Атмосферная неустойчивости cape шкала значений. Структура атмосферных фронтов и прогноз конвективных явлений над югом восточной европы

Bulk Richardson Number (BRN)

Индекс Булка Ричардсона (ИБР) является безразмерной величиной в метеорологии, объединяющий вертикальную устойчивость и вертикальный сдвиг (как правило, стабильность, разделённая сдвигом). Он представляет собой отношение турбулентности, вызванной термическими процессами к турбулентности, вызванной вертикальным сдвигом ветра. Практически, значения индекса ИБР показывают, является ли конвекция свободной или принудительной. Высокие значения индекса означают неустойчивость и/или слабые вертикальные сдвиги в окружающей среде; низкие значения индекса указывают на слабую неустойчивость и/или сильный сдвиг ветра. Обычно значения ИБР в пределах от 10 до 45 означают благоприятные условия для развития суперячейки. ИБР расчитывается по формуле:

U6km - скорость ветра на высоте 6 км;

U500m - скорость ветра на высоте 500 метров;

САРЕ - доступная конвективная потенциальная энергия.

Обычно, при ИБР, меньшем чем 10, вертикальный сдвиг доминирует над плавучестью. При значениях индекса от 10 до 45 сдвиг будет уравновешивать плавучесть, а такие условия благоприятны для развития мощных суперячеек. При значении индекса более 45 из-за значительного угла наклона восходящих потоков, суперячейки вряд ли будут наблюдаться.

BRN Shear

Несмотря на то, что индекс BRN является очень хорошим показателем для прогноза суперячеек и наличия мезоциклона в средней тропосфере, он не способен спрогнозировать интенсивность мезоциклона на нижнем уровне (в слое трения) и вероятность торнадо. Поэтому именно для этих целей введён дополнительный показатель - BRN Shear. К тому же, данный показатель часто используется для определения различных видов суперячеек (какие генерируют и не генерируют торнадо, распознавание их). Измеряется в м 2 /с 2 .

BRN shear = 0.5 (U avg) 2 , где

U avg – величина различия между средним ветром в слое 0 – 6 км и ветром в слое 0 – 0,5 км.

Этот индекс хорошо показывает различие между суперячейкой и обычной грозой, а так же интенсивность мезоциклона в среднем слое грозы. И чем выше его значение, тем сильнее сдвиг ветра, а следовательно и большая вероятность суперячейки

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/с 2).

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.).

Normalized CAPE

Нормализованная CAPE является более усовершенствованной разновидностью обычной САРЕ и определяется по формуле: CAPE/FCL , где FCL – мощность слоя свободной конвекции (Free Convective Layer). Обычная САРЕ не всегда является хорошим показателем плавучести, поэтому ввели некоторое дополнение. Единицы измерения NCAPE такие же, то есть Дж/кг или м/с 2 . Для получения полной картины состояния атмосферы нужно учитывать и САРЕ и NCAPE.

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 сильнее, 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 силы;

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.

Использование: во всех областях человеческой деятельности, где важно заблаговременно знать о возникновении таких ситуаций, которые сопровождаются нанесением значительного материального ущерба. Сущность: измеряют в различных точках атмосферы значения атмосферного давления температуры и влажности воздуха. Определяют по ним значения максимальной вертикальной конвективной скорости воздуха и вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения на уровне 850 гПа. Дополнительно измеряют амплитуду суточного хода вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа. Прогноз стихийных конвективных явлений дают при выполнении заданного условия. Технический результат: повышение достоверности прогнозирования любого из известных типов стихийных конвективных гидрометеорологических явлений или их совокупности.

