Жизненный цикл мезомасштабных конвективных систем: концепция, климатология и прогнозАвтореферат докторской диссертации по географии
Абдуллаев Санжар Муталович ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ МЕЗОМАСШТАБНЫХ КОНВЕКТИВНЫХ СИСТЕМ: КОНЦЕПЦИЯ, КЛИМАТОЛОГИЯ И ПРОГНОЗ 25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора географических наук Москва - 2010 2 Работа выполнена на кафедре природопользования Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Челябинский государственный университет Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Завьялов Петр Олегович доктор географических наук, профессор Федченко Людмила Михайловна доктор физико-математических наук, профессор Шакина Наталья Павловна Ведущая организация: Государственное учреждение Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова Защита состоится 20 октября 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д327.003.01 при Гидрометеорологическом научно-исследовательском центре Российской Федерации, адрес: 123242, Москва, Большой Предтеченский пер., д. 11-13. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. Автореферат разослан л____ ________________ а2010г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор географических наукаа Нестеров Е. С. 3 Всем, о ком с теплом вспоминаю ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность научной проблемы включает общенаучный, методический и прогностический аспект комплексного обобщения радиолокационных и других наблюдений жизненного цикла мезомасштабных конвективных систем, включающего описание иерархии элементов МКС: от ячеек Cb до скоплений штормов - характерных стадий, организации и типичной эволюции МКС, типов осадков и систем циркуляции, а также разработки адекватных методов анализа эволюции МКС и оценки прогнозируемости опасных явлений. Предмет исследования: эволюция мезомасштабных конвективных систем (МКС) - ансамбля грозовых штормов, производящих непрерывную зону осадков масштаба не менее 100 км. Понятие МКС включает спектр форм и масштабов систем глубокой конвекции от линий шквалов, скоплений локальных штормов, мезомасштабных конвективных комплексов до систем осадков фронтов и тропических циклонов (Cotton и Anthes, 1989, Houze, 1993, 2004, Severe Local Storm, 2001). Наиболее значимый результат исследований автора - это концепция жизненного цикла мезомасштабных конвективных систем, согласно которой отдельные кучево-дождевые облака организуются в иерархически соподчиненные мезомасштабные скопления, возникающие и проходящие свой жизненный цикл в определенных местах транслируемой с единой скоростью циркуляционной системы. Появление доминантных скоплений приводит к квазипериодическим колебаниям максимальной интенсивности системы и её волноподобной пространственной структуре. Цель исследования - обобщить 25-летний опыт наблюдений, анализа и прогноза МКС и представить концепцию жизненного цикла МКС как способ обобщения закономерностей развития мезомасштабных конвективных систем и их элементов, а также продемонстрировать научный и методический потенциал этой концепции. Для достижения поставленной цели последовательно решены задачи: эмпирическое описание эволюции и иерархии скоплений кучево-дождевой облачности и формулирование их общих свойств в виде концепции жизненного цикла МКС (часть I, главы 1,2); разработка методов анализа и способов классификации наиболее интенсивных МКС (часть I, главы 3,4); демонстрация применимости концепции для научного обоснования и интерпретации результатов мезоклиматологических реконструкций (часть II, главы 5,6,7); показ роли концепции в обосновании и разработке принципов и практических алгоритмов мезомасштабного прогнозирования (часть III, главы 8,9,10,11). В заключении формулируются положения, выносимые на защиту, и делается вывод, что концепция жизненного цикла создает понятийную и методическую базу, необходимую для формирования нового направления фундаментальных и прикладных исследований. 4 Новизна результатов диссертации заключается в открытии закономерностей эволюции МКС, их обобщении в концепцию жизненного цикла мезомасштабной конвективной системы, в обосновании способов классификации МКС и разработке на этой основе комплекса методов и алгоритмов мезомасштабного анализа и прогноза. Апробация. Результаты представлены на Всесоюзных конференциях и семинарах по активным воздействиям на на гидрометеорологические процессы (Киев, 1987; Нальчик, 1987, 1989, 1991), с 8 по 12 Бразильских, и 2, 8 Латиноамерикано-Иберийских метеорологических конгрессах (г. Бело Оризонте, 1994, г. Кампос до Жордао, 1996, Бразилиа, 1998, Рио де Жанейро, 2000, Фоз де Игуасу, 2002, Бразилия), на Международных конференциях: 7 и 8-й по мезомасштабным процессам (г. Рединг, Великобритания, 1996 и г. Боулдер, США, 1999), на 28-й по радарной метеорологии (Остин, США, 1997), на 20-й по локальным штормам (Орландо, США, 2000), по проблемам гидрометеорологической безопасности (Москва, 2006); Ассамблеях Международного геофизического и геодезического союза (1989, 1991, 1995, 2005) и др., на семинарах ведущих научных учреждений России и Бразилии. Исследования автора с 1993 по 2002 год поддерживались государственными органами Бразильской Федерации, шесть работ [7, 15-18] заслужили награды Бразильского метеорологического общества. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, включая диссертацию кандидата наук. Структура и объем. Диссертация изложена на 400 страницах, включает введение, 11 глав, заключение, в т.ч. 35 таблиц, 143 рисунка и два приложения, в списке литературы 345 наименований. Благодарности. Только поддержка к.физ.мат. наук А. А Желнина и к. геогр.наук О.Ю.Ленской, позволила автору завершить этот труд. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы задачи,аа объект,аа предметаа иаа цельаа исследования,аа новизн исследования, представлена краткая характеристика содержания диссертационной работы. Часть I. Жизненный цикл мезомасштабных конвективных систем. Глава 1 является информационной платформой исследования, где описан объект, необходимая база данных, актуальность исследования и его методическое обеспечение. Комплексная база данных для целей мезомасштабного анализа и прогноза (Browning, 1989) содержит взаимосогласованную информацию обычных и когерентных метеонрадиолокаторов, геостационарных спутников, систем грозопеленгации и сети приземных метеостанций, и должна удовлетворять ряду требований, связанных с характерными масштабами объекта (п.1.1). Полнота базы данных достигается тем, что наблюдениями охвачены все типы и масштабы мезомасштабных систем осадков умеренных и субтропических климатических зон обоих полушарий за относительно длительный период времени от 4 до 10 лет. 5
Актуальность исследования эволюции и иерархии мезомасштабных систем осадков раскрывается в п. 1.2-1.3. Обобщение радиолокационных наблюдений эволюции мезомасштабных систем свидетельствует, что системы осадков обладают пространственно-временной иерархией, связанной с наличием наименьших элементов - конвективных ячеек, появление, интенсивность и взаимное расположение которых можно использовать для определения стадий жизни и морфологических характеристик МКС. Эволюция зон осадков большего масштаба зависит от количества входящих в них элементов меньшего масштаба и от времени их жизни. Так, изменение пространственной организации и интенсивности ячеек осадков и штормов определяет жизненный цикл более крупных долгоживущих мезомасштабных конвективных систем - мезо-?. Традиционно жизненный цикл МКС в концептуальной модели тропического кластера в форме линии шквала (Leary, Houze,1979, Zipser,1981) подразделяют на стадию формирования, интенсификации, зрелости и диссипации. В стадии формирования, начинающейся в некоторый момент t0 , и в cтадии интенсификации t0+3ч (Zipser,1981) преобладают мощные конвективные ячейки; в течение стадии зрелости t0+6ч формируются значительные площади более слабых обложных осадков, которые преобладают в стадии диссипации после ? t0+9ч. Среди прочего, представленная схема жизненного цикла подразумевает три принципиальных условия 1) группы ячеек возникают в непосредственной близости друг от друга; 2) мезомасштабные системы должны сопровождаться обширным регионом слоистодождевых осадков; 3) сумма осадков системы монотонно возрастает ~до 5-го часа жизни и затем также монотонно убывает вплоть до завершения жизни системы ~ через 12 часов после начала. Можно показать, что современные классификации мезомасштабных систем не охватывают всего спектра форм и интенсивности глубокой конвекции даже в рамках одного региона, поскольку системы, подвергнутые классификации, прошли предварительный отсев: на наличие опасных явлений (рис.1а), системы только одного эксперимента (рис.1б) или МКС в одной стадии (рис.1в). Формы и стадии МКС, за исключением мезомасштабных конвективных комплексов (МКК), строго не определены, что не даёт возможность использовать классификации в сверхкраткосрочном прогнозе. Необходимое условие сохранения размера означает, что от момента появления МКК до его окончательной идентификации проходит 6 часов, что также исключает МКК из объектов сверхкраткосрочного прогноза. Многообразие форм зрелой стадии жизни МКС, найденное Хаузом и коллегами (Ноuze,1990) порождает известный скептицизм относительно предсказуемости её эволюции на основе типизации ранних стадий развития. Действительно, допуская 5-6 сценариев формирования линий (Bluestein, Jain, 1985, Blanchard, 1990 и др.), к зрелой стадии по структурным критериям (Shchiesser et al., 1995), можно ожидать около миллиона вариантов форм линий шквала с регионом обложных осадков. Добавим к этому возможное 6 развитие хаотических систем штормов и других форм линий шквала (см. главу 4). Обнадеживает сам факт появления классификации зрелых МКС, свидетельствующий, что после лначального турбулентного интервала жизненногоа циклаа линейныйа илиаа хаотическийа характера дальнейшего
Рис. 1. Классификации мезомасштабных систем по характерному распределению конвективных ячеек. а) Классификация линий шквалов по способу образования. 2?t Ч стадия интенсификации (Bluestein, Jain, 1985). б) Конвективные системы в эксперименте Prestorm (Blanchard, 1990). Сверху-вниз- линейные, локклюдированные и хаотические. Контура отражаемости Z: 20, 40 и 50 dBZ. в) Симметричная (слева) и асимметричная формы зрелой линии шквала северного полушария с ведущим конвективным регионом. Стрелками указаны линии тока ветра нижних уровней (Houzе, 2004). развития системы вполне предсказуем; это и служит импульсом к разработке морфологической классификации мезомасштабных систем осадков (глава 2). Методическое обеспечение исследования формируется из традиционных и новых способов обработки и интерпретации данных обычных и доплеровских МРЛ (п.1.4-1.5), которые опираются на системный принцип, представляющий мезомасштабную конвективную систему как совокупность взаимодействующих иерархически соподчиненных мезомасштабных скоплений Cb. Оригинальными можно считать способы выделения трансляционной и эволюционной компоненты движения, определение доминирующих элементов этих скоплений, интерпретацию поля доплеровских скоростей и другие методы. В п. 1.4 продемонстрировано, каким образом следует использовать свойства ячейки осадков и грозо-градового шторма для того, чтобы по композиционным аккумулированным изображениям радиолокационных осадков оценить трансляцию, развитие и интенсивность мезо-? скоплений кучево-дождевых облаков и всей системы масштаба мезо-ос. Возникает вопрос, с какого момента жизненного цикла мезомасштабной конвективной системы и какие её свойства, наблюдаемые на данный момент времени, можно экстраполировать с заданной заблаговременностью. Уместно заметить, что для отдельных элементов МКС такойа интервала существует.аа Так,а направлениеа развитияа новых ячеека в 7 мультиячейковых или суперячейковых штормах однозначно обладает инерционностью. Эта закономерность отражена в концептуальных моделях штормов и используется в экстраполяционных прогнозах на срок до 1 часа. Более того, описанный в п. 1.2 метод определения трансляции по сохраняющимся фрагментам фактически предполагает сохранение характерной конфигурации поля до 2 и более часов, что, в частности, справедливо для окклюдированных систем (рис.1б). Определение трансляции по горизонтальной скорости ячеек не представляет проблем при пространственно-временном разрешении радиолокационных данных не хуже 1 км и 10 минут. Оценки скоростей ячеек, демонстрирующие значительные отклонения в пределах одной мезомасштабной конвективной системы, скорее ошибочны. Как правило, это происходит из-за подмены скорости движения центров отдельных конвективных ячеек скоростью движения максимума отражаемости Z шторм V ,а чтоа приводит исследователей к невернойа оценкеа скорости трансляции Vm или еще более ошибочному утверждению об отсутствии Vm , единой для всех элементов МКС. В качестве иллюстрации причин таких заблуждений на рис.2а приведена эволюция поля отражаемости типичной хаотической МКС, шторма которой имели различную организацию. Например, в 16:06 (рис.2а) одиночная ячейка OA3 сосуществует одновременно с многоячейковыми штормами М1А2 и М2А2, а также суперячейкой SА1 (первый буквенно-числовой индекс означает тип шторма, а второй - принадлежность шторма к мезомасштабным скоплениям А1-А5 на рис.2г). Траектории максимумов отражаемости этих и других штормов, представлены на рис. 2б. Длина и ориентация траекторий одиночных ячеек ОА1 и ОA3 показывают, что за время их жизни ? они перемещаются с запада на восток со скоростью трансляции 13 мс -1 , т.е. VS =Vm (рис.2в). Скорости движения VS , вычисленные по траекториям мультиячейковых и суперячейковых штормов, существенно различаются между собой и явным образом не связаны с вычисленной скоростью трансляции Vm . Представления о дискретных во времени и пространстве ячейках осадков и их пассивной трансляции вполне достаточно, чтобы провести первичный анализ такого, на первый взгляд, хаотичного поведения штормов. Траектории мультиячейковых МА1, М1А2, М2А2 и других штормов намного более протяженные, чем траектории одиночных ячеек, и отклоняются на юго-восток, вправо от Vm . В то же время заметно, что эти траектории ступенчаты и ориентация отдельных их участков совпадает с направлением движения одиночных ячеек Vm . Ступенчатость траекторий максимумаа отражаемостиа мультиячейковыха штормова обусловлена 8
б)
