Радиолокация

6 )

Ю 20км

Рис. 4.3. Схематическое изображение струк­ туры суперячейки по данным МРЛ [198].

а — изолинии Zg (дБ z) на различных высотах, б, в —

вертикальные разрезы по линиям АВ и CD соот­ ветственно; стрелкой указано направление движения грозы.

I мм/ч

20

15

10

5

О

Рис. 4.4. Слияние радиоэха двух ячеек [174].

(материнской) ячейки. Чем больше развита первичная ячейка по вертикали тем выше скорость ее переноса и тем быстрее она догонит дочернюю ячейку и сольется с ней. На рис. 4.4 [174] пока­ заны особенности поведения ячеек во время их слияния. Для слияния ячеек необходимо, чтобы центры облаков были располо­ жены вдоль ветра, облака находились на разных стадиях разви­ тия и сдвиг в верхней части облаков был больше, чем в нижней.

вичного) облака падают через слои с высокой водностью малень­ кого облака. При этом уменьшается испарение, поскольку стано­

вследствие вынужденного подъема воздуха перед мезомасштаб­ ным нисходящим потоком под первичной ячейкой, то они появ­ ляются перед первичной ячейкой справа (по направлению пере­ носа). Ячейки сравнительно слабо взаимодействуют друг с дру­ гом. Типичная схема градового четырехячейкового СЬ приведена на рис. 4.2 [183]. Мультиячейковые СЬ могут существовать в те­ чение нескольких часов.

Суперячейковые СЬ состоят из одной квазистационарной кон­

внешним потоком. Существование куполообразных ниш с ма­

ных частиц,— наиболее характерные признаки суперячейковых СЬ. Отметим, что с ними связано большинство катастрофических градобитий.

За время существования мультиячейковых и суперячейковых СЬ образуется мезомасштабная зона осадков, размеры которой в несколько раз превышают размеры зоны осадков из одноячей­ кового СЬ. Конфигурация этой зоны и поле изогиет определяются площадью и траекторией СЬ, а также интенсивностью процесса конвекции.

По определению С. П. Хромова, «гроза — комплексное атмо­ сферное явление, необходимой частью которого являются много­ кратные электрические заряды между облаками или между облаком и Землей (молнии), сопровождающиеся звуковым явле­ нием— громом... Гроза характеризуется также сильными шква­ листыми ветрами и ливневыми осадками, нередко с градом». Отметим, что термин «грозовое облако» часто используют как сино­ ним СЬ, хотя последнее не обязательно сопровождается грозо­ выми явлениями.

103

4.1.2. Экспериментальные исследования трансформации характеристик СЬ

Прогноз возникновения опасных явлений, сопровождающих СЬ, требует детального изучения характеристик временной измен­ чивости вертикальной структуры радиоэха СЬ на разных стадиях их развития. Трудности проведения таких исследований, вызван­ ные быстрым перемещением исследуемого объекта и большой из­ менчивостью всех его характеристик, не позволяют всегда полу­ чать достаточно полную картину структуры радиоэха конвектив­

(северо-западная часть ЕТС, Белоруссия, Северный Кавказ) по­ зволила получить большой экспериментальный материал, на базе которого проведен детальный анализ временной изменчивости радиолокационных характеристик конвективных облаков [54— 56,111,116].

Методика наблюдений предусматривала; а) горизонтальные обзоры с подъемом антенны с шагом по углу возвышения 8, рав­ ным ширине диаграммы направленности, при одновременном из­ мерении величины максимальной мощности отраженного сигнала и площади радиоэха с момента его появления на экране до мо­ мента распада или выхода из обозреваемой радиолокатором зоны; б) вертикальные разрезы через зону с максимальной интенсив­ ностью эхосигналов с введением ступенчатой аттенюации. Пер­ вичные данные были представлены в следующем виде: фото­

момента распада; ленты самописца с записями вертикального рас­ пределения отраженных сигналов при фиксированной дальности (более 800 записей); значения отраженных сигналов на разных высотах в одном очаге (более 200 профилей).

