Термодинамические параметры атмосферы при грозах и ливнях Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ФИЗИКА

УДК 551.511.33

Т. В. Ершова, В. П. Горбатенко, О. А. Клипова ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АТМОСФЕРЫ ПРИ ГРОЗАХ И ЛИВНЯХ

Представлен сравнительный анализ термодинамических параметров атмосферы, рассчитанных по данным радиозондирования станции Новосибирск и данных метеорологической станции Огурцово (Новосибирск) за период 2000-2011 гг Определены пределы изменчивости и особенности некоторых характеристик атмосферы (SHOW, CAPE, TOTL, K INX, LIFT, EQLV, LFCT) при грозах и при ливнях.

Ключевые слова: гроза, ливень, термодинамические параметры, конвекция в атмосфере, интервалы изменчивости термодинамических параметров.

Опасные явления погоды, такие как грозы и ливни, связанные с зонами активной конвекции, относятся к мезомасштабным метеорологическим явлениям. Они образуются в результате сложного взаимодействия атмосферных процессов синоптического масштаба и подстилающей поверхности. Известно, что горизонтальные размеры конвективных зон во много раз меньше расстояния между метеорологическими станциями, на которых они наблюдаются. Сравнительно невелика и продолжительность гроз и ливней. Все это и определяет трудности в регистрации, изучении и прогнозировании опасных явлений погоды, связанных с зонами активной конвекции, в том числе в рамках численных моделей атмосферы. Актуальность изучения условий образования и развития таких явлений очевидна.

Существующие методы прогноза гроз не отвечают требованиям, предъявляемым потребителями. Например, для Толмачёво (аэропорт Новосибирска) оправдываемость прогнозов внутримассо-вых гроз по методу Кокса составляет 77 %, фронтальных гроз по методу Седлецкого всего 55 %, а ночных гроз по методу Р. А. Ягудина — 67 % [1]. Все эти методы основаны на «просеивании» грозовых и безгрозовых ситуаций с помощью диаграмм вероятности, разработаны и внедрены в практику более 30 лет назад, в дальнейшем они не обновлялись на новом материале. Синоптики для прогнозирования гроз активно используют данные метеорологических радиолокаторов и снимки спутников. Отметим, что спутники фотографируют в основном внутриоблачные либо межоблачные молнии, в то время как самые опасные разряды облако-земля остаются замаскированными толщей облаков. Сеть радиолокационных исследований атмосферы в Сибири пока не сформирована, поэтому требуется совершенствование методов прогноза гроз по данным радиозондирования.

Еще в 1940-50-е гг. были разработаны [2] термодинамические параметры (thermodynamic parameters) для оценки вероятности грозы по данным одного профиля радиозонда. Отметим, что в зарубежной литературе [3-6] используют различную терминологию, данные термодинамические параметры называют индексами нестабильности атмосферы (instability indices), индексами стабильности (stability indices) и конвективными индексами (convective indices).

Для построения моделей и составления прогнозов различных метеорологических явлений используется более 20 параметров состояния атмосферы, рассчитанных на основе данных радиозондирования. Подробное описание термодинамических параметров приведено в [7]. В 1953 г. А. К. Шолвал-тером (Sholwalter) [2] был введен параметр Showal-ter stability index (SHOW), который широко используется и в настоящее время. Существуют два способа применения данных параметров. Первый связан с непосредственной оценкой вероятности грозы по данным одного профиля радиозонда. Так, некоторые метеорологические службы зарубежных стран (метеорологическая станция Иерусалим, Израиль [8]) выставляют в открытом доступе в сети Интернет данные по термодинамическим параметрам с прогностическими правилами. На экране компьютера значения каждого из девяти параметров закрашиваются от темно-зеленого до красного цвета в зависимости от вероятности возникновения грозы (низкая, средняя, высокая и экстремальная). Таким образом, любой пользователь, даже далекий от метеорологии, может получить информацию о вероятности грозы.

