Карты прогноза параметров конвекции и опасных конвективных явлений

001	002	003	004	005	006	007	008	009	010	011	012	013	014	015	016	017	018	019	020	021	022	023	024	025	026	027	028	029	030	031	032	033	034	035	036	037	038	039	040	041	042	043	044	045
046	047	048	049	050	051	052	053	054	055	056	057	058	059	060	061	062	063	064	065	066	067	068	069	070	071	072

Лапласиан приведенного атмосферного давления(Sea Level Pressure, SLP)

Лапласиан SLP - оператор Лапласа для поля приведенного давления. В контексте нашего исследования наиболее существенно то, что положительные значения Лапласиана определяют сходимость потоков и способствуют возникновению масштабных восходящих движений в нижней тропосфере, благоприятных для образования конвективных явлений.

Удельная влажность

Удельная влажность - масса водяного пара в граммах на килограмм увлажнённого воздуха [г/кг], то есть отношение масс водяного пара и увлажнённого воздуха. Чем выше удельная влажность воздуха, тем быстрее поднимающаяся частица насыщается, тем ниже нижняя граница конвективной облачности, и тем быстрее она развивается при прогреве.

Температурная адвекция на изобарическом уровне 850 гПа

Положительная адвекция тепла на этом уровне способствует генерации и развитию мощных конвективных штормов.

Конвергенция влаги

Сходимость потоков влажного воздуха способствует интенсификации процессов образования кучево-дождевой облачности и формированию мезомасштабной организации конвективных штормов (вдоль линий или вблизи очагов положительных значений конвергенции).

Скорость и направление ветра по разным уровням

Ветер по разным уровням - сдвиг и усиление ветра с высотой могут существенно усилить конвекцию даже при изначально неблагоприятных условиях(слабой неустойчивости) и входят в уравнения ряда конвективных индексов

Точка росы на высоте 2 м от поверхности

Точка росы - температура, при которой содержащаяся в воздухе влага начнет конденсироваться. Чем выше точка росы, тем быстрее поднимающаяся частица насыщается, тем ниже нижняя граница конвективной облачности, и тем быстрее она развивается при прогреве.

Convective Available Potential Energy (CAPE)

CAPE – доступная конвективная потенциальная энергия представляет собой количество энергии плавучести, доступной для ускорения частицы воздуха по вертикали или количество работы, совершающей частицей воздуха при подъёме. Используется для прогнозирования грозовой деятельности и конвективных явлений. САРЕ  - это положительная область на диаграмме между линией влажной адиабаты и кривой состояния воздуха от уровня свободной  конвекции до уровня выравнивания температуры. САРЕ измеряется в Джоулях на кг воздуха и рассчитывается по формуле:

z_f, z_n - высоты соответственно свободной конвекции и уровня выравнивания температур (нейтральная плавучесть);

Tν_parcel - виртуальная температура определённой частицы воздуха;

Тν_bnv - виртуальная температура окружающей среды;

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с²).

Когда частица неустойчива (её тем-ра выше окружающей среды), она будет продолжать подниматься вверх, пока не достигнет устойчивого слоя (хотя импульс, сила тяжести и другие силы могут заставить частицу продолжать двигаться). Существуют разнообразные типы САРЕ: САРЕ нисходящего потока (DCAPE) – показывает потенциальную силу дождя и т.д.

- САРЕ ниже 0 – устойчивое состояние (грозы невозможны);

- САРЕ от 0 до 1000 – слабая неустойчивость (возможны грозы);

- САРЕ от 1000 до 2500 – умеренная неустойчивость (сильные грозы и ливни);

- САРЕ от 2500 до 3500 – сильная неустойчивость (очень сильные грозы, град, шквалы);

- САРЕ выше 3500 – взрывная конвекция (суперячейки, торнадо и т.п.).

