Вестник КРАУНЦ.Физ.-мат. науки. 2021. Т. 37. №4. C. 203-215. ISSN 2079-6641

Содержание выпуска/Contents of this issue

УДК 551.515/4

Научная статья

Пространственно-временная изменчивость конвективной неустойчивости на юге Западной Сибири по данным реанализа ERA5

К. Н. Пустовалов¹², В. П. Горбатенко², П.М. Нагорский¹, О. Е. Нечепуренко²

¹Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск, пр. Академический 10/3, 364055, Россия
²Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, пр. Ленина 36, 634050, Россия.

E-mail: const.pv@yandex.ru, vpgor@tpu.ru, npm_sta@mail.ru

Представлены результаты сравнительного анализа пространственно-временной изменчивости конвективной неустойчивости на юге Западной Сибири по данным индексов неустойчивости K-Index и Total Totals, полученных из реанализа ERA5. Показано, что по значениям обоих индексов максимум конвективной неустойчивости над югом Западной Сибири приходится на Кулундинскую равнину и пойму верхнего течения р. Иртыш. Кроме того, высокие значения индексов наблюдаются над юго-востоком Урала и северо-востоком Васюганской равнины. Северная граница со значениями KIQ1 ≥ 30 ◦C и TTQ1 ≥ 50 ◦C, указывающими на вероятность образования гроз 70%, простирается до 62◦ и 61◦ с.ш. соответственно. За период 1990–2019 гг. в динамике среднегодовых значений KIQ1, в целом по территории, преобладает положительный тренд, а в динамике TTQ1 на большей части территории значимые изменения отсутствуют, однако отмечается цикличность с периодом ∼ 10 лет.

Ключевые слова: конвекция, индексы неустойчивости, индекс K-index, индекс Total Totals, гроза, реанализ ERA5

DOI: 10.26117/2079-6641-2021-37-4-203-215

Поступила в редакцию: 22.10.2021

В окончательном варианте: 15.11.2021

Для цитирования. Пустовалов К. Н., Горбатенко В. П., Нагорский П. М., Нечепуренко О. Е. Пространственно-временная изменчивость конвективной неустойчивости на юге Западной Сибири по данным реанализа ERA5 // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2021. Т. 37.
№ 4. C. 203-215. DOI: 10.26117/2079-6641-2021-37-4-203-215

Конкурирующие интересы. Авторы заявляют, что конфликтов интересов в отношении авторства и публикации нет.

Авторский вклад и ответсвенность. Все авторы участвовали в написании статьи и полностью несут ответственность за предоставление окончательной версии статьи в печать. Окончательная версия рукописи была одобрена всеми авторами.

Контент публикуется на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.ru)

© Пустовалов К. Н. и др., 2021

Финансирование. Работа выполнена при поддержке госбюджетной темы (номер госрегистрации 121031300154-1).

MSC 86А10

Research Article

The spatial and temporal variability of convective instability in the south of Western Siberia according to ERA5 reanalysis data

K. N. Pustovalov¹², V. P. Gorbatenko², P. V. Nagorskiy¹, O. E. Nechepurenko²

¹Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, Tomsk, Academichesky ave. 10/3, 364055, Russia
²National Research Tomsk State University, Tomsk, Lenin ave. 36, 634050, Russia.

E-mail: const.pv@yandex.ru, vpgor@tpu.ru, npm_sta@mail.ru

A comparative analysis of the spatio-temporal variability of convective instability in the south of Western Siberia according to the K-Index and Total Totals index obtained from the ERA5 reanalysis is presented. Related to both indices, the Kulunda plain and the upper Irtysh River floodplain have the highest level of convective instability in the south of Western Siberia. In addition, high index values are observed over the southeastern Urals and the northeastern Vasyugan plain. The northern boundary extends to 62◦ and 61◦ N, respectively, with KIQ1 ≥ 30 ◦C and TTQ1 ≥ 50 ◦C, indicating a thunderstorm probability greater than 70%. The dynamics of annual average KIQ1 values for the territory as a whole are dominated by a positive trend for the period 1990–2019, and there are no significant changes in TTQ1 dynamics for most of the territory, but there is cyclicality with a period of ∼ 10 years.

