Усовершенствованный индекс смерчеопасности для прибрежной акватории Черного моря

Водяные смерчи представляют собой интенсивные атмосферные вихри небольших горизонтальных размеров, которые возникают над водной поверхностью из кучевых или кучево-дождевых облаков. Наибольшее число водяных смерчей регистрируется у побережья островов Флорида-Кис (от 50 до 500 ежегодно) (Golden, 1977; Golden, 2015). Известны случаи их возникновения у Гавайских и Карибских островов, над Великими Озерами, вблизи побережья Филиппин, Индонезии, Новой Зеландии, Австралии, Великобритании, Японии, над акваториями таких морей как Аравийское, Средиземное, Адриатическое, Ионическое, Эгейское, Северное, Балтийское, Черное и Азовское (Miglietta, 2019).

Водяные смерчи, в основной своей массе, имеют немезоциклонное происхождение, что отличает их от торнадо - более интенсивных вихрей над сушей, возникающих из долгоживущих суперячеек. Ключевыми факторами для образования водяных смерчей являются: предварительно сформированная вертикальная завихренность воздуха у поверхности воды, сильные восходящие потоки воздуха, способствующие ее вытягиванию и зарождению вихря, а также небольшой вертикальный сдвиг ветра, исключающий возможность его быстрого распада (Wakimoto и др., 1993; Renno и др., 2001). Источником завихренности могут служить линии конвергенции или морской бриз (Dotzek и др., 2010). Восходящие потоки, подпитывающие смерч, как правило, возникают в условиях сильной конвективной неустойчивости, обусловленной прохождением холодных воздушных масс над хорошо прогретой поверхностью воды, а также прохождением атмосферных фронтов.

В нашей стране водяные смерчи чаще всего образуются в акватории Черного моря. В рамках работ по созданию технологии прогноза этих смерчей был предложен новый индекс смерчеопасности WRI, учитывающий региональные особенности смерчегенеза (Калмыкова и др., 2017). Индекс принимает значения в диапазоне от 0 до 1, отражая вероятность появления смерчей. В формулу расчета индекса входят пять предикторов, три из которых относятся к категории смерчеобразующих – характеризуют условия, благоприятные для образования смерчей, а оставшиеся два, связанные с полем ветра, к категории ограничивающих – описывают необходимые условия устойчивости сформировавшейся вихревой структуры. Предикторами первого типа являются: разность температур поверхности моря и воздуха на уровне 1 км (DT1), локальная деформация ветра на уровне 10 м (DD10), относительная влажность воздуха, осредненная в нижнем слое толщиной 1 км (RH1), предикторами второго типа – абсолютное значение разности скоростей ветра на уровнях 10 м и 1 км (DU1), вертикальный сдвиг ветра, осредненный в нижнем слое толщиной 1 км (S1). С каждым предиктором связано пороговое значение, полученное в ходе анализа условий возникновения черноморских смерчей в 2014-2016 гг.

Позже была предложена модифицированная версия индекса WRI, включающая в себя еще один смерчеобразующий предиктор – глубину конвекции (CD) (Калмыкова и др., 2019). В ходе проведенных испытаний разработанной в НПО «Тайфун» технологии прогноза черноморских смерчей установлено, что общая оправдываемость прогноза по индексу WRI доходит до 78%, оправдываемость с явлением – до 43%, а предупрежденность смерчей – до 85%. Индекс хорошо различает смерчеопасные ситуации и ситуации без смерчей. Вероятность их появления в отсутствии соответствующего прогноза крайне мала.

В текущем году были проведены работы по усовершенствованию индекса WRI, в частности, на основе прогнозов по модели COSMO-Ru сформирована выборка значений предикторов черноморских смерчей за период 2017-2020 гг., построены гистограммы распределения значений предикторов в окрестностях различного радиуса (от 5 до 50 км), применен новый подход к выбору пороговых значений предикторов, проведены вычислительные эксперименты с различными вариантами расчета предикторов и в конечном итоге получена новая формула расчета индекса WRI, которая впоследствии была внедрена в работу действующей технологии прогноза смерчей. По результатам проведенного исследования установлено, что в большинстве случаев в теплый период года формированию черноморских смерчей способствуют достаточно высокие значения разности температур поверхности моря и воздуха на уровне 1 км (> 8.5°), глубина конвекции при этом может варьироваться от 6 до 9 км. В то же время смерчи могут формироваться и при более низких значениях рассматриваемой разности (от 6° до 8.5°) в условиях, способствующих возникновению крайне мощных по вертикали облаков (> 9 км). По этой причине в новой формуле расчета индекса WRI для комбинации предикторов DT1 и CD было введено понятие пороговой плоскости, для остальных предикторов, как и ранее, используется одномерный порог. Это решение, как ожидается, должно способствовать уменьшению числа неспрогнозированных случаев, за счет учета выявленных особенностей возникновения смерчей обеих категорий.