Интенсивность и продолжительность выпадения осадков, их распределение по площади и во времени

Непрерывных рядов данных об осадках, позволяющих исследовать их временную изменчивость при ливнях очень немного. Часто считают, что осадки имеют равномерную интенсивность и гистограмма (график распределения осадков во времени) имеет форму прямоугольника. В действительности интенсивность осадков во времени изменяется: они нередко начинаются в виде мороси, переходят в ливень, наконец, ослабе­вают и прекращаются. В таких случаях определить интенсивность и продолжительность дождя трудно.

Об особенностях распределения значительных осадков (10 мм и более) и вероятностях их выпадения можно судить по данным трех станций Москвы (ТСХА, МГМО и МГУ). Вероятность выпадения значительных осадков на каждой их этих станций принималась за 100 %. Результаты подсчета (рис. 1.3) показывают, что вероятность одновременного выпа­дения значительных осадков на этих станциях составляет около 60 %.

При рассмотрении вероятности выпадения осадков для пары станций (в центре города и на его окраине) (табл. 1.7) можно отметить, что в июле в 70 % случаев значительные осадки в центре и за городом выпадают разновременно, причем случаев выпадения их только в центре почти вдвое больше.

Эти данные подтверждают мнение о стимулирующем влиянии больших городов на образование ливневых осадков.

Средняя величина вклада значительных осадков в общую их сумму составляет от 50 % в июле до 60 % в июне и 55 % в сезон. Средний максимальный вклад для отдельных месяцев составляет 80 % от общей суммы, а для сезона - 72 % (рис. 1.4).

В табл. 1.8 приведены данные о дождливых периодах с ежесуточным количеством осадков от 0,1 мм и выше в Москве, наблюдавшихся в апреле-октябре за 80 лет (1881-1960 гг.). Из табл. 1.8 следует, что дожди продолжительностью один или два дня наблюдаются в любом месяце теплой части года практически ежегодно. Это дожди летнего типа, максимальное число однодневных дождей приходится на июль, а двухдневных - на май. Пятидневные и более продолжительные дожди (до 10 дней) встречаются главным образом в осеннее время. Дождливые периоды продолжительностью до 3 дней составляют 49 % всех дождли­вых дней, продолжительностью 4-6 дней - 31 %, 7 дней и более - около 18 % и 12 дней и более - около 2 %. Наибольшее же число дней с дождем приходится на двухдневные периоды.

В разные дни дождливых периодов выпадает различное количество осадков. Чаще всего (90 %) особо дождливыми, когда за день выпадало не менее 5 мм осадков, являются короткие периоды. Отношение числа однодневных дождей с осадками 10 мм и более (515) к общему числу однодневных дождей (1119) составляет 43 %; отношение же двухдневных дождей с суточным количеством за каждый день 5 мм и более составляет 35 %. С возрастанием продолжительности дождливого периода величина отношения резко убывает и для трехдневных периодов составляет 13 %. Следовательно, большой вклад в общую сумму осадков дают кратковре­менные дожди за особо дождливые периоды.

По данным табл. 1.9 можно определить многолетнюю вероятность выпадения значительных осадков; в среднем для каждого дня теплой части года она равна примерно 5 % (т.е. значительные осадки бывают раз в 20 дней), для июля - 8 %.

Суточный максимум (максимальное количество осадков, которое может выпасть за сутки) в Петербурге в летние месяцы в среднем равен 17-23 мм (табл. 1.10) и относится к такой изменчивой в пространстве и во времени характеристике, как ливни. Ливни в летнее время составляют 56 % всех типов осадков (табл. 1.11).

Осадки по территории города и окрестностей распределяются неравномерно. Так, 8 августа 1947 г., когда в центральной части города наблюдался абсолютный суточный максимум 76 мм, на побережье Финского залива за сутки выпало 40 мм, а в восточной окраине города (Смольное) всего лишь 23 мм. Во время ливня 27 июля 1979 г. на ст. ИЦП выпало 34 мм осадков, а на ст. Фарфоровский пост осадков вообще не было.

В Петербурге адвективные осадки преобладают над местными конвективными. Поэтому в северной части города осадков выпадает больше, чем в центре на 11 %, а на побережье Финского залива и на южной окраине меньше на 7 %. На станциях Пушкин, Лисий Нос и Невская увеличение количества осадков наблюдается с 12 до 15 ч, а на станциях ИЦП и Кронштадт - от 15 до 18 ч. Средняя продолжительность выпадения осадков в день с осадками больше 0,1 мм уменьшается от зимы (10-11 ч) к лету (около 4 ч) (табл. 1.12).

Интенсивность осадков - величина очень изменчивая. Она может меняться в широких пределах в течение одного дождя, особенно летом, независимо от его продолжительности. При максимальных интенсивностях за 20 мин при сильном ливне может выпасть почти половина месячной нормы осадков, а слой воды при этом составит 30 мм (табл. 1.13).

