Conditions of squall formation in the south-eastern territory of Western Siberia.pdf Примерно двадцать миллиардов долларов состав-неустойчивости), рассчитанные на основе данных ра-ляют ежегодные потери народного хозяйства России отдиозондирования и позволяющие определить соответ-погодных условий [1. С. 105], среди которых шквалствие количественных значений индексов той или инойявляется одним из самых опасных явлений из-за ано-степени развития конвекции [3. С. 327-342].мально больших скоростей ветра и его сдвигов в соче-Целью данной работы является статистический итании с чрезвычайно интенсивным оседанием воздухадискриминантный анализ значений индексов неустой-и турбулентностью. Для сельского хозяйства шквалчивости атмосферы и определение их градаций по сте-опасен возможностью полегания посевов и как следст-пени развития конвекции в дни со шквалами.вие - гибелью урожая. Для энергетической отраслиМатериалом для исследований являются данныеопасность сильного ветра заключается в том, что естьАМСГ Томск (авиаметеорологическая станция в граж-возможность выхода из строя линий электропередачданском воздушном флоте) о наличии шквалов на при-из-за обрыва проводов, повреждения или опрокидыва-легающей территории в летние месяцы с мая по августния опор ЛЭП, повреждения трансформаторных под-в период с 1991-2008 гг. Информацией о характери-станций. Шквал опасен для коммунального и лесногостиках состояния атмосферы в дни со шквалами надхозяйств, для строительных организаций и организацийтерриторией Западной Сибири послужили данные аэ-топливно-энергетического комплекса, а также для всехрологического зондирования атмосферы станции Но-видов транспорта: авиационного, автомобильного, же-восибирск в сроки 00 и 12 часов всемирного скоорди-лезнодорожного и водного [1. С. 56-57].нированного времени (ВСВ) с мая по август за периодШквалом называется резкое усиление ветра в тече-1991-2008 гг., которые были взяты на сайтение короткого времени, сопровождающееся измене-. Анализировалось со-ниями его направления. Скорость ветра при шквалестояние атмосферы за 79 дней, когда регистрировалисьнередко превышает 20-30 м/с, продолжительность яв-шквалы.ления обычно несколько минут, иногда наблюдаютсяИндексы неустойчивости, полученные по даннымповторные порывы шквала [2. С. 546-547]. Шквалызондирования атмосферы, содержат информацию обывают двух видов: внутримассовые и фронтальные.значениях давления и температуры воздуха на уровнеВнутримассовые шквалы связаны с мощными облака-конденсации, о термодинамических характеристикахми конвекции - кучево-дождевыми в местных массах всостояния атмосферы, о влажности и сдвигах ветра вжаркую летнюю погоду над сушей или в холодныхслое от 1,5 до 5,5 км, о высоте уровней конденсации инеустойчивых массах над теплой подстилающей по-конвекции, конвективной потенциальной энергии ат-верхностью. Фронтальные шквалы (как правило, передмосферы и наличии задерживающего слоя.холодными фронтами) связаны с предфронтальнымиДля каждого дня, когда над юго-восточной терри-кучево-дождевыми облаками. В обоих случаях наблю-торией Западной Сибири наблюдался шквал, проанали-дается вихревое движение воздуха (с горизонтальнойзированы значения следующих характеристик состоя-осью) в облаках и под облаками [2. С. 546-547]. Внут-ния атмосферы [4. С. 141-146; 5. С. 558-612; 6. С. 73-римассовые и фронтальные шквалы в большинстве80]:случаев связаны с мезомасштабными конвективными1. Индекс LIFT оценивает степень стабильности,комплексами (кластерами) кучево-дождевых облаковкоторая измеряется разностью между температурами(Cb), которые представляют собой группы из несколь-поднимающейся частицы и окружающей среды наких Cb, покрытых общей перистой шапкой. Наиболееуровне 500 гПа. Он объединяет влажность и верти-мощные Cb сосредоточены в центре кластеров, на пе-кальный градиент в одном индексе, который менеериферии высота облаков несколько меньше. Оченьчувствителен к наблюдениям только уровня давления.