Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2024. № 4 (394). С. 109-127

109

DOI: https://doi.org/10.37162/2618-9631-2024-4-109-127

УДК 551.578.9

Замерзающие осадки

на Европейской территории России в 1979-2022 гг.

и их воспроизведение реанализом ERA5

И.И. Леонов, Н.Н. Соколихина, А.И. Лаврентьева

Московский государственный университет

имени М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

leonov@geogr.msu.ru

Проведена оценка качества воспроизведения замерзающих осадков реанализом

ERA5 на Европейской территории России. Для анализа использованы данные основ-

ных срочных наблюдений за погодными явлениями и данные атмосферного реана-

лиза ERA5 с шагом 0,25° по пространству и 1 час по времени. Построены карты сред-

него числа дней с замерзающими осадками в виде мороси, дождя и их совокупности

для периода с 1979 по 2022 год и аналогичные карты среднего числа дней с замерза-

ющим дождем с использованием данных о типе осадков из реанализа ERA5. Пока-

зано, что реанализ ERA5 успешно воспроизводит отдельные случаи выпадения вы-

сокоинтенсивных замерзающих осадков, формирующихся при стратификации по

типу «теплого носа». При сопоставлении данных реанализа о количестве смоделиро-

ванных случаев замерзающего дождя с данными наблюдений на 214 метеорологиче-

ских станциях коэффициент детерминации R²составил 0,291 для замерзающего до-

ждя и 0,14 для замерзающей мороси. Низкие значения коэффициентов детерминации

связаны с тем, что в реанализе ERA5 образование осадков в виде замерзающего до-

ждя возможно только при наличии слоя таяния, из-за чего преобладающее количе-

ство случаев замерзающих осадков, выпадающих в полностью холодной атмосфере,

не воспроизводится реанализом. Данные реанализа ERA5 о типе осадков наиболее

полезны для анализа условий выпадения высокоинтенсивных замерзающих дождей,

формирующихся при «классическом механизме».

Ключевые слова: опасные явления погоды, гололедно-изморозевые отложения,

обледенение, замерзающие осадки, замерзающий дождь, ледяной дождь, гололед,

реанализ, ERA5

Freezing precipitation in European Russia

in 1979-2022 and its reproduction

by the ERA5 reanalysis

I.I. Leonov, N.N. Sokolikhina, A.I. Lavrenteva

Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia

leonov@geogr.msu.ru

The quality of reproduction of freezing precipitation by the ERA5 reanalysis in Euro-

pean Russia is assessed. The analysis was performed using the data of the main 3-hour

observations of weather phenomena and the ERA5 atmospheric reanalysis data with a step

of 0.25° in space and 1 hour in time. The maps of the average number of days with freezing

precipitation in the form of drizzle, rain, and their combination were drawn for the period

from 1979 to 2022. Similar maps of the average number of days with freezing rain were

110

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

obtained from the ERA5 data on the precipitation type. It is shown that the ERA5 success-

fully reproduces individual cases of high-intensity freezing precipitation formed under the

stratification of the “warm nose” type. When comparing the reanalysis data on the number

of simulated cases of freezing rain with observational data from 214 meteorological sta-

tions, the coefficient of determination R²was 0.291 for freezing rain and 0.14 for freezing

drizzle. The low values of the coefficients of determination are related to the fact that the

formation of freezing rain in the ERA5 is possible only in the presence of a melting layer,

due to which the predominant number of cases of freezing precipitation occurring in a

completely cold atmosphere is not reproduced by the reanalysis. The ERA5 data on the

precipitation type are most useful for analyzing the conditions of high-intensity freezing

rain formed according to the “classic mechanism”.

Keywords: severe weather events, ice accretion, icing, freezing precipitation, freezing

rain, ice pellets, glaze ice, reanalysis, ERA5

Введение

В настоящее время особенно важными остаются исследования, связан-

ные с изучением климатологии опасных метеорологических явлений на

территории России. В перечень опасных метеорологических явлений вхо-

дят сильные гололедно-изморозевые отложения, включающие в себя отло-

жения гололеда диаметром не менее 20 мм [8].

Гололед является причиной серьезных негативных воздействий на

множество отраслей экономики, а также может представлять угрозу для

жизни и здоровья людей. Так, например, замерзающий дождь, прошедший

в 2010 году в Московском регионе, стал причиной длительного нарушения

электроснабжения населения, обледенения автодорог, изменения режима

работы железнодорожного транспорта и серьезных сбоев в режиме работы

аэропортов [2, 3]. Гололед ежегодно наблюдается на территории России

[5, 11], особенно часто на ее европейской части [19]. Высокая повторяе-

мость явлений гололеда в совокупности с большой плотностью населения,

автомобильных и железных дорог, линий электропередачи и аэропортов,

приводит к большой подверженности территории ЕТР климатическим рис-

кам, связанным с гололедом.

Основой для изучения климатических характеристик гололедно-измо-

розевых отложений являются данные метеорологических наблюдений. По-

мимо данных наблюдений, в настоящее время особенно важную роль иг-

рают данные атмосферных реанализов. Эти данные используются для

изучения климата различных территорий, наблюдаемых тенденций, а

также в качестве исходных данных для мезомасштабного моделирования.

Преимуществом реанализов является то, что, в отличие от данных наблю-

дений, данные реанализа расположены на регулярной сетке с большим ко-

личеством вертикальных уровней. Современные реанализы имеют высокое

пространственное разрешение и хорошо воспроизводят основные метеоро-

логические поля – давление, температуру и скорость ветра. Воспроизведе-

ние осадков является более сложной задачей. Еще более сложной задачей

Леонов И.И., Соколихина Н.Н., Лаврентьева А.И.

111

является воспроизведение осадков сложного фазового состава, например

замерзающего дождя и мороси.

Ранее были осуществлены попытки воспроизведения климатологии

замерзающих осадков по данным реанализа прошлого поколения ERA-

Interim для территории Европы [21]. Использование данных реанализа

ERA-Interim позволило получить реалистичную картину пространственно-

осредненной межгодовой изменчивости замерзающих осадков, однако на

уровне отдельных метеорологических станций для межгодовой изменчи-

вости были получены низкие значения коэффициента корреляции (в сред-

нем 0,38).

