Diagnostics of squeals passing through the obninsk’s high-altitude instrumental tower in2014–2023

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в современном мире, вследствие климатических изменений, ведущих к изменениям общей картины атмосферной циркуляции, наблюдается усиление интенсивности и увеличение частоты шквалов на территории России. Шквалы – резкое усиление ветра в течение короткого времени, сопровождающееся изменениями его направления; скорость ветра при шквале нередко превышает 20–30 м/с (средняя скорость ветра не менее 20 м/с, на побережье морей и в горных районах не менее 25 м/с. Мгновенная скорость ветра (порыв) не менее 25 м/с, на побережье морей и в горных районах не менее 30 м/с) [Хромов, 1974]. Это экстремальное явление представляет особую опасность за счет своего локального, внезапного характера, осложняющего прогноз. Шквал обычно длится несколько минут, захватывает узкую полосу в несколько сотен метров, но обладает значительной разрушительной силой, наносящей ощутимый ущерб экономике и населению, в частности, страдают линии электропередач и связи, повреждаются сельские постройки, нарушается работа точного оборудования и транспорта, в особенности, авиационного. Скорость ветра при шквале достигает разрушительной силы. Классификация шквалов по скорости ветра [Янькова и др., 2018]: слабые шквалы – 20 м/с, умеренные шквалы – 20–25 м/с, сильные шквалы – 25–30 м/с, особенно сильные шквалы – более 30 м/с. Кроме того, шквалы, как правило, сопровождаются осадками в виде ливневого дождя и града, либо пыльными бурями – в зависимости от состояния поверхности почвы и предшествующих метеорологических условий: температуры и влажности. Кроме очевидной разрушительности скоростей ветра в 20–30 м/с более умеренные шквалистые усиления ветра не менее опасны. Так, для авиации опасность представляет встречный шквал в 15 м/с, а боковой шквал «всего» в 8 м/с [Ленская и Абдуллаев, 2005]. Было установлено [Песков и Снитковский, 1968; Васильев и др., 2009], что вероятность возникновения шквалов и скорость ветра тесно связаны с обменом количеством движения между нисходящим потоком воздуха в кучево-дождевом облаке и нижней половины тропосферы, существенное влияние на формирование шквалов оказывает рельеф. Поэтому при моделировании нам будут особенно важны поля скорости ветра, температуры, влажности. Известно [Янькова и др., 2018; Алексеева, 2019], что шквалы связаны с конвективной деятельностью, однако закономерности формирования, развития и прогноз шквалов до сих пор изучены недостаточно, и проблема остается актуальной. Статистическая обработка случаев со шквалами и смерчами (при скоростях ветра 25 м/с и более) позволила выявить некоторые закономерности возникновения этих опасных явлений [Грищенко, 2009], таких, как частота их возникновения и районы, наиболее подверженные угрозе этих опасных явлений. Но точность и заблаговременность прогноза остаются недостаточными и требуют дальнейшего изучения. В [Новицкий и др., 1997], авторы которого имеют большой опыт анализа шквалов, было проведено теоретическое и физическое моделирование мезомасштабных течений (бризы, шквалы, ураганы). Физическое моделирование этих процессов выполнено в лабораторных условиях. Получены данные о полях температуры и скорости фронта гравитационных течений стратифицированных сред при отсутствии и наличии конвекции и конденсационного тепловыделения на фронте, продемонстрирована возможность усиления вертикальных движений при встречном движении фронтов, а также возможность перетекания одного фронта через другой. Шквалы на территории Беларуси изучались, например, в [Волчек, Шпока, 2011]. Проводились исследования шквалов в Архангельской области [Грищенко, 2009] и на Урале [Шихов и др, 2018]. По результатам [Шихов и др, 2018] проведен статистический анализ, всего по спутниковым данным выявлено восемь участков ветровалов на общей площади более 1500 га в Свердловской, Курганской и Тюменской областях. Из них три случая вызваны шквалами и пять – смерчами. На основе анализа синоптического положения, а также параметров неустойчивости по данным глобальных моделей прогноза погоды GFS/NCEP и GEM/CMC здесь были установлены основные факторы, способствовавшие возникновению смерчей, и регионы Урала, где с наибольшей вероятностью могут возникать шквалы. Фронтальные шквалы изучались, например, в [Omotosho, 1985], тропические шквалы – в [Lo, Orton, 2016; Wijesekera, Gregg, 1996; Omotosho, 1984].

