Использование доплеровского радара и данных наземных наблюдений для изучения и прогноза шквалов

также резким изменениям климатических условий делают эти культуры незаменимыми для городского озеленения, оправдывают все материальные затраты.

Значительно пострадали в результате раннего и обильного снегопада 28 сентября 2000 года такие широко распространенные в городе виды, как вяз приземистый, тополь бальзамический, ива ломкая и клен ясенелистный. По данным Управления по экологии г. Челябинска, эти породы доминируют в структуре озеленения города: тополь бальзамический - 21% от составляющих пород; клен ясенелистный - 10,6%; ива ломкая -7,5%; вяз приземистый - 7,1%.

Особенно сильно пострадали посадки клена ясенелистного. Учитывая достаточно низкие декоративные качества этого быстрорастущего вида, целесообразно рекомендовать клён только для временного использования при озеленении новостроек города. Впоследствии необходима замена этой культуры на более декоративные и устойчивые к неблагоприятным факторам породы деревьев.

Список литературы

1. Аналитическая записка о состоянии и мерах по улучшению ведения зелёного хозяйства в г. Челябинске / Облкомэкология. Челябинск, 1998.

2. Инвентаризация и паспортизация зелёных насаждений г. Челябинска: Итоговый отчёт по научной теме / Отв. исп. В.П. Пекин, Л.Н. Магазова. Челябинск, 2000.

3. Разработка комплексной оценки состояния зелёных насаждений городской черты (отчёт по теме) / Челяб. гос. ун-т. Ин-т проблем природы и человека; Отв. исп. А.И. Левит. Челябинск, 1998.

4. Юскевич Н.Н., Лунц Л.Б. Озеленение городов России. М., 1986.

О.Ю. Ленская, С.М. Абдуллаев

Использование доплеровского радара и данных наземных наблюдений для изучения и прогноза шквалов

1. Введение

Краткосрочный прогноз шквалов - одна из сложных задач метеорологии. Обычно шквалы ожидаются в регионах, где синоптическая ситуация способствует развитию мощной кучево-дождевой облачности. В теплый сезон шквалы связаны с молодыми циклонами, холодными фронтами и фронтами окклюзии, перемещающимися со скоростью 30-40 км/ч, когда перед линией холодного фронта в теплой и влажной воздушной массе возникает вынужденная конвекция. Различают фронтальные шквалы, непосредственно связанные с приземной линией фронта, и предфронтальные, возникающие в теплом секторе циклона. Шквалы также наблюдаются вне явно выраженных фронтальных зон, в теплых, неустойчиво стратифицированных воздушных массах или в тылу циклона - так называемые внутримассовые шквалы.

В общем случае шквалами называются резкие кратковременные усиления ветра на ограниченных территориях, причем под шквалом обычно подразумевают усиление ветра по крайней мере в несколько минут, отличая их от порывов ветра длительностью менее 1 мин. Шквалы содержат порывы, и максимальная «скорость ветра в шквале» - это обычно максимальная скорость ветра, регистрируемая анемометром, т.е. скорость поры-

ва. Поэтому в практике США и других стран «шквалистое усиление ветра» диагностируется только тогда, когда скорость 8 м/с или более поддерживается более 2 мин [6, с. 211]. В дальнейшем мы будем придерживаться именно этого определения шквала.

Возникновение шквалов связано с процессом осадков в кучево-дождевых облаках (Cb) - локальных штормах одноячейкового, многоячейкового и суперъячейкового типа. В зрелой или диссипирующей ячейке СЬ испарение капель осадков в относительно сухих и потенциально теплых нисходящих движениях приводит к охлаждению подоблачного воздуха и его оттоку от ячейки. В мощных локальных штормах многоячейкового или суперъячейкового типа восходящее движение относительно теплого воздуха в фронтальной части облака не прекращается с началом осадков и нисходящих движений, что способствует образованию новых зон осадков и относительно длительному существованию холодного оттока (от англ. cold outflow), распространяющегося от центра. Передняя часть такого оттока с максимальными значениями скорости ветра называется gust front или мезомасштабный фронт порывов, который, в свою очередь, поддерживает развитие авангардных Cb. Особенно благоприятные условия для шквалов на значительных территориях складываются при упорядоченной конвекции на линиях неустойчивости, когда отдельные шторма образуют мезомасштабные линии шквалов (МЛШ).