В рамках представленной статьи рассматриваются результаты оценки

качества воспроизведения замерзающих осадков на Европейской террито-

рии России современным реанализом ERA5, в котором впервые было реа-

лизовано разделение осадков на различные фазовые состояния. Исследова-

ния приводятся для современного периода с 1979 по 2022 год.

Материалы и методика исследования

В качестве области исследования была выбрана Европейская террито-

рия России. Этот выбор был обусловлен тем, что на данной территории за-

мерзающие осадки наблюдаются чаще, чем в других регионах России, а

также тем, что территория ЕТР относительно плотно покрыта сетью назем-

ных метеорологических станций.

В начале работы для территории с 40 до 85° с. ш. и с 15 по 70° в. д.

были получены данные реанализа ERA5 с шагом сетки по пространству

0,25° и временным разрешением 1 час [20]. Рассматривались данные для

стандартного периода с 1979 по 2022 г. Выбранный временной период был

обусловлен тем, что при расчете реанализа для ранних лет использовался

меньший набор данных наблюдений, в том числе данных с метеорологиче-

ских спутников.

Основным рассматриваемым параметром реанализа ERA5 был тип

осадков (precipitation type). В реанализе ERA5 представлены шесть типов

осадков: дождь (rain), снег с дождем (mixed rain and snow), мокрый снег

(wet snow), снег (dry snow), замерзающий дождь (freezing rain) и ледяной

дождь (ice pellets). Отдельным кодом регистрируется отсутствие осадков.

В документации к модели IFS Cy41r2 (которая является основой реанализа

ERA5) указывается, что в параметризации микрофизики модели преду-

смотрены осадки только в виде снега и дождя, а дальнейшее разделение

осадков на типы производится с использованием дополнительной диагно-

стики температуры и влажности в пограничном слое [18].

Помимо данных о типе осадков, в ходе работы были использованы

данные реанализа об общем количестве осадков, температуре воздуха, зо-

нальной и меридиональной скорости ветра и давлении на уровне моря.

В данной работе сроками с наличием замерзающего дождя считались

все сроки реанализа, во время которых интенсивность осадков превышала

112

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

0,1 мм/час. Днем с замерзающими осадками считался день, во время кото-

рого, по данным реанализа, хотя бы в одном из 24 сроков присутствовали

осадки в виде замерзающего дождя.

По данным реанализа для территории ЕТР были получены простран-

ственно-временные поля количества сроков, дней и среднего числа сроков

и дней с замерзающими осадками в виде замерзающего дождя.

В качестве фактических данных были использованы данные метеоро-

логических наблюдений за погодными явлениями. Используемые в работе

данные метеорологических наблюдений были получены из архива ФГБУ

«ВНИИГМИ-МЦД». Использовались данные стандартных наблюдений в

основные синоптические сроки в рамках кодовой формы КН-01 на 214 ме-

теорологических станциях ЕТР для периода с 1979 по 2022 год [1].

За случаи выпадения замерзающих осадков принимались сроки, во

время которых наблюдатель на метеорологической станции отмечал

следующие атмосферные явления в соответствии с кодом КН-01: 24 – за-

мерзающая морось или дождь в последний час, 56 – слабая замерзающая

морось, 57 – умеренная или сильная замерзающая морось, 66 – слабый за-

мерзающий дождь и 67 – умеренный или сильный замерзающий дождь.

В данной статье использовалось разделение замерзающих осадков на

замерзающую морось и дождь. К общему количеству замерзающих осад-

ков относились все виды (кодовые цифры 24, 56, 57, 66, 67), к замерзающей

мороси и замерзающему дождю осадки любой интенсивности соответ-

ственно (кодовые цифры 56, 57 и 66, 67).

Доля случаев замерзающего дождя в общем количестве замерзающих

осадков была получена только для метеорологических станций, на которых

количество наблюденных явлений было не менее 30 случаев за период с

1979 по 2022 год.

Для корректной оценки качества воспроизведения замерзающих осад-

ков реанализом ERA5, для каждой метеорологической станции были ото-

браны только те годы, в которые для периода с октября по апрель в основ-

ных срочных наблюдениях отсутствовало не более 5 % сроков. Неполные

годы были исключены из выборки. Для соответствия данным наблюдений

из набора данных реанализа ERA5 также были исключены отобранные не-

полные годы.

Далее для каждой метеорологической станции был рассчитан коэффи-

циент корреляции для оценки связи межгодовой изменчивости повторяе-

мости замерзающих осадков по данным наблюдений и данным реанализа

ERA5. Для каждой метеорологической станции был отобран ряд ежегод-

ного количества случаев с замерзающими осадками и ряд для тех же лет по

данным реанализа ERA5. Оценки были получены только для тех метеоро-

логических станций, где количество наблюденных случаев замерзающих

осадков было не менее 30.

Леонов И.И., Соколихина Н.Н., Лаврентьева А.И.

113

Результаты

По данным основных срочных наблюдений была построена карта

среднего годового числа дней с замерзающими осадками (рис. 1). Повторя-

емость выпадения замерзающих осадков на ЕТР распределена неравно-

мерно. Наиболее часто замерзающие осадки выпадают в южных и цен-

тральных регионах ЕТР, где на многих метеорологических станциях

наблюдается более 5 дней с замерзающими осадками за год. В первую оче-

редь это связано с тем, что на данные территории в холодное время года

часто приходят теплые и влажные воздушные массы, которые при взаимо-

действии с холодными континентальными воздушными массами создают

сложную термическую структуру тропосферы, приводящую к образова-

нию замерзающих осадков.

Рис. 1. Среднее годовое число дней с замерзающими осадками

по данным срочных наблюдений за период с 1979 по 2022 г.

Fig. 1. Average annual number of days with freezing precipitation

based on 3-hour observations for the period from 1979 to 2022.