Изучение причин возникновения шквалов, их оперативный прогноз и учет в долгосрочном градостроительном планировании, повышение точности численного моделирования, требуют разработки и развития инструментов и методов экспериментальных исследований, обработки, анализа и практического использования полученных экспериментальных данных. Развитие населенных пунктов и увеличение численности населения в мегаполисах сопровождается возрастанием уязвимости общества к опасным явлениям погоды, что также налагает повышенные требования к системам атмосферного моделирования.

Одним из способов диагностики шквалов и получения первичной информации об их характеристиках является обработка большого массива данных наблюдений высотной метеорологической мачты (ВММ) Института экспериментальной метеорологии ФГБУ “НПО “Тайфун”, представленных в настоящей статье за 2014–2023 гг. Такие экспериментальные данные по ряду долгосрочных наблюдений на ВММ позволили после обработки и анализа полей скорости зафиксировать интенсивные шквалы, проходящие через полигон. Были получены и проанализированы основные характеристики этих частных случаев шквалов, часть из которых одновременно моделировалась с использованием негидростатической мезомасштабной атмосферной модели WRF-ARW, адаптированной для района наблюдений, а также была проведена верификация с данными натурных экспериментов.

Полученные результаты обладают высокой практической значимостью, с ними связаны задачи оценки порывистости и экстремальных значений пульсации ветра в строительной метеорологии для расчета динамической составляющей ветрового напора ветра; задачи метеорологического обеспечения авиации и промышленного рыболовства, задачи получения оценок частоты и повторяемости экстремальных погодных явлений.

ВММ НПО “ТАЙФУН”.

ОПИСАНИЕ МАЧТЫ И ИЗМЕРЯЕМЫХ ДАННЫХ

Для получения первичной информации использовалась ВММ Института экспериментальной метеорологии ФГБУ “НПО “Тайфун” [Новицкий и др., 2018]. ВММ относится к группе специализированных высотных метеорологических мачт [Иванов, 1970], предназначена для проведения широкого комплекса метеорологических исследований (312 м, 13 уровней). Основное преимущество такой ВММ в возможности фиксировать структуру шквала в 300-метровом слое, в частности, по структуре поля скорости ветра, по форме усиления ветра, и, в особенности, по вертикальной компоненте скорости ветра в 300-метровом слое во время прохождения кучево-дождевых облаков. В этом слое происходит взлет и посадка самолетов, поэтому существенны сведения о восходящих и нисходящих потоках.

В 2014–2023 годах приборы, измеряющие скорость и направление ветра, а также температуру воздуха были установлены вблизи поверхности земли на метеоплощадке и на 5 уровнях высотной мачты: 25, 73, 121, 217 и 301 м. Метеорологические величины регистрировались с частотой 1 раз в секунду. Далее по ним вычислялись средние за 10 секунд значения. Непрерывные ряды этих величин являлись той базой данных, по которой определялись шквалистые усиления скорости ветра в нижнем 300-метровом слое атмосферы и их характеристики. Кроме пропеллерных датчиков ветра на ряде высот ВММ были установлены также акустические анемометры, измеряющие три компоненты скорости ветра, включая вертикальную составляющую скорости. Такими приборами являлись метеорологический комплекс МК-15 разработки ФГБУ “НПО “Тайфун” и акустический анемометр “Модель 81000V” фирмы R. M. YOUNG COMPANY, США.

По каждому случаю шквалов проведен первичный синоптический анализ. Полная синоптическая ситуация для подробного определения характеристик кучево-дождевых облаков, являющихся одним из триггеров образования шквалов, описывается с помощью кольцевых карт погоды, карт барической топографии, и для настоящей темы исследования не является критичной, вследствие чего в данной статье не приводится.

Комплекс метеорологический МК-15 (Разработка НПО “Тайфун”) с анемометрами акустическими предназначен для автоматических измерений вертикальной и горизонтальной скорости ветра, направления ветра, температуры и относительной влажности воздуха, атмосферного давления. Принцип действия комплекса МК-15 основан на преобразовании выходных параметров датчиков в цифровой код с последующим вычислением физических значений вертикальной и горизонтальной составляющих скорости ветра, направления горизонтальной составляющей скорости ветра, температуры воздуха на двух уровнях, относительной влажности воздуха, атмосферного давления.

