Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет» (РГГМУ) Кафедра метеорологических прогнозов (МП) КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Синоптическая метеорология» на тему: «Грозы и их прогнозирование» Студент: Хохлин Арсений Олегович Преподаватель: Лаврова Ирина Викторовна Дата сдачи: _______________ Дата защиты: _____________ Оценка: __________________ Санкт-Петербург 2023 Оглавление ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................... 2 Глава 1. Гроза и ее география .................................................................................................. 3 1.1 Стадии развития грозового облака ............................................................................... 5 1.2 Классификация грозовых облаков ................................................................................ 6 1.2.1 Одноячейковое облако ............................................................................................ 6 1.2.2 Многоячейковые кластерные грозы ...................................................................... 8 1.2.3 Многоячейковые линейные грозы (линии шквалов) ........................................... 9 1.2.4 Суперячейковые грозы.......................................................................................... 10 1.3 Чем опасны грозы? ....................................................................................................... 11 Глава 2. Прогноз гроз ............................................................................................................. 13 2.1 Основные методы прогноза ......................................................................................... 14 2.1.1 Метод Г.Д. Решетова ............................................................................................. 14 2.1.2 Метод Н.В. Лебедевой .......................................................................................... 15 2.1.3 Метод Вайтинга ..................................................................................................... 17 Глава 3. Прогнозирование ..................................................................................................... 19 ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................... 22 ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................................................ 23 1 ВВЕДЕНИЕ «Родить грозу дано не каждой туче» Уильям Шекспир Грозы — это одно из наиболее драматических и впечатляющих явлений природы, которое может оказать значительное воздействие на нашу жизнь и окружающую среду. Сильные грозы могут привести к повреждению зданий, падению деревьев, прерыванию электроэнергии и другим катастрофическим последствиям. Кроме того, грозы могут также вызывать наводнения и угрожать безопасности людей и животных. Поэтому прогнозирование гроз имеет большое значение для безопасности нашей жизни и имущества. Прогнозирование гроз является сложной наукой, требующей глубокого понимания физических процессов, связанных с возникновением гроз, а также использования современных технологий и методов для анализа данных и создания прогнозов. В данной курсовой работе рассмотрим различные аспекты гроз и их прогнозирования, начиная с физических процессов, которые приводят к возникновению гроз, и заканчивая методами и технологиями, используемыми для создания точных прогнозов. Рассмотрим различные методы наблюдения и анализа данных, используемые в прогнозировании гроз, а также современные технологии и методы, применяемые для предсказания гроз. 2 Глава 1. Гроза и ее география Гроза — это атмосферное явление, связанное с развитием мощных кучево-дождевых облаков, сопровождающееся многократными электрическими разрядами (молниями) между облаками, облаками и земной поверхностью, шквалистым ветром, звуковыми явлениями (громом), ливневыми дождями, градом. Молния — это высокоэнергетический электрический разряд, возникающий потенциалов вследствие (иногда до установления нескольких разности миллионов электрических вольт) между поверхностями облачного покрова и земли. Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 46 молний в секунду. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно. Над океаном гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и субтропической зоне (от 30° северной широты до 30° южной широты) сосредоточено около 78 % всех молниевых разрядов. Максимум грозовой активности приходится на Центральную Африку. В полярных районах Арктики и Антарктики и над полюсами гроз практически не бывает. Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето и дневные послеполуденные часы. Минимум зарегистрированных гроз приходится на время перед восходом солнца. На грозы влияют также географические особенности местности: сильные грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер. Одним из проявлений грозы является шаровая молния. Общепринятого научного обоснования природы шаровой молнии пока нет. Шаровая молния может появиться неожиданно в любом месте. Многократными наблюдениями установлена связь шаровой молнии с линейными молниями. Шаровая молния может достигать размера футбольного мяча. Наряду с шаровидной, встречаются яйцеобразные и 3 грушевидные формы. Она движется в пространстве медленно, с остановками, иногда взрывается, спокойно угасает, распадается на части или бесследно исчезает. «Живет» шаровая молния примерно одну минуту. Во время движения шаровой молнии слышится легкий свист или шипение, порой она движется беззвучно. Цвет шаровой молнии может быть различным: красным, белым, синим, черным, перламутровым. Иногда шаровая молния вращается и искрит. Благодаря своей пластичности шаровая молния может проникнуть в помещение, в палатку, пещеру, в салон автомобиля. Траектория ее движения и варианты поведения непредсказуемы. При появлении шаровой молнии нельзя резко двигаться, пытаться поймать огненный шар или вытолкнуть его. Даже при соприкосновении шаровой Молнии с телом человека следует сохранять спокойствие и помнить, что она может исчезнуть так же неожиданно, как и появилась. Иногда шаровая молния взрывается, что может привести к получению травмы. В этой ситуации пострадавшему необходимо оказать такую же помощь, как и в случае поражения линейной молнией или электрическим током. Рисунок 1 – Распределение грозовых разрядов по поверхности Земли 4 1.1 Стадии развития грозового облака Стадии развития грозового облака могут быть разделены на три основные фазы: формирование, зрелость и рассеивание. В фазе формирования грозового облака, влажный воздух начинает подниматься, создавая конвективные течения, которые приводят к образованию кучевых облаков. В этой фазе наблюдаются небольшие разряды молний и слабые дожди. В зрелой фазе грозового облака, подъем влажного воздуха продолжается, и образуется более высокое и более мощное облако. Это приводит к формированию более сильных грозовых явлений, таких как мощные разряды молний, гром, сильные порывы ветра и ливни. В фазе рассеивания грозового облака, конвективные течения начинают уменьшаться, и облако постепенно рассеивается, приводя к снижению интенсивности грозовых явлений. Грозовые облака могут представлять серьезную опасность для авиации. Мощные воздушные потоки и турбулентность, связанные с грозовыми облаками, могут вызвать не только опасные изменения скорости и направления полета, но и повреждение самолета. Также, молнии, которые часто сопровождают грозы, могут нанести серьезный ущерб электронике и системам самолета. Поэтому, для предотвращения авиационных происшествий, пилоты обычно стараются избегать полетов вблизи грозовых облаков, а авиакомпании тщательно следят за прогнозами погоды и принимают меры предосторожности, если есть вероятность грозовых явлений. 5 Рисунок 2 – Стадии развития грозового облака 1.2 Классификация грозовых облаков Одно время грозы классифицировались в соответствии с тем, где они наблюдались, — например, локальные, фронтальные или орографические. В настоящее время более принято классифицировать грозы в соответствии с характеристиками самих гроз и эти характеристики в основном зависят от метеорологического окружения, в котором развивается гроза. Основным необходимым условием для образования грозовых облаков является состояние неустойчивости атмосферы, формирующее восходящие потоки. В зависимости от величины и мощности таких потоков формируются грозовые облака различных типов. 