Мезоклиматические особенности развития зон активной конвекции и конвективных опасных явлений погоды в мегаполисах

В конце XX и в начале XXI века городская окружающая среда все больше становится предметом обеспокоенности мирового сообщества. Более 30% населения Земли в настоящее время живет в городах, причем урбанизация принимает все более широкие масштабы. В связи с этим возникает обилие вопросов, затрагивающих не только проблемы городского строительства, но и изменения городской окружающей среды. С одной стороны, эта среда формируется под воздействием человека и природы, а с другой, сформировавшись, она сама начинает оказывать значительное влияние на жизнедеятельность людей и природные процессы. Управление городской окружающей средой становится одним из приоритетных направлений деятельности федеральных и муниципальных органов власти, а также национальных служб окружающей природной среды.

Озабоченность состоянием окружающей среды в мегаполисах, а также развитием систем их гидрометеорологического обеспечения нашли свое отражение в документах Всемирной метеорологической организации (ВМО). Тринадцатый Всемирный метеорологический конгресс (Женева, май 1999 г.) учредил Программу метеорологических исследований городской окружающей среды (СиЯМЕ), ориентирующую национальные гидрометеорологические службы активно участвовать в изучении и рациональном использовании городской среды.

Климат большого современного города является мезонеоднородным. На отдельных его улицах и площадях формируются микроклиматические условия, определяемые городской застройкой, покрытием улиц, распределением зеленых насаждений, промышленных объектов и др. Основной вклад в формирование мезоклиматических особенностей мегаполисов вносит антропогенное загрязнение атмосферы твердым аэрозолем и парниковыми газами. Вследствие загрязнения воздушного бассейна на территории города понижено эффективное излучение, и, следовательно, затруднено ночное выхолаживание. Изменение радиационного баланса, дополнительное поступление тепла в атмосферу в результате сжигания топлива и малый расход тепла на испарение приводят к повышению температуры воздуха над городом по сравнению с окружающей естественной (не загрязненной антропогенными примесями) местностью.

К настоящему времени выполнено большое число исследований, посвященных вопросам загрязнения городской окружающей среды под влиянием антропогенных воздействий и нарушения радиационного баланса в пограничном слое атмосферы, приводящих к возникновению «островов тепла» [23,41,43,50]. Интенсивность этих «островов» изменяется от 1 до 10 °C в зависимости от площади мегаполиса, его географического положения и характера атмосферных процессов. Теоретически «острова тепла» и характер городской застройки обусловливают усиление термической и динамической неустойчивости приземного слоя атмосферы, увеличение интенсивности и количества выпадающих осадков, а также рост повторяемости опасных явлений погоды конвективного характера. Имеющееся ограниченное число исследований, посвященных получению точечных оценок статистических характеристик увеличения количества выпадающих осадков под влиянием мегаполисов и повышения повторяемости опасных метеорологических явлений, не может служить подтверждением данной гипотезы, прежде всего, из-за существенной естественной пространственной изменчивости количества осадков и ограниченности исходных выборок.

Климатологические ряды метеорологических величин и явлений погоды, на основании которых делаются выводы о влиянии города на окружающую среду, должны включать результаты непосредственных измерений на учащенной сети метеорологических станций с длительностью наблюдений не менее 10−15 лет и периодичностью получения данных не более чем через 3 часа [31,106]. Это позволит исследовать изменения суточного хода метеорологических величин под влиянием мегаполисов, что важно при рассмотрении процессов развития конвекции и связанных с ними опасных гидрометеорологических явлений. Как показывает отечественный и зарубежный опыт, для получения достоверных выводов о влиянии города на характер выпадения осадков, прежде всего, должны рассматриваться умеренные и сильные ливневые осадки.

Исследование мезоклиматических особенностей территорий необходимо, в первую очередь, для совершенствования существующих и разработки новых методов прогнозирования погоды. В настоящее время задача прогнозирования опасных гидрометеорологических явлений на сроки 0−72 ч включена в число приоритетных задач в области фундаментальной и прикладной метеорологии [25]. Сложность решения данной задачи связана с тем, что существующие сети гидрометеорологических наблюдений с пространственным разрешением в 100−400 км и временным разрешением в 312 ч позволяют обнаруживать атмосферные возмущения синоптического и а-мезомасштабов. Возмущения и у-мезомасштабов, к которым относится большинство опасных гидрометеорологических явлений, обнаруживаются только тогда, когда они попадают в поле зрения конкретной станции.

