Синоптические и метеорологические условия очень сильных снегопадов (ОЯ) на территории деятельности Центрально-Черноземного УГМС 23 марта 2013 года Исследование условий возникновения опасных конвективных явлений погоды на территории Центрально-Черноземного УГМС в период 2006–2012 гг.Случаи очень сильного ветра (оя)Методическое пособие. Прогноз фазового состояния осадков. Условия выпадения мокрого снега и образования налипания мокрого снега на территории деятельности ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС» в градации ОЯ.

ОЯ НА ТЕРРИТОРИИ ЦЧО / Методическое пособие. Прогноз фазового состояния осадков. Условия выпадения мокрого снега и образования налипания мокрого снега на территории деятельности ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС» в градации ОЯ.

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ

И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

(Росгидромет)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

Центрально-Черноземное управление по гидрометеорологии

и мониторингу окружающей среды

(ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС »)

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ПРОГНОЗ ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ОСАДКОВ.

УСЛОВИЯ ВЫПАДЕНИЯ МОКРОГО СНЕГА И ОБРАЗОВАНИЯ СИЛЬНОГО НАЛИПАНИЯ МОКРОГО СНЕГА

НА ТЕРРИТОРИИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ФГБУ «ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОГО УГМѻ ГРАДАЦИИ ОЯ

  СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение ………………………………………………………………………………. 3

2. Определение фазового состояния осадков и явлений, связанных с ними (Таблица 1) .. 4

3. Фазовое состояние осадков ………………………………………………………… 5

4. Краткая характеристика метеорологических условий выпадения мокрого снега.

Синоптические условия выпадения и налипания мокрого снега ………………… 6

5. Факторы, влияющие на формирование налипания мокрого снега …………………… 7

6. Этапы прогноза выпадения и отложения мокрого снега ……………………… 8

7. Анализ случаев возникновения налипания мокрого снега в градации ОЯ на территории

деятельности Центрально-Черноземного УГМС за период 2005-2012гг.

(Таблица 2) ………………………………………………………………………………. 9

8. Синоптические условия налипания мокрого снега в градации ОЯ на территории

деятельности Центрально-Черноземного УГМС (2005-20012гг) …………………. 10

9. Метеорологические условия налипания мокрого снега в градации ОЯ на территории

деятельности Центрально-Черноземного УГМС ( 2005-20012гг) …………………. 10

10. Практические рекомендации для прогнозирования налипания мокрого снега в

градации ОЯ на территории деятельности Центрально-Черноземного УГМС ………… 11

11. Приложения ………………………………………………………………………… 12

Материалы подготовлены:

начальником ОМП ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС» Черногубовой Ю.Я.

ведущим синоптиком ОМП Санниковой Г.В.

 Введение

 Прогноз фазового состояния осадков в холодный период года является одной из задач дежурных синоптиков. Данное методическое пособие подготовлено для использования в оперативной работе, при проведении техучебы и стажировке специалистов, поступающих на должность синоптика. В нем обобщены  и в табличном виде представлены  метеорологические условия для прогнозирования фазового состояния осадков (Табл. 1),  кроме того излагаются  общие метеорологические и синоптические условия выпадения мокрого снега и налипания мокрого снега, а также этапы прогноза выпадения и отложения мокрого снега и фазового состояния осадков в целом с помощью Номограммы (Рис.1), разработанной ранее в ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС».

Анализ зимних явлений в градации ОЯ за период 2005-2012гг показал, что на территории деятельности ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС» наиболее часто повторяющимся явлением в этот период года является сильное налипание мокрого снега. Опасность налипания снега состоит в увеличении статических механических нагрузок на провода и опоры воздушных линий (ВЛ) электропередач, что вызывает аварийные отключения ВЛ из-за их повреждений. При действии сильных порывистых ветров на провисающие под влиянием массы мокрого снега провода наблюдаются схлестывания проводов разных фаз, а также проводов с грозотросами, падение опор, деревьев, что в целом приводит к значительным нарушениям жизнедеятельности обширных районов.