 

Таблица 1. Метрологические характеристики комплекса МК-15

Измеряемые метеорологические параметры	Диапазон измерения	Пределы допускаемой погрешности измерений
Атмосферное давление с изменяемым началом отсчета в диапазоне от 600 до 917, гПа	150	±0.3
Скорость ветра, м/с: – горизонтальная составляющая Vr, – вертикальная составляющая VB,	От 0.2 до 60 От минус10 до +10	± (0.2+0.03Vr) ± (0.2+0.03VB)
Направление ветра, градусы	От 0 до 360	±2
Температура воздуха, °C	От минус 60 до +50	±0.2
Относительная влажность воздуха,%	От 5 до 100	± 3 – в диапазоне температур свыше 0 °C до +50 °C; ± 5 – в диапазоне температур от минус 40 °C до 0 °C вкл.; в диапазоне температур ниже минус 40 °C измерения не проводятся

 

Все измеренные параметры визуально отображаются на экране монитора в цифровой и графической формах и хранятся в электронной памяти ПК. Метрологические характеристики комплекса МК-15 приведены в табл. 1. Частота регистрации измерений анемометрами МК-15 составляла 6.25 Гц. Новые модификации метеокомплекса позволяют регистрировать измерения с частотой 10 Гц.

В 2021 и 2022 гг. на ВММ использовался только один акустический анемометр МК-15, установленный на высоте 217 м.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ.

ОБЩИЙ АНАЛИЗ И ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ

Всего в 2014–2023 годах по измерениям на ВММ было зарегистрировано 64 шквалистых усиления скорости ветра. В таблице 2 приведены некоторые характеристики этих шквалов и порывов ветра.

 

Таблица 2. Характеристики шквалистых усилений скорости и порывов ветра по измерениям на высотной мачте за 2014–2023 гг. Vmax – максимальная скорость ветра во время шквала; ΔV – нарастание скорости ветра при шквале; Δt – время, за которое скорость ветра увеличилась до максимального значения

Градация Vmax, м/с	Высота, м		Градация ΔV, м/с	Высота, м		Градация Δt, мин	Высота, м
	8	301		8	301		8	301
³ 5.0–9.9	32		2.0÷4.9	5	1	£ 0.9	17	11
10.0–14.9	27	7	5.0÷7.9	26	15	1.0÷1.9	14	13
15.0–19.9	5	27	8.0÷9.9	19	12	2.0÷2.9	9	10
20.0–24.9	1	15	10.0÷14.9	14	26	3.0÷3.9	8	9
25.0–29.9		13	15.0÷19.9	1	8	4.0÷4.9	10	4
³ 30		3	> 20		3	³ 5.0	7	18

 

Критерием выделения шквала было выбрано резкое усиление скорости ветра за короткое время. Все отобранные случаи были связаны с прохождением через высотную мачту кучево-дождевых облаков. Облака были или внутримассового происхождения, или связанные с холодным фронтом. В последнем случае скорость ветра во время шквала была выше. Отдельно выделена группа с резкими шквалами, со скоростью, увеличивающейся от небольшой величины – имеющими большой негативный потенциал воздействия на результаты хозяйственной деятельности человека, транспортную и сельскохозяйственную отрасли. Из-за сильной затененности уровня 8 м близко расположенным лесом и городской застройкой скорости ветра на этой высоте не достигали значения шквалов.

По результатам анализа шквалы были поделены на 3 группы:

1. Шквалы при прохождении нескольких кучево-дождевых облаков днем, внутримассовых или перед холодным фронтом.
2. Шквал на холодном фронте.
3. Резкий шквал, когда скорость увеличивается от небольшой величины – от 0–6 м/с, – на величину, большую 15 м/с, за время до 5 мин, и с практически вертикальной кривой изменения скорости на части этого промежутка времени.

Внутри первых двух групп случаи шквалов подразделялись по скорости ветра на высоте 301 м: меньше или больше 20 м/с.

Так, 15 марта 2014 г. при прохождении холодного фронта скорость ветра на высоте 301 м резко возросла от 14 м/с до 31.4 м/с.

16 апреля 2015 г. через ВММ проходили последовательно три кучево-дождевых облака. На фоне средней скорости ветра 15–20 м/с скорость на высоте 301 м увеличивалась до 32.1 м/с и 31.0 м/с.

