УДК 551.515.3(470.311)
Использование индексов конвективной неустойчивости и метеорологических величин для анализа смерчеопасной ситуации в Обнинске 23 мая 2013 г.
М. А. Новицкий*, Б. Я. Шмерлин*, С. А. Петриченко*, Л. А. Тереб*, Л. К. Кулижникова*, О. В. Калмыкова*
Анализируется состояние атмосферы при образовании смерча в Обнинске (Калужская область) 23 мая 2013 г. Исходными данными послужили наборы метеорологических величин от различных источников, в том числе высотной метеорологической мачты Обнинска, дающие полную картину состояния нижнего 300-метрового слоя атмосферы. Приводятся результаты расчетов ряда индексов конвективной неустойчивости с использованием модели ШЕК высокого пространственного разрешения применительно к ситуации 23 мая 2013 г. в Обнинске. Дается оценка возможности заблаговременного прогноза смерчеопасных ситуаций на основе указанного подхода.
Ключевые слова: смерч, индексы конвективной неустойчивости, математическая модель высокого разрешения.
1. Введение
23 мая 2013 г. около 19 ч по московскому времени в районе Обнинска (Калужская область) при прохождении грозового облака наблюдался сопутствовавший ему смерч. По сообщениям и фотографиям очевидцев (рис. 1), смерч начал образовываться в 19 ч 12 мин и просуществовал до 19 ч 20 мин. Из-за относительно небольшого времени существования смерча и отсутствия сообщений о явных разрушениях наблюдавшийся смерч можно отнести к категории Б0—И по шкале Фудзиты.
2. Синоптическая обстановка 23 мая 2013 г.
Синоптическую обстановку вечером 23 мая 2013 г. в районе Обнинска определял участок теплого фронта обширного циклона с двумя центрами, один из которых располагался над Балканами, второй — вблизи г. Витебск, Белоруссия. Фронт перемещался с юга на север и в 16 ч 55 мин прошел через территорию высотной метеорологической мачты (ВММ). За фронтом отмечалась адвекция тепла; увеличение температуры во всем слое наблюдалось до 20 ч. На высоте 2 м над поверхностью земли температура повысилась на 2,6°С (от 18,5 до 21,1°С). Давление до 17 ч оставалось практически постоянным, около 740 ммрт. ст. После 17 ч давление
* Научно-производственное объединение "Тайфун"; e-mail: novitsky@typhoon.obninsk.ru.
Рис. 1. Смерч в г. Обнинск 23 мая 2013 г. (фотография Сергея Поп-цова).
стало падать и достигло минимума 738,8 мм рт. ст. в19 ч 13 мин — в момент образования смерча; после 19 ч 17 мин оно стало слабо расти. Начиная с 16 ч наблюдались кучево-дождевые облака, а с 16 ч 3 мин до 16 ч 20 мин прошел слабый ливневый дождь. Количество осадков составило 0,1 мм.
Хотя воронка смерча не прошла непосредственно через территорию ВММ, поле ветра, по данным датчиков мачты, было возмущено. На рис. 2 приведены средние за 10 с значения направления и скорости ветра на разной высоте с 18 ч 30 мин до 20 ч (т. е. до, во время и после прохождения смерча).
Как видно на рис. 26, направление ветра изменялось синхронно на всех высотах: с 18 ч 30 мин до19 ч 9 мин ветер плавно поворачивал к югу (на высоте 301мот130до 190°), затем в течение 7 мин произошел резкий поворот на восток (на 50° на высоте 301 м), а в следующие пять минут — обратный разворот почти на 100°. В это же время во всем слое измерений скорость ветра сначала уменьшалась до 3 м/с на высоте 301 м, а затем увеличивалась до 9 м/с на верхнем уровне измерений (рис. 2а).
Помимо данных измерений ВММ, для анализа метеорологической обстановки в районе Обнинска 23 мая 2013 г. были использ ованы данные двух ближайших к Обнинску станций аэрологического зондирования: Су-хиничи (расстояние до Обнинска — 135 км) и Москва (Долгопрудный) (расстояние до Обнинска —110 км).
Максимальная скорость ветра в нижнем 1,5-километровом слое атмосферы на станциях Сухиничи и Москва (Долгопрудный) 23 мая 2013 г. была зафиксирована в 12 ч и находилась в пределах 3,1—5,1 м/с на высоте около 220 м и 11,8—15,9 м/с на высоте —1420 м. Направление ветра было относительно постоянным: 160—180° на станции Сухиничи и 135— 175° на станции Москва (Долгопрудный).
Таким образом, по данным станций аэрологического зондирования видно, что 23 мая 2013 г. особых условий, предвещающих возможное возник-
м/с
18 ч 30 мин 19 ч 20 ч
Рис. 2. Временной ход скорости (а) и направления ветра (б) в верхней части 300-метрового слоя на высоте 121 (1), 217 (2) и 301 м(3) с 18ч30 .мин до 20 ч 23 мая 2013 г.
новение смерча, не наблюдалось. Это можно объяснить относительной удаленностью станций непосредственно от места зарождения смерча, что, в свою очередь, свидетельствует о локальном характере сложившейся в районе Обнинска метеорологической обстановки.