Наиболее универсальный инструмент для анализа штормов и МЛШ - это допле-ровский метеорологический радиолокатор (МРЛ). Стандартный МРЛ, такой, как отечественный МРЛ-5 с устройством цифровой обработки, позволяет извлечь информацию только о горизонтальной и вертикальной структуре радиолокационной отражаемости (Z) штормов с разрешением ~ 1 км через каждые 5-10 минут. Доплеровские МРЛ, такие как DWRS-88S и WSR-88D производства США и другие, позволяют к тому же оценить горизонтальную и вертикальную скорость облачных частиц и капель осадков, т. е. обнаружить структуру циркуляции внутри облака.

Авторы предлагаемой работы в течения ряда лет использовали DWSR-88S (учитывая, что статья предназначена читателям, которые могут не иметь знаний в радарной метеорологии, описание технических данных и специальных методов радарных наблюдений сведено к минимуму; желающим узнать больше о применении МРЛ можно рекомендовать обратиться к монографии [2], или непосредственно к авторам за разъяснениями: ecol@csu.ru/) для исследования и прогноза эволюции локальных штормов и МЛШ [1; 9 и др.] на юге Бразилии. Оценки показали, что данный радиолокатор эффективен для диагноза опасных скоростей ветра у земли на расстояниях до нескольких десятков километров от радара. Сопоставление радиолокационных и автоматизированных наземных наблюдений показывает, что по характерной конфигурации поля Z возможно оценить максимальные скорости ветра на уровне флюгера на значительных расстояниях от локатора, т. е. значительно расширить возможности распространенных в России обычных МРЛ.

2. Определения, данные и методика их обработки

Для исследования мезомасштабных линий шквалов использовались данные, полученные с помощью доплеровского радиолокатора DWSR-88S (длина волны 10,7 см) метеорологического научно-исследовательского центра Федерального университета г. Пе-лотас (31°43' ю. ш., 52°18' з. д.). Максимальный радиус обзора (480 км) этого радара, расположенного в 60 км от побережья Атлантического океана, охватывает крайний юг Бразильской Федерации (штат Рио Гранде до Сул) и значительную часть республики Уругвай на континенте, а в морском секторе - область океанического фронта, образован-

ного холодным Мальвинским и теплым Бразильским течениями. Континентальная часть представляет в основном равнину с небольшими поднятиями, не превышающими 500 м, и лишь в 300 км к северу от радара высоты Бразильского нагорья достигают 1 000 м. Климат региона субтропический умеренно-влажный с жарким летом. В среднем наблюдается не менее 10 дней с дождем в любой из месяцев, с возрастанием количества дней с дождем от континентальных районов (90 дней) к побережью (100-110), достигая 120 в предгорьях. Суммы осадков варьируют от 1 100 мм на побережье до 1 600 мм в предгорьях. Более 50% осадков - это конвективные осадки с интенсивностью более 7 мм/час. Близость региона к зоне климатического полярного фронта и струйного течения верхних уровней обуславливает в относительно холодную половину года, а нередко и летом, скорости смещения внетропических циклонов и фронтов до 100 км/час и более. Опасные явления, регистрируемые гражданской обороной как катастрофа (охватывающие значительные территории) наблюдаются в регионе более 35 раз в году, т.е. в 30 раз чаще, чем на Южном Урале. Очевидно, что рассматриваемый регион можно считать природной лабораторией для изучения широкого спектра форм проявления глубокой конвекции.

Обилие, интенсивность и многообразие проявления конвективных явлений в течение всего года позволило собрать большой фактический материал об эволюции и типах мезомасштабных систем (исследовано более 300 мезомасштабных систем осадков) в регионе. Радиолокационные данные о МЛШ и других системах представляют собой серию последовательных во времени (чаще, чем 1 раз в 20 минут) изображений поля радиолокационной отражаемости и радиальной скорости в горизонтальной (до 480 км и 120 км соответственно) и вертикальной (до 18 км) плоскостях.

В настоящей работе под МЛШ подразумеваются системы глубокой конвекции ^ > 55 dBZ) линейной формы, в которых конвективные элементы повышенной отражаемости (40 dBZ и более) образуют зоны осадков горизонтальной протяженностью более 200 км и соотношением длины и ширины этих зон порядка 4:1 и более [9]. В некоторых из этих систем наблюдается область осадков, выпадающих из слоистообразных облаков, расположенная позади конвективной зоны линии шквалов, так называемая зона осадков слоистообразной облачности (ЗОСО). Под скоростью МЛШ подразумевают скорость смещения зоны интенсивной конвекции в направлении, перпендикулярном оси МЛШ, хотя наблюдается и заметное перемещение очагов конвекции вдоль оси. Видимое движение МЛШ складывается из двух векторов: вектора пассивного переноса с ветром в средней тропосфере и вектора развития - распространения вследствие появления новых облаков. Как показано в [9], соотношение нормальных составляющих векторов развития и пассивного переноса определяют все основные свойства МЛШ. Выделяются два главных типа МЛШ: быстрые и медленные. Быстрые МЛШ - это линии шквалов, в которых вектор развития совпадает по направлению с нормальной составляющей вектора пассивного переноса ее элементов. Медленные МЛШ - это линии шквалов, в которых вектор развития направлен противоположно вектору переноса. Развитие ЗОСО наблюдается только у сверхбыстрых и сверхмедленных линий шквала, у которых модуль вектора развития в направлении, перпендикулярном оси линии, превышает 3 м/с.