29 мая 2017 г. до холодного фронта средняя скорость ветра на 301 м составляла 14–20 м/с. Непосредственно перед шквалом скорость уменьшилась до 12 м/с, а во время шквала в 16:30 ч скорость достигла максимального значения 27 м/с на высоте 217 м.

21 апреля 2018 г. максимальная скорость ветра во время шквала на холодном фронте составила 28 м/с на фоне среднем скорости ветра около 14 м/с.

18 октября 2022 г. днем через полигон ВММ проходил холодный атмосферный фронт. С 12:00 до 18:00 часов отмечался умеренно сильный ветер, вызванный большим горизонтальным градиентом давления. На высоте 301 м скорость ветра составляла 15–18 м/с. Скорость ветра во всем 300-метровом слое начала увеличиваться после 8:00 ч и достигла максимума (25.3 м/с на высоте 301 м) в 12:20 ч.

7 июля 2022 г. отмечался шквал на холодном участке фронта с кратковременным усилением скорости ветра. На высоте 8 м скорость увеличилась от 0.2 м/с до 9.1 м/с с 16:36 ч до 16:48 ч. На высоте 121 м скорость ветра увеличилась в это же время с 4.6 м/с до 23.2 м/с. Прохождение фронтальной зоны сопровождалось грозой, шквалистым усилением скорости ветра и сильным ливневым дождем. Выпало 18.8 мм осадков.

30 октября 2022 г. район Москвы и Обнинска находился в южной части циклона с центром над Белым морем. Давление в центре циклона составляло 985 гПа. С 9:00 ч до 15:00 ч через Обнинск проходил холодный фронт этого циклона. По данным метеостанции Малоярославец, расположенной в 12 км к юго-западу от Обнинска, перед фронтом, в 15:00 ч, отмечались ливневые осадки в виде дождя, за фронтом, в 18:00 ч – в виде снега. При прохождении двух кучево-дождевых облаков отмечалось усиление ветра и падение температуры воздуха. С 17:00 ч до 17:10 ч проходила зона холодного фронта с падением температуры на 3.8^о С. Максимальная скорость ветра на первом облаке составила 21.3 м/с на высоте 301 м, а на холодном фронте – 24.2 м/с.

Случай 2 января 2023 г.

1 и 2 января район Москвы и Обнинска находился под влиянием обширного циклона с центром над Балтийским морем (смещающегося на юго-восток) и его атмосферных фронтов. 1 января наблюдалось падение давления в течение суток на 8.5 мм рт. ст. (с 742.8 до 734.2 мм рт. ст.) При этом температура росла во всем слое. На 2 м за сутки температура повысилась на 6.5^о С (с 0.8^о С до 7.3^о С). Постепенно ветер усиливался с 13.5 м/с до 20 м/с (на 301 м). 2 января в 02:18 был минимум атмосферного давления – 732.9 мм рт. ст. С 02:25 ч до 02:30 ч наблюдалось увеличение давления на 2 мм. рт. ст. Далее в течение дня давление выросло на 7.9 мм. рт. ст. С 02:24 ч до 02:26 ч скорость на 301 м увеличилась с 16.8 м/с до 31.5 м/с. На 8 м максимум скорости составил 11.3 м/с. В 02:30 ч проходил холодный фронт и далее началась адвекция холода. К 22:00 ч. температура на 2 м опустилась до –3^о С.

Шквалы и шквалистые усиления ветра, проанализированные в статье, категорировались в следующем количественном соотношении: 1 группа – 34, 2 группа – 20, 3 группа – 5, и 5 шквалов мы выделяли в особую категорию, которая объединяет две из предложенных групп, либо которые происходят на двух холодных фронтах (как, например, 14.03.2020 г.), либо, как в случае 1 и 2 января 2023 г. образовывались под влиянием обширного циклона с центром над Балтийским морем (смещающегося на юго-восток) и его атмосферных фронтов. Для получения процентного соотношения эти последние особые случаи внесены в группу 2, по присутствующим в этих случаях холодным фронтам. Таким образом, в процентном соотношении получили: 1 группа – 53.125%, 2 группа – примерно 39.692%, 3 группа – 7.813% от всех проанализированных частных случаев.

Ниже приведено подробное описание погодных условий и измеренных величин скорости ветра, температуры воздуха, других характеристик частных случаев шквалов. Частные случаи использовались для верификации адаптированной модели WRF-ARW, которая способна разрешать шквалистый ветер на выбранной территории и ее влияния на гидродинамические потоки. Подробное описание модели приведено в Главе 4 настоящей статьи.