Изобретение относится к метеорологии, а точнее к способам предсказания таких опасных и стихийных конвективных гидрометеорологических явлений (ливни, град, шквалы) в конкретных районах земного шара, которые разрабатываются на основе учета данных о значениях метеопараметров в предшествующие сутки и наиболее эффективно оно может быть использовано во всех областях человеческой деятельности, где важно заблаговременно знать о возможности возникновения таких ситуаций, которые сопровождаются нанесением значительного материального ущерба. Известен способ прогноза стихийных конвективных гидрометеорологических явлений, заключающийся в измерении в различных точках атмосферы значений атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, по которым определяют значение максимальной вертикальной конвективной скорости воздуха (Руководство по краткосрочным прогнозам погоды. Часть 1. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, с. 444-448). Недостатком известного способа является ограниченность применения только для прогноза одного из опасных конвективных явлений, а именно града. Из известных наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ прогноза стихийных конвективных гидрометеорологических явлений, заключающийся в измерении в различных точках атмосферы значений атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, по которым определяют значение максимальной вертикальной конвективной скорости воздуха и вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения на уровне 850 гПа (Руководство по диагнозу и прогнозу опасных и особо опасных осадков, града и шквалов по данным метеорологических радиолокаторов и искусственных спутников Земли. / Н.И. Глушкова, В.Ф. Лапчева. М.: Росгидромет, 1996, с. 112-113). Недостатком известного способа является ограниченность применения только для прогноза одного из типов опасных конвективных явлений, а именно ливней. Вследствие этого достоверность прогнозирования других опасных конвективных явлений (град, шквалы), которые в ряде случаев наблюдаются одновременно с ливнями, оказывается не высокой. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности прогнозирования любого из известных типов стихийных конвективных гидрометеорологических явлений или их совокупности. Указанный технический результат достигается тем, что в способе прогноза стихийных конвективных гидрометеорологических явлений, включающем измерение в различных точках атмосферы значений атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, определение по ним значения максимальной вертикальной конвективной скорости воздуха и вертикальной скорости крупномасшатбного упорядоченного движения на уровне 850 гПа, согласно изобретению дополнительно измеряют амплитуду суточного хода вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа, а прогноз стихийных конвективных явлений дают при выполнении условия

Где: c 1 , c 2 , c 3 , c 4 - эмпирические коэффициенты, значения которых для теплого периода года составляют, например: c 1 = 2(с/м), c 2 = -0,52 (12 ч/гПа), c 3 = -0,16 (12 ч/гПА), c 4 = -90; W m - значение максимальной вертикальной конвективной скорости (м/с); 850 - значение вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа (гПа/12 ч); 850 - значение амплитуды суточного хода вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа (гПа/12 ч). Предлагаемое техническое решение соответствует условиям патентоспособности "Новизна", "Изобретательский уровень" и "Промышленная применимость", т. к. заявленная совокупность признаков: измерение в различных точках атмосферы значений атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, определение по ним значения максимальной вертикальной конвективной скорости воздуха и вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения на уровне 850 гПа, дополнительное измерение амплитуды суточного хода вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа и прогнозирование стихийных конвективных явлений при выполнении условия

C 1 W m +c 2 850 +c 3 850 +c 4 0,

Где: c 1 , c 2 , c 3 , c 4 - эмпирические коэффициенты, значения которых для теплого периода года составляют, например: c 1 = 2 (с/м), c 2 = -0,52 (12 ч/гПА), c 3 = -0,16 (12 ч/гПА), c 4 = -90; W m - значение максимальной вертикальной конвективной скорости (м/с); 850 - значение вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа (гПа/12 ч); 850 - значение амплитуды суточного хода вертикальной скорости крупномасштабного упорядоченного движения воздуха на уровне 850 гПа (гПа/12 ч) обеспечивает достижение неочевидного результата; повышение достоверности прогнозирования любого из известных типов стихийных конвективных гидрометеорологических явлений или их совокупности. Предлагаемый в настоящем изобретении способ прогноза стихийных конвективных гидрометеорологических явлений может быть использован во всех областях человеческой деятельности, где важно заблаговременно знать о возможности возникновения таких ситуаций, которые сопровождаются нанесением значительного материального ущерба.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

C 1 W m +c 2 850 +c 3 850 +c 4

Для прогноза гроз, ливневых осадков и других явлений, связанных с развитием мощной кучевой и кучево- дождевой облачности, Н.В. Лебедева предложила по данным утреннего зондирования атмосферы рассчитывать параметры конвекции, по которым и определяется возможность возникновения тех или иных конвективных явлений. К таким параметрам относятся:

1) Суммарный дефицит температуры точки росы на уровнях 850,700 и 500 гПа (ΣD,°С). Этот параметр косвенно учитывает влияние вовлечения и характеризует возможность образования облачности в слое 850-500 гПа. Если ΣD>25°С, то дальнейшие расчеты не производятся, так как при большой сухости воздуха в нижней половине тропосферы конвекция не приводит к образованию кучево-дождевых облаков. Если же ΣD≤25°С, то рассчитывается второй параметр.