Отсутствие методик прогнозирования диаметра отложений мокрого снега существенно осложняет заблаговременное   прогнозирование данного явления в градации ОЯ.  В помощь синоптику-прогнозисту был проведен анализ и типизация синоптических ситуаций и метеорологических условий, при которых на территории деятельности ФГБУ   «Центрально-Черноземное УГМС» наблюдалось ОЯ - сильное налипание мокрого снега. За 8 ми-летний период  рассмотрены синоптические ситуации у поверхности Земли и на высотах – от 500 м до 5 км,  а также выявлены дополнительные метеорологические условия, при которых в 12 случаях (Табл. 2) отмечалось данное ОЯ. 

Для изучения и получения практических навыков прогнозирования в Приложении представлены синоптические и аэрологические материалы,  подготовленные из электронных архивов, создаваемых в ОМП Центра по гидрометеорологии ФГБУ  «Центрально-Черноземное УГМС» , а также данные о фактической погоде.

Данное методическое пособие может найти практическое применение не только в прогностических подразделениях ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС», но и у других прогнозистов.

 Определение фазового состояния осадков и явлений, связанных с ними

Таблица 1.

Фазовое состояние осадков

 Фазовое состояние осадков (дождь или снег) зависит, в основном, от высоты изотермической поверхности 0 ºС и температуры воздуха у поверхности земли.

Снег  (твердая фаза) наблюдается, когда температура во всей толще тропосферы,  от земли до верхних слоев,  отрицательная.

Если осадки, начавшие выпадать в виде ледяных кристалликов/снежинок, проходят через расположенный ниже слой теплого воздуха, толщина которого достаточна для того, чтобы они растаяли, они превращаются в водяные капли. Если теплый слой воздуха простирается до поверхности земли, осадки так и продолжают падать в виде дождя.

Если толщина слоя холодного воздуха, в который затем попадают капли, продолжая падать вниз, большая, то они успевают покрыться ледяной оболочкой, образуется ледяной дождь. Образование ледяного дождя происходит чаще всего в зонах теплых атмосферных фронтов, когда в нижней тропосфере имеется инверсия температуры, при этом до высот 1-2 км существует слой воздуха толщиной в несколько сот метров с положительной температурой, а температура воздуха у поверхности Земли остается отрицательной. Выпадающие из облаков твердые осадки в теплом слое воздуха частично или полностью тают, превращаясь в дождь, а затем в холодном воздухе, прилегающем к поверхности земли, капли дождя охлаждаются, покрываются ледяной коркой и представляют собой своеобразные ледяные шарики, зачастую содержащие внутри незамерзшую воду. При падении на поверхности и предметы шарики разбиваются и вытекающая вода, замерзая при отрицательной температуре, образует гололед. Ледяной дождь отличается от ледяной крупы полным отсутствием непрозрачного белого ядра.

Если слой холодного воздуха относительно тонкий и расположен у поверхности Земли, то капли дождя, попадая в него, становятся переохлажденными, но не успевают замерзнуть до тех пор, пока не соприкоснутся с холодной поверхностью Земли, проводов, веток деревьев и т.д. Это - переохлажденный дождь. В зоне, где отмечаются переохлажденный дождь и ледяной дождь, образуется гололед, который представляет собой ледяную корку, как на горизонтальных, так и на вертикальных поверхностях. Если температура повышается до положительных значений, нарастание гололеда прекращается, и он быстро разрушается. Если температура не переходит в «+», то гололед может сохраняться очень долгое время на проводах, ветках деревьев, на вертикальных поверхностях.

Мокрый снег выпадает при приземной температуре от -2º до + 2º, но чаще всего -   от 0º до +2°, когда снежинки частично подтаивают или когда вместе со снегом выпадает дождь. Снежинки мокрого снега обычно слипаются в хлопья. Тающий снег накапливается вследствие липкости на предметах. В этих условиях довольно интенсивно идут разнообразные процессы внутри снега, кроме подтаивания - замерзание, испарение и кристаллизация. Именно они приводят к образованию связей между упавшими снежинками и поверхностью предметов, а также между самими снежинками. Первые снежинки подтаивают, слипаются и примерзают к предметам, образуя на них тонкую наледь. Следующие снежинки примерзают уже к этой наледи, нередко формируя интенсивные отложения мокрого снега. Ситуация бывает и более сложной, когда на покрытые ранее гололедом поверхности налипает мокрый снег, в результате чего образуются так называемые «сложные отложения».

