Содержание к диссертации
Введение
Обзор научных публикаций 8
1.1 Эволюция представлений о природе конвективных явлений 8
1.1.1 Ранние исследования атмосферного электричества 8
1.1.2 Развитие теории образования конвективной облачности и ливневых осадков 10
1.2 Эволюция представлений о физическом строении кучево-дождевых облаков 12
1.2.1 Схема развития кучево-дождевого облака 12
1.2.2 Пространственная и мезомасштабная структура кучево-дождевых облаков 14
1.3 Синоптические и орографические условия образования ливней и гроз 23
1.3.1 Синоптические условия образования ливней и гроз 23
1.3.2 Влияние географических факторов на развитие конвекции 26
1.3.3 Основные подходы к прогнозированию ливней и гроз 28
1.4 Современные тенденции изменений климата и их влияние на экстремальность погодных явлений на территории России 30
Материалы и методы исследования 35
2.1 Физико-географическое и синоптико-климатическое описание района исследования 35
2.2 Исходный материал и методы исследования 38
Пространственно-временные особенности распределения конвективных явлений на территории иркутской области 42
3.1 Результаты ранее проведенных исследований 42
3.2 Современные особенности распределения различных форм конвективной облачности на территории Иркутской области в 2000-2013 гг.
3.2.1 Годовой ход повторяемости кучевых и кучево-дождевых облаков 45
3.2.2 Пространственно-временные особенности распределения повторяемости кучевых и кучево-дождевых облаков 46
3.3 Пространственно-временные особенности распределения атмосферных осадков 51
3.3.1 Месячные суммы атмосферных осадков 51
3.3.2 Количество дней с атмосферными осадками 20, 30, 50, 80 и 120 мм за сутки 56
3.4 Среднее число дней с грозой 57
Метеорологические и синоптические условия образования ливневых осадков и гроз на территории иркутской области в 2000-2013 гг . 67
4.1 Результаты ранее проведенных исследований 67
4.2 Сравнительный анализ синоптических условий образования ливней и гроз в различных синоптико-климатических районах Иркутской области в 2000-2013 гг. 70
4.3 Синоптический анализ условий образования ливневых осадков и гроз, занимающих значительную площадь территории Иркутской области в 2000 2013 гг . 80
4.4 Синоптические условия образования зимней грозы в г. Иркутске 3.12.2013 г. 89
Заключение 94
Список использованных источников
- Развитие теории образования конвективной облачности и ливневых осадков
- Исходный материал и методы исследования
- Годовой ход повторяемости кучевых и кучево-дождевых облаков
- Синоптический анализ условий образования ливневых осадков и гроз, занимающих значительную площадь территории Иркутской области в 2000 2013 гг
Введение к работе
Актуальность темы
Конвективная облачность, ливневые осадки и грозы – одни из самых опасных, изменчивых во времени и пространстве, и трудно прогнозируемых метеорологических явлений, сведения о которых представляют актуальность как в научном плане, так и для решения ряда прикладных задач в метеорологии и климатологии. Конвективные явления в атмосфере проявляют себя в различных масштабах, начиная от мезомасштабных процессов развития термической конвекции в неустойчиво стратифицированной атмосфере до развития конвективных облаков фронтального типа, занимающих значительные по площади территории. Во всех случаях существенное влияние на развитие конвекции, образование ливней и гроз оказывает рельеф, определяя довольно неоднородный характер их распределения во времени и в пространстве.
В настоящее время выделяется несколько основных направлений в
исследованиях ливней и гроз. Исследуются физика грозовых процессов в
атмосфере, климатология ливней и гроз, изучаются метеорологические и
синоптические условия их образования. Наиболее перспективным
представляется развитие численных моделей прогнозирования атмосферной
конвекции, но, несмотря на достигнутые успехи в этом направлении, проблема
качественного прогноза развития опасных конвективных явлений в атмосфере
остается пока нерешенной. Учитывая сложный физический механизм
образования ливневых осадков и гроз, недостаточную изученность
закономерностей временной и пространственной изменчивости и тот факт, что конвективным явлениям нередко присущ локальный характер, обусловленный влиянием подстилающей поверхности, неизбежным шагом на пути к решению данных проблем могут быть отнесены региональные исследования.
Климатология ливней и гроз, закономерности их распределения по территории Иркутской области и синоптические условия образования наиболее активно исследовались во второй половине XX века и отражены в работах А.Х. Филиппова, А.А. Кречетова, Д.Ф. Хуторянской и Ю.В. Шаманского. Значительный рост экстремальных характеристик климата на территории Иркутской области в последние десятилетия увеличивает вероятность существующих рисков негативных воздействий интенсивных осадков и гроз на различные стороны деятельности человека (сельское хозяйство, транспорт, системы связи и т.д.). Поэтому представляет интерес исследование закономерностей распределения ливневых осадков и гроз и условий их образования с использованием эмпирических данных последних десятилетий, что позволит глубже изучить и понять физические процессы образования конвективных явлений.
