|
|
 |
 |
 |
|
1 Конвективные вертикальные движения. Кучевообразные (конвективные) облака Кучевообразные, или конвективные, облака имеют вид изолированных облачных масс. Эти облака сильно развиты по вертикали и имеют, как правило, небольшую (по сравнению со слоистообразными) горизонтальную протяженность. Основными процессами, приводящими к образованию кучевообразных облаков, являются термическая конвекция и турбулентный обмен. Конвекция возникает в результате перегрева отдельных масс воздуха при неустойчивой в нижних слоях стратификации. Наиболее благоприятные условия для возникновения конвективных движений создаются над сушей в теплую половину года в областях пониженного давления. Под влиянием притока прямой солнечной радиации вблизи земной поверхности возникает неустойчивая стратификация. Отдельные перегретые массы воздуха при таких условиях начинают ускоренно перемещаться по вертикали вверх. Сначала подъем такой массы ненасыщенного воздуха происходит практически по сухой адиабате АА' (рис. 17.1). На уровне конденсации Zк. воздух достигает состояния насыщения (f=100%). При наличии активных и достаточно крупных ядер конденсации состояние насыщения достигается несколько ниже уровня Zк. Выше уровня конденсации воздух поднимается по влажной адиабате. Благодаря понижению температуры происходит конденсация водяного пара и образование облачности. Представляют интерес следующие уровни, связанные с развитием конвективного облака: Рис. 17.1. Схема кучево-дождевого облака. 1 — кривая стратификации, 2 — кривая состояния.
б) уровень нулевой изотермы Zo, отделяющей переохлажденную (верхнюю) часть облака от непереохлажденной (нижней); в) уровень свободной конвекции Zконв, практически совпадающей с верхней границей облака. 1.2. Уровень свободной конвекции. Это уровень, до которого распространяются восходящие вертикальные движения (струи), порождаемые энергией неустойчивости. Он располагается несколько выше уровня, где температура поднимающейся частицы (струи) выравнивается с температурой окружающего воздуха (точка Е на рис. 17.1). Объясняется это тем, что до уровня выравнивания поднимающаяся частица на любой высоте имеет более высокую температуру, чем окружающий воздух, и движется вверх ускоренно (с нарастающей скоростью). Вблизи уровня выравнивания скорость частицы (струи) близка к максимальной. Выше этого уровня температура частицы становится ниже температуры среды, вертикальная скорость начинает уменьшаться, но частица по инерции продолжает подниматься вверх до уровня свободной конвекции, где скорость ее обращается в нуль. Наблюдения показывают, что вершины кучевых облаков при их росте испытывают колебательные (пульсационные) движения с периодом 10— 11 мин. На эту основную волну накладываются колебания с периодом около 1 мин. 1.3. Скорость конвективных движений. Существует несколько точек зрения на механизм возникновения и характер конвективных движений в атмосфере. Еще в 1905 г. И. И. Касаткин высказал мнение, что конвекция возникает или над перегретыми (по сравнению с окружением) участками земной поверхности («контактная» конвекция), или внутри воздушной массы под влиянием силы плавучести (спонтанная, или свободная, конвекция). Наиболее правильным в настоящее время следует считать представление, учитывающее ярусный характер развития конвекции, на что впервые обратили внимание П. А. Молчанов и Е. С. Селезенева. А. А. Скворцов исследовал это явление в пустынях Средней Азии. Первоначально в ранние утренние часы (летом) происходит перенос водяного пара и тепла в пределах примерно приземного слоя атмосферы (до высоты 50—100 м). Этот перенос осуществляется через мелкомасштабный турбулентный обмен. Турбулентные частицы (вихри) на каждой высоте имеют размеры примерно равные 0,4г, т. е. с увеличением высоты они возрастают. На верхней границе приземного слоя образуются вихри (струи) более крупного масштаба, которые переносят тепло и влагу примерно до уровня конденсации. И лишь вблизи последнего формируются частицы (струи), сравнимые по размерам с облаками. Некоторые исследователи (А. Коханский, Дж. Малкус и др.) придерживаются мнения, которое было