Шквал 4.07.2016

Анализ частного случая начинался с синоптической ситуации по приземным картам Гидрометцентра РФ за 04.07.2016, 06:00 ВСВ. Район Москвы и Обнинска находился на южной периферии обширного циклона с основным центром в районе Шпицбергена (см. рис. 1).

 

Рис. 1. Анализ синоптической ситуации по приземным картам Гидрометцентра РФ за 04.07.2016, 06:00 ВСВ.

 

Вторичный центр циклона без замкнутой изобары располагался северо-западнее Москвы. Он образовался на волне холодного и теплого фронтов. Примерно в 17:00 ч в Обнинске наблюдался сильный ливень и резкое похолодание: на 8^о С на высоте 2 м (см. рис. 2). Прошел холодный атмосферный фронт циклона с вторичным центром в районе Санкт-Петербурга.

 

Рис. 2. Анализ синоптической ситуации по приземным картам Гидрометцентра РФ за 04.07.2016, 12:00 ВСВ.

 

За день до описываемого частного случая, 03.07.2016 г., Обнинск находится в малоградиентном барическом поле седловины. Кучево-дождевые облака имели внутримассовый характер, т. е. не были связаны с фронтами, а были вызваны конвекцией, которая развилась днем после полудня из-за прогрева поверхности. В 13:54 ч в Обнинске начался ливень, гроза. В 14:01 ливень уже был слабым, а в 14:10 закончился.

Всего в этот день наблюдалось 2 холодных фронта. На первом фронте резкий одиночный шквал с максимальной скоростью ветра 18.9 м/с. На втором фронте, в 19:00 ч по местному времени общее резкое повышение скорости ветра, с 7 до 14 м/с на высоте 301 м.

Измерения вертикального профиля температуры в нижнем 1-километровом слое в Москве проведены с помощью оборудования компании НПО АТТЕХ [17] и показаны на рисунке 3.

 

Рис. 3. Измерения вертикального профиля температуры в нижнем 1-километровом слое в Москве, ФГБУ ЦАО. (а) Время измерений с 15:00 3 июля по 12:00 4 июля; (б) время измерений с 12:00 4 июля по 09:00 5 июля. Температура указана цветом в градусах Цельсия, в зависимости от высоты и времени измерений.

 

Координаты профилемера: ФГБУ Центральная аэрологическая обсерватория, Московская обл., г. Долгопрудный, ул. Первомайская, 3 (55°55´32´´ N, 37°31´23´´ E). По профилю температуры хорошо заметно резкое ее падение в момент прохождения шквала, что позволяет использовать данные этих измерений для дальнейшей верификации численной модели и четкой фиксации момента начала усиления ветра.

 

Рис. 4. Температура воздуха (°C) на шести высотах в течение суток. По оси Х – час суток t2 – температура на высоте 2 м; t1 – температура на высоте 25 м; t3 – температура на высоте 73 м; t5 – температура на высоте 121 м; t9 – температура на высоте 217 м; t13 – температура на высоте 301 м.

 

Временной ход средних за 10 секунд значений метеопараметров, измеренных на ВММ ФГБУ “НПО “Тайфун” в г. Обнинске, приведен на рисунках 4–8 для, соответственно, температуры воздуха на шести высотах в течение суток, атмосферного давления на высоте 2 м, относительной влажность воздуха на высоте 2 м, скорости ветра (м/с) на пяти высотах, направления ветра в градусах на четырех высотах. Показано изменение характеристик для всех суток и для времени первого шквала, с 15:00 по 19:00 часов по московскому времени.

 

Рис. 5. Атмосферное давление (мм. рт. ст.) на высоте 2 м.

 

Осадки по данным наблюдателя на полигоне ВММ: ливневой дождь сильный 16:25–16:31; ливневой дождь умеренный 16:23–16:25, 16:31–16:33, 16:42–16:48; ливневой дождь слабый 16:33–16:42, 16:48-М (продолжался после срока наблюдений); гроза с 16:15 до 17:05; 16:42–16:50 над нами. Сумма осадков с 16:00 до 17:00 ч составила 6.9 мм.

 

Рис. 6. Относительная влажность воздуха (%) на высоте 2 м.

