Прогноз смерчів

Загальні відомості про смерч. Смерч – це воронка, що надзвичайно швидко обертається, звисає з купчасто-дощової хмари і спостерігається як «воронкоподібна хмара» або «туба». Добре розвинений смерч досягає землі і рухається по ній, приносячи сильні руйнування, але іноді смерч не досягає повного розвитку, звішуючись з хмари у вигляді воронки. Смерчі породжуються вихровими утвореннями в хмарах, але не циліндровими вертикальними, а горизонтальними спіральними вихорами.

Смерчові хмари завжди володіють значною турбулентністю і неоднорідністю. Вони фактично є носіями, генераторами смерчів, тому їх часто називають материнськими хмарами. Смерчова хмара складається з двох частин: в основі розташовується хмара-комір (верхній ступінь), а під ним лежить «стінна» хмара, від нижньої поверхні якого звисає сам смерч. Хмара-комір має ширину 3…4 км, товщину близько 300 м; верхня поверхня знаходиться на висоті 1500 м. Ширина стіни-хмари – 1, 5…2, 0 км, товщина – 300…450 м, нижня поверхня – на висоті 500…600 м. Від стіни-хмари іноді відходить хмара-хвіст, довга і вузька, такої ж висоти і різної довжини.

Тривалість існування смерчу невелика: від декількох хвилин до декількох годин, довжина шляху в середньому 15…60 км, а іноді й близько 500 км (такі випадки спостерігалися в США). Швидкість руху смерчу різна: від 10…20 до 60…70 км·год^-1 та більше.

Смерч складається з трьох частин: горизонтальних вихорів в материнській хмарі, воронки і додаткових вихорів. Воронка (основна частина смерчу) – це внутрішні порожнини і стінки, тобто це дрібномасштабний вихор. Поперечник внутрішньої порожнини смерчу – від декількох метрів до декількох сотень метрів, і цей простір майже чистий і безхмарний, більш або менш різко обмежений стінками, між якими іноді проскакують своєрідні блискавки. Рух повітря тут різко слабшає і, в основному, направлений вниз.

Найважливіша особливість смерчу – різке падіння тиску, іноді майже раптове.

Рух повітря у внутрішній порожнині направлений зверху вниз і може досягати великої швидкості. У стінках смерчу, навпаки, рух повітря направлений по спіралі вгору і нерідко досягає 100…200 м∙ с^-1 і більше. Стінки смерчу – це його активна руйнуюча і характерна частина. Не дивлячись на те, що їх будова вельми різноманітна, можна виділити два основні типи: перший володіє щільними, гладкими, різко обмеженими стінками, у другого вони розпливчасті, нечітко окреслені. Проте принципової внутрішньої відмінності між ними не має, і на різних стадіях стінки смерчу можуть видозмінюватися і переходити з типу в тип.

Порожнина (воронка) значно ширша за стінки, ширина яких лише декілька метрів. Швидкість обертання воронки, а точніше її стінок, представляє також одну з особливостей смерчу. Ці швидкості вельми різні і швидко змінюються навіть у однієї і тієї ж воронки.

У 1973 р. Метеорологічна служба США прийняла в якості офіційної наступну шкалу інтенсивності смерчів, розроблену японським ученим Т.Фуджіта:

- FO - швидкість вітру 18…32 м× с^-1. Слабкі руйнування: ушкоджуються пічні труби, паркани, дерева.

- F1 - швидкість вітру 33…49 м× с^-1. Помірні руйнування: зриваються покриття з дахів, рухомі автомобілі скидаються з дороги.

- F2 - швидкість вітру 50…69 м× с^-1. Значні руйнування: зриваються дахи з будинків, перевертаються вантажівки, вириваються з корінням дерева.

- F3 - швидкість вітру 70…92 м× с^-1. Сильні руйнування: дахи і частина стін руйнуються, перевертаються вагони, в лісах виривається з корінням велика частина дерев, важкі автомобілі підіймаються над землею і розкидаються.

- F4 - швидкість вітру 93…116 м× с^-1. Спустошливі руйнування: руйнуються важкі будівлі, будови із слабким фундаментом переносяться на відстань, автомобілі розкидаються в сторони, великі предмети носяться в повітрі.