опасны конвективные суперъячейки - облака, состоя-Однако LIFT оценивает уровень, от которого частицащие из одной долгоживущей квазистационарной ячей-поднимается, и восстанавливает график температурыки. Обычно с такими облаками связаны сильные ливни,окружающей среды выше уровня конденсации и нижеград, грозы, шквалы и даже торнадо.уровня 500 гПа, который нельзя рассмотреть детально:В настоящее время в Европе и Америке для прогно-LIFT=T500-Tр, (1)за опасных явлений, связанных с конвекцией, широкогде Т500 - температура окружающей среды на уровне189применяются аэрологические индексы (или индексы500 гПа, ºС; Tp - температура частицы на уровне500 гПа, поднимающейся с уровня 500 м над земнойLFCT Tp - Teповерхностью при среднем давлении, температуре иCINS = g⋅ ∫точке росы, ºС.eLFCT2.Индекс KINX (К index) описывает температурно-где CINS - энергия задерживающего слоя (Дж/кг), Tp -влажностное состояние атмосферы в слое 850-700 гПа,температура частицы, поднимающейся с уровня 500 м°С. K оценивает возможность возникновения конвек-над земной поверхностью до уровня конденсации су-ции, основанную на вертикальном градиенте темпера-хоадиабатически, выше уровня конденсации влажноа-туры и вертикальной протяженности слоя наибольшегодиабатически, °С; Te - температура окружающей сре-влагосодержания:ды, °С; LFCT - уровень свободной конвекции, гПа;KINX=(T850-T500)+TD850-(T700-TD700), (2)МL - высота слоя перемешивания, гПа; g - ускорениегде T500, T700 и T85о - значения температур на уровняхсвободного падения, м/с2; dz - толщина слоя между500,700 и 850 гПа, ºС; TD700, TD850 - значения темпера-уровнями LFCT и МL, гПа.тур точки росы, на уровнях 700 и 850 гПа, ºС.8. Индекс EQLV - высота выравнивания темпера-3.Индекс TOTL (Total Totals index) состоит из двухтур, гПа, т.е. высота верхней границы, до которой раз-компонентов: Vertical Totals index и Cross Totals index.вивается конвекция, когда над исследуемой территори-Данный индекс оценивает как статическую стабиль-ей было зарегистрировано наличие шквала.ность, так и влажность на уровне 850 гПа. Но может9. Индекс LCLP - давление на уровне конденсации, гПа.быть неприемлемым в случае, если уровень конвекцииПроведены дискриминантный анализ и статистиче-расположен ниже 850 гПа. К тому же конвекция можетский анализ значений характеристик неустойчивости ат-существовать вопреки высоким значениям TT, еслимосферы и оценка возможности их использования длянаблюдается значительная инверсия в верхних слоях:составления альтернативных прогнозов развития шкваловTOTL=(T850-T500)+(TD850-T500).(3)над юго-восточной территорией Западной Сибири.4.Индекс SWEAT (Severe WEAther Threat index)Поскольку термодинамические характеристики ат-оценивает потенциал (вероятность) неблагоприятныхмосферы региона в разные месяцы различаются суще-явлений погоды, объединяя несколько параметров вственно [7. С. 17-21], ее состояние в дни со шкваламиодном индексе: слой наибольшего влагосодержаниядля каждого месяца изучалось отдельно.(точка росы на уровне 850 гПа), нестабильностьВ табл. 1 приведены средние и экстремальные зна-(TOTL), скорость ветра на уровне 850 и 500 гПа, ад-чения исследованных индексов для двух сроков каждо-векцию теплого воздуха. Таким образом, это попыткаго месяца в дни со шквалом.объединить кинематическую и термодинамическуюОбнаружено, что большая часть шквалов образова-информацию в одном индексе. По-существу, SWEATлась на фоне такого состояния атмосферы, которое поможет использоваться для оценки возникновения не-работам зарубежных авторов [4. С. 141-146; 5. С. 558-благоприятных метеоусловий:612; 6. С. 73-80], принято считать лишь умеренно не-+20(TT- 49)+устойчивым.SS 850 ^сутрло4При изучении условий образования шквалов осо-850500,()бый интерес представляют индексы CAPE и BRCH, т.