УДК 551.515.4.001.572
Анализ результатов расчета грозовой активности с помощью индексов неустойчивости атмосферы по данным численной модели WRF-ARW
И. М. Губенко*, К. Г. Рубинштейн*
Представлены статистические оценки 26 индексов неустойчивости атмосферы, широко используемых в мировой практике для прогноза грозовой активности. Предлагается новый индекс прогноза грозы с учетом вертикальной составляющей скорости ветра. Расчет исследуемых индексов основан на данных прогнозов современной гидродинамической мезомасштабной модели ШКЕ-ЛКШ. Валидация прогнозов гроз произведена по наблюдениям на синоптических станциях и данным Всемирной сети регистрации гроз.
Ключевые слова индексы неустойчивости, конвекция, гроза, опасные явления, куче-во-дождевая облачность, моделирование погоды.
Введение
Известно, что прогноз грозовой активности связан с оценкой степени неустойчивости атмосферы. В соответствии с адиабатическими моделями конвекции, возникновение неустойчивости воздушных масс в конвективных облаках в большей степени зависит от разности температуры между облачной частицей и окружающим ее воздухом, влажности воздушной массы, а также сдвигов ветра в зонах кучево-дождевой облачности [3, 5]. Оценка степени неустойчивости атмосферы проводится в разных слоях тропосферы с помощью индексов неустойчивости. Такие индексы широко используются для прогноза опасных конвективных явлений, в том числе грозовой активности [3]. В соответствии с работой [6], в зонах активной конвекции выделяют подоблачный слой, простирающийся до уровня конденсации (часто до поверхности ~850 гПа), облачный слой (обычно ~850—300 гПа) и надоблачный, расположенный выше уровня конвекции (часто ~300 гПа и выше). Приведенные значения границ облачных слоев характерны для умеренных широт. Для тропических и полярных широт, а также для горных территорий значения границ облачных слоев иные.
Авторам статьи известны 26 индексов неустойчивости. Классифицируем их в зависимости от того, в каких слоях атмосферы оценивается степень неустойчивости, основного предиктора грозоопасности. Большинством индексов оценивается степень неустойчивости в облачном слое (табл. 1) либо в облачном и подоблачном слоях (табл. 2). Это объясняется тем, что восходящие вертикальные движения начинаются в теплом влажном воздухе подоблачного слоя, а в
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; Казанский (Приволжский) федеральный университет; e-mail: img0504@yandex.ru, k.g.rubin@ googlemail.com.
Таблица 1
Индексы неустойчивости атмосферы, оценивающие степень неустойчивости облачного слоя
Индекс, единица Обозначение Формула для расчета Пороговое Источник
измерения значение
Шоуолтера, °С Show Т - (T' - T' ) 500 v 850 500' <-3 [3, 29]
Миллера 1, °С Miller 1 T - T 850 500 >26 [27]
Миллера 2, °С Miller 2 Td850 - T500 >18 [27]
Миллера 3, °С Miller 3 Miller 1 + Miller 2 >44 [27]
Миллера 4 Miller 4 12Td850 + 20(Miller 3 - 49) + + 2(V850 - V500) + + 125(sin(a500 - a850) + 0Д) >250 [27]
Вайтинга, °С Whiting Miller 1 + Td850 - dd700 >20 [7, 21]
Рэймана, °С Reymann Miller 3 - dd700 - m >40 [28]
Джефферсона, °С Jeff 1,66850 + Td850 - 0,5dd,00 - 8 >29 [24]
Брэдбури, °С Brad 9500 - 0850 <-2 [14]
Литынской, °С Lityn dd850 + dd700 + dd500 <30 [26]
Адедокуна, °С Aded -Brad >2 [10]
ДКПЭ, Дж/кг • К CAPE r 500 -tfj^ (T'- T)d(ln p) >0 [3, 5, 7]
ДКПЭ*, Дж/кг • К CAPE* V2CAPE >0 [17]
Фатеева, °С Fateev Miller 1 - (dd850 + dd700 + + dd600 + dd500) >0 [3, 7]
Вейсмана и Клемпа, Wiesman CAPE/Q,5(V500 - V850)2 >10 [31]
Дж • с2/кг • К • м2
Примечание. T', T — температура частицы и воздуха на указанной в индексе изобарической
поверхности; Td, dd — температура и дефицит точки росы соответственно; p — давление; 8 —
потенциальная температура; v — скорость ветра; a — направление ветра; R — универсальная
газовая постоянная сухого воздуха, Дж/(кг • К). В формуле для расчета индекса Рэймана m = 0
при Miller 1 > 25; m = 2 при 22 < Miller 1 < 25; m = 6 при Miller 1 < 22; ДКПЭ — доступная
конвективная потенциальная энергия (convective available potential energy, CAPE); ДКПЭ* —
модифицированный индекс ДКПЭ. Здесь и в табл. 2 указываются пороговые значения для
прогноза наличия гроз.
