Содержание к диссертации
Введение
1. Использование информации метеорологического радиолокатора для диагноза облачности и явлений погоды 15
1.1. Метеорологическая эффективность радиолокационного метода наблюдений 15
1.1.1. Исходные данные, используемые в анализе 17
1.1.2.Вероятность радиолокационного обнаружения облачности и опасных явлений погоды на территории исследования 20
1.1.3. Сравнение радиолокационного и станционного методов наблюдений за облачностью и опасными явлениями погоды 24
1.2. Радиолокационные характеристики кучево-дождевых облаков с метеорологическими явлениями 28
1.2.1. Пространственная структура отражаемости кучево- дождевой облачности 29
1.2.2. Статистические характеристики отражаемости кучево-дождевой облачности. 35
1.2.3. Статистические характеристики верхней границы радиоэха облачности 42
2. Радиолокационный метод исследования условий формирования и повторяемость конвективной облачности и опасных явлений погоды на территории исследования 48
2.1. Способ представления информации на автоматизированном метеорологическом радиолокационном комплексе «Метеоячейка» 49
2.2. Критерии опасных явлений погоды на территории центральной части Уральского Прикамья 52
2.2.1. Радиолокационные критерии принятия решения об опасных явлениях погоды (грозе, граде, ливнях, шквалах) 52
2.2.2. Вертикально-проинтегрированная водность, как критерий опасности конвективных явлений 66
2.3. Повторяемость опасных явлений погоды на территории исследования 70
2.3.1. Оценка повторяемости конвективной облачности и опасных явлений погоды в зависимости от сезона, месяца и времени суток. 70
2.3.2. Повторяемость опасных явлений погоды при различных синоптических ситуациях 75
3. Численный анализ полей облачности по данным радиолокационных и станционных наблюдений 81
3.1. Оценка возможности совместного использования данных радиолокационных и станционных наблюдений для анализа полей пространственного распределения облачности 81
3.2. Приведение радиолокационной и станционной информации кодномувиду . 83
3.3. Метод численного анализа полей облачности по данным радиолокационных и станционных наблюдений 87
3.3.1. Схема анализа 87
3.3.2. Выбор поля первого приближения 91
3.3.3. Численные эксперименты со схемой анализа... 95
Заключение 106
Литература 108
Приложения. 122
- Радиолокационные характеристики кучево-дождевых облаков с метеорологическими явлениями
- Критерии опасных явлений погоды на территории центральной части Уральского Прикамья
- Повторяемость опасных явлений погоды на территории исследования
- Приведение радиолокационной и станционной информации кодномувиду
Введение к работе
Актуальность темы. Дистанционные средства зондирования атмосферы (в частности метеорологические радиолокаторы) широко используются на гидрометеорологической сети. Их применение позволяет получать информацию о мезомасштабных явлениях в атмосфере. При редкой сети метеорологических станций радиолокатор дает синоптику возможность оценить количественные и качественные характеристики атмосферных явлений, таких как облачность и осадки, обнаружить фронты, линии неустойчивости, грозо- и градоопасные конвективные ячейки на расстоянии до 300 км от места установки локатора. Высокое пространственное и временное разрешение радиолокационной информации позволяет проследить эволюцию барического образования и оценить степень опасности явления, приближающегося к пункту наблюдения.
Сумма экономического ущерба, причиняемого проходящим через пункт опасным явлением, зависит от заблаговременности его предсказания. Участившиеся в последние годы случаи катастрофических погодных явлений повышают ценность радиолокационной информации, поскольку редкая сеть гидрометеостанций не всегда позволяет предсказать опасное явление, особенно если оно формируется на неосвещенной метеостанциями территории.
Достоверность информации метеорологических радиолокаторов повышается при сложных метеорологических условиях, что обусловило его основную задачу — штормооповещение. Однако, способность радиолокатора обнаруживать облачность дает возможность моделировать поля пространственного распределения облачности, совмещая площадные и контактные методы радиолокационных и станционных измерений облаков на основе численных методов.
Радиолокационные наблюдения расширяют и дополняют станционную информацию об облачности и опасных явлениях погоды, что особенно важно в условиях редкой метеорологической наблюдательной сети. Поэтому необ-
ходимо совершенствовать методы совместного анализа этих видов информа-
^ ции.
Исследование проводилось для территории, ограниченной радиусом 200 км от метеорологического радиолокатора (МРЛ), расположенного на авиационной метеорологической станции Большое Савино (г. Пермь). Эта территория включает в себя три субъекта Российской Федерации: центральную и южную части Пермской области, юго-восточную часть Коми-Пермяцкого автономного округа и юго-запад Свердловской области.
Целью работы является исследование конвективной облачности и опасных явлений погоды, связанных с кучево-дождевыми облаками, а также .по--строение полей пространственного распределения облачности по данным радиолокационных и станционных наблюдений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
выявление физико-географических и сезонных особенностей радиолокационного обнаружения и радиолокационного распознавания облачности и опасных явлений погоды (ОЯП) на территории исследования;
определение особенностей пространственной структуры радиолокационной отражаемости кучево-дождевой облачности (СЬ) с ОЯП;
анализ статистических характеристик радиолокационной отражаемости и высоты верхней границы радиоэха СЪ с ОЯП;
оценка радиолокационных критериев принятия решения об ОЯП;
рассмотрение повторяемости конвективной облачности и ОЯП, связанных с СЪ, в зависимости от времени суток, месяца и сезона года и типа синоптической ситуации;
определение способа перевода радиолокационного изображения в балл облачности;
' разработка методики численного анализа полей облачности по данным
радиолокационных и станционных наблюдений.
