Неопределенности в прогнозе опасных явлений погоды и возможные пути их снижения

А.А. Васильев, Е.В. Васильев, Т.Г. Дмитриева

Гидрометеорологический научно-исследовательский центр
Российской Федерации, г. Москва, Россия

syno@inbox.ru; tdsin@mecom.ru

В последние годы достигнут значительный прогресс в мезомасштабном моделировании атмосферных процессов и их прогнозировании. Вместе с тем прогноз опасных явлений сохраняет ряд неопределенностей, особенно в отношении точного места их образования, времени возникновения и интенсивности [5, 6]. Причины, приводящие к этим неопределенностям, известны. Главной из них справедливо считается сложность учета численными моделями процессов, происходящих в пограничном слое.

Пограничный слой играет огромную роль во всей системе Земля ‒ атмосфера. Именно благодаря трансформации тепла и влаги солнечная энергия передается в атмосферу от поверхности Земли и вызывает в ней движение воздуха. Толщина пограничного слоя определяется также и динамическими воздействиями земной поверхности. В динамической метеорологии за верхнюю границу пограничного слоя принимают высоту, на которой фактический ветер и геострофический ветер совпадают. В умеренных широтах она составляет в среднем 1000‒1500 м, но претерпевает значительные изменения в глобальном масштабе. Например, в экваториальной зоне, где параметр Кориолиса равен нулю, можно даже допустить, что толщина пограничного слоя совпадает с толщиной тропосферы, хотя и признается, что там формируется пограничный слой со своими специфическими особенностями [1]. В полярных районах, наоборот, пограничный слой, особенно в холодный период года, может вообще исчезать.

В мезо- и локальном масштабах высота пограничного слоя может также существенно изменяться как в пространстве, так и во времени. Именно поэтому все численные модели имеют наибольшее вертикальное разрешение вблизи земной поверхности. Что касается расчетов потоков тепла, влаги, конвекции, облачности, осадков, радиации и других характеристик, то они производятся с помощью так называемых параметризационных схем. Параметризационные схемы вносят большой вклад в точность прогноза опасных явлений, однако они не в состоянии учесть все процессы, происходящие в пограничном слое, особенно те из них, которые пока не поддаются строгому математическому описанию. Поэтому многие из этих схем строятся на эмпирических данных, которые не в состоянии оценить значительные и быстрые изменения в пограничном слое, происходящие при развитии опасных явлений [2, 5, 9]. С другой стороны, именно эти изменения приводят к образованию сильных вертикальных движений в нижнем слое, которые влияют главным образом на эволюцию того или иного опасного явления, в том числе и на траекторию его движения.

Например, давно известно, что все гидродинамические модели такого опасного явления как смерч, несмотря на их несовершенство, приводят к заключению, что его размер и интенсивность в значительной степени определяются процессами в пограничном слое [4]. Установлено также, что для образование смерчей желателен подток влажного теплого воздуха в нижнем слое до высоты 1,0‒1,5 км и наличие слоя инверсии или изотермии выше этого слоя.

При таких условиях образование материнского кучево-дождевого облака происходит взрывным образом [4]. Нетрудно предположить, что именно высота и мощность слоя инверсии или изотермии и определяет траекторию движения смерча в нижнем слое и ее отклонение от траектории движения материнского кучево-дождевого облака. В одних случаях воронка смерча движется вдоль реки, а в других ‒ то поднимается вверх, пропуская поле, то обрушивается на лесной массив или строения. Шквалы, несмотря на их более упорядоченный характер развития, также в некоторых местах усиливаются, а в некоторых ослабевают. В свою очередь пространственное распределение высоты и мощности задерживающего слоя на пути движения смерча или шквала в первую очередь зависит от пространственного распределения вертикальных движений в нижнем слое.

Зимой примером определяющего влияния структуры пограничного слоя на характер погоды может служить процесс потепления воздуха у поверхности Земли после прохождения холодного фронта (рис. 1) [7]. Этот известный и парадоксальный на первый взгляд факт хорошо объясняется, наоборот, отсутствием сильных вертикальных движений. В этом случае при прохождении теплого фронта теплый (более легкий!) воздух медленно скользит по холодному, оставляя в некоторых местах линзы холодного воздуха, не разрушенные турбулентностью. При этом в случае выпадения дождя могут развиваться в линзах холода гололедно-изморозевые явления или происходить налипание мокрого снега на деревьях и проводах. Перемещающийся вслед за теплым холодный фронт, температура воздуха в котором хотя и ниже температуры теплого воздуха, но выше, чем в линзах сохранившегося холода, разрушает эти линзы вертикальными движениями и турбулентностью, и локальная температура воздуха повышается.

Таким образом, точный учет вертикальных движений в пограничном слое является основой правильного прогноза опасных явлений погоды.

Рис. 1. Схема образования линз холода в пограничном слое атмосферы за теплым фронтом.

Т₁ – температура холодного воздуха перед теплым фронтом; Т₂ – температура теплого воздуха,
Т₃ – температура холодного воздуха за холодным фронтом.

К сожалению, мезомасштабные модели, несмотря на их негидростатичность, еще плохо справляются с этой задачей. Особенно это относится к территории со сложным рельефом и растительностью, когда деформация потока и конвекция приводят к значительным отклонениям локальных значений метеорологических параметров по сравнению со средними значениями в ячейках мезомасштабной сетки. В этом случае требуется адекватное описание не только средних значений в ячейке, но и пространственных изменений внутри каждой ячейки таких параметров, как преобладающий тип растительности, почвы, рельефа и т. д. [10]. К сожалению, необходимой для такого воспроизведения плотности наблюдений нет и вряд ли будет в ближайшем будущем.

