Карты прогноза параметров конвекции и опасных конвективных явлений. Прогноз гроз по методу лебедевой Прогноз конвективных явлений

Кi - индекс неустойчивости

Рассчет Ki основан на вертикальном градиенте температуры, влажности воздуха в нижней тропосфере, а также учитывает вертикальную протяженность влажного слоя воздуха. Ki характеризует степень конвективной неустойчивости воздушной массы , которая необходима для возникновения и развития гроз .
Формула : Ki=T850-T500+Td850-∆Td700 .
В формуле: Ki - индекс неустойчивости (число Вайтинга), T850 - температура воздуха на изобарической поверхности 850 гПа, T500 - температура воздуха на 500 гПа, Td850 - температура точки росы на 850 гПа, ∆Td700 - дефицит точки росы (T-Td) на поверхности 700 гПа.

Ki лучше всего использовать в летний период для прогнозирования внутримассовых гроз. Пороговые значения в таблице могут изменяться в зависимости от сезона, географии и синоптической ситуации.

Вероятность гроз, рассчитанных по методу Вайтинга..

Ki	Вероятность грозы
20 ≤ Ki ≤ 22 22 25 28 31 34 W>37	– 50% 60% 75% 80% 90% 95% 100%

Гроза - комплексное явление, необходимой частью которого являются многократные электрические заряды между облаками или между облаком и землей (молнии), сопровождающиеся звуковым явлением - громом. Гроза характеризуется еще шквалистыми ветрами и ливневыми осадками, нередко с градом .
Сильная гроза - гроза с дождём ≥15 мм/ч и/или градом диаметром от 0.6 до 2 см, сильным шквалом ≥15 м/с.
Очень сильная гроза - гроза с ливневым дождём ≥30 мм/ч и/или крупным градом диаметром ≥2 см и/или очень сильным шквалом ≥25 м/с или смерчем .

VT - Vertical Totals индекс

Формула : VT = T850 - T500 , где T850 - температура воздуха на изобарической поверхности 850 гПа, T500 - температура воздуха на 500 гПа.

Если VT > 28, следовательно тропосфера обладает высоким потенциалом конвективной неустойчивости, достаточным для образования гроз.

CT - Сross Totals индекс

Формула : CT = Td850 - T500 , где Td850 - температура точки росы на 850 гПа, T500 - температура воздуха на 500 гПа.

При СT CT 18 - 19 - Умеренная неустойчивость. Слабая грозовая деятельность.
CT 20 - 21 - Высокая неустойчивость. Грозы.
CT 22 - 23 - Энергия неустойчивости при которой возможны сильные грозы.
CT 24 - 25 - Высокая энергия неустойчивости. Сильные грозы.
СT> 25 - Очень высокая энергия неустойчивости. Очень сильные грозы.

Смерч (торнадо, тромб) - атмосферный вихрь, возникающий в кучево-дождевом облаке и распространяющийся вниз, часто до самой поверхности земли, в виде облачного рукава или хобота диаметром в десятки и сотни метров. Характерной особенностью этих вихрей является быстрое спиралевидное движение воздуха вокруг почти вертикальной оси. Внутри воронки воздух поднимается, быстро вращаясь, создаётся область сильно разреженного воздуха.
Скорость движения воздуха составляет 50-100 м/с, а в особо интенсивных торнадо достигает 250 м/с, причем имеется большая вертикальная составляющая скорости, равная 70-90 м/с.
Для классификации торнадо используется шкала Фуджиты.
F0 скорость ветра не превышает 32 м/с (по ТКП - это очень сильный ветер).
F1 - 33 - 50 м/с. Умеренный. (по ТКП ураганный ветер).
F2 - 51 - 70 м/с. Сильный.
F3 - 71 - 92 м/с. Очень сильный.
F4 - 93 - 116 м/с. Разрушительный.
F5 - 117 - 142 м/с. Невероятный.

TT - Total Totals индекс

Формула : TT = VT + CT , Miller (1972); где CT - Сross Totals индекс, VT - Vertical Totals индекс.

