Метод прогноза опасных и стихийных конвективных явлений погоды,
а также их совокупности, приносящих значительный ущерб отраслям экономики


Общие сведения
Одной из актуальных задач метеорологии являются выявление природы опасных явлений погоды (ОЯ), связанных с зонами активной конвекции (ливней, града, шквалов), исследование их повторяемости, условий возникновения и прогнозирования. Актуальность решения этой задачи подтверждают фактические данные об ущербе, причиняемом отраслям экономики конвективными ОЯ. Ущерб исчисляется миллиардами рублей, влечет за собой человеческие жертвы, пагубно влияет на экологию. В работе [3] представлены карты повторяемости ОЯ разных видов конвективных явлений и их совокупности с учетом степени причиненного этими явлениями ущерба. Отмечено, что ущерб от ОЯ определяется не только интенсивностью и продолжительностью явления, но и характером местности, над которой оно осуществляется. Наибольшее число случаев с ущербом (70 %) наблюдалось при наличии совокупности конвективных явлений (ливней, града и шквалов), при этом хотя бы одно из них достигало критерия ОЯ. В 53 % случаев с ущербом имел место шквал скоростью > 25 м/с. Градобития в категории ОЯ приводят к ущербу в 20 % случаев, а очень сильные ливни (ОЯ) с грозами и без гроз — в 17 % случаев. На основе этих данных выявлены районы с наибольшим риском развития ОЯ по территории России. Достаточно высокая повторяемость конвективных ОЯ на указанной территории свидетельствует о необходимости совершенствования системы предупреждения о возникших явлениях населения и предприятий различных отраслей экономики, а также разработки надежных методов их прогноза.

Проведенные авторами работы [2] исследования были направлены на выявление условий развития ОЯ, связанных с зонами конвекции, и на создание методики их прогноза с заблаговременностью до 18 ч. Рассматривались как одиночные конвективные ОЯ, так и их комплекс. Последние существенно увеличивают объем причиняемого ущерба. Исследования позволили сделать вывод о том, что стихийные конвективные явления связаны с мезомасштабными облачными системами, развитие которых обусловлено крупномасштабными синоптическими процессами. Чем интенсивнее процесс развития атмосферного возмущения, тем больше по абсолютной величине отрицательное значение параметра Дт850 — изменения вертикальных упорядоченных движений за сутки на изобарической поверхности 850 гПа в движущемся атмосферном возмущении. Основным фактором, определяющим возникновение конвективных ОЯ, является наличие термодинамической неустойчивости.

Отбор прогностических предикторов при разработке метода прогноза производился на основе общих физических представлений о механизме образования рассматриваемых явлений и анализе условий их возникновения. Прогностические зависимости устанавливались с применением линейного дискриминантного анализа. Критериями критического состояния атмосферы, благоприятного для развития конвективных ОЯ со значительным ущербом, являлись лапласиан приземного давления ΔР3 и максимальная скорость конвективного потока Wm. При достижении указанными критериями значений ΔР3>0 и Wm>25 м/с следует производить расчеты возможности развития конвективных ОЯ с экономическим ущербом разной степени, вплоть до значительного.

Прогностическая дискриминантная функция, построенная с учетом максимальной конвективной скорости (Wm), вертикальных упорядоченных движений на изобарической поверхности 850 гПа (т 850) и их изменений за сутки (Ат850), определяет соотношение мезомасштабных и крупномасштабных процессов, их эволюцию при развитии конвективных ОЯ со значительным ущербом. Дискриминантная функция имеет вид:

L=2Wm- 0,52т860- 0,16 Дт850-90.      (1)

При L > 0 ожидается развитие конвективных ОЯ со значительным ущербом.


Исходная информация
При автоматизированной реализации метода исходной информацией для составления прогнозов ОЯ, обусловленных развитием конвекции, являлись результаты объективного анализа полей приземного давления, температуры воздуха и дефицита точки росы на основных изобарических поверхностях от 1000 до 100 гПа, значения точки росы на уровне 1000 гПа за срок 00 UTC по Европейской территории России и ближнего зарубежья размером 23 х 19 узлов сетки с шагом 150 км, а также значения диагностических вертикальных движений на уровне 850 гПа по этой же территории в узлах сетки с шагом 300 км. Эти данные брались из базы данных ЭВМ COMPARAX Гидрометцентра России.


Порядок составления прогноза следующий:
1. Данные вертикальных упорядоченных движений интерполируются в узлы сетки с шагом 150 км (23 х 19 узлов).
2. Рассчитывается лапласиан приземного давления в узлах сетки с шагом 150 км.
3. Рассчитываются значения температуры и влажности воздуха, необходимые для расчета параметров конвекции по выбранной модели [1, 4] на разных уровнях атмосферы до высоты изобарической поверхности 700 гПа через 50 гПа, выше — через 100 гПа.
4. По выбранной модели конвекции рассчитываются параметры конвекции, в том числе максимальная конвективная скорость [1, 4].
5. Производится оценка условий образования конвективных ОЯ со значительным ущербом по дискриминантной функции (1) в узлах сетки с шагом 150 км (23 х 19 узлов) по Европейской части России от 40 до 65° с. ш. и от 20 до 50° в. д.
6. На АЦПУ выдается прогноз конвективных СГЯ со значительным ущербом на текущий день (с 09 до 21 ч мск) в узлах сетки в закодированном виде: 1 соответствует прогнозу конвективного ОЯ со значительным ущербом, 0 — прогнозу его отсутствия.

Прогностическая карта опасных конвективных явлений с ущербом и шквалов на 19.07.2001г.