а) одноячейковые (О), мультиячейковые (М) и суперячейковые (S) шторма на индикаторе кругового обзора радара с 14:06 до 19:25 ч. местного времени и б) их траектории; в) вычисление средней скорости развития шторма Vp как разности между векторами перемещения Vs и трансляции Vm; г) композиционная картина осадков >40 dBZ, аккумулированных в движущейся системе координат с 14 до 20 часов местного времени; цифры 1, 2,... 6 последовательные максимумы скоплений А1, A2 и A6; д) временные колебания интенсивности скоплений и их интервалы доминирования; е) суперпозиция картины 2г. на спутниковое изображение облачности в инфракрасном диапазоне. Радар 320 43Т ю.ш. 520 18Т з.д. Адаптировано из [50]. 9 циклическим самовозобновлением элементов шторма. Цикл начинается с появления в момент t новой ячейки Cn+1 на правом фланге от доминирующей Cn, восходящие движения которой спосoбны поддерживать относительно крупные гидрометеоры. Максимум отражаемости мультиячейкового шторма обнаруживается в зрелой доминирующей ячейке Cn, транслируемой потоком. Такое положение вещей сохранится до момента t+?, когда убывающая отражаемость стареющей Cn, где преобладают нисходящие потоки, сравняется с растущей отражаемостью более молодой Сn+1 почти достигшей максимальной интенсивности. В этот момент максимум отражаемости шторма совершит скачок вправо к новой доминанте Cn+1, чтобы далее перемещатьсяаа саа у ,аа вплотьа доаа появленияаа новойа доминантыа Cn+2.аа На траектории такой скачок отразится в виде ступени. Таким образом, траектория максимума мультичейкового шторма сочетает в себе развитие новых ячеек, трансляцию зрелых и диссипацию старых, т.е. является отражением его жизненного цикла. Подчеркнем важность понятий трансляция и развитие для диагноза и прогноза. Климатологическое знание, касающееся движения штормов, гласит: как правило, грозовые шторма отклоняются вправо от ведущего потока в северном и влево - в южном полушарии. В данном случае мультиячейковые шторма отклоняются вправо от транслирующего ведущего потокаа V , что нетипично для штормов, возникших к югу от экватора (рис.2б,в). Напротив, cуперячейки SA1 и SA3, двигаясь вдоль берега лагуны на северо-запад, подчиняются правилу: они отклоняются влево от направления трансляции у . Представим наблюдаемые отклонения движения штормов от потока в терминах скоростей трансляции и развития. Среднюю скорость развития мультиячейки у за время жизни ? можно оценить, найдя разницу между р вектором перемещения максимума V х т и его трансляции у х т за тот же период времени (рис.2в). В нашем случае развитие мультиячейкового шторма М1А2 направлено вправо и назад, что приводит к его отклонению вправо и более медленному перемещению с запада на восток. В случае мультиячейкового шторма такое среднее развитие легко интерпретируется циклическим появлением новых ячеек Cn+1 на правом заднем фланге от Сn . В суперячейке SA1 по определению выделение отдельных максимумов восходящих потоков и отражаемости затруднено. Однако, находя по аналогии вектор её развития (рис.2в), убеждаемся, что её элементы появлялись на левом фланге позади предыдущих. При сравнении векторов развития суперячейки SA1 и мультиячейки M1A2 становится ясно, что длина траектории шторма определенной длительности полностью обусловлена величиной и направлением развития. Например, более медленное продвижение суперячейки на восток в данном случае связано с значительной компонентой развития, направленной против трансляции (рис.2в). 10 Постановка вопроса о движении шторма, его трансляции Vm и его развитииа V имеета важное методическое значение при поиске причин р появления конкретного шторма. Традиционный анализ радиолокационных наблюдений ограничивается определением структурной организации шторма и сопоставлением его траектории с местными физико-географическими особенностями или локальными циркуляциями в погранслое. Например, выделив среди штормов суперячейки SA1 и SA3, видим, что их траектории в целом следуют ориентации побережья лагуны (рис.2б). С другой стороны, траектории мультиячейковых штормов прерываются при пересечении границы суша-море. При таком подходе с самого начала подчеркивается индивидуальность мезомасштабной циркуляции шторма, его локальное происхождение, обусловленное термомеханической неоднородностью подстилающей поверхности или орографическим возбуждением. Очевидно, что для поставленной задачи мезомасштабного прогноза и мезоклиматологии в поиске закономерностей, связанных с локальными циркуляционными системами, оптимальным способом обработки радиолокационных данных является аккумуляция мгновенных осадков в неподвижной системе координат, а способом визуализации влияния этих циркуляций на поле кучево-дождевой облачности - построение композиционного изображения или просто карта распределения сумм осадков мезомасштабных систем. Очевидно, что локализуя на этой карте зоны наибольших или наименьших сумм осадков (вместо осадков можно использовать и другие явления: порывы ветра, частоту гроз и т.д.), далее можно пытаться установить причины таких неоднородностей, т.е. причины, вызывающие местные мезомасштабные циркуляционные системы: горнондолинные циркуляции, бризовые фронты, зоны конвергенции городского острова тепла и тому подобное. Предъявляя определенные требования к аккумуляции осадков, например, как на рис.2.г, выделив максимум интенсивности штормов, в неподвижной системе с успехом можно исследовать влияние ландшафтов на траектории доминирующих штормов (глава 3), географические факторы возникновения опасных явлений и мезомасштабных конвективных комплексов (глава 5), частоту возникновения грозовых штормов (глава 6) и многое другое. С другой стороны, при разложении векторов перемещения на компоненту развития и трансляции на первый план выходит общее свойство кучево-дождевой конвекции - двигаться со скоростью трансляции, единой для обширной области воздушной массы. При этом развитие осадков скорее определяется не локальными термомеханическими неоднородностями погранслоя, а более общими причинами, такими как внешнее принуждение (фронтальное возмущение, гравитационные волны) или внутримассовая самоорганизация. Действительно, анализ, подобный представленному на рис. 2в,аа чащеаа ставита болееаа общиеаа вопросы,аа касающиесяа свойстваа всех 11 штормов: почему их элементы появляются несколько позади от предыдущих; почему модуль скорости их развития ? 30 км/час и т.д. Избегая трактовок причин эволюции мезомасштабных систем, вопросы, поставленные выше, могут быть объединены в один: каково влияние предыдущей истории поля кучево-дождевой облачности на её новые элементы. В качестве метода отражения истории поля естественно произвести аккумуляцию зон осадков в системе координат, движущейся со скоростью трансляции всей системы. Этот метод подходит как для анализа поведения новых ячеек относительно старых диссипирующих внутри штормов (рис.2г), так и для сопоставления взаимной эволюции штормов (рис.2в). Очевидным способом визуализации истории поля является построение композиционной картины радиоха в системе координат, неподвижной относительно воздушной массы и перемещающейся со скоростью трансляцииаа Vm .аа Впервыеаа такиеаа картиныа радиоэх былиаа построеныаа и исследованы в работе Старостина, Лившица, Швецова (1983). Обычно, для определения скорости трансляции Vm используется кинематическое свойство радиолокационных ячеек Cb двигаться с одинаковой скоростью, близкой к скорости крупномасштабного потока в средней тропосфере. В случае отсутствия данных о средней скорости ячеек или необходимости её корректировки дляа определенияа Vmа следует использовать метод сохраняющихся фрагментов. При построении композиционных изображений осадков за определенный промежуток времени, в том числе за время от начальной до конечной стадии мезомасштабной системы, производится аккумуляция последовательных во времени радиолокационных изображений горизонтального поля осадков таким образом, что полученные с интервалом времени ?t изображения, накладываются друг на друга со сдвигом -Vm . Дt, где Vm - скорость трансляции. В итоге процедуры аккумуляции последовательных во времени полей отражаемости получаются композиционные картины, фиксирующие историю развития конвективных элементов всей мезомасштабной системы. Главное достоинство таких изображений состоит в том, что аккумулированные осадки часто предстают в более организованном виде, нежели на исходных мгновенных картинах зон осадков или при аккумуляции осадков в неподвижной системе координат. Например, на рис.2г приведена композиционная картина, полученная при аккумуляции всех элементов исследуемой ранее МКС с Z ? 40 dBZ в системе координат, движущейся со скоростью Vm , за все время наблюдений. Из рис.2г видно, что мультиячейка МА1 и суперячейка SА1 на композиционной картине объединены общим контуром отражаемости в мезомасштабное скопление A1, хотя в период наблюдений этих штормов с 14:06 по 16:06 (рис.2а) такого объединения не 12 наблюдалось. Аналогично скопление А2 обусловлено развитием мультиячеек М1А2 и M2А2. Как видим из рис.2г, скопления A1-A5 имеют линейные размеры ~100 км и отделены друг от друга участками без значительных осадков. Для интерпретации пространственно-временных изменений поля отражаемости в течение эволюции системы необходимо ввести системное время, начало которого совпадает с появлением первого радиоха системы, а окончание приходится на момент исчезновения последних осадков. Продолжительность этого промежутка времени мы будем называть длительностью жизненного цикла системы. С удовлетворительной детальностью в нашей базе данных представлена конвективная фаза жизненного цикла системы. Так, фиксируя время появления первого и исчезновение последнего конвективного элемента в скоплении, можно обнаружить, что конвективная фаза скоплений А длится несколько часов (чаще ~ 4-5 ч). Предполагая, что мезо-? скопления типа А являются элементами некоторой мезомасштабной конвективной системы масштаба мезо-а, обнаруживаем, что конвективная фаза этих систем составляет около 7-8 часов. Ограниченному времени жизни соответствуют и горизонтальные масштабы МКС: площадь области, где развиваются скопления, обычно составляет ~105 км2. Наблюдения в различных географических зонах северного и южного полушария (глава 2) показывают, что в течение жизненного цикла МКС кучево-дождевые облака группируются в иерархически соподчиненные скопления с областями развития размерами ~103 и ~104 км . Такая организация скоплений облачности фиксируются не только при аккумуляции осадков в движущейся системе, но и хорошо различима на спутниковых снимках в виде отдельных облачных образований (рис.2е). Определим доминирующую ячейку Cb, как ячейку, которая среди всех прочих имеет максимальную интенсивность, что выражается в наибольших высотах верхней границы, наибольших значениях отражаемости и в других параметрах, характеризующих степень опасности конвективных явлений. Очевидно, что параметры доминирующей ячейки характеризует не только интенсивность доминирующего на данный момент времени шторма масштаба мезо-?, но и максимальную интенсивность всей системы масштаба мезо-а. Действительно, оценив интенсивность ячеек всех штормов, формировавших скопление, легко убедиться, что цикличность появления доминирующих ячеек Сn в мультиячейковых штормах и колебания интенсивности суперячейки (рис.2д) приводят к тому, что скопления (ансамбли) А1 и А4, которые содержат эти шторма как элементы, в целом более интенсивны, чем остальные, т.е. доминируют над остальными. Совместный анализ интенсивности скоплений и композиционных изображений позволяет определить пространственно-временные моды жизненногоаа цикл МКС.аа Дляаа этогоаа достаточноаа установитьаа периоды 13 доминирования элементов системы, фиксируя на композиционной картине пространственное положение последовательных по времени максимумов интенсивности (1, 2, 3 и т.д. на рис.2г). Сделав это, обнаружим, что суперячейки, как и мультиячейковые шторма, имели несколько максимумов интенсивности, а доминирующие шторма в скоплениях-ансамблях А появлялись в воздушной массе приблизительно в 30 км от предыдущих с периодичностью около 1 часа (рис.2.д). Обобщение наблюдений эволюции и иерархии скоплений и формулировка концепции жизненного цикла МКС произведена в главе 2. Представление мезомасштабных циркуляций в МКС и проблемы, возникающие при интерпретации на дисплеях доплеровских скоростей обсуждаются в п.1.5. На практике традиционно выделяются два идеализированных случая однородного по горизонтали ветра и удаленных от радара малых по пространственному масштабу, но значительных по абсолютной величине вихревых и дивергентных возмущений или их комбинаций. Первая идеализация обычно ассоциируется с полем обложных осадков или отражениями от ясного неба в области обзора до 100 км, когда горизонтальный субсиноптический ветер (мезо-а) можно рассчитать по концентрическим конусным сечениям ИКО. Второе идеализированное поле связывают с эволюцией конвективных ячеек у, сопровождающейся дивергенцией восходящих потоков у вершины облака и нисходящими потоками у поверхности земли В отдельных штормах развивается предвестник смерча - горизонтальный мезомасштабный вихрь-мезоциклон размерами до нескольких километров. Для описания этих осесимметричных циркуляций мезо-у обычно используется профиль скорости ветра, комбинирующий дивергенцию и вихрь Рэнкина с максимумом скорости на границе ядра вращения. В случае мезомасштабных систем возможность интерпретации поля доплеровских скоростей в терминах идеализированных картин сильно ограничена выбором адекватной системы координат и необходимостью концептуальной модели, интерпретирующей мезо-?-масштабные циркуляции. Сравнивая потенциальные возможности использования различных систем координат для представления движений внутри мезомасштабных систем, следуя [11,17-20,22-24], можно заключить, что наиболее адекватной является система координат, связанная со скоростью среднетропосферного потока Ч МWR (Mean Wind Relative - MWR). Построение относительных движений в этой системе координат не представляет трудностей с технической точки зрения и требует лишь определения скорости и направления среднетропосферного потока Vm. Поскольку скорость потока Vm одинакова для всех элементов системы осадков как конвективных, так и слоистообразных, то движения, возникающие внутри различных облачных скоплений: линий различной интенсивности,аа локальныхаа штормов,аа развивающихсяаа ваа общемаа случае 14 разнонаправленно, Ч в MWR могут быть проанализированы единовременно (в этом главное преимущество MWR перед использованием скорости шторма Storm Relative Wind). Объяснение циркуляций МКС - более сложная задача. Можно показать, что ни одна из известных концептуальных моделей структуры циркуляций мезомасштабной конвективной системы P. Хауза (Houze, 2004) и несущей конвейерной полосы на фронтах К. Браунинга (Browning, 1990), описывающих мезомасштабные потоки фронтов и циклонов, не подходят для оперативной практики, в частности, из-за неинерциальности системы координат и произвольности типового разреза. Разработка понятий сверхбыстрой и сверхмедленной мезомасштабной линии шквалов (МЛШ) позволит осуществить в системе координат MWR интерпретацию типа и направления движения МКС (глава 4). Общенаучная значимость работы раскрывается во второй главе исследования, где обобщаются наблюдения эволюции мезомасштабных систем и формулируется концепция жизненного цикла мезомасштабных систем. Истоком этой концепции являются результаты диссертации автора на степень кандидата физико-математических наук [41], где, опираясь на обнаруженные квазипериодические свойства кучево-дождевой облачности (Желнин и Старостин, 1987) и системное обобщение собственных наблюдений эволюции мезомасштабной конвекции [36-40 и др.] в двух географических регионах Восточной Европы, представлена концептуальная модель эволюции кластера масштаба малого мезо-а (~300 км), объединявшая ранее известные и вновь открытые пространственно-временные моды глубокой конвекции. Основные временные моды развития мезомасштабной конвекции описаны в п. 2.1., где обобщены результаты спектрального анализа [1,4, 36-37,40,41] высот верхней границы облачности, высоты Z=45 dBZ по данным МРЛ, температуры воздуха, точки росы и др. в приземном слое в диапазоне периодов от 15 мин до 2-3 часов. Сравнение осредненных спектров для 154 процессов с различной интенсивностью конвективных явлений в целом показывает, что при развитии кучево-дождевой конвекции наиболее лэнергонесущими становятся флуктуации в интервале периодов от 40 до 90 минут. Наиболее статистически обоснованными являются мезомасштабные колебания температуры смоченного термометра и особенно точки росы Тd. При этом практически вся энергия рядов интервале 0,5-1,3 ч. сосредотачивается в трех спектральных максимумах, соответствующих гармоникам с периодами ?1?20-25 мин, ?2?45-60 мин и ?*3?70-90 мин, являющейся следствием суперпозиции колебаний с ?3?3 часа и ?2 (см. рис. 3 а). Наиболее обеспеченной (на 80% доверительном уровне) является вторая гармоника ?2, которая, как показали дополнительные исследования, плавно смещается из области частот ~2/3 часа в более низкочастотной интервал ~1 часа при изменениях интенсивности систем, характеризующихся 15 развитием Сu cong с вкраплениями отдельных Сb до скоплений штормов, сопровождавшихся грозами и крупным градом. Кросспектральный анализ временных рядов Тd, синхронно измеренных в пространственно удаленных на 40-50 км точках, убеждает, что ?1, ?2, ?3 коррелированны по пространству с уровнем когерентности 0,7 и более. Эти колебания когерентны колебаниям верхней границы скоплений Сb, возникавшим в пространственной области ~100км?100км, совпадающей с точками измерения Тd (см. рис. 3а).