Keywords: convection, instability indices, K-index, Total Totals index, thunderstorm, ERA5 reanalysis.

DOI: 10.26117/2079-6641-2021-37-4-203-215

Original article submitted: 22.10.2021

Revision submitted: 15.11.2021

For citation. Pustovalov K. N., Gorbatenko V. P., Nagorskiy P. M., Nechepurenko O. E. The spatial and temporal variability of convective instability in the south of Western Siberia according to ERA5 reanalysis data. Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2021, 37: 4, 203-215. DOI: 10.26117/2079-6641-2021-37-4-203-215

Competing interests. The authors declare that there are no conflicts of interest regarding authorship and publication.

Contribution and Responsibility. All authors contributed to this article. Authors are solely responsible for providing the final version of the article in print. The final version of the manuscript was approved by all authors.

The content is published under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.ru)

© Pustovalov K. N., et al., 2021

Funding. The work was carried out with the support of the state budgetary theme (state registration number 121031300154-1).

Список литературы/References

  1. Шметер С. М. Термодинамика и физика конвективных облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 288 с. [Shmeter S. M. Termodinamika i fizika konvektivnykh oblakov. L.: Gidrometeoizdat, 1987. 288 pp. (In Russian)]
  2. Rakov V. A., Uman M. A. Lightning: Physics and Effects. New York: Cambridge Univ. Press, 2003. 687 с.
  3. Vel’tishchev N. F., Stepanenko V. M. Mezometeorologicheskiye protsessy. M.: МГУ, 2006. 101 с.
  4. Андреева Е. С. Опасные явления погоды юга России. СПб.: РГГМУ, 2006. 216 с. [Andreeva E. S. Opasnyye yavleniya pogody yuga Rossii. SPb.: RSHU, 2006. 216 pp. (In Russian)]
  5. Bluestein H. B. Severe Convective Storms and Tornadoes: Observations and Dynamics. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2013. 456 с.
  6. Mokhov I. I., Akperov M. G. Tropospheric lapse rate and its relation to surface temperature from reanalysis data // Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics, 2006. Т. 42, №4, С. 430-438.
  7. Chernokulsky A.V., Bulygina O. N., Mokhov I. I.Recent variations of cloudiness over Russia from surface daytime observations // Environ. Research Letters, 2011. Т. 6, №3, С. 035202.
  8. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. M.: Росгидромет, 2014. 1008 с. [ Vtoroy otsenochnyy doklad Rosgidrometa ob izmeneniyakh klimata i ikh posledstviyakh na territorii Rossiyskoy Federatsii. M.: Rosgidromet, 2014. 1008 pp. (In Russian)]
  9. Gorbatenko V. P., Kuzhevskaya I.V., Pustovalov K. N., Chursin V.V., Konstantinova D. A. Assessment of atmospheric convective potential variability in Western Siberia in changing climate // Russian Meteorology and Hydrology, 2020. Т. 45, №5, С. 360-367.
  10. Горбатенко В. П., Тунаев Е. Л., Пустовалов К. Н., Волкова М. А., Нечепуренко О. Е. Изменения циклогенеза над Западной Сибирью в 1976–2017 гг. // Фундаментальная и прикладная климатология, 2020. Т. 2, С. 35-57. [Gorbatenko V. P., Tunaev E. L., Pustovalov K. N., Volkova M. A., Nechepurenko O. E. Izmeneniya tsiklogeneza nad Zapadnoy Sibir’yu v 1976–2017 gg. // Fundamental’naya i prikladnaya klimatologiya, 2020. vol. 2, pp. 35-57 (In Russian)].
  11. Боровко И. В., Крупчатников В. Н. Математическое моделирование реакции циркуляции Гадлея и стратификации внетропической тропосферы на изменения климата с помощью спектральной модели общей циркуляции атмосферы// СибЖВМ, 2015. Т. 18, №1, С. 27–40. [Borovko I.V., Krupchatnikov V. N.Matematicheskoye modelirovaniye reaktsii tsirkulyatsii Gadleya i stratifikatsii vnetropicheskoy troposfery na izmeneniya klimata s pomoshch’yu spektral’noy modeli obshchey tsirkulyatsii atmosfery // SibZHVM, 2015. vol. 18, no. 1, pp. 27-40 (In Russian)].
  12. Курганский М. В., Чернокульский А. В., Мохов И. И. Смерч под Ханты-Мансийском: пока исключение или уже симптом //Метеорология и гидрология, 2013. №8, С. 40-50. [Kurganskiy M.V.,
    Chernokul’skiy A.V., Mokhov I. I.Smerch pod Khanty-Mansiyskom: poka isklyucheniye ili uzhe simptom // Meteorologiya i gidrologiya, 2013. no. 8, pp. 40-50 (In Russian)].
  13. Chernokulsky A.V., et al. Tornadoes in northern Eurasia: From the middle age to the information ERA // Monthly Weather Review, 2020. Т. 148, С. 3081-3110.
  14. Chernokulsky A.V., et al. Tornadoes in the Russian regions // Russian Meteorology and Hydrology, 2021. Т. 46, №2, С. 69-82.
  15. Glazunov A.V., Dymnikov V. P. Spatial spectra and characteristic horizontal scales of temperature and velocity fluctuations in the convective boundary layer of the atmosphere // Izvestiya. Atmospheric
    and Oceanic Physics, 2013. Т. 49, №1, С. 33-54.
  16. Горбатенко В. П., Дульзон А. А.Влияние изменения подстилающей поверхности на грозовую активность // География и природные ресурсы, 1997. №2, С. 142-146. [Gorbatenko V.P., Dul’zon
