диапазоне, полученные с геостационарных спутников Meteosat-5 и Meteosat-7 с 23 июля 05 h по 25 июля 2001 г. 00 h GMT, а также снимки, сделанные в диапазоне полос поглощения водяного пара. Спутниковая информация предоставлена Отделом авиационной метеорологии Гидрометцентра РФ, г. Москва.
Радиолокационные данные. Исследования мезомасштабной структуры МКК производились на основе данных трех метеорологических радиолокаторов комплекса АКСОПРИ, установленных в Центральной аэрологической обсерватории, г. Долгопрудный Московской обл., а также в городах Тверь и Калуга. Данные представляют собой последовательные изображения горизонтального сечения поля радиолокационной отражаемости, сделанные 24 июля 2001 г. с интервалом 20 мин с 10:00 до 20:00 московского времени (далее, мск) в радиусе обзора ~ 200 км вокруг каждого локатора. Пространственное разрешение радиолокационной информации составляет 4 х 4 км2. Используя соотношения Z = 300 • R1’4 между фактором отражаемости Z и интенсивностью осадков R, выделяются 13 градаций интенсивности осадков различной от 0,1 до 100 мм/ч.
В данной работе, в зависимости от наличия необходимой метеоинформации, для прогноза развития элементов систем глубокой конвекции были использованы методические указания для прогноза развития штормов, разработанные McGinley [11]. Основные рекомендации, предложенные для составления прогноза на основе синоптических, спутниковых и радиолокационных данных, заключаются в следующем: 1) для определения наличия конвективной неустойчивости и расчета энергии, необходимой для разрушения инверсий, следует внимательно проанализировать данные радиозондирования за утренний срок; 2) рассмотреть возможность усиления или подавления инверсии за счет таких локальных факторов, как например, городской остров тепла или морской бриз; 3) проверить, имеет ли место увеличение влажности воздуха в погранслое; 4) внимательно проанализировать характер формирования и распределение первых конвективных облаков с целью обнаружения условий мезомасштабного вынуждения конвекции; следует также обследовать регион с целью обнаружения границ оттоков, как источников возмущения; 5) исследовать особые участки, связанные с фронтами и струйными течениями, для выявления мест усиления конвекции; и наконец 6) проверить существование струи нижних уровней.
Для прогноза таких особенностей эволюции грозовых штормов, элементов мезомасштабных конвективных систем, как сухие и влажные микропорывы, наводнения и дождевые паводки, а также торнадо СоЦиЬоип [8] предложил последовательность прогностических действий, или «древо решений». Начальная стадия прогноза по Кольхауну, не отличается от традиционной, где возможность развития грозовой облачности, определятся по параметрам атмосферной неустойчивости и уровню свободной конвекции. На следующей стадии вводится добавочное условие: оценка дефицита точки росы на средних уровнях тропосферы и величины сдвига ветра, действующих как фильтр, подавляющий умеренную конвекцию в целом, но при прочих равных условиях, являющихся причиной возникновения наиболее мощных СЬ. Очевидно, что именно в распознавании этой грани между подавлением конвективных движений и взрывным развитием сверхинтенсивных одиночных штормов (суперячеек) наиболее важен профессиональный опыт метеоролога, составляющего прогноз.
Крупномасштабные условия погоды над Европой 23-24 июля 2001 г. определялись глубоким средиземноморским циклоном с центром в районе южных Карпат. К вечеру 24 и 25 июля он вызвал интенсивные дожди в Восточной Европе, что привело к катастрофическим наводнениям в Венгрии и Польше. О примечательной мощи этого циклона в зрелой стадии свидетельствует формирование его спиралей из конвективных скоплений с наковальнями, имевшими температуры ниже -65 °С. Такие спирали в совокупности с выраженной наковальней центрального скопления были схожи с облачностью тропического урагана (рис. 1).
Синоптическая ситуация, сложившаяся в регионе, в значительной мере соответствовала описанным Мэддоксом [9] характерным крупномасштабным условиям, благоприятным для развития МКК. Уже 23 июля МКК начал свое развитие на СЗ России, следовательно, это дает повод с большой вероятностью предположить развитие глубокой конвекции и в Московском регионе.