Цель работы: определение закономерностей пространственно-временных вариаций конвективной облачности, ливневых осадков и гроз на территории Иркутской области и исследование синоптических процессов их образования в условиях современных тенденций изменений климата.
В соответствии с поставленной целью сформулированы основные задачи исследования:
– сформировать базу данных и выполнить статистический анализ временных рядов средней месячной повторяемости кучевых форм облачности, количества дней с ливневыми осадками и грозами на территории Иркутской области;
– провести картирование конвективных явлений и выявить вклад орографических и циркуляционных факторов в формирование мезомасштабных неоднородностей пространственного распределения;
– исследовать метеорологические условия образования ливней и гроз в различных синоптико-климатических районах Иркутской области;
– разработать типизацию синоптических процессов образования ливней и гроз на основе комплексного анализа приземных карт и карт барической топографии;
– исследовать механизм образования зимней грозы – редкого погодного явления на территории Иркутской области.
Таким образом, настоящая работа объединяет широкий круг задач, решение которых ориентировано на региональные аспекты исследования грозовых процессов и улучшение качества их прогнозирования в Иркутской области, территория которой характеризуется высокой степенью расчлененности рельефа и значительной климатической изменчивостью.
Материалы и методика исследования
Основным методом настоящего исследования является физико-
статистический анализ данных повторяемости кучевых и кучево-дождевых облаков, месячного количества атмосферных осадков, числа дней с грозой и суточным количеством осадков 20, 30, 50, 80 и 120 мм 86 метеорологических станций и 88 метеорологических постов Иркутской области за 2000–2013 гг. Для выявления многолетних тенденций изменения атмосферных осадков и гроз рассматривались временные ряды за период 1961– 2013 гг.
Анализ метеорологических данных произведен с помощью пакетов
прикладных программ (MATLAB, Excel, Statistica и StatGraphics), включающих
в себя стандартные методы обработки рядов наблюдений на основе
математической статистики, с использованием оценки достоверности
результатов. Для получения выводов применены расчетный метод квартилей по интервальному вариационному ряду, автокорреляционный, трендовый и спектральный анализы, комплексный Вейвлет Морле (Morlet).
На основе построения карт с применением B-сплайн аппроксимации анализировались пространственные особенности распределения ливней и гроз. Исследования синоптических процессов, благоприятных для возникновения и развития гроз, осуществлялись путем анализа синоптических карт.
Научная новизна
Проведенное исследование позволило получить новые результаты по важнейшим вопросам формирования грозовых облаков и выпадения ливневых осадков на территории Иркутской области.
-
Впервые на основе современных данных и применения геоинформационных систем получены карты распределения опасных конвективных явлений на территории области.
-
Впервые проведена количественная оценка зависимости грозовой активности от широты, долготы и высоты метеорологических станций.
-
Статистически достоверно установлено наличие циклов различного периода во временном ходе грозовой активности, которые коррелируют с периодичностью повторяемости синоптических процессов.
-
Предложена новая методика исследования синоптических условий образования ливневых осадков и гроз, учитывающая траектории смещения и стадии развития барических образований, термобарическую структуру нижней, средней и верхней тропосферы.
-
Впервые проведено исследование синоптических условий образования гроз и ливневых осадков над значительной площадью территории Иркутской области, представляющее практический интерес для прогноза опасных явлений погоды.
-
Впервые исследован механизм образования зимней грозы – редкого атмосферного явления на территории Иркутской области.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволили более глубоко исследовать региональные особенности развития конвективных процессов на территории Иркутской области в условиях меняющегося климата.
Практическая реализация результатов определяется главным образом возможностью использования количественных данных о грозовых процессах и ливневых осадках для уточнения климатических показателей. Типизация синоптических процессов возникновения ливней и гроз применяется в оперативной практике отдела краткосрочных прогнозов ФГБУ «Иркутского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» в целях повышения оправдываемости прогнозов ливней и гроз.
Положения, выносимые на защиту:
-
Картирование территории Иркутской области по месячным значениям повторяемости конвективных форм облаков, количества дней с грозой и ливневыми осадками, которое выявило очаговый характер распределения и сезонные различия, проявляющиеся в период господствующего влияния зимних и летних форм атмосферной циркуляции.
-
Наибольший вклад в изменении числа дней с грозой на территории Иркутской области в современный период обеспечивают мезомасштабные особенности атмосферной циркуляции.
-
Разработанная региональная методика типизации синоптических процессов образования ливневых осадков и гроз, которая учитывает термобарическую структуру тропосферы, траектории смещения и стадии развития барических образований и позволяет оценивать вклад различных слоев атмосферы в развитие конвекции.
остоверность и обоснованность полученных результатов и выводов
обеспечивалась применением для анализа больших массивов исходной
метеорологической информации, хорошей согласованностью результатов,
полученных различными статистическими методами исследования,
использованием современных методов синоптического анализа,
непротиворечивостью теории образования конвекции в атмосфере Земли и полученных результатов.