1.2.1 Одноячейковое облако Одноячейковые кучево-дождевые (Cumulonimbus, Cb) облака развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентном барическом поле. Их называют еще внутримассовыми или локальными грозами. Они состоят из конвективной ячейки с восходящим потоком в центральной своей части. 6 Они могут достигать грозовой и градовой интенсивности и быстро разрушаться с выпадением осадков. Размеры такого облака: поперечный 520 км, вертикальный — 8-12 км, продолжительность жизни около 30 минут, иногда до 1 часа. Серьезных изменений погоды после грозы не происходит. Гроза начинается с возникновения кучевого облака хорошей погоды (Cumulus humulus). При благоприятных условиях возникшие кучевые облака быстро растут как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, при этом восходящие потоки находятся почти по всему объему облака и увеличиваются от 5 м/с до 15-20 м/с. Нисходящие потоки очень слабы. Окружающий воздух активно проникает внутрь облака за счет смешения на границе и вершине облака. Облако переходит в стадию Cumulus mediocris. Образующиеся в результате конденсации мельчайшие водяные капли в таком облаке сливаются в более крупные, которые уносятся мощными восходящими потоками вверх. Облако еще однородное, состоит из капель воды, удерживаемых восходящим потоком, осадки — не выпадают. В верхней части облака при попадании частиц воды в зону отрицательных температур капли постепенно начинают превращаться в кристаллы льда. Облако переходит в стадию мощно-кучевого облака (Cumulus congestus). Смешанный состав облака приводит к укрупнению облачных элементов и созданию условий для выпадения осадков. Такое облако называют кучево-дождевым (Cumulonimbus) или кучево-дождевым лысым (Cumulonimbus calvus). Вертикальные потоки в нем достигают 25 м/с, а уровень вершины достигает высоты 7-8 км Испаряющиеся частицы осадков охлаждают окружающий воздух, что приводит к дальнейшему усилению нисходящих потоков. На стадии зрелости в облаке одновременно присутствуют и восходящие и нисходящие воздушные потоки. На стадии распада в облаке преобладают нисходящие потоки, которые постепенно 7 охватывают все облако. Рисунок 3 – Цикл жизни одноячейкового облака 1.2.2 Многоячейковые кластерные грозы Это наиболее распространенный тип гроз связанный с мезомасштабными (имеющими масштаб от 10 до 1000км) возмущениями. Многячейковый кластер состоит из группы грозовых ячеек, двигающихся как единое целое, хотя каждая ячейка в кластере находится на разных стадиях развития грозового облака. Грозовые ячейки находящиеся в стадии зрелости обычно располагаются в центральной части кластера, а распадающиеся ячейки с подветренной стороны кластера. Они имеют поперечные размеры 20—40 км, их вершины нередко поднимаются до тропопаузы и проникают в стратосферу. Многоячейковые кластерные грозы могут давать град, ливневые дожди и относительно слабые шквальные порывы ветра. Каждая отдельная ячейка в многоячейковом кластере находится в зрелом состоянии около 20 минут; сам многоячейковый кластер может существовать в течение нескольких часов. Данный тип грозы обычно более интенсивен, чем одноячейковая суперячейковой грозы. 8 гроза, но много слабее 1.2.3 Многоячейковые линейные грозы (линии шквалов) Многоячейковые линейные грозы представляют собой линию гроз с продолжительным, хорошо развитым фронтом порывов ветра на передней линии фронта. Линия шквалов может быть сплошной или содержать бреши. Приближающаяся многоячейковая линия выглядит как темная стена облаков, обычно покрывающая горизонт с западной стороны (в северном полушарии). Большое число близко расположенных восходящих/нисходящих потоков воздуха позволяет квалифицировать данный комплекс гроз как многоячеечный, хотя его грозовая структура резко отличается от многоячейковой кластерной грозы. Линии шквалов могут давать крупный град и интенсивные ливни, но больше они известны как системы, создающие сильные нисходящие потоки. Линия шквалов близка по свойствам к холодному фронту, но является локальным результатом грозовой деятельности. Часто