Жизненный цикл мезомасштабных конвективных систем

Актуальность работы заключается в общенаучной, методической и прогностической необходимости комплексного обобщения радиолокационных и других наблюдений жизненного цикла мезомасштабных конвективных систем, который включает описание иерархии элементов МКС: от ячеек СЬ до скоплений штормов, — характерных стадий, организации и типичной эволюции МКС, типов осадков и циркуляционных систем движений, сопровождающихся оценкой степени прогнозируемости опасных явлений.

Цель настоящей работы — представить концепцию жизненного цикла МКС как способ обобщения закономерностей развития мезомасштабных конвективных систем и их элементов и продемонстрировать научный и методический потенциал этой концепции.

В рамках поставленной цели последовательно решены задачи:

• эмпирического описания эволюции и иерархии скоплений кучево-дождевой облачности и формулировки их общих свойств в виде концепции жизненного цикла мезомасштабных конвективных систем (часть I, главы 1 и 2);

• разработки методов анализа и способов классификации наиболее интенсивных мезомасштабных систем (часть I, главы 3 и 4);

• применения концепции для научного обоснования и интерпретации результатов мезоклиматического реконструирования (часть И, главы 5, 6 и 7);

• демонстрации роли концепции в обосновании и разработке принципов и практических алгоритмов мезомасштабного прогнозирования (часть III, главы 8, 9, 10 и 11).

Содержание работы. Жизненный цикл мезомасштабных конвективных систем — предмет первой части исследования. Глава 1 — информационная платформа работы, где описан объект, необходимая база данных, актуальность и методическое обеспечение исследований.

Комплексная база данных для целей мезомасштабного анализа и прогноза (см. Browning, 1989) содержит взаимосогласованную информацию обычных и когерентных метеорадиолокаторов (MPJI), 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.

Актуальность исследования эволюции и иерархии мезомасштабных систем осадков обоснована в п. 1.2.-1.3., где показано, что многие аспекты жизненного цикла грозо-градовых штормов, линий шквала и мезомасштабных конвективных комплексов были описаны к 90-м годам прошлого века, но сложившегося представления о взаимосвязи между эволюцией и организацией мезомасштабной конвективной системы и поведением её элементов — отдельных ячеек и штормов — не было. Это, впрочем, очевидно из приведенного выше определения МКС, описывающего её как уже свершившееся событие, включающее спектр еще менее определенных масштабов и форм конвекции.

Методические подходы исследования формируется из традиционных и новых способов обработки и интерпретации данных обычных и доплеровских MPJI, опирающихся на системный принцип, который представляет мезомасштабную конвективную систему как совокупность взаимодействующих иерархически соподчиненных мезомасштабных скоплений СЬ. В п. 1.4, продемонстрировано, каким образом следует использовать свойства ячейки осадков и грозо-градового шторма, для того, чтобы по композиционным аккумуляционным изображением радиолокационных осадков можно оценить трансляцию, развитие и интенсивность мезо-ßскоплений кучево-дождевых облаков и всей системы масштаба мезо-ос. Вопросы системы координат в интерпретации поля доплеровских скоростей рассмотрены в п. 1.5, и обоснован метод анализа дисплея доплеровских скоростей {Mean Wind Relative — MWK).

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 звание кандидата физико-математических наук (Абдуллаев, 1992 [74], руководитель A.A. Желнин), где, опираясь на обнаруженные квазипериодические свойства кучево-дождевой облачности (Старостин, Лившиц, Швецов, 1983, Старостин, 1986, Желнин и Старостин, 1987, Желнин, 1989), системное обобщение собственных наблюдений эволюции мезомасштабной конвекции [66−74] в двух географических регионах Восточной Европы (п. 2.1−2.2), представлена концептуальная модель эволюции кластера масштаба малого мезо-а (-300 км), объединявшая ранее известные и вновь открытые пространственно-временные моды глубокой конвекции. Универсальность подхода сразу же подтвердилась в исследованиях мезомасштабных конвективных систем по радиолокационным и спутниковым данным в различных регионах северного и южного полушария [417, 20−21, 31−32]. В п. 2.3 эти наблюдения обобщены в единую концепцию жизненного цикла мезомасштабной конвективной системы, согласно которой отдельные кучево-дождевые облака масштаба мезо-у организуются в иерархически-соподчиненные мезо-р-масштабные скопления, возникающие и проходящие свой жизненный цикл в определенных местах транслируемой с единой скоростью циркуляционной системы движений мезо-а-кластера [18, 90]. Появление доминантных скоплений приводит к квазипериодическим колебаниям максимальной интенсивности системы и её волноподобной пространственной структуре. Квазипериодичность и иерархия системы являются реакцией на ограниченный внешний питающий систему ресурс влаги, необходимый для реализации неустойчивости.

