Конвективный шторм 13-14 июля 2016 года

Анализ случая изолированных мощных конвективных штормов и образования мезомасштабного конвективного комплекса с сопутствующими опасными атмосферными явлениями 13-14.07.2016 г. над территорией Белоруссии и центральной России

В статье приводится анализ условий формирования и комплексный диагноз мощных конвективных штормов и образование мезомасштабного конвективного комплекса над Белоруссией и перемещением его через центральные районы России, которое сопровождалось комплексом разрушительных конвективных явлений. Для диагноза штормов использовались спутниковые, радарные данные, а также данные грозопеленгационных сетей. Проанализирована возможность краткосрочного прогноза генерации штормов и явлений по данным глобальной прогностической модели GFS и расчета специальных индексов.

Введение

Среди многообразия опасных метеорологических явлений те из них, которые связаны с процессами мощной конвекции в атмосфере (такие как: интенсивные грозы, сильные ливни, град, шквалы, смерчи) являются наиболее разрушительными и поэтому их исследование с целью повышения качества их диагноза и прогноза имеет большое практическое значение. Очень важно применение комплексного подхода: сочетание использования в исследовании как эмпирических данных дистанционного зондирования атмосферы (радарных, спутниковых и др.), аэрологического зондирования, данных сети метеостанций, так и их сопоставление с расчетами прогностических моделей.

В статье будет показан в качестве примера комплексный анализ одного из случаев формирования сначала изолированных мощных штормов, и мезомасштабной конвективной системы (далее — МКС) линейного типа, а затем — мезомасштабного конвективного комплекса (далее — МКК). Комплекс зародился над территорией Беларуси 13.07.2016 г. и перемещался в течение дня над территорией Смоленской, Московской областей РФ, затем распавшись над территорией Владимирской и Нижегородской области ночью 14.07.2016 г. Прохождение штормов сопровождалось рядом опасных явлений (далее — ОЯ), таких как: шквалы, ливни, смерч и высокая молниевая активность, вызвавшие локальные разрушения и человеческие жертвы.

В исследовании, при расчетах индексов по модельным данным, использовалось программное обеспечение OpenGrads, для диагноза штормов — спутниковые данные Meteosat (MSG) со специальными RGB-композиционными изображениями из архива Тверского госуниверситета, а также радарные данные и данные сетей грозопеленгации — из архива Центральной аэрологической обсерватории.

Анализ условий формирования мощных штормов (синоптический масштаб)

Над Европейской территорией (ЕТ) СНГ 13.07.2016 г. погоду определял циклон с центром над Кольским полуостровом. В ложбине этого циклона, на его периферии, над территорией Белоруссии, располагался волновой циклон (рис. 1, 2). Отметим, что волновые возмущения на широтно-ориентированном полярном атмосферном фронте, протянувшемся от центральной до восточной Европы и ЕТ СНГ, возникали и накануне, 12.07.2016 г. и смещались вдоль линии фронта, разделявшего тропическую воздушную массу (к югу от линии фронта) и умеренную (к северу).

Фронтальные волны были хорошо выражены в поле облачности и осадков. При этом, в тропической воздушной массе, немного южнее вершин волн, возникали и линии неустойчивости. Здесь также развивалась активная конвекция и формировались кучево-дождевые облака и их скопления.

Кольцевая карта погоды
Рис. 1. Кольцевая карта погоды (фрагмент) за 00 UTC 13.07.2016 г.


Приземный анализ и спутниковый снимок
Рис. 2 Приземный анализ и спутниковый снимок за 06 UTC 13.07.2016 г, информация метеослужбы Австрии (ZAMG). Т — центры циклонов, H — антициклонов.

Итак, вышеописанный волновой циклон возник на фоне достаточно большого температурного контраста воздушных масс, который отмечался на высотных и термобарических картах. Так, на поверхности 850 гПа контраст температур составил до 8°С на 500 км. На поверхности 500 гПа регион формирования МКС находился в зоне влияния высотного гребня со скоростями ветра 20-25 м/с, а на 300 гПа — на южной (антициклональной) стороне струйного течения со скоростями ветра до 35-40 м/с (рис. 3).

Карта АТ-300
Рис. 3 Карта АТ-300 (фрагмент) за 00 UTC 13.07.2016 г.

Струйное течение было связано с хорошо выраженной высотной фронтальной зоной, разделявшей тропическую и умеренную воздушную массу.

