XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Радиолокационные методы наблюдения за окружающей средой основаны на регистрации радиосигналов, отраженных от атмосферных неоднородностей (туманы, осадки, скопления аэрозолей, зоны турбулентных возмущений воздуха и др.). Анализ параметров полученных радиолокационных данных позволяет быстро оценить координаты и протяженность атмосферных объектов, а кроме того - некоторые их физические характеристики. Наиболее современные локаторы - доплеровские (ДМРЛ), - позволяют не только анализировать облачность и её структуру, но также определять скорость и направление смещения воздушных масс, облаков и отдельных элементов в самом облаке.

Целью данной работы является анализ мезомасштабных конвективных систем в теплый период по данным доплеровского метеорологического радиолокатора, установленного в Пулково Санкт-Петербурга. Поиск и идентификация систем выполнялся по характерным визуальным особенностям, присущим различным типам мезомасштабных систем на радиолокационных обзорах. Для каждого типа систем были измерены следующие радиолокационные характеристики: радиолокационная отражаемость на пяти уровнях, высота максимальной отражаемости, интенсивность осадков.

Типы мезомасштабных систем на радиолокационном обзоре

В работе был выполнен поиск по радиолокационным обзорам следующих мезомасштабных систем: «Hook echo», «Bow echo» и «Line echo wave» [1].

«Hook echo» — конвективный шторм, имеющий форму крючка на радаре - рисунок. 1. Зона, свободная от радиоэха (вогнутая часть), соответствует зоне притока воздуха. Области с высокой отражательной способностью (красный и розовый цвет) соответствуют интенсивным осадкам и крупному граду. В таких системах возможен мезоциклон и суперячейка. Образование воронки, которая не достигает поверхности, или торнадо наиболее вероятно в самом конце "запятой". Если построить вертикальный профиль радиоэха, то на полученном разрезе можно увидеть такую особенность суперячейки, которая называется «Bounded weak echo region» (BWER) – ограниченная область слабого радиоэха – рисунок 2. Частичное или полное отсутствие отражённого сигнала в нижней и средней тропосфере в этом месте объясняется тем, что мощные потоки воздуха выносят частицы (капли, пыль) в более верхние слои, прежде чем они увеличатся до таких размеров, когда станут видимыми на радаре.

Рисунок 1. Суперячейка с выраженным Hook echo возле Birmingham, штат Алабама, 27 апреля 2011 г.	Рисунок 2 Схематическое представление области слабого радиоэха в разрезе суперячейки по линии АВ

BWER обычно прослеживается на высотах от 3 до 10 км и имеет несколько км в поперечнике. Выше области BWER находится зона интенсивного радиоэха, называемая «Нависание» (Overhang), которая как бы нависает над «пустой» зоной.

Ещё одна особенность суперячейки - наличие «V-notch» V-выемки -рисунок 3. Отражаемость подобной формы указывает на расхождение основных потоков в грозовой системе вокруг одного мощного восходящего потока.

Рисунок 3 V-выемка на радарных снимках.

2. Дугообразная долгоживущая система (ДДС) или Bow echo (эхо-лук) – дугообразное изображение на радаре, наблюдаемое в структуре линейных гроз (на линиях шквала, либо как элемент внутри мезомасштабной конвективной системы – МКС) – рисунок 4. Прохождение такого шторма сопровождается почти всегда сильными шквалами, крупным градом, иногда возникают отдельные торнадо. Горизонтальные размеры ДДС составляют 50–200 км, а продолжительность существования от 2 до 6 часов. На заключительном этапе существовании Bow-echo может эволюционировать в  «comma echo» (эхо-запятую).

Рисунок 4 Радарное изображение шторма по типу «лук эхо», а также процесс его эволюции с дальнейшим переходом в «comma echo».

3. Линейное радиоэхо волнообразной структуры - Line echo wave pattern (LEWP) – довольно редкий тип конвективных систем на радиолокационном обзоре, который создаётся целым комплексом или системой связанных между собой ДДС – рисунок 5. По сути, это линия шквалов (squall line), в которой разные её части смещаются с различной скоростью, что формирует волновую структуру

Рисунок 5 Радарное изображение (слева) и схематическое представление (справа) линейного эха волнообразной структуры.

