научная статья по теме РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ИНДЕКСА МОЛНИЕВОЙ АКТИВНОСТИ В МОДЕЛЯХ ПРОГНОЗА ПОГОДЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ИНДЕКСА МОЛНИЕВОЙ АКТИВНОСТИ В МОДЕЛЯХ ПРОГНОЗА ПОГОДЫ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 2, с. 210-217

УДК 551.594

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ИНДЕКСА МОЛНИЕВОЙ АКТИВНОСТИ В МОДЕЛЯХ ПРОГНОЗА ПОГОДЫ

© 2015 г. С. О. Дементьева*, **, Н. В. Ильин*, **, Е. А. Мареев*, **

*Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 **Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 603950 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 E-mail: ilyin@appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 04.04.2014 г., после обработки 24.06.2014 г.

Рассматриваются современные методы прогноза гроз и молний с использованием численных моделей высокого разрешения. Проведен анализ индекса молниевой активности (Lightning Potential Index — LPI) для различных параметризаций микрофизических процессов на примере численной модели прогноза погоды WRF. Показано, что максимальные значения индекса существенно зависят от типа используемой параметризации, что делает невозможным задание одного порогового LPI для различных параметризаций в качестве критерия возникновения молниевых вспышек. Топографические карты LPI недооценивают размеры областей возможных грозоопасных явлений. В качестве нового алгоритма предсказания молнии рассмотрен расчет электрического поля в предположении, что основными носителями заряда являются льдинки и снежная крупа. Модель показывает, что достаточная для возникновения разряда разность потенциалов (между Землей и облачным слоем на заданной высоте) сохраняется в более обширной области, нежели это предсказывается индексом (LPI). Основные особенности пространственного распределения электрического поля и потенциала согласуются с натурными данными.

Ключевые слова: численные модели, прогноз погоды, атмосферное электричество, молниевая активность.

Б01: 10.7868/80002351515010022

ВВЕДЕНИЕ

Долгосрочный прогноз и оперативный мониторинг молниевой активности — актуальные проблемы с фундаментальной точки зрения и чрезвычайно важные задачи для метеорологических приложений. Молниевые вспышки являются предвестниками опасных (в том числе катастрофических) быстроразвивающихся геофизических явлений: разрушительных ливней, града. В то же время молния сама по себе — крайне опасное явление, которое нередко угрожает непосредственно жизни и здоровью человека, очень часто приводит к выходу из строя электротехнического оборудования, становится причиной пожаров, является серьезной помехой в работе авиации.

Для решения задачи оперативного мониторинга (по^^сазй^) разрабатываются и внедряются системы детектирования молниевых вспышек (грозопе-ленгации), данные которых необходимы для апробации и корректировки любых прогнозных моделей. В свою очередь, прогнозные модели могут

использоваться для оперативного мониторинга, уточняя вероятные области и характерные времена грозовых явлений. Основываясь на этих данных, системы грозопеленгации могут улучшить точность определения молниевой вспышки, ее характеристики, тонкую структуру.

Современные численные модели прогноза погоды в явном виде не учитывают электрические явления: процессы зарядки гидрометеоров, кулонов-ское взаимодействие заряженных частиц, токи глобальной электрической цепи, разряды и т.д. — и, таким образом, не могут точно предсказывать возникновение молниевых вспышек.

Существует несколько подходов для прогнозирования грозовой активности с помощью косвенных неэлектрических параметров, основанных на доказанной связи вспышек с вертикальным потоком гидрометеоров в твердой фазе (снежинки, льдинки, снежная крупа) [1—3]. В метеорологии активно применяются различные индексы: KI (коэффициент Уайтинга) [4], CAPE (доступная конвективная потенциальная энергия) [5], CPTP

(энергия неустойчивости) [6] и другие температур-но-влажностные и температурно-ветровые коэффициенты [7]. На настоящий момент одним из наиболее перспективных индексов, на наш взгляд, является индекс молниевой активности (Lightning Potential Index — LPI), предложенный в работах [8, 9] как кинетическая энергия восходящего потока в развивающемся облаке, нормированная на вероятность разделения заряда.

В данной работе проведен анализ LPI для различных параметризаций микрофизических процессов на тестовом примере грозовой ячейки численной модели прогноза погоды WRF. Показано, что максимальные значения индекса сильно зависят от типа используемой параметризации, что делает невозможным задание некоторого порогового LPI для произвольных параметризаций в качестве критерия возникновения молниевых вспышек. Топографические карты LPI (и других индексов) на натурных данных значительно недооценивают размеры возможных областей грозоопасных явлений. Это связано с тем, что прогнозные алгоритмы, основанные на расчете индексов, не способны учесть нелокальное взаимодействие электрически заряженных частиц.