Научно-методический потенг^иал концетрш раскрывается в прог{ессе генерации и организации новых знаний об особенностях мезомасштабных систем. Наиболее подходящей «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 [19−36, 90] проведено научное обоснование, методическая разработка и практическая реализация объективной морфолого-эволюционной классификации мезо-а-масштабных систем осадков, единой для всех географических регионов [36, 37,76,91].

Основное понятие концепции о стадии максимального развития скопления применено в п. 2.4 для обоснования способа объективной морфологоэволюционной классификации мезо-а-масштабных систем осадков, единой для всех географических регионов [37]. На основе радиолокационных наблюдений в ранее неизученном регионе Южного полушария продемонстрирована практическая реализация алгоритма и определены характеристики шести архитипов мезомасштабных систем, региональная повторяемость и условия возникновения [27−30, 34−35, 37, 42]. На фоне систем преимущественно обложных осадков и умеренных ливней выделяются два типа систем, производящих град, шквалы и смерчи — это мезомасштабные линии шквала (МЛШ), обладающие на стадии максимума характерной линейной организацией, и «неорганизованные» мезомасштабные комплексы локальных штормов (МКЛШ).

В главе 3 на основе понятий концепции, объективно определены доминирующие грозо-градовые шторма и представлены способы обобщения их морфологических, кинематических и эволюционных характеристик [48,53,55,58−59,90]. Совместно с анализом поведения стационарных зон конвергенции [6,7,73,74,75] и картированием ландшафтной структуры региона обоснован метод траекторий доминирующих штормов, перспективный для локализации взаимодействующих с конвекций (п. 3.1−3.4) квазиперманентных циркуляций пограничного слоя, таких как бризовые фронты, горно-долинные ветры и конвергенция городских островов тепла. Создана модель эволюции штормов вблизи стационарных зон конвергенции, объясняющая видимые эффекты разделения, слияния, стационирования локальных штормов и другие процессы вблизи таких зон [7,74]. Исследования траекторий штормов в неподвижной системе координат дополняет метод доминируюгцих скоплений [59,90], основанный на аккумуляции максимумов интенсивности в движущейся со скоростью трансляции системе координат. Обнаружена скрытая линейная структура МКЛШ, роднящая их с мезомасштабными линиями шквала.

В главе 4, посвященной жизненному циклу линий шквала, частично использованы результаты диссертации на степень кандидата географических наук О. Ю. Ленской (Ленская, 2006, руководитель A.A. Желнин), изложенные в наших совместных [19,23−26, 33, 36, 45−47,76] и индивидуальных [38−41] исследованиях. В п. 4.1−4.3 на основе сопоставления компонент развития и трансляции обоснована эволюционная классификаг^ия линий шквала, объясняющая все основные проявления этого мезо-а-масштабного явления, в том числе образования ведомого или ведущего региона обложных осадков и асимметрию формы линии шквала. Введено понятие диссипации зон слоистообразной облачности, существенно дополняющее концепцию жизненного цикла, оценена его скорость. Показано, что наша классификация объяснила все вновь появившиеся наблюдения последнего десятилетия и фактически предопределила появление мезоклиматологических обобщений, опубликованных недавно в США. В основе анализа данных доплеровского радара в п. 4.4 обнаружены особенности циркулягрюнных систем «сверхмедленных» и «сверхбыстрых» МЛШ и продемонстрированы преимущества MWR для диагноза широкого спектра мезомасштабных систем (п. 4.5). В частности, применение MWR к линейным структурам позволило объединить известные циркуляционные модели линий шквала (Houze et.al., 1989) и фронтов с теплой и холодной несущей полосой (Browning, 1990).