Lifted index

Индекс плавучести (Li) является ещё одним показателем неустойчивости. Этот индекс рассчитывается по формуле:

Li = T500mb(окр.ср.) - Т500mb(част.),

то есть значение температуры воздушного слоя на уровне 500 гПа (около 5,5 км) минус значение температуры воздушной массы, поднятой в результате конвекции до уровня 500 гПа и вторгшейся в этот воздушный слой. Например, температура воздушного слоя на уровне 500 гПа равна -5°. Температура воздушной массы, которая из-за конвекции поднялась до уровня 500 гПа и вторглась в этот воздушный слой, составляет +3°. Отнимаем: -5—(+3)=-8. LI = -8. И тут ничего сложного нет. Если конвекция настолько бурная, что поднимающиеся воздушные массы просто не успевают охладиться сильнkее, чем окружающий их воздух, то тогда и возникают сильно отрицательные (-3 и ниже) значения LI, что служит "пищей" для сильных гроз. Отрицательные значения указывают на неустойчивость в атмосфере, они указывают на наличие сильных восходящих потоков, являющихся причиной гроз и сильных осадков. Напротив, при отсутствии конвекции слой воздуха на уровне 500 гПа однороден, и никаких атмосферных мини-катаклизмов не возникает. Этот показатель часто используется совместно с САРЕ для прогнозирования гроз. Однако при этом нужно обязательно учитывать влажность воздуха, т.к. одной конвекции недостаточно для возникновения грозы.

LI ≥ 4 – абсолютная устойчивость, вероятность грозы 0%;

LI 2…3 – возможны изолированные Cu cong., вероятность грозы 0 – 19%;

LI 1…2 – слабая конвекция (Cu cong.), вероятность гроз 19 – 32%;

LI 0...1 – возможны слабые ливни (отдельные Cb), вероятность грозы 32 – 45%;

LI 0...-1 – возможны слабые грозы, вероятность 45 – 58%;

LI -1…-2 – слабые грозы почти повсеместно, возможны шквалы, вероятность грозы 58 – 71%;

LI -2…-3 – вероятность гроз высока (71 – 84%), они могут быть умеренной с
#1080;лы;

LI -3…-4 – ожидаются сильные грозы (вероятность 84 – 100%), шквалы, возможен град;

LI -4…-5 – сильные грозы повсеместно, шквалы, град, глубокая конвекция;

LI -5…-6 – очень сильные грозы, формирование суперячеек, крупный град, возможны смерчи;

LI < -6 – «взрывная» конвекция, торнадо, наводнения, разрушительные шквалы, степень угрозы крайне высока;

Существует 2 разновидности индекса плавучести:

• Surfaced-based LI – данный индекс рассчитывается ежечасно, принимая, что частица поднимается от поверхности. Для его вычисления используется значение приземной влажности и температуры. Этот метод допустим для хорошо перемешанного почти сухоадиабатического пограничного слоя, где характеристики поверхности подобны тем, что наблюдаются в слое 50 – 100 мб.
• Best LI – самое низкое значение Li, вычисленное от поверхности земли до слоя 850 мб.

Lifted index

Индекс плавучести (Li) является ещё одним показателем неустойчивости. Этот индекс рассчитывается по формуле:

Li = T500mb(окр.ср.) - Т500mb(част.),

то есть значение температуры воздушного слоя на уровне 500 гПа (около 5,5 км) минус значение температуры воздушной массы, поднятой в результате конвекции до уровня 500 гПа и вторгшейся в этот воздушный слой. Например, температура воздушного слоя на уровне 500 гПа равна -5°. Температура воздушной массы, которая из-за конвекции поднялась до уровня 500 гПа и вторглась в этот воздушный слой, составляет +3°. Отнимаем: -5—(+3)=-8. LI = -8. И тут ничего сложного нет. Если конвекция настолько бурная, что поднимающиеся воздушные массы просто не успевают охладиться сильнkее, чем окружающий их воздух, то тогда и возникают сильно отрицательные (-3 и ниже) значения LI, что служит "пищей" для сильных гроз. Отрицательные значения указывают на неустойчивость в атмосфере, они указывают на наличие сильных восходящих потоков, являющихся причиной гроз и сильных осадков. Напротив, при отсутствии конвекции слой воздуха на уровне 500 гПа однороден, и никаких атмосферных мини-катаклизмов не возникает. Этот показатель часто используется совместно с САРЕ для прогнозирования гроз. Однако при этом нужно обязательно учитывать влажность воздуха, т.к. одной конвекции недостаточно для возникновения грозы.

