В прогнозе погоды за человеком всегда остается последнее слово
физика
Летние конвективные явления в атмосфере, достигшие крайней степени, — сильнейшие грозовые ливни, шквалы, смерчи, град и их сочетания, — сопровождаются выделением гигантской энергии, имеют взрывной характер возникновения и наносят огромный ущерб людям. К счастью, катастрофическая погода в одной и той же местности повторяется редко — но это не отменяет необходимости прогнозирования атмосферных явлений экстремальной силы. Пока предсказывать опасные летние конвективные явления с приемлемой точностью не научились ни в России, ни за рубежом. Они плохо изучены даже статистически — требуется обработка гигантских объемов информации, особенно когда речь идет о катастрофической погоде. Необходимо и совершенствование математических моделей, и убедительная верификация расчетов.
Фото: Александр Костенко
База современных прогнозов погоды — это численные гидродинамические модели, данные которых выдаются прогнозисту-синоптику к моменту составления прогноза для дальнейшей обработки, осмысления, сравнения результатов прогноза по различным моделям и выбора из них оптимальных. И последнее слово в любом прогнозе погоды, особенно опасного явления, остается всегда за синоптиком-прогнозистом, поэтому гидродинамические прогнозы, автоматизированные прогнозы опасных конвективных явлений, радиолокационные и спутниковые данные, другая метеорологическая информация — всего лишь вспомогательный материал.
Рис 01. Карты прогнозов осадков: Прогностические карты количества осадков правильно отражают синоптическую ситуацию, что подтверждается синхронным снимком облачности с искусственного спутника Земли. С меньшей заблаговременностью (за 12 часов) точнее прогнозируется интенсивность процесса развития зон активной конвекции, что выражается в прогнозировании сильных ливневых осадков (>= 50 мм осадков за 12 часов, местами >= 70 мм за 12 часов).
Прогнозы численных гидродинамических моделей основаны на приблизительном решении многочисленных уравнений математической физики. Главным образом они касаются гидродинамики нижних 20-30 км атмосферы; притока и переноса солнечной и тепловой энергии, влаги, количества движения; физики 20-30 м почвы; влияния сложного рельефа, растительности, водных объектов и т.д. Неточности решений уравнений в моделях усугубляются неточностями фактических измерений начальных и граничных условий.
Главная проблема в прогнозе катастрофических летних конвективных явлений — точное место их возникновения. Синоптик должен в реальном времени анализировать спутниковые снимки и данные радиолокации. Они позволяют определить вид кучевой облачности, высоту вершины облака, скорость смещения облаков и другие параметры. Так появляется оперативный прогноз (наукастинг), и если конвективное явление определяется как катастрофическое, выпускается штормовое предупреждение.
Конечно, штормовые предупреждения иногда оказываются ложной тревогой — но гораздо чаще метеорологической службе просто не удается зафиксировать явление экстремальной силы: оно проходит мимо населенных пунктов.
Радиолокационное предупреждение о грозах выдается за 1-2 часа, но возможно их прогнозирование и за 3-6 часов до возникновения — на основе данных базовой мезомасштабной модели (охватывает несколько сот километров по горизонтали и около 10 км по вертикали) Гидрометцентра России. В концептуальной физико-статистической модели наряду с расчетом осадков при прогнозе грозы учитывается система ветров у земли в слое до 6 км, перегрев поднимающейся от земли воздушной частицы по отношению к окружающему воздуху в слое 3-6 км, степень потери этого перегрева от смешивания частицы и холодного сухого воздуха ее окружения.
Рис. 02 Распределение силы шквала: Прогностическая карта сильных шквалов на 13 июня 2010 г. в Центральном федеральном округе России. Холодный атмосферный фронт, в одночасье сбивший жару тропической воздушной массы (абсолютные максимумы температуры 31-35°C), вызвал грозы, шквалы и местами град. В Павловском Посаде порыв юго-западного ветра достиг 24 м/с, в Черустях — 20 м/с, в Волоколамске и Коломне — 18 м/с. Ветер валил деревья, в Люберцах упал башенный кран, погиб человек. Во Владимирской области, куда фронт пришел поздно вечером, мужчину насмерть придавило упавшее дерево, в Коврове женщину убила сорвавшаяся крыша автобусной остановки. В Нижегородской области из-за грозы без света осталось более 1274 населенных пункта с населением 246550 жителей. Таким образом, прогноз сильных шквалов подтверждается фактическими данными о них.
Самое трудное для прогноза атмосферное явление — смерч. В настоящее время с достаточной заблаговременностью можно говорить лишь, что прогнозируются условия, благоприятные для возникновения смерчей. Уточняется такой прогноз на основе доплеровской радиолокации.
Все новые методы прогноза проходят в России проверку в оперативном режиме. Рекомендацию о внедрении методов на практике дает, основываясь на результатах оперативных испытаний, Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета. Это позволяет синоптикам-прогнозистам опираться на выверенные данные.
Но еще раз необходимо отметить, что над решением проблемы — точного прогноза опасных летних конвективных явлений — трудятся метеорологи всего мира. Особую надежду в решении данной проблемы они возлагают на развитие мезомасштабных моделей и совершенствование наукастинга на основе использования данных доплеровских локаторов и цифровой спутниковой информации высокого пространственного разрешения. На наш взгляд, необходимо и дополнительное исследование физических процессов образования таких явлений.