УДК [551.509.326.001.572+551.15.4].001.36
Пример сравнения индексов неустойчивости средней тропосферы в прогностической модели с информацией о грозовой активности
И. М. Губенко*, К. Г. Рубинштейн*
Приведен обзор методов прогноза гроз с помощью индексов неустойчивости атмосферы, а также описаны основные возможные источники наблюдений за грозами. Получены оценки точности глобальной сети ЖЖЬЬЫ, регистрирующей молнии. Выполнено сравнение снимков конвективной облачности со спутника "Meteosat-9 " в ИК-диапазоне, модельных карт облачности и конвективных осадков и некоторых индексов неустойчивости, рассчитанных по модели ЖЯГ-ЛЯЖ.
1. Введение
Как известно, гроза — комплексное атмосферное явление, частью которого являются многократные электрические разряды между облаками или между облаками и землей (молнии), сопровождающиеся звуковым явлением (громом) [12]. Молниевые разряды нередко приводят к гибели людей, наносят ущерб, а также могут стать причиной возникновения лесных и степных пожаров. Грозы наблюдают, как правило, при мощной кучево-дождевой облачности. Восходящие и нисходящие движения в кучево-дож-девых облаках могут вызвать потерю управления летательным аппаратом. Опасны также для летательных аппаратов поражения молниями внутри облаков [6].
Сложность прогноза гроз обусловлена тем, что численные модели в настоящее время явно не учитывают процессы атмосферного электричества, по э тому для про гно за раз ви тия гро зы и дру гих кон вектив ных явле ний широкое распространение получили индексы неустойчивости атмосферы.
В статье рассматриваются методы диагноза и прогноза грозовой активности, проведена сравнительная оценка точности источников наблюдений за грозами, а также приводится сравнение снимков конвективной облачности в ИК-диапазоне со спутника "Meteosat-9", модельных карт облачности, конвективных осадков и индексов неустойчивости атмосферы, рассчитанных по модели WRF-ARW.
2. Методы диагноза гроз
Рассмотрим возможные источники информации о грозах.
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: img0504@yandex. ru.
Данные наземных станций Всемирной службы погоды. В соответствии с Наставлением [7], гроза с осадками или без таковых, а также зарница шифруются в графах телеграммы "Погода в срок наблюдения или в последний час" (WW) и "Погода между сроками наблюдений" (WWW). Факт грозы на метеостанции устанавливается по визуально-слуховым наблюдениям в радиусе ~5 км, причем выделяются близкие и отдаленные грозы, а также зарницы. Регулярность фиксации гроз составляет каждые 3 ч (всего восемь сроков) [7].
Глобальная сеть, регистрирующая грозы. Молнии являются источником низкочастотных электромагнитных волн, распространяющихся в естественном волноводе, образованном ионосферой Земли и ее поверхностью. Эти волны регистрирует Мировая сеть регистрации молний (Worldwide Lightning Network, WWLLN) [4, 16]. Для приема таких сигналов служат штыревые ОНЧ-антенны (ОНЧ — очень низкие частоты, диапазон частот 3—30 кГц). На декабрь 2012 г. общемировая сеть насчитывала 55 ОНЧ-приемников. Число станций достаточно для покрытия всей поверхности Земли, поскольку сверхдлинные волны, соответствующие ОНЧ-диапазону, могут распространяться на 10—15 тыс. км [3, 4]. Точность фиксации грозовой деятельности составляет ±10 км по пространству (по территории США), по времени — с задержкой 2—3 с. Сеть WWLLN фиксирует молнии только типа облако — земля [3, 4, 16]. Информация о молниях в ре -жиме реального времени доступна на сайте http://wwlln.net/TOGA_ network_global_maps.htm [24].
Региональные грозомерные сети. Региональные наземные системы обнаружения молний показывают местонахождение молниевой активности в режиме реального времени, но только для области радиусом 100—300 км. Регистрация молниевых разрядов также происходит с помощью приемников ОНЧ-диапазона [16, 19]. Существуют американская, канадская, австралийская, новозеландская и бразильская сети обнаружения молний [16]. Региональные системы регистрации гроз, в отличие от глобальной, фиксируют молнии двух типов: облако — земля и внутриоблачные.
На территории России регистрацию молниевых разрядов выполняет аппаратно-программный комплекс грозопеленгационная система (АПК ГПС) Росгидромета "А^е8 9.07", концепция построения которой была разработана Главной геофизической обсерваторией им. А. И. Воейкова. Система обеспечивает регистрацию волновых форм электромагнитного излучения (ЭМИ) молниевых разрядов в сверхдлинноволновом (СВД) диапазоне на удалении до 1000 км, привязку к сигналам точного времени GPS, определение полярности и амплитуды, а также длительности переднего фронта и первой полуволны [9]. Полученная информация о молниевых разрядах наносится на географическую карту с указанием временной отметки и пространственных координат. В состав АПК ГПС входят индикаторы, сервер со специальным программным обеспечением, включающим программы по сбору данных с индикаторов, сохранению данных регистрации, расчету географических координат разрядов. На период 2010—2011 гг. основу системы составлял 21 индикатор (расположены на европейской территории России). В 2008 г. были разработаны схемы построения АПК ГПС для Урала, Сибири и Дальнего Востока. В результате к 2015 г. система будет
насчитывать 127 комплектов индикаторов грозовой опасности. Следует отметить, что АПК ГПС отображает метеорологические явления по данным метеорологических радиолокаторов (МРЛ), высоту верхней границы облаков по данным искусственных спутников Земли, а также наземную метеорологическую информацию. Данные о молниевых разрядах отображаются на картах Google Maps [9]. Информация о грозовой деятельности, зафиксированная АПК ГПС, доступна на сайте http://www.lightnings.ru.
