Модельное исследование конвективных эпизодов над Европейской территорией России (2019–2021 гг.) с использованием WRF-ARW

Прогноз конвективных явлений, особенно гроз, града и ливней, остается сложной задачей. Одной из ключевых неопределенностей является микрофизика облаков, где различные механизмы взаимодействия гидрометеоров, в частности, вторичного ледообразования Халлета-Моссопа могут влиять на процессы электризации и формирования осадков.
Для исследования была использована модель электризации кучево-дождевых облаков, включающая усовершенствованный модуль микрофизики с учетом механизма Халлета-Моссопа. Входными данными являются профили метеорологических величин, рассчитанные WRF-ARW с настроенной конфигурацией. Проведено моделирование для трех интенсивных грозовых эпизодов над ЕТР (Центральный, Южный, Приволжский ФО) в период 2019-2021 гг. Верификация проводилась по данным грозопеленгации и синоптических наблюдений.
Основные результаты:
1. Моделирование выявило, что активация механизма Халлета-Моссопа в слое -3...-8 °C приводит к резкому, на 60-75%, росту концентрации ледяных частиц (до значений порядка 10⁵–10⁶ м⁻³) в зрелых конвективных ячейках. Это напрямую усиливает процессы соударения частиц и генерации электрических зарядов. Анализ вертикальных профилей водности показал ее максимум в нижней и средней частях облака. Мощные апвеллинги поддерживают высокую водность в верхней части облака, в то время как даунвеллинги способствуют выносу крупных частиц (града, крупы) в нижние слои. На стадии зрелости в переохлажденной зоне идентифицированы повышенные концентрации ледяных кристаллов и частиц снега, что коррелирует с зонами интенсивного апвеллинга. В одном из моделируемых случаев атмосферное давление в ядре шторма было ниже, чем в окружающей среде, что способствовало увеличению вертикальной протяженности облака и формированию обширной области с оптимальной для электризации температурой.
2. Для исследуемых случаев установлена пространственно-временная связь между зонами вторичного ледообразования и всплесками молниевой активности (до 40-50 разрядов в минуту). Большинство разрядов были инициированы в температурном диапазоне -10...-25 °C, выше зоны активации механизма Халлета-Моссопа, что подтверждает его роль как поставщика осадочных частиц в электрогенерирующую зону.
3. Внедрение схемы Халлета-Моссопа позволило улучшить прогноз экстремальных явлений. Ошибка в прогнозе интенсивности ливневых осадков (RMSE) снизилась до порядка 25%. Модель стала надежнее предсказывать локализацию гроз.
Таким образом, проведенное исследование демонстрирует важность учета механизма Халлета-Моссопа в моделях высокого разрешения для корректного описания микрофизической структуры конвективных облаков, что является необходимым условием для улучшения прогноза их эволюции, электрической активности и связанных с ними опасных явлений.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-77-00005, https://rscf.ru/project/24-77-00005/.