При TT TT 44 - 45 - Отдельная гроза или несколько гроз.
TT 46 - 47 - Рассеянные грозовые очаги.
TT 48 - 49 - Значительные количество гроз, отдельные из которых сильные.
TT 50 - 51 - Рассеянные сильные грозовые очаги, отдельные очаги со смерчем.
TT 52 - 55 - Значительное количество очагов сильных гроз, отдельные очаги со смерчем.
TT > 55 - Многочисленные сильные грозы с сильными смерчами.

SWEAT - Severe Weather ThrEAT индекс

SWEAT - индекс неустойчивости, разработанный в ВВС США. SWEAT - комплексный критерий для диагноза и прогноза опасных и стихийных явлений погоды , связанных с конвективной облачностью . SWEAT включает в себя индекс неустойчивости воздушной массы, скорость и сдвиг ветра .

Формула : SWEAT = 12⋅Td850 + 20⋅(TT- 49) + 3.888⋅F850 + 1.944⋅F500 + (125⋅) .

В формуле Td850 - температура точки росы на 850 гПа, TT - Total Totals индекс, F850 - скорость ветра на 850 гПа, F500 - скорость ветра на 500 гПа, D500 и D850 - направление ветра на соответствующих поверхностях.

В формуле:
- Температура воздуха дана в градусах Цельсия;
- Скорость ветра - в м/с;
- Направление ветра - в градусах;
- Второй член уравнения установить в 0, если TT ≤ 49;
- Последнее слагаемое в формуле будет равно нулю, если не выполняется любое из следующих условий:
- D850 в диапазоне от 130 до 250 градусов;
- D500 в диапазоне от 210 до 310 градусов;
- Разность в направлении ветра (D500 - D850) положительна;
- F850 и F500 скорости ветра ≤ 7 м/с.

SWEAT SWEAT 250-350 - есть условия для сильных гроз, града и шквалов;
SWEAT 350-500 - есть условия для очень сильных гроз, крупного града, сильных шквалов, смерчей;
SWEAT ≥ 500 - условия для очень сильных гроз, крупного града, сильных шквалов, сильных смерчей.

Li - Lifted index

Li - Разница температур окружающего воздуха и некоторого единичного объёма, поднявшегося [адиабатически] от поверхности земли (или с заданного уровня) до уровня 500 гПа. Li рассчитывается с учётом вовлечения окружающего воздуха.

Li - характеризует термическую стратификацию атмосферы по отношению к вертикальным перемещениям воздуха. Если значения Li положительные, то атмосфера (в соответствующем слое) устойчива. Если значения Li отрицательные - атмосфера неустойчива.

Индексы неустойчивости: калькулятор, карты .
Учебное пособие по CAPE, CIN и Lifted index .
Торнадо по шкале Фуджиты . Скорость ветра и характеристики разрушений.

Для прогноза гроз, ливневых осадков и других явлений, связанных с развитием мощной кучевой и кучево- дождевой облачности, Н.В. Лебедева предложила по данным утреннего зондирования атмосферы рассчитывать параметры конвекции, по которым и определяется возможность возникновения тех или иных конвективных явлений. К таким параметрам относятся:

1) Суммарный дефицит температуры точки росы на уровнях 850,700 и 500 гПа (ΣD,°С). Этот параметр косвенно учитывает влияние вовлечения и характеризует возможность образования облачности в слое 850-500 гПа. Если ΣD>25°С, то дальнейшие расчеты не производятся, так как при большой сухости воздуха в нижней половине тропосферы конвекция не приводит к образованию кучево-дождевых облаков. Если же ΣD≤25°С, то рассчитывается второй параметр.

2) Дефицит температуры точки росы у земли или на верхней границе приземной инверсии на момент максимального развития конвекции (Dо, °С) . Если Dо>20°С, то уровень конденсации расположен на высоте более 2,5 км, следовательно, осадки не будут достигать поверхности земли, и дальнейшие расчеты не производятся. При такой высоте уровня конденсации, а следовательно, и высоте нижней границы облаков, капля дождя по пути к земле успеет полностью испариться. Если же уровень конденсации расположен ниже 2 км и для возникновения конвекции существуют благоприятные условия, то в этом случае следует определять все остальные параметры.