Использование результатов наблюдений с высоким пространственно-временным разрешением (наземных, радиолокационных и спутниковых) и организация соответствующих систем обработки информации позволяют идентифицировать мезовозмущения всех масштабов и осуществлять прогнозирование их эволюции на основе мезомасштабных гидродинамических моделей, экстраполяционных процедур и синоптико-статистических методов. Создание подобных систем, ориентированных на разработку локальных прогнозов и предупреждений об опасных гидрометеорологических явлениях (ОЯ), целесообразно осуществлять, в первую очередь, в районах мегаполисов. Здесь существует достаточно густая сеть гидрометеорологических станций и постов, а ущерб от последствий ОЯ в районах мегаполисов наибольший, ввиду значительной плотности населения и интенсивной хозяйственной деятельности. Известно, что экстремальное природное явление только тогда становится опасным, когда оно оказывает воздействие на население и хозяйственную деятельность в значительных масштабах. Многие исследователи —[31,41,50] отмечают, что мегаполисы не только чаще других территорий подвергаются воздействию ОЯ, но и сами становятся источниками возникновения или усиления таких явлений. В первую очередь это должно относиться к явлениям, которые формируются или усиливаются под воздействием локальных орографических эффектов, особенностей подстилающей поверхности, неравномерности поступления тепла, влаги и аэрозолей.

В декабре 1999 г. с целью развития работ по управлению качеством городской окружающей среды Росгидромет при поддержке ВМО и Правительства Москвы провел научно-технический семинар «Метеорологические аспекты городской окружающей среды» (Москва, 9−11 декабря 1999 г.). Участники семинара отметили, что сложившаяся в мегаполисе система гидрометеорологического обеспечения требует совершенствования. В условиях высокой плотности населения, активной экономической деятельности, роста парка автотранспорта возрастает ущерб от непредсказанных гидрометеорологических явлений и увеличивается угроза для жизни людей [68]. От качества метеорологической информации зависит правильность принимаемых решений по управлению городским хозяйственным комплексом, распределение сил и средств в периоды природных и техногенных чрезвычайных ситуаций. Семинар подробно обсудил концепцию демонстрационного проекта Росгидромета «Метеорологическое обеспечение устойчивого развития московского мегаполиса», который на Исполнительном Совете ВМО в мае 2000 г. был принят в качестве демонстрационного проекта Международной программы 01ЖМЕ.

Проект планируется осуществлять в рамках отдельных подпрограмм при общей координации Научно-технического комитета проекта. В их число включены следующие подпрограммы.

1. Обобщение и уточнение требований к гидрометеорологической информации.

2. Развитие наблюдательных систем и их интеграция.

3. Изучение влияния московского мегаполиса на метеорологические процессы и явления.

4. Изучение особенностей мезои микроклимата московского мегаполиса.

5. Развитие моделей и методов прогнозов погоды.

6. Интеграция систем сбора, обработки и отображения гидрометеорологической информации.

7. Развитие системы анализа и прогноза метеорологических условий загрязнения воздуха.

8. Развитие системы прогноза уровня загрязнения воздуха и оповещения о периодах наступления высокого загрязнения воздуха в Москве.

9. Совершенствование системы обеспечения гидрологическими и агрометеорологическими данными и прогнозами.

Ю.Развитие комплексной информационной системы обслуживания потребителей.

11 .Глобальные изменения климата и оценка их воздействий.

12.Оценка влияния атмосферных процессов на состояние здоровья населения.

Практическая реализация исследований по вопросам демонстрационного проекта Росгидромета возложена на Гидрометцентр РФ, Гидрометеорологическое бюро Москвы и Московской области (московское ГМБ), Московский центр по гидрометеорологии и наблюдению природной среды и ряд других организаций. Основной целью деятельности московского ГМБ является повышение надежности и достоверности гидрометеорологических наблюдений, прогнозов и предупреждений о неблагоприятных гидрометеорологических явлениях для районов Москвы и Московской области [23,68].