Замерзающие осадки наблюдаются очень часто и на некоторых метео-

рологических станциях, расположенных на севере. Например, на метео-

станции им. Э.Т. Кренкеля замерзающие осадки наблюдаются в среднем

114

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

3,67 дней в году, в Нарьян-Маре – 8,2 дней в году. Высокая повторяемость

замерзающих осадков на некоторых метеорологических станциях северной

части ЕТР была отмечена ранее и другими авторами [10].

Можно выделить четыре области, на территории которых замерзаю-

щие осадки наблюдаются редко: 1) север ЕТР, включая Кольский полуост-

ров и побережья Белого и Баренцева моря; 2) районы вблизи южной гра-

ницы России – побережье Черного моря и юг Республики Дагестан; 3)

территория к востоку от Уральских гор и 4) Калининградская область. На

данных территориях в среднем наблюдается менее 1 дня в году с выпаде-

нием замерзающих осадков. Калининградская область находится в атлан-

тико-континентальной области умеренного климата. Влияние Балтийского

моря уменьшает повторяемость синоптических условий, во время которых

у земли наблюдается слой воздуха с отрицательной температурой при вы-

падении жидких осадков. Малая повторяемость замерзающих осадков на

Кольском полуострове и побережье северных морей связана с тем, что до

высоких широт редко доходят теплые и влажные тропические воздушные

массы. Кроме того, северная часть территории Мурманской области омы-

вается теплыми течениями, которые препятствуют образованию стратифи-

кации по типу «теплого носа». На некоторых метеорологических станциях

замерзающие осадки не наблюдаются вовсе (Вайда-Губа, Полярное, Тери-

берка). К востоку от Уральских гор резко уменьшается число наблюдений

замерзающих осадков, как и количество осадков в целом. Описанные в

научной литературе случаи выпадения замерзающего дождя на Урале яв-

ляются крайне редкими и, как правило, не приводят к образованию силь-

ного гололеда [6]. Низкая повторяемость замерзающих осадков на юге ЕТР

связана с влиянием Черного моря. Высокие температуры воздуха значи-

тельно сокращают период возможного формирования замерзающих осад-

ков. Короткий холодный период характерен и для побережья Каспийского

моря. Кроме этого, побережье Каспийского моря в целом отличается низ-

ким количеством осадков, выпадающих во время холодного периода.

Стоит отметить большую пространственную неоднородность полу-

ченных данных. Эта неоднородность может быть связана с орографиче-

скими и микрофизическими особенностями местности. Однако на некото-

рых метеорологических станциях, расположенных недалеко друг от друга,

наблюдаемые различия крайне существенны. Например, на метеорологи-

ческой станции Коломна (Московская область) в среднем наблюдается 0,75

дней в году с замерзающими осадками, в то время как в Рязани 6,65 дней в

году. Эти пункты находятся на расстоянии 85 км друг от друга в одной кли-

матической области, ярко выраженные особенности рельефа отсутствуют.

Такие существенные различия наблюдаемого числа дней с замерзающими

осадками могут быть следствием ошибок наблюдений. Сложность наблю-

дений за замерзающими осадками указывает на важность привлечения дан-

ных спутникового зондирования и атмосферных реанализов высокого раз-

решения для климатических исследований данных явлений [4].

Леонов И.И., Соколихина Н.Н., Лаврентьева А.И.

115

Отдельно были построены карты среднего годового числа дней с за-

мерзающим дождем и замерзающей моросью (рис. 2). Разделение замерза-

ющих осадков на дождь и морось имеет существенное значение при оценке

данных численного моделирования, в том числе данных реанализа. Из-

вестно, что моросящие осадки воспроизводятся численными моделями ат-

мосферы существенно хуже. Модель IFS, с использованием которой созда-

ется реанализ ERA5, не является исключением.

Рис. 2. Среднее годовое число дней с замерзающим дождем (а) и замерзаю-

щей моросью (б) по данным визуальных наблюдений за период с 1979 по

2022 г.

Fig. 2. Average annual number of days with freezing rain (left) and freezing drizzle

(right) based on 3-hour observations for the period from 1979 to 2022.

Данные наблюдений указывают на то, что подавляющее количество

замерзающих осадков выпадает именно в виде мороси. Это значит, что,

если не разделять дождь и морось, а сравнивать данные реанализа с общим

количеством замерзающих осадков, стоит ожидать больших расхождений.

В целом, пространственное распределение повторяемости замерзаю-

щего дождя и мороси схожее. Можно выделить лишь то, что число дней с

замерзающим дождем начинает резко убывать севернее 55° с. ш. (рис. 2а),

а число дней с замерзающей моросью – севернее 65° с. ш. (рис. 2б).

Для большей наглядности была построена карта доли замерзающего

дождя в общем количестве замерзающих осадков. В соответствии

116

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

с выбранной методикой исследования около 20 % метеорологических стан-

ций оказались не репрезентативными из-за малого количества наблюден-

ных замерзающих осадков. Эти станции отмечены белыми пунсонами

(рис. 3).

Рис. 3. Доля метеорологических сроков с наблюдением осадков в виде

замерзающего дождя среди сроков с наблюдением замерзающих осадков

всех видов.

Fig. 3. The share of meteorological terms with observation of freezing rain

among terms with observation of freezing precipitation of all types.

В среднем на территории ЕТР осадки в виде замерзающего дождя со-

ставляют около 29 % от всех замерзающих осадков. Это значит, что замер-

зающая морось наблюдается в среднем в три раза чаще замерзающего до-

ждя. Преобладание замерзающей мороси было получено и другими

авторами при анализе ежечасных данных наблюдений в аэропортах Мос-

ковского авиационного узла, Нижнего Новгорода и Минеральных вод, где

замерзающая морось занимала 68, 63 и 92 % наблюдений соответственно

[12, 13, 15].

Интересная картина пространственного распределения доли замерза-

ющих дождей наблюдается южнее 50° с. ш. Здесь, вблизи побережья

Леонов И.И., Соколихина Н.Н., Лаврентьева А.И.

