Содержание к диссертации
Введение
Часть I Жизненный цикл мезомасштабных конвективных систем
Глава 1. Наблюдения мезомасштабных систем осадков и методы их анализа
1.1 Направления и база данных мезомасштабных исследований 15
1.2 Радиолокационные наблюдения конвективных штормов 19
1.3 Эволюция мезомасштабных конвективных систем 27
1.4 Методические принципы анализа поля отражаемости 34
1.5. Наблюдения мезомасштабных циркуляции доплеровским радаром 44
Глава 2. Эволюция и иерархия скоплений кучево-дождевой облачности
2.1 Временные моды мезомасштабной конвекции: квазипериодичность 58
2.2 Мезомасштабные конвективные скопления: иерархия и доминирование 67
2.3 Концепция жизненного цикла мезомасштабных конвективных систем модель эволюции а-мезокластера 74
2.4 Морфолого-эволюционная классификация мезомасштабных систем осадков 86
Глава 3. Эволюция комплексов локальных штормов
3.1 Морфология и кинематика доминирующих штормов 103
3.2 Мезомасштабная конвергенция и развитие скоплений кучево-дождевой облачности 111
3.3 Метод траекторий доминирующих штормов: ландшафты и местные циркуляции 120
3.4 Метод доминирующих скоплений: скрытая структура 132
Глава 4. Эволюция мезомасштабных линий шквалов
4.1 Трансляция и эволюция МЛШ 136
4.2 Формирование и диссипация региона обложных осадков 142
4.3 Эволюционная классификация линий шквала 149
4.4. Мезомасштабные циркуляции в линиях шквала 157
4.5 Использования MWR в диагнозе развития и типа систем 167
Часть II. Отишгиггымезоклиматологических реконструкций
Глава 5 Стадии и осадки мезомасштабных конвективных систем по данным метеорологических спутников
5.1 Композиционные поля осадков и стадии жизни МКК 179
5.2. Частота опасных явлений и географические особенности возникновения МКС 185
5.3 Спутниковые оценки интенсивности осадков. 193
5.4. Диагноз и прогноз развития мезо- а-масштабных конвективных систем 197
Глава 6. Временная изменчивость и центры грозовой активности в Южной Америке
6.1 Грозовые разряды типичных штормов и сети их детектирования 208
6.2 Внутрисезонные осцилляции грозовой активности 213
6.3 Очаги грозовой активности на субконтиненте 222
6.4. Осцилляции мезомасштабных очагов и вопросы регионального климата 226
6.5 Пространственно-временное распределение полярности грозовых разрядов 233
Глава 7. Реконструкция типов мезомасштабных систем по приземным данным
7.1 База данных мезоклиматологической реконструкции шквалов 238
7.2. Пространственно-временное преобразование метеорологических параметров при прохождении систем глубокой конвекции 248
7.3 Линия шквалов как плотностной поток 255
7.4 Реконструкция типа МЛШ по особенностям изменения приземного давления 260
Часть III. Мезомасштабное прогнозирование
Глава 8. Прогноз опасных явлений погоды: факторы и алгоритмы
8.1. Компонентный подход к прогнозу; общие и специфические факторы 271
8.2 Комбинирование факторов в прогностические индексы 282
8.3 Универсальный алгоритм обработки прогностических правил 288
8.4 «Нечеткая логика» и экспертные системы в прогнозе погоды 293
Глава 9. Описание текущей погоды по данным сетей детектирования грозовых разрядов
9.1 Электрическая активность мезомасштабных систем 302
9.2 Композиционные поля грозовых разрядов и лшзненныи цикл мезомасштабных систем 310
9.3 Мониторинг штормов и линий шквала: тренинг операторов 319
Глава 10. Концепция жизненного цикла в разработке правил диагноза и прогноза шквалов
10.1 Корректировка прогностических правил 323
10.2 Иерархический принцип и сочетание явлений 328
10.3 Формы и эволюция шквалоопасных мезо-Р- систем 332
10.4 Компоненты краткосрочного прогноза долгоживущих интенсивных линий шквалов 337
10.5 Климатология мезомасштабных систем и потенциал опасных явлений погоды 344
Глава 11. Компоненты прогноза ливневых паводков
11.1 Основные составляющие прогноза и паводковый потенциал МКС 351
11.2. Общие правила прогноза поля осадков 354
11.3 Ливневые паводки доминирующих локальных штормов 361
11.4 Осадки стационарных систем мезо-а 365
11.5 Диагностика стационарных фронтов на основе доплеровских сечений 370
Заключение 375
Литература 380
Приложение 1. 401
Приложение 2. 404
- Радиолокационные наблюдения конвективных штормов
- Мезомасштабная конвергенция и развитие скоплений кучево-дождевой облачности
- Осцилляции мезомасштабных очагов и вопросы регионального климата
- Компоненты краткосрочного прогноза долгоживущих интенсивных линий шквалов
Введение к работе
Актуальность научной проблемы включает общенаучный, методический и прогностический аспект комплексного обобщения радиолокационных и других наблюдений жизненного цикла мезомасштабных конвективных систем, включающего описание иерархии элементов МКС: от ячеек СЬ до скоплений штормов - характерных стадий, организации и типичной эволюции МКС, типов осадков и систем циркуляции, а также разработки адекватных методов анализа эволюции МКС и оценки прогнозируемое опасных явлений.
