Условия образования замерзающих осадков в Европейской

Условия образования замерзающих осадков
в Европейской России
и катастрофический гололед в декабре 2010 г.
Н.П. Шакина*, И.А. Хоменко**, А.Р. Иванова*,
Е.Н. Скриптунова*
* ФГБУ «Гидрометцентр России», Москва, Россия
** Государственный экологический университет, Одесса, Украина
Международная конференция, посвященная памяти академика А. М. Обухова
ТУРБУЛЕНТНОСТЬ, ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ И КЛИМАТА 13-16 мая 2013 года
Замерзающие осадки (гололед) образуются при выпадении
переохлажденных капель дождя или мороси на
поверхности, имеющие отрицательную температуру.
Это явление наблюдается всюду в умеренных и высоких
широтах обоих полушарий. Климатология замерзающих
осадков лучше всего изучены в США, где они отмечаются
в 24% всех наблюдений зимней штормовой погоды, и в
Канаде.
В России распределение замерзающих осадков изучается
по толщине ледяных отложений, наличие их отмечается в
сводках погоды. Работ в этом направлении довольно мало.
В последнее время более детальные результаты по
отдельным пунктам получены по данным наблюдений на
аэродромах (дискретность 30 мин либо 1 ч).
Замерзающие осадки, образующие гололед - редкое явление
Салехард
0.2
Мурманск
Согласно
данным
наблюдений
на
45
аэродромах Европейской
России,
повторяемость
замерзающих
осадков
максимальна с ноября по
февраль и составляет в
максимуме 1.0-4.8%. Чаще
всего они наблюдаются в
Минеральных Водах ( в
связи с особенностями
рельефа)
Архангельск
0.2
Сыктывкар
2.9
Таллинн
Рига
Санкт-Петербург
0.6
0.2
0.2
Н.Новгород Нижнекамск
1.7
Уфа
Шереметьево1.4
Вильнюс
0.8
Казань 0.7 1.1
1.9
Внуково
1.0
1.4
0.4
Минск
Домодедово
Самара
Ульяновск
1.5
0.5
Брест 0.6
Гомель
Саратов
1.0
Воронеж
Львов
1.6
3.3
Киев 1.5
0.8
1.9 Харьков Волгоград
2.8
Днепропетровск1.1
Луганск
Кривой Рог0.7
1.5
2.2
Донецк
Ростов-на-Дону
Кишинев 1.2 Запорожье
0.3
Одесса
1.3
2.5
3.3
Астрахань
1.4
Краснодар Ставрополь
Симферополь Анапа0.7 4.1 1.8
0.8 Мин. Воды1.8Нальчик
Махачкала
0.2
Сочи
Географическое распределение повторяемости (%) замерзающих осадков в январе.
«Классический» механизм образования
замерзающих осадков
Внутри облака имеется слой с положительной температурой («теплый нос»). Снежинки,
выпадающие из верхней, холодной части облака, тают в теплом слое, превращаясь в капли.
Выпадая затем в приземный холодный (Т<0 С) воздух, они становятся переохлажденными каплями
и замерзают, падая на холодную подстилающую поверхность.
В реальных условиях
при замерзающих осадках обычно имеется слой
инверсии температуры, но он не является теплым
6
Максимальная температура в облаке, С
4
3
2
maximum cloud temperature, C
1
0
-1
-2
-3
-4
4
2
0
-2
-4
-6
-5
-8
-6
-7
-10
-8
-10
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
surface temperature, C
-1
0
-8
-6
-4
-2
0
Температура на поверхности, C
Мин.Воды
Москва
В большинстве случаев замерзающие осадки выпадают из полностью холодных
облаков
В случае наличия теплого слоя переохлажденный дождь выпадает чаще, чем
при его отсутствии
Bochieri (1980) предложил альтернативный механизм:
- замерзающие осадки могут формироваться в результате
столкновения и слипания облачных (переохлажденных)
капель при слабо отрицательной температуре. Эта
гипотеза привлекла внимание в связи с обледенением
самолетов: из облаков с отрицательной температурой
выпадает переохлажденная морось, а именно она опасна
для самолетов, вызывая быстрое отложение льда.
Рассмотрим случай катастрофического гололеда в
декабре 2010 г. по данным аэродромных наблюдений и
радиозондирования. Замерзающий дождь выпадал из
облачной системы южного циклона, почти одновременно
в Московской, Cмоленской, Тверской, Владимирской и
Нижегородской областях.