Время жизни МЛШ варьирует от нескольких часов до полусуток, поэтому кроме типизации эволюция отдельной МЛШ подразделялась на три стадии: а) начальную, которая начинается после формирования конвективных элементов линии; б) зрелости, когда в облаках области с радиолокационной отражаемостью 40 dBZ образуют квази-

непрерывные сегменты; в) диссипации, когда в течение более одного часа в структурных элементах МЛШ фиксируется уменьшение отражаемости.

Радиолокационные и наземные наблюдения на отдельном пункте сопоставлялись с использованием метода пространственно-временного преобразования (ПВП). Главным допущением метода является требование того, что характеристики мезомасштабной системы сохраняются в течение определенного промежутка времени. Это подразумевает, что облачная система в течении данного промежутка смещается с постоянной скоростью С, а метеорологические параметры, измеряемые в одной точке (т.е. на метеостанции), в различные моменты времени t ... t„ будут теми же, как если бы они были измерены одновременно в различных точках Cti ... Q„.

В данной работе ПВП представлено в системе координат, движущейся со скоростью зрелой МЛШ либо со скоростью пассивного переноса элементов. Точность воспроизведения с помощью ПВП частных характеристик одной МЛШ возрастает с увеличением скорости ее перемещения, поскольку уменьшается вероятность смены стадий эволюции МЛШ в течение прохождения её элементов над стацией. Выбранные для анализа МЛШ удовлетворяли следующему критерию: при характерном пространственном масштабе вдоль направления перемещения L МЛШ должна пройти станцию, по крайней мере, за половину интервала времени ее эволюции T, т.е. скорость смещения системы должна составлять порядка 2 L/T. В нашем случае ширина конвективной линии составляет около 30 км, а время жизни локального шторма 1-1,5 часа, т.е. ПВП можно использовать для скоростей смещения выше 40 км/ч. Действительно, в отобранных случаях развитых МЛШ визуальное изменение формы линии было незначительно. Таким образом, пространственное распределение полей давления, ветра и температуры у поверхности земли в МЛШ, полученное с помощью ПВП, приближается к мгновенному пространственному распределению, которое могло быть получено в случае большего количества пунктов измерения.

Для анализа были отобраны 20 случаев МЛШ и 12 локальных штормов с 1994 по 1997 год, когда имелась серия радиолокационных снимков, зарегистрировавшая прохождение МЛШ над метеостанциями, а также соответствующие барограммы, термограммы, плювиограммы и записи анеморумбографа на метеостанциях г. Пелотас в 17 км юго-западнее радара и г. Рио Гранде, расположенного в 60 км юго-восточнее.

3. Результаты

3.1. Давление, ветер и температура при прохождения линии шквалов

Ход давления (рис. 1 а, б) при прохождении сверхбыстрых МЛШ в зрелой стадии (9 случаев) особенно примечателен. Первое, что заметно на барограммах, - это падение давления, связанное с областью мезомасштабного понижения давления (mesolow, В), расположенной перед МЛШ, с резким его повышением на передней части линии, называемой «ведущим краем» (leading edge), где наблюдаются большие градиенты радиолокационной отражаемости.

В 8 случаях сверхбыстрых МЛШ, которые проходили над метеостанцией г. Пелотас, скачок давления ДРа варьировал от 1,3 до 7,8 гПа со средним значением 3,9 гПа. В зоне облачности слоистообразных осадков (ЗОСО) таких линий давление остается высоким с небольшими изменениями, образуя мезомасштабную область повышенного давления (mesohigh, А). Вслед за этой областью в ряде случаев отмечается небольшое понижение давления порядка 1-2 гПа, называемое «тыловой депрессией» (wake low, В^), которое происходит сразу за зоной облачности слоистообразных осадков.