Личный вклад соискателя. Автор принимал непосредственное участие в постановке цели работы и разработке методики исследования. Подготовлен электронный массив и проведена статистическая обработка данных 86 метеорологических станций и 88 постов; совместно с руководителем диссертации проведена типизация атмосферных процессов образования гроз и ливневых осадков в Иркутской области.
Апробация работы
Основные положения работы и полученные результаты представлены на
Всероссийской конференции «Солнечная активность и природа глобальных и
региональных климатических изменений» (Иркутск, 2010); Первой
Международной научно-методической конференции (Украина, Киев, 2012);
Ежегодной научно-практической конференции студентов и аспирантов
«Ресурсы Байкальского региона: освоение, состояние, экологические
проблемы» (Иркутск, 2015); Конференции, посвященной Всемирному метеорологическому дню, Всемирному дню охраны водных ресурсов и Дню работников гидрометслужбы России (Иркутск, 2014); Научном семинаре кафедры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань, 2014); Международной конференции «Исследование изменений климата с использованием методов классификации режимов циркуляции атмосферы» (Москва, 2016).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 171 страницу, включая 48 рисунков, 15 таблиц и 4 приложения. Библиографический список включает 207 источников.
Благодарности. Автор выражает признательность своему научному руководителю доценту кафедры метеорологии и охраны атмосферы ИГУ И.В. Латышевой за поддержку на всем протяжении исследовательской работы, доценту ИГУ А.А. Макарову в построении карт; коллективу Иркутского УГМС за большой массив предоставленных данных; заведующему кафедрой метеорологии, климатологии и экологии атмосферы КФУ, профессору Ю.П. Переведенцеву за научные рекомендации на заключительном этапе подготовки диссертации; заведующей кафедрой метеорологии и климатологии ТГУ, профессору В.П. Горбатенко за ценные методические и научные рекомендации.
Развитие теории образования конвективной облачности и ливневых осадков
Образование конвективной облачности и ливневых осадков представляет собой сложный физический процесс, который привлекал внимание многих исследователей. В середине XVIII века М. В. Ломоносов, первым выдвинувший теорию грозовых явлений, связывал эти явления с заряжением облачных капель и развитием в облаках восходящих движений. А. И. Воейков в конце XIX века в качестве основной причины образования ливневых осадков рассматривал процессы коагуляции и действие силы тяжести. В 30-е годы XX века Бержерон и Финдайзен исследовали вклад сублимации в образовании облаков смешанного типа и выпадения из них ливневых осадков [91].
В 1935–1939 гг. были начаты исследования микроструктуры облаков, которые производились в горных условиях, на Кавказе, Г. И. Тараяном, С. М. Катченковым, Е. С. Селезнёвой и др. [87]. Лабораторные исследования микроструктуры жидких и твердых осадков осуществлялись Г. М. Башкировой, Т. А. Першиной, Н. С. Шишкиным и др. Первые данные о водности и размерах капель в кучевых облаках были получены в ГГО (1946 – 1950 гг.) Е. С. Селезневой, В. А. Зайцевым, И. И. Честной (рис.1.3). Л. Т. Матвеевым, В. С. Кожариным, В. Е. Минервиным, И. П. Мазиным и С. Н. Бурковской предложены эмпирические формулы, описывающие зависимость между величиной водности облака и температурой, П. В. Дьяченко, А. X. Хргиан, И. П. Мазин и Л. М. Левин предложили ряд эмпирических формул, описывающих спектры распределения облачных капель по размерам. Основы количественной теории образования конвективной облачности и ливневых осадков были заложены в конце 1940-х годов работами И. Лэнгмюра [84], Н. С. Шишкина [146] и др. Е. С. Селезнева предложила схему атмосферной турбулентности, приводящей в дальнейшем к развитию конвекции. В 1957–1966 гг. Л. Н. Гутман с сотрудниками, исходя из полной системы уравнений конвекции и введя ряд упрощающих предположений, достигли существенных результатов в построении теории конвективных облаков. Детальные расчеты конденсационно-коагуляционного роста капель в рамках одномерной модели облака с постоянной скоростью восходящего потока и постоянной или адиабатической водностью были выполнены в ряде работ 1950-х, начала 1960-х годов [91]. В дальнейшем расчеты были уточнены и дополнены [114]. Анализ полученных результатов привел к созданию Н. С. Шишкиным первой численной микрофизической модели, дальнейшее развитие которой проведено Т. А. Учеваткиной, Д. Д. Сталевич, Ю. А. Довгалюк и др. [56, 73, 85].
Размеры, форма и концентрация частиц осадков, их интенсивность и изменчивость в пространстве и во времени изучались в 1950-х годах Е. А. Поляковой, К. С. Шифриным, И. В. Литвиновым, А. Б. Шупяцким, В. М. Мучником и другими исследователями [83]. Важный шаг в теории образования ливневых осадков сделан при исследовании конвективных облаков с учетом пульсационного характера развития вертикальных потоков в облаке. Теоретические и экспериментальные работы показали, что развитие конвективных облаков происходит в виде ряда последовательных импульсов. В течение каждого импульса на смену периоду увеличения мощности облака приходит некоторый период, когда рост мощности облака прекращается или даже происходит ее уменьшение. Выявлены оптимальные для образования ливневых осадков значения длительности импульса (10 – 18 мин.) и максимальные значения скорости восходящего потока (9 – 12 м/с). Установлено, что при оптимальных условиях необходимое для образования ливневых осадков число импульсов равно 2. В этом случае выпадение ливневого дождя, крупы или града происходит уже через 20 – 25 мин. после начала роста облака [55].