Второй способ связан с использованием термодинамических параметров в численном моделировании конвекции, наличие которой является необходимым условием возникновения гроз. В Европе разработка метода прогноза развития конвекции

осуществляется по средствам статистической интерпретации численных характеристик прогностических полей по мезомасштабным моделям (например ММ5 V2 (PUS/NCAR) или WRF) [9].

В Томске исследованиями грозовой активности и сопровождающих ее явлений (ливня, града, шквала) занимаются в Научно-исследовательском институте физики высоких технологий (бывший НИИ высоких напряжений) Национального исследовательского Томского политехнического университета, в Национальном исследовательском Томском государственном университете и в Томском государственном педагогическом университете [10-13]. Попытка перенести конечные результаты зарубежных исследований на наш регион не имела успеха, поскольку термодинамические характеристики атмосферы и подстилающей поверхности различны. Проведенные предварительные исследования [13] обнаружили, что пороговые значения индексов, при достижении которых прогнозируют развитие того или иного конвективного явления над территорией Западной Сибири, существенно ниже тех, что приводятся в зарубежной литературе [2-6]. Это может быть результатом редкой сети аэрологических станций над Сибирью. Конвективным ячейкам присущ небольшой диаметр (не более 10 км), поэтому и опасные конвективные явления проявляются локально и далеко не всегда фиксируются наблюдателями. Например, развитие конвекции над Томской областью можно прогнозировать только по результатам температурно-ветрового зондирования двух станций - Новосибирск и Колпашево, расстояние между которыми более 360 км. Даже не каждая линия шквала, не говоря о граде или грозе, возникшая на этой дистанции, может быть зарегистрирована. Термодинамические параметры атмосферы в районе аэрологического зондирования могут существенно отличаться от тех, что характерны для атмосферы в районе метеорологического наблюдения опасного конвективного явления. Для построения модели развития конвекции над большой территорией необходимо решать проблему ее параметризации. В том числе знать, при каких значениях параметров конвекции можно ожидать ее усиления над исследуемой территорией. Заметим, что упомянутые выше индексы устойчивости (неустойчивости) атмосферы являются универсальным инструментом, позволяющим сравнить параметры конвекции над разными регионами земного шара и изучить их динамику в процессах образования и развития опасных конвективных явлений (грозы, града, ливня, шквала). Это позволит найти общие (универсальные) подходы к решению актуальнейшей задачи метеорологии -успешному прогнозированию развития опасных конвективных явлений погоды. Но прежде необхо-

димо определить связь между степенью развития конвекции (по значениям индексов) в районе аэрологической станции и наличием опасных конвективных явлений, зафиксированных на ближайшей метеорологической станции. С учетом того, что радиус наблюдения, доступный метеонаблюдателю, не превышает расстояние 10 км, необходимо выбрать пару «аэрологическая станция - метеостанция» с минимальным расстоянием между ними. В качестве такой пары и были выбраны аэрологическая станция Новосибирск и метеорологическая площадка Огурцово, расстояние между которыми составляет около 10 км.

Цель данного исследования состоит в определении особенностей термодинамических параметров атмосферы в районе аэрологической станции Новосибирск при наличии вблизи нее гроз и ливней.

Материалом для исследований послужили данные о наличии гроз и ливней в районе станции Огурцово за четыре срока наблюдения - 18, 00, 06 и 12 ч ВСВ (Всемирного скоординированного времени) в летние месяцы 2000-2003 гг. и за восемь сроков наблюдения (18, 21, 00, 03, 06, 09, 12 и 15 ч) в период 2004-2011 гг. Случаи гроз и ливней выбирались из массива в соответствии с международным кодом КН-01[14].

