книги из ГПНТБ / Мучник, В. М. Физика грозы

2.1.3. Макрохарактеристики кучево-дождевых облаков

Достоверные сведения о размерах кучево-дождевых облаков, температуре на уровне их вершин, вертикальной мощности и т. п. были получены только недавно благодаря развитию высотной авиации и радиолокационных наблюдений в метеорологии. Эти макрохарактеристики зависят как от физико-географических осо­ бенностей района, так и от особенностей воздушной массы, в ко­ торой развиваются облака.

Данные о ряде макрохарактеристик кучево-дождевых облаков приведены в табл. 13, 14 и 15. Анализируя эти таблицы, надо учи­ тывать, что размеры радиоэхо не совпадают с размерами кучево­ дождевых облаков — они всегда несколько меньше облаков.

П р и м е ч а н и е . При отсутствии радиоэхо использовались данные о темпе­ ратуре на уровне вершины мощных кучевых облаков.

Из табл. 13 следует, что в центральных, более влажных райо­ нах США образование осадков происходит при значительно более высоких температурах в вершинах кучево-дождевых облаков, чем в сухих районах (Нью-Мексико).

Однако ряд наблюдений показал, что кристаллизация может происходить при температурах выше —12° С, особенно над по­ верхностями морей. Н. С. Шишкин [202] неоднократно наблюдал над сушей кристаллизацию вершин мощных кучевых облаков, преобразующихся в кучево-дождевые, при температурах от —6 до

—11° С. При полетах над северной частью Атлантического океана было отмечено, что температура на уровне кристаллических вер­

с грозами и ливней без гроз показали существование значитель­ ных различий между ними. В результате появилась возможность различать ливни с грозами и без гроз по высоте радиоэхо или по температуре, соответствующей уровню вершины радиоэхо. Было

также обнаружено, что ливни с градом 1 имеют наибольшую вы­ соту радиоэхо.

Согласно Е. М. Сальману и К. С. Жупахину [163], для Ленин­ града средняя высота радиоэхо ливней составляет 5,5 км, а гроз — 7,2 км. Вершины радиоэхо ливней в 87% случаев располагаются ниже 7 км, вершины радиоэхо гроз в 85% случаев находятся выше 6 км. В. М. Мучник [137] определил для района Днепропетровска, что в 84% случаев высота радиоэхо гроз составляет 5—10 км, тогда как высота радиоэхо градовых облаков в 87% случаев больше 9 км. Максимум повторяемости радиоэхо гроз соответст­ вует высотам 7—8 км, а радиоэхо града— 10—11 км. При этом почти каждый случай выпадения града сопровождался грозой. Можно полагать, что выпадение града почти всегда сопровожда­ ется грозой и что градовые облака — это наиболее интенсивные грозовые облака, в которых ледяные гидрометеоры достигают по­ верхности земли.

Так как между высотой вершины радиоэхо и температурой на этом уровне существует определенная связь, то обнаруживается также связь между вероятностью образования ливней, гроз и града и температурой в вершине радиоэхо (табл. 14).

Т а б л и ц а 14

Зависимость вероятности w образования ливней, гроз и града от температуры 0 в вершине радиоэхо в кучево-дождевых облаках

Возможно, что часть случаев с грозами при температурах выше —10° С, приведенных Тошей [181], соответствует теплым

1 В дальнейшем вместо выражений «ливень с градом», «ливень с грозой» и «ливень без грозы» для сокращения будем писать «град», «гроза» и «ливень» соответственно.

■98

грозам. Тоша обнаружил, что внутримассовые ливни и грозы раз­ виваются при более низких температурах, чем фронтальные, и только при отрицательных температурах в вершинах облаков, их создающих.

По наблюдениям в Майами (США) за грозовыми облаками Сондерс и Ронн [502] обнаружили, что температура в вершинах радиоэхо развивающихся башен, как правило, ниже —10° С и мо­ жет достигать —70° С.

Из рассмотренных данных следует, что грозы в зоне умерен­ ного климата и, по крайней мере, в субтропиках почти всегда связаны с отрицательными температурами в вершинах кучево­ дождевых облаков, что указывает на существенную роль смешан­ ной фазы в их образовании. Обнаруживается довольно четко вы­ раженная критическая температура, позволяющая отличать ливни от гроз и означающая, что имеются определенные условия обра­ зования гроз в кучево-дождевых облаках. С понижением темпера­ туры по сравнению с критической вероятность образования гроз и града быстро возрастает.