В настоящее время для описания конвективных облаков и расчета количества ливневых осадков широко используются одномерные модели конвекции. Однако такие модели стационарны и не могут описать динамику развития конвекции, поэтому более перспективны нестационарные версии одномерных моделей. В модель конвективного облака включены уравнения, описывающие вертикальное распределение вертикальной скорости, влажности и водности, а также выражение для расчета интенсивности осадков. В рамках развития моделей разрабатываются расчетные методы оценки источников и стоков тепла и влаги, вызванных микрофизическими и другими процессами, протекающими в конвективных облаках [31]. Учитывая, что конвективные процессы и связанные с ними процессы облакообразования, как правило, являются подсеточными, их приходится вводить в крупномасштабную модель параметрическими приёмами.
Таким образом, начиная с середины XX века, достигнуты значительные успехи в развитии теории физических процессов образования и численных методов моделирования конвективных процессов. Однако наличие большого числа факторов, определяющих образование атмосферной конвекции; сложность численного описания фазовых переходов влаги в атмосфере и генерации вертикальных движений; широкий диапазон линейных масштабов конвективных явлений, включая явления подсеточного масштаба, все это ограничивает возможности численного моделирования как эффективного инструмента исследования конвективных процессов и сказывается на успешности прогнозирования. Поэтому, на наш взгляд, проведение региональных исследований конвективных процессов, что определило цель и задачи представленной работы, является одной из составляющей улучшения качества прогнозов ливневых осадков и гроз.
Эволюция представлений о физическом строении кучево-дождевых облаков В разделе представлен краткий обзор исследований физических процессов, происходящих на разных стадиях развития кучево-дождевого облака. Особое внимание уделено исследованию мезомасштабных особенностей конвективных облаков, с которыми связано возникновение опасных явлений погоды локального характера, представляющих наибольшую трудность для прогнозирования.
Схема развития кучево-дождевого облака Принято считать, что термин «конвекция» был впервые введен В. Прутом в 1834 г. для определения способа передачи тепла в виде отдельных объемов жидкости (в отличие от кондукции и радиации) [60]. Эта форма тепло- и массообмена является чрезвычайно важной и распространенной в атмосфере Земли и реализуется в результате потери статистической устойчивости горизонтальных слоев воздуха. Горизонтальные масштабы конвективных движений в атмосфере меняются от сотни метров (размер небольшого конвективного облака или «термика») до нескольких сотен километров («мезомасштабные конвективные комплексы» и «линии шквалов»).
Исходный материал и методы исследования
Для синоптических процессов обширной территории Северного района характерно частое прохождение циклонов и ложбин с юго-запада, запада, северо-запада и севера с фронтальными разделами, проявляющимися в резкой смене температур, с частыми и нередко сильными осадками; штормовые усиления ветров более редки, чем в южных районах области. В летний период возможно смещение фронтальной зоны с южной составляющей (через Забайкалье) вплоть до северо-восточной части района.
Западный район включает территорию от западной границы области до Зиминского района на юго-востоке и до Братского района на севере. Район расположен в Предсаянской холмистой равнине, к северу переходящей в более возвышенную местность с почти меридионально вытянутым Ангарским кряжем высотой до 1000 м. На юге район граничит с системой гор Восточного Саяна. Западный район открыт как для проникновения северозападных и западных воздушных масс через Канско-Рыбинскую равнину, так и для прохождения циклонических образований с юго-запада, запада, севера и северо-запада.
Климат района – сравнительно теплый, увлажненный или относительно увлажненный, с довольно продолжительным безморозным периодом. Часты усиления ветров, особенно в переходные сезоны. Западный район хорошо освоен как в промышленном, так и в сельскохозяйственном отношении.
Верхне-Ленский район занимает территорию в бассейне верхнего течения Лены, Лено-Ангарское плато и Предбайкальскую впадину, постепенно повышающуюся на восток к Байкальскому хребту. В строении поверхности преобладают равнинные площади, с сильно расчлененными речными долинами и повышающимися отрогами Байкальского хребта с высотами до 1000 м. Степные и лесостепные участки постепенно переходят в горнотаежные.
Климат – холодный, среднеувлажненный. Безморозный период небольшой или средней продолжительности. Характерно значительное выхолаживание воздуха при образовании локального и незначительного по площади антициклона. Даже в летний период в ночные и утренние часы при вторжениях холодных воздушных масс с севера или запада в долине р. Киренги образуется антициклон. В южной части района нередки засухи. Район подвержен влиянию южных циклонов, смещающихся в среднюю и северную оконечности оз. Байкал.