117

Черного моря, на Таманском полуострове и Кубано-Приазовской низмен-

ности замерзающие дожди наблюдаются более чем в 60 % случаев (метео-

станции Приморско-Ахатрск, Краснодар, Анапа и Керчь), а при движении

на восток их доля уменьшается до 10–20 %, достигая минимума в горах

Кавказа и вблизи Каспийского моря. Это связано с тем, что на побережье

Черного моря в холодный период года нередко выходят южные средизем-

номорские циклоны, которые приносят влажный и теплый тропический

воздух, который при взаимодействии с холодным континентальным возду-

хом в нижнем слое тропосферы приводит к выпадению замерзающих до-

ждей. Подобное влияние средиземноморских циклонов на формирование

замерзающих осадков было отмечено для аэропорта Одессы, где по дан-

ным наблюдений за период с 1986 по 2001 г. замерзающий дождь составил

60 % от всех замерзающих осадков [14]. При движении на восток в ходе

трансформации тропических воздушных масс термический контраст

ослабляется и вместе с этим уменьшается доля интенсивных замерзающих

осадков в виде замерзающего дождя.

Реанализ ERA5 успешно воспроизводит случаи выпадения интенсив-

ных замерзающих осадков с образованием сильного гололеда. Такие слу-

чаи наиболее часто происходят при «классическом механизме» образова-

ния замерзающего дождя. На рис. 4 приведены карты-схемы областей

выпадающих осадков различного фазового состава согласно данным реа-

нализа ERA5 для двух наиболее ярких случаев образования сильного голо-

леда на территории Центральной России и Приморского края [7, 9]. Случай

выпадения замерзающего дождя в Приморском крае рассматривается как

пример воспроизведения осадков различного фазового состава на террито-

рии со сложной подстилающей поверхностью и слабой освещенностью

территории метеорологическими наблюдениями.

Рис. 4. Поле осадков различного фазового состава по данным реанализа

ERA5: 03 ч ВСВ 26 декабря 2010 г. (а) и 23 ч ВСВ 18 ноября 2020 г. (б).

Fig. 4. Precipitation field of different phase compositions according to ERA5

reanalysis data: 03UTC on December 26, 2010 (left) and 23UTC on Novem-

ber 18, 2020 (right).

118

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

Для этих случаев реанализом была точно воспроизведена структура

осадков на теплом фронте, характерная для образования интенсивных за-

мерзающих осадков. В области теплой воздушной массы наблюдаются

осадки в виде дождя, к северу от нее наблюдается полоса осадков в виде

замерзающего дождя. В момент, когда холодный слой у поверхности земли

становится достаточно толстым, замерзающий дождь переходит в ледяной

дождь (ice pellets, кодовая цифра КН-01 – 79). В области холодной воздуш-

ной массы перед фронтом выпадают осадки в виде снега. Интересно, что

для случая ледяного шторма во Владивостоке (рис. 4б), над акваторией

Японского моря, моделью были воспроизведены осадки в виде мокрого

снега и снега с дождем.

Отдельные, особенно интенсивные случаи выпадения замерзающих

осадков успешно воспроизводятся реанализом в первую очередь из-за их

«классического механизма» формирования с наличием приподнятого слоя

с положительной температурой воздуха. Однако ранее было показано, что

большая часть замерзающих осадков образуется в полностью холодном

́

воздухе [16]. В связи с этим больший интерес представляет исследование

способности реанализа воспроизводить климатологию замерзающих осад-

ков на ЕТР в целом, а не только отдельные случаи.

Для каждой ячейки сетки реанализа ERA5 было получено среднее го-

довое число дней с замерзающим дождем (рис. 5). Полученная простран-

ственная картина хорошо согласуется с общеизвестными представлениями

о распределении замерзающих осадков на территории ЕТР.

Основной максимум числа дней с замерзающим дождем наблюдается

на юго-западе ЕТР, приблизительно до 55° с. ш. и до 50° в. д. По данным

реанализа, замерзающий дождь выпадает здесь в среднем от 2 до 5 дней в

году. Также около 2 дней в году с замерзающим дождем наблюдается на

территории Валдайской возвышенности. Наибольшее число дней c замер-

зающим дождем приурочено к приподнятым территориям – Приволжской

и Ставропольской возвышенностям и Донецкому кряжу. Здесь, по данным

реанализа, среднее число дней с замерзающим дождем составляет около

4 дней в году.

Отмечается увеличение повторяемости замерзающих дождей на за-

падных склонах Уральских гор. Наиболее выражено это для Северного,

Приполярного и Полярного Урала. Так, например, в районе г. Народной

данные реанализа показывают 4,3 дня с замерзающим дождем в год. Это

приблизительно в 8 раз больше, чем на соседних равнинных ячейках сетки

к западу от хребта. Количество замерзающих осадков, так же как и осадков

в целом, увеличивается на горных территориях, однако низкая плотность

наблюдений в горах не позволяет произвести оценки точности воспроизве-

дения данных эффектов для замерзающих дождей реанализом.

Крайне высокая повторяемость замерзающих дождей показана реана-

лизом ERA5 на территории островов Северного Ледовитого океана. На ар-

хипелаге Новая Земля и Земля Франца-Иосифа значения среднего числа

Леонов И.И., Соколихина Н.Н., Лаврентьева А.И.

119

дней с замерзающим дождем превышают 9 дней в году. Низкая плотность

метеорологических наблюдений на этих территориях не позволяет досто-

верно оценить точность воспроизведения замерзающих осадков реанали-

зом.

Рис. 5. Среднее годовое число дней с осадками в виде замерзаю-

щего дождя по данным реанализа ERA5 за период с 1979 по 2022 г.

Fig. 5. Average annual number of days with freezing rain from ERA5 rea-

nalysis data for the period 1979–2022.

Значения среднего годового числа дней с замерзающей моросью, за-

мерзающим дождем и замерзающими осадками по данным основных сроч-

ных наблюдений, в соответствии с кодом КН-01, для метеорологических

станций, расположенных вблизи крупных городов, приведены в таблице.

Для сравнения, в таблице также представлены значения среднего годового

числа дней с замерзающим дождем по данным реанализа ERA5, соответ-

ствующие ближайшим к метеорологическим станциям узлам сетки.