На горизонтальные размеры кучево-дождевых облаков сильно влияет их структура: являются ли они одноили многоочаговыми (ячеистыми). Для Москвы площади радиоэхо ливней и гроз ле­ жат в основном в пределах 25—60 км2 [88]. Для Киева средний диаметр радиоэхо составляет 6,8 км, а средняя площадь 42 км2. Для Ленинграда было получено, что максимальную повторяе­ мость имеет площадь радиоэхо внутримассовых ливней около 10 км2, а гроз — около 40 км2 [132]. С. Б. Гашина и Е. М. Сальман [29] нашли достаточно хорошо выраженные различия для площа­

1 Основные пределы.

Исследования в США [256] показали, что в 50% случаев гори­ зонтальная протяженность радиоэхо развитых кучево-дождевых облаков на высоте около 3300 м больше 8 км. Было обнаружено, что существует связь между горизонтальными и вертикальными размерами радиоэхо. Можно считать, что горизонтальные раз­ меры приближенно равны вертикальным. Вблизи поверхности земли средний диаметр радиоэхо летних ливней холодного фронта составлял около 7 км [433]. Средний максимальный диаметр ра­ диоэхо локальных конвективных ячеек, которые при дальнейшем существовании не сливались друг с другом, равен 3,5 км. Эти данные характерны для отдельных очагов [226].

Важной характеристикой кучево-дождевых облаков является время их существования (табл. 15).

Как видно из табл. 15, длительность жизни радиоэхо ливней и гроз зависит как от их интенсивности, так и от сложности строения (многоочаговые радиоэхо).

2.1.4. Зарождение и развитие радиоэхо

Расположение уровня зарождения дождя в конвективных об­ лаках относительно изотермы 0° С определяется, по-видимому, механизмом образования дождя. Предполагается, что причиной образования дождя является или конденсационно-коагуляционный процесс роста капель, или сублимационно-коагуляционный про­ цесс роста твердых частиц. В первом случае следует ожидать, что зарождение радиоэхо, т. е. образование частиц таких размеров, которые обнаруживаются радиолокатором, должно происходить ниже уровня изотермы 0° С, а во втором — выше уровня изотермы 0° С. Н. С. Шишкин [202] допускает, что в облаках действует коа­ гуляционный механизм образования осадков и что ливни могут начинаться с образования и выпадения капель. Наиболее же рас­ пространено представление о том, что образование ливней совпа­ дает с кристаллизацией крупных облачных капелек в переохлаж­ денной части мощных кучевых облаков.

Радиолокационные исследования, выполненные в тропических и субтропических климатических районах, а также в районах уме­ ренных широт с іморским климатом [241, 225 и др.], показывают, что вероятность зарождения первого радиоэхо при положительных температурах довольно велика. Иными словами, в этих районах велика вероятность образования дождя за счет коагуляции жид­ ких капель. Так, Баттан [225] обнаружил, что примерно в 60% слу­ чаев первое радиоэхо появляется ниже уровня изотермы 0° С. На­ блюдения в условиях континентального климата показывают, что в большинстве случаев радиоэхо появляется выше уровня изо­ термы 0° С. В Нью-Мексико (США) первое радиоэхо появляется на высотах с температурой около —10° С [583], а радиоэхо осадков обнаруживается только в том случае, если вершина конвективных ■облаков поднимается выше уровня изотермы —12° С [241].

100

В приведенных выше исследованиях не рассматривался весьма существенный вопрос о дальнейшем развитии радиоэхо. Такое ис­ следование было выполнено Т. Н. Заболоцкой и В. М. Мучником [50] в районе ЭМП УкрНИГМИ (табл. 16).

Т а б л и ц а 16

Повторяемость радиоэхо в зависимости от температуры воздуха на уровне их зарождения. По Т. Н. Заболоцкой и В. М. Мучнику [50]

Н е р а з в и в ш и е с я р а д и о э х о

Как видно из табл. 16, при положительных температурах ра­ диоэхо облаков в основном не развиваются. Оказалось, что в теі. случаях, когда радиоэхо развиваются, у поверхности земли наблю­ дается только слабый дождь.

Из этих данных следует, что определяющим для возникнове­ ния ливней на территории Украины является образование в обла­ ках твердой фазы. Коагуляционный рост капель в кучевых обла­ ках сам по себе может привести к образованию только весьма слабых ливневых дождей, большая часть которых успевает испа­ риться под облаками. Вместе с тем коагуляционный рост капель в верхних, переохлажденных частях кучевых облаков облегчает их кристаллизацию и образование ливня. Образование гроз, ко­ торые сопровождаются, как правило, интенсивными ливнями, про­ исходит при возникновении первого радиоэхо в области отрица­ тельных температур.

