Жизненный цикл мезомасштабных конвективных систем: концепция, климатология и прогноз
Автор Абдуллаев Санжар Муталович, 19.07.2010
| Страницы: 1 2 3 |
Абдуллаев Санжар Муталович ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ МЕЗОМАСШТАБНЫХ КОНВЕКТИВНЫХ СИСТЕМ:
КОНЦЕПЦИЯ, КЛИМАТОЛОГИЯ И ПРОГНОЗ
25.00.30 – Метеорология, климатология, агрометеорология
Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора
географических наук
Москва – 2010 Работа выполнена на кафедре природопользования Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Челябинский государственный университет» Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Завьялов Петр Олегович доктор географических наук, профессор Федченко Людмила Михайловна доктор физико-математических наук, профессор Шакина Наталья Павловна Ведущая организация: Государственное учреждение «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова» Защита состоится 20 октября 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д327.003.01 при Гидрометеорологическом научно-исследовательском центре Российской Федерации, адрес: 123242, Москва, Большой Предтеченский пер., д. 11-13. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. Автореферат разослан «____» __________________ 2010г. Ученый секретарь диссертационного совета, доктор географических наук Нестеров Е. С.
Всем, о ком с теплом вспоминаю
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность научной проблемы включает общенаучный, методический и прогностический аспект комплексного обобщения радиолокационных и других наблюдений жизненного цикла мезомасштабных конвективных систем, включающего описание иерархии элементов МКС: от ячеек Cb до скоплений штормов – характерных стадий, организации и типичной эволюции МКС, типов осадков и систем циркуляции, а также разработки адекватных методов анализа эволюции МКС и оценки прогнозируемости опасных явлений.
Предмет исследования: эволюция мезомасштабных конвективных систем (МКС) – ансамбля грозовых штормов, производящих непрерывную зону осадков масштаба не менее 100 км. Понятие МКС включает спектр форм и масштабов систем глубокой конвекции от линий шквалов, скоплений локальных штормов, мезомасштабных конвективных комплексов до систем осадков фронтов и тропических циклонов (Cotton и Anthes, 1989, Houze, 1993, 2004, Severe Local Storm, 2001).
Наиболее значимый результат исследований автора – это концепция жизненного цикла мезомасштабных конвективных систем, согласно которой отдельные кучево-дождевые облака организуются в иерархически соподчиненные мезомасштабные скопления, возникающие и проходящие свой жизненный цикл в определенных местах транслируемой с единой скоростью циркуляционной системы. Появление доминантных скоплений приводит к квазипериодическим колебаниям максимальной интенсивности системы и её волноподобной пространственной структуре.
Цель исследования – обобщить 25-летний опыт наблюдений, анализа и прогноза МКС и представить концепцию жизненного цикла МКС как способ обобщения закономерностей развития мезомасштабных конвективных систем и их элементов, а также продемонстрировать научный и методический потенциал этой концепции.
Для достижения поставленной цели последовательно решены задачи: эмпирическое описание эволюции и иерархии скоплений кучевдождевой облачности и формулирование их общих свойств в виде концепции жизненного цикла МКС (часть I, главы 1,2); разработка методов анализа и способов классификации наиболее интенсивных МКС (часть I, главы 3,4); демонстрация применимости концепции для научного обоснования и интерпретации результатов мезоклиматологических реконструкций (часть II, главы 5,6,7); показ роли концепции в обосновании и разработке принципов и практических алгоритмов мезомасштабного прогнозирования (часть III, главы 8,9,10,11). В заключении формулируются положения, выносимые на защиту, и делается вывод, что концепция жизненного цикла создает понятийную и методическую базу, необходимую для формирования нового направления фундаментальных и прикладных исследований.
Новизна результатов диссертации заключается в открытии закономерностей эволюции МКС, их обобщении в концепцию жизненного цикла мезомасштабной конвективной системы, в обосновании способов классификации МКС и разработке на этой основе комплекса методов и алгоритмов мезомасштабного анализа и прогноза.
Апробация. Результаты представлены на Всесоюзных конференциях и семинарах по активным воздействиям на на гидрометеорологические процессы (Киев, 1987; Нальчик, 1987, 1989, 1991), с 8 по 12 Бразильских, и 2, 8 Латиноамерикано-Иберийских метеорологических конгрессах (г. Бело Оризонте, 1994, г. Кампос до Жордао, 1996, Бразилиа, 1998, Рио де Жанейро, 2000, Фоз де Игуасу, 2002, Бразилия), на Международных конференциях: 7 и 8-й по мезомасштабным процессам (г. Рединг, Великобритания, 1996 и г. Боулдер, США, 1999), на 28-й по радарной метеорологии (Остин, США, 1997), на 20-й по локальным штормам (Орландо, США, 2000), по проблемам гидрометеорологической безопасности (Москва, 2006); Ассамблеях Международного геофизического и геодезического союза (1989, 1991, 1995, 2005) и др., на семинарах ведущих научных учреждений России и Бразилии. Исследования автора с 1993 по 2002 год поддерживались государственными органами Бразильской Федерации, шесть работ [7, 15-18] заслужили награды Бразильского метеорологического общества. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, включая диссертацию кандидата наук.
