Радиолокационное исследование динамики конвективных облаков и осадков

Заключение

В ходе исследования динамики радиолокационных характеристик кучево-дождевой облачности и связанных с ней опасных явлений погоды на территории Уральского Прикамья решены следующие задачи: проанализированы зависимости между скоростью и направлением движения конвективной ячейки и ведущего потока на высотах 850, 700, 500 гПа; определена динамика движения и угол отклонения ячеек, связанных с кучево-дождевой облачностью, от зоны фронта; рассчитаны характеристики движения Cb; выявлены синоптические условия изменчивости скорости перемещения ячеек с опасными явлениями погоды на территории Уральского Прикамья.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 04-05-96043).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Брылев Г.Б., Низдойминога Г.Л. Перемещение радиоэха СЬ и поле ветра в окружающей среде // Тр. ГГО. 1978. Вып. 411. С. 40-47.

2. Брылев Г.Б., Гашина С.Б., Низдойминога Г. Л. Радиолокационные характеристики облачности и осадков. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 232 с.

3. Руководство по производству наблюдений и применению информации с неавтоматизированных радиолокаторов МРЛ-1, МРЛ-2, МРЛ-5. РД 52.04.320-91. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 360 с.

4. Руководство по производству наблюдений и применению информации с радиолокаторов МРЛ-1 и МРЛ-2. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 334 с.

5. Толмачева Н. И. Комплексный анализ турбулентности в облачной среде // Тез. докл. Всерос. конф. «Фридмановские чтения». Пермь, 1998. С. 101-102.

6. Толмачева Н.И. Прогноз зон активной конвекции по данным МРЛ и МСЗ // Тез. докл. Всерос. конф. «Сергей Петрович Хромов и синоптическая метеорология». М., 2004. С. 63.

Поступила в редакцию14.06.05.

N.I. Tolmacheva

The investigation of radar with dynamic of convective clouds fields

Results of radar investigation with dynamic and transfom Cb clouds demonstrate variability convective fields. Analysis of the results of the transform convective pixel with precipitation, thunderstorm and hail observer from information of radar in the period of 1998-2004 in the Ural Prikamye has shown their satisfactory correspondence to surface, aerology data and satellite estimated of the parameters in the region with a cloud cover.

Толмачева Наталья Игоревна Пермский государственный университет 614990, Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15.

E-mail: meteo@,psu.ru. tolmacheva@psu.ru

Радиолокационное исследование динамики... 173

НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2005. № 11

Кирш гичси.чилсннн

ЯГ

J

•1П П.

Ж - Н X - IE Jl - 3. - 1*5

Рис. Зона холодного фронта на карте МРЛ-5 и космическом снимке КОАА-14, 3 июня 2000 г., 10 ч 14 мин

Анализ сравнения направления перемещения радиолокационной ячейки грозоопасных очагов (1367 случаев) с направлением движения фронта показал, что траектории ячеек могут существенно отклоняться от направления движения фронта. Средний угол отклонения составляет 45°. В 65% случаев грозовые ячейки отклонились влево от направления движения фронта. Эта закономерность хорошо прослеживалась на холодных фронтах, в том числе и вторичных — 85 и 72%, теплых — 59%.

Неоднородность подстилающей поверхности влияет на траектории движения СЬ. Подстилающая поверхность в радиусе 200 км от МРЛ-5 (г. Пермь) имеет отличительные особенности: равнинный характер местности, высота большей части от 50-180 м над уровнем моря. В центре обзора расположена р. Кама, в секторах 330-350° и 10-45° имеются отдельные возвышенности и холмы с максимальными высотами 200-450 м. Все траектории КО делились на прямые и ломаные. Траектории второго типа наблюдались в дни со сдвигом направления ветра в нижней тропосфере.

В большинстве случаев изменение направления движения СЬ происходило в районах с наибольшим перепадом высот, в окрестности отдельно возвышающихся холмов и вблизи речной линии. Неоднородности земной поверхности оказывают существенное влияние на конвективные процессы об-лакообразования и эволюцию СЬ. Влияние на траектории движения СЬ в условиях равнины проявляется посредством сложных механизмов воздействия подстилающей поверхности на трансформацию СЬ, их развитие и распад. Изменение размеров, площади, высоты или формы РКО приводит к изменению характеристик их движения. В проведенном исследовании обнаружено влияние неоднородностей земной поверхности на траектории движения РКО при дестабилизации облачной конвекции и резкой трансформации СЬ.

