Условия возникновения сильных смерчей над территорией России: анализ и моделирование с помощью модели WRF

Смерчи представляют собой одно из наиболее редких и опасных явлений погоды, наблюдающихся в умеренных широтах. Большинство смерчей на территории России характеризуются малой интенсивностью (F0–F1). Сильные смерчи, вызвавшие человеческие жертвы и масштабные разрушения, были зафиксированы в Московской области 3 июня 2009 г. и 13 июля 2016 г., а также в Предуралье 29 августа 2014 г. Помимо них, был зафиксирован ряд других сильных смерчей в малонаселенных районах, которые не вызвали больших материальных потерь, за исключением ущерба для лесного хозяйства (Шихов, Быков, 2015).
Целью настоящей работы является исследование синоптических и мезомасштабных условий возникновения нескольких случаев сильных смерчей и tornado outbreaks, наблюдавшихся на территории России в 2007–2016 гг. Для моделирования мезомасштабных конвективных систем, вызвавших смерчи, использована негидростатическая модель атмосферы WRF.
Для анализа были выбраны 8 случаев смерчей и торнадо-вспышек, наблюдавшихся на территории России с 2007 по 2016 гг. Основными источниками данных об исследуемых случаях смерчей была Европейская база данных опасных явлений погоды (ESWD; Dotzek et al., 2009) и данные о ветровальных нарушениях лесного покрова, вызванных прохождением смерчей. Для идентификации ветровалов использовались данные Global Forest Change Map (Hansen et al., 2013), полученные по многолетнему ряду спутниковых снимков LANDSAT с детальностью 30 м, а также космические снимки сверхвысокого разрешения с открытых картографических сервисов.
Синоптические условия формирования рассмотренных сильных смерчей и tornado outbreaks достаточно разнообразны. Смерчи наблюдались в центральных частях глубоких южных, юго-западных и западных циклонов, или активных волновых возмущений, часто вблизи точки окклюзии полярного фронта. Общими особенностями являются высокая скорость ветра в средней тропосфере, сильный вертикальный сдвиг ветра на фоне умеренной или сильной конвективной неустойчивости воздушной массы.
В качестве основного инструмента исследований была использована мезомасштабная негидростатическая модель атмосферы WRF v 3.6.1. (Skamarock et al., 2008). Модель запускалась в режиме прямого моделирования конвекции с шагом сетки 9 и 3 км. При таком пространственном разрешении явное моделирование смерча невозможно. Однако модель позволяет воспроизвести возникновение и развитие мезомасштабной конвективной системы, с которой был связан смерч, в том числе развитие мезоциклона.
Оценка качества результатов моделирования была выполнена на основе следующих критериев:
• сопоставлением времени возникновения и пути перемещения мезоциклона по модели WRF с фактическим треком смерча (выявленным на основе анализа ветровальных нарушений лесного покрова).
• сопоставлением положения и времени прохождения зон активной конвекции по модели WRF и по спутниковым данным Terra/Aqua MODIS.
• сопоставлением фактической скорости порывов ветра по модели и по данным метеостанций.
В трех рассмотренных случаях модель воспроизводит формирование конвективных штормов с мезоциклонами, траектории прохождения которых совпадают с фактическими треками смерчей. Смоделированные мезоциклоны хорошо выражены в полях относительной завихренности, приземного давления и ветра.