Несмотря на то, что поля замерзающих осадков, полученные с исполь-

зованием данных реанализа ERA5 и данных наблюдений, демонстрируют

значительное сходство, между ними также присутствуют выраженные раз-

личия.

120

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

Таблица. Среднее годовое число дней с замерзающей моросью, замерзаю-

щим дождем, замерзающими осадками по данным основных срочных наблю-

дений и c замерзающим дождем по данным реанализа ERA5 за период

с 1979 по 2022 г.

Table. Average annual number of days with freezing drizzle, freezing rain, freezing

precipitation from the 3-hour observations and with freezing rain from the ERA5

reanalysis for the period 1979–2022

Среднее годовое число дней

с замерз.

осадками

(24, 56, 57,

66, 67)

с замерз.

дождем

по данным

ERA5

Название

станции

с замерз.

моросью

(56, 57)

с замерз.

дождем

(66, 67)

Мурманск

0,00

0,84

1,00

4,77

1,05

2,21

0,86

5,30

2,32

3,77

0,80

1,16

3,77

1,00

1,67

5,91

5,43

1,73

2,80

0,49

2,61

10,63

0,48

0,05

0,26

0,70

0,18

1,05

0,53

3,30

0,82

0,98

0,44

1,02

1,14

0,55

0,33

1,41

2,20

1,80

0,84

0,72

0,45

0,60

0,88

0,07

1,33

1,86

5,80

1,43

3,44

1,47

8,48

3,20

5,21

1,46

2,41

4,84

1,77

2,12

7,66

7,45

3,57

3,68

1,33

3,50

11,42

1,48

0,68

0,84

0,93

1,05

1,14

1,30

1,00

2,41

1,27

1,16

1,71

1,91

2,07

0,82

0,60

2,39

3,32

3,37

1,43

2,02

1,27

1,79

0,74

Архангельск

Петрозаводск

Нарьян-Мар

Санкт-Петербург

Псков

Калининград

Смоленск

Вологда

Нижний Новгород

Казань

Москва, ВДНХ

Пенза

Пермь

Уфа

Курск

Волгоград

Ростов-на-Дону

Астрахань

Краснодар, Круглик

Оренбург

Минеральные Воды

Керчь

По данным наблюдений (и для замерзающего дождя, и для общего ко-

личества замерзающих осадков) убывание среднего годового числа дней с

данными явлениями при увеличении широты происходит более равно-

мерно, в отличие от реанализа, где отмечается резкое уменьшение числа

Леонов И.И., Соколихина Н.Н., Лаврентьева А.И.

121

дней с замерзающим дождем. Так, например, по данным наблюдений

на территории Республики Коми замерзающие дожди встречаются не так

редко (см. рис. 2б), в то время как по данным реанализа уменьшение

частоты их выпадения по сравнению с югом ЕТР уменьшается более чем в

3 раза.

Для оценки согласованности данных наблюдений и данных реанализа

были построены диаграммы рассеяния для общего количества замерзаю-

щих осадков (рис. 6а), замерзающей мороси (рис. 6б) и замерзающего до-

ждя (рис. 6в).

Рис. 6. Сравнение суммы числа дней по данным срочных наблюдений и по

данным реанализа ERA5 за период с 1979 по 2022 г. с наблюдением: замер-

зающих осадков (а); замерзающей мороси (б); замерзающего дождя (в).

Fig. 6. Comparison of the sum of the number of days according to 3-hour observa-

tions and according to ERA5 reanalysis data for the period from 1979 to 2022 with

observations of: freezing precipitation (left); freezing drizzle (right); freezing rain

(bottom).

Показано, что для общего количества замерзающих осадков коэффи-

циент детерминации R²равен 0,2088, что является слабой зависимостью.

Для замерзающей мороси коэффициент детерминации R²составляет всего

0,1476. Для общего числа дней с замерзающим дождем R²приблизительно

равен 0,291. Полученные значения коэффициента детерминации позво-

ляют сделать несколько выводов.

122

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

Несмотря на отдельные сходства с данными наблюдений, нельзя

утверждать, что реанализ ERA5 точно воспроизводит пространственное

распределение частоты выпадения замерзающих дождей на ЕТР. В резуль-

тате того, что в физической параметризации осадков модели IFS заложены

алгоритмы, выявляющие замерзающий дождь только при наличии «клас-

сического механизма» формирования с наличием слоя таяния, часть замер-

зающих дождей, выпадающих в полностью холодной атмосфере, не вос-

производится реанализом. Так как большая часть замерзающих дождей

́

выпадает именно в «процессе переохлажденного теплого дождя» [17], реа-

нализ не воспроизводит существенную долю таких осадков, из-за чего ко-

эффициент детерминации для замерзающего дождя не превышает 0,3.

Низкий коэффициент детерминации, полученный для замерзающей

мороси, указывает лишь на тот факт, что рассматриваемая переменная типа

осадков в виде замерзающего дождя из реанализа ERA5 не может быть ис-

пользована для диагностики осадков в виде замерзающей мороси.

Далее была проведена оценка точности воспроизведения межгодовой

изменчивости числа дней с замерзающим дождем. На рис. 7а представлена

карта, на которой для каждой станции (с количеством наблюдений замер-

зающего дождя более 30) указан коэффициент корреляции R, показываю-

щий соответствие ежегодного количества явлений замерзающего дождя по

данным основных срочных наблюдений и данным реанализа ERA5.

Для большого количества метеорологических станций (36,4 %) дан-

ные коэффициента корреляции не рассчитаны. Это территории юга России,

района Урала и Севера, на метеостанциях которых наблюдалось слишком

мало случаев замерзающего дождя. Для большинства метеорологических

станций коэффициент корреляции составляет около 0,5.

На части метеорологических станций коэффициент корреляции

составляет более 0,6. Это значит, что данные реанализа в целом воспроиз-

водят межгодовую изменчивость числа дней с выпадением осадков в виде

замерзающего дождя. Область наибольших значений коэффициента корре-

ляции схожа с областью максимума числа дней с выпадением замерзаю-

щего дождя по данным наблюдений (рис. 2а).