Таблица 1

Расшифровка международного кода КН-01 для ливня и грозы [14]

Код КН-01 Метеорологическое явление

13 Зарница

17 Гроза, без осадков

25 Ливневый дождь (в прошедший час)

29 Гроза (в прошедший час)

80 Небольшой ливневый дождь

81 Ливневый дождь

91 Гроза (в прошедший час), небольшой дождь

95 Гроза, дождь (или снег)

96 Гроза, град (снежная крупа)

97 Сильная гроза, дождь (снег)

98 Гроза, пыльная или песчаная буря

99 Сильная гроза, град (снежная крупа)

За период 2000-2011 гг. ежегодно над метеоплощадкой в среднем отмечалось 23 случая с грозой (табл. 2). Самыми грозовыми были летние периоды 2005-2007 гг., когда количество случаев доходило до 36. Самыми спокойными были последние годы - 2010 и 2011, когда происходило 13 и 15 грозовых случаев соответственно. Наиболее грозовым месяцем традиционно был июль, количество грозовых случаев в среднем составило 11. Рекордным в этом отношении был июль 2005 г., когда было зарегистрировано 22 случая с грозой. В июне и августе в среднем отмечалось 7 и 5 случаев с грозой соответственно, при этом значения менялись от года к году от 1 до 11 случаев. Сильная гроза с градом (код 99) отмечалась один раз за рассмотренный период - 30 июля 2009 г., до 11 случаев (июль

2006 г.) отмечались грозы без осадков (код 17). Зарница чаще всего регистрировалась в 18 ч и количество зарегистрированных случаев доходило до двух раз в месяц.

Таблица 2

Количество случаев с грозой ст. Огурцово

(Новосибирск) за период 2000-2011 гг.

Год Июнь Июль Август Общее количество

2000 4 4 8 1б

2001 7 7 3 17

2002 10 б 1 17

2003 б 8 1 15

2004 1 12 4 17

2005 4 22 10 Зб

200б 9 1б 8 33

2007 11 19 3 33

2008 9 13 5 27

2009 11 15 11 37

2010 4 7 2 13

2011 9 2 4 15

2000-1011 7 11 5 27б

За период 2000-2011 гг. в среднем за год отмечалось 60 случаев с ливнем (табл. 3). При этом количество ливней от года к году значительно менялось: от 98 случаев в 2009 г. до 18 случаев в 2003 г. Летом, в среднем за исследуемый период, больше всего ливней происходило в июне (22 случая), в июле и августе отмечалось по 19 случаев. Рекордное количество ливней за месяц произошло в июне 2009 г. и составило 57 случаев. В августе 2003 г. было отмечено наименьшее количество ливней - всего 4 случая.

Таблица 3

Количество случаев с ливнем ст. Огурцово

(Новосибирск) за период 2000-2011 гг.

Год Июнь Июль Август Общее количество

2000 11 7 14 32

2001 13 12 13 38

2002 22 11 5 38

2003 8 б 4 18

2004 14 32 25 71

2005 28 18 15 б1

200б 10 17 31 58

2007 29 12 2б б7

2008 41 17 20 78

2009 57 21 20 98

2010 21 37 1б 74

2011 12 39 35 8б

2000-1011 22 19 19 719

Для двух сроков радиозондирования 00 и 12 ч были проанализированы значения 20 термодинамических и кинетических индексов, характеризующих состояние атмосферы по трем признакам, необходимым для развития грозы: конвективная неустойчивость, наличие мощного влажного слоя в нижней или средней тропосфере, сильные восходящие движения.

В результате предварительного отбора были выделены семь термодинамических параметров и характеристик, наиболее часто анализируемых в на-

учной литературе [3-6, 13], при грозах и ливнях: SHOW, CAPE, TOTL, K INX, LIFT, EQLV, LFCT.

Параметр SHOW определяется по разности температур окружающей среды на поверхности 500 ГПа и частицы, поднимающейся сухоадиабатически с уровня 850 ГПа до уровня конденсации, затем влажноадиабатически до уровня 500 ГПа.

Интенсивные грозы формируются в атмосфере с положительной энергией неустойчивости во всем слое облакообразования, когда в средней и верхней тропосфере температурные градиенты существенно превышают величину влажноадиабатического. Эту характеристику состояния атмосферы отражают значения индекса LIFT (Lifted index, °С) [7], или индекса подъема:

LIFT = T500 — Tparseh (1)

где Т500 - температура окружающей среды на уровне 500 ГПа, °С; Tparcel - температура частицы на уровне 500 ГПа, поднимающейся с уровня 500 метров над земной поверхностью при среднем давлении, температуре и точке росы.

