Опасные атмосферные конвективные явления в России: изменения, предсказуемость, риски

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-17-00357

НазваниеОпасные атмосферные конвективные явления в России: изменения, предсказуемость, риски

Руководитель Чернокульский Александр Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-602 - Диагноз и моделирование климата

Ключевые слова Опасные конвективные явления, сильные ливни, крупный град, шквал, смерч, долгоживущий шквал деречо, мезомасштабная конвективная система, глубокая сверточная нейронная сеть, картирование и категорирование риска, ущерб, предсказуемость, причины изменений

Код ГРНТИ37.23.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Изменения климата являются одним из главных вызовов, стоящих перед обществом. В России усиление и учащение ряда опасных гидрометеорологических явлений приводит к возрастанию социально-экономических последствий изменений климата. К ряду подобных явлений, интенсификация которых наблюдается в последнее время и атрибутируется к климатическим изменениям, относятся опасные атмосферные конвективные явления (конвективные опасные явления погоды, КОЯП) — очень сильные ливни, крупный град, шквалы и смерчи. В России за последнее десятилетие такие явления привели к экономическому ущербу в несколько десятков миллиардов рублей и гибели более 300 человек. При этом, наши знания о подобных событиях до сих пор являются крайне фрагментарными. В частности, в статистике Росгидромета об опасных явлениях погоды, подобные события недооцениваются на 1-2 порядка. Подобная недооценка КОЯП приводит также к наличию пробелов в представлениях о механизмах и условиях формирования этих явлениях, о причинах наблюдаемых изменений, предсказуемости на различных временных масштабах — от задач повышения качества сверхкраткосрочного прогноза подобных явлений (их интенсивности, места и времени формирования) до задач оценки связанных с такими явлениями долгосрочных рисков для населения и различных отраслей экономики, в том числе в условиях меняющегося климата. Заполнение этих пробелов является актуальной задачей, стоящей перед учеными. В данном проекте на основе современных данных и подходов планируется создание новых и обновление существующих у авторов проекта баз данных по всему семейству КОЯП, включая сильные ливни, град, шквалы и смерчи, а также сопутствующих условий и явлений, включая индексы конвективной неустойчивости и мезомасштабные конвективные системы (МКС), включая осесимметричные и квазилинейные. Базы данных будут включать информацию о различных дополнительных характеристиках, что позволит в рамках проекта также исследовать потенциал предсказуемости опасных конвективных явлений на основе исследования особенностей условий атмосферы и характеристик МКС. На основе созданных баз данных будет количественно описана пространственно-временная структура КОЯП, будут исследованы и количественно оценены причины наблюдаемых в последние десятилетия изменений частоты и интенсивности КОЯП в различных регионах России с выделением динамических и термодинамических факторов, будет оценена повторяемость формирования КОЯП разной интенсивности в различных регионах России. Подобные задачи для всех КОЯП в комплексе будут решаться впервые. Совместный анализ вероятности прохождения МКС и формирования КОЯП и данных об обрывах линий электропередачи и сбоях в работе трансформаторных подстанций позволят получить количественную оценку риска КОЯП для отрасли электроэнергетики России (по крайней мере в части передачи энергии) и провести картирование и категорирование подобных рисков. Раньше подобный анализ не проводился. Результаты проекта позволят лучше понять механизмы формирования КОЯП и количественно оценить связанные с ними последствия. Как следствие, получение результатов будет способствовать повышению заблаговременности и качества прогнозирования КОЯП разной интенсивности, а также минимизации связанного с ними ущерба. Учет полученных данных при разработке планов и проведении мероприятий по адаптации субъектов федерации и отраслей экономики к изменению климата позволит снизить долгосрочный негативный эффект от ожидаемого роста частоты и интенсивности подобных явлений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Все запланированные работы выполнены, достигнуты все заявленные результаты. Также получен ряд дополнительных результатов. Полученные результаты представлены на профильных научных российских и международных конференциях. Сделан 21 доклад, включая приглашенные, устные и стендовые. 2 научные статьи, в которых освещены результаты проекта, приняты в печать в журналах, индексируемых в WoS/SCOPUS и входящих в RSCI. К публикации готовится еще несколько статей в научных журналах (в том числе первого квартиля). Результаты проекта достаточно широко освещаются в СМИ. Собранные данные по опасным конвективным явлениям и обновленные программные коды для комплекса по разметки снимков находятся в открытом доступе и могут использоваться научным сообществом для решения различных задач, в частности в области анализа опасных конвективных явлений и оценки связанных с ними рисков. Подготовлена выборка сильных ливней и обложных осадков с несколькими пороговыми значениями суточной суммы осадков (включая 20, 30 и 50 мм) по станционным наблюдениям (для 538 реперных метеорологических станций Росгидромета) за 1966–2023 гг. Выборка включает более 90 тысяч событий. Для 371 станции с 1988 г. более 14 тысяч событий сильных дождей дополнены информаций плювиографических наблюдений, включая информацию о продолжительности