к.где SKT850 и SKT500 - скорости ветра в узлах на уров-суперячейки, с которыми связаны шквалы, обладаютнях 850 и 500 гПа; SHEAR - сдвиг ветра между уров-большим запасом конвективной потенциальной энер-нями 500 и 850 гПа.гии (CAPE) и могут пробивать тропопаузу, тогда их5.Индекс CAPE (Convective Available Potential En-перистая наковальня располагается над ней. Верхняяergy) - конвективная потенциальная энергия атмосфе-граница этой перистой наковальни, до которой разви-ры, Дж/кг, оценивается по следующей формуле:вается конвекция, есть индекс EQLV.EQLVTp-TeЗамечено, что конвективные ячейки развиваютсяCAPE = g ⋅ ∫Te ⋅dz (5)при энергетическом потенциале атмосферы, состав-LFCT ,ляющем, по меньшей мере, 2000 Дж/кг и при наличиигде g - ускорение свободного падения, м/с2; LFCT -вертикального сдвига ветра не меньше, чем 20 м/с вуровень свободной конвекции, гПа; EQLV - высотаслое атмосферы 2,5-5 км над поверхностью земли [4.выравнивания температур, гПа; dz - толщина слоя ме-С. 141-146; 5. С. 558-612; 6. С. 73-80]. Также конвек-жду уровнями LFCT и EQLV, гПа. Tp - температуративные ячейки развиваются при значениях индексачастицы, поднимающейся с уровня 500 м над земнойBRCH от 10 до 45. При значениях BRCH ≥50 суперповерхностью до уровня конденсации сухоадиабатиче-ячейки практически не развиваются, поэтому считает-ски, выше уровня конденсации влажноадиабатически,ся, что невозможно и развитие шквалов (следователь-°С; Te - температура окружающей среды, °С.но, анализировать максимальные значения индекса6.BRCH - коэффициент Ричардсона, который явля-BRCH нецелесообразно).ется индикатором вероятности развития не толькоВ результате исследования состояния атмосферы вшквалов, но и турбулентности в ясном небе. Значениядни, когда над юго-восточной территорией Западнойиндекса BRCH рассчитываются по значениям индексовСибири наблюдались шквалы, развитие конвекции ха-CAPE, отнесенных к величине сдвига ветра на высотахрактеризовалась следующими особенностями (табл. 1):500 и 6 000 м.- CAPE над исследуемым регионом в дни со шква-7.Индекс CINS (Convective Inhibition Energy) -лом не достигала высоких значений и менялась, вэнергия задерживающего слоя, Дж/кг, оценивается посреднем, в интервале от 96 до 585 Дж/кг. Такое несоот-следующей формуле:ветствие градациям, возможно, обусловлено тем, что190аэрологическое зондирование атмосферы в нашем ре-что соответствует 19 часам местного времени). В часыгионе выполняется рано утром, до начала развитиямаксимально возможного развития конвекции зонди-конвекции (в 00 часов по всемирному скоординиро-рование не производится;ванному времени, что соответствует 7 часам местного- по значениям индекса BRCH можно сказать, чтовремени), и вечером, когда конвекция уже ослабеваетдостаточно часто наблюдались условия, способствую-(в 12 часов всемирного скоординированного времени,щие формированию суперячеек.Т а б л и ц а 1Значения индексов неустойчивости атмосферы в дни со шкваламиМайИюньИюльАвгуст00 ч12 ч00 ч12 ч00 ч12 ч00 ч12 чLIFT (σ = 3,2)Среднее4,53,21,70,31,2-1,91,5-0,2 Минимальное-6,9-6,1-2,5-4-4,6-5,9-4,7-3,9SWEAT (σ = 52)Среднее159176145151160173181202 Максимальное422278334256300336355284KINX (σ = 5,4)Среднее22,123,525,527,127,528,527,128 Максимальное40,729,734,632,338,636,438,732,3TOTL (σ = 3,3)Среднее46,547,548,348,247,446,947,846,7 Максимальное60,854,653,452,853,153,85550,2CAPE (σ = 269)Среднее9630098187150585163536 Максимальное1800156046011001200145010301210LCLP (σ = 35)Среднее858785878823884862875834 Минимальное671708797727829756825788BRCH (σ = 52)Среднее7153,860,467,590,211,257,2Высота верхней границы конвекции (EQLV) дости-ной Сибири. Определены градации изменчивости