Определенный успех может быть связан лишь с учетом в моделях данных радиолокационных наблюдений, которые имеют разрешение, совпадающее с разрешением мезомасштабных моделей. Хотя радиолокационные наблюдения и не измеряют непосредственно необходимые для прогноза параметры, они содержат ценную информацию о развитии опасных явлений, и их использование несомненно будет способствовать успеху в прогнозировании погоды.

В настоящее время наиболее эффективный способ снижения неопределенности в прогнозировании опасных явлений заключается в подробном анализе текущих условий погоды с использованием всех имеющихся в распоряжении прогнозиста средств наблюдения, включая радиолокационные, спутниковые наблюдения и данные наблюдений с любых автоматизированных систем. Используя выходную продукцию численных мезомасштабных моделей и результаты такого подробного анализа, синоптик может оценить степень уверенности развития тех или иных опасных явлений и определить потенциальные сценарии их дальнейшей эволюции.

Следующий способ заключается в изучении и учете региональных и локальных условий, влияющих на изменение погоды. В общем виде эти условия перечислены во многих руководящих документах. Главные из них следующие:

- влияние орографии на изменение ветра, облачности и осадков;

- развитие бризовой циркуляции и горно-долинных ветров;

- изменение интенсивности турбулентности и вертикального градиента температуры в зависимости от времени суток;

- усиление ветра над морем по сравнению с ветром над сушей при одном и том же барическом градиенте;

- тенденция развития гроз над определенными локальными районами;

- увеличение вероятности образования тумана в долинах рек и гор;

- влияние состояния почвы на развитие туманов, гроз и других явлений.

Правильный учет таких влияний позволяет определить систематические ошибки мезомасштабных моделей при прогнозе опасных явлений и тем самым улучшить точность прогноза.

Для определения степени влияния местных условий желательно каким-то образом объективизировать оценку такого влияния.

Выше уже говорилось о том, что большинство опасных явлений связано с возникновением в пограничном слое сильных вертикальных движений, вследствие этого задача состоит в объективизации хотя бы качественной оценки развития таких движений при синоптических ситуациях, способствующих развитию того или иного опасного явления.

Например, известно, что в центральных областях России опасные конвективные явления связаны с выходом южных циклонов и юго-западным переносом на высотах. При таких синоптических ситуациях следует в первую очередь и оценить возможное влияние местных особенностей на развитие вертикальных движений в нижнем слое.

Линзы холода в пограничном слое образуются, наоборот, при синоптических ситуациях, способствующих медленному перемещению теплого фронта, что не вызывает больших вертикальных движений воздуха.

Вертикальные движения в каждой ячейке мезомасштабной географической сетки можно оценить качественно по десятибалльной шкале на основании известных критериев развития вертикальных движений в зависимости от высоты рельефа, альбедо подстилающей поверхности, скорости и направления ветра, степени устойчивости и других параметров. Естественно, что для более объективной оценки желательно использовать все имеющиеся данные наблюдений и в первую очередь данные метеостанций с учетом их местоположения (так называемых «метаданных»), данные радиолокаторов, спутников, а также выходные данные мезомасштабных моделей [5, 8].

Следует подчеркнуть, что речь идет о выявлении движений, связанных не с большими градиентами давления, которые довольно хорошо определяются численными моделями, а дополнительных движений, вызванных конвекцией и деформацией потока под влиянием орографических и других препятствий. Согласно результатам, полученным на основании данных измерений на высотных метеорологических мачтах в Москве и Обнинске, вертикальная составляющая модуля вектора ветра в среднем составляла 5‒20 % горизонтальной составляющей, а в некоторых случаях достигала 70 % [3].

Очевидно, что для качественного выявления таких вертикальных движений необходимо иметь крупномасштабные карты, хорошо отражающие рельеф местности, растительность, морфологию, а также степень застройки. На рис. 2 приведена физическая карта Москвы с отображением рельефа. На рисунке видна неоднородность подстилающей поверхности как в отношении рельефа, так и ее отражательной способности, которая, несомненно, оказывает влияние на образование дополнительных вертикальных движений, эволюцию и траекторию перемещения опасных явлений. Даже по этой карте, довольно мелкого масштаба, можно сказать, что при юго-западном процессе наибольшие восходящие движения, вызванные деформацией потока, следует ожидать в районе Воробьевых гор, а нисходящие – в долине реки Москвы. Знание более детальной информации о подстилающей поверхности позволит в каждом квадрате сетки (соизмеримой с шагом сетки мезомасштабной модели) качественно определить в баллах наиболее вероятные зоны усиления или ослабления опасного явления, а также его наиболее вероятную траекторию.

При достаточной статистической обеспеченности случаев такие карты могут служить дополнительным объективным фактором более точного прогноза того или иного опасного явления.

Рис. 2. Карта г. Москвы с указанием рельефа местности.

Выводы

1. При мезомасштабном прогнозировании опасных явлений погоды требуется учет не только средних значений метеорологических параметров в ячейке сетки, но и пространственного изменения значений этих параметров внутри каждой ячейки.

2. Эти изменения во многом зависят от влияния местных условий на развитие вертикальных движений в пограничном слое.

3. Вертикальные движения в каждой ячейке мезомасштабной географической сетки можно оценить качественно по десятибалльной шкале на основании известных критериев влияния рельефа и конвекции. Ячейки с наибольшим количеством баллов будут определять наиболее вероятные зоны опасных конвективных явлений, а с наименьшим – зоны туманов и гололедно-изморозевых отложений.

Оценку рекомендуется проводить при синоптических ситуациях, способствующих развитию того или иного опасного явления.

Поступила в редакцию 22.01.2018 г.