- F5 - швидкість вітру 117…142 м× с^-1. Спустошливі руйнування: підіймаються важкі будівлі, переносяться на відстань і руйнуються автомобілі, величезні предмети переносяться по повітрю на великі відстані з великою швидкістю, дерева розламуються на частини.

- F6 - швидкість вітру від 142 м× с^-1 до, імовірно, швидкості звуку. Смерчі такої швидкості не зафіксовані.

Географічний та сезонний розподіл смерчів. Смерчі реєструються повсюдно над поверхнею Землі, окрім полярних та екваторіальних широт. Найчастіше вони формуються над США і Австралією. В середньому за рік в світі спостерігається від 1000 до 1500 смерчів, з них половина в США, особливо в області так званої «алеї торнадо» - смуги найбільшої повторюваності смерчів – 20…30° пн. ш.

На території СНД смерчі відносно рідкісне явище. Каталог смерчів, зареєстрованих над країнами співдружності за період 1944…1998 рр., включає відомості про 264 смерчі, з яких 40 відсотків були слабкими. За 140 років спостережень було відмічено 13 серйозних і два спустошуючі смерчі.

В Європейській частині СНД виділяють дві зони концентрації смерчів. Перша знаходиться між Москвою і Нижнім Новгородом, де спостерігалися два сильні смерчі. Друга - по обидві сторони українсько-білоруського кордону з центром поблизу Києва, де були зафіксовані три серйозні смерчі (у Київській, Черкаській та Одеській областях) і велике число слабких та помірних явищ. Таким чином, Чорнобильська АЕС розташована саме в зоні відносно активного смерчоутворення.

На території України з 1 березня 1960 р. по 1 березня 2004 р. зареєстровано 71 смерч. Максимальна повторюваність доводиться на липень і червень – 25 і 23, відповідно. В середньому смерчі спостерігаються з травня по серпень. Найбільш ранній смерч був відмічений 5 травня 1970 р. в Одеській області (с. Чабанка), найпізніший – 20 жовтня 1976 р. в Херсонській області (м. Генічеськ). Над акваторією Чорного моря смерчі формуються переважно восени, коли повітря з охолодженої суші переноситься на більш теплу поверхню води. Повторюваність смерчів над Україною розподілена неоднорідно по регіонах. Максимальна кількість смерчів (6 випадків за вказаний період) відмічена в Криму, Миколаївській, Херсонській, Запорізькій і Київській областях. Також відносно велика повторюваність явища (по 4 випадки) в Дніпропетровській, Черкаській, Одеській, Волинській і Львівській областях.

 

Умови формування смерчу. Аналіз можливості формування смерчу проводиться за тими ж вихідними матеріалами, які необхідні для оцінки розвитку систем глибокої конвекції і виникнення мезовихорів.

Смерчі утворюються в зонах активної конвекції в циклонах, що поглиблюються, на холодних фронтах, що загострюються, перед ними і під великими тропосферними депресіями. Приклад найтиповішої синоптичної ситуації, при якій утворюється смерч, представлений на рис. 4.4. Вузькі зони добре вираженої конвергенції в граничному шарі атмосфери і значне подовжнє завихрення (принаймні, на порядок вище навколишніх районів) в дуже нестійкій атмосфері свідчить про можливість виникнення смерчу.

- струминна течія нижніх рівнів; - струминна течія верхньої тропосфери;   - «язик» вологого повітря;   - район найбільш вірогідного утворення смерчів.

Рис. 4.4 – Синоптична ситуація, сприятлива для утворення смерчу:

 

Для оцінки стану атмосфери при прогнозуванні смерчів істотне значення мають температурний (І _т) і вологісний (І _в) індекси нестійкості:

 

І _т = Т ₅₀₀ - ,

(4.14)

І _в = Т ₅₀₀ - ,

 

де Т ₅₀₀– температура повітря на рівні 500 гПа за даними радіозонду в строк 00 СГЧ; – температура в точці перетину ізобари 500 гПа на аерологічній діаграмі з вологою адіабатою, що йде від температури змоченого термометра до середини вологого шару; - температура в точці перетину ізобари 500 гПа на аерологічній діаграмі з вологою адіабатою, що йде від точки роси до середини вологого шару.