Научная новизна;
Исследована зависимость между радиолокационными параметрами ку-чево-дождевой облачности с явлениями.
Определена роль однозначных и комплексных критериев радиолокационного распознавания ОЯП, связанных с кучево-дождевой облачностью.
Проведен численный анализ полей облачности на основе вариационного согласования радиолокационных и станционных данных.
Практическая значимость:
Выполненные расчеты позволяют выбрать наиболее информативные критерии радиолокационного распознавания опасных явлений погоды на исследуемой территории, а также на территориях со сходными физико-географическими условиями.
Разработанная методика численного анализа позволяет повысить качество объективного анализа облачности, а также может служить основой при построении полей других метеовеличин (температуры, ветра, геопотенциала, осадков и т.п.).
Выполненная работа нашла научно-практическую реализацию в гранте РФФИ (проект 01-05-96454) «Исследование опасных явлений погоды с использованием радиолокационных, радиозондовых и станционных измерений» (руководитель Н.А. Калинин), 2001-2003 гг.; программе «Университеты России» (проект УР.01.08.016) «Объективный анализ полей облачности по данным радиолокационных и станционных наблюдений» (руководитель Н.А. Калинин), 2002-2003 гг.; гранте Американского Фонда Гражданских Исследований и Развития при поддержке Научно-образовательного центра «Неравновесные процессы в сплошных средах» (проект 03-02н-022а) «Численное моделирование полей облачности в атмосфере», 2003 г.
Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:
1. Научно-практической конференции «Научные достижения студентов на рубеже веков» (Пермь, 2000 г.);
Международной научно-практической конференции «Университетское образование и регионы» (Пермь, 2001 г.);
Всероссийской научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах-участниках СНГ, посвященной 10-летию образования Межгосударственного совета по гидрометеорологии «Метеорологические наблюдения, оценка и прогноз метеорологических и гелиогеофизических условий» (Санкт-Петербург, 2002 г.);
Международной научно-практической конференции «География и регион. Наблюдения, анализ и прогноз метеорологических условий» (Пермь,
2002г.);
Юбилейной Всероссийской научной конференции «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы» (г. Москва, 2002 г.);
Научной конференции, посвященной 125-летию основания Томского государственного университета и 70-летию геолого-географического факультета (Томск, 2003 г.);
7. Региональной научно-практической конференции «Географические
проблемы Уральского Прикамья» (Пермь, 2003 г.);
X Международной Юбилейной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2003» (Москва, 2003 г.);
XV конференции молодых ученых Сибири и Дальнего Востока «География: новые методы и перспективы развития» (Иркутск, 2003 г.);
Всемирной конференции по изменению климата (Москва, 2003 г.);
Конференции молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах» (Пермь, 2003 г.).
Результаты исследований, выполненных по теме диссертации, изложены в 18 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 140 наименований. Объем диссерта-
ции составляет 121 страницу, включая 16 рисунков и 24 таблицы, а также со-
Щ держит 3 приложения на 16 страницах.
Радиолокация — это область радиотехники, которая использует излучение и отражение электромагнитных волн для обнаружения объектов, а также получения их характеристик путем преобразования отраженного сигнала. Радиолокация основана на свойствах радиоволн распространяться в однородной среде по известным траекториям с постоянной скоростью. Излучение энергии осуществляется антенной радиолокационной станции (РЛС), прием — передатчиком РЛС.
Радиолокация сравнительно молодая наука. Впервые свойство радиоволн
искажаться при прохождении через препятствие было замечено еще в 1899 г.
А.И. Поповым (Россия) и подтверждено Юнгом и Тейлором (Великобритания) в 1922 г. Однако первые радиолокационные станции появились практически одновременно в СССР, США и Великобритании лишь в 30-е годы прошлого века. Они работали на метровых и дециметровых длинах волн и применялись для пеленгации объектов в воздушном пространстве.
В СССР работы по радиолокации начались в Ленинградском электрофи
зическом институте в январе 1934 г. под руководством А.А. Чернышева [59,*
~ 121], а 19 февраля этого же года было произведено первое испытание опыт-
ной радиолокационной установки. Разработка РЛС проводилась по заказу военных для обнаружения самолетов противника.
Для метеорологических целей РЛС начали использоваться с 40-х гг. XX в., когда были созданы новые военные радиолокаторы, использующие для работы радиоволны сантиметрового диапазона. 20 февраля 1941 г. на побережье Великобритании при радиолокационном наблюдении за самолетом с помощью военной РЛС, работавшей на длине волны 10 сантиметров, на расстоя-Щ-' нии свыше 11 км была обнаружена зона осадков [108,124].