LI ≥ 4 – абсолютная устойчивость, вероятность грозы 0%;

LI 2…3 – возможны изолированные Cu cong., вероятность грозы 0 – 19%;

LI 1…2 – слабая конвекция (Cu cong.), вероятность гроз 19 – 32%;

LI 0...1 – возможны слабые ливни (отдельные Cb), вероятность грозы 32 – 45%;

LI 0...-1 – возможны слабые грозы, вероятность 45 – 58%;

LI -1…-2 – слабые грозы почти повсеместно, возможны шквалы, вероятность грозы 58 – 71%;

LI -2…-3 – вероятность гроз высока (71 – 84%), они могут быть умеренной с
#1080;лы;

LI -3…-4 – ожидаются сильные грозы (вероятность 84 – 100%), шквалы, возможен град;

LI -4…-5 – сильные грозы повсеместно, шквалы, град, глубокая конвекция;

LI -5…-6 – очень сильные грозы, формирование суперячеек, крупный град, возможны смерчи;

LI < -6 – «взрывная» конвекция, торнадо, наводнения, разрушительные шквалы, степень угрозы крайне высока;

Существует 2 разновидности индекса плавучести:

• Surfaced-based LI – данный индекс рассчитывается ежечасно, принимая, что частица поднимается от поверхности. Для его вычисления используется значение приземной влажности и температуры. Этот метод допустим для хорошо перемешанного почти сухоадиабатического пограничного слоя, где характеристики поверхности подобны тем, что наблюдаются в слое 50 – 100 мб.
• Best LI – самое низкое значение Li, вычисленное от поверхности земли до слоя 850 мб.

Convective Available Potential Energy (CAPE)

CAPE – доступная конвективная потенциальная энергия представляет собой количество энергии плавучести, доступной для ускорения частицы воздуха по вертикали или количество работы, совершающей частицей воздуха при подъёме. Используется для прогнозирования грозовой деятельности и конвективных явлений. САРЕ  - это положительная область на диаграмме между линией влажной адиабаты и кривой состояния воздуха от уровня свободной  конвекции до уровня выравнивания температуры. САРЕ измеряется в Джоулях на кг воздуха и рассчитывается по формуле:

z_f, z_n - высоты соответственно свободной конвекции и уровня выравнивания температур (нейтральная плавучесть);

Tν_parcel - виртуальная температура определённой частицы воздуха;

Тν_bnv - виртуальная температура окружающей среды;

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с²).

Когда частица неустойчива (её тем-ра выше окружающей среды), она будет продолжать подниматься вверх, пока не достигнет устойчивого слоя (хотя импульс, сила тяжести и другие силы могут заставить частицу продолжать двигаться). Существуют разнообразные типы САРЕ: САРЕ нисходящего потока (DCAPE) – показывает потенциальную силу дождя и т.д.

- САРЕ ниже 0 – устойчивое состояние (грозы невозможны);

- САРЕ от 0 до 1000 – слабая неустойчивость (возможны грозы);

- САРЕ от 1000 до 2500 – умеренная неустойчивость (сильные грозы и ливни);

- САРЕ от 2500 до 3500 – сильная неустойчивость (очень сильные грозы, град, шквалы);

- САРЕ выше 3500 – взрывная конвекция (суперячейки, торнадо и т.п.).

Индекс сдвига ветра в нижнем слое (Low Level Shear)

Этот индекс показывает разницу между скоростью ветра у поверхности и на высоте 700 мб. Величина сдвига ветра в нижнем слое (0 – 3 км) является важной характеристикой для прогнозирования «дерешо» и «bow echoes”.

Если сдвиг меньше 11 м/с – слабый сдвиг, возникновение «bow echo» маловероятно;

Если сдвиг от 12 до 19 м/с – умеренный сдвиг («bow echo» вероятно вместе с разрушительными ветрами);

Если сдвиг больше 20 м/с – сильный сдвиг (100-процентное возникновение «bow echo» вместе с разрушительными ветрами, сохраняющимися на значительных высотах от поверхности).