высказано еще И. И. Касаткиным: над неоднородной земной поверхностью образуются непрерывные восходящие токи в виде «труб». Под влиянием ветра трубы наклоняются или изгибаются, и там, где они достигают уровня конденсации, образуется облако. Вертикальные движения внутри облака имеют характер отдельных струй — восходящие течения чередуются в горизонтальном направлении с нисходящими. Скорость вертикальных потоков в конвективных облаках изменяется в широких пределах: от долей до 30—40 м/с (в кучево-дождевых облаках). В табл. 17.1 приведены сведения о повторяемости вертикальных скоростей в кучево-дождевых (грозовых) облаках по данным измерений на самолете во Флориде и Огайо (США). Эта таблица
Согласно табл. 17.1, наибольшая повторяемость как восходящих, так и нисходящих движений (струй) на всех высотах приходится на интервал 3,05—6,10 м/с. Однако чем выше расположен уровень, тем больше количество струй (особенно восходящих), вертикальная скорость которых заключена в интервалах с более высокими значениями w (вплоть до того, что на высоте 7,62 км в Огайо максимум повторяемости положительных значений w(скорости) приходится на интервал 6,10—9,15 м/с). Из табл. 17.1 следует также, что количество нисходящих струй i в облаке в 2—3 раза меньше, чем восходящих; при этом намечается тенденция к уменьшению количества нисходящих струй по сравнению с восходящими при увеличении высоты. Интервал изменения скорости нисходящих струй более узок, чем восходящих. 1-Средняя ширина восходящих потоков 1,5 км, а нисходящих 1,2 км. На основе этого можно сделать вывод, что в кучево-дождевых облаках восходящее движение преобладает над нисходящим — результирующая скорость больше нуля. Средние значения вертикальных скоростей, которые били зафиксировать во Флориде и Огайо, приведены в табл. 17.2. Здесь L- пройденное самолетом горизонтальное расстояние, для которою определено среднее значение вертнкальной скорости, превышающее 1,22 м/с. Средняя квадратнческая вертикальная скорость на площадках длиной 50—60 км в верхних частях кучево-дождевых облаков с наковальней колеблется между 1,9 и 3,9 м/с, в то время как над вершиной облаков - между 1,4 и 1,6 м/с. Таблица 17.2. Средние значения вертикальной скорости w>1,22 м/с)
1.4. Размеры и повторяемость облачных струй и терминов. Как наблюдения в полетах, так и исследование облаков методом фотограмметрирования с земной поверхности показали, что конвективное облако состоит из отдельных потоков, которые имеют форму струн или термика (пузыря). И. П. Вульфсон экспериментально исследовал распределение струй и термиков по размерам, а также вертикальную скорость движения и температуру их, приняв во внимание то обстоятельство, что самолет пересекает конвективные потоки на различных и при этом неизвестных расстояниях от центра струи или термика. Естественно, что определенные с самолета размеры конвективных потоков отличаются от действительных. Для определения последних привлекается теория статистической интерпретации результатов измерений. Средние значения диаметра d струй, большой оси a горизонтальных сечений термиков и замеренных случайных сечений конвективных потоков в слое от земной поверхности до высоты около 3000 м, при отсутствии облаков таковы: d= 60 м, a= 50 м и l= 90 м (превышение l по сравнению с d и a объясняется тем, что при теоретическом расчете d и a учитываются все те мелкие потоки, вероятность пересечения которых очень мала). Если сравниваются только те потоки, которые зафиксировал самолет, то их размеры (d или а), естественно, больше I (приблизительно 120 и 140 м). Средняя концентрация составляет около 40 струй на 1 км2 или 750 терминов в 1км3. Относительная площадь струй и объем терминов равны примерно 0,20. Размеры струй и терминов во всем исследованном слое практически постоянны с высотой (исключение составляет слой до высоты около 300 м, где d и a возрастают с высотой). Средние превышения температуры в центрах струй, термиков и случайных сечений соответственно равны 0,19, 0,15 и 0,24 °С. Над характерными возвышенностями местности до высоты 800—1000 м всегда наблюдаются восходящие потоки. Над равниной какая-либо связь между неоднородностями земной поверхности и конвективными потоками не обнаружена. Последние возникают спонтанно (самопроизвольно) в нижнем слое со сверхадиабатическими градиентами температуры. Распределение отклонений Т' температуры и вертикальной скорости w внутри струи удовлетворительно описывается с помощью формул, вид которых указан Пристли:
Здесь r—расстояние от центра струи, радиус которой R; z—высота в метрах, на которой рассчитывается T в градусах Цельсия и w в м/с. Размеры конвективных потоков в мощных кучевых облаках (в описываемых случаях их основание и вершина находились соответственно на высоте около 1800 и 5500 м) значительно больше, чем вне облаков: средние значения диаметра струи в облаках и под облаками равны соответственно 90 и 50 м, а средние значения большой оси горизонтальных сечений термиков — 70 и 40 м. Относительный объем конвективных потоков в облаках и под ними составляет 0,70 и 0,24. Распределение конвективных потоков по размерам в облаках и вне облаков изображено на рис. 17.2. Максимум повторяемости потоков в облаках приходится на большие значения размеров, чем вне облаков. Средние размеры R конвективных потоков в облаках линейно растут с высотой: R= 27 + 0,015z. Здесь z - высота (в метрах), отсчитываемая от основания облака. Распределение отклонения температуры T и скорости движения струй w до высоты около 2/3 толщины облака над его основанием описывается с помощью соотношений:
Значительный экспериментальный материал о конвективных потоках (струях и пузырях) получен в связи с метеорологическим обеспечением полетов планеров. По данным 114 пересечений терминов по хордам, близким к диаметру (в районе Майкопа и Вильнюса), получены следующие значения вертикальной скорости (w), среднего размера (l) и повторяемости (Р) для сильных (соответственно >=6,0 м/с, 350 м и 2,6%), средних (6,0—4,5 м/с, 600м и 33,4%) и слабых (=<3 м/с, 150 м и 64%) термиков. В центре термиков максимальные значения w в 79 % случаев сохранялись постоянными на расстоянии от 20 до 650 м — свидетельство существования ядра конвективного потока с почти неизменной вертикальной скоростью.
Рис. 17.2. Распределение конвективных потоков по размерам в облаках (1) и вне облаков (2). а — струи, б — пузыри. По материалам полетов на оборудованном измерительной аппаратурой самолете Як-12 (443 сечения термиков) термики разделены на широкие (при пересечении отмечалось несколько максимумов w) и узкие (с одним хорошо выраженным максимумом w и быстрым спадом вертикальной скорости по направлению к периферии термика). Более мощными являются широкие термики (средние значения w = 2,7 м/с, l=650 м); в них наблюдается ядро с почти постоянной w. В узких термиках w =2,1 м/с, 1= 348 м, ядро отсутствует. Повторяемость широких возрастает, узких убывает по мере увеличения вертикального градиента температуры (у). Так, при среднем (за день) значении у=0>65°С/ /100 м (в слое 0—300 м) на долю широких термиков приходилось 45%, узких—55% (из общего числа 73), при у ==0,77°С/100 м повторяемость тех и других—одинаковая. Однако уже при у =1,30°С/100 м (в другой день) повторяемость широких термиков составила 71 %, а при у =1,87°С/100 м—81 %; узких—соответственно 29 и 19%. Установлена также связь между вертикальной скоростью в термиках и альбедо (r) земной поверхности, над которой возникают термики; коэффициент корреляции между w и г оказался отрицательным и равным —0,84 ±0,15: чем больше г, тем меньше прогревается земная поверхность и, как следствие, снижается вероятность образования термина с большой вертикальной скоростью. Исследовано поведение искусственного термика, создаваемого поджогом некоторого вещества, после окончания горения которого через 0,10 - 0,12 с образовывалось сферическое облако нагретого воздуха радиусом около 1 м и с пеpeгревом более 250 К. На начальной стадии подъема (до момента около 0,8) форма термика близка к сферической, скорость подъема со временем растет, достигая к концу стадии 4—6 м/с. В промежутке 0,8— 1,6 с происходит трансформация сферического термина в вихревое кольцо (тор). Скорость подъема термика в той стадии сначала уменьшается (до 1,5—2 м/с), а затем вновь растет и достигает второго максимума (около 3 м/с) к концу стадии (1,6 с). Дальнейший подъем вихревого кольца происходит с уменьшающейся во времени скоростью. Радиус термика (сначала - сферы, а затем внешней границы кольца) практически линейно растет при увеличении высоты подъема: R(z) =Ro+az, где а=0,1±0,003 при t<0,8 с и а=0.19 ±0.03 при t>1,6 с. Температура термика (близкая к 1300 К в момент окончания горения ) при подъеме быстро спадает и уже на высоте 16—20 м практически не отличается от окружающей среды. Сведения о скоростях и горизонтальных размерах вертикальных потоков в окрестности зрелых кучево-дождевых облаков (в слое 0—200 м над ними и на расстоянии 0 - 20 км сбоку от них) приведены в табл. 17.3. Таблица 17.3. Повторяемость (%) вертикалиных скоростей в мезомасштабных потоков в окрестности зрелых Сb
Из табл. 17.3 следует, что в окрестности верхней части зрелых Cb вертикальные скорости потоков по абсолютной величине примерно в 90 % случаев не превышают 4 м/с. при этом скорость нисходящих потоков несколько больше скорости восходящих. Горизонтальные размеры нисходящих потоков (табл. 17.4) также несколько больше, чем восходящих. Поэтому осредненнос (результирующее) движение воздуха в окрестности Cb оказывается нисходящим. Оно сопровождается повышением температуры. Согласно опытным данным, вокруг мощного кучевого облака наблюдается теплая воздушная оболочка, толщина (по нормали к боковой поверхности облака) и перепад температур в которой увеличиваются от основания к вершине: вблизи основания толщина 50—200 м, перепад температур 0,3—0,5 °С, в средней части и у вершины толщина 100—700 м, перепад температур 0,5—3°С. Над вершиной облака теплый слой прослеживается до высоты 400—600 м. В отдельных случаях температура над вершинами мощных кучевых и грозовых облаков может превышать температуру окружающего воздуха на несколько градусов. Например, 19 августа 1958 г. на высоте 11 км было зафиксировано повышение температуры над тремя наковальнями Сb, равное 3,3, 4,9 и 4,3 °С. Таблица 17.4. Повторяемость (%) горизонтальных размеров L вертикальных потоков в окрестности зрелых Сb
Обобщенные данные об отклонениях температуры внутри и в окрестности Сb от температуры окружающего воздуха приведены в табл. 17.5, которая включает результаты 800 серий измерений температуры. Как видно, отклонения температуры и по этим данным наиболее значительны над облаком и внутри верхней части его (полеты проводились до глубины 500—1000 м от верхней кромки Сb). Таблица 17.5. Средние (числитель) и максимальные (знаменатель) абсолютные отклонения температуры (°С) в окрестности Сb
По результатам полетов в США, во время которых было пересечено 101 зрелое кучево-дождевое облако, 8 растущих и 13 распадающихся Сb, установлено, что в растущих облаках и в начале зрелой стадии преобладают восходящие струи, внутри которых температура на 1 - 4°С выше средней температуры на данном уровне. В распадающихся облаках и в конце зрелой стадии преобладают нисходящие потоки с отрицательными отклонениями температуры (в конце зрелой стадии меньше - 4°С). Коэффициент корреляции между экстремальными отклонениями температуры dT и вертикальными скоростями w внутри струй оказался равным 0,74. Это означает, что в большинстве случаев в нижних двух третях облака (где только и проводились полеты) восходящие потоки связаны с dT>0, а нисходящие с dT<0. Поскольку, однако, коэффициент корреляции меньше единицы, наблюдаются и такие случаи, когда w>0 и dt<0 или w<0 и dt>0. Так, в конце зрелой стадии восходящие потоки иногда на 0,3—1,3 °С холоднее окружающего воздуха. Проанализированы некоторые результаты измерений температуры воздуха в Сu cong., выполненных в 1978—1979 гг. на северо-западе Европейской части СССР с помощью радиометра, работающего в полосе поглощения водяного пара с центром 6,3 мкм и установленного на самолете Ил-14. По данным 163 горизонтальных пересечений 47 облаков толщиной до 4 км получены следующие результаты. Разность температур между облаком и его окружением (dT), между участками облака (длиной L), на которых сохраняется знак разности, и окружающей