облачном слое накапливаются гидрометеоры (капли воды, частицы льда, снежной крупы), взаимодействие которых приводит к образованию электрических зарядов [3, 4, 6, 9]. Авторам статьи известен индекс неустойчивости Б. Е. Пескова, единственный индекс, который оценивает степень неустойчивости на всей протяженности конвективного облака, а также влажность, вертикальный сдвиг ветра и приземную конвергенцию ветра [7]. Индекс безразмерный, так как расчетная формула включает обезразмеривающие константы. Таким образом, индекс Б. Е. Пескова (Peskov) рассчитывается как
ч 300
Peskov = 0,4 (Г' - T)600 - 0,05dd500 + 0,4V2p0 - 0,07
А V
(1)
где Т', Т — соответственно температура частицы и воздуха на изобарической поверхности 600 гПа, °С; dd500 — дефицит точки росы на изобарической поверхности 500 гПа, °С; У2р0 — лапласиан приземного давления, рассчитываемый по восьми точкам, удаленным от центральной точки на расстояние 250 км;
700
Таблица 2
Индексы неустойчивости атмосферы, оценивающие степень неустойчивости облачного и подоблачного слоев
Индекс, единица измерения Обозначение Формула для расчета Пороговое значение Источник
ЭКТ, Дж/кг • К CIN /•700 Сr-T)d{\zp) J up >0 [3, 5, 7]
Рэклифа, °С Гэлвэя, °С Барлоу, °С Томпсона, °С Rackliff Galway Barlow Thompson Ö2 - Ö500 (T' - T' ) ^ 2 500' Td850 + T850 - Galway Whiting - Galway <8 >2 >30 >18 [17] [20] [13] [30]
Миллера 3, °С Miller 3* (T2 + T850) (Td2 + Td850) 2 2 500 >57 [17]
Вайтинга, °С Whiting* (T + « - № + Td™)-Tm-dd 700 >38 [17]
Хантрисьера Андерсона, °С Гэлвэя, °С Hunt Anderson Galway* Odway - °J(v2 - v500) + OJ^ 0,5(6500 + 6700) - °Д0850 + Ö2) min (Galway) <40 <6 [22] [11] [17]
Примечание. Значения величин с индексом 2 измерены на высоте 2 м; ЭКТ — энергия конвективного торможения (convective inhibition, CIN); звездочки обозначают модифицированные индексы Miller 3*, Whiting*, Galway*; для определения Galway* находится минимальное значение индекса Galway по исследуемой области в выбранный срок и таким образом оценивается зона, где вероятна грозовая активность.
IА V17оо — модуль векторной разности скорости ветра на поверхностях 300 и 700 гПа, м/с. При положительных значениях индекса прогнозируется гроза [7].
Для оценки степени неустойчивости атмосферы применяются адиабатические и кинематические модели описания процессов возникновения и эволюции мощной кучево-дождевой облачности. Адиабатические модели основаны на методе частицы или методе слоя, которые предполагают, что процесс подъема частицы воздуха происходит адиабатически (без обмена теплом, количеством движения, влагой и другими характеристиками с окружающим воздухом) [8, 9]. Такое предположение является сильным упрощением фактического процесса конвекции.
Наряду с адиабатическими моделями конвекции существуют кинематические (неадиабатические) модели [5, 9]. Они учитывают вовлечение окружающего воздуха внутрь поднимающихся или опускающихся элементов конвекции, сопровождающееся обменом энергией, количеством движения и другими характеристиками между этими элементами и атмосферой [9]. Восходящие и нисходящие потоки формируются из теплого и влажного воздуха и попадают внутрь СЬ через его основание и боковую поверхность нижней трети облака [6, 9, 12, 15, 16, 19].
Как видно из формул, приведенных в табл. 1 и 2, а также формулы индекса Пескова, вертикальный компонент скорости w учитывается косвенно (как правило, учитываются лишь температура и влажность воздуха, связанные с вертикальной скоростью).
Целью данной работы является анализ результатов прогноза гроз по индексам неустойчивости, а также разработка и предварительные испытания нового индекса, явно учитывающего вертикальную скорость. В качестве источников фактической информации о грозах для валидации прогнозов использованы данные сети синоптических станций, а также данные Всемирной сети регистрации гроз (Worldwide Lightning Network, WWLLN), базирующейся на ОНЧ-антеннах (очень низких частотах, 3—30 кГц). Подробное описание сети WWLLN приводится в работах [3, 25]. Авторы располагают материалами еще двух баз данных о фактических грозовых очагах: сетей Главной геофизической обсерватории (ГГО) и Высокогорного геофизического института (ВГИ), однако эта информация в настоящей статье не использовалась, поскольку начальная дата накопления данных — 23 октября 2013 г.
Оценка информативности индексов неустойчивости атмосферы
Для оценки информативности индексов неустойчивости был выбран Центральный федеральный округ. По данным наблюдений для валидации результатов прогноза на всех станциях были отобраны случаи грозовой деятельности за период с 13 мая по 31 августа 2013 г. (всего 910 случаев). Отметим, что в указанное число случаев входят "отдаленная гроза" и "гроза в течение последнего часа, но не в срок наблюдения".
По данным сети WWLLN, за рассматриваемый период зафиксировано 810 очагов грозовой деятельности.
Валидация прогноза гроз по двум базам фактической информации невозможна без оценки точности WWLLN. Методика такой оценки предложена и апробирована авторами в работе [3]. В табл. 3 представлены результаты оценки точности сети WWLLN. Приемлемые показатели точности сети отмечены с допуском ±50 км. В дальнейших расчетах в рамках данной работы очаги грозовой активности, зарегистрированные сетью WWLLN, были выбраны в радиусе ±50 км от метеостанции. Суммарное число фактических грозовых очагов, зафиксированных сетью синоптических станций и сетью WWLLN, составляет 1105.
Как было показано выше, расчет исследуемых индексов неустойчивости основывается на прогнозах температуры воздуха, точки росы, давления и скорости ветра. В данной работе использована версия модели WRF-ARW 3.4.1 с разрешением 18 км по горизонтали и 41 уровнем по вертикали, причем слою
Таблица 3
Оценка точности Всемирной сети регистрации гроз WW
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.