Предмет исследования: эволюция мезомасштабных конвективных систем (МКС) - ансамбля грозовых штормов, производящих непрерывную зону осадков масштаба не менее 100 км. Понятие МКС включает спектр форм и масштабов систем глубокой конвекции от линий шквалов, скоплений локальных штормов, мезомасштабных конвективных комплексов до систем осадков фронтов и тропических циклонов (Cotton и Anthes, 1989, Houze, 1993, 2004, Severe Local Storm, 2001).
Наиболее значимый результат исследований автора - это концепция жизненного цикла мезомасштабных конвективных систем, согласно которой отдельные кучево-дождевые облака организуются в иерархически соподчиненные мезомасштабные скопления, возникающие и проходящие свой жизненный цикл в определенных местах транслируемой с единой скоростью циркуляционной системы. Появление доминантных скоплений приводит к квазипериодическим колебаниям максимальной интенсивности системы и её волноподобной пространственной структуре.
Цель исследования - обобщить 25-летний опыт наблюдений, анализа и прогноза МКС и представить концепцию жизненного цикла МКС как способ обобщения закономерностей развития мезомасштабных конвективных систем и их элементов, а также продемонстрировать научный и методический потенциал этой концепции.
Для достижения поставленной цели последовательно решены задачи: эмпирическое описание эволюции и иерархии скоплений кучево-дождевой облачности и формулирование их общих свойств в виде концепции жизненного цикла МКС (часть I, главы 1,2); разработка методов анализа и способов классификации наиболее интенсивных МКС (часть I, главы 3,4); демонстрация применимости концепции для научного обоснования и интерпретации результатов мезоклиматологических реконструкций (часть II, главы 5,6,7); показ роли концепции в обосновании и разработке принципов и практических алгоритмов мезомасштабного прогнозирования (часть III, главы 8,9,10,11). В заключении формулируются положения, выносимые на защиту, и делается вывод, что концепция жизненного цикла создает понятийную и методическую базу, необходимую для формирования нового направления фундаментальных и прикладных исследований.
Новизна результатов диссертации заключается в открытии закономерностей эволюции МКС, их обобщении в концепцию жизненного цикла мезомасштабной конвективной системы, в обосновании способов классификации МКС и разработке на этой основе комплекса методов и алгоритмов мезомасштабного анализа и прогноза.
Апробация. Результаты представлены на Всесоюзных конференциях и семинарах по активным воздействиям на на гидрометеорологические процессы (Киев, 1987; Нальчик, 1987, 1989, 1991), с 8 по 12 Бразильских, и 2, 8 Латиноамерикано-Иберийских метеорологических конгрессах (г. Бело Оризонте, 1994, г. Кампос до Жордао, 1996, Бразилиа, 1998, Рио де Жанейро, 2000, Фоз де Игуасу, 2002, Бразилия), на Международных конференциях: 7 и 8-й по мезомасштабным процессам (г. Рединг, Великобритания, 1996 и г. Боулдер, США, 1999), на 28-й по радарной метеорологии (Остин, США, 1997), на 20-й по локальным штормам (Орландо, США, 2000), по проблемам гидрометеорологической безопасности (Москва, 2006); Ассамблеях Международного геофизического и геодезического союза (1989, 1991, 1995, 2005) и др., на семинарах ведущих научных учреждений России и Бразилии. Исследования автора с 1993 по 2002 год поддерживались государственными органами Бразильской Федерации, шесть работ [7, 15-18] заслужили награды Бразильского метеорологического общества. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, включая диссертацию кандидата наук.
Структура и объем. Диссертация изложена на 400 страницах, включает введение, 11 глав, заключение, в т.ч. 35 таблиц, 143 рисунка и два приложения, в списке литературы 345 наименований.
Благодарности. Только поддержка к.физ.мат. наук А. А Желнина и к. геогр.наук О.Ю.Ленской, позволила автору завершить этот труд.
Радиолокационные наблюдения конвективных штормов
На протяжении 60 лет, прошедших после «Thunderstorm Project» (Byers, Braham, 1948), некогерентный импульсный радиолокатор — основное средство наблюдений горизонтальной и вертикальной структуры отражаемости конвективных штормов.
Радгюлокагщонная отражаемость Г) [см"1] является суммой эффективных сечений обратного рассеяния а гидрометеоров, приведенной к объему, заполненному этими частицами. Отражаемость Г радиолокационного объема Vpad, удаленного на расстояние г от радара пропорциональна мощности Рг сигнала, отраженного от этого объема:
Константа радара С содержит скорость света с и технические характеристики: Р, мощность излучаемой энергии, обычно от 250 до 1000 кВт; Р0 - «уровень шума» в милливаттах; G безразмерный коэффициент усиления антенны 104; А, длина волны излучения, обычно от 3 до 10 см; т - длительность импульса от 1 до 2 мкс; 0 ширина луча в радианах (в градусах 1-2). Характерные для конвективных штормов значения Гцо на А,=10 см находятся в диапазоне от 10"10 до 10"7 см"1.
Сечение обратного рассеяния а зависит от длины волны излучения X, размера, фазового состояния и формы частиц. Согласно теории рассеяния Рэлея сечение с сферических частиц с диаметром D, много меньшим X (D 0,1 X):
Вместо отражаемости Г можно ввести не зависящий от длины волны фактор отражаемости Z:
Когда в выражении для Z неизвестную величину л:2 заменяют на её значение для воды 0.93, вместо фактора отражаемости, говорят об эквивалентном факторе отражаемости Ze. Общепринятые единицы измерения Zc мм6/м3. Для удобства вводят децибелы dBZe =dB[Ze (MM6/MJ)] =10 lg Ze, или не акцентируя отличие Z и Ze, говоря просто об отражаемости Z в dBZ или интенсивности радиоэха (см. Таблицу 1.2.1). По отражаемости радиоэха штормов Z наблюдаемого у поверхности земли, используя уравнения связи Z=300R1,5, можно оценивать интенсивность осадков R в мм/ч (см. главу 11) и возможность гроз и града. Диапазон изменений отражаемости Ze в жидких осадках от 0 до 60 dBZe и достигает 70 dBZe в градовых облаках.
Кучево-дождевые облака на экране радара идентифицируются по характерной структуре радиоэха, состоящей из радиолокационных ячеек осадков, или просто ячеек. На ИКО радара ячейка конвективных осадков проявляется как локальный максимум отражаемости Z с характерным диаметром горизонтального сечения до 10 км. Ячейка, для простоты представляемая циркулягщей терліика, может быть одноячейковым грозовым штормом или элементом многоячейкового (мультиячейкового) шторма (рис. 1.2.1). Вертикальное развитие ячейки на индикаторе дальность-высота (ИДВ) наблюдается -30 минут (рис. 1.2.1а). Ячейка в проходит три стадии жизненного цикла: молодости, термика с нарастанием восходящих движений, стадии максимального развития (или зрелости), и диссипации. Максимальная интенсивность восходящих и нисходящих движений в шторме на данный момент времени связана с определенной зрелой ячейкой, например, со зрелой Я2 (рис. 1.2.16), ответственной за максимальную высоту Нмах и максимум отражаемости всего шторма ZMax., тогда как восходящие движения в новой молодой развивающейся ячейке ЯЗ только начались, а нисходящие в старой диссипирующей Я1 ослабевают. Сочетание новой и зрелой ячейки в шторме формирует своеобразный вертикальный профиль отражаемости: навес над областью слабого радиоэха (см. weak echo region WER, 3 в). Эту форму мультиячейкового и суперячейкового шторма можно использовать для диагноза наиболее новых частей облака, например для определения площадки засева льдообразующими реагентами при противоградовых работах.
Вероятность гроз и града из данного шторма можно оценить по высоте проникновения верхней границы облачности Нтах или отражаемостей 30-45 dBZ (см. также главу 9, данной работы) в область отрицательных температур, т.е. выше нулевой изотермы HQ. Например, для гроз на территории России (см. Брылев, 1989, с.478) от 45-60 с.ш. радиоэхо гроз Нтах в среднем превышает высоту Но примерно на 5 км.
Превышение высот отражаемости Z=45 dBZ, Н45, высоты Но является признаком градоопасности конвективных ячеек, Так согласно Joss (1990) при выполнении неравенства Я45 Я0 + 1,4км град у земли наблюдается в 50% случаев. Аналогично в РУКОВОДСТВЕ, 1986 [137], критерий градоопасности принят как #45 Н0 + 1км. Очевидно, что согласно вышеизложенным критериям на рис. 1.2.1 представлены градоопасные грозовые шторма,
Согласно [137 с. 454]) критическими для конвективных явлений являются высоты изотерм -30 и -40С, Н.3ос и Н.4ос. При Нтах Н.40с в 77% случаев наблюдается град, при H.3oc Hmax R40c в 87% - грозы без града и Н.3ос Нтах -ливни без гроз. Заметим, что отражаемость, соответствующая Нтах в [137] не приводится; по косвенным признакам можно полагать, что Z (Hmax) 5 dBZe в пределах до 60 км от МРЛ.
Скорость ячеек и трансляция системы осадков. Наблюдая движение отдельных ячеек на экране радара, можно прийти к выводу, что ячейки в шторме движутся примерно с одной и той же скоростью, называемой также скоростью ведущего потока ячеек или скоростью трансляции ячеек.
Средняя скорость облачных ячеек определяется следующим образом. В неподвижной относительно радиолокатора системе координат определяются векторы положения центров отдельной і-ой ячейки осадков в моменты времени U\ и t2\, rVlurv соответственно. Вычисляется разность &r,=r2t ги - вектор перемещения за промежуток At = tb -г,,и затем находится V, Аг, -ДГ1. Значения Vti как правило, близки: разница в направлениях векторов - не более 10, а в величинах скорости - 2-3 м/с. Искомая скорость V определяется как среднее по нескольким значениям V,,. Исследования показали, что обычно V можно считать постоянным в пределах области 100 км и промежутка времени 2-3 часа. Отсюда следует, что данная скорость может быть принята в качестве скорости системы по крайней мере для систем масштаба мезо-(3.
Использование термина «скорость ведущего потока ячеек» обусловлено тем, что скорости ячеек близки к скорости ветра в средней тропосфере (700-500 гПа). Недавно, Corfidi et al., 1996 показали (см. рис. 1.2.2), что конвективные ячейки штормов, наблюдаемых при развитии мезомасштабных конвективных комплексов (МКК), движутся со скоростями, близкими к ветру в слое 850-300 гПА, определяемому как у _ \ 850 + W0O + 500 + WOO (1.2.4). Напомним, что ввиду небольшого времени жизни р/л ячейки промежуток времени между последующими ИКО-изображениями для определения средней скорости ячеек не должен превышать 3-5 мин, что не всегда возможно реализовать. В любом случае промежуток времени At должен быть не более 10 мин, т.к. при больших At возможно ошибочное определение скорости из-за ложной идентификаций і-й ячейки и подмена скорости ячеек видимым движением радиоэха шторма.
Вернемся к рис. 1.2.16, где движение ячеек шторма направлено вдоль стрелок с юго-запада на северо-восток, а новые ячейки возникают периодически, через 15-20 минут на правом фланге от предыдущих, затем диссипирующих. Такой процесс обновления типичен для северного полушария, где преобладают праводвижущиеся (т.е. отклоняющиеся вправо от направления движения ячеек) мультиячейковые шторма.
Ошибочное определение скорости ячейки может возникнуть, когда новую ячейку принимают за старую, ядро осадков которой к данному моменту времени исчезло. На рис. 1.2.1 г, д показана верная (1.2.1г) и не правильная (1.2.1д) идентификация ячеек ЯЗ и Я4 на двух снимках, разнесенных на 20 минут, и соответствующие им композиционные изображения мультиячейкового шторма.
Другое препятствие в нахождения истинной скорости потока заключается в так называемом «непрерывном развитии» р/л ячеек, когда изоконтуры радиолокационной отражаемости определенной ячейки сливаются с контурами новой, позже возникшей ячейки. Это проблему можно решить используя метод определения потока по сохраняющимся фрагментам поля радиолокационной отражаемости.
Опыт показывает, что на экране радара можно выделить также более крупные фрагменты поля отражаемости, которые сохраняют свою своеобразную структуру (например, пересекающиеся линии, кольцевые сегменты и т. п.) относительно долго ( 30 минут и более). Анализируя смещение фрагментов поля радиолокационной отражаемости которые сохраняются в течение времени больше одного часа, можно определить скорость потока, даже если временное разрешение между последовательными изображениями ИКО составляет порядка 20 мин. В методе определения скорости потока, использованным в [13,27,34,37], фрагмент поля отражаемости, имеющийся на первом изображении, особым образом накладывается на последующее изображение, в предположении, что средняя скорость смещения фрагментов равна скорости смещения системы осадков. Затем эта процедура может быть повторена. На рис. 1.2.3 представлен пример применения этой процедуры к определению потока для мезомасштабной линии шквала в момент, когда конвективная линия сливается с штормами, расположенными впереди нее. Фрагменты, выбранные для суперпозиции, отмеченные как F1 и F2 рис.1.2.3 а-д, соответствуют линиям масштаба 30-40 км, перпендикулярным линии неустойчивости в северо-западной и центральной частях изображения.
Мезомасштабная конвергенция и развитие скоплений кучево-дождевой облачности
Обзор работ [162-163, 167-168, 169, 170-173, 176-177], посвященных поиску закономерностей связи между осадками систем СЬ-конвекции различного масштаба и зонами приземной конвергенции ветра и влаги показал, что определяющим для прогноза является пороговое значение конвергенции, начиная с которого область конвергенции влияет на данный масштаб системы осадков. Исходя из иерархии масштабов скоплений и скорости роста их размеров (глава 2), или скоростей развития доминирующих штормов (п.ЗЛ), можно произвести грубые оценки этих порогов [18,74]. Предполагая, что влажный воздух близок к насыщению, и влага, поступающая вследствие сходимости ветра в область развития скопления, например, в навес шторма, мгновенно конденсируется и выпадает в виде осадков, тогда по отношению скорости расширения контура г осадков Vr к размеру контура г можно оценить его конвергенцию
Оценки множителей можно произвести, приравнивая скорость изменения контура к скорости развития Vp, Vr «VP, а радиус контура к некоторому характерному масштабу скопления, например, к половине модального размера r=R„/2. Так, принимая скорость увеличения размеров мезо-а кластера Vr 25км-ч 1 =7х10 3км/с, а половину модального размера г 150 км, получим convVr =4,6-10"5 с-1. Аналогично оценим сходимость для одиночной ячейки или навеса шторма, малых и больших мезо- Р-скоплений (Таблица 3.2.1). Заметим, что схожий результат мы получили бы из формулы 3.2.1, используя зависимость скорости роста больших мезо-р-скоплений R„2 = 60-л/г, предположив
Предполагая, что скопления находятся на середине своего времени жизни, получим следующие величины сходимости (таб.3.2.1). Для доминирующего шторма необходимая «величина конвергенции равна 2,8x10"4 с" . Полагая, что восходящие движения W в слое развития высотой h пропорциональны горизонтальной конвергенции в этот слой, оценим вертикальную скорость в области возникновения скоплений W = convV -И. (3.2.3)
Оценки восходящих движений для глубины слоя конвекции h=10 км, приведенные в таблице 3.2.1, в целом удовлетворительно описывают диапазон восходящих движений облачной и мезомасштабной ячейки, а также а-мезомасштабные движения во фронтальных мезополосах и мезомасштабных конвективных комплексах. Основываясь на наблюдаемой иерархии, мы предположили [74], что кроме этих масштабов существует циркуляционная система движений масштаба большого мезо-Р, время жизни которой несколько часов с горизонтальными размерами около сотни километров и сходимостью 10"4 с"1, при скорости восходящих движений от десятков см/с до 1 м/с.
Стационарные зоны конвергенции. Иерархический подход позволяет выделить в приземных термодинамических полях возмущения масштаба, соответствующего зонам осадков. В работах [70, 73-75] было показано, что подмосковная сеть станций, рассчитанная на процессы синоптического масштаба, при расстоянии между станциями 40-50 км и с интервалом поступления информации 1 час содержат вполне значимый мезомасштабный сигнал. Действительно, из таблицы 3.2.1 следует, что для больших мезомасштабных скоплений при площади возмущения 104 км2, характерные значения-конвергенции составляют 10"4 с"1, что с учетом корректировочного множителя F равного 0,4 для сети с разрешением 50 км (п. 1.1) соответствует сигналу конвергенции на полигоне около 4-Ю"5 с"1.
Наблюдения показали, что в 95 случаях из ста максимальные за 1 час интенсивности ( 5 мм/ч) осадков наблюдаются при наличии на полигоне областей сходимости с величиной конвергенции 4х10"5 с"1. По данным ежечасных наблюдений периодичности менее 2 часов не могут быть выделены, а движущиеся мезомасштабные зоны конвергенции трудно идентифицировать, поэтому нами в основном исследовалась взаимосвязь стационарных зон конвергенции и больших мезо-р-зон осадков. Стационарными мезомасштабными зонами конвергенции (СМЗК) мы называем зоны сходимости приземного ветра, где величина расчетной конвергенции, превышающей 4 10"5с"1, наблюдалась в течение 2 и более часовых интервалов подряд.
Обнаружено, что СМЗК, сопряженные с локальными неоднородностями тепла и влаги, могут существовать несколько часов и имеют масштаб от нескольких десятков до сотни километров. Максимальное в нашей выборке время жизни СМЗК составило 13 ч; примерно 80% СМЗК живут три и более часов, т.е. локализация явления, связанного с СМЗК, при прогнозе на 3 ч может быть успешной с вероятностью около 80%. Самая большая СМЗК имела площадь Sm=6,3 х 10 км" при значении максимальной конвергенции Ст=1,6х10"4 с"1. Более 40% всех Sm находились в пределах (2,2- -3,4)хЮ км, т. е. средние линейные размеры зон примерно равны 50—60 км. В действительности же зоны имели различную форму, чаще эллипсоидальную. Распределение расстояний между центрами наблюдаемых одновременно СМЗК имеет две моды 60 км и 120 км, на этих расстояниях находится более 50% центров СМЗК.
Обнаружено, что в половине случаев максимальные мгновенные значения интенсивности осадков наблюдались вблизи стационарных зон сходимости над СМЗК или на удалении от них не более 30 км. Почти в половине дней первые в радиусе обзора осадки (см. рис.2.1.2-3) возникали в стационарных зонах конвергенции.
Обнаруэюено также, что при приходе осадков извне вблизи СМЗК происходит трансформагщя направления пространственного развития новых зон осадков малого -масштаба. Вследствие этого наблюдается ряд явлений, таких как «стационирование» зон осадков, деления их на лево- и праводвиэюущиеся, а так же слияние зон осадков. Максимальные суммы осадков наблюдались в подветренной стороне зон сходимости ветра. Во всех этих случаях эволюция больших мезо- -скоплений оставалась квазипериодической с периодом колебаний около 1 часа.
Наиболее ярко трансформация пространственного развития БМС выражается в «сгущении» траекторий наиболее интенсивных осадков вблизи СМЗК. В качестве типичного примера такого «сгущения» рассмотрим траектории наиболее интенсивных осадков, наблюдавшихся с 13 до 21 часа вблизи стационарной МЗК 23 мая 1990 года (рис. 3.2.1а). Стационарная МЗК появилась на полигоне в 11 ч и имела два ядра наиболее интенсивной конвергенции convVnp 8-Ю"5 с"1. В зоне Ss, осадки с интенсивностью более 10 мм/ч начинаются в ІЗ20 и проходят вблизи восточного ядра СМЗК. Осадки такой интенсивности продолжаются до 15 , причем после выхода за пределы СМЗК в 14 траектории наиболее мощных осадков разветвляются.
Оценим скорость развития штормов, вычитая из скорости движения максимума осадков вектор трансляции (рис. 3.2.1 б). Скорость трансляции Vm в этот день равнялась 40 км/ч, и ячейки двигались практически с запада (260) на восток (80), средняя же скорость максимума осадков до 14 составила 50 км/ч, и двигался он на северо-восток (60). Следовательно, его развитие, направленное влево и вперед относительно пассивной трансляции, составило 25 км/ч (вектор 1, на рис. 3.2.16). После бифуркации траектории в 14 максимумы осадков имели скорости 40 км/ч и 30 км/ч, направленные из 240 в 60 и из 270 в 90, которым соответствуют вектора развития 21 км/ч (вектор 2) влево от Vm и 12 км/ч вправо от Кш(вектор 3).
Осцилляции мезомасштабных очагов и вопросы регионального климата
Выделенные выше мезомасштабные очаги имеют различную степень пространственно-временной локализации: одни активны в течение всего сезона, находясь в одной, строго определенной области, другие заметно мигрируют вокруг своего среднего положения. Рисунки 6.4.1 и 6.4.2а, иллюстрируют вариации пространственной позиции центров действия в отдельные месяцы различных сезонов. Например, ранней осенью 2001 и начале лета следующего года (рис. 6.4.1а,б) активны как юго-восточный с ядрами в 3-4 р/км /мес, так и очаги I и II волноподобной андийской полосы 0.6 р/км /мес. Положение очагов I, II совпадает с зоной наибольшей повторяемости градовых штормов и стадии зарождения мезомасштабных конвективных комплексов Южной Америки. Эти области зарождения в свою очередь, соответствуют замкнутой циркуляции верхних уровней (200 гПа), называемой Боливийским антициклоном (Алта да Боливия), центр которого мигрирует между севером и югом примерно на 10. Согласно Jones е Horel, 1990, Алта да Боливия смещается от северной климатической позиции, на 15ю.ш. и 67,5 з.д., в середине лета, 12-16 января, к южной 21 ю.ш., 65з.д. в начале осени. Очаги гроз расположены всего на 100-200 км юго-восточнее этих средних точек, что можно считать удовлетворительным совпадением.
Пространственная привязанность горных очагов ЮВО и I, II сочетается с их сезонными колебаниями, например, ранней весной, в сентябре (рис. 1в), боливийский центр и ЮВО почти себя не проявляют, тогда как по-прежнему интенсивен «языковый» максимум III.
Географическая привязка третьего максимума (-60-62 з.д. и 29-31ю.ш.) менее однозначна, чем предыдущих. Нами найдено, что весенне-летний максимум в этой области отмечается также на осредненных изображениях GOES-8 (см. н.п. Guedes е Machado, 1997), хотя и там границы, концентрирующие «холодные» пиксели менее определенны, чем первых максимумов. Сравнивая положения максимума III в отдельные месяцы можно заметить, что максимум от города Корриентес на р. Парана (рис. 6.4.1а, а также 6.4.2а) смещается юго-восточнее в регион Миссий в шт. Рио Гранде до Сул (рис. 1в) или северо-западнее (рис.16) в Парагвай. В сентябре 1999 г. это смещение максимума разрядов отчетливо проявилось в аномалиях осадков 50 мм (рис. 6.4.1 в), хотя положительные аномалии в регионе,.как считает большинство авторов, не свойственны холодной фазе ЭНЮК. Сопоставляя ряд признаков, мы предположили [63], что позиция третьего максимума определяется сезонным смещением субтропического фронта с юга на север и обратно, и, соответственно, струи верхних уровней и широтного колебания струеобразного потока нижнего уровня. Поскольку аналогичный механизм может объяснить и сезонную миграцию зоны циклогенеза (см. 6.3.16), пространственное разделение которой с максимумом III не очень надежно, мы оставляем этот вопрос для будущих исследований и приводим на 6.3.1а две крайние южные позиции очага III.
Выделение в иерархии крупномасштабных и долгоживущих структур типа андийской полосы или юго-восточного очага мы обосновали их частотным проявлением доминирующих событий на КПГ, т.е. согласно подходу жизненного цикла отобразили последовательность доминирующих скоплений и исследовали их пространственную локализацию. Далее, выделив на годовых аккумуляциях мезо-а масштабные очаги размером в 2-3, т.е. 200-300 км, мы, фактически, нашли возможные места «сгущения траекторий» этих структур. Для доказательства того, что выделение очагов не случайно и для оценки прогностической значимости, достаточно продемонстрировать, что мезо-а масштабные очаги регулируют появление доминирующих скоплений меньшего масштаба, т.е. мезо-р.
Для этого будем регистрировать месячные позиции абсолютных максимумов ГРОЗ в масштабе 104 км2 так, как это сделано на рисунке 6.4.2а, а затем сопоставим их положения с выделенными нами областями. Как видим, из сравнения на рисунка 6.4.2а и 6.4.26 в мае 1999 г. выделяются три очага, причем абсолютный максимум находится в Южной Атлантике, где и майские максимумы за другие годы. Сопоставление последовательных позиций максимумов позволяет сделать обобщения, касающиеся мезомасштабных очагов в зоне уверенной детекции RID AT.
С апреля по сентябрь позиция максимумов снова становится более определенной: в апреле наиболее активные точки находятся на западе Парагвая и севере Аргентины (между 23-24 ю.ш. и 60-65 з.д.), мигрируя в мае в Атлантический океан (25-30 ю.ш., 40-45 з.д.) и возвращаясь в июне на континент в той же широтной полосе. Зональная осцилляция активности с середины осени к началу зимы, очевидно, провоцирует появление океанических хвостов в аккумулированных за год разрядах (рис. 6.3.1).
В июле, августе и сентябре конвективная активность сосредотачивается в пределах языка III, в границах районов штата Санта Катарина, Парана и Рио Гранде до Сул. Однако, если позиции максимумов в июле и августе флуктуируют по линии север-юг, то в сентябре грозовая активность сосредотачивается на северо-западе штата Рио Гранде до Сул и западе штата Санта Катарина (26-28ю.ш., 52-55з.д.). Необходимо заметить, что в сентябре концентрация гроз в квадрате 100 100км может достигать величин, характерных для летнего сезона. Такая локализованность конвективных явлений, очевидно, предполагает, что совокупность крупномасштабных факторов создает в данном месте особые мезомасштабные условия, в том числе и существенную разницу в годовом ходе конвективной активности даже между соседними бассейнами рек [257,221].
Роль открытия мезомасштабных очагов гроз для разрешения ряда вопросов региональной климатологии обсуждается нами в [63]. Здесь мы кратко коснемся лишь вопроса учета масштаба очагов в районировании плювиметрического режима, опасных явлений и поиске дальних связей. Для этого обратимся вновь к внутрисезонной изменчивости интенсивности отдельных близлежащих областей очагов (рис. 6.4.3). Например, области границы очагов I-II отстоят всего примерно на 400 км. Зимой в очагах Ьи II, как и на юго-востоке Бразилии наблюдается слабая активность. В более северной Алте да Боливия (I) максимум достигается вь декабре; а в Байше до Чако (II) на месяц позже - в январе. При этом в очаге I также появляется максимум в марте-апреле. Поскольку очаг I находится дальше от сенсоров гроз, чем очаг II, то почти сравнимые значения количества гроз свидетельствуют о высокой активности первого. Принимаем во внимание существование подтверждений (Williams, et. al. 2000 [324]) того, что на промежутках от месяца и сезона для относительно больших площадей от 1x1 до 4x4, т.е. на масштабах, сравнимых с альфа-кластером, увеличение или уменьшение числа разрядов отражает не увеличение грозовой активности индивидуальных штормов, а в большей мере изменение числа возникающих штормов. Наблюдение существенного различия сезонного хода активности близлежащих очагов I и ІГ определенно означает, что условия возникновения мезомасштабных конвективных систем в течение теплого сезона здесь также отличаются.
Вопрос о границе зон зарождения конвективных скоплений, границ регионов с однородным плювиометрическим режимом непосредственно связан с исследованиями связей аномалии температуры поверхности Тихого океана и осадками (Casarin е Kousky, 1986, Diaz et al., 1998, Robertson e Mechoso, 1998, 2000, Grimm et al., 2000, Camiloni e Barros, 2000, Sansigolo et al., 2000 и др.), где используются поля реанализа численных моделей, метеостанций, спутниковая климатология и др. данные, рассчитанные в узлах сетки 2,5х2,5 или осредненные по большей площади. Опуская подробности, скажем, что меридиональные внутрисезонные колебания положения максимума в третьем очаге могут серьезно влиять на интерпретацию данных в зависимости от того, как выбрано окно, где усредняются данные о грозах или осадках. Несколько смещая окно осреднения в регионе, близком к очагу III, мы можем получить два или даже три внутрисезонных максимума грозовой активности (осадков)-в пределах одного относительно небольшого бассейна, что, например, демонстрируется на оценке внутрисезонной изменчивости паводков на реке Игуасу и Верхний Уругвай (рис. 6.4.3).
Среди прочего нами отмечено, что во многих случаях неоднозначность и противоречивость выводов различных авторов, касающихся влияния фазы Элъ-Нинъо-Южное колебание на распределение осадков в южной и юго-восточной части Бразилии, вызвана неадекватностью пространственно-временного разрешения данных для отображения выделенных выше центров конвективной активности и их миграции.
Компоненты краткосрочного прогноза долгоживущих интенсивных линий шквалов
В силу индивидуальности стихийных бедствий, обширных разрушительных шквалов масштаба мезо-а накопление «статистически достоверных» опытных правил их прогноза практически невозможно, но именно эти экстремальные масштабные явления получают широкий общественный резонанс, и именно на предотвращение их ущерба должны быть направлены основные усилия. Покажем, что концепция определяет оптимальный процесс подготовки к встрече этих событий и объясняет значимость факторов прогноза.
Факторы развития дерешо. Мезомасштабные конвективные системы, сопровождающиеся обширными разрушительными шквалами, в американоязычной литературе принято называть derecho, от испанского «прямой» или «прямолинейный» по характерному прямолинейному виду разрушений, в отличие от разрушений «закрученных» tornado.
С 90-х годов определению дерешо придается строгость, и оно включает интенсивность и масштабы явлений. Так, Jonhs and Hirts (1987) определяют дерешо, как конвективные системы, производящие непрерывную область (см. рис. 10.4.1) ветровых разрушений или (и) шквалов больших 26 м/с, с тремя и более случаями порывов 33 м/с (F1), которая достигает длины 400 км. Корректируя предыдущее определение, Evans and Doswell (2001), исключают условие порывов с F1, но вводят минимальный масштаб- ширину ветровых разрушений в 74 км и требование линейной или дугообразной структуры МКС на экране радара и отсутствие перерывов между сообщениями о шквалах, больших 2 часов или 167 км. Безусловно, что в изложенных определениях фигурируют мезо-сс-масштабные линии шквала (подробно вопросы критерия дерешо рассматривают Coniglio and Stensrud (2004) в связи климатологией дерешо см. п. 10.5). Среди 70 случаев, наблюденных за 4 теплых сезона в США, Johns and Hirts 1987, выделяют два типа дерешо: «progressive», которые можно перевести как одиночное поступательное, производящее одну непрерывную полосу ущерба и «serial»-серийное, из нескольких меньших полос шквалов (см. рис. 10.4.1).
Одиночные поступательные дерешо. Наиболее распространенные (75%) одиночные дерешо появляются на холодной стороне квазистационарных фронтов, вблизи точки сильной адвекции тепла и влаги на 850 мб (рис. 10.4.1а). Эти МЛШ, имея дугообразный конвективный регион, движутся почти вдоль направления среднего ветра (см. рис. 10.4.1 а) отклоняясь в среднем вправо на 15. Скорость почти всех одиночных дерешо (92%) составляла более 18 м/с, причем 56% из них двигались существенно быстрее среднего ветра ( 2,6м/с): одно из правил сформулированных нами в п. 10.2 уже подтвердилось для 75% случаев всех или 92% одиночного дерешо!
Серийные дерешо. Линии шквала с серийными дерешо возникали преимущественно в теплом секторе циклона и обычно двигались с скоростью 15 м/с или меньше в направлении почти перпендикулярном среднему ветру (рис. 10.4.16). Шквалы ассоциировались с волнами, сформированными отдельными дугами (очевидно, это сегменты масштаба мезо-Р), быстро смещающими вдоль линии. Описанное означает, что все 70 дерешо вызваны быстрыми МЛШ, причем не менее 70% из них следует отнести к сверхбыстрым.
В пользу заключения, что дерешо вызывается сверхбыстрыми МЛШ, говорит анализ результатов Evans and Dosweell, 2001, исследовавших данные аэрологического зондирования вблизи 67 дерешо за 11 лет с 1983 по 1993 в США. Ситуации, в которых развивались дерешо поделены на три категории: 27 дерешо с «сильным вынуждением», появлявшемся впереди быстро движущейся ложбины на средних уровнях и развитием циклона у земли (рис. 10.4.2а); 30 дерешо со «слабым вынуждением» (рис. 10.4.26), отмеченным только нижнеуровневой адвекцией тепла (другими словами слабовыраженное, почти баротропное окружение) и 10 дерешо в ситуации промежуточного характера (рис. 10.4.2в). Как видим, уже одна эта статистика говорит о сложности выделения типичной крупномасштабной ситуации, ведущей к развитию шквалов.
Энергия неустойчивости. Характеристики неустойчивости, такие как потенциальная энергии, расходуемая наиболее неустойчивой частицей нижнего 300 гПа слоя MUCAPE или нижнего километрового перемешенного слоя MLCAPE (рис. 10.4.3), так же, как и величина кинетической энергии, которую приобретает частица воздуха при испарении дождя в нисходящем потоке DCAPE, качественно отражающей интенсивность холодных оттоков (см. Gilmore and Wicker, 1998 и рис. 10.4.3а), имеют широкий диапазон изменений внутри каждой из категорий линий шквала, так что разделить их явным образом не представляется возможным.
Основные термодинамические и кинематические характеристики, выбранные нами из этой работы, представлены в таблице 10.4.1.
Отличие величины потенциальной энергии неустойчивости (таблица 10.4.1) обнаруживается только между МЛШ с сильным и слабым вынуждением. Значения MUCAPE «линий шквала теплого сектора» в центральном 50% частотном интервале от 700 до 3000 s Дж/кг меньше, чем MUG АРЕ «нефронтальных» от 2600 до 4200 Дж/кг. Заметим, что сравнительно низкие значения неустойчивости для МЛШ циклонов могут быть следствием нарушения правила климатической однородности выборки: поскольку циклонические МЛШ наблюдались круглогодично, а нефронтальные дерешо - преимущественно с июля по август. Заметим, что неустойчивость в слабовыраженных условиях, как для МЛШ с сильными шквалами, так и штормов без шквалов (четвертая строка таб. 10.4.1) практически не отличается.
Минимальные значения MUCAPE в таблице 10.4.1 формально демонстрируют, что вынужденные дерешо наблюдались даже при отсутствии неустойчивости, а нефронтальные при низких значениях -1300 Дж/кг. Это означает, что даже при близости времени зондирования к моменту прохождения МЛШ (не более 2 часов и не далее 167 км) неустойчивая стратификация окружающего воздуха может быть и не обнаружена. Сходным оказался и наш опыт анализа данных зондирования окружения линий шквала и локальных штормов в Южной Бразилии. Однако, автор не разделяет утверждения Evans, Doswell, 2001, что развитие конвекции в условиях «сильного вынуждения» может происходить при слабой неустойчивости или её отсутствии. Представляется более вероятным, что теплая несущая полоса в отдельных быстродвижущихся циклонах вырождается в узкое струйное течение нижних уровней, почти не фиксируемое обычным аэрологическим зондированием.
Очевидно, что данные таблицы 10.4.1 свидетельствуют лишь о несколько более значимом вкладе неустойчивости и энергии холодного оттока в развитие МЛШ в условиях слабой бароклинности. Практически идентичны диапазоны разницы АО потенциальных приземных температур (Д0 6-10С рис. 10.4.36) до и после прохождения холодного8оттока МЛШ, и в несколько в меньшей мере - диапазоны разницы потенциальной температуры смоченного термометра.