средой (dT*) в развивающихся Сu cong. достигают максимума на высоте 2—3 км над основанием облака; средние значения здесь dt=0,8°С, dT*=0,9°С, среднее из максимумов dT равно 1,5 °С; длина участков с dT>0 на всех уровнях больше половины горизонтальных размеров облака, в большинстве случаев достигает 80—95 %. Наименьшие отрицательные значения dT и dT* в развивающихся Сu cong. наблюдаются в слое 0—1 км над основанием облака: dT* ==—0,3 °С, среднее из максимумов dT равно —0,5 °С. Начиная с уровня 1—2 км над основанием облака dT<0 практически не встречается. В разрушающихся Сu cong. dT=-0,2 °С в слое 1- 2 км над основанием; в 94% dT<0,1°С, а в 3% dT<-1,0°С; протяженность участков с dT<0 составляет 58 % от общей длины таких участков. В развивающихся Cb cong. средняя амплитуда пульсаций температуры составляет 0,6—0,9 °С при средней протяженности неоднородностей 0,3—0,4 км; в разрушающихся—соответственно 0,5— 0,6 °С и 0,2—0,3 км. П. Саундерс (Швеция) исследовал скорость роста терминов в облаках с помощью киносъемки. Анализ материалов позволил сделать два важных вывода: а) на фиксированной высоте наблюдается четко выраженный верхний предел диаметра терминов, выступающих из развивающегося кучевого облака; б) этот максимальный для данной высоты диаметр D макс растет линейно с высотой: Dmax=b(z-zo) где zо—высота зарождения термика, z - высота его вершины, b - коэффициент. Среднее значение b для 10 дней, в течение которых было изучено 167 термиков, составило 0,40 ± 0,04 с колебаниями в отдельные дни между 0.35 ± 0,0(i и 0.42 ± 0,05. При этом не обнаружено сколько-нибудь существенного различия и значениях b для капельно-жидких облаков и облаков, вершина которых оледенела. Экспериментальные данные, иллюстрирующие последнее соотношение, приведены на рис. 17.3. Скорость подъема индивидуального термина сначала растет с высотой, а затем убывает (рис. 17.4). 1.5. Статистические характеристики конвективных облаков. В табл. 17.6 и 17.7 помещены сведения о повторяемости высоты Таблица 17.6. Повторяемость (%) высоты нижней границы Сb над Европейской частью СССР
Таблица 17.7. Повторяемость (%) толщины Сb над Европейской частью СССР
Рис. 17.4. Скорость подъема индивидуальных термиков. Цифры у кривых — номер опыта. нижней границы (Zк) и толщины (z*) кучево-дождевых облаков в различные сезоны года. Максимальная повторяемость высоты основания Сb во все сезоны года, согласно табл. 17.6, приходится на интервал 0,6— 1,0 км. Однако летом нижняя граница с высотой до 0,6 км наблюдается всего лишь в 22 % случаен, зимой же—в 48 %; повторяемость высот более 1 км находится летом и зимой в обратном соотношении—52,4 н 22%. Средние значения Zк равны: 0,8 км зимой, 1,2 км весной, 1,3 км летом и 0,9 км осенью. Такое изменение Zк в течение года находится в согласии с формулой (1.1.8): летом разность Tо-то больше, чем зимой. Толщина Сb зимой значительно меньше, чем летом: z* не превышает 3 км в 92% случаев зимой н только в 36,6% случаев летом. Средние значения z* раины: 1,5 км зимой, 3 км весной, 4,6 км летом, 2,6 км осенью. Высота нижней границы кучевых облаков заключена между 300 и 2500 -3000 м; при этом как средние, так и наиболее вероятные значения Zк, увеличиваются при переходе от утренних часов к дневным и от высоких широт к более низким. Например, в Ленинграде и Киеве средние значения Zк равны соответственно 1150 н 2000 м, а наибольшая повторяемость Zк приходится на интервалы 1000—1200 и 1900, 2100 м. Средние значения температуры Тк на уровне основания конвективных облаков в трех пунктах (Ленинград, Москва, Киев) близки между собой (соответственно 8,8, 8,1 и 8,6 С); максимум повторяемости Тк, равный 20% приходится на интервал 9—11 °С, а вообще-то колебания Тк заключены между 19 и -3 С (в 75% случаев от 3 до 13 С). На уровне вершины мощных кучевых облаков максимальная повторяемость (25 % ) температуры Т* приходится на интервал от —1,5 до —4,5 С, а крайние значения Т* заключены между 7,5 и —19,5 С; для Сb соответствующие интервалы температур колеблются от —13 до —17 и от —1 до —37°С. Последнее значение не является наименьшим, поскольку до вершин наиболее мощных Сb