Конвективные явления на территории Иркутской области в 2000-2013 гг.
Е.В. Шахаева
Аннотация
Рассмотрены пространственные закономерности распределения различных форм конвективных облаков, числа дней с грозой и ливневыми осадками на территории Иркутской области в 2000-2013 гг. Особое внимание уделяется исследованию синоптических условий формирования гроз.
Ключевые слова: конвекция, грозы, ливневые осадки.
Annotation
гроза конвективный облако иркутский
Convective Phenomena in the Territory of Irkutsk Region in 2000-2013
E. V. Shahaeva
The paper considers the spatial distribution patterns of different forms of convective clouds, the number of days with thunderstorms and showers on the territory of the Irkutsk region in 2000-2013. Special attention is paid to the study of the synoptic conditions for the formation of thunderstorms.
Keywords: convection, thunderstorms, showers.
Введение
В атмосфере широко распространены конвективные движения, которые возникают в результате особого рода неустойчивости атмосферного воздуха, известной как статическая, или конвективная неустойчивость [2].
Конвективная неустойчивость характеризуется тем, что частица, сместившаяся по вертикали относительно исходного уровня (на котором она находилась в равновесии), под действием силы плавучести не возвращается на этот уровень, а продолжает удаляться от него. Конвективные движения черпают свою кинетическую энергию из потенциальной энергии неустойчиво стратифицированного воздуха.
Конвекция неодинаково развивается над морем и сушей, над ровной и гористой местностью. Известно, что, чем однороднее подстилающая поверхность, тем реже над ней развиваются очень интенсивные конвективные очаги. Так, грозы и град над морем бывают значительно реже, чем над сушей. Конвективные облака над сушей более значительно отличаются друг от друга по размерам и интенсивности, чем над морем. Если рассматривать спектры размеров облаков, то над сушей они окажутся более широкими, чем над морем. Даже небольшие возвышенности приводят к интенсификации конвекции, прежде всего к регулярному увеличению конвективных осадков. Высокие горы создают особенно сложные условия для развития конвекции, в ряде случаев сильно увеличивая ее повторяемость и интенсивность [5].
Аналогичный, но более слабый эффект имеет увеличение шероховатости подстилающей поверхности. В частности, интенсивность конвекции заметно увеличена над крупными городами, что проявляется главным образом в увеличении повторяемости сильных ливней, гроз и града [4].
В умеренных широтах образование мощных кучево-дождевых облаков (СЬ), как правило, становится возможным при сочетании термических факторов с динамическим подъемом воздуха преимущественно за счет мезомас- штабной конвергенции потоков, вызванной изменением шероховатости подстилающей поверхности или прохождением атмосферных фронтов [3].
Эволюция кучево-дождевой облачности определяется характером подстилающей поверхности, степенью термической неустойчивости атмосферы, интенсивностью воздухообмена между облаком и окружающей средой (вовлечения), площадью конвергентной зоны и временем ее существования, выделением скрытой теплоты конденсации и т. д. [15].
Конвективная облачность, ливневые осадки и грозы относятся к погодным явлениям, которые могут оказывать неблагоприятное влияние на работу транспорта, сельское хозяйство и другие сферы деятельности человека. При этом величины ущерба и жертв, связанных с ними, в настоящее время имеют устойчивый рост по сравнению с XX в. Поэтому проведение региональных исследований метеорологических явлений, связанных с конвекцией, является актуальной задачей синоптической метеорологии и климатологии.
Объект и методы исследования
Современные теоретические исследования конвективной облачности и гроз базируются на многочисленных данных доплеровских содаров и ли- даров. Установлено, что грозы связаны с конвективным перемешиванием глубоких слоев атмосферы и возникают в тех областях, где скорость уменьшения температуры с высотой достаточно велика, чтобы вызвать неустойчивость атмосферы, а воздух в нижних слоях достаточно влажен, чтобы возникло его пересыщение, необходимое для конденсации влаги [26].
Согласно принятой Всемирной метеорологической организацией классификации, выделяют три типа кучево-дождевых облаков: одноячейковые, многоячейковые и облака типа сверхъячеек (суперъячеек) [12]. Многоячейковые (мультиячейковые) кластерные грозы - это наиболее распространенный тип гроз, связанный с мезомасштабными (имеющими масштаб от 10 до 1000 км) возмущениями. Часто такие облака развиваются из одноячейкового СЬ, которое «засевает» дочерние ячейки ледяными кристаллами. В дальнейшем ячейки объединяются, образуя единое мощное кучеводождевое облако, которое имеет многокупольную вершину.