Только адвективным переносом невозможно объяснить движение радиоэха облачности и зон осадков (РОЗО), так как время жизни отдельных ячеек КО значительно меньше, чем продолжительность существования макромасштабных зон в целом. Для точного прогнозирования опасных явлений, связанных с РОЗО, необходимо учитывать изменения ширины облачной системы, что зависит от процессов обострения фронта. Распределение отношения к = Г1Л2, где Т\ — ширина облачного поля перед фронтом, а г2 — за фронтом, представлено в таблице. При стационарном процессе, без существенной трансформации поля фронтальной облачности, составляющая распространения равна нулю. В случае обострения фронта ширина зоны КО может увеличиваться со временем. Процессы размывания атмосферного фронта могут приводить к уменьшению площади РОЗО и, следовательно, к уменьшению ширины зоны радиоэха. На рисунке приведено изображение (радиолокационное и спутниковое) зоны холодного фронта в виде полосы, состоящей из отдельных ячеек. Эволюция атмосферных фронтов может надежно определяться по космическим данным состояния облачности в пределах всего региона.

Распределение отношения к для РОЗО

Градации к Тип фронта Кол-во сроков

теплый холодный стационарный

0,0-0,4 0 16 27 43

0,41-0,8 7 20 40 67

0,81-1,2 16 17 36 69

1,21-1,6 12 4 22 38

1,61-2,0 10 2 6 18

2,21-2,4 5 2 10 15

2,41-2,8 5 6 9 14

2,81-3,2 3 0 2 5

>3,2 4 0 16 20

X случаев 62 67 168 289

НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2005. № 11

В реальной атмосфере распределение ветра и характер эволюции СЬ очень сложный, траектории реальных СЬ при сходстве внешних условий могут сильно различаться между собой и отличаться от теоретической модели. Анализ изменчивости скорости КО, проведенный на территории Уральского Прикамья в 1998-2004 гг, указывает на то, что разность максимальных и минимальных значений скорости ячеек в 6 % случаев составляла более 25 км/ч, в 30% — 10-25, в 64% — менее 10 км/ч.

Исследование соотношения направления и скорости перемещения СЬ с параметрами воздушного потока на уровнях 850, 700, 500 гПа позволило выявить определенные закономерности. Конвективные ячейки в 80% наблюдаемых сроков (всего 2784 случая) отклоняются от направления ведущего потока на угол (Ла) до 60°, в 10 % — более 90°. Отклонение часто (67%) происходит вправо от ведущего потока. С увеличением скорости основного потока угол отклонения уменьшается. Например, при скорости 10 км/ч угол отклонения 26°, 45 км/ч — 18°. Угол Ла уменьшается с увеличением верхней границы СЬ (Нвг). При Нвг = 5 км угол отклонения составляет 30°, при высоте 10 км Ла = 24°. В направлении ведущего потока осуществляется не только перенос облачности, но и распространение ее за счет эволюции. Сравнение скорости перемещения СЬ и скорости ведущего потока (ЛУ) показало, что изменяется не только величина отклонения, но и его знак. При ЛУ = 10 км/ч и ветре более 55 км/ч скорости конвективных ячеек будут меньше скорости потока, при скорости менее 20 км/ч наоборот.

Угол отклонения движения КО от направления ветра на барическом уровне зависит не только от поворота ветра в слое 1-5 км, но и от разности скорости ветра и скорости движения ячейки. Результаты анализа радиолокационной и аэрологической информации показали, что направление вращения ветра с высотой в слое 1-5 км совпадает с отклонением КО от ветра на уровне 850 гПа. Значение угла отклонения траектории КО от направления ветра на уровне переноса меньше угла поворота ветра в слое 1-5 км. Траектории СЬ при скорости ветра 20-40 км/ч отклоняются от направления ветра на уровне переноса на угол не более 15°, что входит в пределы погрешности оценки направления движения КО по данным МРЛ. При скорости ветра более 60 км/ч отмечается отклонение траекторий зон КО вправо от направления воздушного потока на угол 35°. Скорость перемещения ячейки и скорость ветра в слое 1-5 км совпадают при скорости 30 км. При больших скоростях ветра скорость радиоэха меньше скорости потока.

Воздушные потоки, обтекающие СЬ (вращающееся вокруг вертикальной оси), влияют на направление движения конвективной ячейки, изломы траекторий и отклонение от направления воздушного потока. Отклонение траектории СЬ будет тем больше, чем больше ЛУ и составляющая вихря скорости внутри облака. Для полного учета изменчивости скорости и направления движения КО в течение периода существования необходим анализ эволюции радиолокационных характеристик КО.