давление, гПа давление, гПа давление, гПа давление, гПа

1010

1005

1000

995

990

а) 02.12.94 теБоЫдИ у

\ Р / Х В \ \ /вw --

Л У теэо1о\д\ шаке I \д low Л 15

Л V --

14:00 15:00 16:00

17:00 18:00 19:00 20:00 21:00

20.03.94

30

25 о 1

20 я а н ф

15 ш

и

ю §

а

о

5 *

э о

О

Сй

Он

22:00

Он

а»

н

О

о

ей'

01.02.95

и

о

й'

ей

Он

Рис. 1. Ход давления Р, скорости ветра V и температуры Т на метеостанции Пелотас во время прохождения МЛШ

Поскольку большинство сверхбыстрых МЛТТТ начинают свое развитие после 12-16 часов, то высокая температура воздуха у поверхности земли наблюдается вплоть до прохождения ведущего края МЛТТТ, затем быстро, иногда скачкообразно убывая. В среднем этот скачок температуры равен 4,2° С по отношению к ее обычному суточному изменению. Что касается изменения скорости ветра, то первый пик шквалистого усиления ветра в сверхбыстрых МЛТТТ наблюдается вблизи ведущего края, обычно совпадая со скачком давления и падением температуры (рис. 1 а, б). В ряде случаев наблюдался дополнительный порыв ветра до начала осадков, что, очевидно, связано с фронтом порывов, который распространяется впереди сверхбыстрой МЛТ и иногда проявлялся на изображениях горизонтального поля радиолокационной отражаемости, полученных при низких углах подъема антенны, в форме тонкой линии. Другое заметное усиление ветра наблюдалось вблизи тыловой депрессии, когда та отчетливо проявлялась на барограммах. Похожий ход давления с зоной А наблюдался в двух сверхмедленных линиях с ведущим конвективным регионом, однако детали хода давления требуют отдельного обсуждения.

Проанализированные записи хода давления и температуры 6 быстрых МЛТ и 3 медленных МЛТТТ, имевших вектор развития менее 3 м/с, заметно отличаются от приведенных выше. Такие МЛТТТ (рис. 1 в, г) сопровождаются меньшим скачком давления и температуры (в среднем 2,3 гПа и 5° С). Зачастую прохождение линий шквалов этого типа не сопровождалось скачком давления, естественно, отсутствует и тыловая депрессия. Поскольку в таких линиях ЗОСО имеет малые размеры, то можно констатировать, что тыловая депрессия органически связана с развитием ЗОСО, о чем говорит и отсутствие второго пика скорости ветра в тылу линии. Однако прохождение линий этого типа также может сопровождаться шквалами. Так, 28 декабря 1993 года, когда скорость смещения МЛТТТ равнялась 19,7 м/с (скорость развития 1,7 м/с), порывы ветра достигали 19 м/с. Аналогичные результаты получены и для медленных линий.

Рис. 2 отражает результат применения пространственно-временного преобразования (ПВП) к скорости ветра на поверхности земли для различных типов МЛТТТ в стадии максимального развития. Изображения горизонтального сечения поля радиолокационной отражаемости выбраны в моменты, наиболее близкие к прохождению ведущего края МЛТТТ над метеостанцией, и поэтому направление и скорость ветра вблизи ведущего края лучше отражают пространственное распределение ветра, чем более отдаленные точки. Из рисунка видно, что при приближении ведущего края МЛТ возрастает модуль составляющей скорости ветра, направленной к МЛТ , которая быстро меняет свое направление на противоположное после прохождения зоны повышенной отражаемости. Разница между величинами ДVn компонент скорости ветра, нормальных к ведущему краю и удаленных от него на Х =15 км в ту и другую сторону, составляла от 6 до 18 м/с, т.е. наблюдается конвергенция ДVn/2X=2 ^ 9 -10-4 с-1. При этом конвергенция ветра, связанная с прохождением сверхбыстрых МЛТ , в 2-4 раза больше, чем в случае линий, двигавшихся со скоростью пассивного переноса.

ПВП также демонстрирует, что последовательность событий в поле ветра и давлении зависит от конфигурации поля радиолокационной отражаемости, проходящего над метеостанцией. Например, из ПВП на рис. 2 а видно, что над метеостанцией прошла только ЗОСО сверхбыстрой МЛТ , а из рис. 2 в видно, что над метеостанцией прошла центральная часть МЛТ . Можно заметить, что в первом случае скорость ветра резко увеличилась лишь в тыловой части зоны осадков слоистообразной облачности, где в данный день в поле давления наблюдалась выраженная тыловая депрессия, тогда как на

рис. 2 в это увеличение не наблюдается. На рис. 2 б пункт наблюдений прошла более слабая южная часть МЛТ, и если первое усиление ветра явно выражено, то область тыловой депрессии отражается лишь в смене направления ветра с незначительном его увеличением.