Мезомасштабных конвективные системы в Ленинградской области

По данным ДМРЛ, установленного в Пулково, был выполнен поиск и идентификация конвективных мезомасштабных систем. Массив радиолокационных обзоров содержал три летний месяца с 10ти-минутным интервалом. Пространственное разрешение 4 км, радиус обзора 200 км.

В Ленинградской области за теплый период наблюдалось 4 системы по типу «Эхо – крючок», 6 систем по типу «Эхо – лук» и 5 систем линейного типа. Для каждой системы исследованы отражаемость в пяти слоях, максимальная высота радиоэха и интенсивность осадков, построены вертикальные разрезы. Далее рассмотрены наиболее типичные примеры подобных систем.

Пример системы «Эхо – крючок» представлен на рисунке 6. Система наблюдалась 16 мая, продолжительность явления составила 17:06-20:26, время жизни около 5 часов, смещалась на север со скоростью 50 км/ч. Грозы с большой вероятностью наблюдались в восточной части от локатора.

Рисунок 6 Радиолокационный обзор и его юго-восточный фрагмент с грозой в 19:36 16 мая. Справа внизу - вертикальное сечение в области возникновения грозы

Гроза сопровождается сильным ливнем, что видно на вертикальном сечении (см. рисунок 6). Интенсивность осадков достигала 20,9 мм/ч. Максимальная отражаемость в пяти слоях от 0 до 5 км составляла 43 дБZ - рисунок 7. Максимальная высота радиоэха 11,5 км.

Рисунок 7 Срезы радиолокационной отражаемости по высотам от 0 до 5 км 16 мая.

Рисунок 8 Интенсивность осадков 16 мая

Особенность системы типа V – Выемка была зафиксирована 22 Мая с 13:06 до 14:06 – рисунок 9. В период существования данного явления смещения не наблюдалось. Вероятность грозы в некоторых местах будет максимально высокая, сопровождается умеренным ливнем и слабым градом.

Рисунок 9 Радиолокационный обзор и его южный фрагмент с V – выемкой 22 мая в 13:26.

Явление типа «Эхо – лук» наблюдалось 7 Мая, продолжительность явления: 00:06 – 3:06 – рисунок 10.

Рисунок 10 Радиолокационный обзор с явлением Эхо-лук 7 мая в 13:26.

Длительность всего явления 3 часа, смещается на северо-восток, ветер во время смещения в среднем 50 км/ч. Грозы с большой вероятностью будут в юго-восточной части от локатора. Максимальная отражаемость в слоях от 0 до 5 км составлялап 41 дВZ – рисунок 11. Максимальная интенсивность осадков 15,9 мм/ч. Максимальная высота радиоэха 10 км.

Рисунок 11 Срезы радиолокационной отражаемости по высотам от 0 до 5 км.

Пример системы типа Линейного эхо представлен на рисунке 12, продолжительность явления: 09:36 – 11:06. Длительность всего явления 1,5 часа, смещается на северо-восток, ветер во время смещения явления в среднем 70 км/ч. Максимальная отражаемость в слоях от 0 до 5 км будет 45 дВZ – рисунок 12. Максимальная высота радиоэха составляет 7,5 км, интенсивность осадков до 24,9 мм/ч.

Рисунок 12 Радиолокационный обзор с явлением типа Линейного эхо и фрагмент вертикального сечения 18 мая.

Рисунок 13 Срезы радиолокационной отражаемости системы типа Линейного эхо по высотам от 0 до 5 км 18 мая.

Заключение

В Ленинградской области за теплый период года было обнаружено 15 мезомасштабных конвективных систем следующих типов «Эхо – крючок», «Эхо – лук» и систем линейного типа. Наиболее часто в атмосфере Санкт-Петербурга встречаемая конвективная мезомасштабная система – типа «Эхо-лук».

Большинство мезомасштабных конвективных систем наблюдаются в июне.

Для каждой системы исследованы отражаемость в пяти слоях, максимальная высота радиоэха и интенсивность осадков.

Литература

Haberlie, Alex M.; У. Эшли (2019). «Климатология мезомасштабных конвективных систем на основе радиолокации в США».

Код для цитирования: Скопировать