Мониторинг перемещения внетропических циклонов в четвёртой стадии развития по спутниковым данным

В области циклонических образований наблюдаются наиболее сложные, неоднородные, резкоменяющиеся погодные условия. Продолжительность существования циклонов может достигать двадцати дней [1]. Влияние атмосферных вихрей на погоду над европейской территорией страны также варьирует в широких пределах – до 10-11 суток [2]. Характер метеорологических условий во внетропических циклонах находится в постоянной динамике и существенно зависит от стадии развития и части барического образования, оказывающего влияние на конкретный пункт или район. Наибольшая продолжительность времени «жизни» циклонов приходится на завершающую четвёртую стадию развития – стадию заполнения. В этой стадии циклон является высоким (высотным), температурно-симметричным барическим образованием с квазивертикальной пространственной осью. Соответственно, согласно классическим воззрениям, является стационарным или малоподвижным [3]. При рассмотрении циклонов в четвёртой стадии развития по ежечасным спутниковым снимкам установлено, что значительная часть таких циклонов сохраняет подвижность. Траектории их перемещения в этом случае носят сложный и разнообразный характер [4].
С целью установления закономерностей перемещения циклонов внетропических широт, находящихся в четвертой стадии развития, были исследованы ежечасные аналоговые спутниковые снимки над Северной Атлантикой и европейским континентом. При проведении исследования использовались данные космических аппаратов MSG за 2018-2023 годы. Всего было рассмотрено более 1800 суточных траекторий циклонов и 630 комплектов, охватывающих период развития циклонов от начала роста давления в центре до прекращения существования барического образования (отсутствия замкнутых изобар, кратных 5 гПа на приземных картах и 4 гпдм – на картах барической топографии). Для определения характеристик циклонов использовались восьмисрочные кольцевые карты отечественных и зарубежных метеорологических центров, а также карты барической топографии до АТ300.
Траектории циклонов наносились на электронные карты. Были опробованы различные интервалы фиксации данных о положении центров циклонов – от одного до шести часов. Частая регистрация в 1-2 часа оказалась избыточной – в большинстве случаев траектории были соизмеримы с точностью определения центров завихрений. Интервалы в 4-6 часов в некоторых случаях не позволяли уловить отдельные особенности перемещения барических образований. Поэтому был определён трёхчасовой интервал для фиксации последовательных положений центров.
По результатам анализа построенных траекторий можно сделать следующие выводы.
1. Траектории имеют некоторые отличия в зависимости от сезона года – в холодное время года циклоны в 4-й стадии сохраняют большую подвижность.
2. Над океаном скости в целом выше, а кривизна траектории меньше, чем над континентальными районами.
3. Малоподвижными или квазистационарными, как правило, являются циклоны, имеющие вертикальную протяжённость до 9 километров и выше, имеющие значительную глубину в начале заполнения (от 12-15 гПа).
Провести классификацию траекторий перемещения циклонов в 4-й стадии из-за большого разнообразия по имеющимся данным не представилось возможным. Были выделены два класса траекторий: собственно малоподвижные (типичные) и с выраженной подвижностью (нетипичные).
Для подвижных циклонов были разработаны прогностические правила на основе автокорреляции. Уравнения отдельно разрабатывались для скорости перемещения и направления (азимута). По четырём векторам трёхчасовых траекторий определялось будущее положение центра циклона через 12 часов. Результаты прогнозирования проверялось на независимой выборке из 130 циклонов в четвёртой стадии развития, наблюдавшихся над рассматриваемой территорией с января по июнь 2024 года. Поскольку протяженности траектории циклонов изменялись в значительных пределах, результаты точности определения прогностической траектории целесообразно представить в относительных единицах. По сравнению с линейной и нелинейной экстраполяцией, выполненной по данным с приземных карт погоды, предложенный подход позволил получить более точные результаты на 28 и 18%, соответственно.
Необходимо отметить, что сложностью реализации представленного подхода является субъективность определения центра облачного вихря на спутниковом снимке. Дальнейшее совершенствование мониторинга перемещения циклонов в завершающей стадии развития заключается в реализации автоматизированного определения центра вихря на основе глубокого машинного обучения.