 

Временной ход средних за 10 секунд значений метеопараметров, измеренных акустическими анемометрами 81000 фирмы Young, США на ВММ ФГБУ “НПО “Тайфун” в г. Обнинске 4 июля 2016 г. показан на рис. 9–12. Показаны значения скорости ветра по компонентам, такая развертка особенно интересна для определения структуры потока и оценки вертикальных размеров шквалов. Данные скорости, замеренные этим прибором, показывают значения, близкие к измеренным с помощью комплекса МК-15.

 

Рис. 7. Скорость ветра (м/с) на пяти высотах. v8 – скорость ветра на высоте 8 м. Остальные высоты те же, что для температуры воздуха (см. рис. 4).

 

ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ WRF-ARW

Для численного моделирования синоптической ситуации и частного случая шквала была выбрана открытая исследовательская негидростатическая мезомасштабная атмосферная модель WRF – Weather Research and Forecasting [Skamarock et al, 2019; Вельтищев и Жупанов, 2010], версия 4.3.3. В частности, модуль WRF-LES для воспроизведения шквалов на сетке с шагом 60 и 20 м.

 

Рис. 8. Направление ветра в градусах на четырех высотах ВММ.

 

В настоящее время открытая модель WRF является одной из наиболее универсальных и отлаженных открытых систем моделирования атмосферы. На основе этой модели были подобраны граничные и начальные условия, а также выбраны соответствующие параметризации. В дальнейшем предполагается использовать дополнительный химический блок модели WRF-Chem – версии модели WRF, которая позволяет воспроизводить характеристики газовых примесей, аэрозолей и других химических веществ совместно с метеорологическими полями в атмосферном пограничном слое (АПС) [Grell et al, 2005].

 

Таблица 3. Параметры сетки и выбранные схемы параметризации в модели

Расчетное время	03.07.2016 12:00 ВСВ-05.07.2016 00:00 ВСВ
Количество вложенных сеток	5
Тип проекции карты	Lambert
Шаг сетки	1620 м / 540 м / 180 м / 60 м / 20 м
Количество шагов сетки в направлении север-юг	210 / 211 / 211 / 211 / 211
Количество шагов сетки в направлении восток-запад	210 / 211 / 211 / 211 / 211
Количество вертикальных уровней	40 / 40 / 118 / 118 / 118
Шаг по времени для первой области	9 с
Длинноволновая и коротковолновая радиация	Rapid Radiative Transfer Model и Goddard shortwave (Two-stream multi-band scheme)
Поверхностный слой	Monin-Obukhov (Zilitinkevitch)
Модель поверхности земли	Noah, (Chen et al., 2001)
Турбулентности	схема полной диффузии с использованием трехмерного метода Смагоринского и для LES-моделирования – схема простой диффузии с использованием двухмерного метода (коэффициент K определяется только с использованием горизонтальной деформации)
Микрофизика	Morrison double-Momentum scheme
Атмосферный пограничный слой	Mellor-Jamada-Janjic scheme (Janjic, 1994, MWR), LES схема
Эмиссия (сальтационная)	Shao (2011)
Эмиссия (несальтационная)	Разработанная и внедренная в модель

 

Основные параметры модели приведены в таблице 3. Время «разгона» модели – сутки. При расчетах использовались вложенные сетки. По вертикали все области имеют сгущение в пограничном слое. В качестве начальных и граничных данных использованы поля реанализа CFSR второй версии (CFSv2). Начальные данные основных метеорологических характеристик даны на сетке с разрешением: 0,5° х 0,5° для уровней давления и 0,2° х 0,2° для значений на поверхности по широте и долготе. Временной интервал между начальными полями метеопараметров равен 6 часам.

 

Рис. 9. Модуль скорости ветра (м/с) на четырех высотах (25, 73, 121 и 265 м).

 

Рис. 10. Вертикальная компонента скорости ветра (м/с) на четырех высотах (25, 73, 121 и 265 м).

 

Координаты центра расчетной области соответствуют положению ВММ в Обнинске.

Отметим, что шквалы начинают неплохо воспроизводиться уже на сетках с горизонтальным масштабом около 500 м. Более детальное воспроизведение подобных движений в пограничном слое требует разрешения на порядок больше – хотя бы 60 м по горизонтали. Это возможно сделать в рамках WRF-LES модуля. В этой модели увеличение пространственного разрешения по горизонтальным координатам является более выгодным, чем увеличение вертикального пространственного разрешения.

