книги из ГПНТБ / Литвинов, И. В. Структура атмосферных осадков

Некоторое различие в распределении обнаружено у ливневых и грозовых дождей [27], хотя понятия ливень и грозовой дождь, т. е. ливень, сопровождающийся грозой, не имеют четких границ, ибо ливни и грозы могут наблюдаться как совместно, так и раздельно. Большую неопределенность в разделение этих понятий вносят и сами способы идентификации их. Наблюдатель отмечает грозовое

теру их выпадения у поверхности земли. Характер выпадения связан с типом синоптической ситуации. Однако при подразделении осадков на дожди теплых и холодных фронтов (причем рассматри­ вались только достаточно «чистые», по существу, классические ситуации) различия в распределении обнаружить не удалось. Эти данные получены на основе большого экспериментального мате­ риала, собранного на Валдае и в Обнинске, причем проверка дан­ ных проводилась не по параметрам распределения, а по гораздо

59

■ более чувствительному методу — сравнению параметров функции z(7). К такому же выводу, основанному на анализе большого экспериментального материала, пришли Котенео и Штот [127] для Америки.

Таким образом, можно сделать вывод, что в средних широтах дожди, обусловленные различными синоптическими ситуациями, имеют идентичную структуру.

Для более южных широт было обнаружено некоторое различие в распределениях частиц в осадках, выпадающих при различных

NM3

и (33) (б).

Для дождей интенсивностью 0,1—1 мм/ч (/ и 2) и I—10 мм/ч (3 и 4), для обложных (/ и 3) и ливневых (2 и 4) дождей [10).

метеорологических ситуациях. Мурту и Супта [299] нашли, что микроструктура дождей для Кхондола (Индия) зависит от того, являются осадки орографическими или неорографическими. По данным их измерений, основанных на сравнительно небольшом и слабо представительном материале (около 150 проб, взятых на фильтровальную бумагу диаметром 12,5 см), орографические дожди по сравнению с неорографическими имеют большее количе­ ство капель в диапазоне 0,5— 1,5 мм, а кривая распределения резко падает в крупнокапельной области.

Для дождей этого района, резко отличающихся от дождей умеренных широт по характеру выпадения, характерна интенсив­ ность более 100 мм/ч, тогда как для средних широт дожди такой интенсивности-— это явление исключительное. Годовое количество осадков для Кхондола 4500 мм, что в 7— 10 раз превышает годовое количество осадков для средних широт. Тем не менее в диапазоне значений интенсивности (примерно до 50 мм/ч), где имеются на­ блюдения при одной и той же интенсивности, часть распределений

60

близка к распределению теплых дождей, измеренных на Гаванских островах [106], часть — к распределению дождей, измеренных в средних широтах (распределение Маршала—Пальмера).

Согласно самолетным измерениям, различие в орографических и неорографических дождях обусловлено их различным происхож­ дением: орографические дожди выпадают из теплых облаков,

таты пока являются единственными.

Наибольшее влияние на вид распределения оказывает механизм образования капель. Как уже упоминалось, капли в дождях обра­ зуются или за счет коагуляции облачных капель, или за счет таяния частиц твердых осадков различного вида.

Распределения частиц, образующихся путем коагуляции облач­ ных капель, характеризуются высокой концентрацией капель в диапазоне 0,5— 1,5 мм и резким уменьшением ее в области более крупных капель [106, 157, 284, 299] (рис. 11).

Дожди, образованные таянием твердых частиц, существенно зависят от вида последних [46, 49]. Так, дожди, образованные таянием града, имеют значительно большее количество крупных капель, чем дожди, образованные таянием крупы (рис. 11). Пара­ метры функции распределения дождей различного происхождения могут быть описаны функцией (29) (табл. 10).

Образование дождевых, капель в теплых облаках происходит за счет коагуляции случайно возникших крупных капель с более мелкими. Этот механизм аналогичен механизму изменения спектра за счет взаимной коагуляции капель дождевого диапазона. За счет взаимной коагуляции капель друг с другом и с каплями облака

61

Таблица 10

Параметры распределения функции (29) для дождей, образованных таянием твердых частиц различного вида

распределение типа Маршала—Пальмера преобразуется в распре­ деление с максимумом, затем этот максимум смещается в крупно­ капельную область, а число мелких капель уменьшается.

