
Быстроразвивающийся (внезапный) паводок может сформироваться практически в любой точке планеты. Такой паводок, возникший в результате выпадения обильных осадков, является типичным гидрометеорологическим явлением, поскольку зависит как от метеорологических, так и от гидрологических условий. Быстроразвивающиеся паводки отличаются от типичных, широко распространенных наводнений кратковременностью – они продолжаются от десятков минут до нескольких часов.
В связи с внезапностью формирования быстроразвивающихся паводков, обычные мероприятия противопаводковой защиты (создание защитных валов из мешков с песком и прочие меры, направленные на сохранение имущества) практически невозможно осуществить. Прогнозирование таких паводков невозможно без тщательного анализа местных гидрологических условий и непрерывного мониторинга текущей метеорологической ситуации, – все это позволяет предупреждать население о возможной опасности заблаговременно и с большой точностью. В данном уроке анализируются основные гидрологические и метеорологические явления, вносящие, как правило, значительный вклад в формирование быстроразвивающихся паводков и обуславливающие их мощность. Кроме этого, будут представлены некоторые подходы, применяемые при их мониторинге и прогнозировании.
Освоив материал раздела, вы сможете:

Согласно определению Всемирной метеорологической организации (ВМО), быстроразвивающийся (внезапный) паводок – это кратковременное наводнение с относительно высокими пиковыми расходами.
Национальная служба погоды США рекомендует использовать более специфические параметры, такие как временные рамки и уровень опасности. Тогда быстроразвивающийся паводок можно определить как паводок, представляющий угрозу жизни населения и формирующийся в течение 6 часов, а нередко 3 часов, после вызвавшего его события. Национальные метеорологические и гидрологические службы различных стран (НГМС) могут устанавливать такие временные критерии, которые наилучшим образом соответствуют местным гидрологическим и климатическим условиям.
Первопричиной быстроразвивающегося паводка могут быть: интенсивные осадки, разрушение дамбы, плотины, или другого водоподпорного сооружения, а также неожиданный подъем уровня, вызванный заторными явлениями. В некоторых регионах следует учитывать вулканическую или геотермальную активность, приводящую к снеготаянию.

Наводнение принято ассоциировать с водным объектом, но быстроразвивающиеся паводки могут возникать на аридных территориях, при отсутствии русловой сети.

Следовательно, быстроразвивающийся паводок подразумевает быстрое затопление объектов и территорий, обычно не находящихся под водой, например, дорог, тоннелей, строений.

Быстроразвивающиеся паводки – стремительно формирующиеся гидрологические явления, предсказать которые весьма нелегко. Большинство из них формируются при выпадении осадков высокой интенсивности, сопровождающихся быстрым, эффективным стоком. Следовательно, ключевыми элементами, учитываемыми при прогнозировании, являются характер осадков и ожидаемого стока. Ледовые явления на реках также следует рассматривать как причину быстрого формирования внезапных паводков, особенно выше заторов льда.
Осадки более высокой интенсивности сопровождаются большим стоком, поскольку почва не может вместить значительный объем воды за короткое время. Обычно, чем выше интенсивность осадков, тем выше вероятность формирования большого объема поверхностного стока. Кроме того, продолжительные осадки высокой интенсивности могут значительно повысить вероятность формирования опасного наводнения.
Хотя с увеличением водонасыщенности грунта сток увеличивается, тем не менее, нередко быстроразвивающиеся паводки возникают при ненасыщенной почве. Важно учитывать, что в некоторых случаях характеристики стока не менее важны, чем интенсивность осадков.
Дополнительные ресурсы
Больше информации об инфильтрации и других вопросах, связанных со свойствами почв, можно найти в "Paths to Runoff" section of the Runoff Processes: International Edition module
Причиной возникновения быстроразвивающегося паводка может/могут быть ____.
(Выберите все подходящие варианты)
Правильные ответы - а, б и г.
Быстроразвивающиеся паводки почти всегда возникают при водонасыщенной почве.
(Выберите наилучший ответ)
Правильный ответ - б.

Метеорологические факторы могут существенно влиять на скорость и место формирования быстроразвивающегося паводка, а также на степень его опасности. Интенсивность и продолжительность осадков – это основные факторы, которые следует учитывать при прогнозировании потенциальных быстроразвивающихся паводков.
В этом разделе вы узнаете:
Интенсивность осадков – основной фактор, который следует учитывать при рассмотрении метеорологических условий формирования быстроразвивающегося паводка. Осадки высокой интенсивности обычно выпадают из конвективных облаков, при грозах или тропических ливнях.