самолеты не поднимались. Определенного значения температуры, при которых происходит оледенение вершины развивающегося мощного кучевого облака, не наблюдается: по опытным данным, эта температура колеблется между - (19 и -3 С. Примерно 1/4 толщины Сb располагается ниже уровня нулевой изотермы, а ¾ - выше нее). Большой опытный материал (часть которого приведена выше) о кучево-дождевых облаках получен в летние месяцы 1959— 1965 гг. при выполнении полетов на самолетах-лабораториях Ту-104Б (132 полета) и Ил-14 (31 полет). Приведем (по С. М. Шметеру) основные статистические характеристики кучево-дождевых облаков по данным этих полетов. Общее число исследованных облаков составило 292. Наиболее часто вершины Сb находятся на высоте 8—12 км (на этот интервал высот приходится 79 % всех изученных облаков):
Определена повторяемость горизонтальных размеров L кучево-дождевых облаков для верхней трети (Рн. тр) н нижней трети (Рн. тр) Сb:
Горизонтальные размеры нижней трети кучево-дождевых облаков, находящихся в начальной стадии развития, в 82% случаев не превышают 10 км, в остальных случаях они составляют 10— 20 км. Верхняя треть Cb характеризуется большими значениями L. Однако в данном случае наблюдения проводились, как правило, за облаками в зрелой стадии, когда их размеры примерно в 1,5 - 2 раза больше, чем в начальной. В стадии развития (длительностью 10 - 20 мин) максимальные скорости роста вершин Сb достигают 2,6 м/с, а наиболее часто встречающиеся скорости заключены в интервале 0,1- 0,6 м/с. В зрелой стадии (продолжительноетью 20 - 50 мин) в 47% случаев скорость подъема и опускания вершин Сb не превышает 0,2 м/с. В тех случаях, когда скорость превышает 0,2 м/с, повторяемости подъема и опускания вершин практически одинаковы. Эти данные указывают на то, что вершина Сb в зрелой стадии испытывает периодические колебания. Скорость увеличения горизонтальных размеров верхней трети растущего Сb (как правило, Cb calv.) в среднем близка к 0,7 км/мин, а максимальные значения достигают 1,6 км/мин. Характерная особенность зрелых Cb -образование в их верхней части перистой наковальни (incus), над которой в начале этой стадии возвышается на несколько сотен метров (а иногда и на 1—2 км) купол. Скорость роста наковальни вдоль ветра (на подветренной стороне) больше, чем по нормали к нему. В результате размеры вершин зрелых Сb вдоль потока, как правило, на 20 - 35 % больше, чем поперек ею (для изученных облаков средние размеры равны 27 км вдоль и 21 км поперек потока). Наблюдения за Cb с помощью радиолокаторов и с самолета показали, что вершины их нередко проникают выше тропопаузы, высота которой определена вне облака. Так, за четыре года (1961- 1964 гг.) в 10 пунктах США было отмечено 2013 случаев проникновения вершин в нижнюю стратосферу. Наиболее часто это явление наблюдается весной и летом от 14 до 21 ч местного времени. Однако, непосредственно над развивающимся Сb тропопауза приподнимается и располагается на несколько десятков метров выше вершин Сb. Это явление служит дополнительным указанием на то, что высота тропопаузы определяется интенсивностью турбулентного обмена в тропосфере: чем более он развит, тем до большей высоты наблюдается падение температуры и тем выше тропопауза. Но данным 490 съемок облачного неба, выполненных в летние месяцы в районс Москвы, рассчитаны повторяемости (Р) различного количества n кучевых облаков:
Согласно этим данным, наиболее часто наблюдаются кучевые облака в количестве от 3 до 5 баллов. В 80 % случаев количество облаков не превышает 6 баллов. Анализ наблюдений за потоками прямой и суммарной радиации позволил получить сведения о повторяемости плотной (Рпл) и полупрозрачной (Рппр) частей кучевых облаков, а также о характерных временном (t2) и пространственном (l2) масштабах кучевых облаков:
Из приведенных данных следует, что при любом значении п кучевые облака содержат полупрозрачные части, где потоки прямой радиации отличны от нуля. Сумма Робл=Рпл-Рппр близка к п (если его выразить также в процентах) — количеству облаков, определенному по фотографиям небесного свода. Характерный размер кучевых облаков, как правило, увеличивается с ростом п. По данным наблюдений над Украиной (в течение 56 дней) распределение водности кучевых облаков с высотой описывается функцией вида