Эта программа стала главным элементом специальной комплексной программы развития наблюдательной сети и создания системы сверхкраткосрочного прогнозирования гидрометеорологических явлений, влияющих на безопасность жизни населения и эффективность хозяйственной деятельности в Москве и области и оперативного информирования о них населения и организаций. Составной частью этой сложной системы названа подсистема сверхкраткосрочного (до 12 ч) и краткосрочного (до 36 ч) прогнозирования явлений, включающая в себя: а) процедуры экстраполяции на 2−6 ч (с детальным воспроизведением эволюции состояния атмосферы на средствах визуализации) — б) синоптико-статистические методы прогнозирования на 6−12 ч (с использованием экстраполяции и статистических связей между явлениями и процессами в атмосфере) — в) численные мезомасштабные модели для прогнозирования метеовеличин на сроки 6−36 чг) численные региональные модели для прогнозирования метеорологических величин на 24−36 чд) методы интерпретации численных прогнозов для прогнозирования явлений, не прогнозируемых непосредственно в численных схемах.

Из множества опасных и неблагоприятных гидрометеорологических явлений, как нам представляется, в первую очередь следует выделить О Я конвективного характера. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, такие ОЯ составляют не менее половины от общего числа явлений, приносящих наибольший экономический ущерб экономике РФ [75]. Во-вторых, влияние города, как очага тепла, должно проявляться в усилении статической неустойчивости атмосферы и стимулировании конвекции. В-третьих, регистрация этих явлений осуществляется с использованием как наземной сети метеорологических станций и постов, так и дистанционных методов наблюдений (метеорологические ИСЗ, МРЛ, грозопеленгатор), что повышает достоверность их обнаружения и прослеживания эволюции.

Для разработки синоптико-статистических методов прогнозирования ОЯ конвективного характера и методов интерпретации численных прогнозов для явлений, непосредственно не прогнозируемых в этих схемах, необходимо иметь соответствующую базу данных. Эта база служит основой при нахождении связей между рассматриваемыми явлениями и характеристиками процессов, которые их вызывают. База данных, которая позволяла бы учитывать влияние мегаполиса на мезометеорологические процессы и явления, пока может быть создана только для Московского мегаполиса, включающего г. Москву и Московскую область, и частично, для г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области. В настоящей работе предпочтение было отдано Московскому мегаполису в связи с тем, что здесь имеются многолетние архивные материалы наблюдений более чем на 30 метеостанциях и постах, расположенных в Москве и в Московской областинаблюдения в нижнем 500-метровом слое атмосферы на телевизионной башне в Останкиноаэрологические данные по ст. Долгопрудный. Однако самым важным является то, что вопросами мезометеорологии воздушного бассейна Москвы в течение нескольких десятилетий занимались такие организации, как Центральная высотная гидрометеорологическая обсерватория (ЦВГМО), Московский центр по гидрометеорологии и наблюдению природной среды (Московский ЦГНС), Институт экспериментальной метеорологии (ИЭМ), Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО) и ряд других организаций. Исследования, выполненные сотрудниками этих организаций, являются хорошей основой для решения задач, поставленных в настоящей диссертационной работе.

Цель диссертационной работы заключается в оценивании влияния мегаполисов на мезометеорологические процессы в интересах совершенствования методов краткосрочного и сверхкраткосрочного прогнозирования опасных явлений погоды конвективного характера.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования: исследовать условия формирования мезоклиматических особенностей в районе Московского мегаполиса при возникновении и развитии зон активной конвекции (ЗАК) и опасных явлений погоды конвективного характерапровести анализ современного состояния проблемы краткосрочного и сверхкраткосрочного прогнозирования опасных и неблагоприятных гидрометеорологических явлений погоды конвективного характерапровести статистический анализ параметров атмосферы для выявления связей между показателями статической и бароклинной неустойчивостей атмосферы и образованием ЗАКобосновать выбор показателей состояния атмосферы для выявления ЗАК и использования их в качестве виртуальных предикторов при разработке модели и метода прогнозирования ОЯ конвективного характераразработать методы диагностики и прогнозирования ЗАК и рекомендации по его применению при краткосрочном и сверхкраткосрочном прогнозировании ОЯ конвективного характераразработать практические рекомендации для применения предлагаемых методов диагностики и прогнозирования в оперативно-производственных учреждениях Росгидромета и других ведомств.