При образовании капель за счет таяния снежинок вид распре­ деления в основном будет определяться видом распределения снежинок и снежных агрегатов (хлопьев). Естественно, что при таянии больших хлопьев образуются большие капли. Если эквива­ лентный диаметр хлопьев превышает 5,5—6 мм, то при их таянии образуются несколько крупных капель и много мелких (гі<0,1 мм). Образование крупных снежных хлопьев — явление довольно редкое [30], поэтому в основном каждый снежный агрегат при таянии образует одну каплю. Формирование из отдельных снежинок агре­ гатов тесным образом связано с видом снежинок и степенью их обзернения.

в агрегаты не соединяются. Поэтому распределение дождей, обра­ зованных таянием крупы, состоит из значительно более мелких капель, чем распределение, образованное таянием слабо обзерненных частиц.

Распределение капель в дождях, образованных таянием града или сопровождающихся выпадением градин, имеет более сложный вид. По существу, оно состоит из двух групп капель. Капли первой группы образуются за счет таяния мелких крупинок и градинок, эквивалентный диаметр которых меньше 5,5—6 мм; капли второй группы образуются при сдувании воды с тающей градины. В ре­ зультате получается распределение с двумя максимумами, которые хорошо прослеживаются на усредненных за один период выпаде­ ния дождя спектрах осадков. Из данных наблюдений на Северном Кавказе [49] и в Англии [284] следует, что положение минимума между двумя максимумами на кривой распределения одинаковое, т. е. 1,6— 1,7 мм. Это соответствует максимальному размеру капель, образующихся при сдувании воды с тающих градин [49].

Усредненные за длительные интервалы времени спектры осад­ ков различных климатических районов близки друг к другу,

62

а в ряде случаев и полностью совпадают (табл. 11). Для Канады, Северного Кавказа, ГД Р и центра ЕТС спектры, полученные в результате усреднения распределений большого количества отдельных дождей теплого сезона, совпадают. Общим для этих районов является ход во времени среднегодового количества осадков (612, 550, 600 и 500 мм соответственно) и происхождение капель дождя, т. е. образование капель от таяния первоначально возникшей в облаке твердой фазы.

Таблица 11

Усредненные параметры распределения осадков в функции распределения Маршала— Пальмера

Приведенные в табл. 11 данные измерений в СШ А [127] — ре­ зультат усреднения данных, полученных в двух пунктах, расстоя­

Нью-Йорка, другой — в штате Северная Каролина, на расстоянии 400 км от побережья океана. В обоих пунктах, где выпадает примерно одинаковое годовое количество осадков (1060 и 1200 мм соответственно), средние спектры по каждому пункту наблюдения полностью совпадают.

Усредненные за теплый сезон года средние спектры осадков—• достаточно устойчивая величина. Наблюдения на Северном Кавказе и в центре ЕТС показали, что среднегодовые спектры практически одинаковые.

Усредненные спектры — результат наложения друг на друга отдельных распределений с совершенно различными параметрами. Средние спектры за один дождь существенно отличаются от сред­ него спектра за теплый период года, однако средние спектры за дождь, измеренные в пунктах, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, подобны.

Отдельные спектры прежде всего зависят от интенсивности осадков. Как было показано в п. 2.2, значения интенсивности уже на расстояниях в несколько сотен метров практически являются независимыми. Поэтому средние спектры осадков есть результат усреднения отдельных измерений распределений одной интенсивно­ сти, причем отдельные измерения не совпадают по времени.

63

По измерениям в центре ЕТС средние спектры одной интенсив­ ности идентичны при усреднении за несколько десятков минут. В большинстве случаев средние спектры за дождь продолжитель­ ностью до 1 часа мало отличаются друг от друга в пунктах, удаленных на расстояние 2—4 км [52]. Средние спектры идентичны при осадках, обусловленных одной синоптической ситуацией в пунктах, удаленных друг от друга на расстояние до 30, а в ряде случаев и до 140 км [28].

Многообразие факторов, влияющих на распределение капель в дождях, включающих как происхождение осадков, так п их трансформацию при выпадении, не дает возможности получить достаточно надежных данных при различных условиях выпадения осадков. Для центра ЕТС, где собран большой материал по спектрам, была предпринята попытка вывести типичные функции распределения при различных условиях выпадения осадков [57]. Было показано, что усредненные спектры по всем дождям за теплый период года описываются выражением Маршала—Паль- мера при А = 4,1 • 1~°.22 и М0 = 8- ІО3.

Функция Маршала—-Пальмера хорошо описывает только крупнокапельиую область спектра (гі> 1 мм). Для описания рас­ пределения во всем диапазоне размеров более пригодна трех-

формулу и методику подбора параметров по полученному распре­

Для выяснения влияния испарения капель на функцию распре­ деления были отобраны дожди продолжительностью более 15 мин и все спектры разбиты на две группы: спектры в первые 15 мин выпадения осадков и спектры осадков после 30 мни их выпадения. Как следует из расчетов (см. рис. 6), в первые 15 мин на распре­

6−1

деление капель существенное влияние оказывает их испарение в подоблачном слое. Испарение приводит к уменьшению концен­ трации мелких капель и возрастанию крупных, кроме того, в рас­ пределении появляется максимум. В первом приближении крупно­ капельная часть спектра в первые 15 мин выпадения осадков удовлетворительно описывается распределением Маршала—Паль- мера с коэффициентами .'Ѵ0 = 5,5 • ІО3 • /~0'75 и л= 3,7 • /_0>37. Распре­ деление капель в дождях, где условиями испарения можно пре­ небречь, т. е. в дождях спустя 30 мин после начала выпадения осадков, описывается функцией Маршала—Пальмера с коэффи­ циентами уѴ0 = 1 -1 04 и л= 4,3 •/” 0'23. Влияние испарения на спектры осадков различно в дневных и ночных условиях. Известно, что ночью относительная влажность воздуха выше, чем днем, поэтому осадки, выпадающие ночью, должны испытывать меньшее влияние испарения. В обоих случаях спектры могут быть описаны функ­ цией Маршала—Пальмера с коэффициентами N0 = 8 • ІО3, ?t = 3,8/-0’22 для дня и А^о =1,4- ІО4, А = 4,6-/-0’23 для ночи.

Для выведения характерных спектров, обусловленных коагуля­ цией капель дождя друг с другом и с каплями облака, необходимо иметь данные о водности облаков, их границах, высоте нулевой изотермы. Поскольку эти сведения при измерении осадков отсут­ ствовали, были привлечены косвенные данные. Как известно, в центре ЕТС при осадках высота нижней границы облаков меняется незначительно от 600 до 1000 м. С другой стороны, высота нулевой изотермы в теплое время года изменяется от 1000 до 4000 м [57]. Так как градиент температуры при осадках меняется незначительно (6—7°С/км), то для определения высоты нулевой изотермы можно использовать значения приземной темпе­ ратуры. Поэтому спектры были разбиты на две группы по темпера­ туре у поверхности земли: при Г < 1 2 °С и при 7'>20°С (см. рис. 14).

этим распределением. Эти данные полностью согласуются с дан­ ными наблюдений в Японии: непосредственно под зоной таяния распределение подчиняется закону Маршала—Пальмера [352], а после прохождения каплями расстояния 1—2 км распределение начинает резко отличаться от этого закона [177, 326].

5 Заказ № 521

Г л а в а 3

СН ЕГ И КРУПА

3.1.Классификация снежных кристаллов и условия их

образования

Частицы зимних осадков — снежные кристаллы, снежинки и крупинки-— образуются при отрицательной температуре воздуха. При попадании в слой воздуха с положительной температурой они тают, превращаясь в капли воды.

Образование и рост снежных кристаллов и снежинок может происходить как внутри переохлажденных капельных облаков, так и вне их, ибо упругость равновесного насыщения пара надо льдом ниже, чем над водой. При этом их рост происходит преимущест­ венно за счет сублимации водяного пара.

Крупинки образуются при осаждении иа снежинки переохлаж­ денных капель облака. Превращение снежинки в крупинку проис­ ходит после осаждения на базисный кристалл достаточного коли­ чества облачных капель. Так как отдельные осевшие капли не из­ меняют существенно свойств базисного кристалла, то провести естественную четкую границу между снежинками и крупинками не представляется возможным. Для снегопадов, в отличие от дождей, подразделение частиц осадков на два диапазона не проводится. Поэтому выпадающие кристаллы любого размера можно рассмат­ ривать как частицы зимних осадков.

Объемная плотность отдельных снежных кристаллов близка к плотности льда, но всегда несколько меньше ее. Объясняется это тем, что почти все снежные кристаллы имеют пустые полости или вкрапленные пузырьки воздуха, которые уменьшают среднюю плот­ ность [38].

Для обобщения собираемого материала по снежным кристал­ лам и сравнения результатов исследований, проводимых в различ­ ных районах и в разное время, неоднократно предпринимались по­ пытки их классификации [30]. Начиная с работы Накайя [298], по­ казавшего, что образование различных форм кристаллов связано с вполне определенными условиями их роста, делаются попытки классификации, основанной на генетических признаках. В настоя­ щее время наиболее полной классификацией, основанной на

66

Таблица 13

Классификация снежных кристаллов

68