Від’ємні значення індексів І _ті І _всвідчать про виняткову нестійкість атмосфери. Виникнення смерчу найбільш вірогідне при І _т ≤ 0 °С і І _в ≤ 0 °С. Були зафіксовані випадки смерчу при І _т > 0 °С і І _в > 0 °С, але жодного смерчу не спостерігалося при І _т > 2 °С і І _в > 2 °С.

Розглянемо типи вертикальної структури повітряних мас, сприятливих для утворення і розвитку смерчів.

Тип І. Тепла повітряна маса, що складається з трьох шарів в нижній частині тропосфери (до 400 гПа). Товщина цих шарів може бути будь-якою за умови, що середній буде найтоншим. Нижній шар – вологий (відносна вологість ≥ 65%, Т d ≥ 13 °С), умовно нестійкий (Г_е < 0). Середній шар – сухий (відносна вологість < 50%), стійкий (Г_е > 0). Верхній шар – умовно нестійкий (Г_е < 0), відносна вологість в ньому спочатку поволі росте, а потім різко збільшується. Вітер посилюється з висотою, причому безпосередньо над нижнім шаром спостерігається сильна вузька течія (струминна течія нижніх рівнів) зі швидкістю близько 15 м× с^-1, яка направлена перпендикулярно потоку в нижньому шарі.

Смерчам, що виникають в такій повітряній масі, передують передсмерчові погодні умови. Вранці спостерігається хмарність шаруватих форм, потім на короткий проміжок часу небо яснішає, з'являються хмари типу Ас mammatus. За 1…4 год до смерчу різко збільшується точка роси. Вказані умови погоди не є прогностичними ознаками, вони просто супроводять процеси утворення смерчів. Проте за цих умов завжди спостерігаються сильні грози з шквалами. Протягом декількох хвилин до початку явища (грози, шквалу, смерчу) падіння тиску взагалі припиняється, відмічається невелике зростання, а з початком явища тиск різко падає, потім швидко росте і після проходження конвективного осередку повертається до початкового значення.

Тип ІІ. Тепла, волога, нестійка повітряна маса (звичайно морське тропічне повітря) без інверсій і затримуючих шарів (Г_е < 0). За декілька годин до явища температура повітря біля поверхні землі ≥ 27 °С, відносна вологість до висоти 7 км ≥ 65%. Вітер з висотою міняється мало, але для формування смерчу необхідний значний вертикальний зсув вітру хоча б в тонкому шарі. Процес утворення смерчу в повітряних масах цього типу супроводять такі ж погодні умови, що і для типу І.

Тип ІІІ. Відносно холодна (Т ≈ 20 °С біля поверхні землі), нестійка
(Г_е < 0) і волога (відносна вологість ≥ 70% до висоти 7 км) повітряна маса. Вітер посилюється з висотою і швидко міняє напрямок.

Вранці небо ясне, потім з'являються перисто-купчасті хмари, а через декілька годин – окремі Sc. Майже раптово (період розвитку декілька хвилин) виникають Cb, і може розвинутися смерч.

 

Прогнозування смерчів.Як свідчить багаторічна синоптична практика, прогнозування смерчів є актуальною задачею, для вирішення якої поки не існує загальноприйнятих методів. Як правило, виділяють комплекси аеросиноптичних умов, при формуванні яких очікується виникнення смерчів.

У будь-якій з розглянутих повітряних мас може утворитися смерч, але він, однак, формується не завжди. Найчастіше смерч слід чекати, якщо спостерігається перетин ліній нестійкості або мезомасштабна зона (лінія) значної конвекції співпадає з осередком конвекції (рис. 4.5). Якщо конвективних хмар ще немає, то про наявність осередку судять по хмарності з великим значенням показника конвективної нестійкості.

Рис. 4.5. – Схема визначення можливого місця появи смерчу:

1 – зона значної нестійкості, де Г_е < 0 або І _т (І _в) < 0 °С;

2 – зона сильної конвергенції вітру;

3 – область можливої появи смерчу.

 

Прогноз смерчів можна складати таким чином.

1. За вихідними матеріалами встановлюється тип повітряної маси і оцінюється синоптична ситуація. Обчислюються критерії нестійкості, і складаються великомасштабні карти розподілу Г_е і С в районі прогнозу. Якщо вони указують на майбутній розвиток конвекції, то визначається можливість розвитку конвективних явищ, включаючи утворення мезовихорів.