Особенности термической структуры нижнего полутора километрового слоя тропосферы существенно отличают ситуации выпадения мокрого снега от ситуаций выпадения жидких переохлажденных осадков и гололедообразования. Для последних необходимо наличие слоя воздуха с положительными температурами, но расположенного не у поверхности Земли (в этом случае жидких переохлажденных осадков не будет), а на вышележащих уровнях, а при выпадении мокрого снега - более холодный воздух находится над слоем более теплого воздуха. Здесь все зависит от температуры у поверхности Земли и скорости ее понижения с высотой. Эти два фактора определяют толщину слоя с положительной температурой:

 а) температура у поверхности Земли небольшая, но понижается с высотой медленно. В этом случае нужна значительная толщина слоя с положительной температурой, чтобы снег полностью растаял;

б) температура у поверхности Земли выше, но с высотой она быстро понижается, снег успевает растаять при меньшей толщине слоя.

                Если толщина слоя с положительной температурой менее 60 м, то почти 90% осадков будут выпадать в виде снега. Если высота слоя с положительной температурой около 275 м, то примерно половина осадков будет снегом, а половина – дождем. Если высота слоя с положительной температурой окажется выше 300 м, то вероятность выпадения снега будет меньше 50%.

Фактически, в каждой конкретной синоптической ситуации, в зависимости от особенностей вертикального распределения температуры, относительной влажности воздушных масс, скорости перемещения и протяженности фронтальной зоны и т.д., возможны различные отступления от приведенных схем.

 Краткая характеристика метеорологических условий  выпадения мокрого нега

 Мокрый снег формируется в различных частях барического поля при разнообразных  синоптических ситуациях (при приземной температуре от - 2º до + 2º) и выпадает практически лишь в зонах атмосферных фронтов (в 99% случаев).

                Вероятность выпадения мокрого снега  наибольшая (85-90%) в зоне тех фронтов,   вблизи приземной линии  которых проходят  изотермы  интервала 0 - плюс 2ºС.

Для ситуаций выпадения мокрого снега характерны следующие особенности термической структуры нижнего, полутора километрового слоя тропосферы:

наличие теплого (с положительными температурами) слоя, небольшой мощности (500м и менее), прилегающего к поверхности Земли.

2. отсутствие теплых слоев на вышележащих уровнях.

3. отсутствие, как правило, в нижнем 500-метровом слое инверсионного хода температуры, вследствие чего температура воздуха у поверхности Земли, наиболее высокая во всем пограничном слое атмосферы - в диапазоне 0º -  плюс 2º.

4. температура на уровне 500м (~ 925гПа), чаще всего, ниже 0º, но выше минус 3º.

 Синоптические условия   налипания  мокрого снега во многом сходны с условиями его выпадения

 Отложение мокрого снега происходит в зоне любого типа фронта: теплого, холодного, окклюзии и вторичного холодного фронта, при этом

   - в зонах малоподвижных фронтов - 53%;

   - быстро смещающихся фронтов  - 47%.

 Факторы, влияющие на формирование налипания мокрого снега

 При незначительных положительных температурах воздуха падающий снег обычно  не обладает существенной липкостью. При повышении температуры до 1º  снег становится влажным и более липким. Одновременно с ним  выпадает лишь незначительное количество мелких капель дождя.  При температуре около  +0,4….+0,7° на предметах отложение мокрого снега растет наиболее быстро и может достигнуть разрушительных размеров.

При усилении таяния снежинок на пути падения (что не обязательно связано с высокой температурой, но чаще — с большой мощностью теплого слоя воздуха и большой влажностью) наступает момент, когда образовавшиеся в обилии капли дождя начинают смывать снежинки с предмета и мокрый снег прекращает налипать на него.