В настоящей работе горизонтальная сетка с пространственным разрешением 60 м уже позволяет получить результаты с достаточной степенью точности, сетка с шагом 20 м детализирует рассчитанные поля метеорологических параметров.

 

Рис. 11. Модуль скорости (а), вертикальная компонента (б) и 3 компоненты скорости (в) на разных высотах (25, 73, 121 и 265 м) c 15:36 до 16:36.

 

Рис. 12. Модуль скорости и вертикальная компонента скорости ветра (м/с) на высоте 265 м.

 

Первый шквал наблюдался в 12:00–14:00 ВСВ. Приведем рассчитанные характеристики шквалов для этого промежутка времени и сравним эти значения с наблюдаемыми на ВММ. Для наглядной визуализации шквалов результаты моделирования приведем в виде полей метеорологических величин для моментов времени: 12:00, 13:00, 14:00 ВСВ для части высот, а также более подробный вывод результатов с 10-минутным шагом для времени 13:00–14:00 ВСВ.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ШКВАЛОВ 4.07.2016. ВЕРИФИКАЦИЯ С ДАННЫМИ НАБЛЮДЕНИЙ

Карта основных приземных метеорологических параметров: температуры и ветра на высоте 2 м, атмосферного давления на уровне моря, показана на рис. 13. По результатам моделирования восстановлено поле скорости, направление ветра показано на рис. 13, 14, по амплитуде скорости (отслеживалось в точке расположения мачты) зафиксировано усиление ветра в районе ВММ в период времени с 13:00 до 14:00 ВСВ. Максимальное значение скорости составляет 19 м/с на высоте 2 м, что близко к наблюдаемой величине (по данным наблюдений 18.9 м/с, см. рис. 7).

 

Рис. 13. Температура и ветер на высоте 2 м, атмосферное давление на уровне моря – для 12:00(а),13:00(б),14:00(в) ВСВ; над районом измерений, вид сверху. ВММ располагается в центре области, координаты 55°06′42″ с. ш. 36°35′54″ в. д. Атмосферное давление на уровне моря показано цифрами синим цветом рядом с указаниями локальных минимумов и максимумов давления L и H. Модифицированная модель WRF, 4 июля 2016 г. Шаг сетки 60 м.

 

Рис. 14. Относительная влажность и скорость ветра на уровнях 950 (слева) и 500 (справа) гПа – для 13:00(а), 13:10(б), 13:20(в), 13:30(г), 13:40(д), 13:50(е), 14:00(ж) ВСВ; над районом измерений, вид сверху. ВММ располагается в центре области, координаты 55°06′42″ с. ш. 36°35′54″ в. д. Модифицированная модель WRF, 4 июля 2016 г. Шаг сетки 20 м.

 

Температура на высоте 2 м в точке расположения ВММ по расчетам изменялась от 23 до 18 °C за указанный промежуток времени от 12:00 до 14:00 ВСВ, и хорошо коррелирует с измеренными значениями, однако начальное значение температуры на 2 м несколько занижено по расчетам (по данным наблюдений от 26 до 18 °C, см. рис. 4). Хорошее соответствие отмечено также и для атмосферного давления, и для влажности (см. рис. 13, 14 для результатов расчета модели и рис. 5, 6 для измеренных значений метеопараметров).

 

Рис. 15. Распределение влажности и температуры по высоте – для 13:00(а), 13:10(б), 13:20(в), 13:30(г), 13:40(д), 13:50 (е), 14:00(ж) ВСВ; над районом измерений, рисунок слева показывает разрез по широте, рисунок справа – по долготе. Координаты ВММ 55°06′42″ с. ш. 36°35′54″ в. д.. Модифицированная модель WRF, 4 июля 2016 г. Шаг сетки 20 м.

 

Распределение влажности и температуры по высоте показано на рисунке 15. Влажность повышается к моменту первого шквала. Видно, что рисунки 14, с влажностью и скоростью ветра на двух уровнях давления, и 15, с влажностью и температурой по всей высоте, позволяют восстановить полную картину геометрических характеристик шквалов и облачности. Последняя влияет на осадки, которые показаны на рисунке 16 для данных моделирования и, как и в случае с наблюдениями, показывают высокие значения для 4.07.2023. В настоящей статье представлены результаты моделирования только промежутка времени с первым шквалом.

