УДК 551.509.313:551.577
Прогностическая значимость динамических факторов генерации осадков
Н. П. Шакина*, Е. Н. Скриптунова*, А. Р. Иванова*
На материале данных объективного анализа метеорологических величин и полусуточных сумм осадков по данным наблюдений на европейской территории бывшего СССР изучены статистические связи между диагностическими характеристиками динамического вынуждения вертикальных движений и повторяемостью осадков разных градаций интенсивности по области в целом и по 6 отдельным регионам. В качестве диагностических характеристик использованы следующие величины: фронтальный параметр как мера бароклинности и кривизны поля давления; уровень нулевой плавучести как мера конвективной неустойчивости сеточного масштаба; фронтогенети-ческая функция на изобарической поверхности 850 гПа и высота динамической тропопаузы как меры интенсивности вертикальных циркуляций в нестационарных бароклинных зонах. Приводятся оценки информативности каждой из диагностических характеристик и их парных сочетаний как предикторов осадков. Фронтальный параметр (во все сезоны) и уровень нулевой плавучести (во все сезоны, кроме зимы) являются значимыми как единственные предикторы осадков. Среди парных сочетаний диагностических характеристик более информативны те, в состав которых входит фронтальный параметр, а самым информативным является сочетание последнего с уровнем нулевой плавучести. Сравнимую информативность в определенных условиях имеют сочетания фронтального параметра с фронтогенетической функцией и с высотой тропопаузы (в частности, зимой и осенью для сильных и очень сильных осадков). Во всех случаях показатели информативности (критерий Пирси) тем больше, чем более интенсивные осадки взяты в качестве предиктанта.
1. Введение
Восходящие движения в атмосфере средних широт, являющиеся необходимым условием возникновения облаков и осадков, развиваются главным образом в результате процессов, нарушающих баланс термического ветра либо гидростатический баланс [12—14]. К таким процессам относятся неоднородная адвекция температуры в бароклинных зонах (фронто-генез и фронтолиз), разрешение гидродинамической либо конвективной неустойчивости, а также трение. Первый из перечисленных процессов играет важнейшую роль в зонах атмосферных фронтов, где и выпадает большая часть осадков [2]. При фронтогенезе в этих зонах развиваются поперечные вертикальные циркуляции с восходящей ветвью в теплой воздушной массе. При фронтолизе также развиваются поперечные циркуляции,
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации.
но восходящая ветвь в этом случае расположена в холодном воздухе. Поперечные циркуляции могут захватывать мощные слои воздуха, включая всю тропосферу и нижнюю стратосферу; при этом происходит деформация тропопаузы с понижением ее во фронтальной зоне и повышением на стороне теплого воздуха [14].
Интенсивность вертикальных движений зависит от горизонтальных контрастов температуры и от скорости их изменения со временем. Иначе говоря, вертикальные движения, а следовательно и осадки, определяются динамическими факторами — бароклинностью и взаимодействием полей ветра и температуры, формирующими поле адвекции, — и таким образом являются результатом динамического вынуждения со стороны указанных факторов. Так, циклоническая кривизна изобар (изогипс) определяет конвергенцию ветра в зоне фронта, сближение изотерм, а значит и восходящие движения в теплом воздухе, образование облаков и зон осадков.
Отсюда следует, что условия развития восходящих движений можно определить через диагностические характеристики полей давления, температуры и ветра. Удачно выбранная система диагностических характеристик, выявляя зоны восходящих движений, будет тем самым выявлять зоны облачности и осадков. Если же эти характеристики рассчитаны по прогностическим полям, то их можно использовать для прогноза осадков (альтернативного по отношению к прямому численному моделированию). Хорошо известны трудности численного прогноза облачности и осадков [9, 10]. Даже в лучших современных моделях точность их прогноза намного ниже точности прогноза полей давления, температуры и ветра. Важными причинами этого являются низкая точность не только прогностических, но и начальных полей влажности, а также ненадежность схем расчета вертикальных скоростей. Поэтому представляет интерес изучение возможностей прогнозирования осадков с помощью таких предикторов, которые бы определялись через сравнительно хорошо прогнозируемые величины (давление, температуру, ветер) и минимально зависели от величин, точность расчета которых невысока (влажность, вертикальная скорость, модельные осадки). Некоторые подходы такого рода к прогнозу сильных осадков предложены в [11, 15, 16].
В [5, 7] на достаточно большом материале реальных данных продемонстрирована статистическая связь между повторяемостью осадков и такой диагностической характеристикой, как предложенный в [4, 6, 8] фронтальный параметр, определяемый через кривизну поля давления и бароклин-ность. Показано также, что использование двух характеристик — фронтального параметра и уровня нулевой плавучести — позволяет получить достаточно эффективный альтернативный прогноз факта выпадения значительных (> 1 мм/12 ч) осадков во все сезоны.