Рис. 3 Квазипериодические колебания интенсивности конвекции и приземных метеорологических полей. а) Спектр временных рядов температуры точки росы S1 и спектр S2 верхней границы отражаемости Z =12 dBZ по данным МРЛ-5 за 3 июля 1986 г, их кросспектр S12 (Молдавия); б-в) Колебания интенсивности осадков и конвергенции на полигоне 12 августа 1990 г. (Москва): б) расположение зон осадков по данным МРЛ с интенсивностью I = 1 мм/ч (серый тон) и I = 6 мм/ч (черный тон) и зон конвергенции (?10-5 с-1, пунктир); в) сумма интенсивностей осадков I?5 мм/ч, максимальная по полигону конвергенция Cmах и площадь зон S c convV ?410-5 c-1 Мезомасштабные колебания приземных полей дивергенции в период интенсивной конвекции в Московском регионе исследовались в связи с оценкой возможностей прогноза [38, 41, 42 и др.]. Анализ временного хода Q сумм конвективных осадков в квадрате 400?400 км, площадей конвергенции большей пороговой, максимальной конвергенции на полигоне и других интегральных характеристик показал, что поля осадков и конвергенции наблюдаются колеблются с периодом т3 = 3-4 часа. Причем в поле конвергенции квазипериодические возмущения часто заметны за несколько часов до начала осадков на полигоне. Наличие стационарных зон конвергенции не меняет картины. Возникновение новых скоплений масштаба мезо-? чаще локализовано в подветренной по движению ячеек части стационарной зоны (см. рис. 3б и 3в) и при прочих равных условиях благоприятно в стадии усиления интенсивности конвергенции в целом по полигону. Эти и другие наблюдения показывают, что максимальная интенсивность осадков в скоплениях кучево-дождевой облачности носит 16 ярко выраженный квазипериодический характер с периодами ?1 < 0,5 ч, ?2 ? 1 ч и ?3 ? 3 ч. Гармонические колебания с модами т}, т2, т3 устойчиво наблюдаются в пограничном слое атмосферы при развитии конвекции в различных регионах и, очевидно, зависят только от внутренних свойств скоплений Cb. Обсуждение причин их возникновения проведено нами в [4,41 и др.], где был сделан вывод, что л т}, т2, т3 связаны с иерархией временных масштабов в полях СЬ. Процессы, вызванные диссипацией мезомасштабных скоплений могут приводить к появлению и распространению мезомасштабных гравитационных волн с периодом 1-3 часа, модулирующих интенсивность конвекции. Пространственно-временная иерархия и эволюция мезомасштабных конвективных скоплений [4,41], обнаруживаемых на композиционных изображениях, полученных при аккумуляции конвективных осадков с отражаемостью более 15 dBZ в системе координат, движущейся со скоростью трансляции обсуждается в п.2.2. Метод анализа был в целом аналогичен описанному в п. 1.4. Основой обсуждения являются характеристики 75 мезо-а-кластеров, прошедших полный конвективный период по данным МРЛ-5 (3,2 и 10 см) в Молдавии (48? с.ш и 28? в.д.), и АКСОПРИ Московском регионе (56? с.ш. и 37? в.д.). В 40% дней наблюдался один ?-кластер; наблюдения двух и трех кластеров, между центрами которых наблюдались промежутки без Cb размером 200-300 км, равновероятны - по 25%; 4 и более кластеров - в 10% случаев. Время, когда появлялись отдельные ячейки, называемое конвективным периодом, в 70% кластеров составляло от 6 до 9 часов. За модальную длительность конвективного периода в 7-7,5 часов кластер достигает среднегеометрических размеров R? около 300 км, причем вплоть до этой длительности конвективной фазы средняя скорость роста его размеров составляет 25 км/ч, при начальных размерах около 120 км. Замедление роста размеров при конвективных периодах больших 7 часов одновременно свидетельствует о преимущественно внутреннем заполнении достаточно редких долгоживущих кластеров (10%) и определенном ограничении его максимальных размеров. Охарактеризованы 135 больших мезо-^-масштабные скоплений (БМС), объединенных общим контуром с Z = 15 dBZ и наблюдаемых в радиусе 100 км от радара. Конвективный период БМС (M?, рис.3) длился в 80% случаев от 2 до 6 часов. БМС за конвективный период модальной длительности в 4 часа, достигает среднегеометрических размеров от 100 до 140 км. Определенная по линейной зависимости R?1 средняя скорость распространения больших скоплений составляет ~20 км/ч, но как и ранее, заметно уменьшение скорости роста долгоживущих скоплений. При детальном анализе это явление указывает, что площадь БМС прямо пропорциональна длительности конвективного периода. Малые мезо-?-масштабные скопления Cb (ММС или m?) на композиционных снимках образуют две характерные формы: это 17 квазикольцевые ММС с внутренней эллипсоидальной областью свободной от осадков и линейные малые скопления. По данным МРЛ-5 в Молдавии исследован жизненный цикл 284 квазикольцевых скоплений с соотношением осей не более 1,5 и которые при завершении возникновения новых Cb имеют разрывы в кольце не более 25% общего периметра эллипса, описывающего эту область. 80% таких ММС имеют размеры от 20 до 55 км и конвективный период от 1,5 до 4 часов, при модальных значениях 30-35 км и 2-2,5 часа, соответственно. Объединение нескольких квазикольцевых ММС и образует на композиционных изображениях характерную сетчатую структуру, которая по мнению Старостина, Лившица, Швецова (1983), впервые описавших этот феномен, является проявлением упорядоченной мезомасштабной ячейковой конвекции открытого типа, аналогичной полям кучевой облачности. В то же время наши исследования показали, что линейные шторма длиной 25-30 км - это главная форма организации скопления ячеек Cb с интенсивностью более 45 dBZ, ответственных в том числе за квазичасовую интенсификацию больших скоплений. В 70% случаев ориентация линейных ММС отклоняется не более 30? от направления сдвига ветра в слое 850-600 гПа, а конвективный период составляет около 1,5 часов. Возникая на стадиях роста интенсивности скопления, доминирующие шторма, содержащие 3-4 ячеек Cb в ряде случаев являются наиболее интенсивными гранями квазикольцевых или дугообразных скоплений, хорошо заметных на рис.2е. Внутренняя организация и форма кластеров определяется взаимным расположением и числом входящих в него БМС. Примерно в 70% случаев они состояли из 2-4 БМС, при этом чем больше скоплений в кластере, тем больше его размеры. Как видим, кластеры, состоящие их одной БМС, имеют достаточно большие среднегеометрические размеры ?200 км в сравнении с модальными размерами одного БМС; и кластеры живущие больше 6 часов растут за счет появления новых БМС. Типичные же БМС имеет вытянутую форму с длиной большой оси 130-170 км и малой 60-80 км, с расстоянием между центрами соседних скоплений ~100-160 км. Поскольку БМС разделены областями воздушной массы без значительных осадков, а большие оси БМС чаще всего параллельны друг другу, то форма кластера зависела от взаимной ориентации большой оси БМС и линии, соединяющей центры БМС. Квазикруговые (25%) и полосовые кластеры часто встречались в сходных синоптических условиях. В условиях быстро смещающихся холодных фронтов (>50 км/ч) более вероятны полосовые кластеры c отношением осей более 3:1, в отсутствие фронтальных разделов - квазикруговые. Большие скопления обычно появляются в кластере парами - возникновение первых Cb в соседних БМС в 50% случаев происходит почти одновременно или с задержкой в 2,5-3,5 часа (в 34%). Промежуток времени, в течение которого отдельная БМС является доминирующей в ?-кластере, составляет от 2 до 5 часов. Чаще всего отмечается период доминирования от 18
12 3 4а 5 6 7 Время от начала эволюции МКС, часы i о оа м m
30 60а 90а 120аа 150 SS Условное расстояние между элементами МКС в транслируемой воздушной массе, км Рис.4 Концепция жизненного цикла МКС масштаба мезо-? (эволюция ?-кластера). Вверху Ч колебания интенсивности МКС и его доминирующих элементов во времени, внизу Ч появление доминирующих скоплений в транслируемой воздушной массе. Указано условное расстояние между элементами на композиционных снимках (см. текст). Модель обсуждалась в работах [38, 41, 1,4 ,6,23] 2 до 4 часов - 96%, при наибольшей повторяемости в 46% периода в 3 часа. Можно показать, что масштаб области и времени доминирования БМС связаны между собой линейно [1,4,38,41]. Так, трехчасовому доминированию соответствует линейный масштаб 60-70 км, четырехчасовому - 30-90 км. Интерполируя доминирование по отношению к меньшим временным интервалам, можно найти, что элементу, доминирующему в течение часа, соответствуют малые мезомасштабные зоны осадков ? 20-30 км. Можно показать, что доминирование БМС - это последовательное развитие интенсивных малых линейных скоплений, с которыми связаны локальные квазичасовые максимумы осадков. Эти линейные шторма могут быть как отдельным образованием в воздушной массе, так и гранями мезомасштабных ячеек, направленными вдоль сдвига ветра в средней тропосфере. После окончания доминирования одной БМС часто наблюдается появление и интенсификация Cb в другой мезо-?-области, удаленной от предыдущей на 100-120 км. Циклическое возникновение новых БМС, обладающих типичной эволюцией (стадии роста, максимальные значения и 19 спадаа интенсивности),аа приводитаа каа появлениюаа характерныхаа флуктуаций интенсивности ?-мезокластера с периодом около 3 часов. Концептуальная модель развития доминирующих элементов мезомасштабных конвективных систем изображена на рис. 4 и состоит из генерализованного временного хода максимальной интенсивности (вверху) и генерализованного композиционного изображения осадков в движущейся воздушной массе. Элементарным доминирующим объектом в этой схеме являются конвективные ячейки масштаба мезо-? С1?Сn. Наиболее мощные ячейки, возникая последовательно во времени, вызывают короткопериодные возмущения ?1= 15-20 мин в ходе интенсивности. В среднем 3-4 ячейки организованы в доминирующую систему малого ?-мезомасштаба линейной формы m?1: грозо-градовый шторм со средним размером 20 км и временем доминирования около ?2= 1 час. Время жизни доминирующего шторма ~1,5 ч, и как правило, доминирование передается к другому скоплению m?2 - вновь возникшему шторму, место которого на композиционном изображении в движущейся воздушной массе локализуется в 25-35 км по направлению вдоль оси большого мезомасштабного скопления БМС - ансамбля штормов M?1. Обычно M?1 имеет три таких доминирующих ММС m?1?m?1, затем доминирование переходит к следующей доминирующей БМС M?2, отстоящей от предыдущей на 80-120 км. Периодические колебания максимальной интенсивности осадков в ?-мезокластере связаны с возникновением зон осадков различного масштаба: 20-минутные колебания связаны с возникновением новых ячеек осадков С1...Сn, колебания с периодом 1 час - с возникновением малых мезомасштабных скоплений (m?1, m?2, ..., m?n), а колебания с периодом 3 часа - больших мезомасштабных скоплений (M?1, M?2). Далее в п.2.3 показано, что пространственно-временная иерархия мезомасштабных конвективных скоплений, открытая нами [4,41] на базе анализа эволюции полей радиолокационной отражаемости кучево-дождевой облачности в умеренных широтах Восточной Европы и сформулированная в виде модели эволюции МКС (рис.4), универсальна. К сегодняшнему дню аналогичные масштабы и характер эволюции скоплений обнаружены автором при спутниковых и радиолокационных наблюдениях локальных штормов субтропиках и тропиках Южной Америки, в мезомасштабных комплексах умеренных широт Северной Америки, восточной Азии, тихоокеанском регионе и других регионах северного и южного полушария [3, 6,8,25,31 и др.]. Все это дает нам основание утверждать об экспериментальнома доказательстве природнойа закономерности пространственно-временной иерархии и эволюции мезомасштабных конвективных скоплений [4, 41, 46,50]. Возникновение кучево-дождевых облаков (ячеек масштаба мезо-?) последовательно детерминировано в транслируемой воздушной массе мезомасштабными скоплениями трех пространственно-временных масштабов: малого мезо-?-масштаба - размеры около 25-35 км в течение 20 1,5-2 часов; большого мезо-Р-масштаба - размеры 100-140 км в течение 4-5 часов; а-мезокластера - размеры около 300 км в течение 7-8 часов. Каждый из масштабов иерархически соподчинен: несколько скоплений малого мезо-?-масштаба образуют большое мезо-?-скопление, которое в свою очередь вместе с другими образует ?-кластер. Время жизни и форма каждого из скоплений зависит от количества и времени жизни входящих в него скоплений меньшего масштаба. Интенсивность системы масштаба мезо-? подвержена квазипериодическим колебаниям, которые являются суперпозицией следующих трех гармоник: колебания с периодами 15-20 мин появляются вследствие возникновения новых интенсивных (доминирующих ячеек) осадков; колебания с периодом, близким к 1 часу, возникают вследствие последовательной интенсификации явлений малого мезо-?-масштаба и сопровождаются возникновением новых доминирующих скоплений малого мезо-?-масштаба на расстоянии около 30 км от предыдущих; колебания периода 2,5-3,5 часа обусловлены интенсификацией доминирующих скоплений большого мезо-?-масштаба и сопряжены с последовательным появлением больших мезомасштабных зон осадков на расстоянии ?100 км от области возникновения предыдущих. В сжатом виде эти закономерности обобщены в единую концепцию жизненного цикла мезомасштабных конвективных систем. Можно показать, что квазипериодичность и иерархия системы являются её реакцией на ограниченный внешний питающий систему ресурс влаги, необходимый для реализации неустойчивости. Научно-методический потенциал концепции раскрывается в процессе генерирования и организации новых знаний об особенностях мезомасштабных систем. Наиболее оптимальной климатологической формой организации этих знаний в современной мезометеорологии и прогнозе являются классификации, и поскольку понятийная база концепции жизненного цикла МКС позволяет одновременно отразить иерархию, морфологию и эволюции систем, то на её основе нами [13,16,50 и др.] проведено научное обоснование, методическая разработка и практическая реализация объективной морфолого-эволюционной классификации мезо-а-масштабных систем осадков, единой для всех географических регионов. В п.2.4 реализован алгоритм последовательной классификации всего многообразия морфологических форм мезомасштабных систем, а главе 3 и 4 исследована эволюция двух интенсивных типов этих систем. Можно показать, что субъективность распознавания структуры мезомасштабных систем по снимкам ИКО в большинстве классификаций (Ноuze et. al., 1990, Shchiesser, 1995, Jirak et.al., 2003 и др.) вызвана в первую очередь неоднозначностью определения стадий жизни и масштабов системы, и ввиду межстадийной трансформации зон осадков вообще ставит под сомнение возможность сравнения результатов различных авторов. 21 Выражая жизненный цикл через интенсивность доминирующих скоплений, можно достаточно строго выделить стадию максимального развития (интенсивности) МКС, например, как интервал времени вблизи момента достижения максимума отражаемости, высот радиоэха, площадей интенсивных осадков и т.д. в зависимости от доступной информации. Прогноз эволюции мезомасштабных систем осадков (МСO), базирующийся на данных радара, осуществим только в том случае, если признаки наблюдаемой зоны осадков, позволяют соотнести её некоторым классом систем с известной архитипичной эволюцией. Это означает, что классификация должна ограничиваться типами систем, с более или менее фиксированными пространственно-временными характеристиками, поскольку прогноз возможен только в том случае, если масштаб МСО имеет явно выраженную моду, а особые условия наблюдения конкретной МСО, влияющие на отклонение ее масштаба от нормы, не ведут к существенному изменению типичной формы системы и времени жизни. Концепция жизненного цикла МКС, определяя ряд возможных масштабов кучево-дождевой облачности и обобщенный сценарий их развития - архитипичную эволюцию а-кластера - демонстрирует принципиальную возможность существования объективной классификации систем осадков, удовлетворяющую изложенным выше требованиям. В то же время для практических целей прогноза в классификацию должны быть внесены МСО слоистообразных форм и разработаны критерии деления конвективных МСО по интенсивности и структуре. Типизация мезомасштабных систем осадков может осуществляться в три этапа. На первом шаге необходимо определить, является ли МСО слоистообразной или конвективной в единственном удовлетворительно идентифицируемом по радиолокационным параметрам интервале жизни - в стадии максимального развития системы, который определяется как промежуток времени порядка 1 часа, в течение которого элементы МСО достигают максимальных высот (и наибольшей радиолокационной отражаемости Zmax). Согласно концепции это означает, что конвективные системы могут быть классифицированы в моменты, близкие к первому трехчасовому максимуму, т.е. при интенсификации первого доминирующего большого мезомасштабного скопления. На втором этапе следует, если возможно, разделить мезомасштабные конвективные системы по их интенсивности, и на последнем, третьем этапе выбрать наиболее просто идентифицируемый морфологический признак, например, наличие линейных структур. Графически пошаговая схема типизации представлена на рис.5. Практическая реализация алгоритма классификации (рис.5) осуществлена на основе радиолокационных наблюдений МСО в ранее не изученном регионе Южного полушария [13,16,50 и др.]. Репрезентативность и полнота 7-летней выборки 320 МСО для описания систем осадков региона подтверждена в диссертационных исследованиях Ленской, 1998, 2006. В качестве рабочего 22 МЕЗОМАСШТАБНЫЕ СИСТЕМЫ ОСАДКОВ СВОЙСТВА ПОЛЯ Z в момент Тмах= t(Hmax, Zmax) ? [1-йШАГ| --------------------- -а Конвективные ? ^жд нет
|2-й ШАГ|а -------------- -Zmax>55dBZ?а \^
да [3-й ТТТАГ!аа Глубокие
Структура линейная ?