 

Рис. 16. Осадки – для 13:00(а), 13:10(б), 13:20(в), 13:30(г), 13:40(д), 13:50 (е), 14:00(ж) ВСВ; над районом измерений, вид сверху. ВММ располагается в центре области, координаты 55°06′42″ с. ш. 36°35′54″ в. д. Модифицированная модель WRF, 4 июля 2016 г. Шаг сетки 20 м.

 

Большой интерес представляет моделирование вертикальной скорости, являющейся показателем конвективных движений, связанных с образованием шквалов. Результаты расчета показаны на рисунке 17, где полученные значения интерполированы по всей высоте. Видно соответствие с данными ВММ (см. рис. 10, 11). Отчетливо наблюдаются интенсивные конвективные движения в рассматриваемый промежуток времени образования первого шквала, что совместно с измеренными данными ВММ, позволяет подтвердить участие конвективных механизмов, наблюдаемых в 300-метровом слое, в формировании сильных шквалов.

 

Рис. 17. Распределение вертикальной скорости по высоте в нижнем слое АПС – для 12:00 (а),12:30 (б), 13:00 (в), 13:30 (г), 14:00 (д) ВСВ; над районом измерений, вид сбоку. Координаты ВММ 55°06′42″ с. ш. 36°35′54″ в. д. Модифицированная модель WRF, 4 июля 2016 г. Шаг сетки 60 м.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Детально проанализированы случаи шквалов, зафиксированных на ВММ НПО “Тайфун” в 2014–2023 гг. По результатам анализа шквалы были поделены на 3 группы:

• – Группа 1. Шквалы при прохождении нескольких кучево-дождевых облаков днем, внутримассовых или перед холодным фронтом. Сюда входят подгруппы:

1.1. Максимальная скорость ветра при шквалах меньше 20 м/с на общем фоне слабого или умеренного среднего ветра

1.2. Максимальная скорость ветра во время одного или нескольких шквалов больше или равна 20 м/с. Средняя скорость ветра умеренная, не превышающая 10–12 м/с

1.3. На общем фоне сильного ветра, превышающего 10–12 м/с, несколько усилений ветра днем при прохождении кучево-дождевых облаков.

• – Группа 2. Шквал на холодном фронте. Сюда входят подгруппы:

2.1. Максимальная скорость ветра во время шквала меньше 20 м/с на высоте 301 м

2.2. Максимальная скорость ветра во время шквала больше или равна 20 м/с на высоте 301 м

• – Группа 3. Резкий шквал, когда скорость увеличивается от небольшой величины.

Рассмотрена подробная диагностика частного случая шквала 4 июля 2016 г. по результатам наблюдений на ВММ и численного моделирования на модифицированной для данной местности и синоптической ситуации модели WRF. Моделировалась температуры воздуха на разных высотах в течение суток, атмосферное давления, относительной влажность воздуха, компоненты скорости ветра. Результаты моделирования с хорошей точностью согласуются с данными наблюдений для описанного частного случая. Максимальное значение скорости ветра в шквале на первом одиночном холодном фронте составило 18.9 м/с по наблюдениям и 19 м/с по результатам моделирования. Успешное воспроизведение выбранного частного случая показывает перспективность используемой модели для воспроизведения случаев сильных шквалов, что, при увеличении в дальнейшей работе статистической достоверности результатов путем анализа других из приведенных и зафиксированных средствами ВММ частных случаев шквалов, позволит достичь увеличения точности оперативного прогноза шквалов.

 

Исследования выполнены при поддержке гранта РНФ (проект № 22–77–00098).

About the authors

N. V. Vazaeva

Obukhov Institute of Atmospheric Physics, RAS; Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: vazaevanv@ifaran.ru
Pyzhyovskiy pereulok, 3, Moscow, 109017; Baumanskaya 2-ya, 5, Moscow, 105005

L. K. Kulizhnikova

Federal State Budgetary Institution Research and Production Association Typhoon; Obukhov Institute of Atmospheric Physics, RAS

Email: vazaevanv@ifaran.ru
Russian Federation, 4, Pobedy str., Obninsk, Kaluzhsky region, 249038; Pyzhyovskiy pereulok, 3, Moscow, 109017

M. K. Matskevich

Federal State Budgetary Institution Research and Production Association Typhoon; Obukhov Institute of Atmospheric Physics, RAS

Email: vazaevanv@ifaran.ru
Russian Federation, 4, Pobedy str., Obninsk, Kaluzhsky region, 249038; Pyzhyovskiy pereulok, 3, Moscow, 109017

References

Supplementary files