На территории России регистрацию молниевых разрядов выполняет также система "Верея-МР", развернутая ФГУ "Авиалесоохрана". Принцип ее де йствия со сто ит в том, что каж дый пункт ре гис три рует вре мя при е ма сигнала излучения, его направление, амплитудные характеристики принимаемого сигнала и передает полученные данные в обрабатывающий центр. Погрешность определения места грозы составляет 3 км. Существующая сеть пеленгации гроз образована 26 пунктами регистрации гроз [8]. Информация о грозовой деятельности предоставляется по запросу.
Спутниковые данные. В пределах предварительно распознанной куче-во-дождевой облачности по спутниковой информации в работе [1] опреде-ля ет ся ин тен сив ность кон вектив ных явле ний, в том чис ле гро зо вой де я-тельности на европейской территории России в летний период 2003 г. Результаты спутникового картирования гроз не противоречат результатам наземных наблюдений, а также существенно дополняют их в районах, где метеорологическая сеть отсутствует или является недостаточно полной [1].
Данные метеорологических радиолокаторов. Общий принцип работы МРЛ основан на методе радиообнаружения объектов при любых условиях видимости посредством облучения их радиоволнами и приема отраженных от них радиоволн [5]. Распознавание гроз — задача вторичной обработки информации. Метеорологический радиолокатор определяет наличие гроз в радиусе ~200 км с точностью определения координат по азимуту 1° [2, 5]. Данные доступны на многих сайтах в Интернете (например, http:// www. milmeteo. org/mrl.php).
Стоит отметить, что в Австралии, Нидерландах и США для наблюде -ния за грозами используют данные метеорологических станций, МРЛ, а также применяют спутниковые методы диагноза [14, 17, 18, 20, 23].
3. Сопоставление данных метеорологических станций и Мировой сети регистрации молний
Сопоставление данных о грозовой деятельности по данным метеорологических станций и Мировой сети регистрации молний выполнено на примере гроз, наблюдавшихся 15 августа 2012 г. над европейской территорией России. Для сопоставления использовали данные сети WWLLN и метеостанций о грозах в сроки 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 ч. Данные о грозе, полученные по данным сети наземных станций, были приняты за истинные значения, а данные сети WWLLN — за информацию, точность которой необходимо проверить [2]. Молниевые разряды, наблюдавшиеся в один и тот же срок и находящиеся в радиусе ±10 км друг от друга, в данной работе осреднены и считаются за один грозовой очаг. Сопоставление грозовых очагов по двум наблюдательным сетям проведено с разными допусками: ±25, 50, 75 и 100 км [2].
Оценка точности сети WWLLN включает расчет четырех статистических величин для указанных выше четырех градаций допуска: достоверности (А), вероятности ложного диагноза (Г), вероятности обнаружения (В) и вероятности необнаружения гроз (М) [2].
Достоверность обнаружения гроз в сети WWLLN — отношение числа случаев гроз по данным сети WWLLN, совпавших со случаями гроз по данным метеорологических станций («1), к числу случаев гроз по данным сети WWLLN N
А = • 100, (1)
N
где А — в процентах [2].
Вероятность ложного диагноза сети WWLLN — отношение числа случаев гроз по данным сети WWLLN, не совпавших со случаями гроз по данным метеорологических станций (п2), к числу случаев гроз по сети WWLLN:
Г = • 100. (2)
N
Результаты расчета достоверности А и вероятности ложного диагноза Г представлены в табл. 1, а также на рис. 1а. Из данных табл. 1 и рис. 1а видно, что достоверность выше вероятности ложного диагноза только при сопоставлении грозовых очагов с допусками ±75 и ±100 км. При допусках ±25 км наблюдается большая вероятность ложного диагноза (88,78%). При допусках ±50 и ±75 км наблюдается взаимообратная ситуация: достоверность и вероятность ложного диагноза равны соответственно 42,86 и 57,14 для случая с допуском ±50 км и 58,16 и 41,84 при допуске ±75 км.
На рис. 16 показана доля гроз, обнаруженных WWLLN, подтвержденных и не подтвержденных результатами наблюдений метеорологических станций. Видно, что большая часть гроз, зарегистрированных глобальной сетью WWLLN и подтвержденная метерологическими станциями, наблюдается при сопоставлении грозовых очагов с допуском ±100 км (подтверждено станциями 84 случая гроз). При малом допуске (±25 км) ситуация иная: подтвержденных метеорологическ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.