В нашей стране военные РЛС для метеорологических целей были впервые использованы в 1943 г. сотрудниками Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) В.В. Костаревым и Г.И. Голышевым для определения вет-
pa на высотах [110]. В 1944 г. в Главной геофизической обсерватории (ГГО) был создан специальный радиолокатор СОН-2, который был введен в эксплуатацию в 1946 г., и под руководством Е.Т. Рыбакова начались радиоветровые наблюдения. Это был первый в мире опыт создания импульсного метеорологического радиолокатора. В этот период в США и Великобритании с помощью военных радиолокаторов AN/ARQ-13 производятся наблюдения отражений от метеоявлений, проводится их классификация и устанавливается связь отражений различного видах синоптическими данными. Исследования ведутся под руководством Атласа, Маршалла, Байеса [5, 125, 134]. Был собран обширный экспериментальный материал, анализ которого с одной стороны, открыл связь между распространением наиболее коротких радиоволн и метеорологическими условиями, а с другой стороны, выявил реальные возможности наблюдения за явлениями в атмосфере с помощью радиолокационных станций.
В 1950 г. в США были спроектированы два специальных радиолокатора метеорологического применения: AN/CRS-9, призванный заменить AN/ARQ-13, и WSR-57, которые вошли в эксплуатацию в 1951 г. 3-х сантиметровая РЛС AN/CRS-9 отличалась большой чувствительностью и была способна обнаруживать очень слабые осадки на расстоянии до 300 км. 10-и сантиметровый радиолокатор WSR-57 был спроектирован специально для бюро погоды США для обнаружения гроз, торнадо, ураганов [5]. Внедрение в, оперативную работу новых типов радиолокаторов позволило провести изучение гроз и града. В* результате исследования, проведенного Дональдсоном в Новой Англии [130], было получено, что, чем выше грозовое облако, сильнее интенсивность и больше площадь радиоэха грозовых очагов, тем больше вероятность образования в нем града. Аналогичные выводы были сделаны Туком [134], Дугласом и Хитчфелдом [131].
Практическое применение радиолокационного метода для штормоопо-вещения в Гидрометцентре СССР началось в 1948-1957 гг. Для этих целей использовались модернизированные 3-х сантиметровые самолетные РЛС
«Кобальт», приспособленные для проведения наблюдений на земле, а также 10-и сантиметровые радиолокаторы орудийной наводки. Первые систематические наблюдения проводились сотрудниками ГГО и ДАО В.В. Костаревым, Н.Ф. Котовым, П.Н. Николаевым, Н.Ф. Головачем, В.Д: Степаненко и другими. Ими были разработаны первые рекомендации по методике обработки и представлению радиолокационных данных, получены вертикальные разрезы облаков, обнаружен слой таяния (так называемая «яркая линия»), исследованы температуры вершин радиоэха облачности [110,114]. С помощью РЛС, работающих в 10-и сантиметровом диапазоне, В.Д. Сальманом были определены значения отражаемости (Z) облаков и осадков в радиусе 30 км и выявлены общие закономерности распределения отражаемости в ливнях и грозах. Оценены возможности применения РЛС для определения характеристик дождя по его радиолокационной отражаемости [96].
В 1961-1962 гг. была завершена разработка первого отечественного метеорологического радиолокатора MPЛ-1 по заказу ВВС. Работы проводились под руководством Г.Ф. Шевелы и СИ. Ваксенбурга. В разработке, испытании и внедрении МРЛ-1 принимали активное участие сотрудники ЦАО, ГТО и ЛВИКА В.В. Костарев, Е.М. Сальман, В.Д. Степаненко, СМ. Гальперин [110, 114]. Позже были разработаны МРЛ-2 и MPЛ-5 \ заказчиком которых являлась Гидрометслужба СССР.
Изначально в каждой стране развитие радиолокационной техники для нужд метеорологии определялось совокупностью наиболее опасных для народного хозяйства погодных явлений. Основной проблемой США является торнадо. Поэтому там получили наибольшее развитие РЛС, основанные на эффекте Доплера, позволяющие оценить поведение частицы в воздушном потоке, облаке [5, 108, 139]. С начала 60-х гг. прошлого века усилия радиометеорологов США были направлены на количественную интерпретацию радиолокационных отражений и поиски зависимости этих отражений от таких параметров, как распределение интенсивности дождя и размеры капель воды, скорость частиц, интенсивность турбулентности атмосферы и т.д.
В нашей стране МРЛ служит для обнаружения и получения радиол ока-
^ ционных характеристик облачности и явлений погоды, с целью предупрежде-
ния сильных ливней, гроз, града. Отечественные МРЛ используют импульсный некогерентный метод радиолокации, основанный на излучении электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты в виде зондирующих импульсов. Доплеровские когерентные радиолокаторы в оперативной работе для целей метеорологического обнаружения гидрометеоров в России не применяются:
После внедрения МРЛ в народное хозяйство сотрудниками ГТО посто
янно велась работа по совершенствованию радиолокаторов [38, 97, 100, 109].
^ Большой объем информации об облачности и связанных с ней явлениях пого-
ды, полученный с МРЛ, потребовал разработки новых способов ее обработки и представления [33, 63], была создана единая методика применения данных МРЛ для штормооповещения, синоптического анализа и климатических обобщений [18, 94,99].
В середине 60-х годов XX в. в ГГО было положено начало автоматизации радиолокационных метеорологических наблюдений [13, 17, 33, 86]. В результате автоматизации МРЛ удалось повысить оперативность наблюдений и скорость обновления радиолокационной информации, устранить субъективизм ручной обработки радиолокационных данных. Автоматизация наблюдений на МРЛ проводилась на базе комплексов «Метеоячейка-С2» и АКСО-ПРИ [114].
На основании проведенных ранее исследований и накопленного в ре
зультате эксплуатации МРЛ опыта в 1969 т. коллективом сотрудников ГТО
под руководством Г.Б. Брылева было выпущено руководство по использова
ния МРЛ [91], которое было переработано и дополнено в последующих изда-
Щ ниях [92-94].
Методики наблюдений и обработки информации МРЛ, разрабатываемые специалистами ГТО и их коллегами из социалистических стран, обсуждались на 6 совещаниях экспертов Центра по радиолокационной метеорологии со-
циалистических стран в период 1972-1989 гг. По результатам совещаний бы-
^ ли выпущены научно-методические труды Центра [89]. Они содержат основ-
ные научные результаты исследований отечественных и зарубежных специалистов по радиолокационной метеорологии, полученные в этот период.
В начале 80-х гг. прошлого века при ГГО была создана полевая экспеди
ционная база в пос. Тургаш (320 км к юго-востоку от Санкт-Петербурга), на
которой с помощью современного радиолокационного оборудования, самоле
тов-лабораторий, грозопеленгаторов отечественного и зарубежного произ
водства до настоящего времени проводятся эксперименты по активным воз
действиям на грозовые облака [39,40, 114].
После аварии на Чернобыльской атомной станции получили развитие
методы активных воздействий на облака, образовавшиеся после аварии, с целью вызывания из них осадков, обеспечивающих вымывание радиоактивных аэрозолей [41, 114].
Экономический спад в России, начавшийся в начале 90-х годов прошлого века сказался и на метеорологии. Произошло значительное сокращение наблюдательных підрометеоролопіческих станций и постов. Чтобы обеспечить необходимую точность метеорологической информации в этот период ведут-ся работы по сопоставлению и совместному анализу данных наземных наблюдений и информации МРЛ [26, 116].
В настоящее время метеорологические локаторы имеют широкое приме
нение во всем мире. Они обладают обширным диапазоном возможностей и
приспособлены к нуждам конкретной страны. В Великобритании использует
ся радиолокатор Siemens Plessey 45G. Его основная задача — проводить ко
личественные измерения осадков у поверхности земли для текущего прогно
зирования наводнений и краткосрочных прогнозов погоды с заблаговремен-
Ц>1 ностью 3 часа [3,128-130].
В США наиболее широко используется доплеровский радиолокатор WSR-88D, позволяющий одновременно получать информацию, отвечающую
требованиям штормооповещения, метеорологического обеспечения авиации и
^ измерения осадков [133,138].
Метеорологические радиолокаторы в Германии (DWD) предназначены для наблюдения за явлениями погоды и обеспечения гидрометеорологической информацией служб водного управления и авиации [136].
В Италии основной проблемой являются катастрофические ливни, вызывающие гидрогеологические изменения, ведущие к человеческим жертвам и наносящие ущерб культурным ценностям. Здесь метеорологическая радиолокационная сеть в основном состоит из доплеровских радиолокаторов марки ALENIA-SMA и EEC-ERICSSON [123].
~ МРЛ в Японии (марка Mitsubishy) предназначены для измерения харак-
теристик осадков с целью прогноза наводнения и регулярного водного режима при эксплуатации плотин на горных реках [140].
МРЛ, разработанные в России, в особенности МРЛ-4, MP Л-5 и МРЛ-6, по точности определения местоположения метеорологических объектов и геометрических размеров, мощности эхосигналов, радиусу действия, энергетическому потенциалу, рабочему ресурсу, удобству для операторов превышают требования ВМО к метеорадарам, не уступают и даже превосходят па-раметры подобных МРЛ Франции, Японии, Италии, Англии, США. Наибольшее распространение в России получили MP Л-5, работающие на двух каналах связи (3 и 10 сантиметров), и позволяющие решать задачи штормового предупреждения, а также работать в режиме градозащиты [45, 92, 93]. В настоящее время МРЛ служат также эффективным средством получения информации о состоянии облачности после воздействия на них с целью предотвращения опасных явлений погоды (ливней, града), либо увеличения осадков в засушливых районах [9, 28, 39]. С их помощью изучают также электриче-
Ш скую активность и зоны турбулентности в кучево-дождевых облаках (СЬ).
Радиолокационные характеристики кучево-дождевых облаков с метеорологическими явлениями
Использование радиолокатора на метеорологической сети позволяет оценить площадные характеристики распределения конвективных облаков, несущих опасные явления, и повысить заблаговременность получения информации о возможности возникновения ОЯП над определенным пунктом. С помощью МРЛ возможно получать информацию о конвективных облаках с явлениями, которые могут оказаться не замеченными наблюдателем, потому что при визуальном наблюдении с земли они замаскированы облаками слоистообразных форм. Известна также тенденция МРЛ фиксировать грозу на 10-15 мин раньше, чем она отмечается наблюдателем на метеостанции [76, 93]. Это происходит потому, что начало грозы обычно связывают с первым ударом грома или первым электрическим разрядом, тогда как МРЛ распознает грозовое состояние облака уже в стадии роста СЬ.
Интерпретация картин радиоэха явлений происходит по значению радиолокационных характеристик (высоте распространения радиоэха; его радиолокационной отражаемости; площади, занятой радиоэхом; скоростью и направлением перемещения радиоэха), которые зависят от физических параметров облачной атмосферы [31,32, 83,95,105].
Рассмотрим пространственное распределение и статистические параметры основных радиолокационных характеристик СЪ и связанных с ним метеоявлений для территории исследования.
Кучево-дождевые облака состоят из одной или нескольких (до 5 — 8) конвективных ячеек, имеющих горизонтальные размеры до 10 км. За конвективную ячейку обычно принимают элемент облака, с которым связан локальный максимум радиолокационной отражаемости. Радиолокационная отражаемость Z является одной из основных радиолокационных характеристик, по которым определяется вид явления. Отражаемость — это величина, характеризующая отражающие свойства единицы объема гидрометеоров. Обычно Zвыражается формулой [6,46,93, 113]:где N— число частиц (капель или кристаллов) в единице объема облака или осадков V3; D, — диаметр сферических частиц, мм.
Отражаемость облаков и осадков измеряется в мм 1м или flBZ:Каждому виду явления соответствует определенное значение и вертикальная структура отражаемости. Отражаемость изменяется во всем слое облака от его основания до верхней границы. Зона максимальной отражаемости в ливнях находится обычно вблизи уровня нулевой изотермы (Z2), в грозах и граде — на уровне Z з (уровень, расположенный на 2 км выше положения изотермы 0С — так называемый уровень массовой кристаллизации капель, выше которого облака главным образом кристаллические [16, 18, 117]). В большинстве случаев отражаемость в кучево-дождевом облаке растет до уровней Z2, Z3, а затем убывает по экспоненциальному закону со скоростью, различной для разных видов явления [3,16, 54].
Значения высоты распространения верхней границы радиоэха (Я пик) и соответствующих ей кривых отражаемости для СЪ с различными явлениями на территории исследования за теплый период 1998-2002 гг. приведены на графике средней отражаемости (рис.1.2).
Согласно рис. 1.2, вертикальные профили отражаемости в конвективных ячейках с ОЯП, наблюдавшихся на территории исследования, сходны с типичными профилями отражаемости [16]. На рисунке видно, что наблюдается плавный рост отражаемости в грозовых СЪ до высоты 4 км (в теплый период года на этом уровне расположена изотерма 0С), в ячейках с градом — до высоты 6 км (уровень изотермы -22С). Выше этих уровней отражаемость в конвективных облаках с явлениями начинает уменьшаться. Исключение составляет профиль отражаемости для ливневых СЪ (кривые 6 — 8, рис. 1.2). Здесь наблюдается рост отражаемости до высоты 3 км и дальнейшее падение Z. Причем отражаемость в конвективных ячейках с сильными и умеренными ливнями на нижних уровнях достигает значительных величин, в среднем даже больших, чем в ячейках с грозами (кривые 3-5, рис. 1.2). Возможно, это связано с выпадением из таких облаков интенсивных осадков. Заметим также, что уменьшение значений отражаемости выше уровня максимальной отражаемости в градовом СЪ происходит медленнее, чем в кучево-дождевом об
Критерии опасных явлений погоды на территории центральной части Уральского Прикамья
Облака вертикального развития (конвективные облака) представлены двумя формами: кучевыми и кучево-дождевыми облаками. Кучевые облака, как правило, осадков не дают (могут выпадать отдельные капли); опасные яв ления погоды (грозы, град, ливни, шквалы) связаны с кучево-дождевыми облаками.
Как уже отмечалось, кучево-дождевое облако состоит из 5 - 8 конвективных ячеек, — облачных элементов, — с которыми связан локальный максимум радиолокационной отражаемости. Отдельные конвективные ячейки являются более или менее автономными — взаимодействие между ними очень мало. Каждая ячейка проходит несколько стадий развития, которые в одном многоячейковом облаке протекают неодновременно. В зависимости от количества ячеек в СЬ, облака подразделяются на одноячейковые, многоячейковые и суперячейковые. Одноячейковые облака образуются, как правило, при внутримассовых условиях, либо на размытых атмосферных фронтах. Такие облака сопровождаются ливневыми осадками небольшой продолжительности (несколько десятков минут); грозы и град в таких облаках наблюдаются редко и имеют малую интенсивность. Многоячейковые СЬ в основном являются фронтальными. С ними связаны продолжительные ливневые осадки, град и грозы. При больших запасах энергии неустойчивости в сочетании с большими вертикальными градиентами скорости ветра формируются суперячейковые кучево-дождевые облака, с которыми связаны чрезвычайно сильные грозы и градобития.
При выполнении настоящей работы не ставилась задача разделения всех отмеченных СЬ на одно-, много- и суперячейковые. Такую оценку можно при желании произвести по косвенным признакам: высоте радиоэха облачности отражаемости в вертикальном слое облака и горизонтальным размерам облака. Наибольшие значения этих параметров будут определять облака с большим количеством ячеек.
Диагноз степени опасности явлений погоды производился по информации МРЛ. АМРК «Метеоячейка» позволяет получать 16 градаций явлений в зависимости от сезона наблюдений и вида осадков, но нас интересовали только явления, сопровождающие кучево-дождевую облачность, поэтому анализ проводился по 9 градациям: 1) ливень слабый — радиолокационное обозна чение V ; 2) ливень умеренный — V ; 3) ливень сильный — V (зимой и в переходные периоды — ливневый снег); 4) гроза с вероятностью 30-70% — ( ГС ); 5) гроза с вероятностью 70-90% — ГС ); 6) гроза с вероятностью более 90% — ГС ; 7) град с вероятностью 30-70% —А0; 8) град с вероятностью до 80% —А; 9) град с вероятностью более 80% —А . Также исследовались радиолокационные условия возникновения шквалистого усиления ветра.
АМРК «Метеоячейка» производит распознавание облачности и опасных явлений погоды в автоматическом режиме на основании алгоритмов, занесенных в программу расчета критериев опасности АМРК. Работа на абонентском пункте АМРК не позволяет выявить их значения. Поэтому при выполнении настоящей работы критерии рассчитывались по формулам для неавтоматизированных МРЛ, а полученные значения сравнивались с информацией МРЛ представленной в обработанном виде, а также с данными станционных наблюдений.
Характерной особенностью радиоэха кучево-дождевых облаков является большая вертикальная протяженность, достигающая в умеренных широтах 14 - 15 км, а в тропиках 17 - 20 км. Анализ радиолокационных наблюдений (табл. 1.9- 1.11) показал, что максимальный горизонтальный размер отдельных СЬ меньше (для грозы и града) или равен (для ливней) их вертикальному размеру. При этом размеры СЬ напрямую зависят от его стадии развития. Выделяют три стадии развития СЬ: стадию роста кучево-дождевого облака, зрелости и распада. Каждая стадия длится 10 - 30 мин. Таким образом, продолжительность существования радиоэха кучево-дождевого облака составляет в среднем 1 - 1,5 ч, хотя иногда она бывает менее 30 мин, а для СЬ, связанных с фронтами может достигать 6 ч [16,31,32,113].
Насколько наблюдаемое конвективное облако приблизилось к стадии кучево-дождевого или грозового облака можно определить по критерию потенциальной грозоопасности k „ [ИЗ]. Этот критерий определяет следующие параметры облаков: максимальные значения радиолокационной отражаемости, соответствующие моменту появления крупных частиц в переохлажден ной части Си cong., и мощность переохлажденной части ( 5). Таким образом, с учетом нормировки критерий потенциальной грозоопасности рассчитывается по формуле:cong.; HQ.C — высота нулевой изотермы; Zmax — значение максимальной отражаемости в облаке.
Для различных состояний Си cong. по формуле (2.1) были определены значения к Лг, характеризующие потенциальную грозоопасность конвективной облачности на ЦЧУП:
Согласно приведенным выше данным, при достижении Си cong. величины к пг. = -1,0 создаются предпосылки для скорого перехода облака в СЪ. Следует отметить, что на территории ЦЧУП минимальные значения радиолокационных параметров в грозе за весь период исследования составили Нmax = 3,5, HQ.C= 0,6, Zmax = 30. Следовательно, минимальное значение кп.г. вгрозе составляет-1,2.
На индикаторе MP Л непосредственное разделение явлений на ливни и грозы невозможно. Для распознавания этих явлений используются косвенные признаки, основанные на физико-статистических зависимостях, установленных для различных физико-географических условий и конкретных МРЛ путем статистической обработки данных. Такими признаками, например, слу жат рассмотренные в 1.2. характеристики у, а, 5, Каждому конкретному яв лению свойственно свое значение этих характеристик, что может служить ос нованием для разделения явлений. При переходе от ливней к грозам происходит резкое увеличение значений у, а, 8, чего не скажешь, например, о переходе от гроз к граду (здесь разница в значениях характеристик не столь значительна).
В оперативной работе для принятия решения об ОЯП используются критерии распознавания. Они определяются для каждого физико географического района в процессе эксплуатации МРЛ, корректируясь каждый год. Выделяют однозначные и комплексные критерии распознаванияty ОЯП [3, 16, 18, 24, 67, 94]. К однозначным (автономным) критериям относит ся величина отражаемости в СЪ с явлением на уровне Zi или Z3, выраженная в условных единицах: lgZ2, \gZ . Параметр lgZ3 определяет связь отражаемости облака с количеством осадков и восходящими потоками в облаке. В пределах некоторого интервала значений IgZ можно с определенной степенью уверенности говорить о наличии того или иного явления. Превышение значения lg Z над установленным пороговым критерием свидетельствует о том, что отмечается другое явление, обладающее большей интенсивностью, и на Щ оборот.
Другим однозначным критерием служит максимальная высота радиоэха явления Ятах. В ходе своего развития конвективное облако достигает стадии, при которой начинается оледенение его вершины. С этого момента создаются условия для начала интенсивного разделения электрических зарядов и превращения облака в кучево-дождевое с ливнями и грозами. Согласно [16, 78, 122, 126], температура вершины СЪ должна составлять -20 - - -25С. Следовательно, возникновение гроз и града происходит после превышения радиоэхомjty СЪ уровня изотермы -22 С (уровень массовой кристаллизации капель),Т.е. ПОСЛЄ Н . //_22С Считается, что развитие облаков по вертикали происходит до уровня тропопаузы, которая в силу своих характеристик является задерживающим слоем для водяного пара. Но в летний период иногда наблюдаются вертикальные движения воздуха такой интенсивности, что происходит «пробивание» тропопаузы и вынос водяного пара за ее границы. Таким образом, превышение облаком определенного уровня, например изотермы - 22С (АН = Ятах - #_22с), либо тропопаузы (АЯтроп = Ятах - Ятроп), может также служить критерием распознавания кучево-дождевых облаков.
При невозможности получения значения lg Z диагноз явления можно произвести по величине АН. Характеристика АН зависит от условий конвекции и стратификации атмосферы, которые определяют характер СЬ (грозовое или негрозовое). Согласно [18], значение АЯ 5 км свидетельствует о грозе, при ЛЯ=3-5 грозы и ливни без гроз равновероятны, при АЯ= —1- -3 отмечаются осадки обложного или ливневого характера без гроз. Для ЦЧУП осадки ливневого характера наблюдаются при АЯ 0.
Комплексные критерии рассчитываются на основе нескольких радиолокационных параметров облаков, что позволяет снизить ошибку при распознавании ОЯП, связанных с СЬ [15, 19, 94, 112]. Так, на основе высоты радиоэха и lg Z3 определяется критерий грозоопасности Y. В теплый период года его расчет производится по формуле
Повторяемость опасных явлений погоды на территории исследования
Кучевые и кучево-дождевые облака связаны с процессом конвекции в неустойчивой атмосфере. Развитию конвекции способствует термическая неустойчивость атмосферы, когда вертикальный температурный градиент превышает адиабатический или псевдоадиабатический градиент. Термическая неустойчивость достигается за счет высоких температуры и относительной влажности воздуха, наличия конвергенции потоков вблизи атмосферных фронтов, а также вследствие неоднородности подстилающей поверхности и горных хребтов. Поскольку температурный режим атмосферы играет важную роль в образовании конвективной облачности, то ее появление зависит от времени суток, сезона или периода года. Так, Си обычно образуются утром, когда вертикальный температурный градиент достаточно возрастает, развиваются в течение суток, достигая максимума вблизи местного полудня, и разрушаются к вечеру. Для развития СЪ нужна значительная неустойчивость атмосферы, которая достигается за счет мощных восходящих движений при прогреве нижней атмосферы, при восходящих движениях над горными склонами, либо над поверхностью холодных фронтов. Фронтальные облака ясного суточного хода не имеют, однако, известна тенденция холодного фронта обостряться летом во второй половине дня и размываться ночью, теплого фронта наоборот — обостряться ночью и размываться днем [27].
В годовом ходе максимум конвективной облачности приходится на весну и лето, когда наряду с фронтальной облачностью, происходит развитие облаков конвекции, а минимум на зиму и осень, когда основной причиной образования конвективных облаков является циклоническая деятельность.
Рассмотрим повторяемость конвективной облачности и явлений, в зависимости от времени суток, месяца и сезона года на территории исследования за 1995-2001 гг. (табл. 2.6).
Согласно [42, 68], в континентальном климате амплитуда годового хода повторяемости кучевой облачности Р(Си) очень велика. Минимум Р{Си) наблюдается в зимние месяцы. В среднем по территории бывшего СССР Р{Си) зимой составляет 2 %, существенно изменяясь в зависимости от территории (прил.2). В ЦЧУГЩСн) = 1 %.
Повторяемость Си начинает возрастать уже в марте и достигает максимума в июне — июле. Летом повторяемость этого вида облачности велика по всей территории России (за исключением Курильсюїх островов) и Кавказу (прил. 2) и составляет в ЦЧУП в среднем 16 % для летних месяцев. Осенью Р(Си) повсюду достаточно быстро уменьшается.
Годовой ход Р(СЬ) на территории бывшего СССР несколько отличается от аналогичной характеристики кучевой облачности. Минимум Р(СЬ) отмеча ется зимой (около 1 % над континентальной частью, над территорией исследования — 8 %). Максимум Р(СЬ\ также как и кучевой облачности, наблюдается в летние месяцы. Уменьшение повторяемости кучево-дождевой облачности осенью происходит значительно медленнее, чем увеличение ее весной. В целом, можно отметить, что годовой ход кучево-дождевой облачности в целом сходен с ходом температуры, абсолютной влажности и количества осадков.
В целом по России зимой за счет СЬ фронтального происхождения Р(СЬ) несколько больше, чем Р(Си) (в среднем 4 и 2 %, на территории исследования 8 и 1 % соответственно). Летом повторяемость облаков СЬ почти вдвое меньше Р(Си), так как конвекция над континентом не всегда обеспечивает рост Си до СЬ. В среднем по бывшему СССР летом Р(Си) « 27 %, Р(СЬ) « 13 %. На территории исследования такой закономерности не отмечается, здесь повторяемость кучевых и кучево-дождевых облаков летом равна 16 и 15 % соответственно.
Сезонное изменение повторяемости конвективной облачности (суммарное значение Си и СЬ) над всей территорией России и Украины [68] и над областью исследования происходит следующим образом:
Приведенные данные свидетельствуют о том, что в течение года повторяемость конвективной облачности на территории исследования больше, чем в целом по стране. Причиной этому могут служить активная циклоническая деятельность на территории исследования, а также орографические особенности территории.
Согласно приведенным выше исследованиям, наибольшая частота появления СЬ, а следовательно, и связанных с ней явлений погоды, отмечаются в теплый (май-сентябрь) период года. Рассмотрим повторяемость ливней, гроз и града в течение года по радиолокационным данным (табл. 2.7), которая указывает на то, что максимум повторяемости всех конвективных явлений приходится на два месяца в году — июнь и июль. Ливневые осадки отмеча-ются в течение всего года. В годовом ходе ливневых осадков можно отметить два максимума повторяемости: в теплый и в холодный периоды года. В теплый период максимальная повторяемость ливней приходится на июль (25 % от общегодового количества), в холодный — на декабрь (3 %). Декабрьский максимум связан с установлением циклонической погоды в этот период. Минимум повторяемости ливней приходится на октябрь - ноябрь (0,5 %), когда на территории исследования осадки носят преимущественно обложной характер. Грозы и град отмечаются лишь в теплый (май-сентябрь) период года, однако в 1 % случаев грозы наблюдаются в апреле. Абсолютный максимум повторяемости этих явлений приходится на самый теплый месяц года — июль (41 % для грозы и 44 % для града). В этом месяце большой вклад в развитие СЬ, помимо циклонической деятельности, оказывает термическая конвекция, связанная с сильным прогревом подстилающей поверхности.
Повторяемость опасных явлений погоды неравномерно распределяется и по времени суток. Из рис. 2.3. видно, что для всех конвективных явлений погоды минимальная повторяемость отмечается в ночные и утреїіние часы в сроки 0 - 6 и 18 - 24 ч МСВ (26 — 37 % случаев), максимум повторяемости ОЯП отмечается в период с 6 до 18 ч (63 - 74 % случаев) (использовались радиолокационные данные за 1998-2002 гг.). Таким образом, наибольшая по
Приведение радиолокационной и станционной информации кодномувиду
Полученная на метеостанциях и с помощью МРЛ информация об облач ности существенно различается. В первом случае это количество облаков, характеризующее степень покрытия облачностью некоторого пространства, обозреваемого наблюдателем из данной точки, которое ограничивается не бесным сводом и горизонтом [79], во втором — радиоэхо облаков (его отражаемость и конфигурация). Поэтому строгая сопоставимость данных станционных и радиолокационных наблюдений возможна в случае, если снимать данные об облачности с монитора ПЭВМ или бланка-карты МРЛ с помощью круглой палетки (радиусом приблизительно соответствующим радиусу обзора наблюдателя на метеостанции) с центром в точке расположения станции. Этот путь был бы возможен при большой густоте станций, в реальных условиях такая интерполяция даст большую ошибку. Чтобы этого избежать, район радиолокационных измерений был разбит на квадраты, в каждом из которых количество облаков определялось по 10-балльной шкале как доля площади квадрата, занятая облачностью.
Распределение балла облачности (и) больше, чем любой другой метеовеличины зависит от размера квадрата, с помощью которого определено п. При наблюдении с Земли распределение облачности чаще всего имеет вид Сообразной кривой [71, 72]. Если при переводе радиолокационного изображения в количество облаков п определять в точке (4x4 км — разрешение АМРК «Метеоячейка»), то возможны 2 состояния — полная облачность (и =10 баллов) и ясно (п = 0 баллов). Если же размер квадрата равен площади охвата радиолокатора (400x400 км), то п теоретически должно быть близко к средним значениям облачности (4 - в баллов), о. вероятность малых и больших значений должна быть невысокой.
С целью выбора оптимального размера квадрата были определены п для различных квадратов, размер которых изменялся от 4x4 до 400x400 км. Результаты расчета плотности распределения (%) количества облаков по восьми срокам за весь исследуемый период представлены в табл. 3.1.
Как известно, в результате ослабления сигнала радиолокатора по мере удаления от МРЛ на расстоянии 100-дог и более часть облаков радиолокатор не может обнаружить. Поэтому наибольшая плотность распределения облачности относится к 0 баллов при использовании квадратов малого размера (для квадратов 12x12, 25x25, 50x50 км — 80,1, 75,1 и 61,2 % соответственно) и к 1 баллу при использовании квадратов большого размера (100x100, 200x200, 400x400 км — 44,5, 51,3 и 48,2 % соответственно). Функция распределения облаков имеет следующий вид: для квадратов 12x12, 25x25 и 50x50 км повторяемость облачности убывает в сторону увеличения балла облачности, достигая минимума в градации 3-6 баллов, затем плотность распределения вновь несколько возрастает. Для квадратов 100x100, 200x200 и 400x400 км плотность распределения принимает одновершинный вид с максимумом при п = 1 балл, уменьшаясь на каждом шаге при переходе к большему баллу облачности, достигая минимума при п = 8 баллов (0,1 %) при использовании квадрата 100x100 км, при п = 6 баллов (0;1 %) для квадрата 200x200 км и при п = 5 баллов (0,8 %) для квадрата 400x400 км.
Необходимо отметить, что по данным табл. 3.1, при работе с квадратом 12х 12 км из-за незначительности его размера вероятность средних значений облачности мала, поэтому ив пределах рассматриваемой площади (400x400 км) стремится к крайним значениям. Квадраты же большого размера (100x100, 200x200 и 400x400 км) не дают достоверной информации о количестве облачности, так как с увеличением площади квадрата п стремится к баллу. Исходя из этого, наиболее оптимальным представляется использовать квадраты 25x25 и 50x50 км.
Последующая работа проводилась только с квадратом 25x25 км, предпочтение которому было отдано в силу того, что радиус обзора наблюдателем небосвода (г) при определении количества облаков может быть рассчитан следующим образом [4]:
