DOI: https://doi.org/10.37162/2618-9631-2022-2-69-91

УДК 551.501.8+551.594.9

 

 

Исследование мезомасштабной конвективной
системы в центральных районах ЕТР
7 августа 2021 года

А.А. Спрыгин, А.Е. Вязилов

Научно-производственное объединение «Тайфун», г. Обнинск,
 Калужская область, Россия

sprygin@rpatyphoon.ru

 

Приведен анализ случая формирования конвективного шторма в составе квазилинейной мезомасштабной конвективной системы 7 августа 2021 года, перемещавшейся по территории областей центральной части ЕТР. Анализируются спрогнозированные поля метеорологических элементов и данные дистанционного зондирования атмосферы: радарные, спутниковые, грозопеленгационные, а также мониторинга электрического поля атмосферы. Выявлен ряд особенностей в распределении метеорологических параметров, полезных для наукастинга опасных явлений, связанных с формированием устойчивых мощных конвективных структур.

Ключевые слова: мезомасштабная конвективная система, мощный конвективный шторм, сигнатуры спутниковых и грозопеленгационных данных, индексы неустойчивости, опасные конвективные явления, наукастинг, электрическое поле атмосферы

 

 

A case study of the mesoscale convective system
over central regions of European Russia
on August 7, 2021

A.A. Sprygin, A.E. Vyazilov

Research and Production Association «Тyphoon», Obninsk, Russia;
sprygin@rpatyphoon.ru

 

The article provides a case study of the formation of a severe convective storm as part of a quasilinear mesoscale convective system on August 7, 2021 that moved over the territory of the central part of European Russia. The predicted fields of meteorological characteristics and the following data of remote sensing of the atmosphere were analyzed: radar, satellite, lightning detection and atmospheric electric field data. A number of features were revealed in the distribution of meteorological parameters, which are useful for nowcasting of hazards associated with the formation of stable severe convective structures.

Keywords: mesoscale convective system, severe convective storm, satellite and lightning detection signatures, instability indices, convective hazards, nowcasting, atmospheric electric field

 

Введение

Процессы мощной организованной конвекции в атмосфере, возникающие при определенных синоптических и термодинамических условиях, чаще всего приводят к формированию опасных конвективных явлений и поэтому требуют тщательного изучения. Безусловно важным представляется комплексный анализ данных (синоптического и мезо- масштабов) для оценки роли тех или иных факторов в развитии глубокой конвекции. Особенности таких процессов проявляются в диагностических данных: спутниковых, радарных, грозопеленгационных и др. Данной тематике посвящен ряд работ [3–5, 7–9, 13]. Необходимо отметить объектно-ориентированный подход в подобных работах: объектами исследования выступают не сами опасные конвективные явления, а генерирующие их облачные системы, например мезомасштабные конвективные комплексы и суперъячейковые кучево-дождевые облака, т. е. изучаются конвективные штормы различного масштаба. Под термином «мощный конвективный шторм» в данной работе понимается шторм (конвективный очаг) устойчивой формы, получивший существенное развитие по диагностическим данным (достигший критерия «градового» / «шквалового» по данным МРЛ либо имеющий минимальную температуру верхней границы облачности менее -60 ºС по спутниковым данным и др.), т. е. который имеет высокий потенциал для генерации опасных явлений / комплекса явлений (не всегда регистрируемых у земли).

В таких работах анализируются условия формирования систем глубокой конвекции на различных стадиях жизненного цикла и распада [7, 12, 13, 16], что важно для понимания их генезиса и динамики, а также возможности генерации (на определенных стадиях развития) опасных явлений. Здесь часто представляется возможным отбор наиболее важных признаков конвективных процессов, что может быть полезным в синоптической практике: в краткосрочном прогнозе и наукастинге опасных конвективных явлений. Данный аспект является наиболее важной целью представленной работы.

 

1. Материалы и методы

Целью данного исследования является анализ случая формирования мощного конвективного шторма, образовавшегося в составе квазилинейной мезомасштабной конвективной системы 7 августа 2021 года над центральными областями ЕТР. При этом применялся комплексный подход к исследованию: первоначально производился анализ условий синоптического масштаба (как более общих условий формирования), а далее акцент исследования сместился на мезомасштаб с глубоким анализом диагностических данных. Необходимо заметить, что в качестве реконструкции термодинамических условий (неустойчивости, сдвига ветра и других параметров) были использованы в т. ч. и модельные данные, в допущении соответствия (в определенной степени) их реальным условиям. На основе выходных данных модели производились расчет специальных индексов и оценка их информативности.

Далее рассмотрим подробнее виды данных, которые использовались в исследовании.

Для анализа на Европейской территории СНГ условий синоптического масштаба применялись карты (приземный фронтальный анализ) прогностических центров DWD (Германия), UKMO (Великобритания) и KNMI (Нидерланды). В качестве высотных карт использовались карты реанализа ECMWF ERA5 (в открытом доступе на ресурсе [https://meteologix.com/ru/reanalysis]), также использовались данные аэрологического зондирования в пункте Сухиничи (ближайшего к треку конвективного шторма, находившегося в максимальной стадии развития по диагностическим данным). Для анализа полей неустойчи-вости применялись данные реанализа GFS [Global Forecast Model data, https://www.nco.ncep.noaa.gov/pmb/products/ gfs/] в виде карт, построенных с помощью ПО OpenGrads.