Большое Савино (г. Пермь) с помощью автоматизированого радиолокационного комплекса «Метеоячейка» за 1998-2004 гг. Для анализа СЬ использовались данные наблюдений на метеостанциях Пермской, Свердловской областей, расположенных в радиусе действия МРЛ-5. Исследование проводилось для территории Уральского Прикамья, включающего Пермскую, частично Свердловскую область и Коми-Пермяцкий автономный округ. Выбирались случаи (сроки наблюдения), когда измерения за ячейкой производились через 30 мин не менее 8 раз. Скорость и направление перемещения ячеек определялись по методике, изложенной в следующих изданиях [3; 4].

Результаты и обсуждение

Направление движения радиоэха конвективной облачности только в 60% случаев совпадает с направлением ветра на барических уровнях [1; 2]. Анализ фактических данных позволил определить условия, при которых траектория движения СЬ не совпадает с направлением воздушных потоков в окружающей атмосфере. Изменчивость характеристик движения СЬ естественна и закономерна. В исследовании подробно рассмотрены основные физические процессы, объясняющие нестационарность движения конвективной облачности (КО). Изменение скорости конвективного потока внутри СЬ влияет на его высоту, вертикальную протяженность крупнокапельной зоны и на толщину слоя, воздушные потоки в котором характеризуют движение КО. Если в облачном слое имеется вертикальный сдвиг ветра по скорости и направлению, то благодаря переносу момента импульса нисходящими и восходящими потоками из верхней части облака вниз и в обратном направлении внутри СЬ устанавливается собственное для данного облака поле ветра, отличное от внешнего. Внутри облака поле ветра не имеет установившегося характера [5], и вытянутое по вертикали конвективное облако можно рассматривать как препятствие внешним потокам. Поэтому в наветренной части облака отмечается повышение давления, а в подветренной -- падение, которое зависит от постоянно изменяющегося поля ветра внутри облака. Перепады определяют изменчивость скорости движения СЬ на разных стадиях жизни. Следовательно, скорость движения конвективной ячейки должна уменьшаться в период максимального вертикального развития, а во время распада - возрастать.

Местоположение центра области с максимальной скоростью восходящего потока в окрестности СЬ определяется сдвигом ветра (по направлению) в слое от основания до верхней границы облака. Появление новых конвективных ячеек вероятно в том месте, где существует сильный восходящий поток. Его местоположение зависит от направления вращения ветра с высотой. Поэтому увеличение площади при развитии СЬ происходит в определенном направлении и вносит вклад в результирующий вектор его движения [6]. Следствиями такого процесса являются искривление общей траектории движения КО, отклонения от первоначального направления движения и от направления основного ветра в слое 850-500гПа.

НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2005. № 11

УДК 551.5 Н.И. Толмачева

РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ И ОСАДКОВ

Изучены причины изменчивости движения кучево-дождевой облачности, проанализированы перемещения конвективных ячеек с ливнем, грозой и градом, наблюдавшиеся по информации МРЛ-5 1998-2004 гг. на территории Уральского Прикамья, выявлено удовлетворительное соответствие наземным, аэрологическим данным и спутниковым оценкам величин в районах с облачностью.

Ключевые слова: метеорологический радиолокатор, конвективная ячейка, динамика кучево-дождевой облачности.

Введение

Образование, эволюция облаков и связанные с ними явления погоды не могут быть тщательно изучены без получения исчерпывающей информации о структуре воздушных движений в этих метеообъектах и окружающем пространстве. Исследование динамических характеристик облаков связано с трудностями получения экспериментальных данных о движениях в них, особенно в мощных облаках конвективного развития, которые представляют наибольший интерес.

Применение радиолокации в метеорологии позволило по-новому подойти к исследованиям в области физики облаков и осадков, к решению практических вопросов штормооповещения и краткосрочных прогнозов погоды. Уже первое и достаточно очевидное применение радиолокации — дистанционное обнаружение и прослеживание перемещения зон облаков и осадков, определение их геометрических характеристик (горизонтальных размеров и конфигурации, верхней и, в случае отсутствия осадков, нижней границы облаков), получение распределения радиолокационной отражаемости в отдельных облаках и облачных системах -- оказалось полезным в научных исследованиях и оперативной практике метеорологических наблюдений. Дальнейшее совершенствование радиолокационных методов направлено на расширение их информативных возможностей. Одно из направлений этого развития — исследование движения облаков и осадков.

Материалы и методика исследований

В работе исследуется динамика пространственного распределения кучево-дождевой облачности (СЬ). В качестве исходных данных использовалась радиолокационная информация метеорологического радиолокатора (МРЛ) в радиусе обзора 200 км о распределении СЬ, сопровождающейся конвективными явлениями (ливнями, грозой, градом), аэрологические данные ст. Пермь и карты барической топографии (850, 700, 500 гПа). Радиолокационные данные представлены информацией, полученной на МРЛ-5 АМСГ