На защиту выносятся следующие основные положения: результаты статистического анализа параметров состояния атмосферы, при которых происходит формирование и развитие ЗАК и связанных с ними ОЯпространственно-временные характеристики сильных и очень сильных ливневых осадков и других ОЯ в районе московского мегаполиса в теплый период годаметод эталонов для диагностики и прогнозирования ЗАК и ОЯ конвективного характерапрактические рекомендации по применению метода эталонов с учетом возможности его реализации на АРМ-метеоролог.

Научная новизна работы заключается в комплексном исследовании роли различных процессов макрои мезомасштабов, приводящих к накоплению и разрешению бароклинной и конвективной неустойчивостей атмосферы с учетом влияния внешних факторов, в том числе и антропогенного происхождения. Найденные статистические связи необходимы при совершенствовании существующих и разработке новых моделей и методов прогнозирования опасных гидрометеорологических явлений конвективного характера.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем: проведении статистического анализа характеристик состояния планетарного пограничного слоя и свободной атмосферы в условиях значительной неустойчивости, приводящей к возникновению опасных явлений конвективного характераисследовании влияния мегаполисов на возникновение и развитие конвективных опасных явлений погодыобосновании комплекса показателей, описывающих состояние атмосферы в сильно неравновесных условиях, для их использования в качестве предикторов в прогностических моделях конвективных опасных явлений погодыразработке физико-статистических моделей «эталонных состояний атмосферы» и метода «эталонов» для краткосрочного и сверхкраткосрочного прогнозировании ОЯразработке предложений для практической реализации метода прогнозирования в системе АРМ-гидрометеоролога оперативно-производственных организаций Росгидромета и других ведомствразработке предложений к облику системы раннего предупреждения об опасных гидрометеорологических явлениях конвективного характера в Московском мегаполисе.

Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе результатов обусловлена аргументированностью исходных положений, логической непротиворечивостью рассуждений, корректным использованием современного математического аппарата и подтверждается согласованностью полученных результатов и сделанных выводов с некоторыми частными результатами других авторов, фундаментальными теоретическими положениями, а также с богатым эмпирическим материалом.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на заседаниях кафедры метеорологии и климатологии Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (20 022 004 г. г.) и кафедры метеорологических прогнозов Российского государственного гидрометеорологического университета (2003;2004 г. г.). В полном объеме диссертация обсуждалась на расширенном заседании кафедры радиолокационной метеорологии РГГМУ в 2005 г.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в четырех статьях и двух отчетах о НИР.

Структурно диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы, содержащего 112 наименований. Общий объем работы составляет 174 страницы, в том числе 17 рисунков и графиков, а также 43 таблицы.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1. Уточнены результаты исследований, выполненных ранее в нашей стране и за рубежом, относительно влияния мегаполисов на повышение фоновых значений температуры воздуха над городом (создание «очагов тепла»), увеличение количества осадков и повторяемости опасных явлений погоды конвективного характера.

2. Результаты статистического анализа восьмисрочных наблюдений за температурой воздуха по станциям Москвы и Подмосковья показали, что диапазон изменений температур воздуха между центром Москвы и ее окрестностями находится в пределах -3−7 °С, а модальное значение составляет 1,5 °С. В дневные часы различия между центром города и окрестностями составляют около 0,7 °С, а в ночные достигают 2,5−3,3 °С.

3. Установлено, что летом прослеживается отчетливо выраженная зона значительных сумм осадков, вытянутая от центра Москвы к ее северо-восточной окраине с максимумом расхождений около 23 мм.

4. Показано, что вклад ливневых осадков в среднее суточное их количество в теплый период года по Москве и Московской области составляет не менее 90%. При этом очень сильные ливни (с количеством ?)>50 мм/сут) в центре города наблюдаются не реже одного раза в 3−5 лет, а в других районах города и области — один раз в 10−20 лет.

5. Максимум ОЯП смещен относительно центра Москвы на ее подветренную часть и находится на расстоянии 25−30 км к востоку от городской черты. Зоны максимальной повторяемости гроз и града находятся на юго-западной и северо-восточной окраинах Москвы.

6. С использованием данных плювиографических и осадкомерных наблюдений за 51 год на 26 станциях и постах Москвы и Московской области получены повторяемости максимальной интенсивности ливневых осадков, продолжительности и времени их выпадения в течение суток, а также повторяемости осадков в течение одной синоптической ситуации одновременно на п станциях.