Глубокий слой сдвига (DLS)

Определяется как величина векторного различия между вектором скорости ветра на высоте 450 мб и вектором ветра у поверхности земли. В качестве альтернативы можно использовать длину годографа в слое от 0 до 6 км. Сдвиг в этом слое используется для определения потенциала суперячейки. Однако это не очень хороший показатель для определения вращательного потенциала в нижнем слое.

• DLS: 35 – 39 kt – малый потенциал для развития суперячейки;
• DLS: > 40 kt – развитие суперячейки наиболее вероятно.

* Экспериментальный индекс мощных конвективных штормов SCS (Severe Convective Storm)

Комплексный тестируемый индекс, разработанный на основе комбинации индексов конвекции, наиболее результативных для прогноза мощных штормов. В индексе учтены важнейшие условия формирования мощной организованной конвекции, такие как: неустойчивость, сдвиг ветра, адвекция тепла, завихренность, специфические температурно-влажностные характеристики на различных уровнях.

Формула**: SCS = 0.083*scpsfc+0.667*ui+0.5*mcsi+0.0025*sweat+0.025*ti,

где:

scpsfc – индекс SCP, с использованием sfcCAPE,

ui – индекс Пескова,

mcsi – индекс MCS,

sweat – индекс SWEAT,

ti – индекс Томпсона.

Интерпретация значений индекса SCS:

• <1: развития мощных конвективных штормов (МКШ) не ожидается, местами возможны слабые грозы;
• 1…2:МКШ маловероятны (вероятность приблизительно 10-20%). Возможны умеренные грозы с отдельными неблагоприятными явлениями (НЯ);
• 2...3: небольшая вероятность МКШ (20-40%), условия для неблагоприятных конвективных явлений и гроз умеренной интенсивности;
• 3...4: средняя вероятность МКШ (40-60%), возможны комплексы неблагоприятных явлений (КНЯ), местами опасные явления (ОЯ);
• 4...5: большая вероятность развития МКШ (60 – 90%) и ОЯ;
• >5: очень высокая вероятность (>90%) развития доминирующих устойчивых МКШ (в радиусе примерно до 100-150 км от максимальных значений индекса), комплекса особо разрушительных опасных явлений.

Направление движения конвективных штормов

Карта может использоваться для оценки перемещения грозовых очагов и мезомасшабных конвективных систем. Показаны потоки только для значений индекса SCS>1.

Расчет основан на направлении потоков на уровнях 500 и 700 гПа.

* Автор индекса: Александр Спрыгин (метеоролог, Центральная аэрологическая обсерватория).

** В формуле возможны изменения по результатам тестирования.

KO index

KO-Index предназначен для определения конвективной неустойчивости воздушного слоя. Он представляет собой в конечном итоге средний вертикальный градиент эквивалентно-потенциальной (псевдопотенциальной) температуры и рассчитывается по следующей формуле:

 KO-Index = 0.5 · [ Te(700hPa) + Te(500hPa) ] - 0.5 · [ Te(1000hPa) + Te(850hPa) ],

 где  Te – значение эквивалентно-потенциальной тем-ры на определённой поверхности.

• KO-Index > 6: вероятность возникновения грозы нулевая;
• KO-Index от 2 до 6: возможно развитие слабых гроз;
• KO-Index < 2: значительная вероятность развития гроз.

Ti — Thompson index

Ещё один индекс, используемый для оценки силы грозы. При тестировании данного показателя на територии США, была получена хорошая связь между суровыми погодными условиями и Ti >40. Расчитывается по формуле:

Ti = Ki- Li, где

Ki — К-индекс, Li — Lifted index.

Ti < 25 — Без гроз.
TI 25 - 34 — Возможны грозы.
TI 35 - 39 — Грозы, местами сильные.
TI ≥ 40 — Сильные грозы.