В целом, в средней и верхней тропосфере в регионе зарождения МКС присутствовали умеренные и сильные потоки западной четверти, связанные с высокими градиентами температуры и геопотенциала в фронтальной зоне.

Мезомасштабный анализ

Интенсивная конвекция и связанное с ней формирование сначала отдельных конвективных штормов началась в регионе (над территорией Белоруссии, к западу от Минска) уже в утренние часы. Этому способствовала, кроме неустойчивого состояния атмосферы, конвергенция (сходимость) потоков вблизи вершины волны и интенсификация конвекции в ночные и утренние часы на теплом участке волнового возмущения.

Формирование изолированных штормов. Итак, в 5 часов UTC (8 ч МСК времени) как по спутниковым, так и по радарным данным можно обнаружить формирование отдельных конвективных штормов (очагов) и небольших кластеров (рис. 4). При этом над северо-востоком Польши и частично над Прибалтикой наблюдалась слоистообразная плотная облачность (слоисто-дождевая, высокослоистая) и перистая облачность, связанная с теплым участком фронтальной волны (рис. 4).

Фрагмент спутникового снимка Meteosat-9
Рис. 4 Фрагмент спутникового снимка Meteosat-9 (MSG-2), RGB-композиция HRV_clouds, 05 UTC, 13.07.2016 г.

По спутниковому снимку можно заметить, что кучево-дождевая облачность развивалась вблизи вершины волны в поле слоистообразной облачности (т. н. «затопленная» конвекция). Конвективная облачность хорошо идентифицируется визуально на спутниковых снимках с применением специальных RGB-композиционных изображений по характерной текстуре (рис. 4).

С 6 ч UTC происходит формирование более мощных, изолированных грозовых штормов к западу от Минска (рис. 5).

Изолированные конвективные штормы
Рис. 5 Изолированные конвективные штормы по радарным данным с совмещением с данными сетей грозопеленгации (слева) и спутниковым данным MSG RGB HRV_clouds (справа), 07 UTC 13.07.2016 г.

Один из штормов над западной частью Белоруссии к 10 ч UTC стал доминирующим по развитию (максимальные: высота верхней границы, достигавшая 15 км, радарная отражаемость, горизонтальные размеры), причем радиоэхо имело крючкообразный вид, т. н. hook echo (рис. 6), такая сигнатура, как известно, характерна для суперячейковых штормов (Bluestein, 2013). С данным штормом были связаны опасные явления над регионом, отмечались грозы, шквалы, местами вызывавшие повреждения инфраструктуры, в т. ч. в аэропорту Минск-2.

Развитие мощного, предположительно суперячейкового шторма
Рис. 6 Развитие мощного, предположительно суперячейкового шторма, с hook echo — сигнатурой по радарным данным, 10:30 UTC

По спутниковым снимкам Meteosat-9 с RGB — отображением инфракрасного канала 10.8 µm (рис. 7) в это время (11-13 ч UTC) хорошо прослеживается CRCUV (Cold Ring & Cold-U/V) — сигнатура, также характерная для мощных конвективных штормов и, в частности, для суперячеек. Суть описываемой сигнатуры состоит в определенном распределении температуры верхней границы штормов: холодных (U/V — образных и кольцеобразных) областей на периферии шторма и теплых областей/пятен — в его внутренней области (Bedka et al, 2011; Setvak et al., 2010).

Особенности распределения температуры верхней границы мощного шторма
Рис. 7 Особенности распределения температуры верхней границы мощного шторма — Cold-V сигнатура, Meteosat-9 (MSG-2), RGB IR10.8-BT, 12:25 UTC

Формированию данного вида (предположительно суперячейкового) шторма способствовало сочетание над регионом наличия и критических значений таких предикторов, как: неустойчивость воздушной массы, сдвиг ветра по направлению и скорости в нижней половине тропосферы (способствующая развитию здесь завихренности потоков), наличие струйного течения в верхней тропосфере, конвергенция потоков в развивающемся волновом циклоне (в нижних слоях) и дивергенция в верхних, высокая влажность воздушной массы в нижних и средних слоях. Наличие комплекса указанных предикторов над определенной территорией часто указывает на большую вероятность формирования мощных конвективных штормов с опасными явлениями. Присутствие критических значений предикторов обнаружилось как по фактическим аэрологическим данным (об этом — несколько позднее), так и по данным реанализа и ре-прогностическим данным модели GFS.