2. В процесі спостережень за поточною погодою фіксується наявність (відсутність) супутніх смерчам (грозам) погодних умов.

3. За допомогою МРЛ здійснюється виявлення конвективних осередків найбільшої потужності і ліній нестійкості, а також стеження за їх переміщенням і розвитком, хоча зародження мезовихора і його розвиток, а, отже, і формування смерчу можна знайти тільки доплеровським радіолокатором. Проте, якщо вихор (смерч) яким-небудь чином визначений (візуально), то звичайний МРЛ може стежити за хмарою, з якою цей вихор пов'язаний. Тоді можна завчасно попередити про появу смерчу.

4. Всіма доступними засобами бажано знайти лінії (зони) конвергенції. Поєднання полів нестійкості (великомасштабні карти Г _е і С) і зон конвергенції дозволяє передбачити місце можливої появи смерчу.

5. За даними стеження за переміщенням хмари, з якою пов'язаний мезовихор або смерч, засобами лінійної екстраполяції складається прогноз траєкторії смерчу.

Завчасність попередження про смерч не перевищує декількох десятків хвилин.

У 80-і роки групою київських вчених (Токар Н.Ф. і Волеваха В.А.) була розроблена методика імовірності смерчоутворення над Україною. При описі умов погоди біля земної поверхні і стану вільної атмосфери в періоди із смерчами і без них використано близько 60 термогідродинамічних характеристик. Їх значення знімалися з синоптичних карт, карт МРЛ, бланків емаграм або розраховувалися за спеціальними методиками.

Інформативність параметрів визначалася по ступеню зсуву розподілу при випадках із смерчами щодо розподілу випадків без смерчів аналогічно тому, як завжди роблять при відборі предикторів для прогнозу шквалів. Обчислювалися індекси інформативності і відстані Махаланобіса. Перевага віддавалася індексу інформативності (І), але враховувалася і відстань Махаланобіса (Δ ²). Кращим показником, на думку авторів, є сумарна характеристика (І + Δ ²).

В результаті сумісного аналізу кореляційних матриць з сумарними індексами інформативності (І + Δ ²) відібрані параметри для прогностичних схем на 6 і 12 год.

Із завчасністю 6 год оцінюється можливість виникнення смерчу, використовуючи залежність вертикальних градієнтів температури в шарі Земля-850 гПа () і різниці швидкостей вітру на рівні 700 гПа і біля землі () (рис. 4.6а) або залежність висоти рівня конденсації (Н_кн) і позитивної енергії нестійкості (W_ен) (4.6б).

 

Wен, кДж

g 850, °C/100 м

Нкн, км

D uз700, м× с-1

29 %

38 %

76 %

90 %

Рис. 4.6 – Імовірність виникнення смерчу залежно від зв’язку:
а) вертикального градієнта температури в шарі земля-850 гПа і різниці швидкості вітру на рівні 700 гПа і біля землі ();
б) висоти рівня конденсації (Н_кн) і позитивної енергії нестійкості (W_ен).

Якщо з графічної залежності виходить, що імовірність виникнення смерчу перевищує 50%, то необхідно проводити розрахунок за рівнянням дискримінантної функції:

 

L = 2, 26 0, 65 + 22, 36 () +

 

+ 3, 38 + 3, 82 () - 15, 94, (4.15)

 

де - потужність конвективно-нестійкого шару; - сума відхилень кривої стану від кривої стратифікації на рівнях 850, 700, 500 і 300 гПа; - різниця висот ізотерми -10 °С і рівня конденсації; - середня швидкість вітру в шарі від 500 до 1000 гПа; () - різниця швидкостей вітру на рівнях 300 і 850 гПа.

Якщо L ≥ 0, то очікуються умови сприятливі для утворення смерчу; якщо L < 0, то смерчу чекати не слід.

Для прогнозу із завчасністю 12 год використовуються дві діагностичні залежності (рис. 4.7 і 4.8).

g 500, °C/100 м

Нкв, км

T-Td, °C

S q, ‰

90 %

70 %

60 %

50 %

85 %

28 %

Рис. 4.7 – Імовірність виникнення смерчу залежно від зв'язку:
а) вертикального градієнта температури в шарі земля-500 гПа і дефіциту точки роси біля земної поверхні (T-Td); б) висоти верхнього рівня конвекції (Н_кв) і сумарної величини масової долі водяної пари на ізобаричних поверхнях 850, 700 і 500 гПа (S q).