Многоячейковый кластер состоит из группы грозовых ячеек, которые имеют поперечные размеры ~ 20-40 км, двигаются как единое целое, хотя каждая ячейка в кластере находится на разных стадиях развития грозового облака. Каждая отдельная ячейка в многоячейковом кластере находится в зрелом состоянии около 20 мин.; сам многоячейковый кластер может существовать в течение нескольких часов. Грозовые ячейки, находящиеся в стадии зрелости, обычно располагаются в центральной части кластера, а распадающиеся ячейки - с подветренной стороны кластера. В передней части многоячейкового грозового очага располагается зона восходящих потоков. Атмосферные осадки выпадают восточнее этой зоны, так что нисходящий поток, вызванный интенсивными осадками, и восходящий поток граничат друг с другом. Растекание холодного воздуха нисходящих потоков у поверхности Земли обусловливает возникновение зоны усиленных, порывистых ветров (фронта порывистости или линии шквалов).
Многоячейковые облака развиваются преимущественно на основных и вторичных холодных фронтах; их вершины смещены относительно основания в направлении сдвига ветра в окружающем воздухе. С многоячейковыми облаками СЬ связаны сильные ливни, грозы, град. Продолжительность жизни таких конвективных очагов составляет в среднем около 1,5 ч. На их долю приходится до 30 % всех градовых очагов [11].
При высоких запасах энергии неустойчивости и больших вертикальных градиентах скорости ветра могут возникнуть суперъячейковые СЬ или сверхочаговые грозы, которые представляют собой линию гроз с продолжительным, хорошо развитым фронтом порывов ветра вдоль передней линии фронта. Термин «сверхочаг» был введен Браунингом в 1962 г. в связи с очень сильной грозой, сопровождавшейся градом, которая нанесла огромной ущерб в районе, находящемся недалеко от г. Уокингема в Англии, в июле 1959 г. [12]. Основной особенностью, отличающей суперъячейковое облако от конвективных облаков других типов, является наличие вращающегося восходящего потока (в радарной терминологии называемого мезо- циклоном), который создает экстремальные по силе погодные явления, такие как гигантский град (> 5 см в диаметре), шквальный ветер > 40 м/с и сильные разрушительные смерчи. Для его образования требуются: значительный прогрев подстилающей поверхности (> 27-30 °С) и сильная конвективная неустойчивость, но главным необходимым условием является ветер переменного направления, вызывающий вращение, что достигается при наличии сдвига ветра в средней тропосфере.
Приведенная классификация различной очаговой структуры кучеводождевого облака не является исчерпывающей. Только около 50 % всех наблюдаемых очагов интенсивной конвекции можно уверенно отнести к какому-либо из перечисленных типов, в остальных случаях конвективные очаги не соответствуют критериям, принятым для выделения основных трех типов. Они имеют сложную структуру и образуют комплексы, нерегулярно изменяющиеся во времени и пространстве.
Конвекция может сопровождаться целым спектром явлений погоды, потенциально опасных для различных сфер деятельности человека [6; 16; 18; 22]. Во время грозы присутствует вероятность сильных вертикальных и горизонтальных сдвигов ветра, с которыми связаны турбулентность и болтанка воздушных судов. Поэтому для авиации важно, чтобы прогнозы гроз имели высокую заблаговременность и оправдываемость [27].
Важным аспектом в исследованиях гроз является учет неоднородного рельефа, который в одних случаях может усиливать процессы развития кучево-дождевой облачности, а в других, наоборот, способствовать размыванию полей конвективной облачности и ливневых осадков [17; 20; 31]. Отмечается увеличение повторяемости гроз в крупных городах, где в качестве причины, вызывающей усиление конвекции, рассматривают влияние городского острова тепла и наличие дополнительных ядер конденсации [21; 23; 25; 28-30].
При анализе синоптических условий образования внутримассовых и фронтальных гроз широко используют различные типизации атмосферных процессов, учитывающие положение оси планетарной высотно-фронтальной зоны, центров циклонов и антициклонов, данные стратификации атмосферы в точке, откуда ожидается приход воздушной массы [13]. Возникновение мощных гроз и линий шквалов чаще всего связывают с адвекцией теплого воздуха в передней части циклонов и усиливающейся адвекцией холодного воздуха в тыловой части циклона [24; 29]. В работе [9] проведено исследование особенностей формирования приземной тепловой конвекции в атмосфере при наличии горизонтального градиента температуры.