3. Расчет индексов конвективной неустойчивости с использованием модели WRF
В мировой практике для анализа и прогноза опасных конвективных явлений широко используются так называемые индексы конвективной неустойчивости [1, 2, 4, 5]. Они рассчитываются на основе данных аэрологического зондирования или выходных данных моделей численного прогноза погоды. Авторами данной работы были проведены расчеты ряда наиболее часто используемых индексов конвективной неустойчивости на основе выходных данных модели WRF с высоким пространственным разрешением для района Обнинска за период 22—24 мая 2013 г. и проанализирован временной ход полученных индексов.
Такие индексы в мировой практике [1, 2, 4, 5] используются для оценки возможности развития опасных конвективных явлений (ОЯ), в том числе смерчей и смерчеопасных ситуаций. Они характеризуют степень конвективной неустойчивости атмосферы, содержание водяного пара в атмосфере, вертикальный сдвиг горизонтального ветра, спиральность, а также совместное влияние перечисленных и других факторов на развитие ОЯ.
Каждый из индексов имеет соответствующее приближенное пороговое значение. Для одних индексов развитие ОЯ возможно, если значение индекса меньше порогового, для других — если значение индекса больше порогового. Перечень наиболее часто используемых индексов конвективной неустойчивости и их определение, а также многочисленные ссылки на первоисточники можно найти в работе [4]. Ниже перечислены индексы, кото рые рас счи ты вались авто ра ми дан ной ра боты, в скоб ках при веде ны их пороговые значения для развития смерчеопасных ситуаций (знак "меньше" или "больше" указывает область значений индекса, при которых развитие ОЯ возможно): индекс LCL (<1500) — высота уровня конденсации (Lifted Condensation Level), м; индексы CT (>20) (Cross Totals), TT (>50) (Total Totals) и К (>35) (K-index), характеризующие совместное влияние стратификации температуры и содержания водяного пара, °С; индекс SWEAT (>300), дополнительно к указанным факторам учитывающий влияние скорости и вертикального сдвига ветра (безразмерная величина); индекс CIN (< 100) — энергия, необходимая частице воздуха для преодоления задерживающего слоя ниже уровня свободной конвекции в нижней тропосфере (Convective Inhibition), Дж/кг (м2/с2); индекс CAPE (>1000) — энергия плавучести, которую частица воздуха может приобрести выше уровня свободной конвекции (Convective Available Potential Energy), Дж/кг; индекс SRH (>160) — относительная спиральность, вычисленная в слое 0—3 км (Storm-Relative Environmental Helicity), Дж/кг; индекс EHI (>1), учитывающий совместное влияние индексов CAPE и SRH (Energy -Helicity Index) (безразмерная величина). При вычислении уровня конденсации LCL, параметров CIN и CAPE в качестве температуры и влажности частицы использовались осредненные по нижнему 500-метровому слою соответствующие значения. Таким образом, речь идет об индексах MLLCL, MLCIN, MLCAPE (Mean Layer) в общепринятых обозначениях.
Установлено, что в 75% случаев смерчей, в окрестности которых имелись данные аэрологического зондирования, значение соответствующего индекса, рассчитанное с их помощью, было больше (или меньше, в зависимости от индекса) порогового. В случае если значение индекса превышает пороговое, возникновение смерча возможно, но не обязательно. Соответственно, при значении индекса ниже порогового возникновение смерча также возможно.
Формирование большинства смерчей связано с суперячейками (supercell). Небольшое число смерчей возникает в мощных грозовых облаках (severe thunderstorm), не являющихся суперячейками. Выше в качестве пороговых значений для индексов LCL, CIN, CAPE, SRH, EHI приведены значения, характерные для смерчей, возникших из суперячеек [5]. Для смерчей, не связанных с суперячейками, пороговые значения указанных индексов существенно меньше. Например, возникновение смерчeй категории F0, F1 возможно при значениях SRH > 34 и, соответственно, EHI > 0,2; возникновение смерчeй категории F2 возможно уже при SRH > 135 и EHI > 0,42. Выше для индексов CT, TT, K, SWEAT приведены пороговые значения, характерные для смерчей, не связанных с суперячейками [6].
Для определения метеорологических полей использована модель WRF-ARW версии 3.4 — численная, негидростатическая, региональная система прогнозирования погоды, разработанная как для оперативного
про гно зи ро ва ния, так и для ис следо вате льских це лей [3]. Для моде ли предлагается библиотека ряда разных параметризаций процессов в пограничном слое атмосферы, формирования облачности и осадков, явлений конвекции и турбулентности и т. д. Модель WRF-ARW включает возможность организации проведения расчетов во вложенных областях с одно-сто рон ним или двухсто рон ним вза и моде йстви ем (до 25 по следо вательно вложенных сеток), а также на движущихся сетках. Ее отличительными чертами являются трехмерная система усвоения данных и программная архитектура, позволяющая проводить параллельные вычисления и расширять сис те му.
Поскольку WRF-ARW является региональной моделью, для ее инициализации и задания граничных условий необходимы результаты расчетов глобальной модели численного прогноза погоды. Для географической привязки модели (выбор области исследования, учет рельефа и распределения характеристик подстилающей поверхности) используются глобальные топографические данные разного разрешения — от 1° до 30'.
Расчеты для случая смерча в Обнинске проводились по двум областям с крупной и мелкой сетками,
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.