где L=z/H, n—высота над основанием облака, H -толщина облака (максимум повторяемости ее приходится на 1800 м). б*max - максимальное значение водности, которое достигается при L= Lo, т и р — параметры. Согласно последней формуле, водность облака обращается в нуль на нижней границе облака (L=0), затем она растет, достигает максимума б*max при L=Lо, после чего убывает, обращаясь второй раз в нуль на верхней границе облака (L=1) Анализ 79 случаев распределения водности показал, что среднее значение Lo =0,83 ±0,1 и что в 75% случаев Lо>0,8. Это означает, что максимум водности в кучевых облаках находится вблизи их вершины. Наиболее часто встречающиеся (модальные) значения т = 2,8 и р = 0,38. Максимальная (по высоте) водность б* зависит от толщины Н и температуры Т нг. на нижней границе облака: ростом той и другой величины значение б* увеличивается (рис. 17.5). Скорость нарастания водности с высотой заметно отличается от градиента адиабатической водности (Это такая водность, которую приобретает влажный насыщенный воздух при его адиабатическом подъеме) лишь в нижней части облака (примерно до L=0,4;)
Рис.
17.5. Зависимость максимальной
(по
высоте) водности, кучевых облаков от
толшины Н и температуры Тн.г на
нижней границе облака. в основной же его части (от L=0,4 до L==0,8) градиент и* совпадает с градиентом адиабатической водности. На основе этих данных можно заключить, что наиболее существенную роль игрaет перемешивание (вовлечение) по вертикали, которое в конвективных облаках сильно развито: коэффициент турбулентности и них, по некоторым оценкам, достигает 300— 500 м2/c, иногда 1000 -1500 м2/с. Суточный ход конвективных облаков. Приток солнечной радиации в дневное время суток способствует увеличению неустойчивости приземного слоя, и, как следствие, развитию конвективных движении воздуха, сопровождающихся, в свою очередь, образованием конвективных облаков. По этой причине в дневную половину суток повторяемость конвективных облаков больше, чем в ночную. В табл. 17.8 и 17.9 представлены (по Д. П. Чуваеву) результаты анализа наблюдений за конвсктивными облаками на нескольких станциях равнинной (Курск, Харьков, Донецк, Ростов-на-Дону н Актюбинск) и горной (Минеральные воды и Тбилиси) местности. Согласно этим данным, вероятность образования кучевых облаков (Сu) с 9 до 19 ч во много раз больше, чем в оставшуюся часть суток: на равнинной местности на 9—19 ч приходится 96,7 %, в горной — 84,8 % всех наблюдавшихся кучевых облаков с максимумом повторяемости в 13 - 14 ч. Однако суточный ход мощных кучевых (Сu cong.) и тем более кучево-дождевых (Сb) облаков выражен не так отчетливо, Таблица 17.8. Повторяемость (%) конвективных облаков равнинной местности
Таблица 17.9. Повторяемость (%) конвективных облаков в горной местности
как кучевых. В самом деле, повторяемость Сu cong. и Сb в ночные часы вполне сравнима (особенно в горной местности) с повторяемостью в дневные, В часть суток 9—19 ч повторяемость Сu cong. и Сb уже значительно меньше, чем кучевых: она составляет соответственно 70,9 и 66,8 % в равнинной, 54,7 и 50,9 % в горной местности. Максимумы повторяемости Сu cong. и Сb наступают несколько позже, чем Сu: они приходятся на 14—16 ч в равнинной и на 17—19 ч в горной местности. Достаточно высокая повторяемость Сu cong. и Сb в ночное время указывает на то, что и образовании конвективных облаков существенную роль играет не только перегрев отдельных участков земной поверхности под влиянием притока солнечной радиации, но и другие факторы. Одним из таких факторов служит увеличение неустойчивости нижней тропосферы под влиянием крупномасштабных вертикальных движении воздуха в областях пониженного давления. 