дождя, сумме выпавших осадков за событие дождя, средней интенсивности осадков за весь период дождя, максимальной интенсивности на 10-минутном интервале, максимальной сумме осадков за 1 час дождя, среднеквадратическом отклонении 10-минутной интенсивности осадков для события дождя. Систематизирована информация о событиях града с 1906 по 2024 гг. Использованы различные источники, включая уникальные архивы информации станционных наблюдений и штормовых предупреждений, хранящиеся во ВНИИГМИ-МЦД, научную литературу о градовых событиях, информацию от очевидцев и новостные сообщения. Собранная база данных по граду включает место и время события, пространственные и временные допуски, источник информации, а при наличии — размер града, продолжительность, сопутствующий ущерб. На данный момент в базе содержится 14993 случаев выпадения града, из них 13299 случая с размером, в том числе 5454 события с крупным градом (диаметр 20 мм и более) и 903 случая с информацией об ущербе. В течение 2024 г. выполнена актуализация картографической базы данных ветровалов в лесной зоне России, включая сбор данных для территории Дальнего Востока за период 2001-2024 гг. База данных включает 2608 случаев ветровалов (для лесной зоны ЕТР – за период с 1984 по 2024 гг., для Сибири и ДВ – с 2001 по 2024 гг.). Общая площадь ветровалов составляет 741 тыс. га. В сравнении с ранее опубликованными данными существенно возросла доля ветровалов, вызванных неконвективными явлениями. Данные опубликованы на портале https://tornado.gispsu.ru/. Разработанный авторами ранее массив индексов неустойчивости был расширен на период с 1958 по 2023. Добавлены индексы, характеризующие особенности крупномасштабной циркуляции и наличие атмосферных фронтов (термичекий фронтальный параметр, лапласиан приземного давления, лапласианы и градиенты температуры и геопотенциала на изобарических уровнях). На данный момент массив включает информацию о 66 индексах. Для анализа влияния прохождения МКС на объекты электросетевого комплекса выбраны два тестовых полигона. Первый (южный) полигон включает территорию Краснодарского края, республики Адыгеи и Ростовской области, второй (северный) – территорию Кировской области, Пермского края и республики Удмуртии. Проанализировано 2174 технологических нарушения, связанных с грозовой активностью и 174 нарушения, связанных с воздействием ветра. Получено распределение нарушений по классам воздушных линий и статистические оценки выборок времени ликвидации аварий на территории тестовых полигонов. Получена точная пространственная привязка для 1660 технологических нарушений, связанных с грозовой активностью и 106 нарушений, связанных с воздействием ветра. Доработано клиент-серверного приложение GeoAnnotateAssisted для разметки квазилинейных мезомасштабных конвективных систем (КЛ МКС). Рассмотрены два сценария разметки, выбрано решение с узловыми метками, которые автоматически соединяются в кусочно-линейные объекты. Это обеспечивает баланс между скоростью разметки и точностью аппроксимации формы КЛ МКС. Реализована функциональность выбранного типа разметки. Введены адаптации приложения для хранения данных разметки, позволяющие фиксировать неопределенное количество узловых контрольных точек, что отличает разметку КЛ МКС от традиционных меток. Обновленный программный код размещен на сайте https://github.com/MKrinitskiy/GeoAnnotateAssisted. Создана предварительная обучающая выборка КЛ МКС по спутниковым данным Meteosat с 2010 по 2017 гг. Определены критерии и классификация КЛ МКС по различным параметрам, включая длину, ширину и тип системы. Идентифицировано 230 меток КЛ МКС на основании экспертных записей. Систематизирована информация о различных диагностических признаках (сигнатурах) интенсивной конвекции для случаев МКС, основанных на спутниковых, радарных и грозопеленгационных данных. Отобрана информация для 9 спутниковых, 16 радарных сигнатур и 4 грозопеленгационных сигнатурах. Рассмотрены случаи с проявлениями некоторых сигнатур для случаев прохождения МКС на ЕТР. Сопоставлены случаи визуально выявленных спутниковых сигнатур OT и Cold-U/V/ring со случаями фиксации града для сезона 2024 г., получены оценки по частоте, заблаговременности и информационной значимости этих сигнатур для факта выпадения и размера града. Для выявления возможного влияния осадков на возникновение ветровалов сформирована выборка случаев шквалов, зафиксированных метеостанциями в лесной зоне России с ветровалами и без. Объем выборки составил 248 случаев, в том числе 110 случаев, выявленных только по данным сети метеостанций и 138 случаев, выявленных по базе данных ветровалов и зафиксированных метеостанциями. Медианное значение количества осадков в случаях с ветровалами в 1,6 раза больше, чем в случаях без ветровалов. Сопоставление выборок случаев шквалов, которые сопровождались или не сопровождались ветровалами, позволяет сделать вывод о существенном влиянии осадков при шквалах на возникновение ветровалов. В дополнение к заявленным результатам предложено двухпараметрическое семейство вихрей, в которых движение воздуха вблизи оси вихря может отличаться от твердотельного вращения, и азимутальная скорость растет с радиусом по общему степенному закону. Показано, что такие вихри удовлетворяют уравнению баланса углового момента, включающего традиционную вихревую вязкость и диффузию углового момента, причем наиболее важен случай отрицательной диффузии. Особое внимание уделено восстановлению радиального профиля падения давления в вихре в явном аналитическом виде, допускающем практические использования.