ин-гала уровня 10-12 км, хотя средние значения высотдексов для дней со шквалами и произведено сравнениесоставляли в разные месяцы 6-8 км, причем наиболь-значений индексов с результатами, полученными зару-ших значений высота развития конвекции достигала вбежными авторами. По значениям индексов SWEAT,августе (табл. 2).KINX, TOTL, CAPE, BRCH, характеризующих разнуюВ табл. 3 приведена повторяемость шквалов пристепень неустойчивости атмосферы, можно заключить,значениях индексов, характеризующих разную степеньчто большая часть шквалов образовалась на фоне такогонеустойчивости атмосферы.состояния атмосферы, которое, по зарубежным класси-Проведен анализ значений индексов неустойчиво-фикациям принято считать [4. С. 141-146; 5. С. 558-612;сти атмосферы для юго-восточной территории Запад-6. С. 73-80] умеренно неустойчивым.Т а б л и ц а 2Индекс EQLV в дни со шкваламиМесяцEQLV, гПа СреднееМаксимальноеМай470280Июнь415281Июль446247Август358206Повторяемость значений индексов в дни со шквалами, %Т а б л и ц а 3Состояние атмосферыСрок, часы (ВСВ)LIFTSWEATKINXTOTLCAPEBRCHНеустойчива-6 ÷ -3300 ÷ 40030 ÷ 4050 ÷ 55103 ÷ 250010 ÷ 45 0045,13,832,925,33,811,4 1213,91,315,213,911,47,6Умеренно неустойчива-3 ÷ 0< 300< 3045 ÷ 500 ÷ 1030 ÷ 10 0025,393,763,346,853,239,2 1216,548,134,226,631,620,3При крайне неустойчивом состоянии атмосферыи не требуют значительной корректировки для исполь-сформировалось не более 2% от всех шквалов. Это го-зования в прогнозировании шквалов для данной терри-ворит о том, что условия развития шквалов в Европе итории. Интервал значений индекса BRCH следует уве-Америке отличаются от условий развития в исследуе-личить для составления прогноза шквалов над иссле-мом регионе, следовательно, для юго-восточной терри-дуемой территорией. А градации индексов KINX,тории Западной Сибири необходима корректировкаSWEAT, CAPE, напротив, гораздо ниже интервалов,пределов изменчивости индексов, соответствующихрассчитанных для европейской территории.определенной степени устойчивости атмосферы. ЛишьДля всех индексов был проведен дискриминант-значения индекса LIFT говорят о том, что шквалы об-ный анализ за три летних месяца (июнь, июль, ав-разовывались при неустойчивом состоянии атмосферы,густ), построены графики статистического распреде-191ления (рис. 1). Большинство индексов хорошо делят- ошибок у которых не перекрываются. В результи-ся на две группы: состояние атмосферы в дни со рующие уравнения для всех месяцев вошли только шквалом (sq) и с грозой (g), интервалы стандартных индексы LIFT и SWEAT.Рис. 1. Статистическое распределение индексов LIFT (слева) и SWEAT (справа) в июне для станции НовосибирскНесмотря на то что качественных уравнений дис-развития шквала и других опасных явлений, связанныхкриминации, отвечающих требованиям практики, нас конвекцией, невелика. Энергию таких слоев атмосфе-основе проанализированных характеристик получить неры, обладающих отрицательной плавучестью, характе-удалось, были определены пределы изменчивости ин-ризует индекс CINS, который оценивают [9. С. 870-дексов неустойчивости атмосферы в дни со шквалами.877] по формуле (6). Отрицательная энергия плавуче-Как известно, задерживающий слой - это слой атмо-сти - это результат подъема частицы, являющейся бо-сферы, имеющий стратификацию настолько устойчи-лее прохладной, чем воздух, который окружает этувую, что он задерживает распространение конвекции изчастицу и заставляет ускоряться вниз. Слой воздуха внижележащих слоев вверх; динамическая турбулент-области с энергией CINS более устойчив, чем слоиность в нем также ослаблена. Задерживающими слоямивыше или ниже.