Величины индекса LIFT < -9 являются признаком крайней нестабильности атмосферы, в интервале от -6 до -9 характеризуют атмосферу как нестабильную, в интервале -6 < LIFT < -3 как умеренно нестабильную, -3 < LIFT <0 находящуюся на границе с равновесием [4]. Если LIFT > 0, то атмосфера считается устойчивой, но при этом надо помнить, что слабая конвекция возможна и при значениях LIFT, изменяющихся в интервале от 0 до 3.

Другим параметром, оценивающим не только статическую стабильность атмосферы, но и влажность на уровне 850 ГПа (важный фактор для развития молнии в конвективных облаках), является параметр TOTL (Totals totals index, °С) [7]:

TOTL = (T850 - T500) + (TD850 - T500), (2)

где Т850 - температура на уровне 850 ГПа, °С; TD850

- температура точки росы на уровне 850 ГПа, °С.

Согласно [4, 8], если значения параметра TOTL изменяются в пределах 45-50 °С, то состояние атмосферы умеренно неустойчиво. При значениях TOTL в интервале 50-55 °С атмосфера влажнонеустойчива, и вероятность развития грозы высока. Если значения TOTL составляют 55-60 °С, то состояние атмосферы крайне неустойчиво, и над территорией вероятны сильные грозы.

Параметр SWET является комплексным и объединяет характеристики влажности и температуры, а также скорость, направление и сдвиг ветра на высотах 1.5 и 5.5 км (850 и 500 ГПа):

SWET = 12 х TD850 + 20 х TERM2 +

+ 2 х SKT850 + SKT500 + SHEAR, (3)

TERM2 = MAX(TOTL - 49), (4)

где SKT850 и SKT500 - скорость ветра в узлах (1 узел = 0.5 м/c) на уровнях 850 и 500 ГПа соответственно.

Сдвиг ветра SHEAR между уровнями 850 и 500 ГПа определяется по формуле

SHEAR = 125 [SIN(DIR500 - DIR850) + 0.2], (5)

где DIR500 и DIR850 - направление ветра на уровнях 850 и 500 ГПа соответственно.

Одним из параметров, оценивающих степень развития конвекции, основанной на вертикальном градиенте температуры и вертикальной протяженности слоев высокой влажности, является параметр K inx (°С) [7]:

KINX = (T850 — T500) + TD850 — (T700 — TD^00), (6)

где T700 - температура на уровне 700 ГПа, °С; TD700

- температура точки росы на уровне 700 ГПа, °С.

Если индекс KINX принимает значения меньшие, чем 30 °С, возможны с невысокой степенью вероятности грозы [4, 8]. Значения KINX >30 °С свидетельствуют о наличии потенциала для развития грозы. Если KINX > 40 °С, вероятность грозы велика.

Величина энергии неустойчивости является неизменным предиктором в прогнозе опасных явлений, связанных с конвекцией. Высокий уровень потенциальной энергии атмосферы является непременным условием того, что поднимающаяся частица достигнет значительно больших высот, чем уровень свободной конвекции. Эту характеристику состояния атмосферы достаточно эффективно отражает параметр CAPE (Convective Available Potential Energy) [4, 7]. Значения CAPE (Дж/кг) -потенциальная конвективная энергия атмосферы -определяются по следующей формуле:

EL

CAPE = g j dz *(Tp - Te)/ Te , (7)

LFCT

где Tp - температура частицы, поднимающейся с уровня 500 м над земной поверхностью до уровня конденсации сухоадиабатически, выше уровня конденсации влажноадиабатически (°С); Te - температура окружающей среды, (°С); LFCT (Level of Free Convection) - уровень свободной конвекции (ГПа); EL (Equilibrum Level) - уровень равновесия (ГПа); g - ускорение свободного падения, м/с2; dz -толщина слоя между уровнями LFCT и EL.