 

Якщо, виходячи з графіків на рис. 4.7, імовірність виникнення смерчу > 50%, то необхідно проводити розрахунок дискримінантної функції:

 

D = 0, 44 + 5, 55 γ _з-850 + 1, 15 + 1, 40 () - 4, 69, (4.16)

 

де - лапласіан тиску біля поверхні землі, при r = 300 по останній синоптичній карті; γ _з-850 - вертикальний градієнт температури в шарі земля-850 гПа; - потужність конвективно-нестійкого шару; () - різниця швидкостей вітру на рівнях ізобаричних поверхонь 300 і 850 гПа.

При D ≥ 0 утворення смерчу можливе, тобто в атмосфері є умови для утворення явища; при D < 0 смерчі чекати не слід.

Авторська перевірка справджуваності розрахунків проводилася на залежному матеріалі, оскільки всі дані в дні із смерчем на Україні за період 1960-1985 рр. увійшли до розробки рекомендацій щодо прогнозу. Справджуваність рівняння (4.15) складає 85% випадків наявності явища; 84% - відсутності. Для рівняння (4.16) відповідно – 93 і 97%.

Використовувана методика дозволяє оцінити, чи є в атмосфері умови сприятливі для розвитку смерчів.

 

Контрольні запитання

1. Що називається смерчем?

2. Назвіть основні частини вихору.

3. В чому полягають особливості географічного розподілу смерчів?

4. Які синоптичні умови найбільш сприятливі для утворення смерчу?

5. Назвіть типи вертикальної структури повітряних мас, що сприяють формуванню та розвитку смерчів.

6. Які основні труднощі при прогнозуванні смерчів?

7. В чому полягає оптимальний підхід до складення прогнозу явища?

 

Вихідні матеріали

1. Дані температурно-вітрового зондування атмосфери.

2. Аерологічна діаграма.

3. Приземні та висотні синоптичні карти.

4. Лист паперу.

 

Рекомендації щодо виконання роботи

1. Розкодувати дані температурно-вітрового зондування атмосфери за вказівкою викладача.

2. Скласти огляд синоптичних процесів і оцінити можливість виникнення смерчу.

3. Розрахувати параметри С і Г_е, індекси І _Ті І _В та за їх значеннями зробити висновок про рівень нестійкості атмосфери та потенційну небезпеку смерчоутворення.

4. Розрахувати вхідні параметри до дискримінантних функцій L і D, та за допомогою діагностичних рівнянь (4.15) та (4.16) оцінити імовірність формування смерчу.

Методичні вказівки

1. Дані температурно-вітрового зондування атмосфери розкодувати за допомогою коду КН-04 і записати у формі табл. 1.3 (розділ 1).

2. Побудувати криві стратифікації та стану на аерологічній діаграмі.

3. Розрахувати параметри С і Г_е, індекси нестійкості атмосфери І _Ті І _В та оцінити можливість формування смерчу.

4. Скласти огляд синоптичних процесів і зробити висновок про їх сприятливість до смерчоутворення.

5. Розрахувати вхідні параметри до дискримінантних функцій L і D та заповнити табл. 4.5.

 

Таблиця 4.5 – Характеристики стану атмосфери, що необхідні для розрахунку функцій L і D

 

Станція	Строк, СГЧ	Δ Р, гПа	γ з-850, °С	Δ Нкнш, гПа	V300-V850, м× с-1	D
	Δ Нкнш, гПа	, °C	Н -10 - Нкн, км	, м× с-1	V300-V850, м× с-1	L

 

За результатами розрахунків дискримінантних функцій L і D зробити висновок про імовірність формування смерчу із завчасністю 6 та 12 год.

 

Звітні матеріали

1. Заповнена таблиця за формою табл. 1.3 з розкодованими даними температурно-вітрового зондування атмосфери.

2. Аерологічна діаграма та розрахунки параметрів конвекції і нестійкості атмосфери.

3. Короткий огляд синоптичних процесів з висновком про потенційну смерчонебезпеку (у робочому зошиті).

4. Заповнена табл. 4.5 з розрахованими предикторами до дискримінантних функцій L і D та висновок про імовірність формування смерчу із завчасністю 6 та 12 год.