Структура и объем. Диссертация изложена на 400 страницах, включает введение, 11 глав, заключение, в т.ч. 35 таблиц, 143 рисунка и два приложения, в списке литературы 345 наименований.
Благодарности. Только поддержка к.физ.мат. наук А. А Желнина и к. геогр.наук О.Ю.Ленской, позволила автору завершить этот труд.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы задачи, объект, предмет и цель исследования, новизна исследования, представлена краткая характеристика содержания диссертационной работы.
Часть I. Жизненный цикл мезомасштабных конвективных систем. Глава 1 является информационной платформой исследования, где описан объект, необходимая база данных, актуальность исследования и его методическое обеспечение. Комплексная база данных для целей мезомасштабного анализа и прогноза (Browning, 1989) содержит взаимосогласованную информацию обычных и когерентных метерадиолокаторов, 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 раскрывается в п. 1.2-1.3. Обобщение радиолокационных наблюдений эволюции мезомасштабных систем свидетельствует, что системы осадков обладают пространственно-временной иерархией, связанной с наличием наименьших элементов – конвективных ячеек, появление, интенсивность и взаимное расположение которых можно использовать для определения стадий жизни и морфологических характеристик МКС. Эволюция зон осадков большего масштаба зависит от количества входящих в них элементов меньшего масштаба и от времени их жизни. Так, изменение пространственной организации и интенсивности ячеек осадков и штормов определяет жизненный цикл более крупных долгоживущих мезомасштабных конвективных систем – мезо-?. Традиционно жизненный цикл МКС в концептуальной модели тропического кластера в форме линии шквала (Leary, Houze,1979, Zipser,1981) подразделяют на стадию формирования, интенсификации, зрелости и диссипации. В стадии формирования, начинающейся в некоторый момент t0 , и в cтадии интенсификации t0+3ч (Zipser,1981) преобладают мощные конвективные ячейки; в течение стадии зрелости t0+6ч формируются значительные площади более слабых обложных осадков, которые преобладают в стадии диссипации после ? t0+9ч. Среди прочего, представленная схема жизненного цикла подразумевает три принципиальных условия 1) группы ячеек возникают в непосредственной близости друг от друга; 2) мезомасштабные системы должны сопровождаться обширным регионом слоистодождевых осадков; 3) сумма осадков системы монотонно возрастает ~до 5-го часа жизни и затем также монотонно убывает вплоть до завершения жизни системы ~ через 12 часов после начала.
Можно показать, что современные классификации мезомасштабных систем не охватывают всего спектра форм и интенсивности глубокой конвекции даже в рамках одного региона, поскольку системы, подвергнутые классификации, прошли предварительный отсев: на наличие опасных явлений (рис.1а), системы только одного эксперимента (рис.1б) или МКС в одной стадии (рис.1в). Формы и стадии МКС, за исключением мезомасштабных конвективных комплексов (МКК), строго не определены, что не даёт возможность использовать классификации в сверхкраткосрочном прогнозе. Необходимое условие сохранения размера означает, что от момента появления МКК до его окончательной идентификации проходит 6 часов, что также исключает МКК из объектов сверхкраткосрочного прогноза. Многообразие форм зрелой стадии жизни МКС, найденное Хаузом и коллегами (Ноuze,1990) порождает известный скептицизм относительно предсказуемости её эволюции на основе типизации ранних стадий развития. Действительно, допуская 5-6 сценариев формирования линий (Bluestein, Jain, 1985, Blanchard, 1990 и др.), к зрелой стадии по структурным критериям (Shchiesser et al., 1995), можно ожидать около миллиона вариантов форм линий шквала с регионом обложных осадков. Добавим к этому возможное развитие «хаотических» систем штормов и других форм линий шквала (см. главу 4).
Обнадеживает сам факт появления классификации зрелых МКС, свидетельствующий, что после «начального турбулентного интервала» жизненного цикла линейный или «хаотический» характер дальнейшего Рис. 1. Классификации мезомасштабных систем по характерному распределению конвективных ячеек. а) Классификация линий шквалов по способу образования. 2?t — стадия интенсификации (Bluestein, Jain,1985). б) Конвективные системы в эксперименте Prestorm (Blanchard, 1990). Сверхвни«линейные», «окклюдированные» и «хаотические». Контура отражаемости Z: 20, 40 и 50 dBZ. в) Симметричная (слева) и асимметричная формы зрелой линии шквала северного полушария с ведущим конвективным регионом. Стрелками указаны линии тока ветра нижних уровней (Houzе, 2004). развития системы вполне предсказуем; это и служит импульсом к разработке морфологической классификации мезомасштабных систем осадков (глава 2). Методическое обеспечение исследования формируется из традиционных и новых способов обработки и интерпретации данных обычных и доплеровских МРЛ (п.1.4-1.5), которые опираются на системный принцип, представляющий мезомасштабную конвективную систему как совокупность взаимодействующих иерархически соподчиненных мезомасштабных скоплений Cb. Оригинальными можно считать способы выделения трансляционной и эволюционной компоненты движения, определение доминирующих элементов этих скоплений, интерпретацию поля доплеровских скоростей и другие методы. В п.1.4 продемонстрировано, каким образом следует использовать свойства ячейки осадков и грозградового шторма для того, чтобы по композиционным аккумулированным изображениям радиолокационных осадков оценить трансляцию, развитие и интенсивность мезо-? скоплений кучево-дождевых облаков и всей системы масштаба мезо-?.
Возникает вопрос, с какого момента жизненного цикла мезомасштабной конвективной системы и какие её свойства, наблюдаемые на данный момент времени, можно экстраполировать с заданной заблаговременностью. Уместно заметить, что для отдельных элементов МКС такой интервал существует. Так, направление развития новых ячеек в мультиячейковых или суперячейковых штормах однозначно обладает инерционностью. Эта закономерность отражена в концептуальных моделях штормов и используется в экстраполяционных прогнозах на срок до 1 часа. Более того, описанный в п.1.2 метод определения трансляции по сохраняющимся фрагментам фактически предполагает сохранение характерной конфигурации поля до 2 и более часов, что, в частности, справедливо для окклюдированных систем (рис.1б).
? ? трансляции Vm или еще более ошибочному утверждению об отсутствии Vm , единой для всех элементов МКС.
? скоростью трансляции Vm .
Представления о дискретных во времени и пространстве ячейках осадков и их пассивной трансляции вполне достаточно, чтобы провести первичный анализ такого, на первый взгляд, хаотичного поведения штормов.
? перемещаться с Vm , вплоть до появления новой доминанты Cn+2. На траектории такой скачок отразится в виде ступени. Таким образом, траектория максимума мультичейкового шторма сочетает в себе развитие новых ячеек, трансляцию зрелых и диссипацию старых, т.е. является отражением его жизненного цикла.
? направления трансляции Vm .
? ? вектором перемещения максимума VS ? ? и его трансляции Vm ? ? за тот же период времени (рис.2в). В нашем случае развитие мультиячейкового шторма М1А2 направлено вправо и назад, что приводит к его отклонению вправо и более медленному перемещению с запада на восток. В случае мультиячейкового шторма такое среднее развитие легко интерпретируется циклическим появлением новых ячеек Cn+1 на правом заднем фланге от Сn .
В суперячейке SA1 по определению выделение отдельных максимумов восходящих потоков и отражаемости затруднено. Однако, находя по аналогии вектор её развития (рис.2в), убеждаемся, что её элементы появлялись на левом фланге позади предыдущих. При сравнении векторов развития суперячейки SA1 и мультиячейки M1A2 становится ясно, что длина траектории шторма определенной длительности полностью обусловлена величиной и направлением развития. Например, более медленное продвижение суперячейки на восток в данном случае связано с значительной компонентой развития, направленной против трансляции (рис.2в).
? развитии V р имеет важное методическое значение при поиске причин появления конкретного шторма.
Традиционный анализ радиолокационных наблюдений ограничивается определением структурной организации шторма и сопоставлением его траектории с местными физико-географическими особенностями или локальными циркуляциями в погранслое. Например, выделив среди штормов суперячейки SA1 и SA3, видим, что их траектории в целом следуют ориентации побережья лагуны (рис.2б). С другой стороны, траектории мультиячейковых штормов прерываются при пересечении границы сушморе. При таком подходе с самого начала подчеркивается индивидуальность мезомасштабной циркуляции шторма, его локальное происхождение, обусловленное термомеханической неоднородностью подстилающей поверхности или орографическим возбуждением.
Очевидно, что для поставленной задачи мезомасштабного прогноза и мезоклиматологии в поиске закономерностей, связанных с локальными циркуляционными системами, оптимальным способом обработки радиолокационных данных является аккумуляция мгновенных осадков в неподвижной системе координат, а способом визуализации влияния этих циркуляций на поле кучево-дождевой облачности – построение композиционного изображения или просто карта распределения сумм осадков мезомасштабных систем. Очевидно, что локализуя на этой карте зоны наибольших или наименьших сумм осадков (вместо осадков можно использовать и другие явления: порывы ветра, частоту гроз и т.д.), далее можно пытаться установить причины таких неоднородностей, т.е. причины, вызывающие местные мезомасштабные циркуляционные системы: горндолинные циркуляции, бризовые фронты, зоны конвергенции городского острова «тепла» и тому подобное. Предъявляя определенные требования к аккумуляции осадков, например, как на рис.2.г, выделив максимум интенсивности штормов, в неподвижной системе с успехом можно исследовать влияние ландшафтов на траектории доминирующих штормов (глава 3), географические факторы возникновения опасных явлений и мезомасштабных конвективных комплексов (глава 5), частоту возникновения грозовых штормов (глава 6) и многое другое.
С другой стороны, при разложении векторов перемещения на компоненту развития и трансляции на первый план выходит общее свойство кучево-дождевой конвекции – двигаться со скоростью трансляции, единой для обширной области воздушной массы. При этом развитие осадков скорее определяется не локальными термомеханическими неоднородностями погранслоя, а более общими причинами, такими как внешнее принуждение (фронтальное возмущение, гравитационные волны) или «внутримассовая» самоорганизация. Действительно, анализ, подобный представленному на рис. 2в, чаще ставит более общие вопросы, касающиеся свойств всех штормов: почему их элементы появляются несколько позади от предыдущих; почему модуль скорости их развития ? 30 км/час и т.д.
Избегая трактовок причин эволюции мезомасштабных систем, вопросы, поставленные выше, могут быть объединены в один: каково влияние предыдущей истории поля кучево-дождевой облачности на её новые элементы.
В качестве метода отражения истории поля естественно произвести аккумуляцию зон осадков в системе координат, движущейся со скоростью трансляции всей системы. Этот метод подходит как для анализа поведения новых ячеек относительно старых диссипирующих внутри штормов (рис.2г), так и для сопоставления взаимной эволюции штормов (рис.2в).
? где Vm - скорость трансляции.
В итоге процедуры аккумуляции последовательных во времени полей отражаемости получаются композиционные картины, фиксирующие историю развития конвективных элементов всей мезомасштабной системы.
? скоростью Vm , за все время наблюдений. Из рис.2г видно, что мультиячейка МА1 и суперячейка SА1 на композиционной картине объединены общим контуром отражаемости в мезомасштабное скопление A1, хотя в период наблюдений этих штормов с 14:06 по 16:06 (рис.2а) такого объединения не наблюдалось. Аналогично скопление А2 обусловлено развитием мультиячеек М1А2 и M2А2. Как видим из рис.2г, скопления A1-A5 имеют линейные размеры ~100 км и отделены друг от друга участками без значительных осадков.
Для интерпретации пространственно-временных изменений поля отражаемости в течение эволюции системы необходимо ввести системное время, начало которого совпадает с появлением первого радиоха системы, а окончание приходится на момент исчезновения последних осадков. Продолжительность этого промежутка времени мы будем называть длительностью жизненного цикла системы. С удовлетворительной детальностью в нашей базе данных представлена конвективная фаза жизненного цикла системы. Так, фиксируя время появления первого и исчезновение последнего конвективного элемента в скоплении, можно обнаружить, что конвективная фаза скоплений А длится несколько часов (чаще ~ 4-5 ч). Предполагая, что мезо-? скопления типа А являются элементами некоторой мезомасштабной конвективной системы масштаба мезо-?, обнаруживаем, что конвективная фаза этих систем составляет около 7-8 часов. Ограниченному времени жизни соответствуют и горизонтальные масштабы МКС: площадь области, где развиваются скопления, обычно составляет ~105 км2. Наблюдения в различных географических зонах северного и южного полушария (глава 2) показывают, что в течение жизненного цикла МКС кучево-дождевые облака группируются в иерархически соподчиненные скопления с областями развития размерами ~103 и ~104 км2. Такая организация скоплений облачности фиксируются не только при аккумуляции осадков в движущейся системе, но и хорошо различима на спутниковых снимках в виде отдельных облачных образований (рис.2е).
Определим доминирующую ячейку Cb, как ячейку, которая среди всех прочих имеет максимальную интенсивность, что выражается в наибольших высотах верхней границы, наибольших значениях отражаемости и в других параметрах, характеризующих степень опасности конвективных явлений. Очевидно, что параметры доминирующей ячейки характеризует не только интенсивность доминирующего на данный момент времени шторма масштаба мезо-?, но и максимальную интенсивность всей системы масштаба мезо-?. Действительно, оценив интенсивность ячеек всех штормов, формировавших скопление, легко убедиться, что цикличность появления доминирующих ячеек Сn в мультиячейковых штормах и колебания интенсивности суперячейки (рис.2д) приводят к тому, что скопления (ансамбли) А1 и А4, которые содержат эти шторма как элементы, в целом более интенсивны, чем остальные, т.е. доминируют над остальными.
Совместный анализ интенсивности скоплений и композиционных изображений позволяет определить пространственно-временные моды жизненного цикла МКС. Для этого достаточно установить периоды доминирования элементов системы, фиксируя на композиционной картине пространственное положение последовательных по времени максимумов интенсивности (1, 2, 3 и т.д. на рис.2г). Сделав это, обнаружим, что суперячейки, как и мультиячейковые шторма, имели несколько максимумов интенсивности, а доминирующие шторма в скоплениях-ансамблях А появлялись в воздушной массе приблизительно в 30 км от предыдущих с периодичностью около 1 часа (рис.2.д). Обобщение наблюдений эволюции и иерархии скоплений и формулировка концепции жизненного цикла МКС произведена в главе 2.
Представление мезомасштабных циркуляций в МКС и проблемы, возникающие при интерпретации на дисплеях доплеровских скоростей обсуждаются в п.1.5. На практике традиционно выделяются два идеализированных случая однородного по горизонтали ветра и удаленных от радара малых по пространственному масштабу, но значительных по абсолютной величине вихревых и дивергентных возмущений или их комбинаций. Первая идеализация обычно ассоциируется с полем обложных осадков или отражениями от ясного неба в области обзора до 100 км, когда горизонтальный субсиноптический ветер (мезо-?) можно рассчитать по концентрическим конусным сечениям ИКО. Второе идеализированное поле связывают с эволюцией конвективных ячеек ?, сопровождающейся дивергенцией восходящих потоков у вершины облака и нисходящими потоками у поверхности земли В отдельных штормах развивается предвестник смерча - горизонтальный мезомасштабный вихрь-мезоциклон размерами до нескольких километров. Для описания этих осесимметричных циркуляций мезо-? обычно используется профиль скорости ветра, комбинирующий дивергенцию и вихрь Рэнкина с максимумом скорости на границе ядра вращения.
В случае мезомасштабных систем возможность интерпретации поля доплеровских скоростей в терминах идеализированных картин сильно ограничена выбором адекватной системы координат и необходимостью концептуальной модели, интерпретирующей мезо-?-масштабные циркуляции. Сравнивая потенциальные возможности использования различных систем координат для представления движений внутри мезомасштабных систем, следуя [11,17-20,22-24], можно заключить, что наиболее адекватной является система координат, связанная со скоростью среднетропосферного потока — МWR (Mean Wind Relative – MWR).
Построение относительных движений в этой системе координат не представляет трудностей с технической точки зрения и требует лишь определения скорости и направления среднетропосферного потока Vm. Поскольку скорость потока Vm одинакова для всех элементов системы осадков как конвективных, так и слоистообразных, то движения, возникающие внутри различных облачных скоплений: линий различной интенсивности, локальных штормов, развивающихся в общем случае разнонаправленно, — в MWR могут быть проанализированы единовременно (в этом главное преимущество MWR перед использованием скорости шторма Storm Relative Wind).
Объяснение циркуляций МКС – более сложная задача. Можно показать, что ни одна из известных концептуальных моделей структуры циркуляций мезомасштабной конвективной системы P. Хауза (Houze, 2004) и «несущей конвейерной полосы» на фронтах К. Браунинга (Browning, 1990), описывающих мезомасштабные потоки фронтов и циклонов, не подходят для оперативной практики, в частности, из-за неинерциальности системы координат и произвольности типового разреза. Разработка понятий «сверхбыстрой» и «сверхмедленной» мезомасштабной линии шквалов (МЛШ) позволит осуществить в системе координат MWR интерпретацию типа и направления движения МКС (глава 4).
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 степень кандидата физико-математических наук [41], где, опираясь на обнаруженные квазипериодические свойства кучево-дождевой облачности (Желнин и Старостин, 1987) и системное обобщение собственных наблюдений эволюции мезомасштабной конвекции [36-40 и др.] в двух географических регионах Восточной Европы, представлена концептуальная модель эволюции кластера масштаба малого мезо-? (~300 км), объединявшая ранее известные и вновь открытые пространственно-временные моды глубокой конвекции.
Основные временные моды развития мезомасштабной конвекции описаны в п. 2.1., где обобщены результаты спектрального анализа [1,4, 337,40,41] высот верхней границы облачности, высоты Z=45 dBZ по данным МРЛ, температуры воздуха, точки росы и др. в приземном слое в диапазоне периодов от 15 мин до 2-3 часов. Сравнение осредненных спектров для 154 процессов с различной интенсивностью конвективных явлений в целом показывает, что при развитии кучево-дождевой конвекции наиболее «энергонесущими» становятся флуктуации в интервале периодов от 40 до 90 минут. Наиболее статистически обоснованными являются мезомасштабные колебания температуры смоченного термометра и особенно точки росы Тd. При этом практически вся энергия рядов интервале 0,5-1,3 ч. сосредотачивается в трех спектральных максимумах, соответствующих гармоникам с периодами ?1?20-25 мин, ?2?45-60 мин и ?*3?70-90 мин, являющейся следствием суперпозиции колебаний с ?3?3 часа и ?2. (см. рис. 3 а). Наиболее обеспеченной (на 80% доверительном уровне) является вторая гармоника ?2, которая, как показали дополнительные исследования, плавно смещается из области частот ~2/3 часа в более низкочастотной интервал ~1 часа при изменениях интенсивности систем, характеризующихся развитием Сu cong с вкраплениями отдельных Сb до скоплений штормов, сопровождавшихся грозами и крупным градом. Кросспектральный анализ временных рядов Тd, синхронно измеренных в пространственно удаленных на 40-50 км точках, убеждает, что ?1, ?2, ?3 коррелированны по пространству с уровнем когерентности 0,7 и более. Эти колебания когерентны колебаниям верхней границы скоплений Сb, возникавшим в пространственной области ~100км?100км, совпадающей с точками измерения Тd (см. рис. 3а).
Cmах и площадь зон S c convV ?4·10-5 c-1 Мезомасштабные колебания приземных полей дивергенции в период интенсивной конвекции в Московском регионе исследовались в связи с оценкой возможностей прогноза [38, 41, 42 и др.]. Анализ временного хода Q сумм конвективных осадков в квадрате 400?400 км, площадей конвергенции большей пороговой, максимальной конвергенции на полигоне и других интегральных характеристик показал, что поля осадков и конвергенции наблюдаются колеблются с периодом ?3 = 3-4 часа. Причем в поле конвергенции квазипериодические возмущения часто заметны за несколько часов до начала осадков на полигоне. Наличие стационарных зон конвергенции не меняет картины. Возникновение новых скоплений масштаба мезо-? чаще локализовано в подветренной по движению ячеек части стационарной зоны (см. рис. 3б и 3в) и при прочих равных условиях благоприятно в стадии усиления интенсивности конвергенции в целом по полигону. Эти и другие наблюдения показывают, что максимальная интенсивность осадков в скоплениях кучево-дождевой облачности носит ярко выраженный квазипериодический характер с периодами ?1 < 0,5 ч, ?2 ? 1 ч и ?3 ? 3 ч. Гармонические колебания с модами ?1, ?2, ?3 устойчиво наблюдаются в пограничном слое атмосферы при развитии конвекции в различных регионах и, очевидно, зависят только от внутренних свойств скоплений Cb. Обсуждение причин их возникновения проведено нами в [4,41 и др.], где был сделан вывод, что « ?1, ?2, ?3 связаны с иерархией временных масштабов в полях Cb. Процессы, вызванные диссипацией мезомасштабных скоплений могут приводить к появлению и распространению мезомасштабных гравитационных волн с периодом 1-3 часа, модулирующих интенсивность конвекции».
Пространственно-временная иерархия и эволюция мезомасштабных конвективных скоплений [4,41], обнаруживаемых на композиционных изображениях, полученных при аккумуляции конвективных осадков с отражаемостью более 15 dBZ в системе координат, движущейся со скоростью трансляции обсуждается в п.2.2. Метод анализа был в целом аналогичен описанному в п.1.4. Основой обсуждения являются характеристики 75 мезо-?-кластеров, прошедших полный конвективный период по данным МРЛ-5 (3,2 и 10 см) в Молдавии (48? с.ш и 28? в.д.), и АКСОПРИ Московском регионе (56? с.ш. и 37? в.д.). В 40% дней наблюдался один ?-кластер; наблюдения двух и трех кластеров, между центрами которых наблюдались промежутки без Cb размером 200-300 км, равновероятны – по 25%; 4 и более кластеров – в 10% случаев. Время, когда появлялись отдельные ячейки, называемое конвективным периодом, в 70% кластеров составляло от 6 до 9 часов. За модальную длительность конвективного периода в 7-7,5 часов кластер достигает среднегеометрических размеров R? около 300 км, причем вплоть до этой длительности конвективной фазы средняя скорость роста его размеров составляет 25 км/ч, при начальных размерах около 120 км. Замедление роста размеров при конвективных периодах больших 7 часов одновременно свидетельствует о преимущественно внутреннем заполнении достаточно редких долгоживущих кластеров (10%) и определенном ограничении его максимальных размеров.
Охарактеризованы 135 больших мезо-?-масштабные скоплений (БМС), объединенных общим контуром с Z = 15 dBZ и наблюдаемых в радиусе 100 км от радара. Конвективный период БМС (M?, рис.3) длился в 80% случаев от 2 до 6 часов. БМС за конвективный период модальной длительности в 4 часа, достигает среднегеометрических размеров от 100 до 140 км. Определенная по линейной зависимости R?1 средняя скорость «распространения» больших скоплений составляет ~20 км/ч, но как и ранее, заметно уменьшение скорости роста долгоживущих скоплений. При детальном анализе это явление указывает, что площадь БМС прямо пропорциональна длительности конвективного периода.
Малые мезо-?-масштабные скопления Cb (ММС или m?) на композиционных снимках образуют две характерные формы: это квазикольцевые ММС с внутренней эллипсоидальной областью свободной от осадков и линейные малые скопления. По данным МРЛ-5 в Молдавии исследован жизненный цикл 284 квазикольцевых скоплений с соотношением осей не более 1,5 и которые при завершении возникновения новых Cb имеют разрывы в кольце не более 25% общего периметра эллипса, описывающего эту область. 80% таких ММС имеют размеры от 20 до 55 км и конвективный период от 1,5 до 4 часов, при модальных значениях 30-35 км и 2-2,5 часа, соответственно. Объединение нескольких квазикольцевых ММС и образует на композиционных изображениях характерную сетчатую структуру, которая по мнению Старостина, Лившица, Швецова (1983), впервые описавших этот феномен, является проявлением упорядоченной мезомасштабной ячейковой конвекции открытого типа, аналогичной полям кучевой облачности.
В то же время наши исследования показали, что линейные шторма длиной 25-30 км – это главная форма организации скопления ячеек Cb с интенсивностью более 45 dBZ, ответственных в том числе за квазичасовую интенсификацию больших скоплений. В 70% случаев ориентация линейных ММС отклоняется не более 30? от направления сдвига ветра в слое 850-600 гПа, а конвективный период составляет около 1,5 часов. Возникая на стадиях роста интенсивности скопления, доминирующие шторма, содержащие 3-4 ячеек Cb в ряде случаев являются наиболее интенсивными гранями квазикольцевых или дугообразных скоплений, хорошо заметных на рис.2е.
Внутренняя организация и форма кластеров определяется взаимным расположением и числом входящих в него БМС. Примерно в 70% случаев они состояли из 2-4 БМС, при этом чем больше скоплений в кластере, тем больше его размеры. Как видим, кластеры, состоящие их одной БМС, имеют достаточно большие среднегеометрические размеры ?200 км в сравнении с модальными размерами одного БМС; и кластеры живущие больше 6 часов растут за счет появления новых БМС. Типичные же БМС имеет вытянутую форму с длиной большой оси 130-170 км и малой 60-80 км, с расстоянием между центрами соседних скоплений ~100-160 км. Поскольку БМС разделены областями воздушной массы без значительных осадков, а большие оси БМС чаще всего параллельны друг другу, то форма кластера зависела от взаимной ориентации большой оси БМС и линии, соединяющей центры БМС. Квазикруговые (25%) и полосовые кластеры часто встречались в сходных синоптических условиях. В условиях быстро смещающихся холодных фронтов (>50 км/ч) более вероятны полосовые кластеры c отношением осей более 3:1, в отсутствие фронтальных разделов – квазикруговые.
