168 ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2020. № 6. С. 168–172.
И. И. Мохов,1, 2, а В. П. Юшков,1 А. В. Тимажев,2 Б. А. Бабанов1
1 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра физики атмосферы.
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
2 Институт физики атмосферы имени А. М. Обухова РАН. Россия, 119017, Москва, Пыжевский пер., д. 3.
Поступила в редакцию 09.10.2020, после доработки 26.10.2020, принята к публикации 31.10.2020. Представлены результаты анализа детальных измерений скорости ветра во время сильнейших
шквалов в Москве 29 мая 2017 г. и 21 апреля 2018 г. Впервые в московском регионе отмечено
достижение в шквалах ураганной скорости ветра для приземного слоя. С использованием кросс-вейвлетного анализа выявлены особенности когерентных изменений разных компонентов скорости ветра в связи экстремальными шквалами. Отмечены особенности, свидетельствующие о возможности прогностических оценок риска экстремальных шквалов.
Ключевые слова : сильнейшие шквалы в Москве, ураганная скорость ветра, приземный слой. УДК: 551.5. PACS: 92.10.ak, 92.60.-e.
Цель настоящей работы — анализ особенностей ветрового режима во время сильнейших шквалов в Москве в 2017 г. и 2018 г. Подобные внезапные локальные явления чреваты серьезнейшими негатив- ными социально-экономическими последствиями [1]. Повторение очень редких в московском регионе экс- тремально сильных шквалов с интервалом меньше года может быть индикатором происходящих регио- нальных погодно-климатических изменений.
Шквалы относятся к опасным атмосферным яв- лениям, характеризуемым резким усилением ветра с изменением его направления в течение короткого времени — до десятков секунд. Особая опасность связана со шквалами — сильными и резкими по- рывами ветра, проявляющимися на фоне относи- тельно слабого ветра, с усилением скорости ветра до значений, значительно превосходящих скорость градиентного ветра в регионе. Шквальная скорость ветра у поверхности может достигать и превышать
30 м/c. Сравнительно узкая полоса в несколько десятков километров со шквальным ветром может перемещаться в течение нескольких часов. Шквалы часто связаны с атмосферными вихрями с горизон- тальной осью в зоне атмосферных фронтов [1, 2].
Генезис ветровых шквалов отличается широким многообразием (в том числе шквалы на холодном фронте, в мощных циркуляционных системах, оро- графические шквалы типа боры, шквалы на границе суша—море и др.). В данной работе анализируют- ся структурные особенности очень редких мощных шквалов с использованием высокоточных измерений ветровой изменчивости.
Для анализа использовались данные измерений скорости ветра ультразвуковым анемометром (50 Гц) во время сильнейших шквалов в Москве 29 мая 2017 г. и 21 апреля 2018 г. на Воробьевых (Ле- нинских) горах (55◦42100.2811 N; 37◦31145.3011 E)
а E-mail: mokhov_ii@physics.msu.ru
на высоте 15 м над крышей физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова — на высоте 50 м над поверхностью [3, 4]. Использовался ультразвуковой анемометр METEK USA-1 в специальном исполне- нии (Scientific) с частотой дискретизации измерений 50 Гц.
Для оценки взаимосвязи разных компонент ско- рости ветра использовался кросс-вейвлетный анализ аналогично [5] (см. также [6]).
На рис. 1 представлены изменения зонально (U) и меридионально (V) ориентированных компонент ветра, а также вертикальной скорости (W) в течение 3 ч (14–17 ч) 29 мая 2017 г. по измерениям на кры- ше физического факультета МГУ. Самый сильный шквал с ветром ураганной силы (более 33 м/с) был зарегистрирован в 15 ч 39 мин.
Вейвлет-анализ выявил циклические особенности вариаций ветра — с типичными периодами около
40 мин, 20 мин и более короткими периодами (с периодом около 4 мин или менее). Было отмечено качественное изменение спектральной структуры ди- намики ветра после сильного шквала в 15 ч 39 мин. Кросс-вейвлетный анализ взаимных вариаций раз- личных компонент ветра выявил значимое изменение их когерентности после сильного шквала.
Рис. 2 характеризует локальную когерентность U- и V-компонент в течение трех часов (14–17 ч)
29 мая 2017 г. Согласно рис. 1 сильный шквал в 15 ч 39 мин инициировал цепочку когерентных изменений U- и V-компонент скорости ветра с воз- растающим характерным периодом. Эти вариации характеризуются положительной корреляцией. От- мечено начало проявления значимой когерентности для вариаций U- и V- компонент с периодами около 20–30 мин примерно за час до рекордного шквала в 15 ч 39 мин. Эти вариации характеризуются от- рицательной корреляцией. Значимая когерентность вариаций U- и V-компонент с периодами около получаса проявлялась достаточно долго (не менее двух часов). Полученные результаты свидетельству- ют о потенциальных прогностических возможностях при оценке риска экстремальных шквалов.
20 a
10
0
-10
14:00 | 14:30 | 15:00 | 15:30 | 16:00 | 16:30 | 17:00 |
40 | | | | | | |
30 | | | | | | |
20 | | | | | | |
10 | | | | | | |
-20
0 
-10
14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00
20
10
0
-10
-20
14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00
Рис. 1. Вариации зонально (а) и меридионально (б) ориентированных компонент ветра (м/с), а также вертикальной скорости (в) по данным измерений в течение 3 ч (14–17 ч) 29 мая 2017 г.
a
20
10
0
-10
15:30
40 | 16:00 | 16:30 | 17:00 | 17:30 | 18:00 | 18:30 |
30 | | | | | | |
20 | | | | | | |
10 | | | | | | |
0 | | | | | | |
15:30 | 16:00 | 16:30 | 17:00 | 17:30 | 18:00 | 18:30 |
10 | | | | | | |
-20
5
0
-5
-10
15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30
Рис. 3. Вариации зонально (а) и меридионально (б) ориентированных компонент ветра (м/с), а также вертикальной скорости (в) по данным измерений в течение 3 ч (15.30–18.30 ч) 21 апреля 2018 г.
Аналогичный анализ выполнен по измерениям
21 апреля 2018 г., когда во время сильнейшего шквала (в 17 ч 4 мин) был зарегистрирован ветер ураганной силы. Как и в мае 2017 г., сильный ветер в Москве в апреле 2018 г. был связан с прохождени- ем атмосферного фронта.
На рис. 3 показаны изменения зональной (U) и меридиональной (V) компонент ветра, а также вертикальной скорости (W) по данным измерений в течение 3 ч (15.30–18.30 ч) 21 апреля 2018 года. Наиболее сильные колебания были отмечены во время шквала в 17 ч 4 мин для V-компонента вплоть до значений скорости урагана (33 м/с и больше). Вейвлет-анализ выявил циклические изменения ком- понент ветра в течение анализируемого 3-часового интервала времени — с периодами около 50–60 мин и с более короткими периодами. С использованием кросс-вейвлетного анализа отмечены значимые из- менения взаимных вариаций различных компонент ветра.
Рис. 4 характеризует локальную когерентность U- и V-компонент в течение трех часов (15.30–18.30 ч) 21 апреля 2018 г. Сравнение двух сильных шквалов в Москве в 2017 г. и 2018 г. выявило существенные различия. В связи со шквалом 21 апреля 2018 г. отмечена значимая когерентность долгопериодных вариаций U и V (с отрицательной корреляцией) с периодами около 1 ч и больше. В связи со шквалом 29 мая 2017 г. столь значимой когерентности долго- периодных вариаций U и V не было отмечено.
Шквал 29 мая 2017 г. положил начало цепочке когерентных изменений U- и V-компонент скорости ветра с положительной корреляцией и с увеличением характерного периода (рис. 2). Подобная тенденция проявилась и в связи со шквалом в 2018 г., но она менее выражена.
Со шквалами 2017 г. и 2018 г. связаны максимумы в вейвлет-спектрах всех 3 компонент скорости ветра. При этом проявляются заметные различия, в част- ности для флуктуаций вертикальной скорости ветра. При шквале 2018 г. более значимо проявились более долгопериодные флуктуации вертикальной скорости ветра с характерными временами около часа и более. При шквале 2017 г. более значимо проявились флук- туации вертикальной скорости ветра с характерными временами около 40 и 20 мин.
В шквалах ветра, связанных с атмосферным фрон- том, в мае 2017 г. и апреле 2018 г. отмечено достиже- ние и превышение ураганной скорости ветра 33 м/с на уровне высот приземного слоя — на высоте 50 м над поверхностью — на крыше здания физического факультета МГУ. Согласно [2] ураганная скорость ветра в московском регионе в обозримом прошлом не отмечалось ни на одной наземной станции. По измерениям в метеорологической обсерватории МГУ (прибором М-63) рекордная скорость ветра достига- ла 28 м/с, это отмечалось с конца 1975 г. дважды — 25 июня 1984 г. и 29 мая 2017 г. [7]. При этом выше приземного слоя в пределах планетарного погра- ничного слоя скорость ветра в московском регионе достигала ураганной. В частности, 29 мая 2017 г. скорость ветра в атмосфере Москвы на высоте 480 м по содарным измерениям достигала 33.7 м/с [2].
Формирование в пределах интервала менее года в московском регионе сильнейших шквалов с рекорд- ными скоростями ветра в нижнем слое атмосферы, впервые по данным наземных измерений достигших и превысивших скорость ураганного ветра на вы- сотах приземного слоя, может быть индикатором региональных погодных и климатических изменений. Следует отметить, что при климатических измене- ниях последних десятилетий проявляется тенденция уменьшения статической и конвективной устойчиво- сти атмосферы [8–10]. Это способствует увеличению вероятности формирования в атмосфере явлений типа шквалов и смерчей. Оценки с использованием данных реанализа и модельных расчетов подтвер- ждают это [11].
Результаты проведенного анализа свидетельству- ют о потенциальных прогностических возможностях в оценке риска экстремальных шквалов. Для более детальной диагностики необходимы соответствую- щие согласованные исследования региональной вет- ровой динамики на разных уровнях в атмосфере в пределах планетарного погранслоя и выше. Для полноты системы атмосферного мониторинга целе- сообразно развивать взаимосвязанные исследования различных атмосферных переменных с анализом особенностей изменчивости различных компонент скорости ветра, включая вертикальную скорость, а также флуктуаций давления и температуры.
Данная работа выполнена в рамках проекта РНФ (№ 19-17-00240). Измерения пульсаций скорости ветра проводились в рамках проектов РФФИ (№ 18- 08-00074, № 19-05-00028).
Гидрометеорологические опасности / Г. С. Голицын, А. А. Васильев (ред.). М., 2001.
Эколого-климатические характеристики атмосферы Москвы в 2017 г. по данным метеорологической обсер- ватории МГУ им. М. В. Ломоносова / М. А. Локощенко (ред.). М., 2018.
Mokhov I. I., Timazhev A. V., Yushkov V. P. Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling / E. Astakhova (Ed.). 2018. Rep. 48. S. 2. P. 21.
Mokhov I. I., Yushkov V. P., Timazhev A. V., Baba- nov B. A. // Research Activities in Earth System Modelling / E. Astakhova (Ed.). 2020. Rep. 50. S. 2. P. 13.
Grinsted A., Moore J. C., Jevrejeva S. // Nonlinear Processes in Geophysics. 2014. 11. P. 561.
Мохов И. И., Смирнов Д. А., Карпенко А. А. // Докла- ды АН. 2012. 443, № 2. С. 225.
Эколого-климатические характеристики атмосферы Москвы в 2018 г. по данным метеорологической обсер- ватории МГУ им. М. В. Ломоносова / М. А. Локощенко (ред.). М., 2019.
Мохов И. И. // Изв. АН СССР. Физикa aтмocфepы и oкeaнa. 1983. 19, № 9. С. 913.
Мохов И. И., Акперов М. Г. // Изв. РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaнa. 2006. 42, № 4. С. 467.
Мохов И. И. // Изв. РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaнa.
2020. 56, № 4. С. 1.
Чернокульский А. В., Курганский М. В., Мохов И. И. // Доклады РАН. 2017. 477, № 6. С. 722.
Squalls with a Hurricane Wind in Moscow
I. Mokhov1,2,a, V. P. Yushkov1, A. V. Timazhev2, B. A. Babanov1
1Chair of Atmospheric Physics, Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University. Moscow 119991, Russia.
2Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS. Moscow 119017, Russia. E-mail: amokhov_ii@physics.msu.ru.
The results of an analysis of detailed wind speed measurements during the heaviest squalls in Moscow on May 29, 2017, and April 21, 2018, are presented. The hurricane wind speed was detected in the surface layer in squalls in the Moscow region for the first time. Features of coherent changes of different wind speed components due to extreme squalls have been revealed using cross-wavelet analysis. The features that indicate the possibility of predictive risk assessments of extreme squalls are noted.
Keywords: heaviest squalls in Moscow, hurricane wind speed, surface layer. PACS: 92.10.ak, 92.60.-e.
Received 09 October 2020.
English version: Moscow University Physics Bulletin. 2020. 75, No. 6. Pp. 712–716.
Сведения об авторах
Мохов Игорь Иванович — доктор физ.-мат. наук, профессор, академик РАН, зав. кафедрой, научный руководитель Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН; тел.: (495) 939-38-06, (495) 951-55-65, e-mail: mokhov_ii@physics.msu.ru, mokhov@ifaran.ru.
Юшков Владислав Пролетарьевич — канд. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (495) 939-15-41, e-mail: yushkov@phys.msu.ru.
Тимажев Александр Владимирович — мл. науч. сотрудник; тел.: (495) 951-53-87, e-mail: timazhev@ifaran.ru.
Бабанов Борис Андреевич — студент; тел.: (495) 939-15-41.