Вертикальные профили температуры для условий выпадения замерзающих осадков:
Радиозонды в Смоленске и в Москве обнаруживают теплый слой, и можно полагать,
что реализуется «классический механизм». В Нижнем Новгороде слой инверсии
имеется, но температура всюду отрицательна.
Осадки в Москве (Внуково)
дни, часы
25 декабря 2010 г.
26 декабря 2010 г.
0
90
0 1 22 3 44 5 66 7 88 91010 11
42 432244 45 46 47
1212 13
1414 15
1616 17
1818 19
20 20 21
22 22 23
0 24 25
2 26 427 28629 308 31 321033 34
1235 36
1437 38
1639 40
1841 20
85
85
-1
ливневой
снег
80
75
температура, С
-2
слабы й замерзаю щий
дождь
-3
66 66 66 66 66 66 66
слабая замерзаю щая
морось
-4
56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56
-5
-6
слабы й замерзаю щий
дождь
66 66 66 66 66
слабая
замерзаю щая
морось
56 56
слабая
замерзаю щая
морось
56 56
49 49 49
туман с
осаждением
изморози
70
65
66 66 66 66
слабая
замерзаю щая
морось
слабая
замерзаю щая
морось
60
57 57 57 57
55
56 56 56 56 56 56 56
сильная
замерзаю щая
морось
50
56 56
45
40
Температура воздуха отрицательна и растет от -6 до -1 С, затем остается почти
постоянной в течение более чем 9 ч (приближение теплого фронта и теплый сектор),
затем снова понижается.
Осадки в Нижнем Новгороде
часы
00
1
2
42
3
6
48
5
10
612
714
8
16
918
10
20
11
22 12
24 1326 1428 1530 16 32 1734 1836 1938 20 40 2142 2244 2346
48
-7
90
слабы й или умеренны й
непреры вны й
снег
-8
71
73
71
73 73
слабы й
непреры вны й
снег
71 71 71 71 71 71 71
снежны е зерна
77 77 77 77 77 77 77
73
71 71 71 71
слабая замерзаю щая
морось
температура, С
умеренны й и сильны й
80
непреры вны й
снег
75 75
73 73
75 75
70
67 67 67 67 67 67
сильны й замерзаю щий
дождь
60
56 56 56 56 56 56 56 56 56 56
50
-9
40
30
-10
20
ды мка
10
10 10
-11
0
Температура более низкая. Замерзающие осадки (слабая морось и сильный дождь) с
9.30 до 14.00 и с 18.00 до 20.30 ВСВ. Теплый воздух над фронтальной инверсией имеет
теперь Т<0 C.
Магистральным направлением прогнозирования замерзающих осадков является
определение типа ожидаемых осадков (снег, мокрый снег, замерзающие дождь или
морось, обычный дождь) с помощью алгоритмов, основанных на нахождении
теплых слоев над квадратом модельной сетки. Успешность прогноза замерзающих
осадков этим путем пока невысока.
Следует иметь в виду, что капли, выпадающие в данном квадрате сетки, бывают
принесены из соседних квадратов с другой стратификацией.
Пример: теплая несущая полоса (warm conveyor belt) – основной поставщик тепла и
влаги в циклоне.
Разрез «теплой несущей полосы» по осевой линии
км
-4
4
-4
0
3
0
0
2
+4
1 -4
+4
-8
0
поверхность теплого фронта
линии тока частиц
изотермы (град С)
По мере подъема воздух охлаждается вследствие расширения и трансформации,
облачные капли и капли осадков выносятся из «теплого носа» в воздух с
отрицательной температурой., здесь они переохлаждаются и выпадают в виде
замерзающего дождя или замерзающей мороси.
Заключение
Условия «классического механизма» (теплый слой внутри облака над
пунктом, регистрирующим замерзающие осадки) реализуются тем реже,
чем дальше к северу и востоку находится станция.
На примере катастрофического гололеда в декабре 2010 г. показано, что
длительные интенсивные замерзающие осадки выпадают как при наличии,
так и в отсутствие теплых слоев в облаке над пунктом наблюдений.
Низкая успешность алгоритмов распознавания переохлажденных осадков,
возможно, связана с «одномерным» представлением об их формировании.
Поскольку трехмерные траектории частиц воздуха и осадков во
фронтальных облачных системах включают интенсивный горизонтальный
перенос, - замерзающие осадки, выпадающие в данном пункте, возможно,
испытали влияние теплого слоя на более раннем участке своей траектории.
Учет этого эффекта в численных моделях может улучшить ситуацию.
Спасибо за внимание!