инейные Рис.5 Классификация мезомасштабных систем осадков [50]. определения, удобного для анализа последовательных во времени изображений индикатора кругового обзора, МСО, определялись как относительно долгоживущие (более 1 часа) скопления зон конвективной и/или слоистообразной облачности, имеющие линейные размеры более 100 км и отделенные от других не менее, чем на 200 км с учетом их переноса потоком. Начальным этапом классификации (1-й шаг, рис.5) является оценка типа осадков, конвективные и/или слоистообразные, в стадии максимального развития системы, в пределах одного часа от момента, когда высоты радиоэха Н30 и Н40 и отражаемость Z достигают максимальных значений (Нmax, Zmax). В выборке на момент достижения максимальных параметров ? систем (242) имели конвективные зоны, остальная часть (78) отнесена к слоистообразным. Обнаружено, что распределение Zmax конвективных систем имеет две моды: до 50 dBZ и более 55 dBZ. Результаты можно интерпретировать в терминах качественной зависимости типа погоды от наблюдаемой отражаемости. При идентификации МСО на стадии их максимума в наблюдениях преобладают конвективные системы двух типов погоды: одни Ч с ливневым дождем от умеренного до сильного и другие Ч интенсивные грозоградовые шторма. Бимодальный характер повторяемости значений радиолокационной отражаемости, дополненный существенным ростом высот верхней границы отражаемостей 30 и 40 dBZ в случаях больших Zmax , 23 подчеркивает тот факт, что выбранная стратегия разделения конвективных систем осадков на два класса по их интенсивности в стадии максимума отражает природу изучаемых явлений, а в качестве критерия может быть использовано условие достижения Zмах величины 55 dBZ. Кроме того, значения Z ? 55 dBZ не были отмечены в слоистообразных МСО. Таким образом, по крайней мере в этом случае выделение систем глубокой конвекции (или МКС) из всего спектра МСО может быть основано только на одном параметре: максимальной радиолокационной отражаемости Zmax. Высота радиоэха Н30 (Н40) является индикатором опасных явлений погоды, что оправдывает выбор критерия деления конвективных МСО на системы умеренной и глубокой конвекции по пороговому значению Z max= 55 dBZ (2-й шаг, рис.5). Прежде чем классифицировать структуры МСО, необходимо оценить их характерный масштаб. В этих целях вводится понятие области развития МСО, ограниченной эллипсом, бoльшая ось которого равна расстоянию между наиболее удаленными элементами осадков, принадлежащими к одной МСО в момент её максимальной интенсивности; а малая ось - это максимальное расстояние между элементами в направлении, перпендикулярном большой оси. Среднее геометрическое этих осей составляет около 250 км, последняя величина и фигурирует далее как эквивалентный диаметр МСО. На этапе определения структуры конвективные МСО были разделены на линейные и нелинейные по степени соответствия их структуры пропорциям идеализированной линии конвекции, длиной не менее ? среднего эквивалентного диаметра МСО и шириной не более двух характерных масштабов индивидуального шторма, т.е. линии длиной около 200 км и шириной не более 50 км, и соотношением продольного и поперечного размера 4:1. Слоистообразные МСО относились к линейным, если на стадии максимального развития зоны повышенных отражаемостей формировали полосу длиной не менее 200 км, превышающую её ширину в 4 раза (3-й шаг, рис.5). В результате трехступенчатой типизации выделены 72 линейные системы L1 глубокой конвекции (Z max ?55 dBZ), или мезомасштабные инии шквалов, 51 линия L2 умеренной конвекции, или полосы ливневых осадков, а также 40 инейных слоистообразных систем SL. Среди МСО, не отнесенных к линейным, выделено 59 систем глубокой конвекции N1 с произвольным хаотическим распределением элементов: комплексы локальных штормов; 60 конвективных систем умеренной интенсивности N2 - скопления ливневых осадков без линейной организации, и 38 слоистообразных систем нелинейной формы SN (см. рис.5). Объективная морфологическая классификация помогла не только обосновать региональную климатологию систем осадков и опасных явлений, исследовать их характеристики, оценить крупномасштабные условия их возникновения,аа ноаа иаа позволил заметитьаа рядаа прогностическихаа связей, 24 обозначив магистральные методы анализа эволюции мезомасштабных линий шквалов и комплексов локальных штормов, производящих град, шквалы и смерчи. В главе 3 приведено всестороннее описание мезомасштабных комплексов локальных штормов (МКЛШ), где для понятий доминирующих скоплений, иерархии, трансляции и развития использованы методы обобщения морфологических, кинематических и эволюционных характеристик грозоградовых шторма [4,6,25,30,31,41,50 и др.]. Концепция предполагает, что в одной мезомасштабной системе можно объективно выделить два доминирующих шторма, ответственных за главные максимумы интенсивности. Селекция доминирующих штормов позволяет избежать субъективности климатологических обобщений, использующих выборку штормов, сформированную на критериальных порогах отражаемости или опасных явлений погоды: такие выборки часто включают несоразмерное количество элементов различных МКС, даже если соблюдено условие сопоставимости стадий (рис.6а). Это особенно важно для определения типовой структуры и эволюции [30] наиболее мощных локальных штормов (рис.6б). Значительное время жизни доминирующих штормов 1,5-2 часа позволяет с уверенностью определить их среднюю скорость и сделать оценку предсказуемости направления развития. Метод векторов. Разложение скоростей доминирующих штормов южного полушария на трансляцию и развитие (рис.6в, i) обнаруживает предполагаемые закономерности - закон сохранения развития - наличие характерной скорости развития штормов 20-25 км/ч; правило полушарий для штормов или правило двух третей: в северном (южном) полушарии две трети штормов отклоняются вправо (влево) от направления трансляции, и одна треть штормов нарушает правило полушария (ii); правило ускорения и замедления: шторма имеют тенденцию смещаться быстрее (медленнее) трансляции, когда ее значения меньше (больше), чем 23?25 км/ч (iii). Последнее наблюдение вытекает из уравнений регрессии, связывающих движение доминирующего шторма и трансляцию VS=0,6Vm +13,5 км/ч и VS=0,5Vm +12,3 км/ч для 200 (100) штормов с Z> 40 (55) dBZ. Очевидно, что для высоких скоростей потока в средней тропосфере скорость шторма приближается сверху к половине Vm.. Малые скорости ведущего потока и шторма скорее свидетельствуют об отсутствии условий для предпочтительного направления развития шторма мезо-?. Метод траекторий доминирующих штормов заключается в многолетнем аккумулировании траекторий доминирующих штормов принадлежащих одному типу МКС на подходящую ландшафтную карту региона. Отметим две очевидные закономерности, полученные этим методом (рис.6г). Океаническое правило состоит в том, что летние шторма - это сугубо континентальное явление: их развитие, начинаясь на суше, быстро прекращается при выходе на морское побережье; ландшафтное правило - летние доминирующие шторма чащеаа всего возникают на склонах 25 возвышенностей, окаймляющих речные долины, а затем их траектории сходятся к пониженной части рельефа. В п. 3.2-3.3 показано, что метод траекторий перспективен для локализации взаимодействующих с конвекций квазиперманентных циркуляций пограничного слоя. Замечено, что криволинейное движение доминирующих штормов в регионах предполагаемых горно-долинной и бризовых циркуляций (рис.6 г) напоминает движение штормов вблизи стационарных зон конвергенции (рис. 6д) - процесса, исследованного в наших ранних работах [39, 41, 42, и др.]. Дело в том, что модель эволюции штормов, проходящих вблизи стационарных зон сходимости приземного ветра в погранслое (рис.6д), которая объясняет видимые эффекты разделения, слияния, стационирования локальных штормов и другие процессы вблизи таких зон, отражает процесс развития доминирующих элементов скоплений кучево-дождевой облачности масштаба большого мезо-?, т.е. процесс того же пространственно-временного масштаба, который отображается при аккумуляции траекторий (рис.6г). Следует заметить, что концептуальная модель (рис.6д) и её модификации (зеркальное отражение в случае южного полушария) объясняет и предсказывает все типы мезоклиматических аномалий осадков, связанных с термомеханическими неоднородностями погранслоя, включая эффекты антропогенного влияния крупных городов на распределение конвективных явлений. Помимо этого она объясняет ряд прогностических правил, например, правило двух третей: в умеренных широтах северного полушария при типичном направлении трансляции Vm с юго-запада на северо-восток и типичном появлении новых элементов (Н) скопления справа от предыдущих зрелых и диссипирующих (З,Д) и обходе шторма SN севернее зоны конвергенции шторм стационирует, но направление развития его новых элементов сохраняется. Однако приближение такого же праводвижущегося шторма SS с юга к зоне конвергенции может привести к возникновению групп новых ячеек с северной стороны шторма, что в моменты t2 и t3 будет восприниматься как деление и возникновение леводвижущегося шторма. В совокупности же мы получим, что на два (доминирующих) шторма с нормальным для северного (южного) полушария правым (левым) развитием появится один аномальный с левым или правым отклонением направления движения. При прогнозе нового развития, следует учитывать, что происхождение квазистационарной зоны сходимости приземного ветра не всегда внешнее: стационарные или малоподвижные линии конвергенции могут быть обусловлены предыдущим развитием конвективных штормов, например, оттоком холодного воздуха из-под шторма SN. Применение принципа иерархичности конвективных зон осадков к полям приземной конвергенции позволило нам найти порог, начиная с которого приземная конвергенция существенно влияет на интенсивность зоны осадков большого масштаба мезо-?, что может воздействовать на последовательность доминирования и форму скопления. Основные свойства 26
Рис.6 Исследование мезомасштабных комплексов локальных штормов (МКЛШ). а) Стадия максимума летних МЛКШ южной Бразилии, стрелка -пассивная трансляция Vm б) Вертикальная структура отражаемости, осредненная по ИДВ, на максимуме доминирования грозо-градовых штормов 17 МКС. в) Векторный метод: i) декомпозиция средних скоростей индивидуальных штормов VШ на трансляцию Vm и развитие; ii) осреднение скоростей и повторяемостей лево- и праводвижущихся 44 штормов; iii) скорости штормов в зависимости от трансляции. г) Метод траекторий: траектории доминирующих штормов аккумулируются на карту ландшафтов региона. д) Концептуальная модель эволюции скоплений Сb вблизи стационарных зон конвергенции объясняет причины доминирования и жизненный цикл локальных штормов в северном полушарии. е) Метод доминирующих скоплений: траектории максимумов интенсивности а-кластера в движущейся системе координат. Начало траектории (первый квазичасовой максимум) отмечено кружком, последующие макcимумы -стрелками. Цифры от 1 до 10 соответствуют различным МКЛШ южного полушария. Для случая 5 показана длина траектории S и отрезок Я соединяющий начало и конец траектории. Адаптировано [30,31,41,50 и др.] 27 скопления, такие как масштабы и периодичность появления элементов остаются без изменения. Исследования траекторий штормов в неподвижной системе координат дополняют прямое следствие концепции - метод доминирующих скоплений (п.3.5), который заключается в аккумуляции максимумов интенсивности в движущейся со скоростью трансляции системе координат и отображением главных максимумов интенсивности скоплений, соединенных направленными отрезками. Такие диаграммы (рис. 6е) как бы указывают на распространение активной конвекции внутри воздушной массы. Длина таких траекторий S изменялась от 300 до 1000 км. Наряду со случаями относительно запутанных траекторий максимума (1, 6 и 8), как видим, многие МКС (2, 4, 9 и др.) имеют своеобразную лось интенсивности, которая транслируется с воздушной массой. Другие (3, 7, 10) имеют некоторое подобие направленности (выделенные МКС 2 - 22 декабря 1995, 6 - 22 января 1996 и 10 - 29 января 1997, представлены на рис. 10 а, в). Если ввести простую меру сложности траекторий в движущейся системе: отношение между длиной отрезка X, соединяющего концы ломаной кривой S, т.е. начальную и последнюю активные ячейки Cb, к длине траектории максимума S, то можно численно выразить степень линейности или простоты систем. Очевидно, что наиболее простая траектория когда X/S=1. В рассмотренных нами случаях X/S изменялась от 0,32 до 0,99, превышая 0,5 в 60% случаев. Обнаружение скрытой линейной структуры неорганизованных систем дает основание для поиска факторов избранности того или иного направления развития скопления мезо-а и обосновывает векторный метод прогноза развития новых скоплений на промежуток времени до нескольких часов. Например, найденная закономерность уточняет времена появления штормов в схеме на рис.6д: при нормальном направлении развития систем в северном полушарии более южный доминирующий шторм появляется позднее, чем северный. Кроме описанных выше методов и правил потенциал концепции жизненного цикла раскрывается в главе в части обоснования общей методики мезоклиматологических реконструкций, основанный на последовательном отборе доминирующих событий и явлений (п.3.1) и поиске мезомасштабных сигналов от иерархически соподчиненных явлений (п.3.2), на обосновании перспективных климатологических исследований режима осадков, опасных явлений, включая загрязнение среды при антропогенном изменении ландшафтов (п.3.3). Комбинация векторного метода, метода доминирующих траекторий и доминирующих скоплений позволит в дальнейшем развить методы краткосрочного прогноза развития МКС (п. 5.6) Основные положения концепции используются в главе 4 для исследования мезомасштабных линий шквалов (МЛШ) Ч одного из самых удобных объектов для мезоклиматологических обобщений.а Несмотря на 28 очевидную изученность данного явления, классификации линий шквала, существовавшие к началу наших совместных с О.Ю. Ленской работ (~1994 год) описывали только отдельные морфологические, эволюционные или кинематические стороны этого явления и не могли быть использованы в оперативном прогнозе (см.