линия шквалов возникает впереди холодного фронта. На радарных снимках эта система напоминает изогнутый лук (bow echo). Данное явление характерно для Северной Америки, на территории Европы и Европейской территории России наблюдается реже. Рисунок 4 – Схема многоячейковой грозовой структуры 9 1.2.4 Суперячейковые грозы Суперячейка — наиболее высокоорганизованное грозовое облако. Суперячейковые облака относительно редки, но представляют наибольшую угрозу для здоровья и жизни человека и его имущества. Суперячейковое облако схоже с одноячейковым тем, что оба имеют одну зону восходящего потока. Различие состоит в том, что размер ячейки огромен: диаметр порядка 50 км, высота 10-15 км (нередко верхняя граница проникает в стратосферу) с единой полукруглой наковальней. Скорость восходящего потока в суперячейковом облаке значительно выше, чем в других типах грозовых облаков: до 40 - 60 м/с. Основной особенностью, отличающей суперячейковое облако от облаков других типов является наличие вращения. Вращающийся восходящий поток в суперячейковом облаке (в радарной терминологии называемым мезоциклоном) создает экстремальные по силе погодные явления, такие, как гигантский град (более 5 см в диаметре), шквальный ветер до 40 м/с и сильные разрушительные смерчи. Окружающие условия являются основным фактором в образовании суперячейкового облака. Необходима очень сильная конвективная неустойчивость воздуха. Температура воздуха у земли (до грозы) должна быть +27…+30 и выше, необходим ветер переменного направления, вызывающий вращение. Однако главным условием для образования суперячейки является сдвиг ветра в средней тропосфере. Осадки, образующиеся в восходящем потоке, переносятся по верхнему уровню облака сильным потоком в зону нисходящего потока. Таким образом, зоны восходящего и нисходящего потоков оказываются разделенными в пространстве, что обеспечивает жизнь облака в течение длительного периода времени. Обычно на передней кромке суперячейкового облака наблюдается слабый дождь Ливневые осадки выпадают вблизи зоны восходящего потока, а наиболее сильные 10 осадки и крупный град выпадают к северо-востоку от зоны основного восходящего потока. Наиболее опасные условия наблюдаются неподалеку от зоны основного восходящего потока (обычно смещенные к задней части грозы). Рисунок 5 – Вертикальная и горизонтальная структура суперячейкового облака 1.3 Чем опасны грозы? Самой большой опасностью гроз для людей являются разряды молний. Молния представляет собой электрический разряд между заряженными облаками и землей, который может привести к пожарам, поражению электрическим током и даже смерти. Поэтому во время грозы нужно избегать открытых пространств, высоких точек и металлических предметов, которые могут притягивать молнию. Для авиации грозы представляют еще большую опасность. Степень опасности гроз для авиации зависит от стадии развития грозового облака и может изменяться в течение короткого времени. Во время полета самолеты могут попадать в зону действия электрических разрядов, которые могут повредить электронные системы, снизить качество связи и даже вызвать 11 аварию. Кроме того, грозы могут вызвать сильный турбулентный поток воздуха, что также может быть опасно для авиации. Для защиты людей и авиации от гроз необходимо принимать ряд мер предосторожности. Люди должны избегать открытых пространств и высоких точек во время грозы, а также избегать металлических предметов. Авиация должна следить за прогнозами погоды и избегать полетов в районах, где вероятность гроз высока. В случае, если полет в грозу неизбежен, авиация должна принимать меры предосторожности, такие как изменение высоты полета и направления, чтобы избежать зоны действия электрических разрядов. 12 Глава 2. Прогноз гроз Прогнозирование гроз — это сложная задача, поскольку грозы могут возникнуть в результате многих факторов, таких как атмосферное давление, температура воздуха, влажность, скорость и направление ветра и другие. Однако, существует несколько методов, которые используются для прогнозирования гроз: 1. Методы наблюдения: Наблюдения за изменением погоды, температурой, давлением, влажностью, направлением и скоростью ветра и другими показателями могут помочь определить вероятность возникновения гроз. Также, можно использовать радары и другие приборы для наблюдения за развитием гроз. 2. Моделирование погоды: существуют компьютерные модели, которые используются для прогнозирования погоды и могут предсказать вероятность возникновения гроз на основе данных о погоде и других факторов. 