Так, типичная грозовая ячейка может достигать 18 км в высоту, 10 км в радиусе и существовать примерно 20 минут. Такая гроза формирует осадки с интенсивностью 18 млн тонн в час, при условии конденсации всего водяного пара, содержащегося в таком объеме воздуха, и последующем его выпадении в виде осадков [1]. По-другому такая интенсивность может быть выражена как 13 мм/час, при равномерном распределении осадков по площади и при средней скорости движения воздушной массы 10 м/сек. При таком сценарии дождь может быть чрезвычайно интенсивным и вызвать быстроразвивающийся паводок в некоторых, но не во всех, частях рассматриваемой территории. Вероятность возникновения такого паводка будет зависеть от прочих факторов, таких как продолжительность осадков, влажность почвы, гидрологические характеристики. Следует отметить, что приведенный расчет соответствует одной грозовой ячейке. Грозы, формирующиеся при условиях, отличающихся от рассмотренных, могут сопровождаться осадками другой интенсивности и могут состоять из систем ячеек, распространяющихся на десятки и даже сотни километров.
1Doswell, C. A.,1993: Proceedings, Spain-U.S. Joint Workshop on Natural Hazards, Barcelona, Spain, 8-11 June 1993.Эффективность осадков – это разница между объемом воды, выпадающей в виде осадков из грозовой облачной системы, и общим количеством влаги, содержащейся в этой системе. Приведенный выше пример показывает, какое количество осадков может произвести типичная конвективная ячейка при условии конденсации всего водяного пара, содержащегося в ней. Очевидно, практически это будет означать, что эффективность осадков составит 100%, что маловероятно. Ни один шторм не может произвести осадки абсолютной эффективности: она значительно изменяется, даже на ограниченной территории. Рассмотрим два основных фактора, которые могут увеличить эффективность осадков.
При высокой относительной влажности воздуха средних слоев тропосферы эффективность осадков может увеличиться. Как правило, воздух на границах восходящих и нисходящих потоков грозовых ячеек перемешивается с окружающими воздушными массами в результате турбулентного перемешивания.

Окружающие воздушные массы почти всегда менее влажные, что приводит к более быстрому испарению воды или сублимации льда, содержащихся в воздухе грозовой ячейки. Если окружающий воздух средних слоев тропосферы влажный, то испарение или сублимация менее интенсивны, и больший объем воды или льда будет выпадать из облаков на поверхность земли в виде осадков.
Сравнение текущих и прогнозных значений влажности воздуха с данными, полученными в ходе натурных измерений, использования моделей численного прогноза погоды или алгоритмов обработки спутниковых данных, помогает синоптику определить вероятность формирования развивающейся грозы с осадками высокой интенсивности, обусловленными высокой относительной влажностью окружающего воздуха.
В некоторых регионах, особенно в тропических областях с морским климатом, осадки образуются преимущественно в результате формирования теплых дождей. При этом рост осадкообразующих частиц происходит, в основном, в жидкой фазе на высотах, где температура выше 0 °C. И, наоборот, при формировании часто наблюдающихся холодных дождей, частицы осадков увеличиваются в основном в фазе льда или снега, а затем тают во время движения до земной поверхности.

Это значит, что связанные с теплыми дождями осадки будут содержать меньше льда (или иногда льда не будет вовсе). Так обычно случается, если толщина жидкокапельного облака очень велика, например, сравнима с долей облака под линией замерзания, как показано на рисунке справа. Мощный слой теплого облака при температуре выше 0 °C способствует более быстрому увеличению капель в результате их столкновения, слияния и объединения. Такие капли, более крупные, с большей вероятностью формируют осадки, и падают быстрее более мелких капель.
Теплый дождь с большей вероятностью возникает в воздушной массе с тропическими, морскими характеристиками. Обратите внимание, что такие характеристики могут наблюдаться в удаленных от тропических морей регионах, поскольку теплые, влажные воздушные массы могут перемещаться волнами в направлении полюсов и/или внутрь материков с крупномасштабными погодными системами. Кроме того, интенсивный подъем в нижних слоях атмосферы – это обычный путь формирования осадков высокой интенсивности при процессе теплого дождя. Такой подъем обычно обусловлен характеристиками подстилающей поверхности или границами атмосферы.