На рис. 2 г-е показаны ПВП для зрелых быстрой (г) и медленной (д) МЛТ и сверхбыстрой МЛТ в стадии формирования. ПВП убедительно демонстрирует, что и в этом случае максимальные скорости на станциях существенно зависят от конфигурации поля осадков в линии и её типа. Действительно, если в первом и третьем случаях максимальные скорости фиксировались при прохождении конвективного ядра, то в медленной линии усиление было в тыловой части линии, совпадавшей с зоной конвергенции приземного ветра. Таким образом, даже на метеостанциях, отстоящих на расстояние около 30 км одна от другой, зона с максимальными скоростями ветра может пройти только одну из станций.

Рис. 2. Пространственно-временное преобразование приземного ветра относительно МЛТТТ Флажки обозначают скорость и направление ветра. Крестиком обозначено положение радара в указанный момент снимка. Внешние контуры радиолокационной отражаемости соответствуют 29 отражаемости > 40 - заштрихованы

3.2. Линия шквала как плотностной поток

Представленные в п. 3.1. ПВП свидетельствуют, что значительные порывы ветра в различных МЛТТТ совпадают с резким повышением давления и понижением температуры, формируя так называемый мезомасштабный фронт порывов. Мезомасштабный фронт порывов образуется на ведущем крае холодного оттока, который движется как плотностной поток, т.е. из-за разности плотностей в холодном воздухе под МЛТТТ и окружающем теплом воздухе перед МЛТТТ Аналитическое выражение для скорости С такого потока известно:

C = к Р gH ,

_\Ро ) _

где р0 - средняя плотность среды (воздуха), Ар - разность плотностей воздуха в плотно-стном потоке и невозмущенного окружения, Н - вертикальный размер потока (его высота), а k - безразмерное число Фруда, обычно изменяющееся от 0,6 до 2,1. Проведенная ревизия научной периодики [2-8 и др.] показывает, что по известной скорости распространения такого потока С, можно оценить максимальную скорость ветра у поверхности земли Vmax, наблюдаемую на фронте порывов. Так, в [7] приводится эмпирическое соотношение Vmax= k1 • C, где C - скорость распространения фронта порывов, и демонстрируется, что коэффициент пропорциональности k1 варьирует между 1,1 и 2,3 с наиболее частым значением около 1,5. Фронт порывов часто проявляется на экране радара в виде тонкой линии перед грозовым штормом из-за поднятой вверх пыли или вынужденной им облачности особой формы - Cb arcus. Обычно малая отражаемость (менее 10 dBZ) и высота (до 1 км) фронта порывов ограничивает возможности его обнаружения несколькими десятками км от радара. Тем не менее, оценки скорости С могут быть произведены: а) по радиальным скоростям в холодном оттоке; б) по скорости МЛШ

Радаром возможно обнаружить зону формирования холодного оттока, т.е. область, где вертикальный нисходящий поток, охлажденный за счёт испарения капель, сталкивается с препятствием - поверхностью земли, превращаясь в дивергентное горизонтальное движение у поверхности земли. В движении капель осадков, увлекаемых таким движением, должна появиться дополнительная горизонтальная составляющая, отражающая начальную скорость оттока С. Предполагая, что горизонтальная компонента скорости капель в «мокром холодном оттоке» близка к величине С, максимальные скорости ветра у земли оцениваются по величине максимальной скорости в передней части МЛШ

Рассмотрим характерные проявления таких оттоков в радиальных скоростях и поле ветра на станции (рис. 3) при прохождении сверхбыстрой МЛШ с развитым ЗОСО и тыловым втоком более 30 м/с. Рассматриваемая МЛШ смещалась со скоростью 24-26 м/с и прошла метеостанцию около 21:00 11 января 1996 г. Модуль вектора развития данной МЛШ составлял около 12 м/с, и поскольку нас интересуют детали небольшого участка линии вблизи зоны оттока, то пространственно-временное преобразование (ПВП) представлено в системе координат, движущейся со скоростью пассивного переноса. Вблизи передней части МЛШ наблюдается сходимость горизонтального ветра у поверхности, а по радиолокационным данным зона конвергенции ветра наблюдается вплоть до высот 4-5 км, что однозначно свидетельствует о восходящих движениях в этой зоне. За передней кромкой линии шквала в области «холодного оттока» температура на 80 С ниже, чем окружение, но после первого максимума скоростей (> 25 м/с) наблюдается и второе ядро, где радиальные скорости максимальны. При прохождении этого ядра наблюдался и максимум скорости ветра у поверхности земли. Однако если на высотах до 1 км радар

регистрирует радиальные скорости выше 31,5 м/с (в 21:00 - 21:50), то максимум скорости, зарегистрированной на метеостанции в 21:10, составил 22 м/с.