Р. А. Анчугова [6] изучала для Ленинграда зависимость ма­ ксимальной высоты Яшах развития радиоэхо от средней темпера­ туры Ѳср на уровне его зарождения. Она получила следующие данные:

Как видно из этих данных, в случаях когда радиоэхо обнару­ живается при положительных температурах, его развитие по

101

вертикали является малоинтенсивным. Только в случаях, когда ра­ диоэхо зарождается при сравнительно низких средних температу­ рах (около —3° С и ниже), оно поднимается до больших высот, что позволяет ожидать выпадения интенсивного грозового ливня. Результаты Анчуговой согласуются с данными Заболоцкой и Муч­ ника.

После обнаружения первого радиоэхо происходит увеличение его размеров во все стороны. Причины подъема границы радио­ эхо вверх, опускания вниз и распространения в горизонтальном направлении разные. Так, подъем верхней границы радиоэхо обус­ ловливается восходящими токами, которые поднимают частицы вверх, и ростом ледяных частиц, поэтому скорость подъема гра­ ницы может превышать скорость восходящих токов. Опускание нижней границы происходит со скоростью, равной алгебраической сумме скоростей вертикальных токов и падения наибольших ча­ стиц. Распространение радиоэхо на уровне его образования зави­ сит, по-видимому, от турбулентного переноса ядер кристаллизации и скорости роста ледяных частиц до обнаруживаемых размеров.

Как показывают наблюдения, подъем вершины кучево-дожде­ вых облаков [344], так же как и радиоэхо в них [30], имеет пульсационный характер. Пульсации вершины облаков значительно сильнее выражены, чем пульсации верхней границы радиоэхо. Это объясняется тем, что на верхней границе облаков остановка в раз­ витии происходит вследствие перемешивания влажного облачного воздуха с более сухим над облаком. Внутри облака заток сухого воздуха и перемешивание с ним облачного воздуха менее интен­ сивны.

В Нью-Мексико (США) средняя скорость подъема радиоэхо составляет 4 м/с [583], а в Пуэрто-Рико 1,9 м/с, т. е. примерно в два раза меньше, чем в умеренных широтах [334]. Баттан [225] для Огайо (США) нашел, что скорость подъема радиоэхо зависит от высоты, до которой она растет. Таким образом, в более мощных облаках должны существовать большие скорости восходящих то­ ков. В некоторых развивающихся кучево-дождевых облаках ско­ рость подъема достигала 15 м/с. Скорость опускания нижней гра­ ницы радиоэхо составляет в среднем 6 м/с и часто превышает 20 м/с, т. е. она больше скорости подъема верхней границы [225]; по мере приближения границы к поверхности земли скорость опу­ скания уменьшается.

С момента опускания к поверхности земли радиоэхо, обнару­ живаемого в виде очага небольших размеров и слабой интенсив­ ности, происходит увеличение как его размеров, так и отражае­ мости в центре. Затем размеры очага и отражаемость начинают уменьшаться до полного его исчезновения. М. Л. Маркович и др. [113] получили, что горизонтальная площадь очагов и увеличива­ ется, и уменьшается с постоянной скоростью. Средние величины времени (Тсѵ) и скорости (Аср) развития и затухания очагов у по­ верхности земли в районе Киева, заимствованные из [113], приве­ дены ниже:

102

В районе Киева в 76% случаев скорость роста горизонтальной площади очагов лежит в пределах 0,5—2,5 км2/мин и только в 11% случаев она больше 2,5 км2/мин. Скорости уменьшения го­ ризонтальной площади очагов несколько меньше, чем скорости роста. В 73% случаев скорости уменьшения площади находились в пределах 0—1,5 км2/мин. Эти зависимости верны не только для всей площади очага, но и для площади, охватываемой изоэхо лю­ бого значения. Обнаружилось также, что подобные зависимости выполняются и на высотах, выбранных произвольно ниже уровня

Линейную скорость расширения кучево-дождевых облаков на основании самолетных данных получил С. М. Шметер [205]. Для растущих облаков среднее значение скорости расширения оказа­ лось равным 0,7 км/мин, а максимальное 1,6 км/мин. При этом расширение происходило во все стороны примерно одинаково.

2.1.5. Максимальная интенсивность ливней

Важной характеристикой кучево-дождевых облаков является максимальная интенсивность дождя. Средняя интенсивность

ким образом, в районах с более интенсивной грозовой деятельно­ стью наблюдаются ливни с большей интенсивностью. Абсолютный максимум интенсивности ливней на Украине составляет около 10 мм/мин.

В. М. Мучник [130, 135] показал, что между максимальной ин­ тенсивностью дождя и электрической активностью в кучево-дож­ девых облаках существует определенная связь (табл. 17).