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ПРОГНОЗУ ОПАСНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПОГОДЫ НА ОСНОВЕ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ АЛЬФА-КЛАСТЕРА
В дополнение к известным из литературы концептуальным моделям МСО в данной работе используются другие понятия. Во-первых, это понятие о масштабе и времени активности альфа-кластера, как мезомасштабного скопления зон осадков размерами ~ 300 км и временем жизни 7-8 часов [3]. Во-вторых, для составления прогноза применяются морфологические и эволюционные признаки систем данного масштаба [7]. В-третьих, эволюция мезомасштабных конвективных систем осадков (МКС) анализируется согласно модели жизненного цикла разработанной ранее [13]. В соответствии с этой моделью развитие МКС начинается со
Рис. 1. Фрагмент изображения облачности МКК в ИК- диапазоне со спутника Meteosat-5, 12h GMT, 23/07/01
стадии формирования, за нею следует интенсификация, которая длится порядка 3 часов, затем стадия зрелости — до 6 часов от стадии формирования и, наконец, диссипация, которая завершает эволюцию системы осадков через 9 часов от начала ее развития.
Обоснование временного интервала прогноза. Одной из важных составляющих прогноза осадков и ОЯП является мезоклиматологическое описание повторяемости характерных систем осадков и явлений, связанных с ними [2]. С учетом этого знания встает вопрос о заблаговременности предоставления прогноза.
Время активной конвекции комплекса локальных штормов или линий шквалов масштаба мезо-а составляет 7-8 часов [3], тогда первоначальный прогноз выдается в момент времени t0 с заблаговременностью, по крайней мере, 6 часов до наиболее вероятного интервала возникновения опасных явлений погоды. Обычно опасные явления погоды, сопутствующие развитию систем глубокой конвекции, возникают в трехчасовом интервале относительно времени максимального прогрева (16:00 местного времени), то есть между 13 и 19 часами. Следовательно, прогноз должен быть составлен не позднее 7 часов утра местного времени (03 h GMT). К этому моменту, в распоряжении метеоролога имеется следующая синоптическая, спутниковая и радиолокационная информация, определяющая в целом три шага в прогнозе: 1) синоптические карты от приземного анализа до карт АТ 850-200 гПа за 0 h GMT, а также данные аэрологического зондирования близлежащих пунктов за этот же срок наблюдения; 2) ежечасные снимки с геостационарного спутника Meteosat 5 или 7; 3) в 6 h GMT (10:00 мск) начало поступления информации с трех радиолокаторов комплекса АКСОПРИ, ЦАО каждые 20 мин. с разрешением в пространстве 4 х 4 км .
Определение этапов прогноза. Первый этап составления прогноза должен быть пройден сразу по мере поступления синоптических карт за 00 h GMT. При этом сопоставляются поля метеорологических величин и спутниковая информация за этот срок. На спутниковых снимках изображения полей облачности могут быть откалиброваны по значениям радиационной температуры, с помощью которых определяется высота облачности. Это дает информацию о высоте тропопаузы, о высоте уровня свободной конвекции, то есть об изменении интенсивности скоплений облачности вплоть до момента поступления более адекватной для этого анализа радиолокационной информации. Выводы о характере изменений могут быть скорректированы по последующим спутниковым снимкам за 01, 02 и 03 h GMT, а также по данным микрокольцевой карты за 03 h GMT.
На втором этапе составления прогноза каждый час, следующий после момента t0 = 04 h, т. е. в 05, 06 и вплоть до10 h GMT , т. е. в 13:00 мск, возможно уточнять прогноз ОЯП для региона на ближайшие 1 и 3 часа. После поступления третьего радиолокационного поля осадков в радиусе 200 км от Москвы, т. е. в 10:40 (06:40 GMT). Третий этап прогноза происходит, когда уже накоплено достаточно информации, и можно составить окончательный диагноз текущей погоды на 07 h и уточненный прогноз на 08 и 09 h GMT. Последнее уточнение (штормовое оповещение) должно быть дано не менее, чем за 1 час до предполагаемого возникновения ОЯП.