В настоящей статье на основе 8-летней выборки данных исследуется информативность четырех диагностических характеристик динамического вынуждения вертикальных движений как предикторов осадков разных градаций интенсивности в различные сезоны, а также информативность парных сочетаний указанных характеристик. Статистические связи между диагностическими характеристиками и повторяемостью осадков изучены как для всей европейской части бывшего СССР, так и для ее отдельных регионов, что позволяет обнаружить локальные особенности эффектов динамического вынуждения.
2. Используемые данные и диагностические характеристики
Для расчетов диагностических характеристик использовались данные объективного анализа (ОА) из базы данных Гидрометцентра России — поля давления (геопотенциала), температуры, ветра и влажности — в узлах географической сетки 2,5 х 2,5° на территории от 40 до 60—70° с. ш. и от 20 до 60° в. д., охватывающей европейскую часть бывшего СССР, а также бассейн р. Урал и часть Северного Казахстана. Расчет выполнялся по выборке данных ОА за 8 лет — с 1 декабря 1998 г. по 30 ноября 2006 г. Рассчитанные диагностические характеристики сопоставлялись с данными о полусуточных суммах осадков на той же территории за тот же период.
В набор рассчитываемых характеристик входили следующие:
1. Фронтальный параметр Е (положительный и безразмерный) как характеристика вынуждающего эффекта фронтальных зон [7]. Алгоритм расчета Е включает как первый шаг объективную классификацию топографии поля приземного давления (синоптической ситуации) в данном квадрате сетки и затем, как второй шаг, вычисление для данного класса синоптических ситуаций значения Е с использованием дискриминантной функции от двух параметров, неодинаковых у разных классов и характеризующих в основном горизонтальные градиенты температуры в слоях и на уровнях в нижней тропосфере. Согласно [7], значения Е <20 характерны для внут-римассовых условий, 20 < Е <40 — для размытых фронтальных зон или периферии активных фронтов, 40 < Е < 60 и Е > 60 — для активных и очень активных фронтов соответственно;
2. Скалярная фронтогенетическая функция ЕО на изобарической поверхности 850 гПа (°С/500 км за 12 ч) как характеристика изменения во времени горизонтального градиента температуры, т. е. фронтогенеза (ЕО > 2°С/500 км за 12 ч) или фронтолиза (ЕО < -2°С/500 км за 12 ч). При |ЕО| < 2°С/500 км за 12 ч эффект неоднородной адвекции считался прене-брежимым;
3. Уровень нейтральной плавучести ЬЫБ (км), рассчитываемый в узлах сетки, как характеристика конвективной неустойчивости сеточного масштаба. Строго говоря, конвективная неустойчивость является статической, а не динамической, в том смысле, что она может развиваться в покоящемся воздухе. Однако по отношению к индивидуальной частице, вовлеченной в конвективное движение, восхождение определяется динамикой конвективного облака. В этом смысле мы будем называть конвективную неустойчивость одним из видов динамического вынуждения восходящих движений. Можно отнести ЬЫБ < 4, 4 < ЬЫБ < 8 и ЬЫБ >8 км к условиям мелкой, средней и глубокой конвективной неустойчивости соответственно;
4. Высота динамической тропопаузы ТЯ (гПа), рассчитанная в узлах сетки как уровень, на котором потенциальный вихрь достигает заданного значения, характерного для перехода от тропосферы к стратосфере. Величина ТЯ рассматривается как характеристика глубоких поперечных циркуляций, захватывающих слой тропопаузы. Значения ТЯ > 400 гПа и ТЯ < 200 гПа характерны соответственно для низкой тропопаузы (воронки
и складки) в зонах опускания воздуха и для высокой тропопаузы (купола) в зонах восхождения.
Обращаем внимание на то, что при расчете TR и FG данные о влажности не используются; при расчете F они используются ограниченно — для определения эквивалентной добавки к температуре. Только в расчетах LNB влажность играет существенную роль — для определения уровня конденсации. Подчеркнем также, что для расчета диагностических характеристик не используются поля вертикальных скоростей или осадков. Последние привлекаются в качестве предиктанта, тогда как диагностические характеристики играют роль предикторов.
Набор характеристик, включающий F, LNB, FG и TR, рассчитывался в узлах сетки ОА в сроки 0 и 12 ч ВСВ на указанной выше области. Число узлов сетки, в которых производился расчет, за 8 лет составило 2 494 635, или более 600 тыс. в каждый сезон. Рассчитанные в узле сетки характеристики сопоставлялись с полусуточными суммами осадков на всех станциях в соответствующем квадрате. Именно, одному и тому же значению конкретной характеристики ставилось в соответствие столько значений сумм осадков, сколько имелось наблюдающих станций в пределах квадрата. Из-за того, что осадкомерная сеть в общем довольно редкая, в каждый срок данные о наличии либо от
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.