На рис. 7, 8 представлены карты энергии неустойчивости CAPE и сдвига ветра по скорости в слое 0-6 км DLS (deep layer shear) и в слое 0-1 км LLS (low level shear), а также (рис. 9) завихренности потоков SRH (storm-relative helisity) в слое 0-3 км (Кибальчич, 2012) на срок 12 UTC (время зрелой стадии первых мощных, предположительно суперячейковых, штормов и формирования МКС — линии штормов) по данным реанализа GFS. Хорошо видно сочетание высоких значений параметров над регионом формирования мощных штормов (центральная Белоруссия).

Энергия неустойчивости (CAPE)
Рис. 8 Энергия неустойчивости (CAPE), Дж/кг и сдвиг ветра по скорости (DLS, сплошные линии) и (LLS, пунктир), м/с. По данным реанализа GFS, 12 UTC

Существуют и комплексные индексы вероятности мощных штормов и некоторых опасных явлений. Например, индекс суперячеек — SCP (supercell composite parameter), индекс мезомасштабных конвективных систем — MCS (mesoscale convective system) index, индекс смерча — STP (significant tornado parameter) и др., которые учитывают комплекс предикторов штормов и явлений (Кибальчич, 2012). Так, на рис. 10 приведена карта значений индекса SCP, видна зона максимумов в рассматриваемом регионе на 15 UTC.

Завихренность потоков (SRH)
Рис. 9 Завихренность потоков (SRH) в слое 0-3 км, м22. По данным реанализа GFS 12 UTC

Комплексный параметр суперячеек SCP
Рис. 10 Комплексный параметр суперячеек SCP, по данным реанализа GFS 15 UTC

Формирование мезомасштабного конвективного комплекса. С 15 UTC в районе границы Белоруссии и Смоленской области РФ на северо-восточном отрезке линии штормов сформировался мезомасштабный конвективный комплекс (МКК) путем слияния рядом расположенных мощных штормов в единую систему. На спутниковых снимках он выглядел квазикруглым образованием с характерной текстурой по снимкам как в видимом и инфракрасном диапазоне, так и каналах водяного пара (рис. 11). Форма комплекса была устойчивой на протяжении долгого времени от зарождения до диссипации. Высота шторма по радарным данным превышала 15 км (рис. 12), наблюдался пробой тропопаузы — Overshooting top (Bedka, 2011).

МКК на спутниковых изображениях MSG-2
Рис. 11 МКК на спутниковых изображениях MSG-2: RGB IR10.8-BT (слева) и WV6.2-Ench. (справа), 17:40 UTC.

По радарным данным также прослеживалось наличие конвективного и слоистообразного регионов (рис. 13). В первом регионе, как и отмечается во многих исследованиях, например — (Bluestein, 2013), развивалась интенсивная грозовая деятельность: наблюдалась достаточно редкая для наших широт, очень высокая молниевая активность (рис. 13), на переднем её крае наблюдались шквалы, а при прохождении данного региона МКК — сильные конвективные осадки. На западе Московской области зафиксирован смерч, некоторые сильные шквалы в Московской области привели к человеческим жертвам.

Вертикальное сечение радиолокационной отражаемости
Рис. 12 Вертикальное сечение радиолокационной отражаемости через центральную часть МКК, 17:40 UTC

Вертикальное сечение радиолокационной отражаемости
Рис. 13 МКК на радарных данных: метеоявления (слева) и молниевые разряды по данным сетей грозопеленгации (справа), 19 UTC

Данные аэрологического зондирования в Смоленске за 12 UTC (как и данные реанализа GFS за этот срок) подтверждают наличие ряда предикторов развития мощного конвективного шторма: заметен существенный сдвиг ветра по направлению (поворот по часовой стрелке) и скорости, неустойчивая стратификация, большая толщина неустойчивого слоя и др. Высота тропопаузы по данным зондирования — 12180 м (рис. 14).

Данные аэрологического зондирования в Смоленске
Рис. 14 Данные аэрологического зондирования в Смоленске в 12 ч UTC. Справа — значения специальных параметров конвекции.

Примерно с 22-23 часов UTC 13.07 активность комплекса стала снижаться и с 00 до 03 UTC 14.07 наблюдалась постепенная его диссипация над Владимирской и Нижегородской областями.