Считается [4], что атмосфере присуща умеренная неустойчивость, если значения CAPE изменяются в пределах 0-1000 Дж/кг. Если значения CAPE принимают значения в пределах от 1000 до 2500 Дж/кг, то атмосфера неустойчива (вертикальные скорости при этом составляют около 50 м/с, и можно ожидать значительное развитие конвекции и связанных с нею гроз). И только при наличии

энергетического потенциала более чем 2500 Дж/кг атмосферу можно считать крайне неустойчивой и способной порождать с высокой вероятностью грозы.

Таблица 4

Статистические характеристики термодинамических параметров для аэрологической станции

Новосибирск при грозах и ливнях в 12 ч

Параметр При грозах При ливнях (без г розы)

Сред. о Макс. Мин. Сред. о Макс. Мин.

Showalter 0.6 3.0 12.4 -4.4 3.7 3.2 12.4 -2.5

Lifted index -2.3 3.2 8.5 -10 2.1 4.4 12.4 -9.2

SWEAT index 179 83 366 39 133 60 320 35

K index 30.4 6.9 38.9 -0.3 25.9 6.6 36.0 5.2

Totals totals index 49.5 4.7 57 28.4 46.7 4.8 55.5 34.1

Convective Available Potential Energy 635 567 1972 0 157 325 1842 0

Equilibrum Level 308 102 702 207 553 205 926 236

Level of Free Convection 819 66 929 694 842 79 951 624

Сравнивая значения индексов при грозах и ливнях для ст. Новосибирск (табл. 4), можно сформулировать следующие выводы:

- При грозах температура поднимающейся частицы облака значительно превосходит температуру окружающего воздуха до высоты 5.5 км (Lifted index), контраст температур может доходить до 10 °С.

- При грозах K index (30 °С) превышает значение при ливнях (26 °С) почти на 4 °С и может достигать значений 40 °С, т. е. для реализации молнии требуется больший контраст температур между уровнями 1.5 и 5.5 км и большие значения влажности, чем при ливнях.

- При грозах TOTL в среднем на 3 °С превосходит тот же параметр при ливнях, т. е. в грозовых облаках контраст температур между уровнями 1.5 и 5.5 км и насыщенность воздуха (разница между точкой росы и температурой) больше, чем в ливневых облаках.

- Комплексный параметр SWET при грозах на 45 единиц превосходит тот же параметр при ливнях, т. е. характеристики температуры и точки росы на высотах 1.5 и 5.5 км в грозовых облаках превышают те же характеристики в ливневых облаках. Дополнительно в грозовых облаках отмечаются большие скорости ветра и более значительный сдвиг ветра между указанными уровнями.

- Средние значения конвективной потенциальной энергии при грозах (635 Дж/кг) почти в четыре раза превосходят значения при ливнях (157 Дж/кг). При этом максимальные значения при грозах и ливнях сравнимы и составляют 1970 и 1842 Дж/кг соответственно.

- Уровень свободной конвекции (LFCT) и уровень равновесия (EL) в грозовых облаках выше, чем в ливневых на 200 м и на 3.5 км соответственно. Толщина слоя между уровнями LFCT и EL в

грозовых облаках почти в два раза превосходит эту же величину в ливневых облаках.

- Наиболее существенные различия для грозовой ситуации и ливней отмечались для параметра SHOW (рисунок).

На основании приведенного материала можно заключить, что между термодинамическими характеристиками при грозах и ливнях существуют значимые различия, и в дальнейшем требуется продолжение исследований для других территорий Западной Сибири.

Работа выполнена при поддержке программы Эрасмус Мундус (Erasmus Mundus EMA 2 MULTIC 10-939) и гранта РФФИ 11-05-98009.

8.0

6.0

4.0

£ 2.0 §

М 0.0

-2.0

-4.0

ЛИВНИ;

3.7

ГРОЗЫ;

0.6

Явление

Средние значения индекса SHOW при ливнях и грозах со значениями среднеквадратических отклонений ст. Новосибирск

Список литературы

1. Токарева Ю. В. Опасные явления погоды для авиации и расчетные методы их прогноза, используемые в филиале Новосибирского ЗАМЦ / Методический кабинет Гидрометцентра России. URL: http://method.hydromet.ru/event/dec05/doklad1/doklad1.html.