Таким образом, температурными границами роста налипшего снега обычно является узкий интервал между 0 и +1°, но иногда тающий снег удерживается на вертикальных поверхностях и при более высокой температуре. Чем температура воздуха выше 1°, тем слабее прилипание. При температуре выше +2° снег практически не прилипает, но быстро тает. Конечно, кроме температуры, имеет значение и относительная влажность: чем она выше, тем меньше охлаждаются снежинки вследствие испарения и тем сильнее влияние положительной температуры.

Слабый ветер способствует накоплению мокрого снега на проводах и сучьях деревьев, а сильный  ветер сдувает с них влажный снег.

Сильный ветер способствует налипанию снега на вертикальных поверхностях,   при затишье налипания на них не происходит. На доступных ветру вертикальных частях предметов снег часто налипает слоем толщиной, близкой к высоте его покрова на горизонтальных поверхностях. При больших скоростях ветра (вплоть до 15-17м/с) быстрота оседания мокрого снега на вертикальных поверхностях даже превосходит быстроту образования снежного покрова на почве.

Для последующего сохранения покрова налипшего снега тип погоды имеет большое значение. Если после снегопада теплеет, то снег быстро стаивает и сваливается с предметов - имеет место кратковременное обледенение, особенно при усилении ветра, который механически сбрасывает отложения снега и приносимым теплом ускоряет его стаивание. Если после образования покрова наступает похолодание, то мокрый снег замерзает и образует один из самых тяжелых видов обледенения. Поэтому теплофронтовые мокрые снегопады (сопровождаемые потеплением) менее опасны, чем холоднофронтовые (сопровождаемые похолоданием), тем более что ливневые снегопады обычно состоят из более крупных хлопьев и более интенсивны.

Образование замерзшего, оледенелого снега проходит две стадии:

1) налипание мокрого снега при положительной температуре;

2) замерзание покрова мокрого снега при наступлении мороза.

Они позволяют различать два самостоятельных вида обледенения:

1) налипший влажный снег;

2) замерзший оледенелый снег.

Первый вид отложения характерен своей неустойчивостью: происходит либо его нарастание - при влажном снегопаде, либо его разрушение - при его прекращении или изменении температуры и влажности.

Второй вид отложения характерен своей устойчивостью: налипший снег мало увеличивается в размере и устойчиво удерживается на предметах даже при сильном ветре и поэтому более опасен.

 Этапы прогноза выпадения и отложения мокрого снега

 1. В соответствии с выше предложенными условиями оценивается вероятность выпадения мокрого снега. Рассматривается  ожидаемое положение фронтальных разделов и связанных с ними зон осадков.  Наиболее вероятно выпадение мокрого снега в зоне тех фронтов, вблизи приземной линии которых проходят изотермы интервала  0º… + 2ºС.  Этим фронтальным разделам должно быть уделено наибольшее внимание.

2. Следующий этап включает две задачи - составление альтернативного краткосрочного прогноза выпадения мокрого снега и оценку возможности отложения (налипания) мокрого снега в очагах его выпадения  с помощью Номограммы (Рис 1).

Для нескольких точек в различных частях ожидаемой зоны фронтальных осадков рассчитываются (определяются) прогностические значения температуры воздуха у поверхности Земли То и на уровне 850 гПа - Т850. Например, при использовании прогностических карт по численной модели Брекнелла (ГИС МЕТЕО) определяются будущие значения температуры воздуха через каждые 6 часов с заблаговременностью до 48 ч и далее через 12 часов – с заблаговременностью до 72 часов.  Положение точки       (по исходным значениям  То и Т850) на Номограмме, по отношению к указанным на ней зонам осадков различного фазового состояния, позволит решить одновременно обе задачи - прогноза выпадения мокрого снега и оценки возможности его отложения.