Мезомасштабный анализ производился с помощью:

1) данных сети доплеровских радиолокаторов ДМРЛ-С, размещенных на ресурсе [http://meteorad.ru/maps] (система отображения радарной информации ОРМ ЦАО – МЕТЕОРАД) с авторизированным доступом. Использовались карты метеоявлений и высоты верхней границы облачности;

2) данных геостационарного спутника Meteosat-10 о радиационной температуре на верхней границе облачности (инфракрасный канал IR10.8, 5-минутное временное разрешение), размещенных в свободном доступе на ресурсе [https://meteologix.com/ru/satellite];

3) данных о положении и полярности разрядов грозопеленгационной системы, развернутой на ЕТР, информация ФГБУ «НИЦ «Планета»;

4) данных мониторинга электрического поля атмосферы в пунктах наблюдения (г. Обнинск, высотная метеорологическая мачта высотой 310 м и станция «Вашутино», в 5 км к северо-западу от Обнинска), информация ФГБУ «НПО «Тайфун»;

5) Восстановленных температурно-влажностных и ветровых вертикальных профилей вблизи локализации шторма по данным реанализа модели GFS (с использованием средства визуализации RAOB).

 

2. Результаты исследований и их обсуждение

2.1. Анализ условий синоптического масштаба

7 августа 2021 года Европейская территория России находилась в обширном теплом секторе циклона с центром над Прибалтикой (рис. 1). Центр циклонического возмущения медленно смещался на северо-северо-восток, при этом отсутствие существенного продвижения в восточном направлении обусловливалось наличием выраженного блокирующего гребня малоподвижного антициклона, протянувшегося от арктического побережья Европейской России на юг, вплоть до районов Поволжья. Холодный малоподвижный фронт располагался в районе восточной границы Белоруссии и центральных областей Украины. Температурный контраст на поверхности 850 гПа в зоне холодного фронта достигал 12 ºС/500 км (рис. 2). Теплый фронт располагался на северо-западе ЕТР и медленно смещался в северном направлении.

 

Рис. 1. Приземный анализ DWD (фрагмент) на 07.08.2021 г., 06 ч ВСВ (T – центры низкого, H – высокого давления).

Fig. 1. Surface analysis map by DWD (fragment) on 07.08.2021, 06 UTC (T – centers of low, H –  high pressure).

 

 

На изобарической поверхности 500 гПа запад Европейской территории России находился в переходной зоне между высотными обширным гребнем, направленным от Прикаспия на север ЕТР, и ложбиной над Восточной Европой (рис. 2). В исследуемом регионе на поверхности 500 гПа преобладали потоки южного и юго-западного направления.

Через Правобережную Украину, восток Белоруссии, северо-запад ЕТР проходила ветвь (ориентированная с юга на север) струйного течения верхнего уровня (СТВУ). На поверхности 300 гПа максимальные скорости по оси струи доходили до 125 км/ч (рис. 2). Над территорией северо-запада ЕТР скорость ветра СТВУ ослаблялась, здесь его ось резко разворачивалась на восток и располагалась далее в широтном направлении над северными районами ЕТР. Таким образом, расположение оси СТВУ фактически повторяло расположение основных фронтальных систем циклона, при этом она находилась немного позади холодного и впереди теплого фронтов.

 

Рис. 2. Геопотенциальная высота 500 гПа (слева вверху); линии тока и скорость ветра (км/ч) на поверхности 300 гПа (справа вверху); температура на поверхности 850 гПа (слева внизу); линии тока и скорость ветра на 500 гПа (справа внизу). Реанализ ECMWF ERA5, 07.08.2021 г., 06 ч ВСВ.

Fig. 2. Geopotential height, 500 hPa (top left); streamlines and wind speed (km/h) at 300 hPa (top right); temperature at 850 hPa (bottom left); streamlines and wind speed at 500 hPa (bottom right). Reanalysis ECMWF ERA5, 07.08.2021,
06
UTC.

 

 

В пределах теплого сектора циклона, особенно вблизи зоны холодного фронта и немного к востоку от него, воздушная масса была стратифицирована неустойчиво. Зона умеренной неустойчивости (CAPE = 800–1500 Дж/кг, LI = -2…-3 ºС; критерии указаны на сайтах [http://meteoweb.ru/alter/conv.php, http://www.juergen-grieser.de]) к дневным часам 07.08.2021 г. располагалась на территории восточной Украины, а также Курской, Брянской, Орловской, Калужской и Московской областей России (рис. 3). Отметим, что известны случаи формирования интенсивных конвективных (в т. ч. суперъячейковых) структур и при умеренной неустойчивости, согласно рассчитанным CAPE и LI [9].

 

Рис. 3. Энергия неустойчивости CAPE, Дж/кг, и индекс плавучести LI, ºС (слева вверху); средняя влажность (RH) в слое 925-500 гПа, % (справа вверху); удельная влажность (SH) в приземном (0-30 гПа) слое, г/кг (слева внизу); общее влагосодержание по столбу тропосферы, доступное для образования осадков (PW), мм (слева внизу). Реанализ GFS, 07.08.2021 г., 12 ч ВСВ.

Fig. 3. Convective available potential energy CAPE, J/kg and Lifted index LI, ºС (top left); the average relative humidity (RH) on the 925-500 hPa layer, % (top right); Specific humidity (SH) on the surface (0-30 hPa) layer, g/kg (bottom left); Precipitation water (PW), mm (bottom right). Reanalysis GFS, 07.08.2021, 12 UTC.

 

 

Вместе с этим здесь же отмечалось (по данным реанализа) и достаточное для образования конвективных облачных систем влагосодержание воздушной массы (рис. 3), причем как в приземном слое и в слое облакообразования, так и во всем столбе тропосферы (SH = 10–13 г/кг, PW = 35–38 мм, RH (925–500 гПа) = 70–90 %; диапазоны значений отмечены на авторских картах, публикуемых на [http://meteoweb.ru/alter/conv.php]).

Необходимо отметить, что в исследуемом регионе наблюдались потенциально благоприятные условия для формирования мощной организованной конвекции исходя из анализа значений (по данным реанализа GFS) рассчитанных специальных комплексных индексов (рис. 4), таких как, например, широко известного индекса суперъячеек SCP (supercell composite parameter, [11]) или индекса мощных конвективных штормов SCS (severe convective storm index, описанного в [7]) с максимумами в западной части Московской области (SCP = 3, SCS = 4; критерии указаны в [7, http://meteoweb.ru/alter/conv.php, http://www.juergen-grieser.de]). Это говорит о возможном присутствии в исследуемом регионе сочетания таких важнейших факторов развития мощной конвекции, как сдвига ветра (по скорости и направлению) на фоне умеренной неустойчивости, завихренности и притока теплой влажной воздушной массы в нижних слоях тропосферы, конвергенции потоков в приземном слое и благоприятного для развития глубокой влажной конвекции температурно-влажностного профиля воздушной массы.

 

 

Рис. 4. Индекс суперъячеек SCP (слева) и индекс мощных конвективных штормов SCS (справа), реанализ GFS, 07.08.2021 г., 12 ч ВСВ.

Fig. 4. Supercell composite parameter SCP (left) and severe convective storm index SCS (right).  Reanalysis GFS, 07.08.2021, 12 UTC.

 

По данным зондирования на аэрологической станции Сухиничи Калужской области в 12 ч ВСВ (рис. 5) отмечалась зона неустойчивости примерно от высоты 1,5 до 7 км (ниже присутствовал задерживающий слой), высота тропопаузы составила 12,2 км, во всей толще тропосферы отмечались ветры южной четверти (с небольшим сдвигом по направлению на 25–35º вправо), при этом в слое от 1,9 до 9 км их средняя скорость составила около 20 м/с (что выше примерно в семь раз относительно скорости ветра у земли). Таким образом, адвекция теплого воздуха была выражена практически на всех уровнях тропосферы. Присутствовал существенный сдвиг ветра по скорости и относительно небольшой – по направлению в средней и верхней тропосфере относительно ветра у земной поверхности.

 

 

Рис. 5. Аэрологическая диаграмма (обработка – ПО RAOB), данные аэрологического зондирования, станция Сухиничи, 07.08.2021 г., 12 ч ВСВ.

Fig. 5. Skew-T diagram (processing by RAOB program), sounding data, Sukhinichi station, 07.08.2021, 12 UTC.

 

 

Наличие обширного теплого сектора с южными потоками (адвекция неустойчиво стратифицированных влажных воздушных масс из Азово-Черноморского региона), близость контрастного и малоподвижного холодного фронта создавали благоприятные условия для развития (к востоку от фронта, в теплом секторе циклона) линий неустойчивости, ориентированных параллельно линии фронта, на которых шло активное развитие конвективных штормов.

 

2.2. Мезомасштабный анализ

Очаги активной конвекции начали формироваться после 08 ч ВСВ в Курской области. Первоначально это были преимущественно изолированные очаги, местами объединенные в небольшие скопления (кластеры), двигающиеся по ведущему потоку с юга на север. Позже в 09 ч ВСВ северо-западное скопление, уже находившееся над территорией Орловской области, приобрело черты доминирующего в развитии (среди соседних) линейно-ориентированного скопления грозовых очагов (рис. 6).

 

Рис. 6. Данные сети ДМРЛ-С, 07.08.2021 г., 09:30 UTC (режим отображения – метеоявления).

Fig. 6. DMRL-C radar network data, 07.08.2021, 09.30 UTC (Display mode: weather phenomena).

 

 

Примерно к 11.30–11.45 ч ВСВ по спутниковым данным (Meteosat-10, канал IR 10.8) над севером Калужской области сформировалась область выраженного конвективного шторма квазиэллиптической формы с низкой радиационной температурой (рис. 7), в пределах которой отчетливо выявлялась так называемая сигнатура cold-U/cold-ring [15, 17]: наличие U-образной / кольцеобразной области с относительно более холодной радиационной температурой на периферии шторма, опоясываю-щая область с относительно более высокой температурой во внутренней области (так называемого «внутреннего теплого пятна» – Central Warm Spot (CWS)). Данные сигнатуры исследованы для различных случаев мощных конвективных штормов (например, в [7, 9]), они указывают на вероятное присутствие мощных восходящих движений в пределах шторма и имеют достаточно уверенную корреляцию со случаями опасных конвективных явлений [7, 15]. Отметим, что сигнатура cold-ring/cold-U прослеживалась у шторма до 14.25 ч ВСВ, при этом его общая (квазиэллиптическая) форма мало менялась по спутниковым изображениям в течение периода существования сигнатуры, что является косвенным признаком возможного суперъячейкового типа конвективного шторма.

 

 

Рис. 7. Мощный конвективный шторм (выделен красным квадратом) с сигнатурами сold-ring и CWS по спутниковым данным Meteosat-10, IR 10.8, 07.08.2021 г., 11.45 ч ВСВ.

Fig. 7. Severe convective storm (highlighted by a red square) with cold-ring and CWS signatures on Meteosat-10 satellite data, 07.08.2021, 11:45 UTC.

 

 

По данным сети радиолокаторов ДМРЛ-С в это время в пределах области конвективного шторма, отмечаемого по спутниковым данным (рис. 7), прослеживалось развитие очага сильного шквала (по алгоритму распознавания метеоявлений, рис. 8) в пределах квазилинейной мезомасштабной конвективной системы. Высота верхней границы облачности в очаге превышала 15 км.