3) Толщина конвективно-неустойчивого слоя (КНС) – (ΔНкнс, гПа). Каждая частица этого слоя будет участвовать в конвекции до больших высот. Чем больше толщина КНС, тем больше вероятность образования кучево-дождевой облачности, тем больше вероятность развития грозовой деятельности (толщину КНС определяется по аэрологической диаграмме).

4) Уровень конденсации (Нконд., км). Уровень конденсации указывает среднее положение высоты нижней границы кучево-дождевой облачности. Определение уровня конденсации также производится по аэрологической диаграмме.

5) Уровень конвекции (Нконв., км). Уровень конвекции позволяет определить среднее положение вершин кучево-дождевых облаков. Совершенно очевидно, что чем выше этот уровень, тем более мощными должны быть «грозовые» облака.

6) Температура воздуха на уровне конвекции (Тконв, °С). Установлено, что чем ниже эта температура, тем более вероятны ливни и грозы.

7) Средняя величина отклонения температуры на кривой состояния (Т") от температуры на кривой стратификации (Т). Это отклонение обозначается ΔТ и определяется по формуле:

Где: Т" и Т – температуры на кривой состояния и кривой стратификации, соответственно на уровнях, кратных 100 гПа, n – число целых слоев толщиной по 100 гПа, начиная от уровня конденсации и до уровня конвекции.

Совершенно очевидно, что чем больше ΔТ, тем больше степень неустойчивости воздуха, а следовательно, тем интенсивнее может развиваться конвекция.

8) Средняя вертикальная мощность конвективных облаков (ΔНк.о,км). Эта величина определяется как разность высот уровня конвекции и уровня конденсации. Чем больше эта величина, тем более вероятно возникновение конвективных явлений и тем больше их интенсивность.

По результатам расчета указанных восьми параметров конвекции в соответствии с табл. 1 Н.В. Лебедева предлагает оценивать возможность возникновения конвективных явлений.

Оправдываемость прогноза наличия гроз по методу Н.В. Лебедевой составляет 80%, а их отсутствия – 89%.

Параметры конвекции и соответствующие им конвективные явления (по Н.В.Лебедевой)

∑D(850-500),°C	(Tmax-Tdmax),°C	ΔΗ кнс, гПа	Нконд, км	Нконв, км	Tконв,°C	ΔT°C	ΔH,км	Конвективные явления
>25	>20	-	-	-	-	-	-	Развитие конвекции не ожидается
≤25	≤16	>10	≈1.5	≥6	<-22.5	>4	≈4.5	Слабый ливневой дождь, возможна гроза или сухая гроза
≤20	≤14	>20	≈1.5	>5	-22.5<Т<-10	≥3	>3.5	Слабый ливневой дождь без грозы
≤20	≤14	>30	≈1.5	≥8	<-22.5	≥3	>6.5	Ливневой дождь, местами грозы
≤16	≈10	>60-100	1.5>Н>1.0	>8	<-22.5	≥3	≥7.5	Сильный ливневой дождь и грозы
≈16	≈10	-	1.5>Н>1.0	>8	<-22.5	>3	≥7.5	Град

Использование: во всех областях человеческой деятельности, где важно заблаговременно знать о возникновении таких ситуаций, которые сопровождаются нанесением значительного материального ущерба. Сущность: измеряют в различных точках атмосферы значения атмосферного давления температуры и влажности воздуха. Определяют по ним значения максимальной вертикальной конвективной скорости воздуха и вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения на уровне 850 гПа. Дополнительно измеряют амплитуду суточного хода вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа. Прогноз стихийных конвективных явлений дают при выполнении заданного условия. Технический результат: повышение достоверности прогнозирования любого из известных типов стихийных конвективных гидрометеорологических явлений или их совокупности.