Выделение объекта прогноза. В соответствии с концепцией альфа-кластера, изложенной в [3], попытаемся выделить области потенциального развития и стадии эволюции трех иерархически подчиненных скоплений облачности масштаба 300 (альфа-кластер), 100 (большое мезо-ß скопление облачности) и 30 км (локаль-
ный шторм) с временем жизни порядка 7; 4 и 1,5 часов. К первому и второму этапам прогноза следует отнести вопрос о вероятности попадания территории города Москвы в область развития альфа-кластера и доминирующего большого мезо-ß скопления. Временное разрешение данных (20 мин) третьего этапа ограничивает прогноз эволюции ориентировочно масштабами локального грозового шторма (1 час, 30 км). Поэтому внимание метеоролога-прогнозиста должно быть сосредоточено на следующем вопросе: когда малые мезо-ß системы осадков придут в район большой Москвы, ограниченный квадратом 9 x 9 пикселей комплекса АКСОПРИ, или 36 x 36 км ? Можно ли сделать прогноз о развитии локальных шквалов или смерчей, т. е. явлений масштаба мезо-у 5-10 км, базируясь на форме поля радиолокационной отражаемости и интенсивности скоплений зон осадков?
ПЕРВЫЙ ЭТАП ПРОГНОЗА: МКК
Первый этап прогноза начинается с анализа изображений геостационарного спутника Метеоsat, который очень важен для прогноза скоплений облачности масштаба мезо-а к моменту t0 и далее, до начала поступления радиолокационной информации.
1. Эволюция скоплений облачности 23 июля 2001 года
К 12 h GMT, 23 июля на северо-восточной периферии циклона в 300 км юго-восточнее Риги (600 км западнее Москвы) вдоль широтно вытянутой линии неустойчивости сформировались две штормовые зоны (рис. 2 а). Главные оси этих зон имели в длину около 100 км и были ориентированы примерно с СЗ на ЮВ. Выбросы перистых облаков с температурой верхней границы -520 C (наковальни) уже через час слились в единую наковальню и в 13 h GMT имели площадь порядка 50 000 км . К этому моменту в соответствии с критериями, принятыми в [9], этот альфа-кластер можно отнести к мезомасштабному конвективному комплексу (МКК). К 15 h GMT это квазикруговое скопление достигло площади 100 000 км2, т. е. имело диаметр около 350 км (рис. 2б).
Рис. 2. Фрагменты спутниковых изображений (Meteosat-5) в ИК- диапазоне 23/07/0: а) 12 h GMT; б)15 h GMT. Темный цвет внутренней области соответствует наиболее высокой облачности с температурой верхней границы, меньшей, чем -52 oC
Из библиографических источников и по опыту автора известно, что после достижения максимальных площадей МКК (в нашем случае около 16 h GMT) интенсивность ряда ОЯП (шквалов, града, частоты возникновения торнадо) быстро спадает, а большая часть осадков выпадает из зоны осадков слоистообразной об-
лачности. Как показано в [3], конвективная активность альфа-кластера обычно проявляется в течение 7-8 часов. Таким образом, следует ожидать, что около 17 h GMT рост площадей облачности с низкими температурами прекратится, а к 19-20 h GMT активность МКК существенно снизится, что и произошло (рис. 3). Таким образом, наковальни отдельных скоплений облачности большого мезо-ß масштаба через 3-4 часа после возникновения объединились и сформировали развитый МКК, площадь которого впоследствии, также через 3-4 часа явно уменьшилась.
23 июля Время, час GMT 24 июля
Рис. 3. Изменение площади наковальни МКК — верхней границы облачности
с Т < -52 oC
2. Определение зон активной конвекции на спутниковых снимках
Для составления прогноза ОЯП необходимо определить, в какой части наковальни МКК находятся зоны активной конвекции, поскольку их локализация совпадает с расположением источников тепла и влаги, поддерживающих развитие мезомасштабной системы. Исходя из общих правил эволюции скоплений такого масштаба, следует ожидать, что после 17 h GMT наиболее активная часть сосредотачивается в южной части скопления. Для более точной локализации зон возникновения новых конвективных элементов системы следует сравнить направление смещения скоплений облачности и направление и скорость пассивного переноса элементов.
Среди методов, предназначенных для анализа временных серий снимков геостационарных спутников, можно выбрать способ, сопоставимый с нашей концепцией.
Речь идет о методе выделения зон активной конвекции и оценки интенсивности осадков Скофилда и Оливера [12], который с конца 80-x применялся в США в синоптическом отделе National Enviromental Satellite Data and Information Service (NESDIS) для диагноза Зон Активной Конвекции (ЗАК) на снимках в инфракрасном и видимом диапазоне геостационарного спутника GOES. Для его применения требуется наличие доступа к калиброванной информации с геостационарных спутников. Правила локализации ЗАК на спутниковых изображениях, согласно [12], состоят в следующем:
1. ЗАК локализуются вблизи участка наковальни с наиболее выраженным градиентом радиационной температуры; если градиенты однородны, то ЗАК локализуется в центре наковальни.
2. В ЗАК наблюдаются пробивающие уровень свободной конвекции вершины облаков.
3. В видимом диапазоне расположенная над ЗАК наковальня имеет большую яркость и/или более четкую структуру.
4. По наложению двух последовательных изображений можно определить положение ЗАК в той части наковальни, граница которой смещается медленнее.
5. ЗАК располагается вблизи наветренного конца наковальни по отношению к ветрам верхних уровней (между 500 и 200 гПа).
6. ЗАК располагается вблизи нижнеуровенного втока.
7. Любая зона облаков занятая радиоэхом осадков есть ЗАК.
Эти простые и логичные правила диагноза зон активной конвекции совмещают в себе ряд морфологических признаков динамики штормов вне зависимости от пространственного масштаба. В соответствии с данным методом в 12 h GMT зоны активной конвекции находятся в южной части штормов с тенденцией развития к западу и востоку. Возможность встречного развития скоплений большого масштаба уже исчерпана. Слияние их наковален в 14 h GMT не препятствует развитию конвекции на юго-запад и юго-восток. Отметим, что развитие на юго-восток происходит вдоль линии неустойчивости, которая отмечается возникновением отдельных СЬ. Западный шторм развивается в направлении крупных скоплений облаков на юге и юго-западе от МКК. Если такое развитие этих скоплений масштаба мезо-а будет сохранятся, то должно произойти их слияние, и активная конвекция в этом регионе исчезнет. Масштаб области свободной от облаков в 14 h GMT составлял менее 100 км и, учитывая скорость развития таких зон ~ 25 км/ч, очевидно, что к 17 h в этом регионе ЗАК исчезнут. С другой стороны, возникновение нового мезо-ß скопления там тоже невозможно.
Таким образом, выделение ЗАК по градиентам температур и другим признакам в целом согласуется с представлениями об эволюции скоплений масштаба ме-зо-ß и мезо-а. Например, отмечается устойчивая тенденция развития конвективной облачности в направлении линий «неустойчивости» или вдоль них, а также существует возможность предсказания дальнейшего слияния скоплений.
3. Анализ тенденций развития зон активной конвекции
Анализ тенденций в перемещении ЗАК можно проводить по спутниковым
снимкам в течение нескольких часов, фиксируя смещение контуров зоны наибольших градиентов температур, согласно правилу (1). Этот способ показал, что среди трех скоплений масштаба мезо-а кластер 3, развивающийся на северо-запад, имеет большее время конвективной активности, чем кластер 2, который конкурирует на востоке за нижнеуровенный вток влажного теплого воздуха с кластером 1 и не имеет достаточно пространства для развития на север и северо-запад. Как и ожидалось, кластеры 2 и 3 демонстрировали активность до 18 и 20 h GMT (рис. 4). Кластер 1, заведомо дос-
Рис. 4. Направление развития трех альфа-кластеров показано на снимке за 15 h GMT, 23/07/01
тиг к 20 h модального времени жизни скоплений этого масштаба и предположительно вскоре иссякнет. Тем не менее, определяя тенденции, видно, что возможный конвективный элемент имеет форму линии, которая изначально между 17 и 18 h стремилась на юг, и лишь к 20 h область ЗАК сосредотачивается на востоке, явно уменьшаясь в размерах.
Таким образом, анализируя по спутниковым изображениям изменение положения зон максимальных градиентов радиационной температуры, удается оценить скорость и направление развития МКК и сделать некоторые выводы о стадии эволюции скоплений облачности.
Подобный экспресс-анализ развития облачности приводит к следующим выводам: 1) рассматриваемый конвективный комплекс диаметром ~300 км (в рамках изоконтура Т = 220 К) есть продукт слияния вершин облачных скоплений мезо-ß масштаба и по пространственной иерархии является а-кластером, что также подтверждается временем идентификации ЗАК порядка 7-8 часов; 2) максимум площади облачного щита равный 200 000 км2, который был зарегистрирован в 22-23 h GMT, есть результат слияния наковален двух а-кластеров 1 и 2. Подобие активности в 22 h проявляет только восточный кластер 1; 3) все три кластера имеют тенденцию развиваться в направлении главной оси вдоль уже «отмеченных» слабыми Cb полос или по направлению к ним; 4) наиболее долгоживущий кластер имел тенденцию развития на юг, очевидно, представляя собой ассимет-ричную по форме мезомасштабную систему, вытянутую на юг. Скорость линейного участка невелика ~ 30 км/ч, скорее всего, поэтому протяженной зоны шквалов у земли не образуется.
4. Анализ крупномасштабных условий возникновения МКК
Согласно Мэддоксу и другим исследователям, развитию мезомасштабного конвективного комплекса предшествуют следующие условия [9]. Возникновение МКК наблюдается на стационарном фронте, выраженном на нижних уровнях (1000-850 гПа) и ориентированном, как правило, в широтном направлении. Вблизи места возникновения МКК на нижних уровнях к югу от фронта, обычно отмечается адвекция тепла (т. е. участок фронта теплый). На уровне 850 гПа эта адвекция выражается в виде заметного струйного течения теплого и влажного воздуха. Эта струя обычно достигает максимума в стадии зрелости МКК. На уровне 700 гПа проявляется короткая волна с адвекцией тепла над областью развития МКК. К западу от области генерации МКК на уровне 500 гПа иногда располагается слабо выраженная ложбина, которая смещается на восток в течение жизненного цикла МКК и становится более выраженной по мере усиления системы.
Согласно имеющимся данным, приблизительно за сутки до возникновения опасных явлений погоды, связанных с развитием МКК, 23 июля в 150 км к югу от Москвы существовал малоподвижный фронт, ориентированный с запада на восток, на котором отмечалось развитие Cb. По приземной карте за 00 h GMT над районом Москвы располагалась южная периферия барического гребня. К западу на уровне 500 гПа находилась слабовыраженная ложбина, которая через сутки стала более глубокой и сместилась на ЮВ. По данным радиозондирования за 12 ч мск на уровне 925 гПа наблюдалось течение нижних уровней юго-западного направления, скорость ветра достигала 30 м/с в слое толщиной 28 гПа. 23 июля, накануне, максимальная температура в теплой воздушной массе достигала 31 0С, температура точки росы в приземном слое 20 0С. На спутниковых снимках, сде-
ланных в полосе поглощения водяного пара, вечером 23 июля и утром 24 июля к югу от Москвы наблюдалась область с повышенным содержанием водяного пара.
Таким образом, с заблаговременностью, по крайней мере, 12 часов до возникновения опасных явлений погоды в районе Москвы синоптическая ситуация, в большей части соответствует описанным в литературе характерным крупномасштабным условиям, благоприятным для развития мезомасштабных конвективных комплексов.
Тот факт, что развитие МКК происходит менее чем в 300 км от Москвы, в совокупности с его тенденцией развития на юг и наличием источников тепла и влаги дает повод предположить развитие глубокой конвекции в Московском регионе в дневные часы 24 июля.
ВТОРОЙ ЭТАП ПРОГНОЗА: МЕЗО-ß СКОПЛЕНИЕ
Согласно предложенному выше, на втором этапе прогноза необходимо определить вероятность попадания территории города в область развития доминирующего мезо-ß скопления, масштаб которого составляет в среднем 100 км. Спутниковые изображения показывают, что к 00 h GMT 24 июля диссипирующий МКК, принимает вначале форму облачной запятой, похожую на начальную стадию циклонического вихря, только меньшего масштаба (рис. 5). В отдельных случаях мезомасштабный вихрь развивается как стадия долгоживущей мезомасштаб-ной системы и достаточно хорошо описан в литературе [5; 6; 9]. Мезомасштабный вихрь следует рассматривать как мезомасштабную систему с сильной асимметрией формы облачности [10]. Конвективный регион таких систем может принимать форму отдельных дугообразных полос, часто с развитием «на поток», где более «молодые» полосы образуются в сторону, противоположную движению системы. Часто в тылу таких систем обнаруживается мощный наклонный нисходящий вток в слоистый регион, приводящий к быстрому прекращению обложных осадков, а иногда и к теплым порывам у земли [5]. В таких случаях, втоки в слоистообразный регион сопровождаются образованием более мелких вихревых структур. Падение приземного давления под областью втоков иногда столь велико, что образуются линии конвергенции, где наблюдается развитие облачности. С точки зрения синоптико-динамической метеорологии [6], такие случаи подобны циклонической волне, где роль тылового втока выполняет так называемая сухая интрузия или «сухая щель» (dry slot). Описанные признаки легко обнаруживаются (с 01 до 12 h GMT 24/07/01) на изображениях (рис. 5), однако детальный анализ в поставленной задаче не проводился, и это может явиться поводом для дальнейших исследований.
К моменту же составления прогноза t0 = 04 h GMT к северо-западу от Москвы активная конвекция наблюдалась приблизительно в 100 км от Твери. Эволюционные и морфологические признаки скопления говорят о том, что в этом регионе происходит диссипация зоны слоистообразной облачности альфа-кластера с возникновением асимметричной по форме мезомасштабной системы, общее смещение которой с ЮЗ на СВ со скоростью около 30 км/ч сопровождается развитием новых конвективных элементов на юг. Наличие линии неустойчивости к югу от этих элементов повышает вероятность того, что данная структура в течение 12 часов пройдет над территорией Москвы. Учитывая термодинамические признаки, благоприятные для развития МКК, следует прогнозировать развитие мощной кучево-дождевой облачности и отдельных ОЯП во второй половине дня 24 июля.
Рис. 5. Схема облачного щита в форме запятой и эволюция МКК 24/07/01, начиная с 02 h GMT. В ранней стадии вихря плотная облачность среднего и верхнего уровней (1) соседствует с областью западного расширения шапки (2).
Dry slot показан как (3). Главные максимумы ветра верхних уровней показаны стрелками, согласно концептуальной модели [6]
Дополнительная информация достаточно густой сети метеостанций Московской и близлежащих областей о наличии стационарных мезомасштабных зон конвергенции могла бы помочь составить прогноз локализации возможного орографического усиления элементов МКК.
ТРЕТИЙ ЭТАП ПРОГНОЗА: ШТОРМЫ И ОПАСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
На этом этапе происходит прогноз места и времени развития отдельных штормов, составляющих мезо-ß скопления, которые имеют пространственный масштаб 30-40 км и время жизни 1-1,5 ч. Наиболее адекватной для этих целей является радиолокационная информация. В прогнозе используются результаты исследований автора по морфологической и эволюционной классификации мезо-масштабных систем осадков, опубликованные в [4; 2].
Доступная радиолокационная информация комплекса АКСОПРИ представляет собой серию последовательных изображений поля радиоэха осадков, приведенных к уровню постоянной высоты ~ 1 км, а также в виде полей верхней границы радиоэха облачности. На основе статистических методов путем сопоставления
последовательных снимков оценивалась скорость и направление смещения штормов, а также вероятность ОЯП (шквала и града).
В момент поступления первой радиолокационной информации в 06 h GMT (10:00 мск) радиоэхо осадков находится над Валдайской возвышенностью, осадки слоистообразной облачности до 5 мм / ч выпадают непосредственно на водосбор
оз. Селигер и междуречье р. Волги и Тверца. Развитие зон конвективных осадков от умеренных (10 мм/ч) до сильных (50 мм / ч) стремится к Вазузскому водохранилищу по линии Торжок — Ржев — Вязьма вдоль долины р. Вазузы.
Морфологические признаки систем осадков в 10:00-10:40 мск и их интенсивность до 50 мм/ч пока не дают возможности однозначно определить тип системы и, следовательно, предсказать ее эволюцию. Очевидно следующее: согласно
параметрам, принятым в
АКСОПРИ, западный шторм в 10:00 дает град. К 10:40 формируется некоторое подобие линии длиной в 100 км, ориентированной с ЮЗ на СВ вдоль долины между Бельской на северо-западе и Смоленско-Московской возвышенностями на юго-западе. Линия явилась результатом слияния двух штормов, ориентированных в более меридиональном направлении (рис. 6 а).
Дополнительную информацию о предыдущей эволюции системы осадков масштаба мезо-ß можно почерпнуть из анализа зоны осадков слоистообразной облачности, который показывает на изображении в 10:00, что в более ранних стадиях развитие штормов происходило вдоль двух близко расположенных параллельных полос. Развитие происходило преимущественно с севера на юг, очевидно с некоторым менее значительным развитием и по направлению движения системы.
Скорость ведущего потока, определенная по смещению фрагментов зон осадков в период 10:00-10:40, подтвердила ее более ранние оценки: ~ 32 км/ч, направление от 2500 в 700. Смещение зон конвективных осадков на юго-запад и значительное «отрицательное» развитие штормов говорят о том, что данная система осадков относится к типу право-движущихся штормов. Асимметричность системы с развитым слоистообразным регионом говорит о том, что система осадков существует значительное время, и, по-видимому, является частью большой мезо-масштабной зоны в стадии зрелости. Анализ начального периода развития системы по спутниковым данным до 06 h GMT позволяет сделать вывод, что оно продолжается около 5 ч и, следовательно, система находится в стадии зрелости и к данному моменту доминирование, очевидно, переходит, по крайней мере, ко второй большой мезомасштабной зоне.
Рис. 6 а. Положение радиоэха осадков большой мезо-бета зоны в 10:00 мск, 24/07/01. Наиболее интенсивные осадки выпадают в ее южной и юго-восточной части
Стадия зрелости кластера, высота верхних границ более 12 км, большая величина радиолокационной отражаемости и протяженность конвективной зоны более 100 км убеждают, что в такой системе могут наблюдаться локальные шквалы в период прохождения конвективных осадков. Тем не менее, будем ограничиваться модальным временем жизни альфа-кластера ~ 8 ч. Общее развитие данной системы может продлиться еще около 3 ч вдоль полосы меридиональной ориентации. Об этом говорит и появление СЬ высотой до 10 км под Калугой по данным радара, и сохраняющаяся отмеченная СЬ линия меридиональной ориентации.
Таким образом, к моменту времени 10:40 мск можно сделать следующий прогноз: развитие системы осадков и соответствующие ОЯП в ближайшие 3 ч будут происходить вдоль полосы, ограниченной штормами на радиолокационном изображении в 10:40 (рис. 6 б). Движение системы с учетом ее ориентации происходит со скоростью около 30 км/ч. Таким образом наиболее вероятно появление конвективных явлений вдоль направления Тверь — Калуга. С меньшей вероятностью следует ожидать развитие вдоль шторма от Торжка через 3 ч по оси Клин — Обнинск.
Подводя итог, можно предложить следующий прогноз, который может быть опубликован к 11:00 мск: «В настоящее время дожди и грозы идут в пределах Тверской области в полосе от Торжка до Ржева. В ближайшие 3 ч (т. е в 14 ч) в западной половине области (Волоколамск, Можайск, Руза), пройдут сильные грозы и ливни, возможен град, во время дождя локальное усиления ветра до 15 м/с. Грозы вероятны в Клину, Звенигороде и Наро-Фоминске. Грозы и связанные с ними ОЯП в Москве ожидаются около 16 ч».
В качестве подтверждения оправдываемости предложенного сверхкраткосрочного прогноза можно показать, что по мере поступления радиолокационной информации в 11:00 мск высота облачности растет, и АКСОПРИ идентифицирует шквалы, которые достигают уже 20 м/с к 12:00 мск. Дополнительным подтверждением оправдываемости прогноза шквалов является то, что продолжает сохраняется волновой характер фронта в масштабе мезо-а, а также формируется волна в большом мезо-Р масштабе: «Ьо’^есЬо» (рис. 6 в).
Таким образом, в работе продемонстрирован пример практического применения мезомасштабного анализа, при котором на основе стандартной синоптической, спутниковой и радиолокационной информации предложены методические рекомендации для прогноза опасных явлений погоды, которые сопровождают развитие мощной кучево-дождевой облачности. Важно подчеркнуть, что прогноз такого рода должен проводится поэтапно. Вначале с заблаговременностью до 12 ч определяется область и стадия потенциального развития первого из трех иерар-
Рис. 6 б. Положение зон осадков в 10:40 мск. Стрелками представлен прогноз смещения (верх) и развитие (низ) зон осадков на ближайшие 3 часа
хически соподчиненных скоплений облачности: кластера масштаба мезо-а (300-350 км; 7-8 ч). На следующем этапе за несколько часов до предполагаемого возникновения ОЯП определяется вероятность прохождения и стадия развития доминирующего большого мезо-ß скопления (—100 км; 3 ч). И, наконец, на последнем этапе ограничиваются предсказанием направления эволюции малого мезо-ß скопления, отдельного шторма (30-40 км; 1-1,5 ч). В результате использования такого комплекса методических разработок и имеющихся в настоящее время известных концептуальных моделей систем осадков представляется возможным с достаточной заблаговременностью составить прогноз опасных явлений на территории протяженностью в несколько десятков километров и с временным разрешением порядка 1 ч.
Выражаю благодарность начальнику отдела метеопрогнозов Челябинского ЦГМС Н. В. Ячменевой за предоставленную синоптическую информацию; старшего научного сотрудника ГМЦ РФ канд. физ.-мат. наук А. А. Желнина и зав. отделом радиометеорологии ГУ «ЦАО», канд. физ.-мат. наук Ю. В Мельничука за предоставленные спутниковые и радиолокационные данные; а также доцента кафедры природопользования, канд. физ.-мат. наук С. М. Абдуллаева за ценные консультации и плодотворную дискуссию.
Список литературы
1. Абдуллаев С. М. Эволюционная классификация мезомасштабных линий шквалов / С. М. Абдуллаев, О. Ю. Ленская // Метеорология и гидрология. 1998. № 3. С. 24-32.
2. Ленская О. Ю., Метод реконструкции типа мезомасштабных систем осадков, генерирующих шквалы, по особенностям изменения приземного давления / О. Ю. Ленская, С. М. Абдуллаев // Вестн. Челяб. гос. ун-та. Экология. Природопользование. 2005. № 1. С. 143-151.
3. Abdoulaev S. Evoluçâo e hierárquia das aglomeraçôes de Cumulonimbus / S. Abdoulaev // Rev. Bras. de Meteor. 1995. Vol. 10, № 1. P. 1-9. (Резюме англ.).
4. Abdoulaev S. Mesoscale precipitation systems in Rio Grande do Sul. Part 1: Classification of mesoscale systems / S. Abdoulaev, O. Lenskaia // Braz. J. of Met. 1998. Vol. 13, № 2. P. 57-74.
5. Abdoulaev S. Interpretaçâo dos movimentos em sistemas convectivos de mesoescala de organizaçâo complexa. Parte1. Exemplo de analise do sistema as-
Рис. 6 в. Зоны осадков в 16:00 мск: наиболее интенсивная часть «bow-еcho» смещается над Москвой
simétrico “Vírgula Boreal” / S. Abdoulaev / Anais X Congr. Bras. de Meteor., VIII Congr. da Feder. Latino-Americana e Ibérico de Soc. de Meteor., Brasilia; DF, Outubro 26-30, 1998. Brasilia, DF, 1998. P. 16-20 (Резюме англ.).
6. Bluestein H. B. Synoptic-Dynamic Meteorology in Midlatitudes. Volume II. Observations and Theory of Weather Systems / Н. В. Bluestein. London: Oxford University Press, 1993. 594 p.
7. Browning K. A. The mesoscale data base and it using in mesoscale forecasting / К. А. Browning // Q. J. Met. Soc. 1989. Vol. 115, № 488. P. 717-762
8. Colquhoun J. R. A decision tree method of forecasting thunderstorms, severe thunderstorms and tornadoes / J. R. Colquhoun // Weather and forecasting. 1987. Vol. 2. P.337-345.
9. Cotton, W. R. Storm and Cloud Dynamics / W. R. Cotton, R.A.Athnes. London: Academic Press, International Geophysics Series. Vol. 44, 1989. 883 p.
10. Houze R. A., Jr. Cloud dynamics / R. A. Houze Jr.. London: Academic Press, 1993. 557 p.
11. McGinley J. Nowcasting mesoscale phenomena / J. McGinley. P. 657-688 in Mesoscale meteorology and forecasting. Ed. P. S. Ray. Amer. Meteorol. Soc., 1995.
12. Scofield R.A. The NESDIS operational convective precipitation estimation technique / Scofield R. A // Mon. Wea. Rev. 1987. Vol. 115. P. 1773-1792.
13. Zipser E. J. Use of a conceptual model of the life cycle of mesoscale convective systems to improve very-short-range forecasts / Zipser E. J. P. 191-204 in Nowcasting. Ed. K. A. Browning. London: Academic Press, 1989.