Публикации

1. Курганский М.В., Ярынич Ю.И. Двухпараметрическая модель интенсивных атмосферных вихрей Известия РАН. Физика атмосферы и океана, том 61, № 1, с. 86–99 (год публикации - 2025)
10.31857/S0002351525010062

2. Мохов И. И., Осипов А. М., Чернокульский А. В. Центры действия атмосферы: современные особенности и возможные изменения по расчетам с использованием моделей CMIP6 и CMIP5 ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, том 61, № 2, с. 170–191 (год публикации - 2025)
10.31857/S0002351525020047

3. Калинин Н.А., Шихов А.Н., Быков А.В., Ярынич Ю.И., Чернокульский А.В. Долгоживущие сильные шквалы Северной Евразии в 2022 году: условия возникновения и краткосрочный прогноз по модели WRF Метеорология и гидрология, том N5 (год публикации - 2025)
10.52002/0130-2906-2025-5-34-53

4. А. А. Спрыгин, О. В. Калмыкова Диагностические признаки интенсивной конвекции. Часть 2: по спутниковым данным «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»: 6-м номер 22-го тома журнала (2025 г.) (год публикации - 2025)

5. Пустовалов К.Н., Бугримов А.В., Давлетшин С.Г., Шихов А.Н., Чернокульский А.В. Lightning Activity Accompanying Hail Events in Russia in 2016–2024 Pure and Applied Geophysics (год публикации - 2025)
10.1007/s00024-025-03878-w

6. Алешина М.А.,Семенов В.А. , Воронцова В.С., Чернокульский А.В. , М.Г. Акперов, Швец Н.В. Изменение характеристик осадков в летний период в Сочи на разных временных масштабах в 1980-2023 годы Метеорология и гидрология, N11, стр.56-68 (год публикации - 2025)
10.52002/0130-2906-2025-11-56-68

7. Чернокульский А.В., Курганский М.В., Шихов А.Н., Ажигов И.О., Гостев К.С., Захарченко Д.И., Нарижная А.И., Селезнева Е.В. Сухопутные морские смерчи на территории России и сопредельных государств с 1900 по 2018 гг. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, Номер свидетельства: RU 2025623239 (год публикации - 2025)

8. Бугримов А.В., Чернокульский А.В., Давлетшин С.Г., Спрыгин А.А. , Шихов А.Н., Ярынич Ю.И. Градовые явления в России: климатология и условия формирования Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук, Страницы: 25-27 (год публикации - 2025)

9. Бугримов А.В., Чернокульский А.В., Давлетшин С.Г., Пустовалов К.Н., Шихов А.Н., Спрыгин А.А. Climatology and formation environments of large hail in Russia Copernicus Publications platform (год публикации - 2025)
10.5194/ecss2025-240

10. Гостев К.С, Вазаева Н.В., Шихов А.Н., Степаненко В.М., Чернокульский А.В. Analysis of the 1984 Ivanovo tornado outbreak using the WRF- ARW model Copernicus Publications platform (год публикации - 2025)
10.5194/ecss2025-239