C появлением суперкомпьютеров появилась возможность исследовать в численном эксперименте детальную турбулентную структуру полей конвективных облаков, отслеживать развитие каждого отдельного облака и всего конвективного поля в целом (рис. 1). Одним из таких методов является LES-моделирование (Large Eddy Simulation - метод больших вихрей) [1; 7].
Рис. 1 Расчетная изоповерхность водности (кг/кг) в момент времени 2,5 ч (сетка 192^192x280)
Спутниковое дистанционное зондирование играет решающую роль в исследовании мезомасштабных конвективных систем, которые из-за редкой сети метеорологических наблюдений, особенно над морями, быстрого формирования, небольших размеров и короткого жизненного цикла обычно не выявляются в поле давления и наносятся на приземные синоптические карты по спутниковым данным. Оперативная идентификация таких систем, а также определение стадии их «жизненного» цикла позволяют осуществлять диагноз и сверхкраткосрочный прогноз конвективных явлений. В качестве примера в работе [8] выполнено исследование мезомасштабных конвективных комплексов над территорией Европы по данным геостационарного спутника Ме1е08а1;-8 за период 2008-2011 гг. (рис. 2).
а б
Рис. 2 Вейвлет-преобразование спутникового снимка: а) исходный снимок видимого диапазона, МОБШ/Тегга, 29.04.2009, 600*860 пиксел, пространственное разрешение 250 м; б) четыре уровня вейвлет-декомпозиции
На территории Иркутской области последние исследования условий образования конвективной облачности, ливней и гроз проводились в середине 1980-х гг. специалистами Иркутского территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды [10]. Установлено, что грозовая деятельность на территории области наблюдается как при широтных, так и при долготных типах элементарных циркуляционных процессов. В большинстве случаев (51 %) грозы на территории Иркутской области возникают в тыловых частях циклонов либо на восточной периферии антициклонов и связаны с вторичными холодными фронтами.
С орографическими особенностями территории Иркутской области тесно связано распределение числа дней с грозой. Можно выделить три района с наиболее частой повторяемостью гроз [14]:
а) высокогорная часть Восточного Саяна, включая Передовой хребет, где среднее число дней с грозой изменяется от 21 на северо-западе (ст. Нижнеудинск) до 28-30 на юго-востоке. В центре этого максимума (ст. Сарам) отмечается наибольшее число гроз (36 дней/год);
б) обширная часть Лено-Ангарского плато и Прибайкальской впадины, где среднее число дней с грозой изменяется от 20 на севере (ст. Преоб- раженка) до 18 на юге (ст. Тулун, Балаганск, Усть-Ордынский). В центре этого максимума, на северо-востоке Лено-Ангарского плато (ст. Казачин- ское, Головское), наблюдается 25-26 дней с грозой;
в) Ангарский кряж с примыкающими к нему с запада Бирюсинским плато и с северо-запада Ковинским кряжем, где среднее число дней с грозой изменяется от 27 на юге до 21 на севере.
Таким образом, практически вся центральная часть территории Иркутской области окружена мощным кольцом активной грозовой деятельности, вытянутым в северо-восточном направлении. Зоны минимальной повторяемости гроз характерны для западных и частично южных районов Иркутской области.
Обсуждение результатов исследования
Так как кучевая облачность оказывает существенное влияние на климатический режим, а связанные с ней ливневые осадки во многом определяют режим увлажнения территории, необходимо проводить регулярные исследования конвективной облачности. В задачи исследования входил пространственно-временной анализ распределения средней за месяц повторяемости различных форм конвективной облачности на территории Иркутской области по данным непрерывных наблюдений 86 метеорологических станций за период 2000-2013 гг.
Описание конвективных явлений на территории Иркутской области выполнено с учетом синоптико-климатического районирования [10]. В пределах территории Иркутской области выделяют пять основных районов: Северный, Западный, Южный, Центральный и Верхне-Ленский (рис. 3).
В годовом распределении максимум повторяемости кучевой облачности отмечался в июне и июле, минимум - в декабре и январе, что повторяет годовое распределение средних температур. Можно предположить, что кучевые облака на территории Иркутской области носят в основном термический характер, так как чаще всего образуются при развитии конвекции в летние месяцы в дневные и послеполуденные часы. В пространственном отношении в летние месяцы можно выделить несколько основных максимумов повторяемости кучевых облаков: в Южном районе - ст. Баяндай (24 %) и байкальская станция Исток Ангары (23 %); в Северном районе - ст. Ика (16 %); в Западном районе - ст. Червянка (17 %). Минимальная повторяемость (5 %) отмечалась на метеорологических станциях: Большой Ушканий, Усть-Илимск, Мамакан, Максимово, Кунерма и Алыгджер.