В результате урагана, вызванного процессом теплого дождя, в Канзасе, США, выпало от 150 до 200 мм осадков за 3 часа, что привело к мощному быстроразвивающемуся паводку на небольшом водосборе, по которому проходило многополосное шоссе. На локаторе была замечена низкая область радиоэха. Это свидетельствует о том, что наиболее интенсивная часть урагана находилась ближе к нижней границе облака. Такое явление, как правило, наблюдается при теплых дождях, и будет подробнее рассмотрено в разделе 4. Следует отметить, что при подобных явлениях отсутствуют молнии. Синоптики могут учитывать эти характеристики для того, чтобы определить, будет ли состояние атмосферы достаточно благоприятным для формирования ураганов, в которых возможно возникновение наиболее интенсивных теплых дождей.
Продолжительность осадков высокой интенсивности – это еще один важный фактор, определяющий риск возникновения быстроразвивающегося паводка. Для описания какого-либо ливня или грозы будем использовать понятие конвективная ячейка. Организованный кластер конвективных ячеек назовем конвективной системой. Обычно поднятие отдельного конвективного потока продолжается не более часа, за исключением гроз, сформированных супер-ячейками. Очевидно, что хотя отдельная конвективная ячейка и способна произвести осадки высокой интенсивности, но она не может вызвать быстроразвивающийся паводок, поскольку находится над одним и тем же участком территории только непродолжительное время. Однако если отдельные конвективные ячейки и системы многократно проходят над одним и тем же участком, то такой паводок вполне может сформироваться. Рассмотрим некоторые примеры возникновения быстроразвивающихся паводков.
Движение конвективной системы определяется двумя факторами: взаимодействием восходящего и нисходящего потоков облака с несущими воздушными потоками в слоях атмосферы и образованием и распадом новых ячеек внутри системы и на ее границах. В основном конвективная система будет перемещаться вместе с ветрами окружающего ее пространства, и новые ячейки будут возникать на ее фронтальной границе. В целом, как показано ниже, система будет продвигаться довольно быстро.
Последовательные изображения радиолокатора показывают движение мезомасштабной конвективной системы над югом центральной части США. Представлены 10 часов из общего времени существования урагана.
Обычно системы, развивающиеся подобным образом, не приводят к существенным наводнениям. Исключение составляют чрезвычайно обширные и/или чрезвычайно медленно смещающиеся системы.
Однако в некоторых конвективных системах новые ячейки генерируются по-другому. Они образуются в тыловой части системы, в результате чего движение всей системы замедляется или становится стационарным.
Некоторые ячейки могут двигаться и формироваться в направлении, параллельном общему движению системы. Например, на рисунке ниже вся цепочка ячеек двигается не очень быстро; однако, отдельные ячейки в ней перемещаются достаточно быстро параллельно всей цепочке. Новые ячейки генерируются в ее тыловой части, в соответствии с ее общим движением.
Последовательные изображения радиолокатора показывают мощные конвективные ячейки, перемещающиеся над той же территорией в течение 6 часов.
Хотя отдельные ячейки двигаются относительно быстро, тем не менее, они представляют существенную угрозу возникновения быстроразвивающегося паводка, поскольку могут вызвать интенсивные осадки, повторяющиеся над одним и тем же участком территории. Подобным образом штормы часто перемещаются вдоль стационарных фронтов или над резкими формами рельефа. Ячейки, двигающиеся таким образом, называются "повторяющиеся".
Пусть осадкообразующее облако стационарно располагается над бассейном А и формирует осадки интенсивностью 30 мм/час в течение 15 минут. Затем осадки прекращаются на 15 минут, и такое чередование повторяется в течение 2 часов. Какое количество осадков выпадет на бассейн А за эти 2 часа?
(Выберите наилучший ответ)
Правильный ответ - в.
Пусть осадкообразующее облако стационарно располагается над соседним бассейном Б и формирует осадки интенсивностью 15 мм/час в течение 2 часов. Сколько осадков выпадет на бассейн Б в течение 2 часов?
(Выберите наилучший ответ)
Правильный ответ - в.
Как вы оцените вероятность возникновения быстроразвивающегося паводка в бассейнах А и Б при условиях, рассмотренных в вопросах 1 и 2?
Правильный ответ - в.
К факторам, обуславливающим вероятность возникновения быстроразвивающегося паводка, относятся: свойства почвы, характеристики бассейна и вид землепользования. Как правило, быстроразвивающиеся паводки наиболее вероятны при интенсивных осадках, таких, какие наблюдаются на бассейне А. Обычно осадки такой интенсивности не могут быть полностью поглощены почвой, и в результате сток водотоков значительно повышается. Однако если, как в рассмотренном примере, интенсивные осадки периодически прерываются, то, при определенных условиях подстилающей поверхности, быстроразвивающийся паводок может не сформироваться. Поэтому не следует делать вывод о том, что из-за меньшей интенсивности осадков на бассейне быстроразвивающийся паводок не сформируется. При высокой влажности почвы, крутых склонах и интенсивной урбанизации поверхностный сток может увеличиться настолько, что даже при дожде средней интенсивности сформируется быстроразвивающийся паводок.
Используя выпадающее меню, выберите выражение, наилучшим образом завершающее высказывание.
Что из следующего может увеличить эффективность осадков?
(Выберите все подходящие варианты)
Правильные ответы - а и в.
Гидрографические особенности бассейна могут существенно влиять на скорость и место формирования быстроразвивающегося паводка, а также на его опасность. Хотя при прогнозировании паводков в качестве основного паводкообразующего фактора часто рассматриваются осадки, важнее может оказаться то, что происходит с осадками после достижения ими поверхности земли.
В этом разделе вы узнаете:
При оценке риска возникновения быстроразвивающегося паводка рассматриваются три основных характеристики почвы: влажность почвы, гранулометрический состав почвы (текстура), почвенный профиль.

Влажность почвы часто рассматривается как самая важная характеристика, обуславливающая быстрый сток и возникновение быстроразвивающегося паводка. Действительно, если почва влагонасыщена, то в ней не остается пространства для инфильтрации дополнительных объемов осадков. В этом случае все осадки переходят в сток (независимо от состава почвы).

С другой стороны, очевидно, что если почва сухая, то вероятность инфильтрации осадков больше, а вероятность перехода осадков в сток – меньше. И хотя это положение справедливо для многих регионов, – особенно гумидных, с мощным слоем почвы – во многих случаях оно не является бесспорным.
Например, быстроразвивающиеся паводки возникают даже при сухой почве, если интенсивность осадков превышает ее инфильтрационную способность.
Если интенсивность осадков превышает инфильтрационную способность поверхностного слоя почвы, то возникает Хортоновский поверхностный сток. Такой сток называется избыточным поверхностным стоком. В результате, даже при засухе, может образоваться быстрый и эффективный сток.
Почвы определенной текстуры, такие как глина и, до некоторой степени, мелкозем, имеют низкую инфильтрационную способность и склонны к формированию быстрого стока. Поэтому сток, образованный интенсивными осадками, вероятнее всего, будет большим и возникнет быстрее на глинистых, а не на песчаных почвах, как показано в приведенной выше анимации.