п. 1.4). Исследования [2,5,9-12, 15,18,24,43,46,50] выявили, что для адекватного описания основных свойств мезомасштабных линий шквалов, наблюдаемых в различных географических регионах, необходимо сопоставление скорости смещения конвективного региона и скорости трансляционного переноса элементов линии шквалов со среднетропосферным ветром и определение компонент вектора развития. Обоснование эволюционной классификации линий шквала условно можно разделить на несколько этапов. Во-первых, это описание характеристик конвективного региона через сопоставление векторов движения, трансляции и развития конвективного региона МЛШ (п.4.1); во-вторых, исследование процесса формирования региона обложных осадков (п.4.2). На третьем этапе (п.4.3) после формулировки классификации линий шквала, основанной на величине и направлении вектора нормального развития МЛШ, показано, что она объясняет все основные проявления этого мезо-а-масштабного явления умеренных и тропических широт, в том числе образования ведомого или ведущего региона обложных осадков и асимметрию формы линии. Показано, что классификация предвосхитила появление морфологических обобщений опубликованных недавно в США (Parker, Johnson, 2000, 2004, Jirak et al., 2003 и др.), но в отличии от них свободно ассимилирует и объясняет результаты эмпирических и теоретических исследований последнего десятилетия. Использование классификации как основы для интерпретации данных доплеровского радара позволило обнаружить уникальность циркуляций сверхбыстрых и сверхмедленных МЛШ и выявить новые фундаментальные свойства мезомасштабных систем (п.4.4-4.5), позволяющие считать её первичным каркасом мезоклиматологических реконструкций. Способ определения компонент трансляции и развития МЛШ (п. 4.1) достаточно прост и по сути является расширением векторного метода для штормов на случай двумерных объектов масштаба мезо-а. Действительно, конвективный регион системы L1 можно рассматривать как двумерный объект, и вместо траектории центра локального шторма по изохронам ведущего края конвективного региона определить скорость МЛШ Vl. Поскольку конвективный регион состоит из штормов с конечным временем жизни, то по мере его смещения из исходного положения (и) со скоростью среднетропосферного потока vаа в некоторое ожидаемое положение (о) за время, прошедшее от момента /; к моменту t2 , часть штормов диссипирует, но поскольку возникнут новые, то обнаружится, что фактическое положение (ф) в момент t2 отличается от ожидаемого (рис.7а). В это отличное 29
Рис.7 Этапы эволюционной классификации линий шквала: анализ формирования конвективного (а,б,в,г) и региона зон обложных осадков (д,е,ж,з). а) Определение нормальной Vpn и параллельной Vpl компонент вектора развития. Эллипсами выделено начальное положение сегмента линии на радиолокационном изображении в момент t1, её ожидаемое положение при чистой трансляции с потоком и фактическое в момент t2. б) Примеры зрелых линий шквалов с различным расположением ЗОСО: сверхбыстрая (i), сверхмедленные(ii) и быстрая (iii). в) Связь нормальной компоненты Vmn и Vl демонстрирует, что быстрые - преобладающая форма МЛШ; г) повторяемость значений Vpn. д) Зависимость поперечных размеров региона осадков слоистообразной облачности линий шквалов от модуля вектора скорости развития МЛШ предполагает увеличение ширины ЗОСО в контуре 29 dBZ на 12 - 13 км с ростом скорости развития на 1 м/с. ло 38 МЛШ в Рио Гранде до Сул и л?15 МЛШ других регионов. е) Появление зон без осадков внутри региона обложных осадков типичной МЛШ (Vm =26 м/с из 3050 в 1250, ориентация МЛШ 3300-1500, VL?18 м/с, Vmn ?11 м/с, Vpn ?7 м/с). Зоны без осадков обозначены цифрами 1-4 и в прямоугольниках их суперпозиция относительно радара и совмещение последовательных положений (ниже). Трансляция элемента, находящегося в начальный момент (13:16) в зоне свободной от осадков, показывает, что на протяжении всех наблюдений (до 15:57) дождей из него не выпадало. =>,=>
] =>, => ж) Оценки площади осадков в жизненном цикле МКС по характерной | скорости развития S(t) (кружки и квадраты) и диссипации (треугольники). [Площади осадков МКК даны для различных порогов интенсивности от 0,25 \мм/ч до 25мм/ч (адаптировано из МсАnnelly and Cotton, 1989). Н, М, К - 'моменты начала, максимума и конца МКК. з) Возникновение асимметрии \МЛШ южного и северного полушария в связи с наличием параллельной \ компоненты вектора скорости развития, ведущей к появлению право-лево-| движущихся штормов. [5,15,43,46,50 и др.] от пассивного трансляционного смещения ведущего края линии VL свой вклад вносит как появление новых ячеек вдоль оси, так и поперек (обычно впереди) ведущего края. Переменный во времени вектор развития (вектор эволюции)аа Vp ,аа обусловленныйаа возникновениемаа новыха ячеекаа н линии шквалов, можно представить в виде двух компонент в направлении, перпендикулярном оси у и параллельном оси МЛШVаа . Рис.7 а показывает, pnpl что модули векторов нормального у и параллельного V развития могут pnpl быть получены путем сравнения между ожидаемым положением конвективного региона МЛШ в случае трансляции сегмента с потоком и его фактическим положением. Средняя скорость МЛШ представляет собой сумму векторов уа и нормальной компоненты трансляции Vmаа (рис.7 б). pnтп Скорость (нормального) развития будем считать положительной, если направление вектора у совпадает с направлением Vm , и отрицательной при противоположных направлениях. Аналогично определяется и знак Vаа . При pl такой декомпозиции (рис.7.в) сразу же обнаруживаются быстрые и медленные МЛШ, т.е. те, которые смещаются быстрее или медленнее, чем переносятся в перпендикулярном направлении потоком. Открытие, что быстрые не являются единственной формой МЛШ, означало принципиальную возможность долговременного развития линий L1 в сторону, противоположную пассивному переносу (рис.7 г), и появлению линий шквала с ведущим регионом осадков слоистообразной облачности (рис.7б, ii). Сопоставление кинематических и морфологических характеристик линий на стадии зрелости показывает, что главный индикатор возможного появления зоны осадков слоистообразной облачности (ЗОСО) в зрелой стадии МЛШ - это превышение модулем нормальной компоненты вектора развития Vpn значения ~3 м/с. Зависимость ширины региона осадков слоистообразной облачности от скорости развития Vpn в первом приближении линейная (рис.7д) и является универсальной для всех климатических зон. Регрессию на рис.7д можно интерпретировать следующим образом: максимальная ширина зоны осадков слоистообразной облачности прямо пропорциональн скоростиа развитияаа Vpn,аа умноженнойаа наа длительность 31 стадии зрелости МЛШ, приблизительно равной 3,5 - 4 часа. Например, при скорости развития Vpn =7м/с ширина ЗОСО достигнет 100 км. Это предполагает, что все элементы зоны осадков слоистообразной облачности МЛШ развиваются в тех местах перемещающейся со скоростью трансляции воздушной массы, где ранее диссипировали конвективные ячейки, т.е. появление зон обложных осадков неразрывно связано с конвекцией. Решающим доводом в пользу того, что элементы осадков слоистообразной облачности присутствуют только в местах, ранее занятых конвекцией - это наблюдения за появлением в регионе обложных осадков зон без осадков (рис.7е). Происхождение таких зон обусловлено прерывистостью развития многих МЛШ с протяженным ведомым ЗОСО. Прерывание нормального развития на промежутках времени около 1 часа на одном из участков линий и затем его возобновление приводит к возникновению долгоживущих ареалов без дождя в ведомом регионе, аналогичных зонам без осадков в типичной линии шквала (рис.7.е). Зоны без осадков, смещавшиеся со скоростью трансляции наблюдались на фоне окружающего их дождя до нескольких часов, при этом их приближение к тыловому краю медленное; оценки скорости эрозии тылового края или скорости диссипации ЗОСО дают предельную величину не более 3-4 м/с. Очевидно, что более репрезентативные оценки должны подтвердить, что скорость диссипации находится в пределах 3-4 м/с, но поскольку данная пороговая величина удовлетворительно объясняет факт, почему у большинства МЛШ с средним вектором нормального развития меньшим 3 м/с, ЗОСО в ширину не развивается - он диссипирует приблизительно с той же скоростью. Дополнение концепции жизненного цикла понятием предельная скорость диссипации обложных осадков позволяет также удовлетворительно разрешить неясные вопросы связанные с длительностью стадии диссипации мезомасштабных конвективных систем и размеров зон обложных осадков. Действительно, МЛШ - одна из форм мезокластера с периодом конвективной активности порядка 7-9 часов (и даже, возможно, один из долгоживущих представителей этих систем). Типичная МЛШ, имея скорость нормального развития 7 м/с, что близко к скорости роста 25 км/ч кластера в целом, в течение 8 часов оккупировала бы зону в воздушной массе шириной около 200 км, но мы наблюдаем ЗОСО МЛШ шириной всего 100 км. Предполагая, что обложные осадки исчезают со скоростью 3,5 м/с в течение 8 часов, получим, что к концу этого периода за счет диссипации ЗОСО уменьшится на 100 км. Для предварительных оценок можно считать, что скорость диссипации зоны осадков слоистообразной облачности Ч величина постоянная, равная половине характерной скорости развития ? 7 м/с, т.е. 3,5 м/с. Это означает, что типичная зона обложных осадков, возникшая в результате конвективной деятельности, лисчезнет примерно за время конвективного периода мезомасштабной системы. 32 Характерные скорости развития и диссипации линий шквала объясняют некоторые особенности жизненного цикла систем осадков в целом. Так, предполагая, что мезомасштабные конвективные комплексы (МКК) имеют компоненты развития и диссипации, типичные для линий шквала, можно получить вполне реалистичные оценки площадей осадков S(t) в течение жизненного цикла МКК (см. рис.7ж). Таким образом, осадки слоистообразной облачности значительной интенсивности, расположенные позади (либо впереди) конвективного региона МЛШ, отмечаются в тех местах воздушной массы, где потенциальная неустойчивость в результате конвекции частично реализована; после исчезновения глубокой конвекции процесс осадкообразования в слоистообразном регионе продолжается в течение времени, сопоставимого с периодом развития конвекции. Основываясь на направлении и абсолютной величине вектора развития Vpn , который определяет формирование и протяженность зоны осадков слоистообразной облачности, и с учетом предполагаемой диссипации ЗОСО, можно предложить эволюционную классификацию мезомасштабных линий шквала масштаба малый мезо-? [5, 9,15,43 и др.]: 1)а Быстрые линии, или линии с положительным вектором развития, Ча это линии, в которых вектор развития Vpn совпадает по направлению с нормальной компонентой средней скорости переноса Vmn. Сверхбыстрые МЛШ Ч это быстрые линии с величиной вектора развития более 3 м/с, достаточного для развития ведомой ЗОСО; 2) Медленные МЛШ, или линии с отрицательным вектором развития, Ч это линии, в которых вектор развития Vpn противоположен по направлению к нормальной компоненте средней скорости переноса Vmn. Сверхмедленные МЛШ Ч это линии с отрицательным вектором развития, абсолютная величина которого более 3 м/с достаточна для развития ЗОСО, возникающей впереди линии конвекции. Концепция жизненного цикла объясняет асимметрию МКС с позиций соотношения векторов скорости переноса и развития. В большинстве МЛШ, имеет место отрицательная параллельная компонента вектора развития Vаа . pl Средние величины модуля Vpl(~ 10 м/с) обычно больше, чем модуль перпендикулярной компоненты вектора развития Vpn, и временами достигают 20-30 м/с. Предположим, что МЛШ имеют достаточную для формирования ЗОСО нормальную компоненту вектора развития Vpn, а также значительную по величине параллельную компоненту Vpl , которая направлена противоположно составляющей вектора скорости переноса Vml. Тогда, учитывая, что перемещение конвективного региона обусловлено его непрерывным развитием, а элементы зоны обложных осадков появляются на местах, ранее занятых конвекцией, и смещаются со скоростью переноса, в конце стадии зрелости МЛШ будет иметь асимметричную форму. Посколькуаа ваа большинствеаа исследованныхаа случаеваа дляаа южного 33 полушария осадки конвективной и слоистообразной облачности смещаются со скоростью переноса с запада Ч северо-запада, то отрицательная параллельная компонента вектора развития Vpl способствует тому, что зона осадков слоистообразной облачности в сверхбыстрых МЛШ будет расположена к юго-западу по отношению к конвективному региону (рис.7з). Расположение конвективных осадков к северо-западу и северной части МЛШ в южном полушарии в противоположность распределению зон осадков в МЛШ северного полушария, является следствием общего для обоих полушарий правила: большинство мультиячейковых штормов северного полушария смещаются вправо по отношению к направлению скорости переноса, тогда как в южном полушарии Ч влево. В условиях значительной скорости переноса развитие штормов и МЛШ вдоль своей оси стремится компенсировать перенос объекта от источника тепла и влаги, движущегося с меньшей скоростью. Поэтому при прочих равных условиях степень асимметрии между ЗОСО и интенсивной конвекцией будет более выражена в условиях большей скорости переноса. Важным прогностическим потенциалом обладают исследования стадии формирования линий масштаба мезо-а показавшие, что от 50 до 75% сверхбыстрых и сверхмедленных МЛШ формируются по типу bаck building (см. рис. 1а). Классификация МЛШ - новый импульс к использованию доплеровского радара в фундаментальных исследований и прогнозе погоды (п.4.4-4.5). Проведенный анализ горизонтальных и вертикальных движений в МЛШ (рис.8) показал, что быстрая и медленная по отношению к трансляции линии имеют различный вертикальный профиль горизонтальной завихренности, и с этой точки зрения отражают различные явления, происходящие внутри МЛШ. В поле горизонтальной завихренности ? (рис. 8а) сверхбыстрой МЛШ выделяются три максимума завихренности с явной сменой знака по вертикали. В конвективном регионе отрицательная завихренность более 10-2 с-1 на нижних уровнях, очевидно, связанная с холодным оттоком выше уровня 5 км, сменяется положительной ?. Два других максимума ? расположены в передней части ЗОСО (и частично в транзитной зоне), а также в тылу области тылового втока. Можно заметить, что область положительной завихренности в средней и верхней тропосфере отделена от ее отрицательных значений узкой полосой нулевой ?, имеющей наклон 5 - 60 к поверхности земли и простирающейся до x = -80 км. В целом картина (рис. 8а) подобна описанному в 90-х годах распределению горизонтальной завихренности в зрелых МЛШ. Наклонная область отрицательной завихренности характерна для большинства быстрых МЛШ, но отдельный максимум положительной ?, расположенный вблизи переднего края ЗОСО и в транзитной зоне, ранее не обсуждался. Примечательность вертикальной структуры этой сверхмедленной МЛШ - это рост снизу вверх новых ячеек, тогда как обычно первое 34