Как показала практика, успешность прогнозов выпадения мокрого снега в соответствии с  Номограммой не достаточно высокая. Поэтому для оценки вероятности выпадения мокрого снега дополнительно следует  использовать прогностические значения температуры воздуха на АТ 925гПа.  При  этом следует иметь в виду, что вероятность выпадения мокрого снега снижается, при прочих положительных условиях, если температура воздуха на АТ 925 ожидается ниже минус 3º.

Кроме того, дополнительные возможности в решении вопроса о вероятности выпадения мокрого снега и его налипания дает информация на http://www.ogimet.com/gramet_meteo.phtmlи анализ прогностической кривой распределения температуры воздуха в пограничном слое для предполагаемого района возникновения явления на   http://meteo.paraplan.net/forecast/, а также построенной с помощью компоненты «прогностический зонд» на ГИС МЕТЕО . 

Важную роль в оценке будущего развития синоптической ситуации и ожидаемого фазового состояния осадков играет сопоставление ожидаемой по фактическим картам АТ 925, 850 в пункте прогноза температуры воздуха в результате построения будущих траекторий воздушных частиц и прогностических данных полей температуры по численной модели Брекнелла. В частности, когда на фактических картах  АТ 925, 850 при активном циклогенезе по прогностическим траекториям перемещения воздушных частиц ожидается значительная адвекция тепла, особенно если предполагается перемещение в район прогноза тропической воздушной массы, а по прогностическим данным Брекнелла  в соответствующий срок ожидается температура воздуха значительно ниже, то это является косвенным признаком  значительного осадкообразования, как правило, в результате активного окклюдирования.

Таким образом, учитывая необходимые условия и сопоставляя ожидаемую Брекнеллом по всем прогностическим срокам температуру воздуха от поверхности земли до уровня 850гПа, также проводится прогнозирование фазы осадков и ее изменений, в частности мокрого снега и его налипания.

Однако наибольший интерес представляет прогнозирование налипания мокрого снега в градации ОЯ.  Этому посвящен представленный далее анализ, полученные выводы и схема прогнозирования налипания мокрого снега в градации ОЯ.

Анализ случаев  возникновения  налипания мокрого снега в градации ОЯ

на территории  деятельности ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС»

( 2005-2012гг.)

 Для выявления некоторых особенностей формирования налипания мокрого снега на территории деятельности Центрально-Черноземного УГМС в градации ОЯ - диаметром 35-58 мм,  за период 2005-2012 гг. были рассмотрены 12 случаев (Табл. 2 Приложения), которые отмечались наблюдательной сетью: из них 1 случай – за 2005 г., 6 случаев  – за 2007 г.,   2 случая - за 2009 г., 3 случая за 2012 г..  В остальные годы рассматриваемого периода налипание мокрого снега в градации ОЯ не наблюдалось.

По месяцам самый ранний случай ОЯ был отмечен в конце октября – 31.10.2012 г. в Орловской области (с учетом локального случая в Курской области – это 28.10.2010 г.), а самый поздний – в начале мая – 2.05.2007 г., также в Орловской области.

Повторяемость данного явления по Орловской области составила 42% - 5 случаев;  по Воронежской области – 25%, 3 случая;  по Курской и Липецкой областям  - 17%,       по 2 случая. 

Таким образом, наибольшая повторяемость налипания мокрого снега (ОЯ) – почти половина случаев, отмечена в Орловской области. Часто подвержены опасности возникновения данного ОЯ Воронежская,  Липецкая и Курская области. По Брянской, Белгородской и Тамбовской областям в 8-ми летний анализируемый период данное ОЯ не отмечалось.

Как показал анализ, данные ОЯ  в 8 случаях (67%) возникали в ночные с сохранением и в утренние часы и в 4 случаях (33%) – возникали утром или днем.

Синоптические условия  налипания мокрого снега  в градации ОЯ

на территории деятельности ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС»

 Анализ синоптических ситуаций показал, что во всех случаях над территорией Центрально-Черноземного УГМС наблюдался активный циклогенез, сопровождавшийся  процессом окклюдирования.