2. Sholwalter A. K. A stability index for thunderstorm forecasting // Bull. Amer. Meteorol. Soc. 1953. Vol. 34. P. 250-252.

3. Andersson T A. M. J. C. N. S. Thermodynamic indices for forecasting thunderstorms in southern Sweden // Meteorol. Mag. 1989. Vol. 116. P. 141-146.

4. Kunz M. The skill of convective parameters and indices to predict isolated and severe thunderstorms // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2007. Vol. 7. P. 327-342.

5. Schulz P. Relationships of several stability indices to convective weather events in northeast Colorado // Weather Forecasting. 1989. Vol. 4. P. 73-80.

6. Johns R. H., Doswell C. A. Severe local storms forecasting // Weather Forecasting. 1992. P. 558-612.

7. University of Wyoming. Department of atmospheric science. URL: http://www.weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html

8. Jerusalem Weather Station. URL: http://www.02ws.com/station.php?section=radiosonde.php&lang=0

9. Лаврентьев Н. А., Фазлиев А. З. Информационные системы, ориентированные на представление данных о погоде и климате в сети Интернет // Труды Х Всерос. науч. конф. «Электронные библиотеки: перспективные методы и технологии, электронные коллекции». RCDL'2008. Дубна. Россия. 2008. С. 317-324.

10. Горбатенко В. П. О пространственном распределении числа дней с грозой и плотности разрядов молнии в землю // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical university Bulletin). 2000. Вып. 2. С. 39-42.

11. Ершова Т. В., Горбатенко В. П. Исследования атмосферного электричества в Томске // Там же. 2010. Вып. 9 (99). С. 178-182.

12. Ершова Т. В., Горбатенко В. П. Параметры молниевой активности по инструментальным измерениям // Там же. 2011. Вып. 5 (107). С. 150-154.

13. Горбатенко В. П., Константинова Д. А. Конвекция в атмосфере над юго-востоком Западной Сибири // Оптика атмосферы океана. 2009. Т. 22. № 1. С. 17-21.

14. Код для оперативной передачи данных приземных гидрометеорологических наблюдений с сети станций Госкомгидромета СССР, расположенных на суше (включая береговые станции). КН-01 Национальный вариант международного кода. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 64 с.

Ершова Т. В., кандидат физико-математических наук, доцент.

Томский государственный педагогический университет.

Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.

E-mail: Ershova10@mail.ru

Горбатенко В. П., доктор географических наук, зав. кафедрой.

Томский государственный университет.

Пр. Ленина, 36, Томск, Россия, 634050.

E-mail: vpgor@tpu.ru

Клипова О. А., студент.

Томский государственный педагогический университет.

Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.

E-mail: olka.1988@list.ru

Материал поступил в редакцию 15.08.2011.

T. V Ershova, V. P. Gorbatenko, O. A. Klipova THERMODYNAMIC PARAMETERS OF ATMOSPHERE DURING THUNDERSTORM AND HEAVY RAIN

A comparative analysis of the thermodynamic parameters of the atmosphere, obtained by the radiosonde data of the station Novosibirsk and data of thunderstorms and heavy rains of meteorological station Ogurzovo for the summer seasons of 2000-2011 are introduced. The limits of variability and characteristics of some parameters (SHOW, CAPE,

TOTL, KINX, LIFT, EQLV, LFCT) during thunderstorms and heavy rains were determined.

Key words: thunderstorm, heavy rain, thermodynamic parameters, convection in the atmosphere, intervals of variation of thermodynamic parameters.

Ershova T. V.

Tomsk State Pedagogical University.

Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.

E-mail: Ershova10@mail.ru

Gorbatenko V. P.

Tomsk State University.

Pr. Lenina, 36, Tomsk, Russia, 634050.

E-mail: vpgor@tpu.ru

Klipova O. A.

Tomsk State Pedagogical University.

Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.

E-mail: olka.1988@list.ru