7. Для проверки гипотезы о влиянии крупного города на пространственное распределение осадков и других ОЯП получены статистические характеристики этого явления для Санкт-Петербурга и Ленинградской области, которые в целом подтвердили выводы, сделанные для московского мегаполиса. Однако в северо-западном регионе РФ конвективные процессы выражены менее ярко (по сравнению с центром ЕЧР) из-за особенностей рельефа, наличия крупных водоемов и меньшей континентальности климата.

8. Проведен анализ качества современных методов прогнозирования ОЯП, основанных на дискриминантных функциях. Оказалось, что они далеко не всегда удовлетворяют требованиям по показателям предупрежденное&tradeконвективных ОЯП и оправдываемости их прогнозов. Это связано с недостаточно полным учетом роли статической и бароклинной неустойчивостей атмосферы в формировании условий, благоприятных для возникновения зон активной конвекции.

9. Проведено исследование статистических характеристик для различных показателей статической и бароклинной неустойчивостей и условий циркуляции атмосферы в ситуациях с выпадением сильных ливней.

10.Дано обоснование 10 показателей состояния атмосферы, которые следует включить в физико-статистические модели для краткосрочного и сверхкраткосрочного прогнозирования конвективных ОЯП.

11. Предложено использовать метод эталонов при прогнозировании ОЯП на основе 10 предлагаемых показателей, для которых на обучающей выборке, включающей 610 ситуаций, получены критериальные значения по каждому из показателей. Это позволило разработать две физико-статистические модели для двух состояний атмосферы: «с ОЯП», «без ОЯП».

12.Для распознавания текущей ситуации и отнесения ее к одному из двух классов моделей показаны возможности применения меры сходства Танимото для бинарных признаков. На обучающей выборке получены критериальные значения для принятия решения об автоматическом отнесении предъявляемой для распознавания ситуации к одному из классов.

13.На независимой выборке, включающей 715 ситуаций с прогнозами, разработанными по 15 точкам, получены оценки показателей качества прогнозов, разработанных с помощью метода, предложенного в диссертации. По большинству показателей качества эти прогнозы не уступают прогнозам, разрабатываемым в оперативно-прогностических организациях Росгидромета, а по предупрежденности и оправдываемости краткосрочных и сверхкраткосрочных прогнозов ливней даже превосходят их. Однако следует заметить, что этот вывод необходимо рассматривать как предварительный, так как он получен по результатам анализов полей метеорологических величин и справедлив только в рамках концепции совершенных прогнозов.

М.Разработаны предложения по применению метода эталонов в системе краткосрочного и сверхкраткосрочного прогнозирования ОЯП для московского мегаполиса, в том числе и с использованием АРМ метеоролога.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящее время исследование мезометеорологических процессов для своевременного предупреждения об опасных явлениях погоды населения и органов управления объектами инфраструктуры крупных городов становится одним из приоритетных направлений в деятельности Всемирной метеорологической организации и национальных метеорологических служб. В деятельности ВМО это нашло отражение при разработке Программы метеорологических исследований городской окружающей среды (виЯМЕ), а при развитии данного направления в системе Росгидромета — в организации Московского ГМБ, определении целей и задач этого подразделения.

Диссертационная работа направлена на исследование мезоклиматических особенностей московского мегаполиса для использования полученных знаний при совершенствовании моделей и методов краткосрочного и сверхкраткосрочного прогнозирования конвективных опасных явлений погоды, в число которых входят такие явления, как сильные ливни и очень сильные ливневые осадки, смерч, шквал (сильный ветер), крупный град. Из этих ОЯП наиболее часто в теплый период года в Москве и Московской области наблюдаются ливни, существенно осложняющие деятельность дорожных и коммунальных служб города, влияющие на безопасность выполнения строительных работ, полетов авиации и эксплуатацию автомобильного транспорта. Почти каждый десятый ливень сопровождается крупным градом или шквалом.

В связи с этим в работе наибольшее внимание уделяется исследованию мезоклиматических особенностей ливней, пространственное распределение характеристик которых может служить одним из индикаторов влияния искусственных очагов тепла над городом на усиление конвективной деятельности. Полученные статистические характеристики мезоклиматических особенностей крупного мегаполиса нашли отражение при исследовании показателей статической неустойчивости атмосферы в процессе возникновения.

ОЯП и при разработке предложений по совершенствованию методов их прогнозирования.