Источник: журнал AeroSafetyWorld, октябрь 2009 г., статья Nasty Surprise, автор – Ed Brotak

До этого авиационного происшествия уже было известно о сдвиге ветра, вызванного нисходящими потоками воздуха при грозе, что и было обнаружено датчиками сдвига ветра, и допплеровской РЛС. В данном случае гроза представляла собой тип «пульсирующей штормовой активности», чрезвычайно опасной в авиации из-за быстрого  и внезапного развития. Вначале «пульсирующая гроза» кажется безобидной, но в ней неожиданно развиваются опасные условия, которые могут перерасти в классическую сильную грозу.

В чем особенность «пульсирующих гроз»? Прежде всего, следует отметить, что существует три типа гроз: с одним очагом, с несколькими очагами и с мощным очагом. «Очаг» - это восходящий поток воздуха, развивающийся в центре грозы.

Мощные очаги - это чудовищные грозы, которые часто происходят на предгорном плато Великие равнины в США поздней осенью. Они всегда создают опасные погодные явления: крупный град или ветры, дующие в постоянном направлении, которые являются основным признаком торнадо. Они создают наклонный мощный восходящий поток воздуха, который закручивается и может длиться часами.

Наиболее часто встречаются грозы с несколькими очагами, где много восходящих потоков воздуха на разных стадиях своего развития. Последние могут появляться отдельно или вместе с другими грозами, образуя фронты шквала. В них тоже могут возникать опасные метеоявления, хотя и с  меньшей вероятностью, чем в мощных очагах.

Грозы с одиночным очагом имеют один вертикальный восходящий поток воздуха, который имеет тенденцию к быстрому рассеиванию. В них редко образуются опасные погодные явления. Они часто встречаются в США, в некоторых районах Австралии, Южной Америки, Азии и Центральной Европы – то есть в любом регионе с теплым влажным воздухом. Пульсирующие грозы - один из подвидов этой категории.

Как можно предположить из названия гроз, они - подобно энергетическому импульсу - сначала развиваются, а затем рассеиваются. При этом некоторые источники классифицируют все грозы с одним очагом как пульсирующие. Национальная служба погоды США рассматривает пульсирующие грозы как редкие случаи гроз с одним очагом, создающие опасные метеоявления. Хотя пульсирующие грозы редко формируют торнадо, они могут вызывать крупный град, а чаще всего - сильный ветер.

Одна из причин, по которой пульсирующие грозы сложно предсказать, состоит в том, что они развиваются при внешне безопасных погодных условиях, а не в тех, которые характерны для появления сильных гроз. Как правило, грозы развиваются по двум главным причинам: метеорологи называют их «свободной» и «вынужденной» конвекциями.

«Свободная» конвекция формирует воздушные массы классической грозы, которая развивается только под влиянием солнечного излучения. Грозовые воздушные массы наиболее многочисленны днем, когда температура воздуха самая высокая. При синоптической погодной ситуации ничего серьезного не происходит. Указанные грозы развиваются обычно на западной стороне зоны высокого давления, на достаточном расстоянии от любых фронтов или зон низкого давления; в этой ситуации струйное течение в верхних слоях не встречается. Подобные грозы происходят летом.

«Вынужденная» конвекция вызывается синоптическими причинами, другими словами, существуют дополнительные источники поднятия воздушных масс в отличие от обычного местного дневного нагрева. В этих условиях могут возникать фронты, зоны низкого давления и струйное течение. Они развиваются в любое время суток и чаще встречаются весной. Такие грозы вероятнее всего перерастают в сильные.

Пульсирующие грозы развиваются в условиях «невынужденной» конвекции. Это - редкие сильные грозы, которые не связаны с особыми погодными явлениями.

Рассматривая структуру верхних слоев атмосферы, существующую угрозу можно не обнаружить. В большинстве мощных гроз присутствуют сильные ветры, по крайней мере, в нижних слоях атмосферы. Такие ветры часто меняют направление на разных высотах. При этом в атмосфере наблюдается изначальный сдвиг ветра. Для пилотов важно, что сдвиг ветра может перемещаться в нисходящем потоке воздуха и создавать проблемы при посадке. Этого не происходит при пульсирующих грозах, когда на высоте сильные ветры отсутствуют. Они возникают в пределах самой грозы, поэтому их трудно прогнозировать.

Другая проблема пульсирующих гроз состоит в том, что они могут быстро развиваться и формировать опасные погодные явления сразу после образования. Цикл существования пульсирующей грозы был впервые исследован и описан в 1949 году Национальной службой погоды США. В честь двух ведущих руководителей данного проекта эту модель развития гроз часто называют «моделью Байерса – Брахама».

Пульсирующая гроза имеет три стадии развития (см. рис.1). Для начальной стадии характерны вертикальные воздушные потоки и развивающаяся кучевая облачность без осадков или ветра на поверхности. Капли воды образуются и изначально удерживаются высоко в облаках силой восходящих потоков. В конце концов, осадки становятся слишком тяжелыми, чтобы оставаться в подвешенном состоянии, и начинают выпадать. Часть воздуха удерживается и образует нисходящий поток. Так как осадки и нисходящий воздух опускаются прямо через восходящий поток, то последний начинает ослабевать. Это и есть зрелая стадия грозы, когда имеются как восходящие, так и нисходящие потоки воздуха. Осадки и нисходящие потоки достигают поверхности земли. В это время у поверхности земли могут возникать сильные ветра. Заключительная стадия - стадия рассеивания, происходит, когда восходящий поток полностью исчезает. Все что остается, это рассеивающееся облако с медленным нисходящим потоком воздуха и, возможно, небольшим дождем на поверхности. Весь процесс от начала до конца может занять 30 минут.

Для пульсирующих гроз во время максимальной интенсивности сильные ветра маловероятны. Понадобятся значительные нисходящие потоки, чтобы переместить ветер к поверхности.

Разница между пульсирующей грозой и несильной грозой с одним очагом состоит в силе восходящих и нисходящих потоков. Пульсирующие грозы развиваются в более нестабильной среде и для них характерны более сильные восходящие потоки. Такие потоки способны дольше удерживать осадки в верхней части грозы. На радиолокаторах «ядро» грозы находится выше и является более видимым, чем у несильной грозы. Но, как только это ядро начинает снижаться, скорость его движения увеличивается, что приводит к образованию аномально сильных нисходящих потоков. Они могут классифицироваться как «нисходящие порывы ветра» и даже как более сильные и направленные «микропорывы», как было при катастрофе рейса USAir.

Авиационное происшествие 2 июля 1994 года в Северной Каролине высветило проблемы, связанные с пульсирующими грозами. Судя по утренней карте погоды, ничего серьезного происходить не должно. Ближайший фронт находился в сотнях миль от долины Огайо. Слабое струйное течение проходило далеко на севере. Теплые влажные воздушные массы расположились на юго-востоке. Утреннее исследование верхних слоев атмосферы показало нестабильность окружающей среды и слабый ветер. Ничто не говорило о вероятности опасных метеоявлений. Стоял обычный летний день.

В полдень из-за дневной жары начались дожди и грозы. Показания метеорологического радиолокатора NWS WSR-88D (Колумбия, штат Южная Каролина), расположенного в 143 километрах к югу от места происшествия, свидетельствовали о хорошей видимости в зоне международного аэропорта Charlotte Douglas. В 18:23 по местному времени на локаторе был замечен незначительный, но развивающийся грозовой очаг в районе аэропорта. Верхняя кромка грозы была на высоте 20 000 – 25 000 футов. В 18:29 радиолокатор выдал сильный отраженный сигнал от нижней кромки облачности, соответствующий третьему уровню интенсивности. В средней части очага показания говорили о возможном пятом уровне интенсивности грозовой деятельности (VIP Level 3) 2) . К 18:35, 12-ю минутами позднее первого показания, очаг достиг максимума на верхней кромке, расположенной на высоте 30 000 футов - то есть достиг пятого уровня интенсивности. Данные говорили о том, что гроза скоро войдет в стадию рассеивания, когда нисходящие потоки при этом типе очагов становятся наиболее вероятными.