По морфологическим признакам, т.е. по совокупности внешних признаков, различают морось, обложные и ливневые осадки. К мороси относятся дожди интенсивностью до 0,01 мм/мин. Дожди интен­сивностью 0,01-0,02 мм/мин считаются мелкокапельными обложными. В климатической зоне избыточного (северо-запад ЕТР, Приморье) и достаточного (Подмосковье) увлажнения дожди интенсивностью 0,3-0,5 мм/мин относятся к крупнокапельным обложным, а в клима­тической зоне умеренного увлажнения (степные районы Поволжья, Заилийский Алатау) дожди интенсивностью 0,3-0,5 мм/мин - к мелкокапельным ливневым. Все дожди с интенсивностью более 0,5 мм/мин (30 мм/ч) принимаются за ливневые.

Ж. Д. Алибегова условно делит все дожди по продолжительности: до 1 ч, от 1 до 3 ч и больше 3 ч. Распределение количества осадков, их средней и максимальной интенсивности по территории России приведено

в прил. 1. Наиболее вероятные значения среднего слоя осадков H_ср при дождях меньше 1 ч находятся в пределах 1 мм. С ростом продолжи­тельности дождя наблюдается увеличение количества осадков за дождь H_ср. При дождях продолжительностью от 1 до 3 ч распределение вероятностей количеств осадков различных градаций сравнительно равномерно, а при дождях продолжительностью 3 ч существенно увеличивается вероятность осадков 10 мм и более. Наибольший средний слой H_ср осадков для дождей продолжительностью до 1 ч и для дождей продолжительностью от 1 до 3 ч (H_ср >5 мм) выпадает на Северном Кавказе, Верхней Волге, Урале, Забайкалье, а для дождей продолжи­тельностью более 3 ч (H_ср > 10 мм) - в районе Сочи, в Забайкалье, Хабаровском крае, на Сахалине. С увеличением продолжительности дождя вероятность все больших значений средней интенсивности (i_ср) уменьшается. И, наоборот, с уменьшением продолжительности дождей увеличивается вероятность крупнокапельных осадков ливневого характера. Наибольшими значениями средней интенсивности дождей отличаются Верхняя Волга, Урал, Забайкалье, верховье р. Амура и Сахалин.

Для математического описания связи между средней (i_ср) и максимальной (i_макс) интенсивностью и количеством осадков (H) предлагается степенная функция

i_ср = a₁ H^m1,                                                           (1.1)

i_макс = a₂ H^m2,                                                        (1.2)

(значения а₁ и а₂, m₁ и т₂ даны в прил. 1).                

Распределение осадков по территории крайне неравномерно. Поле осадков представляет собой комплекс пятен повышенного и пониженного количества осадков. Тем не менее, можно выделить несколько типов конфигурации полей осадков. Первый тип - выпадение осадков отли­чается лишь на отдельных пунктах. Второй тип - осадки распределяются в виде отдельных пятен. Внутри этих пятен выпадение осадков отмечается сразу в нескольких пунктах (в отдельных точках). Третий тип характе­ризуется одновременным наличием нескольких участков с осадками. Количество пунктов внутри каждого участка больше, чем при втором типе. К этому типу можно отнести распределение осадков в виде полос, состоящих из цепочки отдельных пятен, следующих один за другим. Четвертый тип - поле осадков представляет собой практически одну сплошную область, занятую, как правило, одним сплошным массивом облачности нижнего яруса, т.е. имеет ярусную структуру, с большей плотностью пятен и набольшей площади.

Для систем водоотведения представляют интерес короткопериодные поля осадков, формирующиеся за 3-12 мин в средних районах юга и за 15—40 мин в климатической зоне достаточного и избыточного увлажнения. В этом случае поля осадков отождествляют с зонами осадков в атмосфере. Зоны осадков состоят из отдельных пятен, имеющих вид кругов или эллипсов с характерными горизонтальными размерами - от сотен метров в случае отдельных ливней до нескольких десятков кило­метров при обложных дождях. Сплошного покрытия осадками исследу­емых территорий не наблюдалось ни разу. Сплошную область выпадения дождя над отдельным пунктом или двумя-тремя смежными пунктами называют очагом (ячейкой), форму которого обычно принимают в виде деформированного эллипса протяженностью до 10 км. Характерные размеры очага вдоль большой оси в степных районах 3 км, в зоне достаточного и избыточного увлажнения - 6 км. Наиболее вероятные размеры площадей очагов 10 км² (около 65 %) и 20 км² (около 40 %).

В степных районах одноочаговые поля занимают 60 % территории, многоочаговые - 40 %, в зоне достаточного и избыточного увлажнения одноочаговые поля 22 %, многоочаговые - 78 %. Время жизни очагов -от нескольких минут до получаса. Большая часть дождей прекращает существование в виде единичного очага. Отношение малой оси очага осадков к большей в большинстве случаев изменяется от 0,4 до 0,75, более чем в 50 % случаев - 0,51-0,75. Группа очагов осадков, перемежающихся с местами полного отсутствия осадков, формируется в структуре образования мезомасштаба от 50 до 10⁴км² и продолжи­тельностью существования от 0,5 до 4 ч. Макромасштабная система с площадями более 10⁴ км² и продолжительностью жизни более 4 ч (до нескольких суток) называется синоптической.