Изобретение относится к метеорологии, а точнее к способам предсказания таких опасных и стихийных конвективных гидрометеорологических явлений (ливни, град, шквалы) в конкретных районах земного шара, которые разрабатываются на основе учета данных о значениях метеопараметров в предшествующие сутки и наиболее эффективно оно может быть использовано во всех областях человеческой деятельности, где важно заблаговременно знать о возможности возникновения таких ситуаций, которые сопровождаются нанесением значительного материального ущерба. Известен способ прогноза стихийных конвективных гидрометеорологических явлений, заключающийся в измерении в различных точках атмосферы значений атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, по которым определяют значение максимальной вертикальной конвективной скорости воздуха (Руководство по краткосрочным прогнозам погоды. Часть 1. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, с. 444-448). Недостатком известного способа является ограниченность применения только для прогноза одного из опасных конвективных явлений, а именно града. Из известных наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ прогноза стихийных конвективных гидрометеорологических явлений, заключающийся в измерении в различных точках атмосферы значений атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, по которым определяют значение максимальной вертикальной конвективной скорости воздуха и вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения на уровне 850 гПа (Руководство по диагнозу и прогнозу опасных и особо опасных осадков, града и шквалов по данным метеорологических радиолокаторов и искусственных спутников Земли. / Н.И. Глушкова, В.Ф. Лапчева. М.: Росгидромет, 1996, с. 112-113). Недостатком известного способа является ограниченность применения только для прогноза одного из типов опасных конвективных явлений, а именно ливней. Вследствие этого достоверность прогнозирования других опасных конвективных явлений (град, шквалы), которые в ряде случаев наблюдаются одновременно с ливнями, оказывается не высокой. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности прогнозирования любого из известных типов стихийных конвективных гидрометеорологических явлений или их совокупности. Указанный технический результат достигается тем, что в способе прогноза стихийных конвективных гидрометеорологических явлений, включающем измерение в различных точках атмосферы значений атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, определение по ним значения максимальной вертикальной конвективной скорости воздуха и вертикальной скорости крупномасшатбного упорядоченного движения на уровне 850 гПа, согласно изобретению дополнительно измеряют амплитуду суточного хода вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа, а прогноз стихийных конвективных явлений дают при выполнении условия

Где: c 1 , c 2 , c 3 , c 4 - эмпирические коэффициенты, значения которых для теплого периода года составляют, например: c 1 = 2(с/м), c 2 = -0,52 (12 ч/гПа), c 3 = -0,16 (12 ч/гПА), c 4 = -90; W m - значение максимальной вертикальной конвективной скорости (м/с); 850 - значение вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа (гПа/12 ч); 850 - значение амплитуды суточного хода вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа (гПа/12 ч). Предлагаемое техническое решение соответствует условиям патентоспособности "Новизна", "Изобретательский уровень" и "Промышленная применимость", т. к. заявленная совокупность признаков: измерение в различных точках атмосферы значений атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, определение по ним значения максимальной вертикальной конвективной скорости воздуха и вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения на уровне 850 гПа, дополнительное измерение амплитуды суточного хода вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа и прогнозирование стихийных конвективных явлений при выполнении условия

C 1 W m +c 2 850 +c 3 850 +c 4 0,

Где: c 1 , c 2 , c 3 , c 4 - эмпирические коэффициенты, значения которых для теплого периода года составляют, например: c 1 = 2 (с/м), c 2 = -0,52 (12 ч/гПА), c 3 = -0,16 (12 ч/гПА), c 4 = -90; W m - значение максимальной вертикальной конвективной скорости (м/с); 850 - значение вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа (гПа/12 ч); 850 - значение амплитуды суточного хода вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа (гПа/12 ч) обеспечивает достижение неочевидного результата; повышение достоверности прогнозирования любого из известных типов стихийных конвективных гидрометеорологических явлений или их совокупности. Предлагаемый в настоящем изобретении способ прогноза стихийных конвективных гидрометеорологических явлений может быть использован во всех областях человеческой деятельности, где важно заблаговременно знать о возможности возникновения таких ситуаций, которые сопровождаются нанесением значительного материального ущерба.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ прогноза стихийных конвективных гидрометеорологических явлений теплого полугодия, заключающийся в измерении в различных точках атмосферы, значений атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, по которым определяют значение максимальной вертикальной конвективной скорости воздуха и вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения на уровне 850 гПа, отличающийся тем, что дополнительно измеряют амплитуду суточного хода вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа, а прогноз стихийных конвективных явлений дают при выполнении условия

C 1 W m +c 2 850 +c 3 850 +c 4