Хотя на песчаных почвах инфильтрация интенсивных осадков значительнее, быстрый сток способен сформироваться только при наличии тонкого слоя почвы. Например, если тонкий слой почвы расположен на водонепроницаемом слое каменистой породы, то такой почвенный слой быстро насытится влагой, что приведет к формированию значительного стока. На правой части рисунка выше можно увидеть, как слой почвы на каменистой породе становится насыщенным.
Больше информации о текстуре почвы и инфильтрации можно найти в "Soil Properties" section of the Runoff Processes: международная версия
Характеристики бассейна способны существенно влиять на сток и, следовательно, на предрасположенность к формированию быстроразвиваюшихся паводков. В некоторых случаях особенности бассейна играют более важную роль в формировании стока, чем осадки.

Особенности бассейна, такие как его форма, уклоны склонов, степень меандрирования реки и характер растительного покрова могут влиять на процесс адсорбции осадков почвой. Например, осадки, выпадающие на бассейн с крутыми склонами и скудным растительным покровом, сформируют более обильный поверхностный сток, чем в случае пологих склонов и хорошо развитой растительности.
Кроме того, при оценке риска возникновения быстроразвивающегося паводка следует учитывать и размер бассейна. Такие паводки чаще возникают на небольших бассейнах, площадь которых не превышает 80 км2, а в большинстве случаев площадь бассейна менее 40 км2.
Любой фактор, увеличивающий скорость и эффективность стока, способен повысить риск возникновения быстроразвивающегося паводка на рассматриваемом бассейне. Больше информации о влиянии характеристик бассейна можно найти в "Basin Properties" section of the Runoff Processes: международная версия
В некоторых случаях особенности бассейна могут увеличить риск возникновения быстроразвивающегося паводка в связи с важными и, иногда, значительными изменениями подстилающей поверхности или свойств почвы. Урбанизация, пожары, обезлесение, мерзлый грунт – вот некоторые специфические особенности, которые следует учитывать.


Урбанизация имеет два наиболее важных последствия. Во-первых, с ней связано увеличение площадей водонепроницаемых территорий и уплотненных грунтов. В результате формируется больший сток. Во-вторых, на урбанизированных территориях существуют разветвленные сети дорог, ливневой канализации, нарушения естественной растительности, и иногда – канализированные русла. Все это существенно способствует стоку в направлении русел и непосредственно в них.

В результате, водотоки урбанизированных территорий, по сравнению с водотоками ненарушенных территорий, имеют более высокую скорость течения, и при одинаковых осадках чаще формируют более высокие пиковые расходы. На самом деле, на урбанизированной территории благоприятные для возникновения паводка условия могут возникнуть при значительно менее интенсивных осадках, чем были необходимы для формирования паводка на этой же территории до ее освоения.
Лесные пожары и обезлесение также могут повысить риск возникновения быстроразвивающегося паводка за счет увеличения объема стока и создания более благоприятных условий для транспорта наносов.

Основная причина этого – уничтожение растительности, а в случае пожара – возможные изменения свойств почв. После опустошительных пожаров в хвойных лесах риск возникновения быстроразвивающегося паводка особенно высок. В таких случаях растительность уничтожается, а почва может оставаться водонепроницаемой в течение нескольких недель или даже лет с момента пожара.

Быстроразвивающиеся паводки, как правило, возникают в теплый период года во время выпадения интенсивных конвективных осадков. Поэтому, как правило, мерзлый грунт не рассматривается в качестве причины их формирования. Однако, если интенсивные осадки выпадают на мерзлый грунт, эффективный сток может вызвать быстроразвивающийся паводок.

Интенсивность осадков – важный фактор, который необходимо учитывать при оценке риска возникновения быстроразвивающегося паводка. Иногда столь же важно учитывать _____.
(Выберите все подходящие варианты)
Правильные ответы - а, в и г.
Помимо интенсивности осадков, при оценке риска возникновения быстроразвивающегося паводка важно рассматривать характеристики стока. Быстрый поверхностный сток, связанный с быстроразвивающимися паводками, обусловлен влажностью почвы, толщиной ее слоя, видом землепользования, уклоном.
К факторам, повышающим эффективность стока, относятся _____
(Выберите все подходящие варианты)
Правильные ответы - а и б.
Скорость стока и его эффективность возрастают с увеличением уклона склонов, уменьшением шероховатости поверхности и размеров бассейна.
На урбанизированных территориях риск возникновения быстроразвивающихся паводков выше из-за их способности обеспечивать не только больший, но и более быстрый сток.
(Выберите наилучший ответ)
Правильный ответ - a.
Сток на урбанизированных территориях формируется под действием двух факторов: 1) Наличие значительных водонепроницаемых площадей, что способствует большему стоку; 2) Наличие сетей ливневой канализации, дорог, а также канализации русел рек, что способствует более быстрому, по сравнению с ненарушенными территориями, стоку.
Прогнозирование быстроразвивающихся паводков является довольно сложной задачей в связи с тем, что они возникают стремительно, пространственно локализованы и обусловлены множеством взаимосвязанных факторов. Наличие надежных данных гидрометеорологических наблюдений – необходимое условие прогнозирования этих явлений и/или функционирования системы предупреждения населения. Использование в гидрологических моделях стока данных, полученных с помощью моделей численного прогноза погоды, может повысить качество и заблаговременность прогнозов быстроразвивающихся паводков. Степень доступности данных наблюдений и средств прогнозирования для различных НГМС различна. В данном разделе будут рассмотрены методы наблюдений и прогнозирования различного уровня технической сложности.
В этом разделе вы узнаете:
Механические и автоматические локальные системы предупреждения о паводках, расположенные в городах и речных долинах, широко распространены в мире, в том числе в США, особенно там, где отсутствуют данные радиолокаторов или наземной сети наблюдений за осадками и стоком. Как правило, такие системы недороги и просты в эксплуатации.

