История и развитие прогнозирования штормового ветра, включая шквалы и смерчи, для территории европейской части России

История изучения возникновения сильных штормовых ветров начинается с тех давних пор, когда наши предки отважились выходить в открытое море на парусных судах. Опыт многолетних наблюдений передавался из одного поколения мореплавателей в последующие с целью заблаговременного предупреждения явлений, грозящих разрушением судов и гибелью команды. Изучение и анализ очень сильных ветров и на море, и на суше показал, что их возникновение связано с образованием мощной кучево-дождевой облачности. Заблаговременное предсказание образования такой облачности, зависящей от сочетания многих параметров атмосферы и подстилающей поверхности, является до настоящего времени достаточно сложной и актуальной задачей.
В настоящем докладе мы не будем касаться прогнозирования штормового ветра в тропических циклонах. На спутниковых картах тропические циклоны (достаточно большие вихри) хорошо идентифицируются по мощной спиральной облачности, имеющей в центре небольшое безоблачное пространство, так называемый «глаз бури» .
В данном докладе будет представлена история изучения опасных явлений на суше – смерчей и сильных шквалов, которые сопровождаются возникновением ветров скоростью 25м/с и более, приносящих большой экономический ущерб. Большой вклад в описание и в изучение условий возникновения смерчей – мезомасштабных вихрей с вертикальной осью - в США и в России внесли Фуджита Т., Петерсен С., Наливкин Д.В., Снитковский А.И. и другие ученые. Изучением возможности возникновения вихревой структуры в атмосфере на основе исследования уравнений движения атмосферы занимались Гольдштик М.А., Ромов А.М., Голицын Г.С., Руткевич П.Б., НиколаевскийВ.Н., Арсеньев С.А., Курганский М.В. и другие. Однако до настоящего времени метеорологами и оперативными синоптиками краткосрочный прогноз этих явлений все еще не дается, в то время, как для прогноза шквалов (вихрей с горизонтальной осью), также вызываемых мощной кучево-дождевой облачностью, в России были разработаны различные эмпирические и графические методы (метод Пескова Б.Е. и Снитковского А.И., метод Решетова Г.Д.), дающие прогноз этих явлений в зависимости от двух или трех параметров атмосферы (предикторов).
Несмотря на успешное развитие за последние десятилетия гидродинамических моделей прогноза, а настоящее время ни в России, ни за рубежом не имеется пока успешных гидродинамических моделей краткосрочного прогноза (даже на 12ч) явлений смерчей и сильных шквалов, в которых скорость ветра равна или превышает 25 м/с, т.е. V>=25 м/с. С использованием методов статистической классификации нами были разработаны несколько методов прогноза этих явлений.
В 1983 году впервые был разработан объективный физико-статистический метод прогноза шквалов для европейской территории России, когда были отобраны из 26-ти эмпирически известных потенциальных, физически обоснованных параметров атмосферы шесть из них, наиболее информативных и мало зависимых. Методами статистической классификации была построена дискриминантная функция распознавания и прогноза метеорологических ситуаций, вызывающих шквалы и смерчи, использующая эти параметры. Однако тогда большинство фактических значений этих параметров были взяты из данных радиозондирования атмосферы, а прогностические значения рассчитывались самими синоптиками по синоптическим картам.
В 1987 году в оперативную практику Гидрометцентра России была внедрена первая оперативная гидродинамическая модель краткосрочного прогноза по полным уравнениям (автор – Беркович Л.В). С целью автоматизации прогноза явлений сильных шквалов и смерчей из 38-ми параметров атмосферы, прогностические значения которых автоматически рассчитываются в модели или могут быть из них получены, также были отобраны наиболее информативные и слабо зависимые параметры (предикторы), и была построена новая дискриминантная функция распознавания и прогноза этих явлений для выбранной группы параметров.. Методы успешно прошли испытания в 2001-2005гг. В результате независимых испытаний были получены оценки прогноза сильных шквалов и смерчей со скоростью ветра 25м/с и выше с заблаговременностью 12 ч для четырех регионов, а с заблаговременностью 36ч - для трех регионов Европейской Территории России (ЕТР). Оценки оказались достаточно успешными: Критерий Пирси-Обухова составил Т=0,5-0,68 при достаточно высокой предупрежденности самих явлений (П=80%-90%). В докладе приводятся примеры прогноза смерчей на Европейской Территории России (ЕТР) в 1984-86гг, прогноз смерча в Москве в июне 1998 года, в также в июле 2001 года, прогноз смерча в городе Долгопрудном Московской области в июне 2005г. и другие.
В настоящее время в Гидрометцентре России, начиная с 2007 года, успешно функционирует новая оперативная региональная гидродинамическая модель краткосрочного прогноза погоды с горизонтальным разрешением 75х75км. Нами была проведена адаптация статистической модели прогноза к прогностическим полям этой гидродинамической модели. В результате по новой гидродинамико-статистической модели прогноза были успешно предупреждены смерчи в 2009 году в Московской области вечером 3 июня, в 2010 году - в Санкт-Петербурге (в июле и в августе 2010г), очень разрушительный смерч в Янаульском районе Башкортостана в августе 2014 года и другие смерчи на ЕТР, а также сильный ураган в Москве 29 мая 2017г,, принесшие большие экономические потери.
Стоит также отметить удачные прогнозы сильных черноморских смерчей с выходом на сушу, которые также нанесли большой экономический ущерб. Это смерч в Сочи в сентябре 2013 года, поваливший массу деревьев в парке Ривьера, не предсказанный украинскими синоптиками смерч в Одессе в мае 2013 года, смерчи в Туапсе и Темрюке. Практически все смерчи на акватории Черного моря также были предупреждены.
В докладе приводятся оценки независимых испытаний прогноза смерчей и сильных шквалов скоростью 25м/с и выше по данной модели в сравнении с прогнозами этих явлений по разным гидродинамическим моделям и, в частности, по мезомасштабной гидродинамической модели COSMO-RU. Однако по ним оценки предупрежденности шквалов, смерчей и сильных порывов летнего ветра со скоростью V>=25м/с даже с заблаговременностью 12ч не превышают 20%.
В настоящее время с помощью автора графического пакета «ИЗОГРАФ» Алферова Ю.В. нами разработана технология представления прогноза этих явлений в виде цветных карт прогноза. Эти карты прогноза до двух суток выкладываются на сайт Главного Вычислительного Центра (ГВЦ) и доступны синоптикам всех Управлений по гидрометслужбе В докладе представлены различные примеры прогноза штормового ветра, шквалов и, особенно, смерчей.
Дальнейшее усовершенствование прогноза штормового ветра по территории ЕТР представляется в двух направлениях: в увеличении заблаговременности прогноза этих явлений до трех суток на основе использования значений выходных прогностических полей гидродинамической полулагранжевой глобальной модели среднесрочного прогноза (автор – Толстых М.А.) и в локализации прогнозов опасных явлений с использованием прогностических данных мезомасштабных моделей,в частности, мезомасштабной гидродинамической модели COSMO-RU7.