11. Чернокульский А.В. Опасные атмосферные конвективные явления в России: изменения, предсказуемость, риски Институт вычислительной математики им Г.И. Марчука РАН, стр.24 (год публикации - 2025)

12. Калмыкова О.В., Спрыгин А.А. Диагностические признаки интенсивной конвекции. Часть 1: по данным наземных радиолокационных наблюдений Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, Т. 22. № 5. С. 9–25 (год публикации - 2025)
10.21046/2070-7401-2025-22-5-9-25

13. Ерошкина Н.А., Чернокульский А.В., Спрыгин А.А., Бугримов А.В., Коренев Д.П., Павлюков Ю.Б. Анализ градовых облаков на европейской территории России в теплый период 2024 года на основе различных данных ООО "Издательство ВВМ" , cтр. 61 (год публикации - 2025)

14. Чернокульский А.В. Изменение интенсивности ливневых и обложных осадков в России ФГБУ «ИГКЭ», стр.106 (год публикации - 2025)

15. Блинов П.Д., Чернокульский А.В. , Бугримов А.В., Криницкий М.А. Intercomparison of Machine Learning and Ingredient-Based Approaches for Identifying Hail-Prone Weather Conditions over Russia Moscow University Physics Bulletin, журнал «Moscow University Physics Bulletin» в номере «Special Issue: Deep Learning in Computational Physics (год публикации - 2025)

16. Ярынич Ю.И., Варенцов М.И., Платонов В.С., Чернокульский А.В., Давлетшин С.Г., Дронова Е.А. Dataset of Convective Intensive Precipitation Predictors and Precipitation statistics in Moscow region (DCIPP) Депозиторий данных figshare.com, Yarinich, Yulia; Varentsov, Mikhail; Platonov, Vladimir; Chernokulsky, Alexander; Davletshin, Sergey; Dronova, Elena (2025). Dataset of Convective Intensive Precipitation Predictors and Precipitation statistics in Moscow region (DCIPP). figshare. Dataset. https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30491132.v1 (год публикации - 2025)
10.6084/m9.figshare.30491132.v1