Большинство механических систем действуют следующим образом:
Например, такая механическая система существует в населенных пунктах Диналупихан и Хермоса в провинции Батаан, на Филиппинах. Она состоит из нескольких водомерных реек, используемых населением для контролирования уровня воды в сезоны неблагоприятных погодных условий.

Во время осадков представитель населения или волонтер-наблюдатель снимает показания водомерных реек. В такие периоды для передачи данных и обмена информацией используют либо специальное радиооборудование, либо мобильные телефоны. Прогноз предстоящих изменений погоды выпускается Управлением атмосферной, геофизической и астрономической службы Филиппин, но население, тем не менее, продолжает контролировать систему наблюдений. Представители населения или волонтеры предупреждают об угрозе наводнения (ударами в колокол или с помощью сирены) каждый раз, когда вода в контролируемом створе достигает критического уровня.
Несмотря на простоту, такая система является одним из способов предупреждения об угрозе возникновения на данной территории паводка посредством неструктурных средств оповещения: она функционирует за счет привлечения населения, а не создания новых структур.
Автоматические системы функционируют подобным образом, но основаны на полностью автоматизированных процессах получения данных наблюдений и их передачи. Они также могут включать автоматическую систему предупреждения, которая, в случае превышения ранее установленных значений осадков или уровня воды, рассылает электронные предупреждения или включает сирену.

Данные дистанционного зондирования осадков позволяют оценить количество осадков, выпадающих на незаселенных территориях. Такие данные могут быть получены с помощью автоматических осадкомеров, метеорологических радиолокаторов, метеорологических спутников. Автоматические осадкомеры фиксируют непосредственные величины выпавших осадков, но не позволяют в должной мере оценить их пространственную и временную неравномерность, которая имеет огромное значение при оценке риска возникновения быстроразвивающихся паводков. Метеорологические радиолокаторы и спутники предоставляют данные, которые лучше отражают пространственное распределение осадков, но те и другие весьма сложны, а точность получаемых с их помощью данных не всегда удовлетворительна. Кроме того, радиолокаторы, данные которых точнее спутниковых, часто используются локально, что повышает стоимость их установки и эксплуатации. Преимущества и недостатки как радиолокаторов, так и спутников, с точки зрения их применения для прогнозирования быстроразвивающихся паводков, рассматриваются ниже.
Во многих регионах, где отсутствуют и наземные,и радиолокационные данные об осадках, спутниковая информация является основным средством оценки количества осадков. Для этого могут быть использованы данные различных спутников, многие из которых показаны на приведенном ниже рисунке.

Самыми распространенными являются инфракрасные датчики геостационарных спутников, обеспечивающих широкий и непрерывный пространственный охват. Частота поступления данных с таких спутников изменяется от 15 минут до 3 часов, в зависимости от их расположения и высоты спутниковой платформы.

При наличии облачности, инфракрасные сенсоры фиксируют температуру верхней границы облаков и осадки оцениваются по этой величине. Таким образом, геостационарные спутники могут быть весьма полезны для мониторинга перемещения осадкообразующих систем, но оценки осадков, полученные на основе их данных, не всегда корректны. Напротив, пассивные микроволновые сенсоры полярно-орбитальных спутников фиксируют излучение от воды и льда в облаках и позволяют получить более надежные количественные оценки осадков, но данные от них поступают реже, как правило – раз в 12 часов.
Начиная с 1990-х годов, исследователи разрабатывают такие синергетические алгоритмы для оценивания осадков, которые сочетали бы точность микроволновых данных об осадках и достоинства временного разрешения геостационарных данных. В результате получены такие алгоритмы как Multi-sensor Precipitation Estimate от EUMETSAT и SCaMPR от NOAA/NESDIS.
Исследовательские группы создали более надежный алгоритм оценивания жидких осадков, основанный на применении соответствующих данных моделей численного прогноза погоды для преобразования оценок интенсивности осадков, полученных по данным о температуре верхней границы облаков. Ниже показан продукт алгоритма Hydro-Estimator, который использует такой подход для геостационарных спутников по всему земному шару.

Эти спутниковые технологии разработаны в расчете на ассимиляцию данных моделей численного прогноза погоды, валидацию модели и климатические исследования, и их популярность среди синоптиков-прогнозистов растает. Так, с 2011 г с помощью Hydro-Estimator и подобных продуктов обеспечиваются информацией об осадках системы оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков (СОРВБП), функционирующие в нескольких регионах. Такие системы будут рассмотрены далее в соответствующем разделе.
Наконец, активные микроволновые сенсоры (или радиолокаторы) играют важную роль в масштабном, наиболее точном мониторинге осадков как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Значительный объем таких измерений будет выполнен в ходе проекта Global Precipitation Measurement mission .