являются слои с температурной инверсией, изотермиейЭта энергия растет в зонах фронтов вследствие на-или с малыми вертикальными градиентами температурытекания теплого воздуха на нижерасположенный хо-[2. С. 151-152]. Казалось бы, развитие шквала при такихлодный воздух или в результате орографическогоусловиях невозможно, однако замечено [8. С. 156-157],подъема, а также при наличии мезомасштабной кон-что при наличии в атмосфере задерживающих слоев,вергенции типа бриза или фена.уменьшающихся в результате быстрого прогревания иПри обработке результатов зондирования атмосфе-увлажнения воздуха, можно ожидать более серьезногоры Западной Сибири в дни, когда над юго-восточнойразвития опасных конвективных явлений, чем при на-частью территории наблюдались шквалы, было заме-чальном отсутствии задерживающих слоев в атмосферечено (табл. 4), что:исследуемого района. В этом случае образование мощ-- во все месяцы в дневное время чаще всего (75-ных кучево-дождевых облаков происходит «взрывным»90% случаев) формировался задерживающий слой;образом и может обеспечить развитие опасных конвек-- в июне и в июле (в оба срока) наличие задержи-тивных явлений погоды, в том числе шквалов. Но привающего слоя в дни со шквалами отмечалось в три разаналичии мощных задерживающих слоев вероятностьчаще, чем его отсутствие.Т а б л и ц а 4МесяцСрок, ч ВСВЧисло дней со шкваламиCINS = 0CINS < 0 число дней%число дней%Май00231669,5730,5 1212325975Июнь0018422,21477,8 121218,31191,7Июль0023521,81878,2 1212216,61083,4Август0015853,3746,7 125120480Наличие задерживающего слоя в дни со шкваламиСогласно исследованиям, проведенным в других ре-гионах, индексу CINS в диапазоне -50 ÷ 0 Дж/кг соот-ветствует слабая устойчивость атмосферы [10. С. 15]. Однако большинство шквалов над исследуемой терри-торией развивалось именно при этих условиях (табл. 5). В интервале -199 ÷ -51 Дж/кг атмосфере свойственна умеренная устойчивость. Меньше -200 Дж/кг соответствует сильная устойчивость, кото-рой, считается, достаточно, чтобы предотвратить кон-векцию в атмосфере, что подтверждается нашими ре-зультатами за срок 12 часов ВСВ (табл. 5).В итоге проделанной работы получено, что в дни со шквалом лишь градации индекса LIFT не требуют кор-ректировки применительно к юго-восточной террито-ри и Западной Сибири, и его значения могут быть ис-пользованы для составления прогноза шквалов. Однако192знания величины одного этого индекса будет недоста-Полученные градации индексов по степени разви-точно для прогнозирования шквала; кроме характери-тия конвекции в дни со шквалами будут использовать-стики интенсивности подъема объема воздуха необхо-ся для составления альтернативных прогнозов развитиядимо учитывать и наличие сдвигов ветра и его ско-шквалов над территорией Западной Сибири.рость и некоторые другие характеристики атмосферы, аРезультатами данной работы подтверждается пред-следовательно, и другие индексы. Интервал значенийположение о том, что при наличии в атмосфере незна-индекса BRCH следует увеличить для составления про-чительных задерживающих слоев, уменьшающихся вгноза шквалов над исследуемой территорией. А града-результате быстрого прогревания и увлажнения возду-ции индексов KINX, SWEAT, CAPE, напротив, гораздоха, можно ожидать более серьезного развития опасныхниже интервалов, рассчитанных для европейской тер-конвективных явлений, чем при их начальном отсутст-ритории.вии.Т а б л и ц а 5Повторяемость значений индекса CINS при шквалахПределы индексаСрок 00 часов ВСВ МайИюньИюльАвгуст Число случаев%Число случаев%Число случаев%Число случаев%-50 ÷ 01774739626853-199 ÷ -504175281148320< -20029633626427Пределы индексаСрок 12 часов ВСВ МайИюньИюльАвгуст Число случаев%Число случаев%Число случаев%Число случаев%-50 ÷ 086786712100360-199 ÷ -5043343300240< -20000000000В подготовке базы данных и статистических рас- метеорологии и климатологии ТГУ: Шутова Е.В., четах активное участие приняли студенты кафедры Санина М.А.ЛИТЕРАТУРА

Скачать электронную версию публикации