«Томский государственный педагогический университет» (ТГПУ) Биолого-химический факультет Кафедра географии Термодинамические характеристики атмосферы при конвективной облачности, ливневых осадках и грозе Т.В. Ершова к.ф.-м.н, доцент ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ Для аэропорта Новосибирска оправдываемость прогноза гроз составляет по различным методам от 55 до 77% Для внутримассовых гроз по методу Кокса оправдываемость составляет 77%, фронтальных гроз по методу Седлецкого – всего 55%, а ночных гроз по методу Р.А. Ягудина – 67% - - ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: анализ динамики количества случаев с грозами и ливнями по данным метеорологических станций 19992011 гг. для Томской области; формирование базы данных термодинамических индексов при грозах и ливнях для Новосибирской и Томской областей Таблица 1. Описание данных о грозах для метеорологических станций Томской области Название станции Период наблюдений (гг.) Александровское 1999-2011 Березовка 2000-2004 Ванжиль-Кынак 1999-2011 Молчаново 2000-2004 Прохоркино 2000-2004 Пудино 1999-2011 Средний Васюган 2000-2011 Старица 2000-2004 Степановка 2000-2004 Тегульдет 2000-2004 Усть-Озерное 2000-2004 Случаи гроз и ливней выбирались из массива в соответствии с международным кодом КН-01. Таблица 1 Расшифровка международного кода КН-01 для ливня и грозы [14] Код КН-01 13 17 25 29 80 81 91 95 96 97 98 99 Метеорологическое явление Зарница Гроза, без осадков Ливневый дождь (в прошедший час) Гроза (в прошедший час) Небольшой ливневый дождь Ливневый дождь Гроза (в прошедший час), небольшой дождь Гроза, дождь (или снег) Гроза, град (снежная крупа) Сильная гроза, дождь (снег) Гроза, пыльная или песчаная буря Сильная гроза, град (снежная крупа) Таблица 3. Количество случаев с ливнями/ грозами для Томской области Год Июнь Июль Август Июнь-август 1999 25/0 22/9 48/1 95/10 2000 19/6 26/8 42/1 82/15 2001 31/8 40/7 33/12 104/27 2002 33/3 28/8 38/3 99/14 2003 20/10 27/8 5/1 52/17 2004 32/11 26/3 26/7 84/17 2005 9/3 8/7 35/14 52/21 2006 16/16 16/6 41/0 73/24 2007 51/8 11/4 40/10 102/22 2008 38/5 22/3 33/6 93/22 2009 38/2 27/6 22/2 87/14 2010 17/8 27/8 33/5 77/10 2011 26/15 47/0 53/5 126/21 сумма 382/102 352/83 446/72 1126/234 среднее 27/7 25/6 35/5 87/18 140 30 120 25 20 80 15 60 10 40 ливни грозы 20 5 11 20 09 20 07 20 05 20 03 20 01 0 20 99 0 19 ливни 100 грозы Рис. 2. Динамика количества случаев с ливнями и грозами за период 1999-2011 гг. Рис. Станции радиозондирования атмосферы Аэрологическая станция Новосибирск (слева - ARVK «Вектор", справа - AVC-1) University of Wyoming http://www.weather.uwyo.edu/upperair/sounding Метеорологическая станция Огурцово (около Новосибирска) Института космических исследований РАН «Погода России» http://meteo.infospace.ru Термодинамические индексы Для построения моделей и составления прогнозов различных метеорологических явлений используется более 20 параметров состояния атмосферы, рассчитанных на основе данных радиозондирования. В 1953 г. А.К. Шолвалтером (Sholwalter) был введен параметр Showalter stability index (SHOW), который широко используется и в настоящее время. Метеорологическая служба Израиля (станция Иерусалим) выставляет в открытом доступе в сети Интернет данные по термодинамическим параметрам с прогностическими правилами. Цветом на экране компьютера значения каждого из девяти параметров закрашиваются от темно-зеленого до красного в зависимости от вероятности возникновение грозы (низкая, средняя, высокая и экстремальная). Таким образом, любой пользователь, даже далекий от метеорологии, может получить информацию о грозе. Jerusalem Weather Station Height 755 m 3:32 Sun 22/04/12 12Z Radiosonde CAPE 0.00 Cross -7.50 Showalter Index 14.48 K -31.90 SWEAT 48.00 Totals 18.00 Bulk 0.00 Lift 7.27 Vertical 25.5 Current Instability Lo Medium Hi Extreme Jerusalem Weather Station http://www.02ws.com/station.php?section=radiosonde.php& lang=0 Термодинамические индексы SHOW Showalter index SHOW = T500 - Tparcel T500 = Temperature in Celsius at 500 