Одноочаговые дожди, как правило, имеют один максимум, много­очаговые - несколько. Многоочаговые дожди более продолжительны и дают большее количество осадков, чем одноочаговые. Средняя продол­жительность одноочаговых ливней равна 45 мин, многоочаговых -75 мин. Наибольшую площадь покрывают дожди в первой половине их выпадения. Коэффициент заполнения осадками территории заданных размеров зависит от типа дождей (обложные, ливневые), масштаба зон осадков в атмосфере и площади территории. Например, в районе Петер­бурга наблюдаются зоны осадков в атмосфере на площади S_бр=8000 км². Площадь, которая действительно покрывается осадками ( S_н), составляет 24 %. При большей площади зоны осадков в атмосфере чаще всего только незначительная территория (менее 10 %) покрывается осадками. В 90 % случаев отношение S_н/ S_бр составляет не более 0,6. Менее 1 % случаев, когда 95 % площади, занятой зоной осадков, покрыто ими. В Петербурге наблюдаются зоны одновременного прохождения дождя протяженностью 20-35 км не менее 2-6 раз каждый год; зоны дождя шириной 35-50 км и длиной 50-100 км наблюдаются один раз в 2-3 года. Наибольшая интенсивность выпадения осадков отмечается на небольших очагах.

Дожди, выпадающие на сравнительно небольшой площади, характе­ризуются резким изменением слоя осадков в зависимости от ее величины и наоборот, при дождях, выпадающих на большой площади, слой осадков при увеличении площади изменяется мало. Это положение учитывается коэффициентом л неравномерности выпадения осадков по площади. Несмотря на большие изменения, продолжительности и количества жидких осадков во времени и пространстве можно выделить основные закономерности их выпадения на территории России. На Крайнем Севере продолжительность выпадения осадков с малой интенсивностью (< 0,06 мм/мин) составляет более 90 % от суммарной продолжительности, а в степных районах России -до 75 %. По А. Н. Лебедеву, средняя месяч­ная суммарная продолжительность осадков на ЕТР изменяется от 10-30 ч в Нижнем Поволжье до 70-100 ч - на Карельском полуострове, в Архангельской области, в Коми, на севере Карелии и на Урале, севернее 60-й параллели. В средней полосе ЕТР средняя месячная продолжитель­ность осадков теплого периода составляет 40-60 ч, местами достигая 70 ч.

По продолжительности выпадения дождей территория России условно разделена на пять климатических зон:

I - районы севернее Полярного Круга, Камчатка, побережье Охотского моря - средняя продолжительность выпадения осадков за теплый период 750-1000 ч;

II - северная и центральная части ЕТР, центральная часть Западной и Восточной Сибири, Сахалин - 500-700 ч;

III - южные части ЕТР, Западной и Восточной Сибири - 300-450 ч;

IV - Поволжье, Северный Кавказ - 150-250 ч;

V - полупустынные и пустынные районы юго-восточной части ЕТР-50-100 ч.

В зависимости от климатических условий число дождей продолжи­тельностью в пределах 1 ч, составляет летом 90 % от количества дождей за указанный сезон, весной и осенью - 70-75 %. При этом значительная доля приходится на дожди, которые выпадают в течение 15-45 мин.

Аналогичным образом характеризуются атмосферные осадки теплого периода года по количеству и интенсивности выпадения. Так, в Москве осадки в апреле на 22 % формируются дождями с суточным слоем менее 1 мм, на 30 % - дождями со слоем менее 2 мм, на 70 % - менее 5 мм. В июле около 20 % общего количества дождей выпадают со слоем менее 2 мм, 40%-менее 5 мм и 64 %-менее 10 мм.

Средняя интенсивность выпадения осадков в одной и той же местности существенно увеличивается в летние месяцы по сравнению с весенне-осенним периодом. Так, на ЕТР летом интенсивность осадков, полученная по средним месячным суммам, составляет 1,4-1,6 мм/ч, в апреле и октябре - соответственно 0,25-0,3 мм/ч. В северных районах эти величины составляют 0,8-1,2 и 0,15-0,3 мм/ч, в южных районах летом доходят до 2,0-2,9, а в апреле и октябре - 0,5-0,8 мм/ч.

Количество осадков малой интенсивности составляет от 30-40 % в степных и хорошо увлажненных горных районах до 60-70 %- в северных и засушливых южных районах от суммарного количества осадков за теплый период года. Наиболее распространены ливни в Приморье, Забайкалье и на Сахалине (табл. 1.14).

Для ЕТР продолжительность обложных осадков интенсивностью 0,6-1,8 мм/ч превышает 13 % от общей продолжительности осадков, по наблюдениям в одном пункте, а продолжительность ливневых осадков интенсивностью 1,8-6 мм/ч не превышает 7 %.

Из приведенных данных следует, что основное количество осадков приходится на часто повторяющиеся дожди относительно малой интенсивности.