Диапазон расстояний, на которых исследовались облака, со­ ставлял от 25 до 100 км. Запись вертикальных профилей отра­ женных сигналов производилась через 1 мин, а дискретных изме­ рений P i (дБ) — через 3—7 мин [97]. Время наблюдений за од­ ним очагом с момента появления первого радиоэха до его исчез­ новения составляло от-нескольких десятков минут до нескольких часов. Из рассмотрения были исключены все серии, в которых из­ мерения могли быть искажены за счет интенсивного ослабления исследуемого очага экранирующими осадками. Разделение иссле­

наземных метеостанций; специальных контрольных облетов тер­ ритории, проводимых для индикации зон выпадения града; бор­ товой погоды рейсовых самолетов, а также наблюдений с само­ лета-лаборатории, синхронность которых с радиолокационными данными достигалась с помощью специального диспетчерского

104

радиолокатора, осуществляющего контроль за положением само­ лета-лаборатории и его наведение на исследуемые облака. Само­ лет-лаборатория был оборудован щироким комплексом метеоро­ логических приборов, в том числе прибором для измерения напря­ женности электрического поля, позволяющим объективно оцени­ вать степень грозовой активности облаков.

При дальнейшей обработке величина 2ср (осредненная по вы­ соте отражаемость) рассчитывалась по формуле

я

Размеры площадей S радиоэха отдельных конвективных обла­ ков оценивались непосредственно по фотограммам ИКО и плани­ метрированием локальных картин отражений.

Таким образом, обработка первичных данных позволяла по­ лучать следующие характеристики:

максимальную высоту радиоэха Ятах; максимальную отражаемость 2тах‘, осредненную по высоте отражаемость Zcp; отражаемости г,- на разных уровнях Nr ,

площади радиоэха S i на фиксированных высотах (через

1 км);

толщину (км) слоя радиоэха, отражаемость которого больше

90%-ный вклад в суммарную отражаемость облака; радиолокационный объем V i локальных конвективных облаков.

Применяемая методика измерений и обработки данных обес­

ции рг(т), были получены данные о статистических свойствах величин г на разных уровнях в соответствующих облаках.

Все исследованные облака по особенностям структуры, синоп­ тическим условиям образования и времени жизни были разделены на три группы. К первой группе были отнесены внутримассовые облака, представляющие собой конвективную ячейку [15, 172, 182]. Размеры радиоэха таких облаков обычно не превышают 3— 5 км, а время их существования лежит в пределах 20—-90 мин [54, 172, 182]. Ко второй группе были отнесены мультиячейковые

105

вой стадии развития в кучевом облаке наблюдаются только во­

нисходящих движений и уменьшения интенсивности осадков и электриче­ ской активности. Обобщение ре­ зультатов наблюдений за эволю­ цией мульти-ячейковых СЬ, принад­ лежащих к различным группам

Рис. 4.5. Изменение во времени осреднен­

дало осредненную картину трансформации во времени их радиоло­ кационных характеристик, представленную на рис. 4.5. Из рисунка следует, что в первой стадии развития наблюдается рост таких радиолокационных характеристик, как высота радиоэха (Ящах), отражаемость (IgZmax), высота областей с повышенной отражае­

мостью >2 ^ ■^igz > з ) толщина «активного слоя». Окон­

чание стадии роста происходит при достижении всеми вышеука­ занными характеристиками максимальных значений и совпадает с моментом выпадения из облака наиболее интенсивных осадков (ливня или града). Длительность этой стадии с момента появ­ ления первого радиоэха составляет примерно 15—20 мин. Дли­ тельность стадии зрелости колеблется от 45 мин до 3,5 ч в зави­ симости от числа ячеек в СЬ.

Можно предполагать, что интенсивность конвективных движе­ ний в СЬ в известной мере определяет амплитуды пульсаций ве­ личины их 2тах. ВОЗМОЖНО, ПО ЭТОЙ причине ливень с грозовыми явлениями характеризуется значительно большими амплитудами изменения величин Ящах. и 2тах, чем негрозовой ливень.