На рис. 7б представлена карта, на которой показано отношение коли-

чества всех смоделированных случаев замерзающего дождя в реанализе

ERA5 ко всем наблюденным случаям замерзающего дождя по данным

срочных наблюдений в рамках кодовой формы КН-01. В данном случае для

анализа интересна качественная картина полученных значений. В некото-

рых регионах число дней с замерзающим дождем по данным реанализа

превышает число дней с замерзающим дождем по данным наблюдений бо-

лее чем в 10 раз.

Таким образом, наиболее высокая точность воспроизведения отмеча-

ется в центральных и южных регионах ЕТР с наибольшим числом наблю-

дений замерзающего дождя. Наибольшие различия данных реанализа и

Леонов И.И., Соколихина Н.Н., Лаврентьева А.И.

123

наблюдений характерны для регионов, на территории которых замерзаю-

щий дождь наблюдается редко.

Рис. 7. Величина коэффициента корреляции (R) для межгодовой изменчи-

вости числа дней с замерзающим дождем по данным реанализа ERA5 и ос-

новных наблюдений за период с 1979 по 2022 г. (а) и отношение числа дней

с замерзающим дождем по данным реанализа ERA5 к числу дней с замер-

зающим дождем по данным срочных наблюдений (б).

Fig. 7. The value of the correlation coefficient (R) for the interannual variability of

the number of days with freezing rain according to the ERA5 reanalysis data and

the 3-hour observations for the period from 1979 to 2022 (left) and the ratio of the

number of days with freezing rain according to the ERA5 reanalysis data to the

number of days with freezing rain according to the 3-hour observations (right).

Подводя итог, можно заключить, что данные реанализа, на первый

взгляд, показывают достаточно реалистичную картину распределения за-

мерзающих осадков на ЕТР. Однако количественные оценки сопоставле-

ния данных реанализа с данными наблюдений выявляют существенные

различия.

Первая и основная причина – это сложность моделирования осадков

различного фазового состава, особенно замерзающего дождя. Современ-

ные модели, при всем достигнутом прогрессе в описании микрофизических

процессов, не выделяют переохлажденные капли как отдельный вид гид-

рометеоров, а используемый постпроцессинг не обеспечивает достаточной

124

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

точности. Вторая причина заключается в том, что в реанализе ERA5 изна-

чально рассматриваются только случаи замерзающего дождя, выпадаю-

щего при стратификации по типу «теплого носа» с наличием слоя таяния.

В связи с этим реанализ не воспроизводит преобладающее число случаев

замерзающих осадков, образующихся в полностью холодной атмосфере.

Третья причина состоит в сложности наблюдений за замерзающими осад-

ками, из-за которых возникает множество ошибок, которые в последую-

щем влияют на оценки качества реанализа.

Заключение

В ходе работы впервые была проведена оценка качества воспроизве-

дения замерзающих осадков реанализом ERA5 для Европейской террито-

рии России. Для ЕТР по данным основных срочных наблюдений были по-

лучены карты среднего числа дней с замерзающими осадками в виде

мороси, дождя и их совокупности для периода с 1979 по 2022 год. По дан-

ным реанализа ERA5 с шагом 0,25° по пространству и 1 час по времени

были получены карты среднего числа дней с замерзающим дождем.

Реанализ ERA5 успешно воспроизводит структуру осадков в области

теплого фронта при формировании отдельных случаев выпадения высоко-

интенсивных замерзающих осадков, приводящих к формированию силь-

ного гололеда. Сравнение общего количества замерзающих осадков по

данным реанализа ERA5 с данными наблюдений за период с 1979 по 2022

год показало, что реанализ воспроизводит основные черты распределения

замерзающих осадков на ЕТР. Однако наблюдаются и существенные

различия с данными наблюдений. При сопоставлении данных реанализа о

количестве смоделированных случаев замерзающего дождя с данными

наблюдений на 214 метеорологических станциях коэффициент детермина-

ции R²составил 0,291 для замерзающего дождя и 0,14 для замерзающей

мороси.

Низкие значения коэффициентов детерминации связаны с тем, что в

реанализе ERA5 образование осадков в виде замерзающего дождя воз-

можно только при наличии слоя таяния, из-за чего преобладающее количе-

ство случаев замерзающих осадков, выпадающих в полностью холодной

атмосфере, не воспроизводится реанализом.

Оценки сравнения межгодовой изменчивости числа дней с замерзаю-

щим дождем по данным реанализа и данным наблюдений показали, что ко-

эффициент корреляции более 0,6 отмечен лишь на 14 метеорологических

станциях. В среднем коэффициент корреляции для станций с достаточным

количеством наблюдений составил 0,32.

Таким образом, данные реанализа ERA5 о типе осадков наиболее по-

лезны для анализа условий выпадения отдельных случаев высокоинтенсив-

ных замерзающих дождей, формирующихся при стратификации по типу

«теплого носа».

Леонов И.И., Соколихина Н.Н., Лаврентьева А.И.

125

Благодарности. Работа выполнена в Московском государственном

университете имени M.В. Ломоносова при поддержке Российского науч-

ного фонда (проект № 24-27-00047 «Гололедно-изморозевые отложения на

территории России в условиях современных изменений климата»).

Acknowlegements. The research was carried out at Lomonosov Moscow

State University with the support of Russian Science Foundation (grant No. 24-

27-00047 «Ice accretion on the territory of Russia under the conditions of mod-

ern climate change»).

Список литературы

1. Булыгина О.Н., Веселов В.М., Разуваев В.Н., Александрова Т.М. «Описание массива

срочных данных об основных метеорологических параметрах на станциях России». Свиде-

тельство

о

государственной регистрации базы данных

№

2014620549 http://me-

teo.ru/data/163-basic-parameters #описание -массива -данных

2. Вильфанд Р.М., Голубев А.Д. Метеорологические условия выпадения ледяных до-

ждей 25-26 декабря 2010 г. над центром Европейской части России // Лед и снег. 2011. № 4

(115). С. 119-124.

3. Голубев А.Д., Кабак А.М., Никольская Н.А. и др. Ледяной дождь в Москве, Москов-

ской области и прилегающих областях центра Европейской территории России 25-26 де-

кабря 2010 года // Труды Гидрометцентра России. 2013. Вып. 349. С. 214-230.