2) Дефицит температуры точки росы у земли или на верхней границе приземной инверсии на момент максимального развития конвекции (Dо, °С) . Если Dо>20°С, то уровень конденсации расположен на высоте более 2,5 км, следовательно, осадки не будут достигать поверхности земли, и дальнейшие расчеты не производятся. При такой высоте уровня конденсации, а следовательно, и высоте нижней границы облаков, капля дождя по пути к земле успеет полностью испариться. 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, тем больше вероятность развития грозовой деятельности (толщину КНС определяется по аэрологической диаграмме).

4) Уровень конденсации (Нконд., км). Уровень конденсации указывает среднее положение высоты нижней границы кучево-дождевой облачности. Определение уровня конденсации также производится по аэрологической диаграмме.

5) Уровень конвекции (Нконв., км). Уровень конвекции позволяет определить среднее положение вершин кучево-дождевых облаков. Совершенно очевидно, что чем выше этот уровень, тем более мощными должны быть «грозовые» облака.

6) Температура воздуха на уровне конвекции (Тконв, °С). Установлено, что чем ниже эта температура, тем более вероятны ливни и грозы.

7) Средняя величина отклонения температуры на кривой состояния (Т") от температуры на кривой стратификации (Т). Это отклонение обозначается ΔТ и определяется по формуле:

Где: Т" 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 до уровня конвекции.

Совершенно очевидно, что чем больше ΔТ, тем больше степень неустойчивости воздуха, а следовательно, тем интенсивнее может развиваться конвекция.

8) Средняя вертикальная мощность конвективных облаков (ΔНк.о,км). Эта величина определяется как разность высот уровня конвекции и уровня конденсации. Чем больше эта величина, тем более вероятно возникновение конвективных явлений и тем больше их интенсивность.

По результатам расчета указанных восьми параметров конвекции в соответствии с табл. 1 Н.В. Лебедева предлагает оценивать возможность возникновения конвективных явлений.

Оправдываемость прогноза наличия гроз по методу Н.В. Лебедевой составляет 80%, а их отсутствия – 89%.

Главный разработчик – Александр Спрыгин ([email protected]).
При содействии и поддержке Александра Конрада и Александра Терёхина ([email protected]).
В составлении карт использовано ПО GrADS.
Прогноз от +3 до +72 часов (3 суток).

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

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.

CAPE

z f, z n

Tν parcel

Тν bnv

g ).

- САРЕ ниже 0

- САРЕ от 0 до 1000

- САРЕ от 1000 до 2500

- САРЕ от 2500 до 3500

- САРЕ выше 3500

Lifted index

Индекс плавучести (Li)

влажность воздуха

LI ≥ 4

LI 2…3

LI 1…2

LI 0...1

LI 0...-1

LI -1…-2

LI -2…-3

LI -3…-4

LI -4…-5

LI -5…-6

LI < -6

• Surfaced-based LI –
• Best LI –

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/с 2 ).

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.

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⋅) , 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.

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)

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:

LI - Lifted Index,

KO - индекс KO,

MConv - приземная конвергенция влаги.

** 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

** В формуле возможны изменения по результатам тестирования.

Максимальный диаметр града (см)

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

Рассчитывается по формуле:

где:

sbCAPE - энергия неустойчивости,

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

Максимальные порывы ветра, м/с

Кi - индекс неустойчивости

Рассчет Ki основан на вертикальном градиенте температуры, влажности воздуха в нижней тропосфере, а также учитывает вертикальную протяженность влажного слоя воздуха. Ki характеризует степень конвективной неустойчивости воздушной массы , которая необходима для возникновения и развития гроз .
Формула : Ki=T850-T500+Td850-∆Td700 .
В формуле: Ki - индекс неустойчивости (число Вайтинга), T850 - температура воздуха на изобарической поверхности 850 гПа, T500 - температура воздуха на 500 гПа, Td850 - температура точки росы на 850 гПа, ∆Td700 - дефицит точки росы (T-Td) на поверхности 700 гПа.

Ki лучше всего использовать в летний период для прогнозирования внутримассовых гроз. Пороговые значения в таблице могут изменяться в зависимости от сезона, географии и синоптической ситуации.

Вероятность гроз, рассчитанных по методу Вайтинга..

Гроза - комплексное явление, необходимой частью которого являются многократные электрические заряды между облаками или между облаком и землей (молнии), сопровождающиеся звуковым явлением - громом. Гроза характеризуется еще шквалистыми ветрами и ливневыми осадками, нередко с градом .
Сильная гроза - гроза с дождём ≥15 мм/ч и/или градом диаметром от 0.6 до 2 см, сильным шквалом ≥15 м/с.
Очень сильная гроза - гроза с ливневым дождём ≥30 мм/ч и/или крупным градом диаметром ≥2 см и/или очень сильным шквалом ≥25 м/с или смерчем .

VT - Vertical Totals индекс

Формула : VT = T850 - T500 , где T850 - температура воздуха на изобарической поверхности 850 гПа, T500 - температура воздуха на 500 гПа.

Если VT > 28, следовательно тропосфера обладает высоким потенциалом конвективной неустойчивости, достаточным для образования гроз.

CT - Сross Totals индекс

Формула : CT = Td850 - T500 , где Td850 - температура точки росы на 850 гПа, T500 - температура воздуха на 500 гПа.

При СT CT 18 - 19 - Умеренная неустойчивость. Слабая грозовая деятельность.
CT 20 - 21 - Высокая неустойчивость. Грозы.
CT 22 - 23 - Энергия неустойчивости при которой возможны сильные грозы.
CT 24 - 25 - Высокая энергия неустойчивости. Сильные грозы.
СT> 25 - Очень высокая энергия неустойчивости. Очень сильные грозы.

Смерч (торнадо, тромб) - атмосферный вихрь, возникающий в кучево-дождевом облаке и распространяющийся вниз, часто до самой поверхности земли, в виде облачного рукава или хобота диаметром в десятки и сотни метров. Характерной особенностью этих вихрей является быстрое спиралевидное движение воздуха вокруг почти вертикальной оси. Внутри воронки воздух поднимается, быстро вращаясь, создаётся область сильно разреженного воздуха.
Скорость движения воздуха составляет 50-100 м/с, а в особо интенсивных торнадо достигает 250 м/с, причем имеется большая вертикальная составляющая скорости, равная 70-90 м/с.
Для классификации торнадо используется шкала Фуджиты.
F0 скорость ветра не превышает 32 м/с (по ТКП - это очень сильный ветер).
F1 - 33 - 50 м/с. Умеренный. (по ТКП ураганный ветер).
F2 - 51 - 70 м/с. Сильный.
F3 - 71 - 92 м/с. Очень сильный.
F4 - 93 - 116 м/с. Разрушительный.
F5 - 117 - 142 м/с. Невероятный.

TT - Total Totals индекс

Формула : TT = VT + CT , Miller (1972); где CT - Сross Totals индекс, VT - Vertical Totals индекс.

При TT TT 44 - 45 - Отдельная гроза или несколько гроз.
TT 46 - 47 - Рассеянные грозовые очаги.
TT 48 - 49 - Значительные количество гроз, отдельные из которых сильные.
TT 50 - 51 - Рассеянные сильные грозовые очаги, отдельные очаги со смерчем.
TT 52 - 55 - Значительное количество очагов сильных гроз, отдельные очаги со смерчем.
TT > 55 - Многочисленные сильные грозы с сильными смерчами.

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 индекс неустойчивости воздушной массы, скорость и сдвиг ветра .

Формула : SWEAT = 12⋅Td850 + 20⋅(TT- 49) + 3.888⋅F850 + 1.944⋅F500 + (125⋅) .

В формуле Td850 - температура точки росы на 850 гПа, TT - Total Totals индекс, F850 - скорость ветра на 850 гПа, F500 - скорость ветра на 500 гПа, D500 и D850 - направление ветра на соответствующих поверхностях.

В формуле:
- Температура воздуха дана в градусах Цельсия;
- Скорость ветра - в м/с;
- Направление ветра - в градусах;
- Второй член уравнения установить в 0, если TT ≤ 49;
- 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 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.

Li - Lifted index

Li - Разница температур окружающего воздуха и некоторого единичного объёма, поднявшегося [адиабатически] от поверхности земли (или с заданного уровня) до уровня 500 гПа. Li рассчитывается с учётом вовлечения окружающего воздуха.

Li - характеризует термическую стратификацию атмосферы по отношению к вертикальным перемещениям воздуха. Если значения Li положительные, то атмосфера (в соответствующем слое) устойчива. Если значения Li отрицательные - атмосфера неустойчива.

Индексы неустойчивости: калькулятор, карты .
Учебное пособие по CAPE, CIN и Lifted index .
Торнадо по шкале Фуджиты . Скорость ветра и характеристики разрушений.