Выводы

Исследование случая мощных конвективных штормов и образование мезомасштабного конвективного комплекса представляет практический интерес с точки зрения построения алгоритма использования в оперативной прогностической практике разнообразных диагностических данных, а также выбора и расчета предикторов развития таких штормов по данным моделирования. Это необходимо для повышения качества краткосрочного и текущего прогнозирования (уточнение локализации) мощных штормов и связанных с ними опасных явлений. Представленные данные реанализа также подтверждают возможность разработки успешной схемы использования модельных данных и определенных индексов. Существенной дополнением к используемым данным анализа могла бы быть информация о динамике потоков по доплеровским данным сети метеорологических радиолокаторов, которой автор, к сожалению, не располагал.

Спрыгин А. А.
ФГБУ Центральная аэрологическая обсерватория, г. Долгопрудный.

Благодарности

Автор выражает благодарность Тверскому государственному университету и лично Кравченко Павлу за возможность доступа к архиву спутниковых данных Meteosat (получаемых установленной в университете станцией приема Eumetcast), использовавшихся в данном исследовании.

Литература

1. Кибальчич И. 2012. Индексы неустойчивости. http://scs.netai.net/1_20_Storm-indicators.html.
2. Bedka, K. 2011. Overshooting cloud top detections using MSG SEVIRI Infrared brightness temperatures and their relationship to severe weather over Europe // Atmospheric Research. V. 99. № 2. P. 175–189.
3. Bedka, K., Brunner, J., Dworak, R., Feltz, W., 2011. Objective satellite-based overshooting top and enhanced-V/cold ring detection: Validation and relationship with severe. 6th European Conference on Severe Storms (ECSS 2011), 3-7 October 2011, Palma de Mallorca, Balearic Islands, Spain.
4. Bluestein H.B. 2013. Severe Convective Storms and Tornadoes: Observations and Dynamics. Berlin: Springer Praxis Books. 456 p.
5. Setvak, M., Lindsey, D.T., Novak, P., Wang, P.K., Radova, M., Kerkmann, J., Grasso, L., Su, S.-H., Rabin, R.M., Stastka, J., Charvat, Z. 2010. Satellite-observed cold-ring-shaped features atop deep convective clouds // Atmospheric Research. V. 97. P. 80–96.

Ключевые слова

мощный конвективный шторм, суперячейка, hook echo, CRCUV — сигнатура, мезомасштабный конвективный комплекс, молниевая активность, геостационарные данные MSG, RGB-композиции, сеть радиолокаторов ДМРЛ-С, прогностические модели, данные реанализа, индексы неустойчивости.


CASE STUDY OF ISOLATED SEVERE CONVECTIVE STORMS AND FORMING OF THE MESOSCALE CONVECTIVE COMPLEX WITH THE RELATED DAMAGE PHENOMENA ABOVE BELARUS AND CENTRAL RUSSIA IN 13 AND 14 JULY, 2016.

Alexander A. Sprygin
Central Aerological Observatory, city Dolgoprudny, Russia.

The analysis of conditions of forming and the complex diagnosis of severe convective storms and mesoscale convective complex over Belarus and its movement through the central regions of Russia with complex of the damage convective phenomena is provided in the article. For the diagnosis of storms, the satellite, radar and lightning networks data were used. Possibility of the short-term forecast of generation of storms and the phenomena by the global forecast model GFS data and calculation of special indexes is analyzed.

Keywords: severe convective storm, supercell, hook echo, CRCUV — signature, mesoscale convective complex, lightning activity, MSG data, RGB-composition, network of DMRL-S radars, forecast models, reanalysis data, instability indexes.

Примечания

Иллюстрация в начале статьи — фотоснимок с квадрокоптера, сделанный в агрогородке Прилуки (Минский р-н, Минская обл., Республика Беларусь) показывает разрушения, вызванные прохождением конвективного шторма 13 июля 2016 года.
Фото публикуется с любезного согласия автора @mzaas.

Адаптация статьи для публикации в сети Интернет — Белов А.В., Гидромет Беларуси.


▪ Поделиться статьёй «Конвективный шторм 13-14 июля 2016 года» → Tweet.

▪ Опубликовано 15.09.2016 | Адрес: http://pogoda.by/press-release/?page=522

Условия републикации «Конвективный шторм 13-14 июля 2016 года».

 

 

 

 

Старый сайт: Конвективный шторм 13-14 июля 2016 года.