Данные радиолокаторов, если таковые имеются, могут быть полезнее спутниковых для мониторинга и прогнозирования быстроразвивающихся паводков. Пространственное разрешение радиолокаторов, в зависимости от длины волны применяемого сигнала, может составлять всего несколько сотен метров, что существенно превышает пространственное разрешение данных об осадках, которые можно получить с помощью самых лучших спутниковых технологий, упомянутых выше. На расположенном ниже рисунке сравниваются результаты, полученные для выбранного района с помощью алгоритма Hydro-Еstimator и данных спутника NOAA/NESDIS, и оценки, основанные на данных радиолокатора. Легко заметить, что локатор обеспечивает заметно более высокую детальность информации.


Радиолокатор, по сравнению со спутниками, позволяет гораздо быстрее получать данные об осадках в окружающем его пространстве. Метеорологические радиолокационные станции могут получить данные из всей доступной области охвата за 5 минут. Это особенно ценно при быстро изменяющихся условиях, характерных для быстроразвивающихся паводков. Помимо того, что данные локатора используются для автономного оценивания осадков, они также часто включаются в мультисенсорные продукты для определения осадков и используются в СОРВБП.
Действие радиолокаторов по обнаружению осадков основано на использовании микроволнового излучения. Количество отраженного частицами осадков излучения, зависящего от их количества и размера, фиксируется радиолокатором. Это вернувшееся обратно излучение, или "отражательная способность", может быть преобразовано в информацию об интенсивности осадков. При оценивании паводочной ситуации на основе данных радиолокатора необходимо учитывать некоторые моменты.
Во-первых, зондирующий сигнал радиолокатора излучается под различными углами. Поэтому, как показано ниже, луч радиолокатора при движении оказывается все выше и выше.

Следовательно, осадки, зафиксированные радиолокатором, не обязательно будут эквивалентны количеству осадков, выпадающих на поверхность. В процессе прогнозирования это учесть непросто, особенно если на рассматриваемой территории недостаточно осадкомеров для верификации реальной ситуации. Радиолокаторы могут как завысить, так и занизить величину измеряемых осадков по некоторым другим причинам, которые включают не только блокировку луча, рефракцию, ослабление и засветку.
Наиболее важной особенностью радиолокационных данных, которую следует учитывать при прогнозировании быстроразвивающихся паводков, является "низкая область радиоэха". Это означает, что во время ливня наибольшие значения отражательной способности наблюдаются на небольших высотах, в основном ниже уровня замерзания. Если ливень имеет низкую область радиоэха, то основное увеличение осадков происходит в жидкой фазе в нижней части облаков – то есть, наблюдается процесс теплого дождя, рассмотренный ранее. На расположенном ниже рисунке показана низкая область радиоэха урагана в Канзасе, США, который был, в большой степени, обусловлен процессом теплого дождя и быстро сформировал значительный паводок.

Следующей особенностью, которую следует учитывать при использовании данных радиолокационного зондирования, особенно при прогнозировании количества осадков в условиях благоприятных для теплого дождя, является то, как локатор оценивает интенсивность осадков. Величина отражаемости зависит от количества осадкообразующих частиц и от их диаметра в шестой степени. Значения интенсивности осадков вычисляются по отражаемости, в соответствии с простым соотношением, которое основано на эмпирических оценках доли капель каждого размер в общей массе осадков. При теплом дожде обычно наблюдаются высокие концентрации капель от малого до среднего размера. И, наоборот, при холодном дожде, концентрация гидрометеоров ниже, а их размеры могут изменяться от малых до значительных.

Поэтому, если синоптики отмечают или предполагают наличие такой особенности теплого дождя как низкая область радиоэха, будет разумнее использовать другое соотношение между отражаемостью и интенсивностью осадков, которое учитывает более высокую плотность более мелких капель. Данные в приведенной ниже таблице демонстрируют, насколько велико различие между соотношением интенсивность осадков – отражаемость для стандартного конвективного холодного дождя и подобным соотношением для конвективного теплого дождя.

Ниже приведены данные радиолокационного зондирования теплого ливня того же урагана в Канзасе, США. Снимок слева расшифрован с помощью соотношения интенсивность конвективного холодного дождя – отражаемость, а снимок справа – с помощью подобного соотношения для конвективного теплого дождя. Разница между двумя оценочными значениями суммарных осадков составляет от 60 до 80 миллиметров. В данном случае изображение справа намного точнее. Такое значительное несоответствие (в случае использования исключительно данных радиолокатора) может повлиять на принятие решения: будет или нет население информировано об угрозе паводка соответствующим предупреждением.

В будущем, при более широком распространении поляризационных радиолокаторов с двойной поляризацией, такая проблема, вероятно, будет решена. Поляризационные локаторы с двойной поляризацией способны к двумерной, а не только одномерной, фиксации частиц осадков, и поэтому могут предоставить более детальную информацию о размере и типе частиц.
Какие данные используются в большинстве неавтоматических систем предупреждения о паводках?
(Выберите все подходящие варианты)
Правильные ответы - в и г.
Как часто обновляется информация, получаемая с большинства спутников?
(Выберите наилучший ответ)
Правильный ответ - б.
Используя выпадающее меню, выберите выражение, наилучшим образом завершающее высказывание.
Оценка риска возникновения быстроразвивающихся паводков (ОРВБП) – это количественная оценка осадков на определенной территории и времени, необходимого для того, чтобы на малых водотоках начались паводки.