В 18:41, за 2 минуты до авиационного происшествия, локатор показывал нисходящие потоки через облачность, то есть на уменьшение интенсивности восходящего потока и на увеличение нисходящего. К 18:47, мощность очага продолжала уменьшаться. Метеоролог радиолокатора NWS, который давал показания на слушании дела, сообщил, что он не обнаружил на локаторе признаков грозы, которые заслуживали внимания. Ничто не говорило о возможном дальнейшем развитии грозовой деятельности. Вес выглядело как обычная летняя гроза.

Проблемы, возникающие при полетах через сильные грозовые нисходящие потоки, показаны на рис. 2. Когда нисходящий поток касается земной поверхности, он разворачивается во всех направлениях. Самолет, входящий в эту воздушную массу, сначала испытывает влияние сильного встречного ветра. В случае с рейсом 1016, скорость этого ветра составляла 39 узлов. Дополнительный воздушный поток над крыльями увеличил подъемную силу и пилоты вынуждены были парировать его. Когда самолет прошел центр нисходящего потока, ветер быстро изменился на попутный. Его скорость составила 26 узлов: таким образом, за 15 секунд сдвиг ветра составил более 60 узлов. Потеря воздушного потока над крылом приводит к уменьшению подъемной силы и последующему снижению воздушного судна, если пилот быстро не отреагирует на эти изменения. Естественно, сдвиг ветра у поверхности земли наиболее опасен во время взлета и посадки.

Пульсирующие грозы невозможно прогнозировать. Большее, что могут сделать метеорологи, это сказать, является ли атмосфера восприимчивой к развитию пульсирующих гроз. Анализируя результаты исследований верхних слоев атмосферы, они ищут признаки повышенной нестабильности со слабыми ветрами на высотах. Нестабильные показания стандартных индексов Lifted и Showalter 3) и высокие значения индекса САРЕ 4) будут достаточным свидетельством этого процесса. При этом параметры, которые обычно используются для прогноза погоды высокой интенсивности, включая индекс SWEAT 5) и данные и спиральности (helicity) 6) в зоне низких ветров будут необычно малыми. Даже днем, когда возникает конвекция, трудно указать точно, где будет развиваться пульсирующие грозы. Незначительные атмосферные возмущения, включая слабую конвергенцию на небольшой высоте, могут способствовать появлению гроз. Такое развитие событий трудно заметить, поэтому может показаться, что грозы возникают неожиданно. Даже после начала грозы трудно определить, какой ветер ее будет сопровождать. В этом могут помочь современные системы анализа радиолокационной информации. Раннее обнаружение сдвига ветра, вызванного пульсирующими грозами, и быстрая передача этой информации пилотам являются лучшими средствами предотвращения серьезных проблем в полете.

Примечания:

1.   Отчет о расследовании авиационного происшествия NTSB. AAR-9503, Flight into Terrain During Missed Approach, USAir 1016, DC-9-31, N954VJ, Charlotte/Douglas International Airport, Charlotte, North Carolina, July 2,1994.

2.          VIP (video integrator and processor) – процессор интеграции визуальной информации используется для измерения силы отраженного радиолокационного сигнала по шкале от 1 до 5 (максимальное значение).

3.    Индексы Lifted и Showalter разработаны до открытия компьютерных технологий и используют метод исследования верхних слоев атмосферы как основы количественной оценки прогнозирования гроз. Фактические значения являются разницей между температурой внутри и снаружи облаков при давлении 500 миллибар (соответствующем высоте18500 футов). Отрицательные значения указывают на неустойчивость воздушной массы и возможность грозы, включая сильные грозы при значениях 4 и ниже. Разница между двумя индексами заключается в том, что Showalter в качестве начального уровня использовал 850 миллибар (который соответствовал 5000 футов), а индекс Lifted можно было рассчитывать от любого уровня – как правило, от ближайшего к земле слоя.

4.          CAPE (convective available potential energy) – располагаемая потенциальная энергия конвекции характеризует степень поддержания восходящих воздушных потоков, определяющих силу грозы.

5.    SWEAT (severe weather threat index) – индекс опасности погодных явлений используется для определения количественных значений потенциала сильных гроз, включая термодинамические и кинематические показатели ветра.

6.          Helicity (спиральность) – это математический термин, используемый для определения сдвига ветра на малых высотах и тенденцию восходящего потока воздуха в грозе к вращению. Вращение восходящего потока воздуха является главным условием возникновения опасных погодных явлений.