mb Tparcel = Temperature in Celsius at 500 mb of a parcel lifted from 850 mb LIFT Lifted index LIFT = T500 - Tparcel T500 = temperature in Celsius of the environment at 500 mb Tparcel = 500 mb temperature in Celsius of a lifted parcel with the average pressure, temperature, and dewpoint of the layer 500 m above the surface Термодинамические индексы SWEAT index SWET = 12 * TD850 + 20 * TERM2 + 2 * SKT850 + SKT500 + SHEAR TD850 = Dewpoint in Celsius at 850 mb TERM2 = MAX ( TOTL - 49, 0 ) TOTL = Total totals index SKT850 = 850 mb wind speed in knots SKT500 = 500 mb wind speed in knots SHEAR = 125 * [ SIN ( DIR500 - DIR850 ) + .2 ] DIR500 = 500 mb wind direction DIR850 = 850 mb wind direction Термодинамические индексы KINX K index KINX = ( T850 - T500 ) + TD850 - ( T700 - TD700 ) T850 = Temperature in Celsius at 850 mb T500 = Temperature in Celsius at 500 mb TD850 = Dewpoint in Celsius at 850 mb T700 = Temperature in Celsius at 700 mb TD700 = Dewpoint in Celsius at 700 mb TOTL Total Totals index TOTL = ( T850 - T500 ) + ( TD850 - T500 ) T850 = Temperature in Celsius at 850 mb TD850 = Dewpoint in Celsius at 850 mb T500 = Temperature in Celsius at 500 mb Термодинамические индексы EQLV Equilibrium level (hPa) EQLV = level at which a parcel from the lowest 500 m of the atmosphere is raised dry adiabatically to the LCL and moist adiabatically to a level above which the temperature of the parcel is the same as the environment. If more than one Equilibrium Level exists, the highest one is chosen. Level of Free Convection (hPa) by comparing temperature between a parcel and the environment LFCT = level at which a parcel from the lowest 500 m of the atmosphere is raised dry adiabatically to LCL and moist adiabatically to the level above which the parcel is positively buoyant. If more than one LFCT exists, the lowest level is chosen. If the parcel is positively bouyant throughout the sounding, the LFCT is set to be the same as the LCLP. Термодинамические индексы CAPE Convective Available Potential Energy (J/kg) CAPE = GRAVTY * SUMP ( DELZ * ( TP - TE ) / TE ) SUMP = sum over sounding layers from LFCT to EQLV for which ( TP - TE ) is greater than zero DELZ = incremental depth TP = temperature of a parcel from the lowest 500 m of the atmosphere, raised dry adiabatically to the LCL and moist adiabatically thereafter TE = temperature of the environment Таблица 4. Характеристика исходного материала по трём станциям радиозондирования Аэрологическая станция Географическая Период широта Количество случаев гроза ливень Новосибирск 54˚57΄ 2004-2011 50 68 Колпашево 58˚18΄ 2005-2011 30 51 Александровс 60˚26΄ кое 1999-2011 40 174 Таблица 5. Статистические характеристики термодинамических индексов для ситуации с ливнем/грозой, осредненные по трём станциям (Новосибирск, Колпашево и Александровское) Термодинамичес Среднее кие индексы Максимальное Минимальное SHOW 4/1 17/15 3/-4 LIFT 3/-1 20/11 -9/-10 SWEAT 131/180 341/436 29/39 KIND 25/30 36/39 2/-3 TOTL 46/49 56/57 25/12 CAPE 118/489 2006/1972 0/0 CINS -17/-49 0/54 -195/-288 EQLV 605/368 926/922 184/200 LFCT 852/813 974/969 584/715 Рис. 3. Индекс SHOW при грозах и ливнях для Новосибирска за период 2004-2011 8,0 SHOW, град 6,0 4,0 ЛИВНИ; 3,7 2,0 ГРОЗЫ; 0,6 0,0 -2,0 -4,0 Явление Основные выводы: Грозовые облака по сравнению с ливневыми характеризуются более выраженным контрастом температур между облаком и окружающим воздухом (LIFT), а также внутри облачности между уровнями 1,5 и 5,5 км (KIND и TOTL); CAPE при грозах более чем в четыре раза превосходят значения при ливнях; уровень свободной конвекции (LFCT) и уровень равновесия (EL) в грозовых облаках выше, чем в ливневых, а также мощность слоя между уровнями LFCT и EL в грозовых облаках почти в два раза превосходит эту же величину в ливневых облаках. Дальнейшие перспективы Совершенствование методов прогноза гроз на основе термодинамических характеристик для территории Томской и Новосибирской областей на современном материале. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