Большие скопления обычно появляются в кластере парами – возникновение первых Cb в соседних БМС в 50% случаев происходит почти одновременно или с задержкой в 2,5-3,5 часа (в 34%). Промежуток времени, в течение которого отдельная БМС является доминирующей в ?-кластере, составляет от 2 до 5 часов. Чаще всего отмечается период доминирования от Рис.4 Концепция жизненного цикла МКС масштаба мезо-? (эволюция кластера). Вверху — колебания интенсивности МКС и его доминирующих элементов во времени, внизу — появление доминирующих скоплений в транслируемой воздушной массе. Указано условное расстояние между элементами на композиционных снимках (см. текст). Модель обсуждалась в работах [38, 41, 1,4 ,6,23] 2 до 4 часов – 96%, при наибольшей повторяемости в 46% периода в 3 часа. Можно показать, что масштаб области и времени доминирования БМС связаны между собой линейно [1,4,38,41]. Так, трехчасовому доминированию соответствует линейный масштаб 60-70 км, четырехчасовому – 30-90 км. Интерполируя доминирование по отношению к меньшим временным интервалам, можно найти, что элементу, доминирующему в течение часа, соответствуют малые мезомасштабные зоны осадков ? 20-30 км. Можно показать, что доминирование БМС – это последовательное развитие интенсивных малых линейных скоплений, с которыми связаны локальные квазичасовые максимумы осадков. Эти линейные шторма могут быть как отдельным образованием в воздушной массе, так и гранями мезомасштабных ячеек, направленными вдоль сдвига ветра в средней тропосфере.
После окончания доминирования одной БМС часто наблюдается появление и интенсификация Cb в другой мезо-?-области, удаленной от предыдущей на 100-120 км. Циклическое возникновение новых БМС, обладающих типичной эволюцией (стадии роста, максимальные значения и спад интенсивности), приводит к появлению характерных флуктуаций интенсивности ?-мезокластера с периодом около 3 часов.
Концептуальная модель развития доминирующих элементов мезомасштабных конвективных систем изображена на рис. 4 и состоит из генерализованного временного хода максимальной интенсивности (вверху) и генерализованного композиционного изображения осадков в движущейся воздушной массе. Элементарным доминирующим объектом в этой схеме являются конвективные ячейки масштаба мезо-? С1?Сn. Наиболее мощные ячейки, возникая последовательно во времени, вызывают короткопериодные возмущения ?1= 15-20 мин в ходе интенсивности. В среднем 3-4 ячейки организованы в доминирующую систему малого ?-мезомасштаба линейной формы m?1: грозо-градовый шторм со средним размером 20 км и временем доминирования около ?2= 1 час. Время жизни доминирующего шторма ~1,5 ч, и как правило, доминирование передается к другому скоплению m?2 – вновь возникшему шторму, место которого на композиционном изображении в движущейся воздушной массе локализуется в 25-35 км по направлению вдоль оси большого мезомасштабного скопления БМС – ансамбля штормов M?1. Обычно M?1 имеет три таких доминирующих ММС m?1?m?1, затем доминирование переходит к следующей доминирующей БМС M?2, отстоящей от предыдущей на 80-120 км.
Периодические колебания максимальной интенсивности осадков в мезокластере связаны с возникновением зон осадков различного масштаба: 20-минутные колебания связаны с возникновением новых ячеек осадков С1...Сn, колебания с периодом 1 час – с возникновением малых мезомасштабных скоплений (m?1, m?2, ..., m?n), а колебания с периодом 3 часа - больших мезомасштабных скоплений (M?1, M?2).
Далее в п.2.3 показано, что пространственно-временная иерархия мезомасштабных конвективных скоплений, открытая нами [4,41] на базе анализа эволюции полей радиолокационной отражаемости кучево-дождевой облачности в умеренных широтах Восточной Европы и сформулированная в виде модели эволюции МКС (рис.4), универсальна. К сегодняшнему дню аналогичные масштабы и характер эволюции скоплений обнаружены автором при спутниковых и радиолокационных наблюдениях локальных штормов субтропиках и тропиках Южной Америки, в мезомасштабных комплексах умеренных широт Северной Америки, восточной Азии, тихоокеанском регионе и других регионах северного и южного полушария [3, 6,8,25,31 и др.]. Все это дает нам основание утверждать об экспериментальном доказательстве природной закономерности пространственно-временной иерархии и эволюции мезомасштабных конвективных скоплений [4, 41, 46,50].
Возникновение кучево-дождевых облаков (ячеек масштаба мезо-?) последовательно детерминировано в транслируемой воздушной массе мезомасштабными скоплениями трех пространственно-временных масштабов: малого мезо-?-масштаба – размеры около 25-35 км в течение 1,5-2 часов; большого мезо-?-масштаба – размеры 100-140 км в течение 4-5 часов; ?-мезокластера – размеры около 300 км в течение 7-8 часов. Каждый из масштабов иерархически соподчинен: несколько скоплений малого мез?-масштаба образуют большое мезо-?-скопление, которое в свою очередь вместе с другими образует ?-кластер. Время жизни и форма каждого из скоплений зависит от количества и времени жизни входящих в него скоплений меньшего масштаба.
| Страницы: 1 2 3 |