Рис. 3. Вертикальный профиль радиальной скорости (м/с) в поперечном направлении к МЛТТТ (вверху, положительные скорости направлены по движению МЛТТТ) и пространственно-временное преобразование приземного ветра (ниже) с использованием скорости переноса, равной 11,8 м/с. Метки времени на шкале соответствуют расстоянию от метеостанции до ведущего края МЛТ в 21:50. ИДВ - индикатор дальность - высота

Ядро максимальных скоростей обычно расположено на высоте 1-1,5 км и регистрируется радаром на расстояниях значительно больших, чем отделившийся от шторма «сухой» отток. Практически во всех случаях максимум радиальной скорости в МЛТТТ с развитым ЗОСО превосходил значение максимальной скорости ветра на высоте флюгера на 6-7 м/с. С одной стороны, это говорит о том, что обычно скорость в ядре «холодного оттока», фиксируемая радаром, больше скоростей ветра, которые регистрируются на поверхности в этот момент, а с другой она является верхней оценкой величины скорости смещения фронта порывов. Аналогичные результаты получены и для локальных штормов.

Обнаружение областей шквалистого усиления ветра у поверхности земли, связанного с прохождением ядра максимальных скоростей МЛТ , с помощью доплеровского радара не всегда выполнимо. Дело в том, что вблизи радара отражения от неподвижной поверхности земли маскируют значения доплеровской скорости, а на больших расстояниях произвести измерения скорости ветра в ядре на 1-1,5 км не представляется возможным ввиду кривизны земной поверхности и уширения сечения луча радара. Прогноз скорости на значительных расстояниях возможен, если предположить, что средняя скорость смещения МЛТТТ Уь в зрелой стадии близка к средней скорости плотностного потока С, т.е. Уь = С.

Результат анализа соотношения между скоростью Уь МЛШ и максимальным ветром, зарегистрированным на метеостанциях Пелотас и Рио Гранде, представлен на рис. 4. Можно видеть, что скорость ветра явно пропорциональна скорости МЛШ и может быть выражена с помощью уравнения линейной регрессии с коэффициентом корреляции г = 0,82:

Утях=0,8.Уь+1,9м/с.

Можно также использовать и пропорциональность Утах = 0,9 Уь с г = 0,8.

Скачкообразное изменение давления при шквале также может быть использовано в оценке скорости линий. В приближении гидростатики уравнение (1), как показал 8е1йег [8], может быть записано для скорости С потока постоянной плотности как

C = к

Рис. 4. Максимальная скорость ветра Утах, зарегистрированная на метеостанциях Пелотас и Рио Гранде при прохождении МЛШ как функция средней скорости движения МЛШ, Уь

АР

Ро

1/2

где АР - разница гидростатического давления поперек фронта. Последнее уравнение удобно тем, что из приземных данных необходимо оценить лишь давление. Если рассматривать холодный отток от линии шквала как форму плотностного потока, вызывающего перепад давления в АР, то по формуле (2) можно оценить скорость МЛШ Уь = С, приравнивая АР = АРа (ПА). Так, для 20 линий с известной скоростью Уь (м/с) к = 0,82 (г = 0,7).

3.3. Порывы ветра в локальных штормах

Локальные шторма, не организованные в линии шквала, обычно наблюдаются в летнее время, вне зон явно выраженных фронтов, поэтому скорости их пассивного переноса обычно менее значительны. Шквалы, связанные с локальными штормами, гораздо более локализованы в пространстве, нежели зоны сильного ветра МЛШ Дело в том, что холодный отток от такого шторма не может поддерживаться столь долго нисходящими потоками как отток из линии шквала и поэтому такие шквалы называются собственно порывами (downbursts по-английски). В свою очередь порывы подразделяются на влажные, связанные с осадками (wet), и сухие (dry), а также микро- и макропорывы (burst), горячие (heatburst) и другие [10].

Конфигурация локального шторма часто достаточно сложна, и установить направление движения его оттоков более сложно, нежели фронта порывов МЛШ Тем не менее, и в этом случае исследование эволюции штормов дает определенную подсказку. Эволюция штормов такова, что чем более мощные восходящие потоки в шторме, тем дольше крупные капли и градины могут ими поддерживаться, при этом «идеальный случай», когда восходящие движения наклонны и вынуждаются холодным оттоком. В этом случае над преимущественным направлением оттока образуется зона значительной

отражаемости, связанная с новой конвективной ячейкой - навес. Такой навес дождя и града может достигать нескольких километров и существовать десяток минут, при этом на землю падают лишь отдельные капли или они вовсе испаряются.

Рассмотрим пример сухого порыва, т.е. тогда, когда усиление ветра произошло без выпадения осадков на пункте. На рис. 5 показаны круговые сечения отражаемости нижнего ~0,5 км (а) и верхнего уровня ~ 6,5 км (б) и радиальные скорости (в, г) в шторме, проходившем в нескольких километров от метеостанции (М). Как видим, сечения а и б, сделанные практически в один момент времени (17:50), сильно отличаются друг от друга, причем осадки на б значительно ближе к метеостанции. Суперпозиция верхнего и нижнего уровня с Z = 40 dBZ (рис. 5 д) показывает, что «навес» направлен к метеостанции. Радиальные скорости в 17:50 (в) показывают, что в осадках наблюдается парная зона радиальных скоростей, направленных к радару (более 6 м/с) и от радара (более 12 м/с). Такая пара является характерным признаком холодных оттоков, дивергирующих от шторма, дивергенция в этом случае достигает значений 6*10-3 с-1. Приведенное на рис. 5 д ПВП, сделанное со скоростью пассивного переноса, показывает, что наблюдалось два наиболее значительных порыва 7 минутами ранее снимков 5 а—в и 8 минутами позже, примерно на момент снимка 5 г. Действительно, в этот момент в зоне «мокрого порыва» в шторме наблюдаются наибольшие радиальные скорости > 19 м/с. Холодный отток от данного шторма сопровождался небольшим пиком давления ~1 гПА и длительностью менее часа.

17:50

О ПО

21.0°

21.12.1995

6В2

£] >24

15 км

2=40 ЬВ2

у

2°

го

а

го

э

а

=

м/с

6

12

Рис. 5. Локальный шторм, производящий «сухой» порыв: горизонтальные сечения радиолокационной отражаемости а и б и радиальные скорости в и г; суперпозиция сечений отражаемости и ветер на станции д

4. Заключение

Проведенный с помощью доплеровского радиолокатора и пространственновременного преобразования данных метеостанций анализ МЛТТТ, имевших место на юге Бразилии, продемонстрировал, что скорость ветра в шквалах, вызванных прохождением этих систем в стадии зрелости, прямо пропорциональна скорости ведущего края конвективной части МЛТТТ, которую можно рассматривать как скорость плотностного потока (формулы (1)-(3)). Данный факт значительно расширяет возможности недоплеровских МРЛ. Под влиянием рельефа, растительного покрова, локальных циркуляций и т.п. коэффициент пропорциональности в регрессии (2) для других регионов может отличаться. Кроме того, скорость и направление плотностного потока от МЛТТТ также меняется во времени, что влечет за собой смещение зоны шквалистых усилений ветра. Действительно, разница между максимальными порывами, зарегистрированными на станциях в период прохождение МЛТТТ, достигала 5-7 м/с, поэтому можно считать, что оценки максимальной скорости ветра для региона по (2) будут несколько занижены. С другой стороны, максимум ветра у земли на несколько м/с выше, чем величина максимальных радиальных скоростей на высотах до 1-1,5 км, наблюдаемых в холодном оттоке в точке его формирования. Это очевидно предполагает, что на отдельных возвышенностях скорости ветра при прохождении МЛТТТ будут выше. Отдельные пики ветра на станции, связанные с локальными штормами, могут происходить как в самой зоне осадков (рис. 5), так и вне её, там, где даже доплеровский радар может не фиксировать отражение от фронта порывов из-за значительных отражений от поверхности земли, дающих нулевые скорости. Направление движения плотного потока при сухом порыве обычно совпадает с направлением «навеса», выделяемого по суперпозиции горизонтальных сечений нижнего и верхнего уровня.

Прохождение сверхбыстрых (сверхмедленных) МЛТТТ, которые смещаются заметно быстрее, чем переносятся общим тропосферным потоком воздуха, помимо основного шквала, наблюдаемого на ведущем крае линии, сопровождаются вторым усилением ветра в тылу слоистообразных осадков, где формируется тыловая депрессия. Это явление, как и сухой порыв от локальных штормов, особенно опасно для авиации, т. к. происходит вне зон осадков. Предполагается [4], что наибольшие градиенты давления в тыловой депрессии могут быть связаны с блокировкой тылового втока осадками или областью повышенного давления, распространившейся до средней тропосферы. Нами показано [1], что ускоренный тыловой вток воздуха в ЗОСО вызван конвергенцией потоков в зону с активной утопленной конвекцией, т. е. его появление можно оценить и стандартным МРЛ.