Прогноз составлен с заблаговременностью 12 ч на основе данных объективного анализа за 0 ч UTC 19.07.2001 г. Ожидаемые опасные конвективные явления с ущербом, шквалы и направления их перемещения обозначены соответственно красными квадратами, значками шквалов и значками направления и скорости ветра.

7.  Район прохождения конвективных ОЯ в период действия прогноза уточняется путем построения траекторий перемещения в приложении ГИС МЕТЕО АРМ синоптика с шагом по времени 6 ч (на 9, 15 и 21 ч мск).
8. Производится печать созданного в ГИС МЕТЕО слайда с прогнозируемыми конвективными СГЯ.


Успешность прогнозов
Оперативные испытания данного метода прогноза проводились в лаборатории испытания и оценки методов прогнозов Гидрометцентра России в летние сезоны 1996 и 1997 гг. Прогнозы оценивались по европейской части России (44-62,5° с.ш., 29-50° в. д.).

В рассматриваемый период на Европейской части России наблюдалось 146 случаев с ОЯ, из них 123 случая с сильными ливнями, 15 случаев со шквалами и 8 случаев с комплексом ОЯ (сильные ливни сопровождались градом и шквалами). При этом донесения о величине причиненного ущерба в Гидрометцентр России поступили только в 6 случаях. Использование указанного метода прогноза позволило предупредить 43 % случаев с ОЯ, в том числе один случай с ущербом 22 млрд. руб. (29 июня 1997 г. в Ивановской и Владимирской областях). Оправдываемость прогнозов ОЯ при этом составила 44 %, оправдываемость прогнозов без ОЯ и предупрежденность случаев без ОЯ — 99 %. В целом успешность прогнозов характеризовалась значением критерия качества Пирси—Обухова Т = 0,43, что свидетельствует о практической значимости метода.


Рекомендации к внедрению
Учитывая важность прогнозирования ОЯ, связанных с конвекцией, и результаты проведенных испытаний, Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим прогнозам на заседании 1 апреля 1998 г. рекомендовала внедрение данного метода в оперативную практику Гидрометцентра России в качестве основного расчетного метода для прогноза конвективных явлений в градации ОЯ на Европейской части России.


Дополнительная информация
В последующие годы представленный метод прогноза конвективных ОЯ автором был усовершенствован и реализован на базе новой версии региональной 30-уровенной модели прогноза полей метеорологических элементов с пространственным разрешением 75 км Гидромецентра России. В настоящее время методы прогноза ливней и шквалов в градации ОЯ проходят оперативные испытания.


Реализация метода в ручном варианте
Учитывая крайнюю сложность прогнозирования ОЯ, обусловленных конвективными процессами, и необходимость использования в практической работе результатов объективных расчетов как базовых или консультативных, предлагается опытная реализация метода в ручном варианте.

При реализации метода в ручном варианте исходной информацией являются фактические и прогностические поля приземного давления и геопотенциала основных изобарических поверхностей, значения температуры воздуха и влажности (точки росы) у поверхности Земли и на высотах изобарических поверхностей, а также диагностические данные упорядоченных вертикальных движений на уровне 850 гПа. Расчет модели конвекции и максимальной скорости конвективного потока (Wm) может быть выполнен для любых пунктов, находящихся на территории ответственности прогностического подразделения.

Возможны два варианта расчетов:
1). Для конкретного пункта в диагнозе (с использованием фактических данных о температуре воздуха и точки росы на высотах и прогностических значений этих метеорологических элементов у поверхности Земли) рассчитывается модель конвекции [1], определяется максимальная скорость конвективного потока (Wm). При условии, если Wm>25 м/с и лапласиана приземного давления ΔР3>0, рассчитывается дискриминантная функция L. В случае, если L>0, по направлению ведущего потока определяется район, в который возможно перемещение выявленной зоны активной конвекции через 6, 12 и 18 ч.
2). Для конкретных пунктов можно рассчитать прогноз конвективных ОЯ на текущий день (заблаговременность до 18 ч). Для этого расчет модели конвекции [1] выполняется на основе прогностических данных о температуре воздуха, точки росы у поверхности Земли и на высотах основных изобарических поверхностей, полученных с заблаговременностью 12 ч. Затем определяется максимальная скорость конвективного потока (Wm). Далее при условии, если Wm>25 м/с и лапласиана приземного давления ΔР3>0, рассчитывается дискриминантная функция L. В случае, если L>0, в районе данного пункта следует ожидать развитие активной конвекции и конвективные ОЯ.


Автор модели: Алексеева Антонида Александровна,
Гидрометцентр России, Отдел краткосрочных прогнозов погоды и опасных явлений по территории России, научная группа синоптических исследований.
E-mail: alekseeva@rhmc.mecom.ru, тел. (495) 255-23-20.


Публикации
1. Алексеева А. А., Глушкова Н. И. Диагноз и прогноз интенсивной конвекции и связанных с нею опасных конвективных явлений. Труды Гидрометцентра России, 1993, вып. 326, с. 68-72.
2. Алексеева А. А., Глушкова Н. И. Особенности развития стихийных конвективных явлений и их прогноз. Труды Гидрометцентра России, 2000, вып. 330, с.90 – 97.
З. Васильев А. А., Глушкова Н.И., Лапчева В. Ф. Повторяемость конвективных явлений в атмосфере, приводящих к стихийным бедствиям. Метеорология и гидрология, N 2, 1994,
с. 15-19.
4.Сулаквелидзе Г. К. , Глушкова Н. И. , Федченко Л. М. Прогноз града, гроз и ливневых осадков. Л.: Гидрометеоиздат, 1970, 183 с.


© Методический кабинет Гидрометцентра России