4. Гурвич И.А. и др. Ледяной шторм в Приморье 18–19 ноября 2020 года // Современ-

ные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18, №. 6. С. 241-

252. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-6-241-252

5. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2022 год.

М.: Росгидромет, 2023. 109 с.

6. Калинин Н.А., Смородин Б.Л. Редкое явление замерзающего дождя в Пермском крае

// Метеорология и гидрология. 2012. № 8. С. 27-35.

7. Леонов И.И., Соколихина Н.Н. Условия формирования ледяного шторма во Влади-

востоке в ноябре 2020 года // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2021. № 4

(382). С. 69-83. DOI: 10.37162/2618-9631-2021-4-69-83

8. РД 52.04.563-2002. Инструкция «Критерии опасных метеорологических явлений и

порядок подачи штормового сообщения».

9. Семенов Е.К., Соколихина Н.Н., Леонов И.И., Соколихина Е.В. Атмосферная цирку-

ляция над центром Европейской России в период ледяного дождя в декабре 2010 г. //

Метеорология и гидрология. 2018. № 5. С. 91-101.

10. Суркова Г.В., Лаврентьева А.И., Ткачева Е.С. Региональные особенности повторя-

емости гололеда на севере европейской территории России на фоне меняющегося климата

// Проблемы Арктики и Антарктики. 2024. Т. 70, № 1. С. 21-32. DOI: 10.30758/0555-2648-

2024-70-1-21-32

11. Третий оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на террито-

рии Российской Федерации // под ред. В. М. Катцова. СПб.: Наукоемкие технологии, 2022.

676 с.

12. Шакина Н.П., Скриптунова Е.Н., Иванова А.Р. Условия выпадения замерзающий

осадков в некоторых аэропортах России и СНГ. I. Аэропорты московского аэроузла //

Метеорология и гидрология. 2003. № 6. С. 40-58.

13. Шакина Н.П., Скриптунова Е.Н., Иванова А.Р. Условия выпадения замерзающий

осадков в некоторых аэропортах России и СНГ. II. Аэропорт Минеральные Воды // Метео-

рология и гидрология. 2005. № 2. С. 27-42.

14. Шакина Н.П., Скриптунова Е.Н., Иванова А.Р. и др. Условия выпадения замерза-

ющий осадков в некоторых аэропортах России и СНГ. III. Аэропорт Одесса // Метеорология

и гидрология. 2005. № 9. С. 5-18.

126

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

15. Шакина Н.П., Скриптунова Е.Н., Завьялова А.А. Условия выпадения замерзающий

осадков в некоторых аэропортах России и СНГ. IV. Аэропорт Нижний Новгород // Метео-

рология и гидрология. 2007. № 7. С. 25–39.

16. Шакина Н.П., Хоменко И.А., Иванова А.Р., Скриптунова Е.Н. Образование и про-

гнозирование замерзающих осадков: обзор литературы и некоторые новые результаты //

Труды Гидрометцентра России. 2012. Вып. 348. С. 130-161.

17. Шакина Н.П., Хоменко И.А., Иванова А.Р., Скриптунова Е.Н. Условия образования

замерзающих осадков в европейской России и катастрофический гололед в декабре 2010 г.

// Турбулентность, динамика атмосферы и климата: Труды Международной конференции,

посвященной памяти академика А.М. Обухова. М.: ГЕОС, 2014. С. 412-423.

18. Электронная документация модели IFS [Электронный ресурс]. Режим доступа:

https://www.ecmwf.int/en/publications/ifs-documentation (дата обращения: 03.04.2024).

19. Groisman P., Bulygina O., Yin, X., Vose, R., Gulev S., Hanssen-Bauer I., Førland E.

Recent changes in the frequency of freezing precipitation in North America and Northern Eurasia

// Environmental Research Letters. 2016. Vol. 11, no. 4. P. 045007. DOI: 10.1088/1748-9326/11/

4/045007.

20. Hersbach H. et al. The ERA5 global reanalysis // Quarterly Journal of the Royal Mete-

orological Society. 2020. Vol. 146, no. 730. P. 1999-2049. DOI: 10.1002/qj.3803

21. Kämäräinen M. et al. A method to estimate freezing rain climatology from ERA-Interim

reanalysis over Europe // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2017. Vol. 17, no. 2. P. 243-

259. DOI: 10.5194/nhess-17-243-2017

References

1. Bulygina O. N., Veselov V. M., Razuvaev V. N., Alexandrova T. M. Opisanie massiva

srochnyh dannyh ob osnovnyh meteorologicheskih parametrah na stanciyah Rossii [The descrip-

tion of the array of term data on the main meteorological parameters at stations in Russia]

[in Russ.].

2. Vilfand R.M., Golubev A. D. Meteorologicheskie usloviya vypadeniya ledyanyx dozhdej

25-26 dekabrya 2010 g. nad centrom Evropejskoj chasti Rossii [Meteorological conditions for

freezing rain on December 25-26, 2010 over the central European part of Russia]. Led i sheg

[Ice and Snow], 2011, vol. 115, pp. 119-124 [in Russ.].

3. Golubev A.D., Kabak A.M., Nikol'skaya N.A. et al. Ledyanoj dozhd' v Moskve, Mos-

kovskoj oblasti i prilegayushhix oblastyax centra Evropejskoj territorii Rossii 25-26 dekabrya 2010

goda [Freezing rain in Moscow, Moscow region and adjacent areas of the central European terri-

tory of Russia on December 25-26, 2010]. Trudy Gidromettsentra Rossii [Proceedings of Hy-

drometcentre of Russia], 2013, vol. 349, pp. 214-230 [in Russ.].

4. Gurvich I.A. et al. Ledyanoj shtorm v Primor'e 18-19 noyabrya 2020 goda [Ice storm

in Primorye on November 18–19, 2020]. Sovremennye problemy distancionnogo zondirovanija

Zemli iz kosmosa [Current problems in remote sensing of the Earth from space], 2021, vol. 18,

no. 6, pp. 241-252. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-6-241-252 [in Russ.].