По анализу температурно-влажностного и ветрового профиля, построенного на основе данных реанализа GFS, для точки с координатами вблизи центра мощного конвективного шторма по данным ДМРЛ-С в 12.00 ч ВСВ (рис. 9) отмечалась выраженная неустойчиво-стратифицированная область (от высоты уровня конденсации до уровня тропопаузы: от 1,5 до 12 км), а также сдвиг ветра по скорости и направлению, по характеристикам примерно аналогичный описанному выше, по «реальным» аэрологическим данным станции Сухиничи (рис. 5), которая была расположена примерно на 85 км к юго-юго-западу от центра конвективного шторма.

 

 

Рис. 8. Мощный конвективный шторм в пределах квазилинейной мезомасштабной конвективной системы по радарным данным. Зона наиболее активной конвекции (очаг «сильного шквала» по градации метеоявлений) показана красной стрелкой. Данные сети ДМРЛ-С, 07.08.2021 г., 11.40 ч ВСВ.

Fig. 8. Severe convective storm as a part of quasilinear mesoscale convective system on radar data. The zone of the most active convection (the "strong squall" cell by gradation of weather phenomena) is shown by the red arrow. DMRL-C radar network data, 07.08.2021, 11.40 UTC.

 

 

 

Рис. 9. Аэрологическая диаграмма (по данным реанализа GFS для точки с координатами 54,85º с. ш., 35,65º в.  д.), 07.08.2021 г., 12.00 ч ВСВ.

Fig. 9. Skew-T diagram (by reanalysis GFS data for point with coordinates: 54.85 N., 35.65 E), 07.08.2021, 12.00 UTC.

 

 

В 13.30 ч ВСВ на территории Можайского района Московской области при прохождении анализируемого мощного конвективного шторма был зафиксирован очевидцами (и зарегистрирован в европейской базе данных ESWD [https://eswd.eu/]) сильный ветер, возможно, шквалистого характера (рис. 10). Так, в Бородинском поселении вырваны с корнем несколько огромных деревьев, пострадали ЛЭП, сорвана часть кровли с крыши. Также в СМИ были сообщения о сильных порывах ветра вместе с ливнем в самом городе Можайске [https://www.m24.ru/videos/proisshestviya/07082021/302686].

 

 

Рис. 10. Локализация зафиксированных случаев опасных явлений (сильный ветер) по западу Московской области (показано квадратами) из базы ESWD [21] за 07.08.2021 г. 

Fig. 10. Localization of cases of dangerous phenomena (severe wind) fixed on the west of the Moscow region (shown by squares) from the ESWD [21] for 07.08.2021.

 

 

Для анализа грозовой активности выделялась область конвективного шторма, границы которой определялись по спутниковым данным по зоне значительного градиента радиационной температуры в канале IR 10,8 мкм (как показано на рис. 7, где красным прямоугольником выделена область шторма). Для таких пространственных областей из базы данных грозопеленгации НИЦ «Планета» выбирались данные о положении и полярности молниевых разрядов (а также их количестве – отдельно для положительных и отрицательных разрядов) для всех 5-минутных интервалов, предшествующих сроку соответствующего спутникового снимка, на котором был выделен шторм. Данные также сопоставлялись с минимальными значениями радиационной температуры в канале IR 10,8 мкм спутника Meteosat-10, максимальной высотой верхней границы облачности и типом метеоявлений – по данным сети ДМРЛ-С. При этом для метеоявлений выбиралась наиболее существенная (по умолчанию нижняя) градация по их рангу в шкале, с некоторым упрощением, например градации «гроза+шквал» (любой интенсивности) присваивалась градация «ШКВАЛ», аналогично «гроза+град» – «ГРАД» и т. п. Все виды перечисленных диагностических данных, полученных для трека конвективного шторма от его зарождения до распада (т. е. на всех стадиях жизненного цикла), представлены в графическом виде совместно на рис. 11.

 

 

 

Рис. 11. Распределение молниевой активности по данным ГПС НИЦ «Планета»: количество разрядов за 5-минутные интервалы с указанием полярности. Отмечена сигнатура Lightning JumpLJ; значения минимальной радиационной температуры (по данным канала IR 10.8 спутника
MSG-3) и максимальной высоты (по данным ДМРЛ-С) верхней границы исследуемого шторма. Показаны градации метеоявлений по радарным данным, а также период с наблюдаемыми сигнатурами cold U/ring по спутниковым данным (вверху). Вертикальной линией отмечено время регистрации (13.30 +/- 30 мин исходя из характеристик сообщений базы данных ESWD) опасных явлений (сильный ветер) у земли. 

Fig. 11. Distribution of lightning activity by of the SRC «Planeta» lightning detection network: the number of discharges for 5-minute intervals with indicating polarity. The Lightning Jump - LJ signature, the values ​​of the minimum radiation temperature (by IR 10.8 MSG-3 data) and the maximum cloud height (by DMRL-C radar data) of the studied storm are shown. The gradations of weather phenomena by radar data, a period with the observed signatures of cold-U/ring by satellite data (at the top) are shown. The time of registration of dangerous phenomena (strong wind on 13:30 +/- 30 min UTC, based on the characteristics of ESWD messages) marked by the vertical line.

 

 

Из комплексного анализа данных, представленных на рис. 11, можно сделать следующие выводы:

1. Рост грозовой активности (по данным о количестве молниевых вспышек) от начала зарождения шторма до стадии максимального развития хорошо коррелирует с ростом высоты верхней границы облачности и падением радиационной температуры.

2. Соотношение положительных и отрицательных разрядов в течение жизненного цикла исследуемого шторма было изменчиво, в зрелую стадию наблюдалось преобладание доли положительных разрядов, в стадии диссипации, наоборот, – доли отрицательных разрядов.

3. Наблюдался выраженный скачок общего числа разрядов в 11.25–11.30 ч ВСВ практически в 2 раза по сравнению с предыдущими значениями, в основном за счет положительных разрядов. Такого типа скачки (так называемая сигнатура Lightning JumpLJ) описаны в [12, 16]. По результатам исследований известно, что они имеют связь с формированием опасных явлений. В это же время произошла смена градации по шкале метеоявлений (в данных ДМРЛ-С) с «ГРАДа» на «ШКВАЛ», т. е. произошло увеличение степени общего развития очага (рост отражаемости, повышение высоты ее максимальных значений и т. д.). К этому же времени по спутниковым данным сформировалась сигнатура cold-U, в дальнейшем она трансформировалась в кольцеобразную сигнатуру cold-ring, которая непрерывно наблюдалась в шторме до 14.05 ч ВСВ, а затем, еще 20 минут просуществовав, снова в U-образной форме.

Таким образом, сигнатура cold-U/ring наблюдалась в шторме в большей части периода его зрелой стадии, когда такие характеристики, как радиационная температура, высота верхней границы и радарная отражаемость (о значениях которой можно судить косвенно, по градациям явлений в алгоритмах распознавания по исходным данным ДМРЛ-С), достигали экстремальных значений. При этом заблаговременность (по отношению ко времени регистрации ОЯ) появления данной сигнатуры на спутниковых снимках составила 2 часа 10 минут.

4. Отмечалось волнообразное распределение общего количества разрядов в течение жизненного цикла исследуемого шторма. Колебания общей молниевой активности были квазипериодическими (с периодом около 1 ч 20 мин – 1 ч 30 мин), при этом наблюдалась некоторая корреляция максимумов молниевой активности с радарными градациями метеоявлений (а значит, и с радарной отражаемостью: как общей, так и на определенных высотах исходя из алгоритмов определения метеоявлений по исходным радарным данным) и в меньшей степени – с высотой верхней границы облачности.

5. В зрелую стадию развития шторма, когда молниевая активность, высота и радиационная температура верхней границы облачности достигали экстремальных значений, наблюдалось преобладание градаций распознавания метеоявлений «ШКВАЛ» и «ГРАД» по данным ДМРЛ-С.

6. Зарегистрированные у земли ОЯ отмечались во время спада (после периода наивысшей молниевой активности) общего количества разрядов, около времени первого локального минимума активности, примерно через 2 часа после скачка LJ. При этом радарные характеристики предполагали вероятность опасных явлений, а по спутниковым данным в это время продолжала наблюдаться сигнатура cold-ring.

Представляет интерес также проанализировать пространственное распределение разрядов разной полярности в сопоставлении со спутниковыми сигнатурами и локализацией зафиксированных опасных явлений. Для визуализации положения спутниковых сигнатур вдоль трека шторма было решено использовать центры сигнатур, которые определялись приблизительно вблизи геометрического центра окружности (эллипса), линия которой соответствовала положению холодной кольцеобразной области сигнатуры (рис. 12). Для исключения ошибки пространственной локализации этих центров учитывался параллакс, характерный для геостационарных спутниковых данных (рис. 13), который в данном случае составил около 25 км (на широтах 55–56º при высоте верхней границы кучево-дождевой облачности 13–15 км [14]).

Для анализа пространственного распределения молниевых разрядов, геометрических центров сигнатур cold-U/ring и локализацией зарегистрированных ОЯ были построены карты, изображенные на рис. 14.

Из анализа пространственного распределения диагностических характеристик конвективного шторма (рис. 14) можно сделать следующие выводы.

1. Наиболее плотное распределение разрядов отмечалось в период примерно от начала формирования сигнатуры cold-U/ring до времени регистрации ОЯ. Особенно это характерно для распределения положительных разрядов.

2. После времени регистрации ОЯ плотность (особенно положительных разрядов) существенно снижалась, но далее наблюдались менее выраженные локальные максимумы плотности, соответствующие периодам увеличения общего количества разрядов, а также вариациям радарных и спутниковых параметров, отмеченных выше, при описании выявленных квазипериодических колебаний активности (см. выше п. 4 выводов к рис. 11).

3. Заметным является наличие двух параллельных друг другу треков повышенной плотности разрядов (как положительных, так и отрицательных) на большей части интервала с сигнатурой cold-U/ring. Причем центры сигнатур локализировались в промежутке низкой плотности разрядов, вытянутом между двумя параллельными треками повышенной плотности.

 

 

Рис. 12. Схематическое изображение сигнатуры cold-ring [15]. Показано примерное положение геометрического центра сигнатуры.

Fig. 12. The scheme of cold-ring signature [15]. The approximate position of the geometric center of signature is shown.

 

 

 

Рис. 13. Схематическое изображение параллакса для спутниковых изображений кучево-дождевой облачности [14].

Fig. 13. Parallax scheme for satellite images of the cumulonimbus clouds [14].

 

а)

б)

Рис. 14. Распределение разрядов отрицательной (а) и положительной полярности (б) вдоль трека шторма с указанием временного интервала. Серой линией показан трек, соединяющий центры сигнатур cold-U/ring для всего временного интервала, когда сигнатуры наблюдались по спутниковым данным. Серыми квадратами показана локализация зарегистрированных ОЯ (ESWD).

Fig. 14. The distribution of the discharges of negative (a) and positive polarity (b) along the storm track indicating the time interval. The gray line shows the track connecting cold-U/ring signature centers for the entire time interval when the signatures were observed according to satellite data. Gray squares showing localization of registered dangerous phenomena (ESWD).

 

 

Для анализа вариаций электрического поля атмосферы (ЭПА) в относительной близости от траектории прохождения мощного конвективного шторма применялись данные флюксметров, разработанных в НПО «Тайфун» [1] и установленных на верхней площадке высотной метеомачты (ВММ) в г. Обнинске (высота 310 м) и на станции геофизического мониторинга «Вашутино» (Калужская обл., 5 км на северо-запад от Обнинска).

Технические характеристики флюксметра НПО «Тайфун» подтверждены в серии экспериментов по мониторингу вертикальной компоненты Еz напряженности ЭПА. Установлено, что достигнутый уровень чувствительности измерений Еz позволяет, в частности, регистрировать при некоторых условиях сигналы глобальных электромагнитных резонансов Шумана [2]. Флюксметр на станции «Вашутино» установлен на мачте высотой 4 метра. Значения Еz, измеренные на мачте, более чем на порядок превышают значения, измеренные непосредственно у поверхности земли, и линейно зависят от высоты мачты [10].

На рис. 15 представлены графики временного хода Еz на верхней площадке ВММ и на станции «Вашутино» с 09.00 до 15.00 ч ВСВ 7 августа 2021 года с посекундным усреднением исходных данных флюксметров.

 

 а)

 б)

 

Рис. 15. Временной ход вертикальной компоненты напряженности электрического поля атмосферы: верхняя площадка ВММ (а); станция «Вашутино» (б). С 09.00 до 15.00 ч ВСВ 07.08.2021 г.

Fig. 15. The time variation of vertical atmospheric electric field: top platform of the Obninsk meteorological tower (а); station «Vashutino». From 09.00 to 15.00 UTC 07.08.2021.

 

Из сопоставления данных флюксметров с радарными данными (рис. 16) можно заключить о выявлении нескольких характерных периодов с особенностями временного хода вертикальной компоненты напряженности ЭПА в период прохождения конвективных систем различного рода вблизи или непосредственно над пунктами наблюдений:

1. В период с 09.30 до 10.30 ч ВСВ наблюдались слабые (с постепенным ростом амплитуды) импульсные возмущения вертикальной компоненты Еz напряженности ЭПА (рис. 15), связанные с приближением грозовых очагов к пунктам наблюдений (рис. 16, 10.00 ч).

 

Рис. 16. Данные сети ДМРЛ-С (метеоявления) за 10.00, 11.00, 12.30 и 13.30 ч ВСВ (черным кружком в центре карт обозначен Обнинск).

Fig. 16. DMRL-C network data (weather phenomena mode) for 10.00, 11.00, 12.30 and 13.30 UTC (city Obninsk are shown by black circle in the center of maps).

 

2. Наиболее сильные возмущения Еz наблюдались примерно с 10.30 до 11.30 ч (рис. 15). Они связаны с прохождением непосредственно через пункты измерения Еz локальных грозовых очагов (не связанных с исследуемой в работе конвективной системой) (рис. 16, 11.00 ч).

3. В период с 11.30 до 13.00 ч в Обнинске и на станции «Вашутино» наблюдалось относительно более слабое возмущение временного хода Еz (рис. 15), связанного с близкой грозой на минимальном расстоянии примерно 10 км от Обнинска на фоне прохождения в относительной близости исследуемого в работе мощного конвективного шторма в составе квазилинейной мезомасштабной конвективной системы (рис. 16, 12.30 ч). Минимальное расстояние до наиболее выраженной зоны активной конвекции составило 50–60 км к западу от пунктов наблюдения.

4. Примерно с 13.00 до 14.00 ч наблюдалось низкочастотное (с периодом 10–20 минут) колебание средней амплитуды Еz (рис. 15), характерное для прохождения ливневой (не грозовой) кучево-дождевой облачности [6], в данном случае связанной с южной периферией мезомасштабной конвективной системы, проходящей в этот период непосредственно над пунктами наблюдений (рис. 16, 13.30 ч).

В остальные периоды (до 09.30 и после 14.00 ч) электрическое поле атмосферы было мало возмущенным (рис. 15).

 

Выводы

Комплексный анализ случая мощной конвекции, наблюдавшегося 7 августа 2021 года над территорией центральной части ЕТР, по различным видам данных позволяет сделать следующие выводы.

1. Для развития мощной организованной конвекции наблюдались как благоприятные синоптические условия, так и определенные особенности распределения температурно-влажностных, ветровых и других характеристик, в т. ч. установленных по анализу значений специальных комплексных индексов. При сопоставлении поля значений этих индексов с областью формирования и треком исследуемого мощного шторма можно заключить об их достаточно высокой прогностической информативности.

2. Что касается классификации исследуемого мощного конвективного шторма, то исходя из анализа диагностических данных (наличие устойчивой области высокой отражаемости по радарным данным и малоизменчивой во времени квазиэллиптической формы шторма и характерных сигнатур по спутниковым данным, высокого количества и плотности распределения молниевых разрядов), а также наличия благо-приятных синоптических, температурно-влажностных и ветровых условий, можно сделать предположение о формировании очага суперъячейкового типа (с вероятным наличием устойчивого вращающегося восходящего потока – мезоциклона) внутри квазилинейной мезомасштабной конвективной системы. Более достоверное суждение о классификации шторма как «затопленной» суперъячейки можно было бы сделать по детальному анализу доплеровских радарных параметров (что позволило бы идентифицировать наличие мезоциклона), которыми авторы, к сожалению, не располагали.

3. Одним из важных результатов исследования является анализ заблаговременности (по отношению к регистрации ОЯ) специальных сигнатур, имевших место у исследуемого шторма (таких как cold-U/ring, lightning jump), и часто связанных с формированием опасных явлений. Так, в данном исследовании установлено значение заблаговременности для данных сигнатур порядка 2 часов, что является важным фактом для разработки схем наукастинга ОЯ. При этом можно допустить потенциальную возможность формирования ОЯ (при отсутствии фактов их регистрации у земли по ряду объективных причин) в период сразу после выявления сигнатур ввиду потенциальной мощности и устойчивости исследуемого шторма, опираясь на диагностические данные в этот временной период: максимальной ВВГО, минимальной радиационной температуры, градации опасности по радарным данным, плотности разрядов и др.

4. При пространственно-временном анализе данных грозопеленгации выявлен периодический характер общего количества и плотности разрядов (по анализируемому треку шторма), возможно связанный с периодами интенсификации мощных устойчивых конвективных движений долгоживущего мощного шторма. Представляет интерес выявление таких особенностей в будущих работах по анализу иных случаев мощной конвекции.

5. В работе дополнительно также проанализированы данные флюксметров (пункты размещения которых оказались в относительной близости от районов перемещения мезомасштабной конвективной системы) в сопоставлении с радарными данными и данными грозопеленгации. Выявлены характерные периоды с особенностями временного хода вертикальной компоненты Еz напряженности электрического поля атмосферы как отдельно для периода приближения или прохождения непосредственно над пунктами наблюдений грозовых и ливневых очагов, так и для периода прохождении на некотором расстоянии от пунктов наблюдений очагов мощной организованной конвекции, что позволяет предварительно заключить о возможном некотором значении таких данных для наукастинга конвективных и грозовых процессов. Данный вопрос также требует дальнейших исследований.

Авторы выражают благодарность ФГБУ НИЦ «Планета» за предоставление данных грозопеленгации и ФГБУ «ЦАО» за предоставление радарных данных.

The authors are grateful for the provision of lightning detection network data from the Scientific Research Center «Planeta» and radar data from the Central Aerological Observatory.

 

Список литературы

1. Болдырев А.И., Вязилов А.Е., Иванов В.Н., Кемаев Р.В., Коровин В.Я., Меляшинский А.В., Памухин К.В., Памухина И.А., Панов В.Н., Швырёв Ю.Н. Высокочувствительный флюксметр для регистрации вариаций напряженности электрического поля атмосферы Земли // Приборы и техника эксперимента. 2016. № 5. С. 123-132.

2. Болдырев А.И., Вязилов А.Е., Иванов В.Н., Кемаев Р.В., Коровин В.Я., Меляшинский А.В., Памухин К.В., Панов В.Н., Швырёв Ю.Н. Регистрация слабых УНЧ/КНЧ колебаний напряженности приземного электрического поля // Геомагнетизм и аэрономия. 2016. Т. 56, № 4. С. 535-544.

3. Калинин Н.А., Шихов А.Н., Чернокульский А.В., Костарев С.В., Быков А.В. Условия возникновения сильных шквалов и смерчей, вызывающих крупные ветровалы в лесной зоне Европейской территории России и Урала // Метеорология и гидрология. 2021. № 2. С. 35-49.

4. Новицкий М.А., Павлюков Ю.Б., Шмерлин Б.Я. и др. Башкирский смерч: возможности анализа и прогноза смерчеопасной ситуации // Метеорология и гидрология. 2016. № 10. C. 30-40.

5. Прохареня М.И., Спрыгин А.А. Применение метода комплексного диагноза и прогноза мощных конвективных структур над территорией Республики Беларусь для летнего периода 2018 года // Природные ресурсы. 2019. № 1. С. 96-107.

6. Пустовалов К.Н., Нагорский П.М. Основные типы вариаций электрического поля при прохождении кучево-дождевых облаков различного генезиса // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29, № 8. С. 647-653.

7. Спрыгин А.А. Параметры долгоживущих мощных конвективных структур на Европейской территории России и сопредельных территориях и возможности унификации их прогноза // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2020. № 1 (375). С. 21-47.

8. Спрыгин А.А., Прохареня М.И. Диагноз и прогноз конвективных структур с опасными явлениями по данным моделирования и дистанционного зондирования над территорией Беларуси и Центральной России // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2018. № 3 (369). С. 6-22.

9. Шихов А.Н., Чернокульский А.В., Спрыгин А.А., Ажигов И.О. Идентификация мезомасштабных конвективных облачных систем со смерчами по спутниковым данным // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16, № 1. С. 223-236.

10. Chubb J. The measurement of atmospheric electric fields using pole mounted electrostatic fieldmeters // Journal of Electrostatics. 2014. Vol. 72. P. 295-300.

11. Doswell C.A., Schultz D.M. On the use of indices and parameters in forecasting severe storms // Electronic J. Severe Storms Meteor. 2006. Vol. 1 (3). P. 1-22, available at: http://www.ejssm.org/ojs/index.php/ejssm/article/view/11/10

12. Farnell C., Rigo T. The Lightning Jump Algorithm for Nowcasting Convective Rainfall in Catalonia // Atmosphere. 2020. Vol. 11 (4), available at: https://doi.org/10.3390/atmos11040397

13. Putsay M., Simon A., Szenyán I. et al. Case study of the 20 May 2008 tornadic storm in Hungary – remote sensing features and NWP simulation // Atmos. Res. 2011. Vol. 100 (4). P. 657-679.

14. Radová M., Seidl J. Parallax applications when comparing radar and satellite data. The 2008 EUMETSAT Meteorological Satellite Conference, available at: https://www-cdn.eumetsat.int/files/2020-04/pdf_conf_p_s5_22_radova_p.pdf

15. Setvák M., Lindsey D.T, Novák P. et al. Satellite-observed cold-ring-shaped features atop deep convective clouds // Atmos. Res. 2010. Vol. 97 (1-2). P. 80-96.

16. Schultz C., Petersen W., Carey L. Lightning and Severe Weather: A Comparison between Total and Cloud-to-Ground Lightning Trends // Weather and Forecasting. 2011. Vol. 26, no. 5. P. 744-755.

17. Basics of operational monitoring and nowcasting of convective storms using satellite imagery. http://convectivestorm.blogspot.com.

 

References

1. Boldyrev A.I., Vyazilov A.E., Ivanov V.N., Kemaev R.V., Korovin V.Y., Melyashinskiy A.V., Pamukhin K.V., Pamukhina I.A., Panov V.N., Shvyrev Y.N. A highly sensitive field mill for registering weak and strong variations of the electric-field intensity of the Earth’s atmosphere. Instruments and Experimental Techniques. 2016, vol. 59, no. 5, pp. 740-748. [in Russ.].

2. Boldyrev A.I., Vyazilov A.E., Ivanov V.N., Kemaev R.V., Korovin V.Y., Melyashinskiy A.V., Pamukhin K.V., Panov V.N., Shvyrev Y.N. Registration of weak ULF/ELF oscillations of the surface electric field strength. Geomagnetism and Aeronomy. 2016, vol. 56, no. 4, pp. 503-512. [in Russ.].

3. Kalinin N.A., Shikhov A.N., Chernokulsky A.V., Kostarev S.V., Bykov A.V. Environments of formation of severe squalls and tornadoes causing large-scale windthrows in the forest zone of European Russia and the Ural. Russ. Meteorol. Hydrol. 2021, vol. 46, no. 2, pp. 83-93. [in Russ.].

4. Novitskii M.A., Pavlyukov Y.B., Shmerlin B.Y. et al. The tornado in Bashkortostan: the potential of analyzing and forecasting tornado-risk conditions. Russ. Meteorol. Hydrol. 2016, vol.41, no. 10, pp. 683-690. [in Russ.].

5. Proharenja M.I., Sprygin A.A. Primenenie metoda kompleksnogo diagnoza i prognoza moshhnyh konvektivnyh struktur nad territoriej Respubliki Belarus' dlja letnego perioda 2018 goda [Application of the method of complex diagnosis and forecast of severe convective structures over the territory of the Republic of Belarus for the summer period of 2018]. Prirodnye resursy [Natural resources], 2019, no. 1, pp. 96-107. [in Russ.].

6. Pustovalov K.N., Nagorskij P.M. Osnovnye tipy variacij jelektricheskogo polja pri prohozhdenii kuchevo-dozhdevyh oblakov razlichnogo genezisa [The main types of electric field variations during the passage of cumulonimbus clouds of various genesis]. Optika Atmosfery i Okeana [Atmospheric and Oceanic Optics], 2016, vol. 29, no. 8, pp. 647-653. [in Russ.].

7. Sprygin A.A. Parametry dolgozhivushhih moshhnyh konvektivnyh struktur na Evropejskoj territorii Rossii i sopredel'nyh territorijah i vozmozhnosti unifikacii ih prognoza [Parameters of long-lived severe convective structures in the European territory of Russia and adjacent territories and the possibility of unifying their forecast]. Gidrometeorologicheskie issledovanija i prognozy [Hydrometeorological Research and Forecasting], 2020, vol. 375, no. 1, pp. 21-47. [in Russ.].

8. Sprygin A.A., Proharenja M.I. Diagnosis and forecasting of convective structures accompanied by severe weather events based on model and remote sensing data over the territory of Belarus and central Russia. Gidrometeorologicheskie issledovanija i prognozy [Hydrometeorological Research and Forecasting], 2018, no. 3 (369), pp. 6-22. [in Russ.].

9. Shihov A.N., Chernokul'skij A.V., Sprygin A.A., Azhigov I.O. Identification of mesoscale convective cloud systems with tornadoes using satellite data. Sovremennye problemy distancionnogo zondirovanija Zemli iz kosmosa [Current problems in remote sensing of the Earth from space], 2019, vol. 16, no. 1, pp. 223-236. [in Russ.].

10. Chubb J. The measurement of atmospheric electric fields using pole mounted electrostatic fieldmeters. Journal of Electrostatics. 2014, vol. 72, pp. 295-300.

11. Doswell C.A., Schultz D.M. On the use of indices and parameters in forecasting severe storms. Electronic J. Severe Storms Meteor. 2006, vol. 1 (3), pp. 1-22, available at: http://www.ejssm.org/ojs/index.php/ejssm/article/view/11/10.

12. Farnell C., Rigo T. The Lightning Jump Algorithm for Nowcasting Convective Rainfall in Catalonia. Atmosphere. 2020, vol. 11 (4), available at: https://doi.org/10.3390/atmos11040397.

13. Putsay M., Simon A., Szenyán I. et al. Case study of the 20 May 2008 tornadic storm in Hungary – remote sensing features and NWP simulation. Atmos. Res. 2011, vol. 100, no. 4. pp. 657–679.

14. Radová M., Seidl J. Parallax applications when comparing radar and satellite data. The 2008 EUMETSAT Meteorological Satellite Conference. Available at: https://www-cdn.eumetsat.int/ files/2020-04/pdf_conf_p_s5_22_radova_p.pdf

15. Setvák M., Lindsey D.T, Novák P. et al. Satellite-observed cold-ring-shaped features atop deep convective clouds. Atmos. Res. 2010, vol. 97, no. 1-2, pp. 80–96.

16. Schultz C., Petersen W., Carey L. Lightning and Severe Weather: A Comparison between Total and Cloud-to-Ground Lightning Trends. Weather and Forecasting. 2011, vol. 26, no. 5. pp. 744-755.

17. Basics of operational monitoring and nowcasting of convective storms using satellite imagery. Available at http://convectivestorm.blogspot.com

 

Поступила 31.03.2022; одобрена после рецензирования 23.05.2022;
принята в печать 08.06.2022.

Submitted 31.03.2022; approved after reviewing 23.05.2022;
accepted for publication 08.06.2022.