ОРВБП обычно выражается в мм или см за различные периоды, как правило, за 1, 3, 6 или 12 часов; в некоторых регионах – за 24 часа. Например, если 3-часовая ОРВБП составляет 40 мм, то это значит, что при выпадении такого или большего количества осадков в течение 3 часов на малых водотоках начнутся паводки.
Величины ОРВБП обусловлены влажностью почвы и значением критического стока. Критический сток или ThreshR– это сток, необходимый для того, чтобы начался паводок. Это фиксированное значение, которое устанавливают на основе анализа данных за весь период наблюдений за гидрологическими и гидрографическими характеристиками водотока и бассейна. Его обычно получают делением значения расхода, соответствующего паводочному уровню, на максимальный расход единичного гидрографа определенной продолжительности. Значение расхода, соответствующего паводочному уровню, определяется по кривой расходов для заданного створа. Больше информации о кривых расходов и единичном гидрографе вы можете найти в уроках Расчет гидрографа стока в нижерасположенном створе: международная версия и Теория единичного гидрографа: международная версия .

При использовании модели осадки-сток, расчет стока производится на основе данных об осадках и влажности почвы. Расчет ОРВБП выполняется в обратном направлении. Входными данными для оценки количества осадков, необходимых для начала паводка, являются критический сток и текущая влажность почвы. Рассчитанное таким образом количество осадков и является ОРВБП.
Оценив критический сток, можно определить, какое количество осадков вызвало такой сток, используя кривые осадки-сток, полученные с помощью модели стока.

Например, как показано на рисунке выше, 1-часовой критический сток равен 20 мм. Тогда по 1-часовой кривой осадки-сток можно определить, что такой сток образован осадками 72 мм. Таким образом, 1-часовая оценка риска возникновения быстроразвивающегося паводка для бассейна составляет 72 мм.

Определите 6-часовую оценку риска возникновения быстроразвивающегося паводка если 6-часовой критический сток составляет 30 мм. Используйте рисунки и пояснения, приведенные выше.
(Выберите наилучший ответ)
Правильный ответ - г.

Если вы хотите дополнительно попрактиковаться в использовании кривых осадки-сток, пожалуйста, выполните "Упражнение по СОРВБП", подготовленное по данным Национальной службы погоды США, в разделе 3 в уроке Быстроразвивающиеся паводки.
СОРВБП может быть реализована в нескольких масштабах. Одной из распространенных форм ОРВБП является оценка, получаемая для замыкающих створов бассейнов. Другими словами, такая оценка – это среднее для бассейна количество осадков, необходимое для возникновения паводков в замыкающем створе бассейна. Такой тип ОРВБП обычно представляется в виде таблицы, пример которой приведен ниже.

Другой распространенный вид СОРВБП – сеточный. Оценкой являются осадки, необходимые для формирования паводка в пределах каждой ячейки сетки территории, для которой создается прогноз. Ниже в качестве примера приведена сеточная ОРВБП для бассейна р. Миссури, США .

Обратите внимание, что одинаковые значения сохраняются для территорий значительно больших ячеек сетки. Это объясняется тем, что сеточные значения склонны отражать свойства бассейна, для которого они рассчитаны. Для того, чтобы ОРВБП можно было использовать в моделях, программных средствах или для сравнения с сеточными данными радиолокаторов, очень желательно, чтобы эти ОРВБП были в сеточном виде. К сожалению, в настоящее время сеточная СОРВБП не всегда оценивает характеристики стока для каждой индивидуальной ячейки сетки. Это и некоторые другие ограничения СОРВБП, которые необходимо учитывать при прогнозировании, будут обсуждаться в следующем разделе.

Чаще всего принимается, что сеточные значения критического стока одинаковы для всего бассейна. Кроме того, для бассейна имеется только одна кривая осадки-сток. Поэтому значения, полученные с помощью сеточных СОРВБП, в первую очередь будут отражать характеристики самого бассейна, особенно если влажность почвы изменяется незначительно. На рисунке ниже показано, насколько точно ячейки сетки могут совпадать с реальными бассейнами.

Еще одним ограничением СОРВБП является то, что кривые осадки-сток и значения критического стока чаще всего смоделированы для бассейнов, площадь которых превышает 250 км2 . Тогда как быстроразвивающиеся паводки, в основном, формируются в бассейнах с площадями около 80 км2, а часто – менее 40 км2.

Таким образом, возможно, что СОРВБП не позволит с достаточной точностью получить необходимые значения для интенсивного конвективного дождя в небольшом суб-бассейне.