Рис.8 Движения в квазидвумерной МЛШ сверхбыстрой V=12,7 м/с (а) и сверхмедленной V = - 4,5 м/с (б). Вверху - векторы скорости движения относительно земли в МЛШ и изолинии р/л отражаемости, dBZ; внизу - изолинии горизонтальной завихренности, с-1. ИКО быстрой линии 11января 1996 и медленной 8 ноября 1995 показаны на рис.7аа б (i-ii). Обе линии смещаются в положительном направлении оси Х. [11,22,24] радиоэхо возникает на средних уровнях, распространяясь затем вверх и вниз. Кинематическиеа структурыа медленнойа иа быстройа МЛШ различны. Усиление скорости ветра на средниха уровнях в конвективнома регионе медленной линии приводит к увеличению сдвига ветра в слое от 1 до 4 км, формируя область положительной завихренности. Выше этого слоя знак завихренностиаа меняется,аа образуяаа вихревуюаа паруаа саа положительными значениями ? в нижней тропосфере и отрицательными наверху. Различная структура завихренности ? в линиях возможно связана с тем, что на масштабах конвективной системы она определяются градиентом сил плавучести. Предположим, что положительная плавучесть, возникающая благодаря конденсации и кристаллизации частиц над ведущим (ведомым) краем линии, ведет к увеличению втока в конвективный регион, тогда в случае быстрой МЛШ он работает против переноса на средних уровнях, а в медленных, наоборот, усиливает его. В том и другом случае холодные оттоки от системы будут увеличивать абсолютную величину вектора развития и поддерживать свою вихревую пару. Отличительной особенностью представления движений в MWR является появление линии нулевых относительных движений как в конвективном, так и в слоистообразном регионе, подтверждая тот факт, что скорость переноса есть некоторая общая скорость мезомасштабной системы циркуляций. Регистрация очевидных циркуляций ?-мезомасштаба вдоль наклонной линии нулевых скоростей в сочетании с наблюдением непосредственной связи возникновения элементов ЗОСО с материнской конвективной ячейкой дает основание предполагать, что жизненный цикл этого элемента от начальной стадии на фронтальной части мезомасштабной системы до его диссипации в тылу можно описать, смещая область наблюдения со скоростью переноса и фиксируя изменения трехмерной структуры поля отражаемости и относительных движений в этом объеме, 35 прослеживая таким образом поведение этого элемента во времени. Такой взгляд на природу явления существенно отличается от традиционного представления, где существование слоистообразного региона МЛШ по сути является следствием выноса конвекцией в верхние слои тропосферы мельчайших гидрометеоров, которые, медленно падая, переносятся в тыл системы. Анализ истоков этого заблуждения показал, что оно вызвано применением системы отсчета, связанной с видимым движением ведущего края линия для одной стадии конкретной линии шквала. Сопоставление работ, касающихся циркуляций фронтов с теплой и холодной несущей полосой и циркуляций линии шквала, также показал, что, исключив искусственность первого представления и ошибочность системы координат второго, на основе MWR принципиально возможно их объединение в две модели сверхмедленной и сверхбыстрой МЛШ. В п.4.5 показано, что анализ в MWR ориентаций, угла наклона линии нулевых скоростей и направления втоков окружающего воздуха в ЗОСО позволяет идентифицировать характер развития и прогнозировать смещение дугообразных линий шквала bow echo, окклюдирующих систем, включая системы обложных осадков, нелинейные МСО, а также теплые и холодные участки квазистационарных фронтов [17-20,22-23,33,34 см. также часть III). Основой для этого является положение о пассивном переносе системы и уникальной возможности MWR-интерпретации вертикальных профилей, содержащих нулевые относительные скорости на ИДВ радара для произвольных направлений. На этих вертикальных разрезах облачности по знаку относительных движений в рамках модели для быстрых и медленных МЛШ движения, мезомасштабные потоки могут интерпретироваться как нисходящие или восходящие. Наблюдения интенсивности и направления тыловых и авангардных втоков в зону осадков слоистообразной облачности позволяют заключить, что главным условием для развития втока является само существование зон осадков слоистообразной облачности по крайней мере умеренной интенсивности. Наиболее развитый вток в виде значительного усиления скорости ветра в средней тропосфере (3-6 км) наблюдается в тылу ЗОСО сверхбыстрых мезомасштабных линий шквалов непосредственно вблизи края вторичного максимума отражаемости (т.н. ляркой линии). Развитый вток в виде ослабления компоненты среднетропосферного ветра наблюдается и в ведущей зоне слоистообразной облачности сверхмедленных систем осадков. Над областью значительных втоков в ЗОСО образуется навес слабого радиоэха, что может служить индикатором соответствующей области тыловой депрессии и связанных с нею шквалистых усилений ветра. Часть II. Принципы мезоклиматологических реконструкций. В этой части работы раскрывается научно-методический и диагностической потенциал концепции в части способов анализа разнородной информации на различных стадиях жизни МКС и её синтеза в мезоклиматологические реконструкции. 36 В главе 5 показано, что чёткое определение стадий и доступность спутниковой информации делают мезомасштабные конвективные комплексы (МКК) идеальным объектом накопления мезоклиматологических знаний об эволюции поля осадков и опасных явлениях на определенных стадиях жизненного цикла квазикруговых скоплений, а также о локальных географических факторах, обуславливающих появление мезомасштабных систем, не связанных явно с фронтами и циклонами. Реконструкция жизненного цикла МКК (п. 5.1) на основе композиционных изображений с аккумуляцией осадков в отдельных стадиях или аккумуляцией осадков для всех стадий сразу, показывает, что конвективные осадки в целом смещены вправо по потоку от центра МКК, а последовательное смещение зон конвекции с юго-запада, на юг и юго-восток от центра облачности в течение жизненного цикла МКК соотвествует жизненному циклу МЛШ. Анализ ряда работ (Тollerud, Collander, 1993, Collander, 1993 и др.) показывает, что 70% случаев ОЯП (града, смерчей и шквалов) происходят до того, как достигнут порог идентификации МКК, т.е. на стадии развития скопления штормов масштаба мезо-а. Только ливневые паводки (80%) аккумулируются в стадиях от начала развития до стадии зрелости МКК. Сопоставление (п.5.2) траекторий и центров зарождения МКК в субтропиках и умеренном поясе западного полушария, проведенное в п.5.2 показывает явные совпадения мест выпадения града, возникновения смерчей и шквалов и центров зарождения штормов - предвестников МКК - с подветренными областями меридионально вытянутых хребтов. Во всех случаях, в т.ч. в восточном полушарии, места повышенной частоты зарождения МКК и ряд градовых областей совпадают с увеличением частоты наблюдений устойчивых струй нижних уровней, которые, как известно, являются одним из необходимых условий развития интенсивных локальных штормов. Взрывное возникновение штормов наблюдается, когда на струю нижних уровней, несущую влагу, накладывается струйное течение выше 500 гПа с адвекцией сухого воздуха. Подобная ситуация наиболее часто встречается в регионе субтропического струйного течения верхних уровней, расположенного приблизительно на 30? северной и южной широт при адвекции влаги из тропиков, как следствие муссонной циркуляции. Сопоставляя стадии МКК и наблюдаемые явления можно заключить, что МКК следует отнести к мезо-а кластерам, длительность существования, ночной образ жизни и топографические преференции которого обусловлены региональной интенсивностью струи нижних уровней. Это не исключает, очевидно, возникновение МКК в аналогичных условиях, например, на квазистационарных фронтах. В п.5.3 показано, что подход жизненного цикла Griffith et al., 1978, Negri, Adler, 1987, Scofield, 1987, Кidder, Haar, 1996 с попыткой выделения активных сегментов облачного щита, обладающих потенциалом нового развития,аа наиболееаа адекватенаа дляаа спутниковыхаа оценокаа конвективных 37
Рис.9 Диагноз осадков мезомасштабных систем по соседним спутниковым ИК изображениям.аа а)аа Определениеаа области развитияа APа поаа двумаа соседним снимкам.аа б)аа Примераа композиционногоаа изображенияа линииаа шквал [14], светлый тон- поздний и темный -более ранний по времени снимок (? =3 часа ). осадков.аа Ваа п.5.4аа описана предложенныйа иаа опробованныйаа [8,14]аа метод селекции конвективных и обложных осадков по данным геостационарных ИК снимков GOES и Meteosat. Суть метода проста: на двух последовательных снимках выделяются зоны облачности с температурами ниже -65?С (208К, далее - спутниковые площади AS). Для оценки области развития МКС к данному моменту времени T на соответствующий снимок накладывается более ранний (старый) снимок Т-?, сдвинутый со скоростью пассивной трансляции ячеек на расстояние V х А. Результирующая разница площадей AS считается регионом нового развития AР за последнее время (рис. 9). В качестве теста [14] по спутниковым данным с временным разрешением 1-3 часа было определено развитие 26 интенсивных и умеренных мезомасштабных систем осадков, наблюдавшихся в радиусе 480 км от радара г.Пелотас в январе-апреле 1996 г. В целом было получено удовлетворительное совпадение направления появления новых площадей Ap на северо-запад, север и северо-восток МКС, определенное по спутниковым данным по отношению к радарным данным. При сравнении площадей радиолокационных осадков AR (Z>30 dBZ) систем, находившихся на стадии макcимального развития, в интервале 15 минут от момента определения площади AS было обнаружено, что AS практически совпадает с площадями осадков > 2-3 мм/ч интенсивных систем, но в 2 раза превышает AR более умеренных конвективных полос и ливней. Площади нового развития за 3 часа составляют 30-40% от исходной площади, что дает оценки конвергенции 3-5?10-5 с-1, сопоставимые с оценками, сделанными нами для а-кластеров (глава 3). При этом площадь нового спутникового развития составляет от 45 до 65% от области, занятой осадками для интенсивных и умеренных систем. Для применения в диагнозе осадков по спутниковым данным из локального скопления предложено выделить три области 1,2,3 (см. рис.9), которые соответствуют при трехчасовом смещении первая - свежей области развития Ap с конвективными осадками от умеренных >3 мм до сильных 15 мм/ч, вторая - область перекрытия двух изображений с обложными осадками (1-3 мм/час), и третья - область диссипации облачности с осадками < 1 мм/ч. 38 Обобщение условий возникновения скрытой линейной структуры комплексов локальных штормов, реконструкции жизненного цикла мезомасштабных комплексов, анализ ряда работ (Corfidi, 1998, Corfidi, 2003) позволяет на основе представлений о сверхбыстрых и сверхмедленных линиях шквала обосновать в п.5.4 векторный метод краткосрочного прогноза движения мезомасштабных систем, использующий трансляцию и свойство параллельного развития скоплений компенсировать нижнеуровневый вток. Подход концепции жизненного цикла, нацеленный на выделение доминирующих пространственных и временных мод, а также соответствующих им стадий мезомасштабных явлений, можно с успехом применять для широкого спектра мезоклиматологических реконструкций. В главе 6 этот метод использован в анализе данных национальной сети грозоотметчиков Бразилии для обосновании мезоклиматологии гроз между 10-35? ю.ш. и 35-75? з.д. Южной Америки (1998-2001г.) [26-29, 32,35 и др.]. В [35] продемонстрировано, что грозовая активность в течение дождливого и сухого сезона концентрируется в доминирующие пакеты двух или более дней, которые следуют один за другим с интервалами 14, 28 и 45 дней, отражая волноподобные внутрисезонные тропические осцилляции типа Маддена-Жулиана и др. Исследование композиционных изображений доминирующих временных мод показало, что пакеты грозовой активности обусловленыа несколькимиа устойчивымиа типамиа сезонных крупномасштабных циркуляций, среди которых наиболее отчетливо выделяется Южно-Атлантическая Зона Конвергенции между 20-25? ю.ш. (ЮАЗК), формирующая очаг гроз в юго-восточной части Бразилии, струя нижних уровней, формирующая меридиональную полосу активности вдоль предгорий Анд от 15 до 25?, субтропический и полярный фронты, ответственные за квазиширотную полосу гроз примерно на 30?ю.ш. На фоне структур, сформированных крупномасштабными циркуляциями, в годовых и сезонных аккумуляциях гроз выделяется несколько мезо-а- масштабных очагов конвективной активности: с поздней весны до начала осени активны полицентричный очаг в юго-восточной Бразилии (ЮВО) и два центра, локализованных к востоку от Анд в Боливии, юго-восточнее озера Титикака, и на севере Аргентины, в Аргентинском Чако (рис. 10а). Другой почти круглогодично активный, но менее обособленный в пространстве, очаг имеет форму языка, вытянутого с северо-востока на юго-запад в междуречье рек Парана, Парагвай и Уругвай приблизительно к 30? ю.ш. и 58-60? з.д., где объединяется с известной зоной циклогенеза севернее залива Ла-Плата. В целом активность конвекции концентрируется на континенте (рис.10б), ослабевая над поверхностью океана. Особенно выражен грозоподавляющий эффект над прибрежной зоной подъема холодных вод. Среди прочего обнаруживаются явные квазиширотные полосы увеличения 39
Рис. 10 Очаги грозой активности в тропиках и субтропиках Южной Америки [35]. Положение очагов с устойчивыми (I, II) и мигрирующими центрами (III-IV) и полицентричного очага V определено на основе сравнения сезонных и годовых аккумуляций гроз, подобных картине (б); б) аккумуляция за 2000г, изолинии показывают количество разрядов в год на км2; уменьшение числа разрядов относительно центра карты обусловлено затуханием сигналов гроз с расстоянием. На врезке в) показано положение локальных центров макроочага гроз V в юго-восточной Бразилии-столице гроз субконтинента. частотыаа грозаа надаа океанами,аа чтоаа отражаетаа ЮАЗКаа иаа зонуаа активного циклогенеза на 30-35? ю.ш. Исследование пространственной миграции доминирующих месячных максимумов грозовой активности масштаба мезо-? на территории Бразилии обнаруживает летние колебания интенсивности внутри полицентричного юго-восточного очага, широтные колебания в апреле-мае с пиком активности ЮАЗК и заключающие своеобразный цикл зимне-весенние квазимеридиональные колебания активности в языке гроз междуречья. Обнаруженные пространственно-временные колебания центров активности необходимо учитывать при исследованиях плювиометрического режима и поиске дальних связей в тропиках и субтропиках. К новому географическому факту следует также отнести обнаружение в ЮВО в пределах 21-23? ю.ш. и 42-48? з.д. концентрацию гроз на склонах гор, окружающих межгорную долину на юге штата Минас-Жерайс с юго-востока и юго-запада. В этих центрах, активных с декабря по март, обнаружены три ядра с экстремальной интенсивностью более 20 разрядов на км2 в год, которые окружают локальный минимум менее 8 разрядов на км2 в год, очевидно, связанный с подавлением штормовой активности под влиянием обширных поверхностей крупных водохранилищ (рис. 10.в). Исследование пространственно-временного распределения полярностей токов показало, что в годовом количестве преобладают отрицательные разряды (85%) облако-земля. Совпадая с усилением циклонической активности в августе-сентябре на юге страны, в холодный сезон и раннюю весну вклад положительных полярностей возрастает до 20 и более процентов. Обнаружены локальные максимумы и минимумы относительного числа положительных разрядов, связанные с обсуждаемыми выше очагами гроз. В главе 7 на основе исследования временной эволюции приземного давления, осадков, температур и ветра и их сравнения с радиолокационными 40 данными [21,44,45] решается задача реконструкции типов и стадий шквалоопасных мезомасштабных систем. Совместно с O.Ю. Ленской (см. Ленская, 2006) показано, что в порядке такой реконструкции следует придерживаться морфолого-эволюционной схемы п.2.4. На примере многолетней выборки шквалистых усилений на юге Бразилии показано, что реконструкцию необходимо начинать с сопоставления шквалов с наличием конвективных и обложных осадков (п.7.1), а затем уточнять типы линий шквала и локальных штормов, используя для этого особенности изменения приземного давления (п.7.2). Представление холодного оттока МЛШ как плотностного потока (п. 7.3) позволяет обосновать связь между максимальной скоростью ветра у земли и скоростью МЛШ в зрелой стадии. Дальнейшее разделение шквалов производится по форме кривой изменения давления на основе уточнения известного метода Т. Фуджиты, который позволяет реконструировать тип и стадии мезомасштабных систем, генерирующих шквалы (п. 7.4). Результаты главы используются в п.10.1-3. Часть III. Мезомасштабное прогнозирование. Эта часть работы представляет концепцию жизненного цикла как исходный способ оформления, организации и развертывания дисциплинарного знания - мезомасштабного прогноза осадков и опасных явлений погоды. В первую очередь показана роль концепции жизненного цикла в вопросах, касающихся процесса накопления индивидуального опыта использования и уточнения действующего набора правил прогноза опасных явлений, формулировки новых правил и алгоритмов, их ассимиляции в единую экспертную систему прогноза. В главе 8 продемонстрирован потенциал концепции сочетаться с оценками и прогнозами любой заблаговременности и объединять различные правила в единую систему с помощью обоснованного универсального алгоритма географических оценок и прогнозов. В п.8.1 с позиции концепции анализируются теоретические аспекты прогноза опасных явлений, показана возможность выделения основных и специфических факторов развития штормов (неустойчивость, сдвиг ветра, спиральность и т.д.). В п.8.2 обсуждаются мультипликативные прогностические индексы разработанные на основе действия этих факторов. Отмечена тенденция к введению в индексы новых комбинаций факторов. Показано, что логике доминирующих штормов отвечает энергоспиральный индекс и его производные формулы, использующие скорость доминирующих штормов и трансляции. В п. 8.3 проведен анализ алгоритмов прогнозирования в метеорологии и экологии, приводящих к вероятностным оценкам. Обоснована необходимость и возможность введения универсального аддитивного алгоритма оценки степени воздействия на среду и географических прогнозов. Сущность алгоритма заключается в том, что любое воздействие или фактор прогноза выражается измеренным или вычисленным аналитически значением хj, а степень его воздействия на компоненту среды описывается через произвольные функциональные зависимости fij(xj). Если мы имеем дело с 41 диагнозом состояния, то функции fij(xj) можно назвать функциями качественного состояния среды; если производится прогноз состояния, то это нормированные прогностические функции. Значения fij(xj) - это вероятность времени и места появления события или его интенсивность в интервале [0, 1]. Суммируя значения функций fij(xj), вычисленные для всего набора предикторов х1, xn, взвешенных на веса ?ij , получим степень изменения i-й компоненты среды или системы (отражаемости, температуры, скорость ветра и т.д.) под действием факторов среды: j=N K iаа =У]аа ^-ijfij (xj ) Ранжируя Ki по степени вклада в изменение состояния системы в целом, в том числе и в зависимости от времени, можно получить аналог вероятности текущего состояния системы или её изменений. Универсальность алгоритма заключается в следующем. Это простой и эффективный алгоритм обработки контрольных списков, который учитывает многофакторность изменений текущего и будущего состояния. В прогностические функции можно заложить правила прогноза в любой форме. Сочетая объективность и отсутствие многократного выбора двоичных альтернатив, без требований к размеру экспериментальных выборок, необходимых для устойчивых статистических оценок или для обучения экспертной нейронной сети, алгоритм при нехватке или избытке исходной информации способен настроиться на новый набор данных. Апробация алгоритма [47, 49 и др.] для оценки степени антропогенного воздействия, показала, что аддитивный алгоритм путем сочетания пространственных полей антропогенных нагрузок и компонент природных ландшафтов может ассимилировать весь спектр методов экологического картографирования и ОВОС. В п.8.4 показано, что используемые в современных экспертных сетях сверхкраткосрочного прогноза (Mueller et.al., 2003, Wilson et.al., 2004) алгоритмы нечеткой логики в прогнозе погоды являются частным случаем применения аддитивного алгоритма. В п.8.5 кратко обсуждаются: а) возможности адаптации экспертных систем прогноза осадков к имеющимся средствам наблюдения и типам прогноза; б) вопросы о сиcтеме весов для оценки роли предикторов в развитии конвективной облачности; в) дополнение набора правил результатами нашего исследования. Оптимизм в повышении качества мезомасштабного прогноза после создания описанного нами экспертного метода основан на следующем. При внутреннем различии подходов конечные формы представления результатов экстраполяционного прогноза и численного моделирования одинаковы. Во- первых, нами показано, что современные методы ассимиляции экспертных оценок уже повысили качество статистической экстраполяции текущей погоды, и их можно рассматривать как объективные процедуры. Во-вторых, физико-статистическаяа интерпретацияа результатова численного моделирования, страдающего среди прочего незавершенностью теории облачных процессов и неполнотой начальных условий (Rapid Updated Cycle- 42 2, Storm PredictionЕ, 2009), по существу тоже является экспертной оценкой. Поэтому после пространственно-временной селекции масштабов и согласования вероятностных формулировок результаты обоих методов можно использовать в экспертной системе. Такая экспертная система наиболее актуальна в прогнозе конвективных осадков, где качество прогноза заметно ниже, чем прогноза погоды в целом. Алгоритм мезомасштабного прогноза не исключает возможности включения в экспертную систему дополнительных слабоформализованных правил и индивидуального опыта. В этом случае повышается значение понятийной базы концепции, как основы для непротиворечивого определения элементов, стадии, формы организации и других характеристик мезомасштабной конвективной системы, без которых обобщение опыта в виде эмпирических прогностических правил немыслимо. Процесс формирования комплекса правил сверхкраткосрочного прогноза эволюции поля осадков и опасных явлений погоды показан в главах 9-11. В главе 9 на примере использования данных сетей грозоотметчиков в наукастинге [26-29, 32] демонстрируется конструктивная сторона концепции жизненного цикла, позволяющая организовать процесс освоения новых дистанционных данных и адаптации прогностических правил. В п. 9.1 производится сопоставление масштабов и интенсивности электрической активности шести архитипов мезомасштабных систем осадков (МСО), выделяемых по радиолокационным данным. Показано, что масштаб грозовой активности ~ 300 км согласуется с областью развития МСО, выделяемой по радиолокационным данным [32]. Дополнительно найдено, что электрическая активность систем быстро возрастает по мере увеличения площадей конвективных элементов и их высот в области отрицательных температур, но удельная площадная и объемная активность наиболее интенсивного региона систем различается не более, чем в два-три раза. В рамках исходных понятий жизненного цикла в п.9.2. проведена интерпретация композиционных полей грозовых разрядов с временным разрешением 0,5-2 часа и геостационарных спутниковых изображений облачности в ИК диапазоне для диагноза типа и эволюции теплых и холодных участков фронтов [32]. Показано, что совмещение этих двух типов информации и привлечение для оценки стадий развития систем временных графиков грозовой активности и изменений полярности разрядов скоплений может в определенной мере компенсировать отсутствие радарных данных. Перспективы определения скоростей и трансляции штормов и линий шквала на базе техники цветовой визуализации полей [29] представлены в п.9.3. Основные принципы концепции используются в главе 10 для разработки и уточнения эмпирических правил мезомасштабного прогноза шквалоопасных систем. Как форма информационной подготовки специалиста в п. 10.1 приведен анализ дугообразной системы масштаба мезо-ос облачной запятой [19] и демонстрация коррекции прогноза шквалов быстрых линий. В п. 10.2-3 иерархический принцип применен в анализе 43 возможных сочетаний шквалистых порывов и дугообразных форм радиоэха bow-echo. Показано, что время жизни и масштабы дугообразных систем в недавних классификациях (например, Кlimowski et al., 2004) полностью соответствуют иерархии элементов а-кластера (рис. 4). Сделан вывод о связи формы и эволюции шквалоопасных систем масштаба большого и малого мезо-?. Условия возникновения derecho интенсивных долгоживущих линий шквала масштаба мезо-а обсуждаются в п. 10.4-5. Показано, что основная задача прогноза derecho - это определение компонент трансляции и развития. Как серийные, так и поступательные derecho в США - это быстрые линии, а в 75% случаев - сверхбыстрые. Далее обоснована необходимость соблюдения сезонной региональной и стадийной однородности выборки для климатологических реконструкций шквалоопасных систем. В частности показано, что условия для обширных и разрушительных шквалов серийных derecho создаются сразу вслед за стадией циклонического возмущения, благоприятной для смерчеопасных локальных штормов. Это предполагает, что детализация крупномасштабных условий возникновения различных опасных явлений может отражать две последовательные стадии жизни одного и того же типа МКС. Отмечены два новых аспекта потенциального применения концепции жизненного цикла в прогнозе: 1) концепция вырабатывает простые ладдитивные прогностические правила последовательно сочетающие масштабы явлений одинаковой природы, обосновывая таким образом универсальность аддитивного алгоритма; 2) концепция по существу является новой формой информационной и психологической подготовки специалиста. Будучи философией гибкого прогноза, концепция позволяет быстро по кирпичам разбирать старые и строить на твердом фундаменте новые схемы прогноза. В главе 11 на основе концепции обсуждается паводковый потенциал отдельных типов систем и рассматриваются способы их предсказания. В п. 11.1 описаны мезомасштабные компоненты прогноза сумм осадков и обсуждены радиолокационные методы оценки интенсивности осадков. В п. 11.2 сформулированы общие правила прогноза поля осадков. Представлено схематическое руководство [41] к прогнозу пространственно-временной эволюции скоплений линейного и квазикругового кластера в движущейся воздушной массе, основой которой является свойство запрета на регенерацию скоплений [7,41]. В п.11.3 описаны способы локализации паводков, связанных со стационированием доминирующих локальных штормов [23 и др.]. В п.11.4-5 рассмотрены особенности структуры продольных и поперечных циркуляций стационарных фронтальных систем дающих суммы осадков более 50 (100 мм) за 12-24 часа. В сочетании с аккумуляцией зон осадков в движущейся системе координат и анализом доплеровских сечений исследованы периодические возмущения масштаба мезо-? на фронтах и обсуждается применение MWR в оценке направления смещения полос стационарных фронтов [33, 34]. 