Методы прогноза максимального количества осадков в зонах активной
конвекции и альтернативного прогноза сильных ливней и шквалов в градации ОЯ
Основы методов
Опасные явления погоды и, в частности, сильные шквалы и ливни, связанные с зонами активной
конвекции (ЗАК), относятся к мезомасштабным метеорологическим явлениям погоды.
Они образуются в результате сложного взаимодействия атмосферных процессов макро-,
мезо- и микромасштаба. Известно, что размер таких явлений (как во времени, так и в пространстве)
сравнительно мал. Площадь, на которой наблюдаются рассматриваемые явления, как правило, во много
раз меньше расстояния между пунктами метеорологических и аэрологических наблюдений.
Все это и определяет трудности в проведении исследований и в прогнозировании опасных явлений погоды,
связанных с зонами активной конвекции, в том числе - в рамках численных моделей атмосферы.
Достижения в развитии отечественных гидродинамических моделей прогноза полей метеорологических
элементов позволили использовать их выходные данные для прогноза таких опасных явлений.
В настоящее время прошли испытания и получили рекомендации к использованию прогнозы с
заблаговременностью 12-24 ч.
Предлагаемые методы разработаны на основе концепции «идеального прогноза»,
с использованием
метеорологических параметров атмосферы, рассчитанных по данным фактических наблюдений.
Это дает возможность реализовать методы на выходной продукции практически любой
гидродинамической модели, рассчитывающей необходимые для прогноза конвективных явлений параметры
атмосферы и удовлетворяющей требования к вертикальному и горизонтальному разрешению.
В настоящее время для прогноза опасных конвективных явлений используется региональная модель
Гидрометцентра России (автор В.М.Лосев). Указанная модель удовлетворяет большинству требований,
за исключением того, что в оперативном режиме не направляет в базу данных (БД) прогностические
значения температуры и влажности у поверхности Земли, которые находятся в стадии оперативных
испытаний. Указанные проблемы приходится решать в рамках предлагаемых методов с использованием
блоков физико-синоптического прогноза максимальной приземной температуры и физико-статистического
прогноза приземной влажности.
в зонах термической и вынужденной конвекции, ливней оя и шквалов оя
На рис. 1 представлена блок-схема прогноза опасных конвективных явлений на основе разработанных
автором методов, функционирующих в рамках автоматизированной оперативной технологии
Гидрометцентра России.
Как видно из рисунка, все методы прогноза имеют несколько общих блоков, позволяющих прогнозировать
необходимые параметры конвекции. В блоке прогноза самих явлений вычисляются дополнительно
необходимые предикторы для расчета прогностических уравнений.
Визуализация результатов прогноза осуществляется с помощью специальной версии разработанного
в Гидрометцентре России программного комплекса
«Изограф» (автор Ю.В. Алферов).
Практическая реализация методов
Расчет параметров конвекции на текущий день (срок 12 ч ВСВ) проводится с учетом дневного прогрева.
Учитывается, что в пограничном слое днем устанавливается сухоадиабатический градиент температуры,
распространяющийся до различной высоты в зависимости от количества облачности.
Следовательно,
должно существовать линейное соотношение для определения максимальной температуры:
Тмакс = Т850 + а(град), где
Т850 – температура на уровне 850 гПа,
а – коэффициент, зависящий от количества облачности.
Для прогноза максимальной температуры воздуха используется метод, разработанный Бачуриной
А.А., Песковым Б.Е. и Тихомировой Л.В. /Песков, Тихомирова, 1980/. Поскольку отсутствует
объективный метод прогноза количества облачности, в методе используется разделение воздушных масс
на категории влажный и сухой воздух по значениям дефицитов точки росы в слое 850-500 гПа.
Кроме того, учитываются вертикальные упорядоченные движения на уровне изобарической поверхности
850 гПа, которые изменяют к середине дня температуру и влажность на этом уровне.
Для прогноза приземной влажности воздуха используется уравнение регрессии, учитывающее зависимость
температуры точки росы на уровне изобарической поверхности 1000 гПа от температуры точки росы
на уровне изобарической поверхности 925 гПа, и полученное автором в рамках работы /Алексеева, 1993/.