Наконец, полученные с помощью СОРВБП значения зависят, в основном, от влажности почвы, рассчитанной для модели стока. Как правило, бассейны слишком велики, а значит, для них не учитываются такие важные характеристики как вид землепользования, участки лесных пожаров и урбанизация. Мало вероятно, что значения ОРВБП будут репрезентативны для урбанизированных частей бассейнов. Так, для урбанизированных частей бассейна, значения ОРВБП должны быть значительно ниже, чем для неурбанизированных.
Пользователи СОРВБП должны иметь представление об особенных участках поверхности, на которых может возникнуть сток, который заметно превысит значение, полученное с помощью СОРВБП. Информацию об обезлесение территории, следах лесных пожаров и урбанизации можно получить с помощью картографических материалов, а также в сотрудничестве с другими организациями.
СОРВБП действуют во многих регионах Земли, особенно широко распространены в США, Центральной Америке и долине р. Меконг (Камбоджа, Лаосская Народно-Демократическая Республика, Таиланд и Вьетнам). Во многих других странах, таких как Ботсвана, Южно-Африканская Республика, Гаити и Доминиканская Республика, в стадии тестирования и внедрения находятся подобные системы, которые могут функционировать в составе Национальных гидрометеорологических служб (НГМС). Создание СОРВБП с глобальным охватом – это совместная цель Всемирной метеорологической организации (ВМО) и Центра гидрологических исследований, некоммерческой организации из Калифорнии, США. Действие этих систем основано на использовании спутниковых данных об осадках высокого разрешения, поступающих в режиме реального времени. В основном, это данные Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Европейской организации спутниковой метеорологии (EUMETSAT) и Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA), которые в настоящее время легко и повсеместно доступны. На рисунке ниже представлен пример ОРВБП для Центральной Америки, которая показывает вероятность возникновения быстроразвивающегося паводка с заблаговременностью 1-6 часов для бассейнов с площадью 100-300 км2.

Для функционирования такой системы нужны данные об осадках, наблюдаемых на наземной сети. Это позволяет устранить погрешности оценок осадков, полученных на основе спутниковых данных. Поскольку пространственная плотность наблюдательной сети довольно неравномерна, то для получения более надежных результатов система учитывает некоторую неопределенность данных. Для оценки особенностей типологии где-либо расположенных небольших водотоков и их бассейнов можно использовать Цифровые модели рельефа (ЦМР) и Геоинформационные системы (ГИС). В настоящее время доступны глобальные пространственные базы данных о почве и растительном покрове, которые могут быть эффективно использованы совместно с ЦМР и ГИС для создания физически обоснованных моделей, учитывающих влажность почвы.
В настоящее время современные возможности оценивания осадков с высоким пространственным и временным разрешением по данным локаторов, калиброванным с помощью данных осадкомеров, и существенный рост мощности компьютерной техники позволяют моделировать сток более детально.

Модели стока с распределенными параметрами способны достаточно детально отразить особенности осадков, характеристики почвы и землепользования. При распределенном моделировании характеристики стока моделируются на сеточной основе или для суб-бассейнов, обеспечивая более детальное, по сравнению с СОРВБП, описание изменения во времени стока с водосбора и в русле. СОРВБП является хорошим инструментом предупреждения о скором наступлении быстроразвивающегося паводка, но она не позволяет оценить его величину. Модель с распределенными параметрами, аккуратно откалиброванная, c качественными измеренными значениями количества осадков высокого разрешения, потенциально может быть успешно применена для прогнозирования критического уровня или расхода на бассейнах площадью 100 км2. Тогда сток может быть смоделирован в масштабе, соответствующем масштабу конвективного ливня, что очень важно для прогнозирования быстроразвивающихся паводков. Модели с распределенными параметрами могут обеспечить дополнительную информацию и понимание гидрологических условий территории при отсутствии значительного объема данных о стоке. По мере развития моделей с распределенными параметрами и повышения качества их входных данных, этот вид моделирования, со временем, способен заменить СОРВБП.
Дополнительные ресурсы
Runoff modeling section of Runoff Processes: международная версия
Используя выпадающие меню, выберите такие инструменты мониторинга и прогнозирования быстроразвивающихся паводков, чтобы завершить предложение наилучшим образом.
Оценка риска возникновения быстроразвивающихся паводков представляет собой __________
(Выберите наилучший ответ)
Правильный ответ - б.
Сеточная СОРВБП не всегда показывает потенциальный сток для отдельной ячейки сетки.
(Выберите наилучший ответ)
Правильный ответ - a.
Так как сеточные СОРВБП основаны на критическом стоке и кривых осадки-сток для бассейна, то получаемые сеточные оценки часто одинаковы для всего бассейна. Другими словами, они не всегда отражают особенности отдельной ячейки сетки. Однако их проще применять совместно с другими сеточными продуктами, например, с данными метеорологического радиолокатора.
И ОРВБП, и критический сток могут быть количественно выражены в "X мм за Y часов". В чем отличие критического стока от ОРВБП?
(Выберите наилучший ответ)
Правильный ответ - в.
Критический сток – это мера стока, тогда как ОРВБП – мера осадков. Оба значения выражаются в мм слоя за время. ОРВБП показывает количество дождя, которое способно сформировать критический сток. ОРВБП будет больше, чем критический сток, за исключением случаев, когда коэффициент стока составит 1 (эффективность стока 100%).
ОРВБП для урбанизированных территорий, как правило, слишком завышены.
(Выберите наилучший ответ)
Правильный ответ - a.
Как правило, бассейны слишком большие, и это не позволяет учитывать важные особенности землепользования, например, урбанизацию или территории после пожаров. Так, для урбанизированных частей бассейна, значения ОРВБП должны быть значительно ниже, чем для неурбанизированных
Быстроразвивающийся паводок:
Вы закончили изучение данного урока. Пожалуйста, пройдите контрольный опрос и поделитесь своими впечатлениями от урока, пройдя этот опрос.
Программа COMET® реализована при поддержке NOAA National Weather Service (NWS) и дополнительном финансировании от: