Шквалы над территорией России: механизмы формирования, сопутствующие экстремальные явления, диагностика и моделирование

Проект направлен на теоретическое, модельное, экспериментальное исследование шквалов как экстремальных атмосферных явлений, и сопутствующих им пыльных бурь, случающихся над территорией России. Динамику и генезис этих экстремальных явлений в значительной степени определяют конвективные механизмы, термическая конвекция (термики), циркуляционные структуры различного пространственного и временного масштабов: мезомасштабная и субмезомасштабная валиковая циркуляция (роллы и стрики, соответственно). Образование пыльных бурь на линии шквалов неразрывно связано с полем скорости ветра, которое, в свою очередь, зависит от пространственно-временного распределения и генезиса вихревой циркуляции в атмосферном пограничном слое (АПС). На продолжительность, видимость, высоту подъема пыли в атмосферу помимо скорости ветра влияют процессы эмиссии и переноса пылевого аэрозоля перечисленными вихревыми структурами с последующим образованием пылевых слоев близ верхней границы АПС, а также турбулентность АПС. Шквалы - резкое усиление ветра в течение короткого времени, сопровождающееся изменениями его направления, представляют особую опасность за счет своего локального, внезапного характера, осложняющего прогноз. Шквал обычно длится несколько минут, захватывает узкую полосу в несколько сотен метров, но обладает значительной разрушительной силой, наносящей ощутимый ущерб экономике и населению. Кроме того, шквалы, как правило, сопровождаются осадками в виде ливневого дождя и града, либо пыльными бурями. Шквалы и сопутствующие им пыльные бури нарушают нормальную работу транспорта (в особенности авиационного), точных приборов и оборудования, отрицательно сказываются на сельскохозяйственном потенциале регионов, оказывают значительное влияние на региональный и глобальный климат и на здоровье человека. Важно понять динамическую и физическую структуру экстремальных явлений и разработать методы предупреждения людей о надвигающихся опасностях. В результате работы по проекту рассмотрены условия формирования, проведено теоретическое и численное моделирование указанных экстремальных явлений и циркуляционных структур, в том числе с использованием нелинейной квазидвумерной модели, открытой негидростатической мезомасштабной модели WRF-ARW и вихреразрешающей модели WRF-LES, модели WRF-Chem и новой адаптированной модели атмосферного пограничного слоя. Показано, что увеличение мощности вычислительных ресурсов тем не менее не ведет к повышению качества как самого моделирования, так и его прогнозных возможностей. Одной из основных причин является недостаточное знание и понимание субмезомасштабных процессов в атмосферном пограничном слое, происходящих в «серой зоне» атмосферных моделей, и средств измерения и, плохо параметризуемых. Другая причина связана со структурой самих модельных уравнений, неполной ортогональности систем их собственных функций и интенсификации при определенных условиях быстро растущих т.н. оптимальных возмущений (сингулярных векторов), увеличивающих уровень ошибок. Учет структур небольших масштабов, циркуляционных и конвективных, при моделировании атмосферного пограничного слоя для нелинейных нестационарных параметризаций является принципиально новым моментом данного исследования. Помимо этого в проекте впервые на новой адаптированной модели АПС будет исследовано взаимное влияние циркуляционных структур, турбулентности и шквалов и сопутствующих им пыльных бурь. Исходя из вышеизложенных соображений, сформулирована основная научная проблема, на решение которой направлен Проект: комплексное исследование диагностических и прогностических характеристик, а также механизма формирования шквалов и сопутствующих им пыльных бурь. Данная проблема включает в себя исследование пространственно-временной структуры, динамики и механизмов формирования вихревой циркуляции, в частности, когерентных структур различных масштабов и термической конвекции, в атмосферном пограничном слое (АПС), процессов влияния таких с труктур на динамику шквалов, процессов эмиссии и переноса пылевого аэрозоля этими вихревыми структурами с последующим образованием пылевых слоев близ верхней границы АПС, исследование генезиса пыльных бурь на линии шквалов и их основных диагностических и прогностических характеристик, а также динамики и структурных особенностей атмосферы в контексте турбулентности. Настоящий Проект представляет собой комплекс системных экспериментальных (анализ натурных данных, проведение измерений), теоретических и модельных исследований. Детальный анализ таких процессов, адекватное их понимание и моделирование во многом определяет качество атмосферных моделей, систем диагностики и предупреждения экстремальных явлений. Итоги выполнения проекта входят в создание теоретических основ современной системы комплексного мониторинга структуры и пространственно – временных вариаций состояния атмосферы на различных высотных уровнях с использованием интегрированных дистанционных методов и новейших технологий зондирования для последующих прогнозных оценок состояния атмосферы и её климатических изменений.