Индекс Пескова

Согласно даному методу, гроза является возможной, если параметр u принимает положиетльные значения. Он рассчитывается по следующей формуле:

где (T^*-T)₆₀₀ - отклонение кривой состояния от кривой стратификации на уровне 600 гПа;

(T - T_d)₅₀₀ - дефицит точки росы на уровне 500 гПа;

 - лапласиан приземного давления, характеризующий приземную конвергенцию потоков, рассчитывается по 8 точкам, удалённых от центральной точки на 250 км;

|ΔV|300/700 - модуль разност #1080; векторов ветра на уровнях 700 и 300 гПа.

Критерий u может несколько меняться в зависимости от местных условий. Для прогноза по аэродрому и прилегающих районов используется критерий u > 0. В другом варианте метода гроза не даётся, если отклонение кривой состояния от кривой стратификации на уровне 500 гПа отрицательно, а при положительном отклонении - если сумма дефицитов точки росы на уровнях 700 и 500 гПа равно 25-30 °С (более точно эта величина находится по специальным графикам). Кривая состояния строится от максимальной температуры у земной поверхности, прогностическая кривая стратификации строится обычным способом.

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 влажность нижнего уровня тропосферы, степень неустойчивости, скорость ветра в средней и нижней тропосфере и адвекцию тёплого воздуха (отклонение тем-ры между уровнями 850 и 500 гПа). Поэтому данный показатель является попыткой совместить кинематические и термодинамические характеристики атмосферы в один индекс:

SWEAT = 12⋅Td850 + 20⋅(TT- 49) + 3,888⋅F850 + 1,944⋅F500 + (125⋅[sin(D500 - D850)+0,2]), где

- Td850 — температура точки росы на 850 гПа (в градусах Цельсия),

- TT — Total Totals индекс,

- F850 — скорость ветра на 850 гПа (в м/с), 

- F500 — скорость ветра на 500 гПа (в м/с), 

- D500 и D850 — направление ветра на соответствующих поверхностях (в градусах).

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 < 250 — нет условий для возникновения сильных гроз;
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.

MCS Index (Mesoscale Convective System Index)

Индекс MCS предназначен для прогнозирования Мезомасштабных конвективных систем. С помощью данного показателя выявляют районы, где складываются благоприятные условия для развития МКС и поддержания их в течение последующих 6 часов, при условии, что конвективным движениям не будет ничего препятствовать. Рассчитывается этот индекс следующим образом:

где каждый член в уравнении (индекс Li, сдвиг в слое 0-3 км и адвекция температуры на уровне 700 гПа) нормирован. Следует обратить внимание, что данный параметр имеет смысл, если имеются условия для развития конвекции (например, при Li < 0). Для расчёта индекса могут использоваться как фактические, так и прогностические данные необходимых параметров.

МКС индекс < -1,5	условия не благоприятны
-1,5 < Индекс МКС < 0	незначительные условия
0 < Индекс МКС < 3	благоприятные условия
Индекс МКС > 3	очень благоприятные условия

Композитный параметр суперячеек (supercell composite parameter, SCP)

Комплексный показатель прогноза важнейших условий для развития суперячейковых кучево-дождевых облаков (наиболее устойчивая и мощная форма облаков Cb, с которыми связаны многие опасные конвективные явления). В расчете используются нормированные значения энергии неустойчивости (используется 2 варианта параметра CAPE – sbCAPE или MU CAPE), сдвига ветра (в слое 0-6 км) и параметра завихренности в слое 0-3 км:

SCP (sfcCAPE/MU CAPE) =(sb CAPE(MU CAPE)/1000)*(DLS/20)*(SRH_3km/50)

Развитие суперячейковых кучево-дождевых облаков (суперячеек) ожидается при SCP>0 , вероятность их генерации пропорциональна значениям индекса.

Композитный параметр суперячеек (supercell composite parameter, SCP)

Комплексный показатель прогноза важнейших условий для развития суперячейковых кучево-дождевых облаков (наиболее устойчивая и мощная форма облаков Cb, с которыми связаны многие опасные конвективные явления). В расчете используются нормированные значения энергии неустойчивости (используется 2 варианта параметра CAPE – sbCAPE или MU CAPE), сдвига ветра (в слое 0-6 км) и параметра завихренности в слое 0-3 км:

SCP (sfcCAPE/MU CAPE) =(sb CAPE(MU CAPE)/1000)*(DLS/20)*(SRH_3km/50)

Развитие суперячейковых кучево-дождевых облаков (суперячеек) ожидается при SCP>0 , вероятность их генерации пропорциональна значениям индекса.