1.6. Вовлечение. В основе развитой н термодинамике атмосферы модели вертикального движения частиц воздуха, сопровождающегося образованием конвективных облаков, лежит представление об отсутствии тепло- и массообмена частицы с окружающей ее воздушной средой. I) реальных условиях атмосферы частицы воздуха нельзя считать адиабатически изолированными от среды: между ними и окружающей средой происходит обмен массой, теплом, количеством движения, влагой и др. Об этом свидетельствуют прежде всего некоторые опытные данные. Согласно измерениям, фактическая разность температур воздуха внутри конвективных струй термиков и вне их примерно на порядок меньше рассчитанной по адиабатической модели: по экспериментальным данным - десятые доли градуса, расчетные значения—несколько градусов. Верхняя граница z* конвективных облаков располагается, как правило, значительно ниже уровня свободной конвекции zконв., определенного по пересечению кривой стратификации с адиабатической кривой состояния (средняя разность zконв. - z*~3 км). Различие между z* и zконв. тем больше, чем меньше относительная влажность воздуха, в котором развиваются облака. Так, по наблюдениям в США при разности температур на уровне 500 гПа между кривыми состояния и стратификации в 5—8°С повторяемость ливневых осадков (Р) при различной относительной влажности имела следующие значения:
Вероятность выпадения осадков тем больше, чем выше расположена верхняя граница конвективного облака. По наблюдениям в Советском Союзе установлено заметное уменьшение повторяемости гроз по мере роста дефицита точки росы на уровне 500 гПа, а также снижение вершин облаков при увеличении суммарного дефицита точки росы на уровнях 850, 700 и 500 гПа. Эти и некоторые другие опытные данные можно объяснить, если принять во внимание массо- и теплообмен между конвективными элементами и окружающим воздухом. Этот процесс обмена (взаимодействия) конвективных термиков с окружающей средой принято называть вовлечением. Под влиянием вовлечения адиабатическая кривая состояния смещается в сторону кривой стратификации, при этом смещение тем больше, чем ниже относительная влажность окружающего воздуха. Впервые на роль вовлечения в развитии конвекции в форме струи (трубы) указал русский ученый И. И. Касаткин (1915 г.). Первые количественные оценки этого процесса выполнил английский исследователь X. Стоммел (1946 г.). Он же ввел меру интенсивности вовлечения. Относительно физического механизма вовлечении существует несколько точек зрения. Большинство исследователей считает, что основную роль играет турбулентное перемешивание. Термики, по гипотезе Скорера и Ладлама, имеют форму пузырей теплого воздуха, передняя часть которых полусферическая, а задняя представляет собой длинный шлейф относительно холодного воздух;). Из лабораторных и теоретических исследовании вытекает, что внутри передней части пузырей наблюдается вихревое (тороидальное) движение воздуха, препятствующее полному перемешиванию термина со средой. Наиболее благоприятные условия для образования пузырей создаются над местностью с резкими различиями в радиационных свойствах подстилающей поверхности на смежных участках. В южных районах США, согласно наблюдениям, в ясные дни образуется в среднем один пузырь за каждые 4- 10 мин на площади 1 км2. Но мере подъема поперечные размеры термиков рacтут. По-видимому, в большинстве случаев это происходит под влиянием объединения нескольких более мелких термиков. Между радиусом термика R и высотой z существует линейная зависимость: R=Ro+az (1.6.1) Где a=0,20—0,25 независимо от знака ускорения термика, Rо— радиус термика на исходном уровне (при 2=0). Введем понятие показателя вовлечения а, являющегося мерой интенсивности вовлечения. Пусть при перемещении термина массой m с уровня z на z+dz его масса увеличилась на dm за счет присоединения (вовлечения) окружающего воздуха. Показатель вовлечения, согласно определению, представляет собой массу вовлеченного (присоединенного) воздуха, отнесенную к единице массы термина и единице высоты:
Теория и опытные данные показывают, что показатель вовлечения для термиков в форме струй и пузырей определяется формулой а=С/R (1.6.3) где R—радиус поперечного сечения струи или радиус пузыря, С — безразмерный коэффициент. Л.Т. Матвеев «Курс общей метерологии» |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
а)
уровень конденсации Zк,
практически совпадающий с нижней границей
облака;
(1.6.2)