    A.A. Vliyaniye izmeneniya podstilayushchey poverkhnosti na grozovuyu aktivnost’ // Geografiya i prirodnyye resursy, 1997. no. 2, pp. 142-146 (In Russian)].
  17. Седунов Ю.С. и др. Атмосфера. Справочник. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 508 с. [Sedunov YU. S, et al. Atmosfera. Spravochnik. L.: Gidrometeoizdat, 1991. 508 pp. (In Russian)]
  18. Showalter A. K.A stability index for forecasting thunderstorms // Bulletin of the American Meteorological Society, 1947. №34, С. 250-252.
  19. Galway J. G. The Lifted index as a predictor of latent instability // Bulletin of the American Meteorological Society, 1956. Т. 3, С. 528-529.
  20. George J. J. Weather forecasting for aeronautics. New York, London: Academic Press, 1960. 684 с.
  21. Blanchard D. O. Assessing the vertical distribution of convective available potential energy // Weather Forecasting, 1998. №13, С. 870-877.
  22. Miller R. C. Notes on analysis and severe storm forecasting procedures of the Air Force Global Weather Central. Headquarters, Air Weather Service: USAF, 1972. 190 с.
  23. Gubenko I. M., Rubinshtein K. G. Analysis of the results of thunderstorm forecasting based on atmospheric instability indices using the WRF-ARW numerical model data // Russian Meteorology and Hydrology, 2015. Т. 40, №1, С. 16-24.
  24. Горбатенко В. П., Нечепуренко О. Е., Кречетова С. Ю., Беликова М.Ю. Верификация параметров неустойчивости атмосферы, восстановленных по данным спектрорадиометра MODIS/Terra данными аэрологического зондирования //Оптика атмосферы и океана, 2016. Т. 29, №7, С. 603-607. [Gorbatenko V. P., Nechepurenko O.Ye., Krechetova S. YU., Belikova M. YU. Verifikatsiya parametrov neustoychivosti atmosfery, vosstanovlennykh po dannym spektroradiometra MODIS/Terra dannymi aerologicheskogo zondirovaniya // Optika atmosfery i okeana, 2016. vol. 29, no. 7, pp. 603-607 (In Russian)].
  25. Быков А. В., Ветров А. Л., Калинин Н. А. Прогноз опасных конвективных явлений в Пермском крае с использованием глобальных прогностических моделей // Труды Гидрометцентра России, 2017. Т. 363, С. 101-119. [Bykov A.V., Vetrov A. L., Kalinin N. A. Prognoz opasnykh konvektivnykh yavleniy v Permskom kraye s ispol’zovaniyem global’nykh prognosticheskikh modeley // Trudy Gidromettsentra Rossii, 2017. vol. 363, pp. 101-119 (In Russian)].
  26. Chernokulsky A.V., Kurgansky M.V., Mokhov I. I. Analysis of changes in tornadogenesis conditions over Northern Eurasia based on a simple index of atmospheric convective instability // Doklady Earth Sciences, 2017. Т. 477, №2, С. 1504-1509.
  27. Нечепуренко О. Е., Горбатенко В. П., Константинова Д. А., Севастьянов В. В. Индексы неустойчивости атмосферы и их пороговые значения, оптимальные для прогноза гроз над Сибирью // Гидрометеорологические исследования и прогнозы, 2018. №2(368), С. 44-59. [Nechepurenko O.Ye., Gorbatenko V. P., Konstantinova D. A., Sevast’yanov V.V. Indeksy neustoychivosti atmosfery i ikh porogovyye znacheniya, optimal’nyye dlya prognoza groz nad Sibir’yu // Gidrometeorologicheskiye issledovaniya i prognozy, 2018. no. 2(368), pp. 44-59 (In Russian)].
  28. Сивков Б. А., Калинин Н. А. Особенности термодинамического состояния атмосферы при сильных осадках на территории Пермского края // Гидрометеорологические исследования и прогнозы, 2020. №1(375), С. 83-95. [Sivkov B. A., Kalinin N. A. Osobennosti termodinamicheskogo sostoyaniya atmosfery pri sil’nykh osadkakh na territorii Permskogo kraya // Gidrometeorologicheskiye issledovaniya i prognozy, 2020. no. 1(375), pp. 83-95 (In Russian)].
  29. Губенко И. М., Рубинштейн К. Г. Тестирование комплексного метода прогноза молниевой активности // Оптика атмосферы и океана, 2020. Т. 33, №12, С. 949-957. [Gubenko I. M., Rubinshteyn
    K. G. Testirovaniye kompleksnogo metoda prognoza molniyevoy aktivnosti // Optika atmosfery i okeana., 2020. vol. 33, no. 12, pp. 949-957 (In Russian)].
  30. Gorbatenko V. P., Pustovalov K. N., Konstantinova D. A. Convective potential of the atmosphere of Western Siberia amid global climate change // IOP Conference Series. Earth and Environmental Sciences, 2020. Т. 611, С. 012001.
  31. Nechepurenko O. E., Gorbatenko V. P., Konstantinova D. A., Pustovalov K. N. Linking the storm cells position and high values of instability indices – a case study in the southeast of Western Siberia // Journal of Physics. Conference Series, 2020. Т. 1604, С. 012006.
  32. Zhukova V. A., et al. Spatial-temporal variability of temperature stratification of the lower atmosphere layer during the development of abnormally early thunderstorms and squalls // Proc. SPIE, 2020. Т. 11560, С. 115606U.
  33. Kalinin N. A., et al. Environments of formation of severe squalls and tornadoes causing largescale windthrows in the forest zone of European Russia and the Ural // Russian Meteorology and Hydrology, 2021. Т. 46, №2, С. 83-93.