3. Спутниковые данные: Данные, полученные от спутников, могут помочь определить условия в атмосфере, такие как температура, влажность и скорость ветра, что может помочь в прогнозировании гроз. 4. Электрические разряды: Метод определения гроз по электрическим разрядам включает в себя наблюдение за молнией и звуковыми эффектами, которые возникают в результате грозы. В целом, комбинация этих методов может помочь в прогнозировании гроз, но стоит помнить, что грозы — это неопределенный и изменчивый феномен, и точный прогноз может быть трудным. 13 2.1 Основные методы прогноза 2.1.1 Метод Г.Д. Решетова Прежде чем делать расчёты, Решетов предложил первым делом оценить характер ожидаемой синоптической ситуации. Дальнейшие расчеты будут являться целесообразными, если пункт прогноза находится в зоне быстродвижущегося холодного фронта (или по-другому холодного фронта второго рода), малоподвижного фронта с волнами, фронта окклюзии, в зоне неглубокой барической ложбины, в теплом секторе циклона или на периферии антициклона, в передней или центральной части ложбины или замкнутого очага холода на картах ОТ 500/1000 и ОТ 300/1000. Для развития ночных гроз благоприятно прохождение теплых фронтов и фронтов окклюзии. Если одна из этих синоптических ситуаций имеет место быть, то для определения возможности возникновения гроз необходимо рассчитать три параметра: высота вершин кучево-дождевой облачности (Hв); температура воздуха на их вершине (Tв); толщина облачного слоя, в котором наблюдаются отрицательные температуры (ΔH). Затем прогноз возникновения гроз осуществляется по графику, построенному по результатам дискриминантного анализа. По вертикали откладывается величина ΔH, а по горизонтали величина Tв: 14 Рисунок 6 – График прогноза гроз по методу Г. Д. Решетова 2.1.2 Метод Н.В. Лебедевой Применение метода частицы к прогнозу ливневых осадков в СССР наиболее успешно осуществила Н. В. Лебедева. Она предложила по данным утреннего температурно-ветрового зондирования рассчитывать определенные параметры конвекции, по которым и определяется возможность возникновения конвективных явлений. К этим параметрах относятся: 1. Суммарный дефицит точки росы (ΣD, °С) на изобарических уровнях АТ850, АТ700, АТ500. Эта сумма учитывает влияние вовлечения и характеризует возможность образования облачности в слое АТ850АТ500. Если суммарный дефицит точки росы больше 25 °С, то дальнейшие расчеты не имеют смысла, так как в нижней половине тропосферы при большой сухости воздуха конвекция не приводит к образованию облаков вертикального развития. Если же этот суммарный дефицит точки росы меньше либо равен 25 °С, переходят к расчету следующего параметра; 2. Дефицит температуры точки росы у земли или на верхней границе приземной инверсии на момент максимального развития конвекции (Dо, °С). Если этот параметр больше 20 °С, то дальнейшие расчеты не 15 производятся. Это связано с тем, что уровень конденсации расположен на высоте более 2,5 км. Следовательно, при такой высоте нижней границы облачности (уровня конденсации) осадки не будут достигать поверхности земли, так как они попросту будут испаряться по пути к земле. 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, и тем больше вероятность развития грозовой деятельности; • Уровень конденсации (Нконд., км). Уровень конденсации указывает среднее положение высоты нижней границы кучево-дождевой облачности. Определение его высоты также производится по аэрологической диаграмме; 4. Уровень конвекции (Нконв., км). Уровень конвекции позволяет определить среднее положение вершин кучево-дождевых облаков. Нетрудно догадаться, что чем выше этот уровень, тем более мощной должна быть грозовая облачность; 5. Температура воздуха на уровне конвекции (Тконв, °С). Замечено, что чем ниже эта температура, тем более вероятны ливни и грозы; 6. Средняя величина отклонения температуры на кривой состояния (Т2) от температуры на кривой стратификации (Т). Это отклонение обозначается ΔТ и определяется по формуле 1: 𝑛 𝛥𝑇 = ∑ 𝑖=1 𝑇2 −𝑇 𝑛 (1) где: Т2 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 заканчивая уровнем конвекции. Чем больше ΔТ, тем 16 больше неустойчивость воздуха, и, как следствие, тем интенсивнее может развиваться конвекция; 7. Средняя вертикальная мощность конвективных облаков (ΔНк.