Возможности численных моделей и достаточные вычислительные мощности в настоящее время позволяют, как нам кажется, применять прямые алгоритмы прогноза молнии, основанные на расчетах электрического поля. В качестве такого, нового для прогнозных моделей, алгоритма (с учетом нелокального взаимодействия заряженных гидрометеоров) предложен способ расчета электрического потенциала внутри облака. Основными носителями заряда в предлагаемой модели являются льдинки и снежная крупа. Модель показывает, что достаточная для возникновения молнии разность потенциалов (между Землей и облачным слоем на высоте 7 км) сохраняется в значительно более обширной области, нежели это предсказывается LPI, что хорошо согласуется с натурными данными.

МОДЕЛЬ WRF

Модель Weather Research and Forecasting (WRF) — система численного прогноза погоды и моделирования атмосферы, разработанная как для исследовательских задач, так и для практических приложений [10]. Данная модель является совместным проектом большого количества исследовательских центров, направленным на создание мезомасштабной модели прогноза погоды и совершенствование системы усвоения метеорологических данных для углубления понимания процессов, связанных с изменением погоды на средних масштабах, и ускорения ввода результатов научных исследований в эксплуатацию.

WRF разрабатывается и поддерживается как общедоступная модель. Она подходит для большого количества приложений от мелкомасштабных задач до глобального моделирования. Так, с помощью WRF проведен ряд экспериментов по прогнозированию опасных метеорологических явлений на европейской территории России [11, 12]. Модель является доступным исследовательским аппаратом, включающим в себя большое количество параметризаций физических процессов, и служит базовым инструментом для разработки новых параметризаций и алгоритмов. Физические опции WRF можно разделить на несколько категорий: параметризации микрофизических процессов, облаков, планетарного пограничного слоя, поверхности земли и излучения.

Основным объектом данного исследования стала параметризация микрофизических процессов. Были рассмотрены схемы Purdue Lin, WSM6, God-dard, WDM6, включающие водяной пар и 5 классов гидрометеоров: снег, лед, снежную крупу, облачные капли и дождевые капли. Ниже приведено их краткое описание.

Схема Purdue Lin является базовой схемой в WRF, включающей 6 классов гидрометеоров. Все гидрометеоры считаются сферическими. Дождь, снег и крупа отличаются только плотностью. В данной схеме параметризированы следующие процессы: образование кристаллической облачности, таяние кристаллической облачности и переход ее в капельную при положительных температурах, рост ледяной фазы облаков вследствие отложения на кристаллах облачных капель, однородное замерзание облачных капель и превращение их в лед. Параметры схемы основаны на работах [13, 14].

WSM6 — одномоментная шестикомпонентная схема WRF, базирующаяся на [15]. Основное упрощение модели заключается в предположении, что при температуре выше 0°С существуют гидрометеоры только в жидкой фазе, а при температуре ниже 0°С — исключительно в твердой. При переходе через нулевую изотерму происходит мгновенное замерзание и таяние гидрометеоров. Используются новые параметризации для скорости гравитационного оседания частиц в смешанной фазе для снега и крупы [16]. Также учитываются процессы испарения жидких осадков, однородного замерзания и таяния.

Схема Goddard Cumulus Ensemble Model (GCE) представляет собой одномоментную микрофизическую схему, и так же как параметризация Purdue Lin основана на работах [13, 14]. При этом имеются несколько важных отличий. Во-первых, появилась возможность выбора крупы или града в качестве третьего класса частиц в твердой фазе [17]. Во-вторых, добавлены новые механизмы насыщения [18, 19]. Механизмы направлены на то, чтобы гарантировать невозможность существова-

ния насыщения при отсутствии облаков и наоборот. В-третьих, все микрофизические процессы, которые не включают таяние, парообразование или сублимацию, рассчитываются в соответствии с термодинамическим состоянием. Это обеспечивает равноценное рассмотрение всех таких процессов. И наконец, сумма всех процессов стока, связанных с одним классом, не уменьшает его массу.

WDM6 — двухмоментная микрофизическая схема, которая в отличие от WSM6 рассчитывает как массовые доли компонент, так и концентрации частиц (в жидкой фазе). Расчет этих двух параметров позволяет получать распределение частиц по размерам, которое важно при рассмотрении микрофизических процессов, развития облаков, осадков.

ИНДЕКС МОЛНИЕВОЙ АКТИВНОСТИ (ЬР1)

Для введения данного индекса существует ряд обоснований. В работе [20] отмечено, что уровень накопления электрического заряда прямо пропорционален концентрациям частиц и четвертой степени соответствующей разности скоростей падения частиц. Замечена связь [1, 21] между количеством молниевых вспышек, наличием льдинок малого размера и большого количества осадков. В работах [22, 23] показано, что восходящий поток в зоне разделения зарядов хорошо коррелирует с молниевой активностью. В работе [24] показано, что имеется взаимосвязь количества вспышек с массой жидкой компоненты дождя, потоком масс кристаллов льда и объемом крупы, но корреляция между максимальным количеством вспышек и максимальным

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.

Показать целиком