В второй части работы раскрывается научно-методический и диагностической потенциал концетрш в части способов анализа информации на различных стадиях жизни МКС и её синтеза в мезоклиматологическпе реконструкции. В главе 5 мезомасштабные конвективные комплексы на определенных стадиях жизненного цикла используется в качестве объекта накопления климатологических знаний об эволюции поля осадков и частоте опасных явлений. Реконструкция жизненного цикла МКК на основе композиционных изображений в движущейся и неподвижной системах координат (п. 5.1) показывает, что до 70% опасных явлений происходят задолго до достижения порога идентификации МКК на стадии развития скопления штормов масштаба мезо-а, о чем свидетельствуют секторные и топографические «предпочтения» возникновения опасных явлений (п. 5.1−5.2). Показано, что для спутниковых оценок конвективных осадков наиболее адекватен подход жизненного цикла (п. 5.3−5.4) с попыткой выделения активных сегментов облачного щита, обладающих потенциалом нового развития [22]. На основе обобщения поведения локальных штормов, линий шквала и МКК, описан векторный метод краткосрочного прогноза движения мезомасштабных систем.

Основное понятие концепции, такое как доминирующие пространственно-временные моды и соответствующие им стадии мезомасштабных явлений, можно плодотворно применять для широкого спектра мезоклиматологических описаний. Так, в главе 6 эти понятия применяются для описания конвективной активности в Южной Америке по данным сети регистрации грозовых разрядов [49−52,60,63]. Исследование сезонной и внутрисезонной изменчивости гроз [63] обнаружило концентрирование суточной грозовой активности в отдельные временные пакеты с периодом следования от недель до месяца. Композиционные поля грозовых разрядов облако-земля, аккумулированных в период прохождения доминирующих волновых пакетов, демонстрируют возбуждение ряда сезонных крупномасштабных циркуляций. На фоне ослабления конвективной активности над поверхностью океана обнаружены особые зоны циклогенеза. Обнаружены и исследованы мезомасштабный полицентричный очаг юго-восточной Бразилии и мигрирующий очаг гроз севернее залива Ла-Плата, а также два центра в восточных предгорьях Анд. Мезо-р максимумы грозовой активности вовлечены в концентрические, широтные и квазимеридиональные колебания. При преобладании разрядов отрицательной полярности обнаружены локальные области с увеличенной частотой положительных разрядов. Обсуждается ряд проблем долгосрочного прогнозирования, обусловленный уникальным сезонным ходом близлежащих тропических очагов.

В главе 7 на основе сопоставления временной эволюции приземных давления, осадков, температур и ветра и радиолокационных данными [43, 8485] решается задача мезоклиматологической реконструкция типов и стадий шквалоопасных мезомасштабных систем. Показано, что решение задачи необходимо начинать с сопоставления случаев возникновения шквалов и наличием конвективных и обложных осадков, а затем уточнять типы линий шквала и локальных штормов, используя для этого особенности хода приземного давления. Представление холодного оттока МЛШ, как плотностного потока, позволяет объективизировать связь между максимальной скоростью ветра у земли и скоростью МЛШ в зрелой стадии. Дальнейшая типизация шквалов по форме барической волны давления позволяет реконструировать тип и стадии мезомасштабных систем, генерирующих шквалы.

В третьей, прикладной части концепция жизненного цикла представляется как исходный способ оформления, организации и развертывания дисциплинарного знания — мезомасштабного прогноза осадков и опасных явлений. В первую очередь показана системообразующая роль концепции жизненного цикла в вопросах, касающихся процесса накопления индивидуального опыта использования и уточнения действующего набора правил прогноза опасных явлений, формулировке новых правил и алгоритмов их ассимиляции в единую экспертную систему прогноза.

В главе 8 демонстрируется 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. 8.1−8.2 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. 8.3 обсуждаются мультипликативные прогностические индексы, разработанные на основе действия этих факторов. Показано, что логике доминирующих штормов отвечает энергоспиральный индекс и его производные формулы, использующие скорость доминирующих штормов и трансляции. Отмечена тенденция введения новых комбинаций факторов в современные индексы. В п. 8.4 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. В п. 8.5 показано, что используемые в современных экспертных сетях сверхкраткосрочного прогноза алгоритмы «нечеткой логики» в прогнозе погоды являются частным случаем применения аддитивного алгоритма. Показано также, что этот алгоритм может использоваться для оценки степени антропогенного воздействия для конкретной области пространства путем сочетания пространственных полей антропогенных нагрузок и карт природных ландшафтов или их компонент и отражает весь спектр методов экологического картографирования и ОВОС. Далее кратко обсуждается, каким образом можно модифицировать экспертные системы прогноза осадков, адаптируя их к имеющимся средствам наблюдения, а также новая система весов для оценки роли предикторов в развитии конвективной облачности и дополнение набора правил результатами нашего исследования.