 В средней тропосфере (700, 500 гПа):

- основные циклоны или углубляющиеся  ложбины  перемещались в регион с запада или северо-запада;

- в большинстве случаев  отмечалась передняя теплая часть циклона или ложбины, при этом центр основного циклона располагался, как правило, севернее Центрально-Черноземного региона;

- 15.02.2009г. – погоду региона определяла передняя часть глубокой ложбины, ось которой  была направлена с севера Скандинавии на юг Балканского п-ова. 

В нижней тропосфере   (925, 850 гПа):

-  практически во всех случаях в пограничном слое вблизи района возникновения ОЯ наблюдалось образование небольших по площади частных циклонов при активных процессах окклюдирования.

У поверхности Земли  - ОЯ наблюдались в зоне атмосферных фронтов:

-  в большинстве случаев (83%)  - на фронтах окклюзии; 

- в отдельных случаях  (17%) - на  теплых фронтах. 

В ряде случаев, при подготовке материалов для анализа, извлеченных из электронных архивов, была осуществлена корректировка приземных фронтов,  проведенных в оперативном режиме. Это подтверждает важность правильного проведения фронтального анализа синоптиком для успешного прогнозирования ОЯ. 

Метеорологические условия  налипания мокрого снега в градации ОЯ

на территории деятельности ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС»

Температура воздуха -  на АТ-850 составляла, в основном,  - 4º…-6°,  на АТ-925 – от + 2º, до - 5º, но следует  учитывать, что сроки зондирования и формирования явления не всегда были синхронными. 

У поверхности Земли   температура воздуха в начале возникновения явления - налипания мокрого  снега в  11 случаях из 12 составляла  0,0º…+0.9º, при достижении максимального размера - возникновении ОЯ -  от –1.5º до +0,6º. Случай от 10.02.2007г. не учитывался, т.к. его можно отнести к сложному отложению и температурный диапазон отличался от условий формирования налипания мокрого снега.  Максимальная скорость ветра не превышала 4-9 м/с.

Важным выводом   явилось следующее: количество выпадавших осадков за период формирования ОЯ достигало 6-15мм,  лишь в 1 случае (14.03.2005г.) в Ельце Липецкой области  составило  5мм.

Практические рекомендации  для прогнозирования

налипания мокрого снега в градации ОЯ

на территории деятельности ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС»

             После общей оценки синоптических и метеорологических условий выпадения мокрого снега и вероятности его налипания, дополнительно анализируются условия, при которых возможно  сильное налипание мокрого снега и делается вывод о возникновении  ОЯ, при этом необходимо уделить особое внимание процессам мезомасштаба, ожидаемым над конкретным районом, учесть особенности рельефа и повторяемость данного явления.

             При этом следует учитывать, что начало явления налипания мокрого снега происходит, чаще всего, при температуре воздуха у поверхности земли  от 0º до  + 0.4º,  реже при более высокой температуре  (+ 0.5º…+ 1.0º) ,  а достижение диаметра величины ОЯ зависит от продолжительности и интенсивности выпадения осадков при благоприятной температуре воздуха у земли и в пограничном слое с учетом скорости приземного ветра.

 1. Проводится дополнительный анализ синоптических условий в нижней, а затем и средней тропосфере и выявляются условия, когда в зоне значительных температурных контрастов ожидается активный циклогенез с образованием в углубляющейся ложбине частного циклона, с интенсивным процессом окклюдирования, при этом предполагается взаимодействие тропической ( температура на поверхности    850гПа ≥ 0º),  умеренной,  возможно и арктической воздушных масс                                           ( 0º> температура на поверхности  850 гПа ≥ - 15º).

 2. Проводится дополнительный анализ синоптических и метеорологических условий у поверхности земли.   В зоне фронта окклюзии  (или другого фронта) следует выделить район, где ожидается процесс значительного выпадения мокрого снега –  более 5 мм за период менее 12 часов и у поверхности земли наблюдается (ожидается) температура в среднем диапазоне  0…+1º, а на уровне 925 гПа  не ниже минус 2º .

                При выявлении выше перечисленных условий следует ожидать налипание мокрого снега в градации ОЯ.

 Приложение

Таблица 2