Пустовалов Константин Николаевич – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, доцент, Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Россия, ORCID: 0000-0002-2423-0543.

Pustovalov Konstantin Nikolaevich – Ph.D. (Phys. & Math.) Researcher, Institute for Monitoring of Climate and Ecological Systems SB RAS, Associate Professor, National Research Tomsk State University, Tomsk, Russia, ORCID: 0000-0002-2423-0543.


Горбатенко Валентина Петровна – доктор географических наук, профессор, Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Россия, ORCID: 0000-0001-7839-7237.

Gorbatenko Valentina Petrovna – Dr. Sci. (Geogr.), Professor, National Research Tomsk State University, Tomsk, Russia; Professor, ORCID: 0000-0001-7839-7237.


Нагорский Петр Михайлович – доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории физики климатических систем, Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск, Россия.

Nagorskiy Petr Mikhailovich – Dr. Sci. (Phys. & Math.), Professor, Leading Researcher of Lab. Physics of Climate Control Systems, Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, Tomsk, Russia.


Нечепуренко Ольга Евгеньевна – кандидат физико-математических наук, доцент, Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Россия, ORCID: 0000-0002-1100-6315.

Nechepurenko Olga Evgenyevna — Ph.D. (Phys. & Math.), associate professor, National Research Tomsk State University, Tomsk, Russia, ORCID: 0000-0002-1100-6315.