Lightning activity over Western Siberia.pdf Введение Грозы оказывают широкий диапазон воздействия на природную и антропогенную среду. Молнии, формирующиеся между облаком и землей («Облако-Земля»), приводят к гибели людей и повреждению производственной и социальной инфраструктур [Го-ворушко, 2011; Андрианова и др., 2020], а также к возникновению таких опасных явлений, как лесные пожары [Барановский, 2019; Schultz et al, 2019; Кожекарь, Баранецкий, 2021; Kharyutkina et al, 2022]. В перечень опасных проявлений конвективной деятельности, к которым относятся грозы, входят и экстремальные осадки, ветры, град и торнадо [Аджиев, Кулиев, 2018; Прокофьева, Осипова, 2020; Черно-кульский и др., 2022]. Учитывая разнообразные последствия, связанные с грозами, точные прогнозы времени и места грозы потенциально могут иметь широкий спектр преимуществ для таких отраслей, как промышленность, энергетика, транспорт, сельское хозяйство и др. [Dowdy, 2016]. Для выбора грозозащитных мероприятий необходимо знать конкретную величину, характеризующую грозовую деятельность в данной местности. Интенсивность грозовой деятельности в данном районе земной поверхности определяется числом ударов (разрядов) молнии в год, приходящихся на 2 1 км земной поверхности - плотность разрядов молний (p). Такая информация может быть получена только при наличии многолетних непрерывных фиксирований разрядов молний автоматическими грозопеленгаторами. Грозопеленгаторы разрабатываются с 1980-х гг., но даже к сегодняшнему дню ими оснащены далеко не все территории. В России грозопеленгационными системами (ГПС) покрыта только европейская территория, для Западной Сибири регистрация гроз проводилась фрагментарно и, как правило, в течение короткого временного периода [Горбатенко, Ершова, 2011; Беликова и др., 2018; Тарабукина, Козлов, Иннокентьев, 2021]. При отсутствии результатов грозопеленгации, в практике выбора молниезащитных мероприятий, грозовая активность определяется средним многолетним значением суммы числа грозовых часов или грозовых дней в году. Однако основным ограничением такого метода является разреженная сеть метеорологических наблюдений (станций), что не позволяет составить карту пространственного распределения молниевой активности с высоким пространственным разрешением, которая будет использоваться для выбора рационального уровня молниезащиты. В последние десятилетия в некоторых регионах России визуально-слуховые методы наблюдения за грозами, проводимые на метеорологических станциях, дополняются инструментальным мониторингом [Аджиев и др. 2017; Аджиев и др., 2018]. Регистрация электромагнитного излучения от молниевых разрядов осуществляется с помощью наземных ГПС. Среди наземных ГПС существуют глобальные и региональные сети, базирующиеся на разных методах регистрации электромагнитного излучения молниевых разрядов [Беликова и др., 2018]. К глобальным ГПС относят Всемирную сеть локализации молниевых разрядов (World Wide Lightning Location Network, WWLLN) [Rodger et al., 2014], которая осуществляет регистрацию электрических разрядов типа «Облако-Земля» (Cloud-to-Ground) и «Облако-Облако» (Cloud-to-Cloud) с круглосуточной фиксацией момента времени и координат молниевых разрядов [Dowden, Brundell, Rodger, 2002]. Сеть WWLLN дает информацию о грозовой активности над всем земным шаром посредством регистрации электромагнитных сигналов от гроз в ОНЧ-диа-пазоне (3-30 кГц). В настоящее время сеть включает 70 датчиков [WWLLN, 2022], в том числе четыре датчика расположены на территории России (г. Якутск, г. Горно-Алтайск, с. Паратунка и г. Владивосток), находящихся на парных расстояниях от нескольких сотен метров до 10 тыс. км. Для локализации разряда молнии необходимо не менее пяти приемных станций. Согласно [Virts et al., 2013], грозопеленгационная сеть WWLLN обеспечивает возможность локализации молниевых разрядов в глобальном масштабе с высоким пространственным разрешением и позволяет получить оценки пространственно-временной изменчивости грозовой активности для любого региона планеты. Целью настоящего исследования является пространственно-временной анализ распределения плотности разрядов молний над территорией Западной Сибири по данным WWLLN и сопоставление очагов высокой плотности с полями значений индексов неустойчивости атмосферы, практикуемыми в методах прогноза грозы. Материалы и методы исследования Для настоящей работы используется архив данных WWLLN, накопленный за период 2016-2020 гг. Оперативные данные WWLLN выкладываются в открытом доступе с задержкой 6 ч на сайте World Wide Lightning Location Network в формате KMZ (Google Earth) [WWLLN, 2022] и включают момент времени отдельного разряда с точностью до микросекунды и его координаты [Клещева, Поталова, Пермяков, 2021]. Для удобства файлы в формате разрешения KMZ конвертируются в формат TXT с помощью ГИС-программ, после чего проводится их пакетная обработка с помощью языка программирования MATLAB. На основе данных о координатах разрядов молний, зарегистрированных сетью WWLLN, рассчитывается количество разрядов молний для сетки с ячейками 0,1° x 0,1° по долготе и широте для территории Западной Сибири (50-64° с.ш., 60-95° в.д.) за период 2016-2020 гг. Затем определяется площадь каждой ячейки, а на ее основе рассчитывается плотность разрядов молний р [разр./(км2хгод)]. Также проводится анализ временной изменчивости (многолетней и сезонной) грозовой активности над исследуемой территорией. Расчет плотности молний для населенных пунктов осуществляется для зон радиусом 5 км от географического центра каждого пункта. Такой радиус был определен на основе среднего значения площади населенных пунктов, расположенных на исследуемой территории; методика позволяет увеличивать или уменьшать радиус для уточнения значений плотности молний для крупных и малых пунктов соответственно. Заметим, что эффективность обнаружения удара молнии сетью WWLLN зависит от тока молнии, в среднем ~30 % от всех разрядов [Mallick et al., 2014]. Площади ячеек расчетной сетки и расстояния между разрядами молний и центрами населенных пунктов рассчитывались с помощью функций areaquad и distance для среды программирования MATLAB, входящих в специализированные пакеты расширения Mapping Toolbox и Antenna Toolbox (The MathWorks, Inc) соответственно. Функция areaquad позволяет рассчитать площадь широтно-долготного четырехугольника на поверхности Земли по данным граничных значений широты ((Pmin, ?max) и долготы (Pmm, Pmax) при заданном опорном эллипсоиде (reference ellipsoid, RE): areaqUad(p>min , Xmin , Pmax > Xmax > RE). (1) Функция distance позволяет рассчитать расстояние и азимут между двумя пунктами на поверхности Земли на основе их координат (p1, X1 и p1, X2 для первого и второго пункта соответственно) при заданном опорном эллипсоиде: distance(p1, X1, p2, X2, RE). (2) В качестве опорного эллипсоида в расчетах использовался эллипсоид, определенный всемирной системой геодезических параметров Земли 1984 г. (WGS 84). Площадь окружностей (S) в центре населенных пунктов рассчитывалась по формуле: S = nxR2, (3) где R - радиус окружности в километрах; л - число пи. Для оценки степени атмосферной неустойчивости используются данные за летние месяцы 19902019 гг. продукта реанализа ERA5: K-Index (далее -KIND), полученный с сервера Copernicus Climate Change Service [Copernicus, 2022]. Обработка и визуализация данных реанализа проводятся в математическом пакете MATLAB с использованием авторского скрипта. В слагаемые индекса заложено определение статической неустойчивости в слое от 1,5 (850 гПа) до 5,5 км (500 гПа), влажности на уровне 850 гПа и дефицита воздушной массы на уровне 700 гПа (3 км), т. е. значение индекса зависит от толщины влажнонеустойчиво стратифицированных слоев. Реанализ ERA5 создан Европейским центром среднесрочных прогнозов (ECMWF) и является пятым поколением реанализа глобальных атмосферных наблюдений ECMWF [Taszarek et al., 2020]. Применение данных реанализа ERA5 обусловлено рядом его достоинств: непрерывными рядами надежных данных за период более 40 лет (с 1979 г. по настоящее время), высоким пространственным разрешением (0,25° х 0,25°) и частым шагом по времени (1 ч). Результаты и обсуждение Согласно табл. 1, в целом над югом Западной Сибири плотность разрядов молний по данным WWLLN в среднем равна 0,25 разр./км2хгод и, как правило, изменяется в диапазоне 0,1^0,5 разр./(км2хгод). При этом максимальное значение р составляет около 1,5 разр./км2хгод. В целом изменчивость р над данной территорией исследования (значений в ячейках 0,1° х 0,1°) можно аппроксимировать гаммараспределением (рис. 1). Исследование пространственной изменчивости плотности разрядов молний по данным WWLLN показало, что над исследуемым регионом наблюдалась зона повышенной плотности молний с увеличением значений р от юго-востока на северо-запад. В пределах этой области выделены пять регионов со среднемноголетней плотностью молний, превышающей значения плотности соседних регионов в два и более раза (рис. 2). Эти регионы расположены над Кондинской низменностью, Среднеобской низменностью, Обь-Иртышским междуречьем, восточной периферией Южного Урала и над северо-западной периферией Алтайско-Саянской горной страны. Таблица 1 Основные статистические характеристики изменчивости плотности разрядов молний р, разр./(км2хгод) Table 1 Main statistical characteristics of lightning discharge density variability p, discharge/(km2xyear) Среднее Медиана СКО Min 5-процентиль 25-процентиль 75-процентиль 95-процентиль Max 0,25 0,23 0,13 0,003 0,08 0,16 0,32 0,49 1,44 10000 8000 6000 z 4000 2000 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 >1 p, раз./(км2 год) Рис. 1. Распределение значений р и их аппроксимация гамма-распределением Fig. 1. Distribution of р values and their approximation by the gamma distribution Самая высокая плотность молниевых разрядов наблюдалась в северной части Кандинской низменности (pmax ~1,4 разр./(км2хгод)) на юго-западной периферии Сибирских увалов. Вероятно, на увеличение плотности молниевых разрядов влияют орографический (северная часть этого очага располагается на системе возвышенностей) и термодинамический факторы (южная часть имеет сильную заболоченность и включает в себя крупную систему небольших озер). Очаги над Среднеобской низменностью и Обь-Иртышским междуречьем (pmax ~1 разр./(км2хгод)), предположительно, обусловлены влиянием болотных комплексов [Горбатенко и др., 2020]. Расположение «Обь-Иртышского» очага хорошо согласуется с очертаниями Большого Васюганского болота - одного из крупнейших болот в мире. Последние два центра повышенной молниевой активности выделяются, главным образом, по причине орографии - предгорий (pmax ~0,9 разр./(км2хгод)), и Алтайско-Саянской горной страны (pmax ~0,8 разр./(км2хгод)) соответственно. Аналогичные результаты были получены в работе [Kharyutkina et al., 2022]. Молниевая активность на территории юга Западной Сибири в основном наблюдалась с мая по сентябрь (рис. 3), где максимальная повторяемость молниевых разрядов приходится на июль (38,3 %), а минимальная - на сентябрь (2,5 %). При этом грозовая активность над регионом начиналась во второй половине апреля, с окончанием в октябре, но в сумме за эти два месяца плотность разрядов молний не превысила 1 %. Такое сезонное распределение плотности молний имеет значимую корреляцию с визуальными наблюдениями за числом дней с грозой и продолжительностью гроз [Горбатенко, Ершова, 2011]. Поскольку грозопоражаемости территорий присуща неоднородность пространственного распределения, для крупнейших населенных пунктов центральной и южной частей Западной Сибири была оценена плотность разрядов молний (рис. 4). Максимальное значение плотности отмечалось в Ханты-Мансийске (0,76 разр./(км2*год)), минимум получен для г. Кызыл (0,08 разр./(км2хгод)). В целом по всем пунктам среднее значение плотности разрядов молнии составляет 0,25 разр./(км2*год). Плотность разрядов молний выше среднего, помимо г. Ханты-Мансийск, также зарегистрирована в городах Нижневартовск, Тобольск, Кедровый, Томск, Новокузнецк, Барнаул и Горно-Алтайск. Высокие значения плотности разрядов молнии (выше 3,0 разр./(км2хгод)) для окрестностей Ханты-Мансийска были также получены и по результатам оптической регистрации молний спутником Micro-lab-1 за период 1995-1999 гг. [Konstantinova, Gorbatenko, Polyakov, 2017]. Следовательно, эти результаты не подлежат сомнению, и на территории высоких широт (выше 60° с.ш.) могут быть территории, на которых применяемый уровень молниезащиты должен быть выше, чем над другими территориями Западной Сибири. 1ансийск :тана A^tKeMepoBO -рек 1 Новокузнецк -5'Hs

Скачать электронную версию публикации