Как следует из табл. 17, средние максимальные интенсивности дождей как при грозах, так и без них мало отличаются в разных пунктах Европейской территории Советского Союза. Вместе с тем различия средних максимальных интенсивностей дождей при гро­ зах и без них весьма велики. Так, средняя максимальная интен­

0,23 мм/мин (около 15 мм/ч). В 87% случаев максимальная ин­ тенсивность дождей при грозах оказывается больше 0,4 мм/мин, и в 88% случаев ливней без гроз она меньше этого значения. Та­ ким образом, одним из критериев разделения гроз и ливней можно считать максимальную интенсивность дождя.

103

Т а б л и ц а 17

Повторяемость (%>) различных значений максимальной интенсивности дождей с грозами и без гроз. По В. М. Мучнику [135]

Так как существует возможность радиолокационного измере­ ния максимальной интенсивности дождя по данным о связи между отражаемостью и интенсивностью дождя, то благодаря этому по­ является возможность дистанционного обнаружения грозовых очагов по наблюдениям максимальной отражаемости у поверхно­ сти земли. Попытка, которая дала положительные результаты, была предпринята В. М. Мучником [131]. Е. М. Сальман и К- С. Жупахин [163] определяли максимальную отражаемость на высотах. Они обнаружили, что в среднем для ливней максималь­

на порядок. В дальнейшем в ряде работ Е. М. Сальман и его сот­ рудники разработали комплексный критерий для разделения лив­ ней и гроз:

где Ящах — высота максимума отражаемости; z x и z2— отражае­ мость на уровнях Hi и Н2 соответственно, расположенных выше уровня максимальной отражаемости zmах, при этом возможно, что

Z[= zmax.

Таким образом, электрическая активность в кучево-дождевых облаках непосредственно зависит от интенсивности осадкообразо­ вания. Только в некоторых, по-видимому, весьма редких случаях

104

возможно образование грозовых разрядов при слабых осадках у поверхности земли или при их полном отсутствии. Эти случаи имеют место, надо полагать, только тогда, когда в атмосфере со­ здаются условия для полного испарения капель в восходящих то­ ках в подоблачном слое. Таким образом, случаи «сухих» гроз следует отнести к весьма редким явлениям.

Для выяснения вопроса о вероятности образования «сухих» гроз В. М. Мучник [129] исследовал выпадение ливневых дождей на густой сети осадкомерных пунктов Велико-Анадоля. Было по­

к выводу, что представление о «сухих» грозах возникло на осно­ вании наблюдений за отдаленными грозами, когда отсутствовала достаточно густая и обширная сеть пунктов наблюдений за осад­ ками.

На основании приведенных данных можно утверждать, что электрические разряды являются следствием процессов образова­ ния осадков и возникают только в том случае, если интенсивность образования осадков достигает определенного значения.

2.1.6. Токи и турбулентность в кучево-дождевых облаках

Условия образования и разделения электрических зарядов в конвективных облаках в значительной степени определяются то­ ками, в первую очередь вертикальными, и турбулентностью. Но из­ мерение этих параметров в кучево-дождевых облаках является весьма сложной задачей, и поэтому сейчас сведения о них ограни­ ченны.

Из табл. 18 следует, что скорость восходящих токов в кучево­ дождевых облаках превышает, как правило, 10 м/с и может до­ стигать 60 м/с. Нисходящие токи имеют меньшие скорости, чем восходящие. Обычно их скорость не превышает 10 м/с, а ее мак­ симум достигает 20—25 м/с.

Бейере и Брейем [257] обнаружили связь температуры со ско­ ростью восходящих и нисходящих токов:

ДО может достигать 10° С. Согласно С. М. Шметеру [205], внутри растущих облаков горизонтальная протяженность «теплых» участ­ ков была равна в среднем 4±2 км, тогда как в зрелых облаках она составляла 6±3 км; протяженность «холодных» участков соответ­ ственно равна 3±1 и 4±3 км.

В кучево-дождевых облаках начальной стадии развития наблю­ даются только восходящие токи воздуха. По расчетам [500], для

105

Т а б л и ц а 18

Скорости восходящих и нисходящих токов в конвективных облаках

П р и м е ч а н и е . Здесь с — самолетные наблюдения, п — планерные, р — ра­ диолокационные, (м) — максимальная скорость, (п) — преимущественная скорость.

проникновения грозового облака через тропопаузу требуется уве­ личение скорости восходящих токов на 20 м/с на каждый километр подъема выше уровня тропопаузы, где максимальные скорости мо­ гут превышать 100 м/с. Но в зрелой стадии восходящие токи уже не охватывают всего облака, в нем появляются нисходящие токи. По данным работы [257], нисходящие токи в грозовых облаках в Огайо (США) зарождались на высотах около 4500 м одновре­ менно с появлением осадков у поверхности земли. Наибольшие ско-

106