о, км). Этот параметр определяется, как разность высот уровня конвекции и уровня конденсации. Чем больше эта величина, тем более вероятнее возникновение конвективных интенсивность. Оценивается явлений и тем возможность больше их возникновения конвективных явлений и их интенсивности по следующей таблице 1: Таблица 1 – Метод Лебедевой 2.1.3 Метод Вайтинга Метод основан на расчете параметра K по данным утреннего температурно-ветрового зондирования. Замечено, что этот метод дает довольно неплохие результаты при прогнозировании гроз не по пункту, а по некой территории. Формула для расчета параметра K имеет следующий вид 2: 𝐾 = (𝑇850 − 𝑇500) + 𝑇𝑑850 − 𝐷700 (2) Где: Т850 – значение температуры на уровне АТ850; Т500 – значение температуры на уровне АТ500; Td850 – значение температуры точки росы на уровне АТ850; D700 – значение дефицита температуры точки росы на уровне АТ700. 17 После расчета определяется вероятность гроз по прогнозируемой территории по таблице 2: Таблица 2 – Определение вероятности гроз по методу Вайтинга Однако иногда, уже в рассчитанные значения параметра К, вводится поправка на кривизну приземных изобар из таблицы 3: Таблица 3 – Поправка на кривизну Где: Zn – величина поправки на кривизну изобар в циклоне; Azn – величина поправки на кривизну изобар в антициклоне. 18 Глава 3. Прогнозирование Для прогнозирования грозы, я выбрал наиболее точный и удобный метод — метод Вайтинга. Его можно использовать в любой точке земного шара и при этом точность будет крайне высока, до нескольких процентов. А также мы его разбирали в университете. Я выбрал город Кызылорда на территории Казахстана. По высотным картам за 08.04.2023 00 ч я получил следующие значения для формулы (2). Т850 = 5,2 °C; Т500 = -23 °C; Td850 = 4 °C; D700 = -1,2 °C; Подставляем в формулу значения: 𝐾 = (5,2 − (−23)) + 4 − (−1,2) K=33,4 Согласно таблице 2 такое значение соответствует критерию «Грозы повсеместно». Прогноз по методу Вайтинга подтверждается и сайтом Windy.com рисунок 7. 19 Рисунок 7 – Прогноз гроз с сайта Windy.com Рисунок 8 – Карта АТ850 20 Рисунок 9 – Карта АТ500 Рисунок 10 – Карта АТ700 21 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключение можно сказать, что грозы — это мощные и удивительные явления природы, которые могут принести как пользу, так и вред. Именно поэтому важно уметь прогнозировать приближение грозы, чтобы своевременно принимать меры безопасности и защиты. Сегодня существует множество способов прогнозирования грозы, начиная от использования метеорологических наблюдений и заканчивая применением современных технологий, таких как дистанционное зондирование и моделирование погоды. Однако, несмотря на все наши знания и возможности, грозы остаются непредсказуемыми и неуправляемыми явлениями природы. Поэтому, чтобы сохранять свою безопасность и защищать себя и свое имущество, важно проявлять осторожность и соблюдать приближении грозы. 22 правила безопасности при ЛИТЕРАТУРА 1. Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы / Л.Т. Матвеев. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. 2. Говорушко С.М. Риски для человеческой деятельности, связанные с грозами / С.М. Говорушко // Проблемы анализа риска. ‒ 2011. 3. Кашлева, Л.В. Атмосферное электричество: учебное пособие. – СПб.: Изд. РГГМУ, 2008 4. http://ru.wikipedia.org/wiki/гроза 5. «География: природа России». Учебник для 8 класса. Э.М.Раковская. Москва, «Просвещение» 1997 г. 6. Общественная организация "Альпинистская и горно-туристическая ассоциация". "Грозы в горах." Справочник горного туриста. URL: http://www.outdoors.ru/weather/thunder-storm.php (дата обращения: 8 апреля 2023 г.) 23