5. Doklad ob osobennostjah klimata na territorii Rossijskoj Federacii za 2022 god [Report

on climate change in the territory of the Russian Federation for 2022]. Moscow, Roshydromet,

2023, 109 p. [in Russ.].

6. Kalinin N.A., Smorodin B.L. Unusual Phenomenon of Freezing Rain in Perm Krai. Russ.

Meteorol. Hydrol., 2012, no. 8, pp. 2735 [in Russ.].

7. Leonov I.I., Sokolihina N.N. Uslovija formirovanija ledjanogo shtorma vo Vladivostoke v

nojabre 2020 goda [Formation conditions of an ice storm in Vladivostok in November 2020].

Gidrometeorologicheskie issledovanija i prognozy [Hydrometeorological Research and Forecast-

ing], 2021, vol. 382, no. 4, pp. 69-83. DOI: 10.37162/2618-9631-2021-4-69-83 [in Russ.].

8. RD 52.04.563-2002. Instrukciya «Kriterii opasnyh meteorologicheskih yavlenij i por-

yadok podachi shtormovogo soobshcheniya» [Guidance document 52.04.563-2002. Instruction

«Criteria for dangerous meteorological phenomena and the procedure for submitting a storm mes-

sage»] [in Russ.].

Леонов И.И., Соколихина Н.Н., Лаврентьева А.И.

127

9. Semenov E.K., Sokolihina N.N., Sokolihina E.V., Leonov I.I. Atmosfernaya cirkulyaciya

nad centrom Evropejskoj Rossii v period ledyanogo dozhdya v dekabre 2010 goda [Atmospheric

circulation over the center of European Russia during the freezing rain in December 2010]. Mete-

orologiya i gidrologiya [Russ. Meteorol. Hydrol.], 2018, no. 5, pp. 91-102 [in Russ.].

10. Surkova G.V., Lavrenteva A.I., Tkacheva E.S. Regional'nye osobennosti povtoryaemosti

gololeda na severe evropeiskoi territorii Rossii na fone menyayushchegosya klimata [Regional

features of glaze ice events frequency in the north of the European territory of Russia in the current

changing climate]. Problemy Arktiki i Antarktiki [Arctic and Antarctic Research], 2024, vol. 70,

no. 1, pp. 21-32. DOI: 10.30758/0555-2648-2024-70-1-21-32 [in Russ.].

11. Tretij ocenochnyj doklad ob izmenenijah klimata i ih posledstvijah na territorii Ros-

sijskoj Federacii [The third assessment report on climate change and its consequences on the ter-

ritory of the Russian Federation]. Roshydromet. St. Petersburg High-tech Technologies, 2022,

676 p. [in Russ.].

12. Shakina N.P., Skriptunova E.N., Ivanova A.R. Conditions associated with freezing pre-

cipitation at airports of Russia and the CIS. I. Airports of the Moscow air zone. Russ. Meteorol.

Hydrol. 2003, no. 6, pp. 40-58 [in Russ.].

13. Shakina N.P., Skriptunova E.N., Ivanova A.R. Conditions for freezing precipitation at

some airports of Russia and the CIS: IV. Airport of Mineralnye Vody. Russ. Meteorol. Hydrol.

2005, no. 2, pp. 27-42 [in Russ.].

14. Shakina N.P., Skriptunova E.N., Ivanova A.R., et al. Conditions for freezing precipitation

at airports of Russia and CIS. III. The airport of Odessa. Russ. Meteorol. Hydrol. 2005, no. 9,

pp. 5-18 [in Russ.].

15. Shakina N.P., Skriptunova E.N., Zav'yalova A.A. Conditions for freezing precipitation at

some airports of Russia and the CIS: IV. Airport of Nizhni Novgorod. Russ. Meteorol. Hydrol.

2007, no. 7, pp. 25-39 [in Russ.].

16. Shakina N.P., Homenko I.A., Ivanova A.R., Skriptunova E.N. Obrazovanie i prognoziro-

vanie zamerzayushchih osadkov: obzor literatury i nekotorye novye rezul'taty [Freezing Precipita-

tion Formation and Prediction: Literature Review and Some New Findings]. Trudy Gidromettsen-

tra Rossii [Proceedings of Hydrometcentre of Russia], 2012, no. 348, pp. 130-161 [in Russ.].

17. Shakina N.P., Khomenko I.A., Ivanova A.R., Skriptunova E.N. Uslovija obrazovanija za-

merzajushhih osadkov v evropejskoj Rossii i katastroficheskij gololed v dekabre 2010 g. [Condi-

tions for the formation of freezing precipitation in European Russia and the catastrophic ice storm

in December 2010]. Turbulence, atmosphere and climate dynamics. Collected papers of the Inter-

national Conference dedicated to the memory of academician A.M. Obukhov. Moscow, GEOS

publ., 2014, pp. 412-423 [in Russ.].

18. IFS documentation. Available at: https://www.ecmwf.int/en/publications/ifs-documen-

tation – (accessed 3 April 2024).

19. Groisman P., Bulygina O., Yin, X., Vose, R., Gulev S., Hanssen-Bauer I., Førland E.

Recent changes in the frequency of freezing precipitation in North America and Northern Eurasia.

Environmental Research Letters, 2016, vol. 11, no. 4, p. 045007. DOI: 10.1088/1748-9326/

11/4/045007.

20. Hersbach H. et al. The ERA5 global reanalysis. Quarterly Journal of the Royal Meteor-

ological Society, 2020, vol. 146, no. 730, pp. 1999-2049. DOI: 10.1002/qj.3803

21. Kämäräinen M. et al. A method to estimate freezing rain climatology from ERA-Interim

reanalysis over Europe. Natural Hazards and Earth System Sciences, 2017, vol. 17, no. 2, pp. 243-

259. DOI: 10.5194/nhess-17-243-2017

Поступила 08.11.2024; одобрена после рецензирования 02.12.2024;

принята в печать 10.12.2024.

Submitted 08.11.2024; approved after reviewing 02.12.2024;

accepted for publication 10.12.2024.