17. Бугримов А.В., Чернокульский А.В. Климатические особенности и условия формирования градовых событий в России Институт вычислительной математики им Г.И. Марчука РАН, стр. 66 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Все запланированные работы выполнены, достигнуты все заявленные результаты. За 2025 год опубликовано (принято в печать) 6 статей в рецензируемых научных журналах (индексируемых в WoS/SCOPUS и входящих в RSCI/Белый список), результаты представлены на международных и российских научных конференциях (сделано 24 доклада, включая приглашенные, устные и стендовые), зарегистрирован 1 РИД, 1 база данных опубликована в открытом виде. Собранные данные по конвективным опасным явлениям погоды (КОЯП) и обновленные программные коды для комплекса по разметке снимков для выявления мезомасштабных конвективных систем (МКС) находятся в открытом доступе и могут использоваться научным сообществом для решения различных задач, в частности в области анализа опасных конвективных явлений и оценки связанных с ними рисков. В 2025 году продолжено пополнение баз данных КОЯП. Подготовлены данные о шквалах по станционным наблюдениям (событие с ветром >18 м/с, сопровождавшееся грозой) (8737 событий), данные о шквалах и смерчах из обзоров в журнале «Метеорология и гидрология» (1183 случая). Расширена выборка сильных ливней по данным плювиографических наблюдений (15668 событий). Актуализирована и уточнена база данных о шквалах и смерчах в лесной зоне (https://tornado.gispsu.ru/). Формируется и верифицируется база данных по КОЯП на основе результата поиска в социальных сетях (Vkontakte, начиная с 2010 года). Впервые для лесной зоны России создан каталог случаев долгоживущих шквалов в лесной зоне России за период 2001-2024 гг. (41 случай, из них 5 соответствуют критериям деречо). Большинство случаев отмечается в июне и июле. С долгоживущими шквалами связана гибель не менее 91 чел. (539 травмировано), а также 41,7 % от общей площади ветровалов в России. Преобладают случаи, связанные с МКС, которые перемещались вдоль фронта в параллельных потоках. Подавляющее большинство случаев сформировались при сочетании сильной конвективной неустойчивости и сильного сдвига ветра. Получена количественная оценка потенциала повышения качества детектирования за счет предварительного обучения сверточной части на всех спутниковых данных в подходе «без учителя». По интегральной метрике средней точности детектирования базовая конфигурация (предварительное обучение только на наборе естественных изображений ImageNet) обеспечивает значение mAP ≈ 0,75, тогда как модель с самоконтролируемым предварительным обучением «с нуля» достигает mAP ≈ 0,81, а модель с двухэтапным предварительным обучением — mAP ≈ 0,82. Проведена адаптация и развиты ранее разработанные методы идентификации МКС с применением искусственных нейронных сетей с целью выявления квазилинейных МКС (КЛ-МКС). Сформирована первичная эталонная база разметки КЛ-МКС. С использованием доработанного клиент-серверного приложения GeoAnnotateAssisted (https://github.com/MKrinitskiy/GeoAnnotateAssisted) проведена экспертная разметка спутниковых данных MSG/SEVIRI. Размечено 5914 многоузловых меток КЛ-МКС, сгруппированных в 581 трек, каждый из которых описывает эволюцию отдельной системы и охватывает широкий спектр морфологических и эволюционных сценариев развития КЛ-МКС. Для значимой части временных срезов зафиксированы различные спутниковые сигнатуры. Выполнен анализ изменений характеристик КОЯП и условий их формирования в последние десятилетия для однородных по времени выборок. По данным станционных наблюдений за 1977–2024 гг. отмечено статистически значимое уменьшение как частоты шквалов (-1.04 события/год), так и скорости порывов ветра при шквалах (-0.02 м/с/год). Для событий сильных ливней по плювиографическим данным за 1985–2019 гг. отмечен незначимый рост максимальной 10-минутной интенсивности (0,1 мм/мин/десятилетие), и статистически значимый рост максимальной часовой суммы осадков (5.2 мм/десятилетие). Согласно анализу частоты превышения пороговых значений индексов неустойчивости (рассчитанных по данным ERA5 для 1959-2022 гг.) в большинстве районов России отмечается значимый рост для термодинамических индексов неустойчивости, и разнонаправленные тенденции для динамических индексов (в основном уменьшение). Определен набор наиболее информативных индексов и их пороговых значений для диагностики событий крупного града. Для этого составлена выборка неградовых событий, рассчитаны критерии успешности прогноза Пирси-Обухова, Багрова-Хайдке, индекса SEDI. Наибольшую диагностическую ценность имеют композитные индексы: WMAXSHEAR, SCP и SHIP. Определены пороговые значения индексов (например, 700 м2/с2 для WMAXSHEAR). Для грозовой активности порогом для выделения случаев крупного града является 10 вспышек в 25-километровой области вокруг града. С использованием наземных, спутниковых, грозопеленгационных наблюдений и численного моделирования проанализированы условия формирования МКС и связанных с ними опасных явлений вблизи г. Обнинск. Установлены наиболее информативные диагностические сигнатуры интенсивной конвекции и радарные параметры, пригодные для наукастинга. Выявлены ключевые синоптические и мезомасштабные модельные предикторы, эффективные для прогноза различных типов опасных явлений. Рассмотрены предикторы слияния конвективных штормов и роль структур конвергенции в их динамике. Подтверждена ценность данных высотной метеомачты для анализа прохождения МКС и ОЯ. Отмечена статистически значимая связь индексов неустойчивости и характеристик осесимметричных МКС – прямая для динамических индексов, и обратная для термодинамических. В целом, с более быстрыми МКС связаны более разрушительные шквалы, а с более медленными — сильные осадки и крупный град. Отмечается отрицательная (хотя и не значимая) связь скорости движения МКС и интенсивности осадков по данным плювиографов. С учетом общих выявленных трендов для индексов неустойчивости — рост термодинамических и уменьшение динамических — можно ожидать уменьшения быстродвижущихся МКС и, как следствие, изменения характера КОЯП — учащения ливней и крупного града, и сокращения шквалов. В целом, это подтверждается статистикой по станционным данным (и для шквалов, и для ливней). Для аварий на ЛЭП на территории тестовых полигонов, связанных с грозовой активностью, были рассмотрены значения нескольких конвективных индексов в момент аварии. Показана целесообразность использовать индексы K-Index, TTI и SWEAT для диагностики аварий на ЛЭП. Среднее время отключения ВЛ на обоих текстовых полигонах составляет около 2,5 часов и не зависит от мощности конвективного явления. Решена задача об оценке максимальной скорости ветра в смерче по известным значениям скорости перемещения вихря, критической (для падения деревьев) скорости ветра и ширины полосы ветровала. Полученные результаты применены к 8 смерчам из Ивановской вспышки смерчей 1984 года. Получено согласие вычисленной максимальной скорости ветра с предписанной категорией смерча.

Публикации