44 Заключение. Завершая описание результатов работы подчеркнем некоторые перспективы, открываемые концепцией жизненного цикла. Концепция имеет общенаучную значимость, выражаемую в модели эволюции а-кластера и обнаруженных закономерностях развития мезомасштабных конвективных систем, её методический, диагностический и прогностический потенциал раскрывается в методах анализа и прогноза. Можно уверенно сказать, что потенциал концепции жизненного цикла далеко не исчерпан. В частности, концепция проливает свет на вопросы о модах распространения и факторах, ограничивающих размеры и время жизни конвективных скоплений, позволяет подобрать ключи к пониманию роли гравитационных волн в возникновении глубокой конвекции и значения тылового втока и мезомасштабного вихря средних уровней в развитии региона обложных осадков, к другим актуальным вопросам мезометеорологии (см. Houze, 2004). Работы последнего времени свидетельствуют, что методические принципы концепции успешно используются для классификации и прогноза мезомасштабных систем конвективной облачности (Jirak, Cotton, 2007, Storm et al., 2007, Соniglio et al. 2007, Cohen et.al., 2007, Engerer et.al., 2008 и др.). Все это позволяет говорить о том, что практически сформировано новое направление эмпирических исследований, которое по аналогии с динамической климатологией (Glossary of Metеorology, 1959, 1998) можно назвать динамической мезомасштабной климатологией - климатологией динамики и термодинамики мезомасштабных атмосферных систем, где климатологический подход применяется к объекту исследований -мезомасштабным циркуляционным системам, а предметом является изучение иерархических взаимодействий между слагающими эту систему отдельными элементами и переходов между стадиями жизни систем. Научно-практическим результатом этой отрасли метеорологии являются динамические мезоклиматологические реконструкции, в том числе реконструкции жизненного цикла мезомасштабных систем конвективной облачности - описание сценария их поведения в пространстве и во времени. В отличие от других предлагаемый способ реконструирования основан на сопоставлении поля осадков с морфолого-эволюционной классификацией систем осадков, классификацией типов развития линий шквала и локальных штормов, базирующихся на объективном определении физических параметров, типов и стадий жизни систем. Очевидно, что такой способ обобщения информации имеет собственное значение для метеорологии. С другой стороны эволюционно-иерархические принципы концепции жизненного цикла мезомасштабных систем, лежащие в основе этих обобщений, успешно используются в экологии и природопользовании [47-49 51 и др., Приложение 2]. Автор надеется, что разработанные им подходы к анализу природно-антропогенных систем помогут становлению новой формы организации знаний в естественных и гуманитарных науках. 45 Основными положениями выносимыми на защиту являются: Эмпирическое обобщение дистанционных и традиционных метеонаблюдений эволюции мезомасштабных систем конвективных и обложных осадков, выраженное в концепции жизненного цикла системы масштаба мезо-а, которая описывает основные мезомасштабные элементы этих систем, их пространственно - временную иерархию и квазипериодическое взаимодействие. Новые способы обобщения эмпирических данных: единая морфолого-эволюционная классификация систем осадков по радиолокационным данным на шесть типов в зависимости от интенсивности и структуры радиоэха, и эволюционная классификация линий шквала, основанная на сопоставлении нормальных компонент развития и трансляции и объясняющая все возможные формы линий шквала. Оригинальные методы анализа и интерпретации радиолокационных данных: метод доминирующих штормов, основанный на композициях в различных системах координат, и метод анализа доплеровских скоростей, основанный на компоненте трансляции, комплекс вспомогательных способов анализа спутниковых данных, приземной информации и данных сетей грозопеленгации; способ мезоклиматологической реконструкции МКС и обобщение векторного метода прогноза движения МКС. Впервые описанные характеристики и впервые обнаруженные закономерности поведения мезомасштабных систем обоих полушарий:
46
Кроме этого обоснован метод сверхкраткосрочного прогноза опасных явлений погоды с использованием алгоритма суммирования вероятностных оценок, которые генерируются опытными прогностическими правилами, возникающими в процессе динамической реконструкции жизненного цикла мезомасштабной системы конвективной облачности. Вероятностный прогноз, получаемый и обновляемый в ходе распознавания типа и стадии развития мезомасштабной системы конвективной облачности можно объединить с традиционными технологиями экстраполяционного прогноза, численного моделирования и другими способами прогнозирования любой заблаговременности. В качестве способа объединения результатов прогнозов предполагается использовать понятийный аппарат концепции жизненного цикла, формирующий вместе с методами динамической реконструкции и универсальным аддитивным алгоритмом единую экспертную систему, определяющую практическую значимость нашей работы. 47 Основные положения диссертации изложены: 1.Abdoulaev, S.. Evoluзao e hierarquia das aglomeraзхes de cumulunimbi. Parte 2: Evoluзao do ?-cluster e oscilaзoes da intensidade. Anais VIII Congresso Brasileiro de Meteorologia, II Congresso Latino-Americano e Ibйrico de Meteorologia, 1994, Belo Horizonte-MG, de 18 a 25 de Outubro de 1994, v2, p.251-254 2. Abdoulaev, S., A. Starostin, D. P. Casarin, O. Lenskaia O., V.M. Oliveira, T. Starostina. Estudo preliminar das linhas de convecзгo observadas no Estado do Rio Grande do Sul., там же, 1994, p.301-304 3.Abdoulaev, S., A. Starostin, D. P. Casarin. Evoluзгo da convecзгo profunda associada a uma frente fria. Parte III: O campo de escala meso-? da convergкncia., там же, 1994, p.203-206 4.Abdoulaev, S., Evoluзao and hierбrquia das aglomeraзхes de Cumulonimbus. Revista Brasileira de Meteorologia, 1995, v10, n1, Sгo Paulo, p.1-9. 5.Abdoulaev, S., O. Lenskaia. Linear mesoscale convective system in Southern Brazil. Prepr. of 7th Conf. on Mesoscale Proc., United Kingdom, 9-13 September, 1996, Reading UK, 1996, p.479-481 6.Abdoulaev, S., A. Starostin. Internal structure of non-line mesoscale convective system in Southern Brazil. там же, 1996, p.507-508. 7.Starostin A., S. Abdoulaev. Forecast of storm dissipation.там же, 1996, p.399-400. 8.Abdoulaev, S., Y. Yamasaki, J. Marques. Propagaзгo e dissipaзao dos sistemas de mesoescala. Anais IX Congresso Brasileiro de Meteorologia, 1996, Campos de Jordгo, 6 a 13 Novembro de 1996,-Rio de Janeiro, 1996, Radiacao, Meteorologia por Satelite, 1996, v1, p. 587-589. 9.Abdoulaev, S., O. Lenskaia. Linhas de convecзгo severa. Parte 1:> там же, Meteorologia sinotica, 1996, v2, p. 1271-1275. 10.Abdoulaev, S., O. Lenskaia. Linhas de convecзгo severa. Parte 2: Causas e consequкncias das variaзхes da velocidade. там же, Meteorologia de mesoescala e quimica atmosferica,1996, v2, p. 871-874. 11.Abdoulaev, S., O. Lenskaia. Linhas de convecзгo severa. Parte 3: Estrutura cinemбtica. там же, v2,1996, p. 875-877. 12.Abdoulaev, S., O. Lenskaia. South Brazilian squall lines: variations of propagation. Prepr. of 28th Conf. on Radar Meteorology, 1997, Austin, USA, 7-12 September 1997, p. 592-593 13.Abdoulaev, S., A. Starostin, O. Lenskaia, R. G. Gomes. Mesoscale precipitation systems in Rio Grande do Sul. Part 1: General characteristics and> там же, 1997, p. 487-488 14.Lenskaia, O., J. Marques, S. Abdoulaev. Mesoscale precipitation systems in Rio Grande do Sul. Part 2: Synoptic and satellite overview.там же, 1997, p. 489-490 15.Abdoulaev, S., O. Lenskaia. Evoluзгo das linhas de convecзгo severa. Parte 1. > precipitaзхes no Rio Grande do Sul. Parte 1:> mesoescala de precipitaзхes. Rev. Brasileira de Meteor., 1998, v13, n2, p. 57-74 48 17.Abdoulaev, S.. Movimentos em sistemas convectivos de mesoescala lineares acompanhados por precipitaзoes estratiformes. Parte 1. Sistemas Estacionбrios. Anaisа Xа Congressoа Brasilieiroа deа Meteorologia,а 1998,а VIIIа Congressoа da Federacao Latino-Americana e Ibйrico de Sociedades de Meteorologia, de 26 a 30 de Outubro de 1998, Brasilia ММ9802, 1998, р. 6-10 18.Abdoulaev, S.. Movimentos em sistemas convectivos de mesoescala lineares acompanhados por precipitaзoes estratiformes. Parte 2. Linhas de Convecзгo Severa. там же, MM98003, 1998, р.11-15 19.Abdoulaev,а S..аа Interpretaзaoа dosа movimentosа emа sistemasа convectivosа de mesoescala de organizaзгo complexa. Parte 1. Exemplo de analise do sistema assimйtrico УVнrgula BorealФ.там же, MM98004,1998, р.16-20 20.Abdoulaev,а S..аа Interpretaзaoа dosа movimentosа emа sistemasа convectivosа de mesoescalaаа deаа organizaзгoаа complexa.аа Parteаа 2.аа Sistemasаа comаа propagaзгo multidirecional. там же MM98005, 1998, р.21-25 21.Abdoulaev, S., O. Lenskaia. Uso de radar em localizaзгo das rajadas de vento na superfнcie. там же, I Seminario Brasileiro de Meteorologia por Radar, 1998, p.1-6 22.Abdoulaev, S., O. Lenskaia. Structure of motions in linear mesoscale convective systems accompanied by stratiform region. Prepr. 8th Conf. on Mesoscale Proc., Boulder, Colorado, 1999, p.113-114 23.Abdoulaev, S., O. Lenskaia, A. Zhelnin. Mean wind relative motions and typical evolution of mesoscale convective systems having complex organization. там же, 1999, p.115-116 24.Abdoulaev, S., O. Lenskaia, V. S. Marques, F.M.A. Pinheiro. Relative motions in squall lines accompanied by stratiform region. Brazilian Journal of Meteorology, 2000, v15, n2, San Paulo, p. 87-102 25.Abdoulaev, S., A. Starostin, O. Lenskaia. Severe local storms in Southern Brazilian non-line convective systems. Prepr. 20th Conf. on Severe Local Storms, Amer. Met. Soc., 11-15, September 2000, Orlando, Florida, 2000, p. 84-85 26.Abdoulaev, S., V. S. Marques, F. M. A. Pinheiro, E. F. A. Martinez, O. Lenskaia. An exploratory study of lightning activity on Southeast and South of Brazil. там же, 2000, p. 110-111 27.Abdoulaev, S., V. S. Marques, F. M. A. Pinheiro, E. F. A. Martinez, O. Lenskaia. Descargas а terra em sistemas de mesoescala. Parte 1. Campos acumulados das descargas vs. radar e satelite. Anais XI Congresso Brasileiro de Meteorologia, Rio de Janeiro, 16-20 de outubro de 2000, 2000 , p.1790-1799 28.Abdoulaev, S., V. S. Marques, F. M. A. Pinheiro, E. F. A. Martinez, O. Lenskaia. Descargas а terra em sistemas de mesoescala. Parte 2. Variaзao da intensidade da tempestade vs. polaridade de descargas. там же, 2000, p.1800-1808 29.Abdoulaev, S., O. Lenskaia. Descargas а terra em sistemas de mesoescala. Parte 3. Monitoramento das tempestades severas. там же, 2000, 1656-1664 30.Abdoulaev, S., A. Starostin, O. Lenskaia. Mesoscale precipitation systems in Rio Grande do Sul. Part 2: Thunderstorms in non-line mesoconvective systems. Brazilian Journal of Meteorology, 2001, v16, n1, San Paulo, p.101-114 49 31. Abdoulaev, S., A. Starostin, O. Lenskaia. Mesoscale precipitation systems in Rio Grande do Sul. Part 3: Structure and evolution of non-line mesoconvective systems. Brazilian Journal of Meteorology, 2001, v16, n2, San Paulo, p.87-102 32.Abdoulaev, S., V. S. Marques, M. A. Pinheiro, E. F. Martinez, O. Lenskaia. Analysis of mesoscale system using cloud-to-ground flash data. Brazilian Journal of Geophysics, 2001, San Paulo,v.19, n1, p. 75-95 33.Abdoulaev, S., O. Lenskaia, V. S. Marques, F.M.A. Pinheiro. Doppler radar study of quasi-stationary mesoscale frontal systems. Part 1: Periodical structures. Brazilian Journal of Meteorology, 2002, San Paulo, v17, n1, p. 53-68 34.Abdoulaev, S., O. Lenskaia, V. S. Marques, F.M.A. Pinheiro. Doppler radar study of quasi-stationary mesoscale frontal systems. Part 2: Transversal movements. Brazilian Journal of Meteorology, 2002, San Paulo, v17, n1, p. 69-82 35.Abdoulaev, S.. Oscilaзoes intrasazonais e centros de aзгo das tempestades com descargas nuvem-terra na America do Sul. Anais XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, 2002, Foz de Iguaзu, Parana, 4-9 Agosto de 2002, p.1027-1052 36.Абдуллаев, С.М., В.С Швецов. О спектре временных температурных рядов приземного слоя атмосферы. Активное воздействие на атмосферные процессы в Молдавии, 1989, Кишинев, Штиинца, 1989, т.2, с. 129-134 37.Абдуллаев, С.М., В.С. Швецов Связь временной изменчивости интенсивности поля кучево-дождевых облаков с колебаниями температуры приземного слоя атмосферы. там же, т.2, 1989, с. 48-54 38.Абдуллаев, С.М, А.А Матюшкин. Некоторые особенности пространственно-временной эволюции больших мезомасштабных зон осадков в стадии их доминирования. Активные воздействия на градовые процессы и перспективы усовершенствования льдообразующих реагентов для практики активных воздействий. Труды Всесоюзного семинара. М. Гидрометеоиздат, 1991, с. 102-108 39.Абдуллаев, С.М. Стационарные зоны конвергенции приземного ветра масштаба мезо- ?: пространственно-временные характеристики. Активное воздействие на атмосферные процессы в Mолдове. т.3, Кишинев, 1992. с. 122-135 40.Абдуллаев, С.М., В.А. Буйницкий., A.Н Старостин., В.С. Швецов. Анализ временного хода интенсивности облачных систем и термодинамических параметров приземногоа слоя.аа Активноеа воздействиеа на гидрометеорологические процессы. Труды Всесоюзной конференции. Л.: Гидрометеоиздат, 1990, с. 185-189 41.Абдуллаев, С.М Эволюция и иерархия скоплений кучево-дождевой облачности. Диссертация кандидата физико-математических наук, рук. А.А. Желнин, Гидрометцентр РФ, Москва, 1992, 206 с. 42.Абдуллаев, С.М, Н.С. Арская, А.А. Желнин. Влияние полей конвергенции приземного ветра на интенсивность осадков скоплений Cb. Метеорология и гидрология, 1994, №.8, с.33-37 43.Абдуллаев, С.М., О.Ю. Ленская. Эволюционная классификация мезо-масштабных линий шквала. Метеорология и гидрология, 1998, №.3, с.24-32 50 44.Ленская, О.Ю, С.M. Абдуллаев. Использование доплеровского радара и данных наземных наблюдений для изучения и прогноза шквалов. Вестник Челябинского университета, 2005, Выпуск 1, №1(1), с.131-143 45.Ленская, О.Ю., С.M. Абдуллаев. Метод реконструкции типа мезомасштабных систем осадков, по особенностям изменения приземного давления. там же, 2005, с.143-151 46.Абдуллаев, С.М., О.Ю. Ленская. Жизненный цикл мезомасштабных конвективных систем: наблюдения, анализ, прогноз, Международная конференция по проблемам гидрометеорологической безопасности. Москва, 26-29 сентября 2006, 2006, с. 75 47.Абдуллаев, С.М. Модели экологической оценки и управление природопользованием. Вестник Челябинского университета, 2007, Выпуск 2, №6(84), с. 7-20 48.Абдуллаев, С.М., О.А. Магазов. Концептуальные основы региональной политики в сфере охраны окружающей среды. там же, 2007, №6(84), с. 21-31 49.Абдуллаев, С.М., Е.Г. Кораблева, Ю.А. Сапельцева, Е.А. Егорова, В.А. Бабинцева, Е.А. Неверова. Оценка жизненного цикла природно-антропогенных систем. Вестник Челябинского университета, 2008, Выпуск 3, №17(118), с. 41-52 50.Абдуллаев, С.М., А.А. Желнин, О.Ю. Ленская. Жизненный цикл мезомасштабных конвективных систем. Метеорология и гидрология, 2009, №5, с. 34-45 51.Абдуллаев, С.М., И.В. Грачева, Ю.А. Сапельцева, С.Г. Агеев. К вопросу о локальном и региональном уровне загрязнении атмосферы. Вестник Челябинского университета, 2010, Выпуск 4, №8 (189), с. 5-10
|
Blog
Home - Blog
120 км /I /Южная Атлантика
Рис.2 Эволюция мезомасштабной конвективной системы 24/01/1995:
Интенсивность МКС и её доминирующих элементов
I L1а -
30