Центральный район занимает среднее положение между Западным, Южным и Верхне-Ленским районами, располагается в бассейне Братского водохранилища и прилегающих к нему районах. Чаще всего этот район объединяют с Южным или Западным, но он отличается от них более «сглаженным» температурным режимом летом и большим выхолаживанием приземного слоя воздуха в холодное время года.
Южный район – самый развитый и населенный, простирается от Черемховского района до оз. Байкал на востоке – и до Качугского района на севере. Располагается в восточной части Предсаянской холмистой равнины, называемой Иркутско-Черемховской, которая переходит на юге в систему гор Восточного Саяна, на востоке в Приморский хребет. На севере (в южной части Прибайкальской впадины) местность – холмисто-равнинная с элементами грядового ландшафта, лесостепного и степного характера. В теплое время года (IV–IX) для юга области характерны частые выходы циклонических образований с территории Монголии, вызывающие выпадение продолжительных осадков. В холодное время года (X–III) характерно влияние отрога Азиатского антициклона, наиболее выраженное зимой [97].
В климатическом отношении Южный район сравнительно «теплый», увлажненный, с длительным безморозным периодом в южной части и чаще слабо увлажненный, нередко с засухами в северной части.
Таким образом, территория исследуемого региона характеризуется значительной изменчивостью погодных и климатических условий, причиной чему является высокая степень изрезанности рельефа и частая смена синоптических процессов на фоне сезонного проявления зимнего и летнего континентальных центров действия атмосферы (Азиатского антициклона и Центрально-Азиатской депрессии).
Исходным материалом, использованным в работе, являются многолетние данные визуальных наблюдений за кучевыми, кучево-дождевыми облаками и грозами 86 метеорологических станций и инструментальных измерений количества атмосферных осадков 86 метеорологических станций и 88 метеорологических постов Иркутской области за период 2000–2013 гг. (прил.1).
Исследуемый период (2000–2013 гг.) характеризует современные особенности климатического режима Иркутской области и по времени согласуется с последним периодом современной циркуляционной эпохи Северного полушария по типизации Б. Л. Дзердзеевского (1999 г. – по настоящее время «период увеличения продолжительности меридиональных северных и уменьшения продолжительности меридиональных южных процессов») [206]. Таким образом, выбор исследуемого периода обоснован тем, что он отражает современные тенденции изменений климатических и циркуляционных факторов в регионе.
Для статистической оценки временных рядов рассчитывались среднее значения, в качестве меры изменчивости временного ряда рассматривались расчетные значения средних квадратических отклонений, а в качестве критериев оценки временных рядов на однородность центральные моменты третьего и четвертого порядка (асимметрия и эксцесс). Коэффициенты асимметрии и эксцесса изменялись довольно значительно (прил.2–5), что свойственно для членов случайного ряда. На практике принято асимметрию при значениях 0,25 считать малой, 0,25 0,5 – умеренной, 0,5 – большой, 1,5 – исключительно большой. Оценки эксцесса колеблются в [–2, ). При –0,5 Ex 3 считают, что распределение приближается к нормальному [206].
Для оценки пространственно-временных особенностей распределения повторяемости конвективных облаков, распределения месячного количества осадков, числа дней с грозами и количеством осадков 20, 30, 50, 80 и 120 мм за сутки применялся метод картирования, в основе которого лежит многоуровневая B-сплайн аппроксимация. B-сплайн аппроксимация используется для вычисления непрерывной поверхности через набор нерегулярно расположенных точек и, на наш взгляд, оптимально подходит для территории Иркутской области, которой характерны указанные особенности в расположении метеорологических станций и постов (прил.1). Изолинии на картах проводились с учетом доверительного интервала, определяемого по критерию Стьюдента для надежности 99%.
Для оценки зависимости распределения числа дней с грозой от высоты станции и пространственной ориентации по широте и долготе выбран расчетный метод квартилей по интервальному вариационному ряду: (2.1), (2.2), где – нижняя граница интервала, содержащего нижнюю квартиль (интервал определяется по накопленной частоте, первой, превышающей выборки); – нижняя граница интервала, содержащего верхнюю квартиль (интервал определяется по накопленной частоте, первой, превышающей выборки); h – длина интервала; – накопленная частота интервала, предшествующего интервалу, содержащему нижнюю квартиль; – накопленная частота интервала, предшествующего интервалу, содержащему верхнюю квартиль; , – частота интервала, содержащего нижнюю и верхнюю квартили соответственно. Для оценки долговременных тенденций временных рядов месячных сумм атмосферных осадков и числа дней с грозой применялся трендовый анализ (линейный), значимость которого оценивалась по коэффициентам аппроксимации. В качестве исходных использованы многолетние данные наблюдений на станциях, расположенных в разных синоптико-климатических районах Иркутской области, за период 1961–2013 гг. (данные за более ранние годы отсутствуют на некоторых исследуемых станциях в архиве ИУГМС).