Для климатологии шквалов в регионе, вероятно, могут быть использованы следующие результаты. При прохождении сверхбыстрой зрелой МЛТ на крупномасштабной барической тенденции отчетливо проявляется мезомасштабная депрессия (локальный минимум), заканчивающаяся скачком давления (локальный максимум) в зону повышенного давления длительностью в несколько часов до локального минимума давления в тыловой депрессии. Следует принять во внимание, что в случае асимметричных МЛТТТ (рис. 4 а, б), т.е. таких, у которых конвективный регион и ЗОСО смещены друг относительно друга вдоль оси МЛТ , фронтальная и тыловая депрессии могут быть смещены одна относительно другой вдоль оси МЛТТТ (см. [3-5]). Однако область мезо-масштабного повышения давления в зоне осадков слоистообразной облачности так или иначе проходит над метеостанцией. Ранее нами показано [9], что асимметричная форма МЛТ - скорее заключительный этап стадии зрелости сверхбыстрых МЛТ , чем особая

форма МЛТТТ Скачок давления и продолжительность зоны повышенного давления в сверхбыстрых МЛТТТ заметно больше, чем в исследованных линиях другого типа и локальных штормах, что позволяет предположить, что эти МЛТТТ являются главным виновником катастрофических шквалов в регионе.

Список литературы

1. Abdoulaev S., Lenskaia О., da Silva Marques V., Pinheiro F.M.A., Movimentos rela-tivos em linhas de convec?ao severa acompanhadas pela regiao estratiforme // Rev. Bras. de Meteor. 2000. Vol. 15. № 2. Р. 87-102.

2. Doviak J.R., Zrnic D.S. Doppler radar and weather observations. London: Academic. Press., 1984. 458 p.

3. Johnson R.H., Hamilton P.J. The relationship of surface pressure features to the precipitation and airflow structure of an intense midlatitude squall line // Mon. Wea. Rev. 1988. Vol. 116. № 6. Р. 1444-1472.

4. Johnson R.H. Surface mesohigh and mesolows // Bull. of Amer. Met. Soc. 2001. Vol. 82. Р. 13-31.

5. Loehrer S.M., Johnson R.H. The surface pressure features and precipitation structure of PRE-STORM mesoscale convective system // Prepr. of 17th Conf. on Severe Local Storms, St. Luis, Missouri, October 4-8, 1993. St. Luis, Missouri, 1993. Р. 481-485.

6. Ludlam F.H. Clouds and storms. Pennsylvania: St. Univ. Press, 1980. 405 p.

7. Mahoney III W.P. Gust front characteristics and kinematics associated with interacting thunderstorm outflows // Mon. Wea. Rev. 1988. Vol. 116. № 6. Р. 1474-1491.

8. Seitter K.L. A numerical study of atmospheric density motion including effect of condensation // J. Atmos. Sci. 1987. Vol. 43. Р. 3068-3076.

9. Абдуллаев С.М., Ленская О.Ю. Эволюционная классификация мезомасштабных линий шквалов // Метеорология и гидрология. 1998. № 3. С. 24-32.

10. Васильев А. А. Рекомендации по прогнозу неблагоприятных и стихийных явлений, связанных с зонами активной конвекции. М.: Гидрометцентр, 1999. 27 с.

О.Ю. Ленская, С.М. Абдуллаев

Метод реконструкции типа мезомасштабных систем осадков, генерирующих шквалы, по особенностям изменения приземного давления

1. Мезомасштабные системы осадков и шквалы

На Южном Урале основными опасными явлениями погоды, связанными с конвективной облачностью, наряду с интенсивными осадками являются шквалистые усиления ветра [2]. В последние 30 лет на метеостанциях Челябинского гидрометеоцентра было зарегистрировано 30 случаев шквалов со скоростью более 25 м/с, главным образом в конце весны - начале лета. Наиболее часто шквалам подвержена степная зона нашей области, где отмечается более 20 дней в году с сильными ветрами [4]. Шквалы со скоростями более 20 м/с наносят существенный ущерб постройкам, лесным насаждениям и сельскохозяйственным посевам, повреждают линии связи и электропередач. Кроме очевидной разрушительности скоростей ветра в 20-25 м/с более умеренные шквалистые усиления ветра не менее опасны. Так, для авиации опасность представляет встречный шквал в 15 м/с, а боковой шквал «всего» в 8 м/с.