Вероятность значительного (крупного) града, %

Параметр, использующийся в Центре прогноза штормов (Storm Predictor Center, США) для прогноза вероятности крупного ( диаметр >5 см ) града.

Рассчитывается по формуле:

SHIP = [(MUCAPE j/kg) * (Mixing Ratio of MU PARCEL g/kg) * (700-500mb LAPSE RATE c/km) * (-500mb TEMP C) * (0-6km Shear m/s) ] / 44,000,000

где:

Mixing Ratio of MU PARCEL - отношение смеси в неустойчивом слое,

700-500mb LAPSE RATE - вертикальный градиент температуры в слое 700-500 гПа,

500mb TEMP C - температура на уровне 500 гПа,

0-6km Shear - сдвиг ветра в слое 0-6 км.

* Вероятность гроз, %

Тестируемый экспериментальный индекс общей вероятности гроз, основанный на индексах неустойчивости и конвергенции влаги:

** TSP = ((0.05*KI -0.003*sbCAPE-LI-0.6*KO+0.18*MConv)/6)*100

где:

sbCAPE - энергия неустойчивости,

LI - Lifted Index,

KO - индекс KO,

MConv - приземная конвергенция влаги.

* Автор индекса: Александр Спрыгин (метеоролог, Центральная аэрологическая обсерватория).

** В формуле возможны изменения по результатам тестирования.

* Вероятность мощных конвективных штормов, %

Показатель вероятности генерации мезомасштабных конвективных систем и конвективных комплексов, суперячейковых Cb и др. мощных конвективных штормов, основанный на индексе SCS:

** SCSP = (SCS/6)*100

* Автор индекса: Александр Спрыгин (метеоролог, Центральная аэрологическая обсерватория).

** В формуле возможны изменения по результатам тестирования.

Максимальный диаметр града (см)

Тестируемый индекс, основанный на расчете максимальной скорости восходящих движений в неустойчивом воздухе.

Параметр значительного торнадо

Показатель вероятности возникновения смерчей (торнадо).

Рассчитывается по формуле:

STP=(sbCAPE/1500)*((2000-PLCL)/1000)*(SRH_1km/150)*(DLS/20)

где:

sbCAPE - энергия неустойчивости,

PLCL - Давление на уровне конденсации,

SRH_1km - завихренность в слое 0-1 км,

DLS - сдвиг ветра в слое 0-6 км.

Модифицированный тестируемый вид индекса (по предварительной оценке значения более результативны для ЕТР):

STPmod=1,5*(sbCAPE/1500)*((2000-PLCL)/1000)*(SRH_1km/150)*(DLS/20)

Можно ожидать развитие смерчей при положительных значения индекса.

Параметр значительного торнадо

Показатель вероятности возникновения смерчей (торнадо).

Рассчитывается по формуле:

STP=(sbCAPE/1500)*((2000-PLCL)/1000)*(SRH_1km/150)*(DLS/20)

где:

sbCAPE - энергия неустойчивости,

PLCL - Давление на уровне конденсации,

SRH_1km - завихренность в слое 0-1 км,

DLS - сдвиг ветра в слое 0-6 км.

Модифицированный тестируемый вид индекса (по предварительной оценке значения более результативны для ЕТР):

STPmod=1,5*(sbCAPE/1500)*((2000-PLCL)/1000)*(SRH_1km/150)*(DLS/20)

Можно ожидать развитие смерчей при положительных значения индекса.

Направление и скорость движения конвективных штормов

Карта может использоваться для оценки перемещения грозовых очагов и мезомасшабных конвективных систем.

Расчет основан на скорости и направлении потоков на уровнях 500 и 700 гПа.

Температура воздуха на высоте 2 м от поверхности

Средняя тносительная влажность воздуха в слое 850-500 гПа (1,5-5 км.)

Осадки за последние 3 часа

Температура воздуха на изобарическом уровне 850 гПа

Максимальные порывы ветра, м/с

Высота снежного покрова, см