Годовой ход повторяемости кучевых и кучево-дождевых облаков
Аналогично проведено исследование пространственно-временных особенностей распределения среднего числа дней с грозой в месяц по данным наблюдений 86 метеорологических станций Иркутской области за 2000–2013 гг. (данные метеорологических постов не рассматривались вследствие различий сроков наблюдений со станциями). По данным статистического анализа (прил.4) в исследуемый период среднее месячное число дней с грозой на территории области изменялось от 0 (ст. Коношаново, Большой Ушканий) до 13 (ст. Нижнеудинск, июнь). Значения коэффициентов асимметрии (А) варьировали от – 1,5 до 2,0, а значения коэффициентов эксцесса (Е) от –2,0 до 14,0. В целом, только на 20 станциях из 86 рассматриваемых (23%) в период с мая по сентябрь, асимметрия оставалась малой или умеренной, и на 43 станциях (50%) значения коэффициентов эксцесса соответствовали нормальному распределению. Следовательно, по критериям оценки закон распределения числа дней с грозой для большинства исследуемых станций (50%) отличался от нормального распределения.
Анализ пространственных особенностей распределения среднего числа дней с грозой за 2000–2013 гг. показал, что грозы в апреле и сентябре на территории Иркутской области достаточно редкое погодное явление, которое носит локальный характер [136, 138]. Грозы отмечались преимущественно в Южном и Западном районах Иркутской области, чаще всего в предгорьях Прибайкальского хребта и на наветренных склонах горных систем Хамар-Дабана и Восточного Саяна. В мае 2000–2013 гг. в среднем по территории области отмечался один день с грозой. Максимальное число дней (16) было зарегистрировано в Северном районе на территории Ангарского кряжа (ст. Ика).
В июне 2000–2013 гг. в среднем по территории области наблюдалось 6 дней с грозой, в июле их число было максимальным (7), а в августе уменьшилось в среднем до 3 дней (рис.3.11). Максимальное число дней с грозой в исследуемый период зафиксировано в Западном районе Иркутской области в предгорьях Восточного Саяна: в июле на ст. Дабады (21) и в августе на ст. Сарам (20). В единичном числе случаев за весь исследуемый период грозы наблюдались на байкальских станциях: Баргузинский Заповедник, Большой Ушканий остров и Маритуй, а также по долине р. Ангары (ст. Свирск, Заваль и Октябрьск). В отличие от проведенных ранее исследований [128], где было обнаружено три зоны наиболее частой повторяемости гроз (высокогорная часть Восточного Саяна; Ангарский кряж; обширная часть Лено-Ангарского плато и Прибайкальской впадины), в исследуемый нами период (2000–2013 гг.) выделяется пять зон наиболее частой повторяемости гроз, где наряду с установленными ранее, можно выделить значительную часть Ербогаченской равнины и Патомское нагорье, расположенные в Северном районе Иркутской области. Необходимо отметить, что пространственные особенности распределения среднего числа дней с грозой, хорошо согласуются с пространственными особенностями распределения повторяемости кучево-дождевой облачности на территории Иркутской области (рис.3.6). Рис.3.11 Среднее число дней с грозой на территории Иркутской области в июне (а), июле (б) и августе (в) 2000–2013 гг. (точками показаны метеорологические станции) Более детальный анализ, выполненный на основе вариационной оценки зависимости числа дней с грозой от расположения метеорологических станций с севера на юг (рис.3.12), с запада на восток (рис.3.13) и от высоты станций (рис.3.14), показал отсутствие статистически значимых связей между рассматриваемыми характеристиками.
Можно выделить лишь слабо выраженную зависимость уменьшения количества дней с грозой по мере удаления станций на восток (рис.3.13), что можно объяснить влиянием оз. Байкал, занимающим значительную протяженность на востоке и юго-востоке области, где над более холодной поверхностью летом получают развитие нисходящие движения, препятствующие развитию конвективной облачности. Рис.3.13 Распределение средней месячной вариации (%) числа дней с грозой по данным метеорологических станций, расположенным с запада на восток в мае (а), июне (б), июле (в) и августе (г) (самая западная – Верхняя Гутара (96в.д.), восточная – Перевоз (116в.д.))
Рис.3.14 Распределение средней месячной вариации числа дней с грозой по данным метеорологических станций, расположенным в порядке убывания высоты в мае (а), июне (б), июле (в) и августе (г) (наибольшая высота – Хамар-Дабан (1442 м), наименьшая – Кеуль (209 м) Суммарная продолжительность гроз в исследуемый нами период на территории Иркутской области в мае и сентябре не превышала одного часа, в июне и августе в среднем составляла 6–7 часов и наиболее продолжительные грозы (в среднем 15 часов/месяц) отмечались в июле. Максимальная суммарная продолжительность гроз (часы) наблюдалась в июле в предгорьях Восточного Саяна (ст. Сарам, 24), на территории Лено-Ангарского плато (ст. Усть-Кут, 23) и Ангарского кряжа (ст. Нижнеудинск, 22), а наименее продолжительными были грозы в июле на байкальской станции Сарма (4).
Исследование межгодовой изменчивости числа дней с грозой проводилось для метеорологических станций, расположенных в разных синоптико-климатических районах области. Дополнительно выбраны станция Сарам, расположенная в предгорьях Восточных Саян, Исток Ангары на побережье оз. Байкал и Хужир в средней части оз. Байкал (табл.3.5). На всех указанных станциях распределение числа дней с грозой в период с мая по август соответствовало критериям нормального распределения (прил.5). Оценка многолетних тенденций временных рядов, выполненная на основе линейного тренда (табл.3.5), не показала наличие значимых коэффициентов в исследуемый нами период (1961–2013 гг.).
Исток Ангары 51 104 ОД (0,08) 0,2 (0,03) -0,9 (0,08) ОД (0,01) Автокорреляция годового числа дней с грозой иллюстрирует типичное уменьшение внутрирядной связи с увеличением порядка членов (рис.3.15). Наиболее высокой оказывается корреляция при сдвиге на временные интервалы до 9 лет при квадратической ошибке на исследуемых станциях 0,07–0,08, что, согласно проведенным ранее исследованиям, выполненным А. Х. Филипповым [128], связывают с инерционностью атмосферы и преемственностью режима увлажнения от года к году. Следует отметить, что значения коэффициентов корреляции в границах 95% доверительного интервала на исследуемых станциях не превышали 0,3–0,4. При временных сдвигах 10 лет кореллограмма близка к горизонтальной оси, что указывает на близость временного ряда к белому шуму [207].
Для выявления циклических закономерностей в многолетних рядах числа дней с грозой использовались методы Фурье и Вейвлет-преобразования (Морле), обоснование которых дано во второй главе, а примеры построения по данным метеорологических станций Иркутской области приведены на рисунках 3.16 и 3.17. В табл.3.6 даны количественные значения выделенных циклов числа дней с грозой на исследуемых станциях за период 1961– 2013 гг., которые показали неплохое совпадение длительности выделенных периодов по методам Фурье и Вейвлет-преобразований. Рис.3.16 Примеры периодограмм годового числа дней с грозой на станциях Иркутск (а), Братск (б), Киренск (в) и Качуг (в) за 1961–2013 гг. на станциях Иркутск (а), Хамар-Дабан (б) и Хужир (в) за 1961–2013 гг. Характерной особенностью вейвлет-спектров годового числа дней с грозой является преобладание на метеорологических станциях Иркутской области в 1961–2013 гг. циклов короткого периода (10 лет). Преобладающие по глобальной энергии спектра циклы имеют продолжительность на станциях Иркутск, Киренск, Хужир и Исток Ангары 3–4 года, Братск 5 лет, Нижнеудинск и Хамар-Дабан 8 лет, Сарам 6–8 лет. Максимальные значения спектральной мошности приходятся на 1990-ые годы, когда наряду с циклами короткого периода (10 лет) на метеорологических станциях Иркутской области стали отмечаться циклы числа дней с грозой среднего (9–16 лет) и длинного (17–32 лет) периодов. Обращает внимание наличие 27-летнего цикла, который по длительности примерно совпадает с 20-летним циклом грозовой активности, обнаруженным на территории Иркутской области А. Х. Филипповым во второй половине XX века [128].
Синоптический анализ условий образования ливневых осадков и гроз, занимающих значительную площадь территории Иркутской области в 2000 2013 гг
Выявлено, что фронтальные грозы с ливневыми осадками во всех исследуемых синоптико-климатических районах Иркутской области чаще всего наблюдались при прохождении основных и вторичных холодных фронтов (46–77%), что согласуется с результатами исследований, полученных ранее [97, 128, 129]. В то же время, по сравнению с ранее полученными данными [97], в последние годы на территории Иркутской области увеличилась повторяемость гроз с выпадением ливневых осадков на фронтах окклюзии, в Северном районе – в зоне теплых атмосферных фронтов (табл.4.5). Таблица 4.5
Установлено, что внутримассовые грозы с ливневыми осадками отмечались преимущественно в малоградиентных барических полях. Реже наблюдались на восточной и западной перифериях антициклонов, в тылу циклонов и в редких случаях в теплом секторе циклонов и в локальных антициклонах (Северный район). Анализ характеристик воздушных масс, определяемых по значениям адвективных изменений температуры воздуха за сутки, показал, что образование внутримассовых гроз с ливневыми осадками в Северном и Южном районах Иркутской области чаще всего происходило в местной неустойчивой воздушной массе в послеполуденные и вечерние часы суток (42–54%). В Западном районе Иркутской области они чаще наблюдались в холодной (38%) или местной (36%) неустойчиво стратифицированных воздушных массах (рис.4.5).
В табл.4.6 представлены синоптические признаки различных типов атмосферных процессов, сопровождавшихся грозами с выпадением ливневых осадков на территории Иркутской области в 2000–2013 гг. Таблица 4.6 Характерные особенности синоптических условий образования гроз с ливневыми осадками в Иркутской области в 2000–2013 гг.
На наш взгляд, наиболее сложно предсказать грозы с ливневыми осадками в ложбине ныряющих циклонов (рис.4.6 а, в) при отсутствии хорошо выраженных атмосферных фронтов (рис.4.6 б). На космических снимках при образовании такого типа гроз проявляется хаотичный характер облачности, сочетание полос, гряд и отдельных вкраплений (рис.4.6 г).
Рис.4.6 Приземное барическое поле (а), АТ–850 гПа (б), АТ–700 гПа (в) и космический снимок облачности (г) при образовании гроз с ливневыми осадками в ложбине ныряющего циклона (на примере 13.07.2008 г.)
Исследование метеорологических условий образования гроз и выпадения ливневых осадков в теплый (IV–IX) и холодный (X–III) периоды года ранее было выполнено для аэродромов Иркутской области за 2000–2008 гг. [65], где отражены комплексные показатели тепло- и влагосодержания в различных слоях тропосферы, используемые в краткосрочных прогнозах погоды [110]. В данном исследовании проводился анализ метеорологических условий образования гроз, сопровождаемых выпадением ливневых осадков, на территории Западного, Северного и Южного районов Иркутской области по данным метеорологических станций Нижнеудинск, Киренск и Иркутск за 2000–2013 гг. (рис.4.7). Рис.4.7 Средняя повторяемость (%) градаций метеорологических величин у поверхности Земли в различных синоптико-климатических районах Иркутской области на момент образования гроз с ливневыми осадками в теплый период (IV–IX) 2000–2013 гг.
Согласно рис.4.7, в большинстве случаев температура воздуха у поверхности Земли при образовании гроз с ливневыми осадками во всех исследуемых районах составила [16–20 С] (36–44%) и [21–25 С] (19–30%). Реже всего они отмечались при температурах 10 С (5%) и в единичном числе случаев при температурах 35 С (Южный район). Необходимо отметить, что в Северном районе по сравнению с Южным и Западным, грозы, сопровождаемые ливнями, чаще отмечались при градациях наиболее высоких температур [31–35 С] (15%). В распределении дефицитов точки росы максимальные значения повторяемости в Южном районе приходятся на градации [2–3 C] (26%); в Западном районе [6–7 C] (31%); в Северном районе [11–14 C] (22%). В распределении относительной влажности воздуха максимальные значения повторяемости в Южном районе приходятся на градации [81–80%] и [91–100%] (48%); в Западном районе [51–60%] и [61–70%] (41%); в Северном районе [61–70%] (27%) и [81–90%] (21%). В распределении средней скорости ветра максимальные значения повторяемости во всех исследуемых районах приходятся на градации [2–3 м/с]. Штормовые ветры со средней скоростью 15 м/с на момент образования гроз с ливневыми осадками отмечались в среднем в 1–5% случаев. Наиболее изменчивым при образовании гроз с ливневыми осадками оказался режим направления ветра, который существенно зависит от местных особенностей рельефа [136, 138]. Таким образом, в работе предложена синоптическая типизация гроз, сопровождающихся выпадением ливневых осадков на территории Иркутской области в 2000–2013 гг., учитывающая траектории смещения и стадии развития барических образований, термобарическую структуру высотного поля и особенности облачного покрова на космических снимках, которая в настоящее время используется в оперативной практике ИУГМС.
В разделе проводится синоптический анализ условий образования ливневых осадков и гроз, наблюдавшихся одновременно не менее чем в трех синоптико-климатических районах, т.е. конвективных явлений, занимавших значительную часть территории Иркутской области. Такое исследование в Иркутской области проводится впервые. Его актуальность обусловлена тем, что при указанных атмосферных процессах возникают наибольшие сложности для безопасности движения автотранспорта, деятельности авиации (отсутствие запасных аэродромов для взлета и посадки воздушных судов), сельского хозяйства (вероятность возможного поражения ливнями и градом значительных площадей) и т.д. Всего за 2000–2013 гг. на территории области было проанализировано 120 таких случаев с грозой, 133 случая выпадения ливневых осадков в теплый (IV–IX) и 83 случая выпадения ливневых осадков в холодный (X–III) периоды года.
Исследование показало, что чаще всего грозы над значительной частью территории Иркутской области в 2000–2013 гг. формировались в малоградиентных полях пониженного атмосферного давления у поверхности Земли и в средней тропосфере (38–39%) (табл.4.7 и рис.4.8). Из них в 64% случаев они носили нефронтальный характер и в 57% случаев отмечались при наличии термического гребня на уровне АТ–850 гПа. Далее по повторяемости случаев следуют грозы при прохождении вторичных холодных фронтов на восточной периферии антициклонов (19%) и грозы на северной периферии южных циклонов (17%), наблюдавшиеся преимущественно в передней части высотных ложбин (49–72%). Реже всего грозы над значительной частью территории области были зафиксированы в теплой воздушной массе, сформировавшейся в деформационных барических полях (2%). Установлено, что в 71% случаев, грозы на космических снимках имели вид ячеек, объединенных в гряды или комплексы.