Это видно из рис. 4.6, где в качестве примера представлен вре-

106

н,^тах Zcp

да

i

Рис. 4.7. Изменение во времени радиолокацион- 3 ных характеристик СЬ, состоящего из одной кон­ вективной ячейки, в стадии роста ( а ) , зрелости (б) ^

ираспада ( в ) .

^- ^ l g z a > 2 - 2-«lgZa>3’

15)S 20

являются статистически зависимыми, что подтверждается расче­ том соответствующих функций автокорреляции рг (т). Анализ по­ казывает, что время автокорреляции величин г зависит от вы­ соты. Наименьшее время корреляции т, соответствующее частоте пульсаций величин г, отмечается на уровне т. е. там, где

располагаются наиболее крупные частицы и отмечается наиболь­ шая интенсивность конвективных и турбулентных движений.

В третьей стадии жизни СЬ, которая продолжается примерно столько же времени, как и стадия роста (15—30 мин), наблю­ дается быстрое и монотонное убывание всех перечисленных выше радиолокационных характеристик, ослабление и постепенное пре­ кращение осадков.

Наиболее наглядна временная трансформация радиолокацион­ ных характеристик СЬ, состоящего из одной конвективной ячейки (рис. 4.7). Наблюдения проводились в районе аэропорта Мине­ ральные Воды. Облако развивалось практически без перемеще­ ния. Высота его нижней границы составляла 500 м. По данным наземных наблюдений, облако давало ливневые осадки в течение 16 мин. В этот период происходило вначале нарастание, а затем

своего развития СЬ достигает максимальной высоты Ятах в сере­

Полученные значения площадей радиоэха подвергались стати­ стической обработке с целью выявления общих закономерностей

по размерам для грозового СЬ существенно отличается от ана­ логичного распределения для СЬ с ливневыми осадками. Так, для грозового СЬ диапазон возможных площадей радиоэха состав­

108

ляет 100— 1000 км^, в то время как для облаков с ливнями 5— 400 км2. Это означает, что в среднем максимальный диаметр ра­ диоэха внутримассовых СЬ негрозового характера в горизонталь­ ной плоскости имеет тот же порядок величин, что и вертикаль­ ная протяженность радиоэха, в то время как для грозовых СЬ он может быть значительно больше [113]. Различия в горизонталь-

-SJ

Рис. 4.8. Распределение площадей радиоэха ливневых (а) и грозовых (б) СЬ (Краснодарский край).

ных размерах мультиячейковых СЬ обусловлены тем, что грозо­ вые СЬ чаш,е, чем облака с ливнями, состоят из нескольких кон­ вективных ячеек.

2lgzan

между величиной отражаемости и площадью радиоэха на данном

меньше, чем в ливнях, т. е. в СЬ с грозовыми явлениями гради­ ент отражаемости значительно больше.

109

сотой. При этом отмечается существенное увеличение Ящах и Zmax

степенно опускается по мере «вымывания» облака. Из сказанного можно сделать вывод, что переход СЬ из грозового состояния, сопровождающегося выпадением жидких осадков, в состояние, сопровождающееся выпадением града, характеризуется: увеличе­ нием интенсивности и высоты радиоэха облака, а также равно­ мерности распределения интенсивности радиоэха по высоте.

По-видимому, наличие в облаке большой переохлажденной области с крупными частицами является одним из важнейших условий разделения-зарядов в облаке, а следовательно, и образо-

Т а б л и ц а 4 .1

Отношение Na высоты переохлажденной

области к высоте нулевой изотермы

Форма облаков

4.1.З. Радиолокационные характеристики градового облака

Переход СЬ в градовое состояние связан с определенным из­ менением микро- и макрОпараметров облака, которое обеспечи­ вает возможность подъема наиболее крупных переохлажденных капель до уровня их естественной кристаллизации [1, 12, 21, 27]. Образование градовых зародышей при замерзании наиболее круп­ ных облачных капель происходит при температуре примерно —20 ... —25°С. При более высокой температуре кристаллизация

ПО