CC BY
80
УДК551.515.3
ГРИЩЕНКО Ирина Васильевна, соискатель научно-исследовательского учреждения «Главная геофизическая обсерватория», начальник гидрометцентра ГУ «Архангельский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями». Автор 15 научных публикаций
ШКВАЛЫ И СМЕРЧИ НА ТЕРРИТОРИИ АРХАНГЕЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ И НЕНЕЦКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА
В статье рассматриваются статистические и синоптические закономерности возникновения шквалов и смерчей на территории Архангельской области и Ненецкого автономного округа. На примере прогноза сильных шквалов подтверждены зависимости их возникновения и развития от особенностей стратификации атмосферы.
Шквал, смерч, фронт, стратификация атмосферы
Введение. Среди опасных явлений погоды особое место занимают шквалы и смерчи. Одной из причин является их локальный характер. Кроме того, редкая сеть наземных метеорологических станций в большинстве случаев не позволяет фиксировать данные явления, носящие внезапный и кратковременный характер. Также они обладают значительной разрушительной силой, наносящей ощутимый ущерб экономике и населению.
Главной же проблемой является то, что существующая сеть стандартных метеорологических и аэрологических станций и частота наблюдений не позволяют своевременно обнаружить особое состояние атмосферы, которое приводит к образованию смерчей и шквалов и, таким образом, решить проблему их заблаговременного предсказания.
На европейской территории России шквалы наблюдаются ежегодно и повсеместно. Смер-
чи возникают сравнительно редко. Наибольшая повторяемость смерчей приходится на центр указанной территории - Московскую, Нижегородскую, Ивановскую, Тамбовскую области [1].
Наблюдаются шквалы и смерчи и на территории Архангельской области и Ненецкого автономного округа (НАО).
Природа шквалов и смерчей. Шквалом называется резкое кратковременное усиление ветра (иногда до 30-40 м/с) с изменением его направления. Шквал обусловлен вихревым движением воздуха вокруг некоторой горизонтальной оси. Ориентация этой оси в пространстве определяется так называемой линией неустойчивости, перемещающейся в горизонтальном направлении.
Шквал возникает, в основном, перед холодными атмосферными фронтами или вблизи центров небольших подвижных циклонов при со-
прикосновении холодных масс воздуха с теплыми. Чем больше разность температур этих воздушных масс, тем больше сила шквала.
Подобный характер расположения шквалов по отношению к фронту наблюдается в случаях значительного вертикального сдвига скорости ветра. При этом впереди холодного фронта отмечается вытянутый параллельно фронту язык влажного воздуха (часто образующийся при наличии струйного течения нижних уровней), а в средней или верхней тропосфере в каком-либо слое холодный воздух из-за больших скоростей опережает фронт. Сочетание этих факторов приводит к большой неустойчивости атмосферы и возникновению линии шквалов перед холодными фронтами.
Смерчем называют вихрь с вертикальной, порой изогнутой осью вращения, диаметр которого бывает от нескольких десятков до нескольких сотен метров. По косвенным оценкам максимальные скорости в вихре составляют 200300 м/с, поэтому смерч считается самым разрушительным явлением природы.
Даже при большой неустойчивости атмосферы образование смерчей происходит крайне редко. Это говорит о том, что в атмосфере существуют еще другие благоприятные для их образования условия, заключающиеся, возможно, в мезомасштабных особенностях циркуляции - характере эволюции и движения облаков и облачных систем.
Шквал может возникать во все сезоны года и в любое время суток, но чаще летом, когда прогревается земная поверхность. Поражающими факторами при этом являются кинетическая энергия ветра, интенсивные осадки, кинетическая энергия вовлеченных в движение предметов.
Рядом авторов [2, 3] в разные годы было установлено, что вероятность возникновения шквалов и скорость ветра тесно связана с обменом количеством движения между нисходящем потоком воздуха в кучево-дождевом облаке и нижней половины тропосферы. Таким образом, основными предикторами при прогнозе шквалов являются толщина облака как разность между уровнем конденсации и уровнем
изотермы -10°С (ДЪ) и сумма скоростей ветра у поверхности земли и на поверхностях 850, 700
500
и 500 мб ( )• При этом оказалось, что при
земля
уменьшении толщины облака и увеличении суммы скоростей возрастает вероятность образования шквалов и увеличивается их скорость.
Развитие синоптико-физико-статистического подхода на базе современных гидродинамических моделей с высоким пространственным и временным разрешением позволило решать проблему поиска автоматизированных методов прогнозов шквалов.
На основе многомерного дискриминантного анализа, проведенного в Гидрометцентре России [4], из 26 предикторов были выявлены 6 наиболее информативных. Дискриминантная функция имеет вид:
Lob = CwWm + Cv0V о + Су
v\
+ СршУ Pi00 + Ст7 Г7 _ Cd7 d7 _ Col
где Cwm, CvO, Cv8-5, СрЗОО, CT7, Cd7, Cob ческие коэффициенты для этой функции,
эмпири-
Wm -
Vo -
V
скорость восходящего конвективного
потока,
градиентная скорость ветра у земли (м/с),
модуль средней векторной скорости в слое 850-500 гПа,
V р3
- лапласиан приземного давления (гПа/ (300 км)2),
Т7 и й! - температура (°С) и дефицит точки росы (°С) на изобарической поверхности 700 гПа.
В дальнейшем количество наиболее информативных предикторов было сведено до трех, а именно: вертикальная скорость восходящего конвективного потока и соответствующая сходимость приземных потоков, оцененная по лапласиану приземного давления, оптимальные скорости ветра в нижней тропосфере, оптималь-
ное тепло- и влагосодержание воздуха в нижней половине тропосферы.
Таким образом, были подтверждены наиболее значимые предикторы, установленные ранее.
Найденные пороговые значения диапазонов наиболее информативных предикторов позволяют практически со 100-процентной вероятностью прогнозировать отсутствие сильных шквалов.
Вместе с тем, ввиду редкости шквалов более значимой остается задача прогноза их наличия и определения при этом возможных скоростей ветра. Поэтому по-прежнему основными в прогнозе шквалов являются синоптикостатистические методы.
Закономерности возникновения шквалов и смерчей на территории Архангельской области и НАО. Статистическая обработка случаев со шквалами и смерчами (при скоростях ветра 25 м/с и более) позволила выявить некоторые закономерности возникновения этих опасных явлений на территории Архангельской области и НАО.
За период 1966-2008 годов на исследуемых территориях шквалы и смерчи были зарегистрированы на 25 метеостанциях. При этом на территории НАО случаи смерчей не зафиксированы ни разу. В среднем по территории повторяемость шквалов не превышает 0,25 дней/ год.
Наиболее подвержены шквалам и смерчам территории нескольких районов юго-восточной части Архангельской области: Верхнетоемско-го, Вельского, Шенкурского, Красноборского, Котласского и Холмогорского. Здесь отмечено наибольшее количество дней со шквалами (от 5 до 11), зафиксированных в этот период. Таким образом, можно говорить о достаточно компактной территории в бассейнах рек Ваги и Северной Двины.
Практически не наблюдаются сильные шквалы в западных и юго-западных районах области. Шквалы - достаточно локальное явление, 88,7% сильных шквалов были зафиксированы в течение дня одновременно только на одной метеостанции. В течение года пик воз-
никновения шквалов приходится на июль (35,5% от общего количества). Практически равновероятно возникновение шквалов в мае, июне и августе. Продолжительность преобладающего количества шквалов (89,6%) составила от 1 до 20 мин. Чаще всего (37,3% случаев) шквал наблюдался в течение 1-5 мин. Возникновение шквалов наиболее вероятно во второй половине дня и вечером. Наиболее характерное направление ветра при шквалах - южное (30,3% от общего количества случаев) и юго-западное (27,3%). Не зафиксированы шквалы северного румба, и очень редко (1,5%) бывают шквалы северо-восточного румба.
Анализ синоптических условий возникновения шквалов и смерчей на территории Архангельской области и НАО показывает, что наиболее часто (88% случаев) эти явления связаны с фронтальной деятельностью. Как правило, это медленно перемещающиеся квазимеридио-нальные холодные фронты с волновыми возмущениями, которые в свою очередь смещаются по фронту со скоростью 60-80 км/час, либо быстроперемещающиеся с запада на восток холодные фронты. При этом контрасты температуры приземного воздуха в зоне фронта составляют 10-12°С, на уровне 850 мб - 6-8°С. Максимальная температура воздуха в теплом секторе циклона доходит до 25-30°С.
Установлено, что при возникновении сильных шквалов толщина облачного слоя - ДЪ составляет не более 420-440 мб, а сумма ско-
500
ростей ветра превышает 50 м/с.
земля
Почти все фронтальные шквалы наблюдаются либо непосредственно с прохождением фронта, либо перед фронтом на расстоянии 50100 км от линии фронта. Незначительная часть этих явлений (10%) может наблюдаться при прохождении фронтов окклюзии и на вторичных холодных фронтах в тылу циклонов (5%).
Шквалы и смерчи, наблюдавшиеся 15 июня 2009 года. Примером сильных шквалов, которые нанесли серьезный материальный ущерб, могут служить наблюдавшиеся 15 июня
2009 года на территории 5 районов юго-восточной части Архангельской области.
Наиболее сильные шквалы наблюдались на территории Виноградовского и Шенкурского районов. При этом по рассказам очевидцев и по характеру повреждений шквалы на этих территориях были связаны со смерчами. Сила ветра по шкале Бофорта значительно превышала пороговое значение этой шкалы - 32 м/сек (по прибору на метеостанциях были зафиксированы максимальные порывы 22-23 м/сек).
Как показывает практика, в случае этих опасных явлений страдают главным образом линии электропередач и связи, а также постройки сельского населения. В частности, в Виноградовском и Шенкурском районах произошли многочисленные повреждения крыш строений, повалены деревянные столбы, оборваны линии электропередач, вывернуты с корнем деревья, железо-бетонные столбы погнуты под углом 90°, сорван купол с церкви и т.д. Ущерб только по одному району составил около 10 млн р. На ликвидацию последствий силами МЧС было потрачено 400 тыс. р. без учета затрат конкретных организаций.
Возникновение сильных шквалов, а в ряде мест и смерчей в этот день было связано с юго-восточной периферией обширного циклона, центр которого располагался над Карелией и давлением в центре 994 мб. Через центральные районы Архангельской области проходил расположенный почти меридионально холодный с волнами фронт, который смещался на восток со скоростью 50-60 км/час {рис. 1).
Перед фронтом температура воздуха достигла 28-29°С. Контраст температуры у земли в зоне фронта составил 10-12°С/100 км, на 850 мб поверхности - 7-8°С/100 км. По расчетным данным, атмосфера была влажнонеустойчива до высоты 200-300 мб поверхностей (рис. 2).
В зоне фронта в нижней тропосфере наблюдалось струйное течение. Сумма скоростей в слое земля - 500 мб поверхности - составила 62 м/с, толщина облака (ДЪ) - 350 мб.
Таким образом, все параметры атмосферы указывали на возможность возникновения сильных шквалов. Заблаговременность предупреж-
1
і
і
а[
1
зЁ
1
'ш -1в о ш ш а; ! 40
Рис. 1. Расчетные данные стратификации атмосферы по метеостанции «Двинской Березник» 15 июня 2009 года (12.00, моек, время). Пунктиром выделена энергия неустойчивости атмосферы
дения этого опасного явления погоды составила 6 часов.
При прохождении холодного фронта через вышеназванные районы Архангельской области в период с 15 до 18 часов наблюдались шквалы с порывами ветра свыше 30 м/с, прошедшими узкой полосой 100-150 м (в частности, шквал прошел по центральной части г. Шенкурска, минуя метеостанцию). Смерч наблюдали жители ряда деревень Виноградовского района.
Заключение. Исследование шквалов и смерчей на территории Архангельской области и НАО позволило определить частоту их возникновения и выявить районы, наиболее подверженные угрозе этих опасных явлений. При этом установлено, что на территории НАО случаи смерчей за исследуемый период не зафиксированы ни разу.
Статистические закономерности возникновения шквалов и смерчей, выявленные для
территории Архангельской области и НАО в сочетании с использованием ранее установленных связей со стратификацией нижней тропо-
сферы, позволяют с достаточной заблаговременностью прогнозировать наличие сильных шквалов.
Рис. 2. Карта погоды за 15 июня 2009 года (12.00, моек, время). Выделена территория, на которой наблюдались сильные шквалы и смерчи.
Список литературы
1. Климат России / под ред. Н.В. Кобышевой. СПб., 2001.
2. Петерсен С. Анализ и прогноз погоды. Л, 1961.
3. ПесковБ.Е., Снитковский А.И. К прогнозу сильных шквалов //Метеорология и гидрология. 1968. № 7. С. 52-57.
4. Васильев Е.В., Алексеева А. А, Песков Б.Е. Условия возникновения и краткосрочный прогноз сильных шквалов II Там же. 2009. №1. С. 5-15.
Grishchenko Irina
SQUALLS AND TORNADOES ON THE TERRITORY OF THE ARCHANGELSK REGION AND THE NENETS AUTONOMOUS AREA
Statistical and meteorological regularities of the squalls and tornadoes origin on territory of the Archangelsk area and the Nenets Autonomous Area are considered in the article. Dependencies of their origin and development on the particularities of the atmosphere stratifications are confirmed by the example of the strong squall forecast.
Контактная информация: e-mail: [email protected], [email protected]
Рецензент - Коробов В.Б., доктор географических наук, начальник ГУ «Архангельский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями»