Процесс формирования комплекса правил сверхкраткосрочного прогноза эволюции поля осадков и опасных явлений погоды показан в главах 9−11. На примере использования данных сетей грозоотметчиков в ноукастинге [49−52,60] в главе 9 демонстрируется конструктивный принцип концепции жизненного цикла, позволяющий организовать процесс усвоения 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. В рамках исходных понятий жизненного цикла в п. 9.2. проведена интерпретация композиционных полей грозовых разрядов и геостационарных спутниковых изображений облачности в ИК диапазоне для диагноза типа и эволюции теплых и холодных участков фронтов. Показано, что совмещение этих двух типов информации и привлечение для оценки стадий развития систем временных графиков грозовой активности и изменений полярности разрядов скоплений может частично компенсировать отсутствие радара в регионе. Перспективы определения скоростей смещения и трансляции штормов и линий шквала с использованием простейших техник цветовой визуализации полей представлены в п. 9.3.

Основные принципы концепции используются в главе 10 для разработки и уточнения эмпирических правил мезомасштабного прогноза шквалопасных систем. Как форма информационной подготовки специалиста, в п. 10.1 анализируется дугообразная система масштаба-мезо-а «облачной запятая» [40] и корректируются правила прогноза «быстрых» линий. Далее в п. 10.2−3 иерархический принцип применяется к сочетаниям шквалистых порывов и дугообразных форм радиоэха bow-echo, позволяя формулировать новые прогностические правила и сделать «новые» выводы о связи формы и эволюции шквалоопасных систем масштаба большого и малого мезо-р. В п. 10.4 факторы прогноза поступательного и серийного дерешо (derecho) интенсивных линий масштаба мезо-а сводятся к компонентам трансляции и развития. Необходимость соблюдения сезонной, региональной и стадийной однородности выборок для климатологических реконструкций обсуждается в п. 10.5.

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 которого является свойство запрета на регенерацию скоплений [21,74]. В п. 11.3 описаны способы локализации паводков, связанных со стационированием доминирующих локальных штормов [41,46]. В п. 11.4−5 рассмотрены особенности структуры продольных и поперечных циркуляций стационарных фронтальных систем, дающих суммы осадков 50 мм/12 ч и 100 мм/24 часа. В сочетании с аккумуляцией зон осадков в движущейся системе координат и ]УГ¥-11 исследованы периодические возмущения масштаба мезо-р на фронтах [56,57, 61,62] и обсуждаются особенности метода в оценке направления смещения стационарных фронтов.

В Заключении формулируются положения, выносимые на защиту и делается вывод, что концепция жизненного цикла создает необходимую понятийную и методическую базу для формирования нового направления фундаментальных исследований и прикладных методов мезомасштабного прогноза.

Новизна результатов диссертации заключается в открытии закономерностей эволюции мезомасштабных конвективных систем, обобщенных в концепцию жизненного цикла мезомасштабной конвективной системы, имеющих собственное значение способов классификации и разработки на их основе комплекса методов и алгоритмов мезомасштабного анализа и прогноза.

Работа выполнена на кафедре природопользования Челябинского государственного университета, в период с февраля 2009 по март 2010 года и едва ли могла быть завершена без поддержки и участия старшего научного сотрудника Гидрометцентра РФ Александра Алексеевича Желнина и помощи доцента ЧелГУ, кандидата географических наук Ольги Юрьевны Ленской.

Искренне признателен всем, кто прочитает этот не слишком удачный труд.

С уважением.

Абдуллаев Санжар Муталович,.

Челябинск, 22 марта 2010.

ЧАСТЬ I. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ МЕЗОМАСШТАБНЫХ КОНВЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ГЛАВА 1. НАБЛЮДЕНИЯ МЕЗОМАСШТАБНЫХ СИСТЕМ ОСАДКОВ И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА.

В этой главе кратко описана информационная база исследований эволюции мезомасштабных систем и показана необходимость рассмотрения истории развития поля осадков конвективных систем. Технологически это выражается в определении характерной скорости мезомасштабной циркуляции и аккумулирования осадков и других данных в системе координат, движущейся со скоростью этой циркуляции, фиксируя время появления и интенсивность наименьших элементов МКС на композиционном изображении. От выбора скорости зависит также корректность интерпретации доплеровских скоростей в рамках циркуляций мезомасштабной или субсиноптической системы того или иного типа.