В дальнейшем, после завершения оперативных испытаний и внедрения в оперативную практику
прогностических полей температуры и влажности воздуха у поверхности Земли на основе региональной
модели атмосферы, модельные поля при наличии преимуществ в успешности могут быть использованы
взамен авторских блоков прогноза указанных метеорологических элементов для оптимизации
методических расчетов.
Для расчета параметров конвекции использована одномерная стационарная модель конвекции на основе
метода слоя, усовершенствованная в результате исследований, выполненных сотрудниками ВГИ
и Гидрометцентра России (в том числе автором методов под руководством Н.И. Глушковой).
В модели вовлечение окружающего воздуха в конвективное облако учитывается до значений
относительной влажности в слое 850-500 гПа, равных 60%. Считается, что выше этого значения роль
вовлечения становится ничтожно малой и практически не влияет на развитие конвекции /Малкус Дж. С.,
Балабуев А.Г., Эйдинова Г.З., Песков Б.Е., Ливанова Н.А., Глушкова Н.И., Савкина А.М./.
Значение максимальной конвективной скорости рассчитывается по способу Н.И. Глушковой /Руководство,
1986/.
Расчет максимальной скорости в случае вынужденной конвекции рассчитывается по формуле,
учитывающей точку росы у поверхности Земли и мощность конвекции.
Прогноз максимального количества осадков в зонах термической и вынужденной конвекции
Прогноз конвективных осадков имеет важное научное и практическое значение, т.к. эти осадки вносят
основной вклад в общую сумму осадков /Симпсон Д./.
При разработке метода прогноза максимального количества конвективных осадков использовались
экспериментальные данные: данные плювиографических наблюдений об интенсивности и количестве осадков,
данные о верхней границе кучево-дождевого облака к моменту начала выпадения осадков, измеренные
с помощью МРЛ, данные наблюдений станций и постов, карты барической топографии /Глушкова Н.И./.
Основой данного метода является определение количества прогнозируемых осадков по влагосодержанию
облака с учетом того известного факта, что большая часть сконденсированной в облаке влаги остается
в атмосфере и не участвует в осадкообразовании /Пальмен Э, Ньютон Ч., Сулаквелидзе Г.К.,
Глушкова Н.И., Федченко Л.М., Сулаквелидзе Я.Г./. Такой учет осуществляется с помощью коэффициента
генерации осадков (k0) – отношения фактически выпавших осадков к общему количеству
генерируемой облаком влаги.
Для прогноза максимального количества смешанных осадков (обложных и ливневых) используется формула
вида:
Qmax1 = b k0 Wm (мм/12ч)
/Глушкова, 1985/
где
b = 4.36 мм*c/м,
Wm – максимальная конвективная скорость, м/с,
k0 – коэффициент генерации осадков, выраженный через упорядоченные вертикальные
движения на уровне 850 гПа.
В случаях, когда дождь ливневого характера вносит основной вклад в общую сумму осадков,
их количество рассчитывается как функция только максимальной конвективной скорости и уравнение
регрессии имеет вид:
Qmax1 = c Wm (мм/12ч).
При этом коэффициент регрессионной зависимости с определяется значениями влажности в слое
850-700 гПа и вертикальных упорядоченных движений на уровне 850 гПа.
Ранее проведенные исследования /Глушкова, 1985/ показали следующее: при сильных ливнях, чем больше
величина максимальной конвективной скорости, тем меньше разница между максимальной и средней
интенсивностью осадков, продолжительностью ливневой части дождя и общей продолжительностью дождя.
В связи с этим в формулу для прогноза максимального количества осадков со средней интенсивностью
конвективных осадков введен коэффициент на интенсивность конвекции
L = f (Wm).
Для смешанных и ливневых осадков при средней интенсивности конвективных осадков уравнения
регрессии имеют соответственно вид:
Q max2 = L b k0 Wm (мм/12ч),
Q max2 = L c Wm (мм/12ч).
Исследования, проведенные Акулиничевой А.А., показали (Акулиничева, 1969), что отношение
продолжительности ливневой части дождя к общей продолжительности дождя характеризуется плотностью
конвективных струй χ, средние значения которой для летних месяцев находятся в
интервале 0.29-0.38.
С учетом этого параметра окончательная формула прогноза максимального количества осадков имеет вид:
Qmax = Qmax1•χ + Q max2•(1-χ)
мм/12ч.
Альтернативный прогноз ливней в градации ОЯ
Прогноз ливней в градации ОЯ осуществляется с помощью дискриминантных функций,
позволяющих по набору признаков и выбранного решающего правила определить, к какому классу относится
рассматриваемый объект: к классу «ливни в градации ОЯ» или к классу «без ливней
в градации ОЯ». Для оценки качества разделения классов использовались такие характеристики,
как:
– выборочное расстояние Махаланобиса,
– предупрежденность и оправдываемость каждого из классов.
Отбор предикторов, определяющих выпадение ливней в градации ОЯ, производился на основе физической
сущности происходящего процесса, т.е. исходя из условий и механизма образования ливней в градации
ОЯ. Так как главной причиной образования ливней в градации ОЯ является вертикальная неустойчивость
атмосферы, мерой интенсивности поднятия восходящего потока воздуха за счет конвекции выбрана
величина максимальной конвективной скорости (Wm). Одним из основных факторов, влияющих на количество
осадков, является влажность воздуха у поверхности Земли и степень увлажнения восходящего воздуха.
Точка росы у поверхности Земли (Td) характеризует массовую долю влаги у поверхности Земли и влияет
на высоту уровня конденсации. Степень увлажнения восходящего воздуха оценивается средним дефицитом
влажности в слое 850-700 гПа (d8-7). Лапласиан приземного давления (ΔP) характеризует
конвергенцию воздушных масс в нижнем слое тропосферы, благоприятствующую развитию суперячейковых
кучево-дождевых облаков. Он косвенно определяет знак и модуль упорядоченных вертикальных движений
на уровне 850 гПа, которые вносят существенный вклад в интенсивность и количество ливней в градации
ОЯ. Наибольшая информативность этих параметров подтверждена их ранжированием с помощью коэффициента
точечно-биссериальной корреляции, который наиболее удобен для выявления связи между предикторами
и двумя классами явлений, исключающими друг друга.
Таким образом, дискриминантные функции (L) зависят от следующих четырех параметров атмосферы:
L = F (Wm, Td, ΔP, d8-7).
Альтернативный прогноз шквалов в градации ОЯ
Прогноз шквалов в градации ОЯ осуществляется с помощью дискриминантной функции, полученной аналогичным прогнозу
ливней в градации ОЯ подходом.
Наиболее информативным предиктором при прогнозе шквалов в градации ОЯ является максимальная конвективная
скорость (Wm). Физическая обоснованность использования данного предиктора очевидна. Только при наличии мощной
восходящей струи (среднее значение Wm = 28.2 м/с) может накопиться достаточно влаги, которая затем,
обрушиваясь вниз, создает мощные нисходящие движения.
Другим информативным предиктором является лапласиан приземного давления (гПа/(300 км)2), отражающий
наличие
циклонической кривизны изобар у поверхности Земли и, как следствие, конвергенцию горизонтальных приземных
потоков воздуха, необходимых для обеспечения подъема массы достаточно влажного и теплого воздуха восходящими
потоками. Одной только вертикальной неустойчивости недостаточно для создания мощных запасов влаги в кучево-дождевом
облаке, необходима «подпитка» для восходящих движений за счет конвергенции горизонтальных потоков.
Этот параметр важен и потому, что позволяет выделять зону полного отсутствия шквалов. Большое количество случаев
со шквалами наблюдается при лапласиане 0-4 (гПа/(300 км)2). Это вполне объяснимо, поскольку при
лапласиане >> 5 чаще всего образуется много слоистой облачности, что приводит к понижению максимальной
температуры воздуха у Земли, и, как следствие этого, уменьшению энергии неустойчивости и значений конвективных
скоростей. При лапласиане << -10 шквалы не развиваются и с большой вероятностью можно прогнозировать их
отсутствие. Возникновение шквалов при наличии небольших отрицательных значений лапласиана приземного давления
обусловлено тем, что на фоне антициклональной кривизны изобар иногда образуются мезомасштабные ложбины,
которые можно заметить на приземных картах при проведении изобар через 1 гПа.
Наиболее благоприятная синоптическая ситуация наблюдается при значениях лапласиана приземного давления в
диапазоне 1-3 (гПа/(300 км)2), когда образующиеся линии шквалов или неустойчивости создают
конвергенцию потоков
при безоблачной в первой половине дня погоде. Отсутствие шквалов при положительном лапласиане величиной от
2 до 4 (гПа/(300 км)2 обусловлено прохождением так называемых «сухих атмосферных фронтов»
с сухим и слабо неустойчивым воздухом. Эти случаи хорошо отражаются таким предиктором, как максимальная
конвективная скорость (Wm). Поэтому использование сочетания этих предикторов (Wm и лапласиана приземного давления)
для прогноза шквалов в градации ОЯ в большей степени уменьшает недостатки использования их по отдельности.
Таким образом, дискриминантная функция для прогноза шквалов в градации ОЯ (L1) является функцией конвективной
скорости Wm и лапласиана приземного давления ΔP и имеет вид:
L1 = F (Wm, ΔP)
Расчет прогнозов
Расчет прогнозов на основе указанных методов проводится в Гидрометцентре России в автоматизированном режиме
на ЭВМ XEON 2 раза в сутки после оперативного счета прогнозов по региональной модели атмосферы по исходным
срокам 0 и 12ч ВСВ. Прогнозы обычно готовы для передачи потребителю через 3 ч относительно исходных сроков
расчета, т.е. после 7 и 19 ч. м московского времени. Передача прогнозов в УГМС осуществляется автоматизировано
по электронной почте. Выходные файлы с прогнозами представляются в бинарном виде для их визуализации пакетом
«Изограф», адаптированным к специфике представления опасных
конвективных явлений. Такой пакет должен иметься у пользователя этими прогнозами.
Визуализация прогнозов
При визуализации прогнозов следует обратить внимание на то, что по электронной почте ежедневно передаются файлы
с прогнозами, имеющие одинаковое имя для данного исходного срока для определенного явления. Поэтому, чтобы
избежать ошибок, надо быть внимательным при визуализации определенного файла, обратив внимание на дату создания
файла, которая «высвечивается» при наведении курсора на данный файл. При визуализации прогнозов на
последующий день с заблаговременностью 18-30ч. (вечерний счет и передача прогнозов), дата создания файла –
текущий день, вечернее время. Прогноз при этом будет на следующую дату. При визуализации прогнозов на текущий день
с заблаговременностью 12-18ч. (утренний счет и передача прогнозов), дата создания файла – текущий день,
утреннее время. Прогноз при этом будет на текущую дату.
В случаях не штатных ситуаций (сбой на ЭВМ, более поздний расчет прогнозов, некоторые файлы оказалась пустыми,
по какой-либо причине прогнозы не передавались из Гидрометцентра России), на компьютере пользователя могут быть
старые файлы (за предыдущие дни) приняты за «свежие»l; файлы.
Шквалы в градации ОЯ и ливни в градации ОЯ визуализируются значками, принятыми в метеорологии для наноски на
синоптические карты сведений об этих явлениях. Для этого в пакете Изограф созданы специализированные профили.
Визуализация максимального количества осадков в зависимости от созданного профиля визуализации может производиться
в виде закрашенных областей выбранных пользователем градаций, изолиний и значений. Для оценки успешности прогнозов
по данному методу обязательно должны быть указаны значения количества осадков в узлах сетки при любом другом
удобном для потребителя виде визуализации, т.к. в пакете Изограф принята определенная интерполяция значений
из узлов сетки, что может искажать прогноз, особенно при локальных процессах.
При создании карты (бланка) необходимо задать географический объект – «внутренние границы»
для выделения отдельных субъектов Федерации (областей и краев).
Результаты оперативных испытаний
Автоматизированные методы альтернативного прогноза ливней и шквалов в градации ОЯ, а также прогноза
максимального количества осадков в зонах атмосферной конвекции на основе выходных данных региональной модели
Гидрометцентра России с заблаговременностью 12 и 24 ч испытывались в летние сезоны 2003–2004гг. в Гидрометцентре
России, УГМС ЦЧО и Северо-Кавказском.
Оценка прогнозов конвективных явлений в градации ОЯ, как и максимального количества осадков производилась
по территории субъектов Федерации. В целом оценены прогнозы по территории 30 субъектов Федерации, из них
13 – Южный Федеральный округ (территория ответственности Северо-Кавказского УГМС) и 17 – Центральный
Федеральный округ (территория ответственности УГМС ЦЧО и Центрального УГМС).
Результаты испытаний показали, что методы альтернативного прогноза ливней и шквалов в градации ОЯ для
рассматриваемой территории имеют практическую значимость, поскольку величины критерия качества Пирси-Обухова
близки или превышают величину 0,3 и находятся в интервале до 0,7. При этом оправдываемость прогнозов с
явлениями весьма низкая (в пределах 19%), а предупрежденность случаев с явлениями при заблаговременности
12 ч составляет 53-83%, при заблаговременности 24 ч – от 39 до 67%. Вместе с тем прогнозы без ОЯ имеют
высокую оправдываемость (98-99%) и общую оправдываемость от 79 до 83%.
Учитывая отсутствие других объективных методов прогноза конвективных ОЯ (ливней и шквалов), Технические советы
Северо-Кавказского УГМС и УГМС ЦЧО, а также секция Ученого совета Гидрометцентра России считают целесообразным
использовать альтернативные прогнозы на основе этих методов в оперативной практике в качестве консультативного
материала.
Аналогичное решение принято Северо-Кавказским УГМС и УГМС ЦЧО по использованию метода прогноза максимальных
осадков на основе результатов оценки прогнозов по градациям действующего «Наставления».
Гидрометцентр России на основе анализа успешности прогнозов максимальных осадков в каждой из градаций
«Наставления» на территории 10 субъектов Федерации Центрального УГМС пришел к выводу, что данный
метод можно использовать в оперативной практике прогностических организаций Центрального УГМС при составлении
прогнозов сильных и очень сильных осадков (количеством 11 мм и более за 12 ч) в качестве основного расчетного
метода (критерий качества Пирси-Обухова составил 0,35-0,36, предупрежденность случаев с сильными и очень
сильными осадками 74-72%).
Рекомендации о внедрении
Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам
Росгидромета (ЦМКП) 4 апреля 2006г одобрила работу Гидрометцентра России по созданию
автоматизированных методов прогноза опасных конвективных явлений на основе выходных данных
региональной модели Гидрометцентра России.
ЦМКП рекомендовала Гидрометцентру России:
– внедрить в оперативную технологию методы автоматизированного
альтернативного прогноза дневных ливней и шквалов в градациях ОЯ, а также метод прогноза
количества осадков по территории областей c заблаговременностью 12 и 24 ч по исходным
срокам 00 и 12 ВСВ с использованием выходной продукции региональной гидродинамической
модели атмосферы;
– обеспечить прогностической информацией о конвективных ОЯ и максимальном
количестве осадков по территории областей УГМС Северо-Кавказское, Центральное и ЦЧО;
– продолжить дальнейшее развитие методов прогноза опасных явлений с целью
повышения их надежности.
Комиссия согласилась с решениями Технических советов Северо-Кавказского УГМС и УГМС ЦЧО
использовать в оперативной практике методические прогнозы конвективных ОЯ (ливней и
шквалов) и максимального количества осадков по территории областей в качестве
консультативного материала. Оперативно-прогностическим организациям Центрального УГМС
рекомендовано использовать методические прогнозы конвективных ОЯ (ливней и шквалов) в
качестве консультативного материала, а метод прогноза осадков в градациях сильных
и очень сильных (11мм и более) в качестве вспомогательного метода.
ЦМКП предложила оперативно-прогностическим организациям Северо-Кавказского УГМС и УГМС
ЦЧО провести дополнительный анализ прогнозов максимального количества осадков в
объединенной градации сильных и очень сильных осадков совместно с прогнозами осадков
в градации ОЯ с целью выработки региональных практических рекомендаций по их
комплексному использованию.
Примеры прогнозов конвективных явлений погоды
Дополнительная информация
В настоящее время в направлении дальнейшего развития представленных методов прогноза
разработаны на их основе альтернативные методы прогноза ливней и шквалов в трех
градациях, града в двух градациях. Для прогноза ливней использованы градации:
сильные ливни, ливни-НЯ (неблагоприятные явления) и ливни-ОЯ (опасные явления).
Для прогноза шквалов – шквал-НЯ, шквал-ОЯ, шквал ураганной силы ветра,
для града – град-НЯ и град-ОЯ.
Кроме того, разработан метод прогноза комплекса всех неблагоприятных и опасных
конвективных явлений с детализацией типа явлений. Оперативная технология включает
прогноз указанных явлений с детализацией 6 ч с заблаговременностью от 12 до 48 ч.
Автор методов: Алексеева Антонида Александровна,
Гидрометцентр России, Отдел краткосрочных прогнозов погоды и опасных явлений по территории
России, научная группа синоптических исследований.
E-mail: alekseeva@mecom.ru, тел. (495) 255-23-20.
Основы методов прогноза изложены:
1. Алексеева А.А. Исследование условий формирования экстремальных осадков
на Европейской территории бывшего СССР. Труды ГМЦ России, 1996, вып.328, с. 115-124.
2. Алексеева А.А. Летние конвективные явления. Глава 5 Монографии
«Гидрометеорологические опасности» под ред. Г.С. Голицына, А.А. Васильева.
М.: Издательская фирма «КРУК», 2001, с. 127-167.
3. Алексеева А.А. Прогноз возникновения и развития зон активной
конвекции с особо опасными явлениями. Материал докладов Всероссийской конференции по
активным воздействиям на атмосферные процессы. Нальчик. 23-25 октября 2001 г. С.-Пб.:
Гидрометеоиздат, 2004 (в печати).
4. Алексеева А.А. Условия формирования и краткосрочный прогноз сильных
ливней и града на ЕТС СНГ. Диссертация. М., 1993, 187 с.
5. Алексеева А.А., Глушкова Н.И. Особенности развития стихийных
конвективных явлений и их прогноз. Труды ГМЦ России, 1998, вып. 330.
6. Глушкова Н.И. Исследование физико-статистических условий
образования осадков. Труды ГМЦ СССР, 1985, вып. 266, с.10-20.
7. Глушкова Н.И. Результаты исследований механизма образования
сильных ливней и града. Труды ГМЦ СССР, 1978, вып. 201, с. 57-67.
Список использованной литературы:
1. А.А. Акулиничева Параметры дождей над районами Поволжья.
Труды ГМЦ СССР, вып. 57, 1969, Л., Гидрометеоиздат, с. 113-118.
2. Алексеева А.А. Условия формирования и краткосрочный прогноз сильных
ливней и града на ЕТС СНГ. Диссертация. М., 1993, 187 с.
3. Глушкова Н.И. Исследование физико-статистических условий образования
осадков. Труды ГМЦ СССР, 1985, вып. 266, с.10-20.
4. Глушкова Н.И. Результаты исследований механизма образования сильных
ливней и града. Труды ГМЦ СССР, 1978, вып. 201, с. 57-67.
БикЮ
5. Песков Б.Е., Тихомирова Л.В. Способ прогноза максимальной температуры.
6. Руководство по краткосрочным прогнозам погоды. Ч. I.Л.
Гидрометеоиздат, 1986, с. 444-448.
7. Сулаквелидзе Г.К., Глушкова Н.И. Федченко Л.М. Прогноз града,
гроз и ливневых осадков. Л., Гидрометеоиздат, 1970, 183с.
8. Э. Пальмен, Ч. Ньютон. Циркуляционные системы атмосферы/ под ред.
С.П. Хромова. Л., Гидрометеоиздат , 1973, 616 с.