Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния физики конвективных облаков и основные направления ее развития .
1.1. О состоянии исследований макро- и микроструктурных характеристик конвективных облако
1.2. Основные направления развития физики конвективных облаков и методов их исследования .
1.3. Анализ состояния математического моделирования конвективных облаков .
2. Трехмерная нестационарная численная модель конвективных облаков с детальным учетом процессов
2.1. Постановка задачи расчета процессов образования и развития конвективных облаков с детальным учетом процессов .
2.2. Алгоритм расчета конвективных облаков
2.3. Дискретное представление задачи расчета микрофизических процессов в конвективных облаках .
3. Исследование влияния структуры ветра в атмосфере на формирование макро- и микроструктуных характеристик облаков .
3.1. Некоторые результаты тестовых расчетов .
3.2. Результаты расчетов конвективного облака без разворота ветра
3.3. Исследование развития облака с разворотом горизонтального ветра в атмосфере .
Заключение
Список литературы .
- Основные направления развития физики конвективных облаков и методов их исследования
- Анализ состояния математического моделирования конвективных облаков
- Алгоритм расчета конвективных облаков
- Результаты расчетов конвективного облака без разворота ветра
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В последние десятилетия в физике облаков и активных воздействий на них достигнуты существенные успехи. Вместе с тем, многие вопросы, связанные с формированием макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков в естественных условиях и при активном воздействии, остаются неизученными или изученными на недостаточном уровне. Анализ состояния исследований гидротермодинамики и микрофизики облаков показывает, что в настоящее время намечается переход к изучению закономерностей формирования их характеристик с учетом системных свойств. При этом большое внимание начинает уделяться изучению роли взаимодействия физических процессов в облаках и облаков с окружающей атмосферой. Эти приоритеты можно объяснить тем, что конвективные облака представляют собой чрезвычайно сложную термогидродинамическую и микрофизическую систему, в функционировании которой важную роль играют отмеченные взаимные влияния физических процессов друг на друга.
До настоящего времени вопросы взаимодействия физических процессов в облаках еще мало исследованы, в частности, имеется несколько работ специалистов Высокогорного геофизического института (Ашабоков Б.А., Федченко Л.М., Шаповалов А.В.), в которых показано, что взаимодействие процессов способствует формированию в облаках зоны, в которой происходит образование крупных градин. Также исследовано влияние электрических процессов на формирование микроструктурных характеристик конвективных облаков. В результате удалось показать, что они способствуют более быстрому формированию конвективных облаков.
Что касается взаимодействия облаков с окружающей атмосферой, то его влияние на развитие мощной конвекции было обнаружено относительно давно. Но, несмотря на это, исследованию этого вопроса посвящено лишь ограниченное количество теоретических (ПастушковР.С.) и экспериментальных исследований (Мальбахова Н.М. Федченко Л.М., Шметер С.М., Ньютон Ч.У, Browning K.A., Foot G.B., Y. M. Kong и др.).
Необходимы дальнейшие детальные исследования закономерностей формирования макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков в естественных условиях и при активном воздействии, которые способствовали бы построению достаточно полной теории формирования и развития мощных конвективных облаков
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование на основе математического моделирования влияния структуры ветра в тропосфере на формирование макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков: восходящих и нисходящих потоков, водности, ледности, радиолокационной отражаемости.
Для достижения цели исследования ставились и решались следующие задачи:
-
Провести анализ современного состояния исследования взаимодействия гидротермодинамических и микрофизических процессов в облаках, влияния ветра в тропосфере на характеристики облаков;
-
Выполнить тестовые расчеты для исследования эффективности алгоритмов проведения расчетов и оценки работоспособности модели конвективного облака;
-
Исследовать влияние структуры ветра в тропосфере на формирование зон восходящих и нисходящих потоков воздуха в конвективных облаках и в их окрестности;
-
Исследовать закономерности формирования зон локализации водности и ледности в конвективных облаках в зависимости от структуры ветра в тропосфере (от наличия разворота ветра с высотой);
-
Провести анализ полученных результатов расчетов.
Объект исследования. Объектом исследования является конвективное облако в процессе его эволюции.
Предмет исследования. Предметом исследования являются гидротермодинамические и микроструктурные параметры конвективных облаков на различных стадиях развития, которые получены в численных экспериментах при различных характеристиках фонового ветра в тропосфере.
Методы исследования. Основным методом, который был использован в диссертационной работе для достижения поставленной цели и решения поставленной задачи, является численное моделирование.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и выводов обеспечивается эффективностью используемого алгоритма проведения расчетов и модели конвективных облаков, большим объемом проведенных численных экспериментов по исследованию влияния структуры ветра в тропосфере на процессы формирования макро – и микро структурных характеристик облаков.
Научная новизна работы. В работе впервые получены следующие научные результаты:
исследовано влияние структуры ветра в тропосфере (наличие разворота ветра с высотой) на формирование зон восходящих и нисходящих воздушных потоков в облаке и вокруг облака;
исследовано формирование областей локализации водности и ледности в конвективных облаках в зависимости от структуры ветра в тропосфере;
определены закономерности формирования частиц осадков в конвективных облаках в зависимости от структуры ветра в тропосфере;
получены количественные характеристики влияния ветра в тропосфере на формирование макро- и микроструктурных параметров облаков;
Научная и практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в следующем:
-полученные в работе результаты можно использовать для планирования исследований по физике конвективных облаков;
-полученные в работе результаты будут способствовать повышению эффективности исследований в данной научной области;
-полученные в работе результаты позволят усовершенствовать существующие представления о формировании макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков;
-результаты исследований будут способствовать усовершенствованию существующих и разработке новых методов управления формированием микроструктурных характеристик конвективных облаков;
-отдельные результаты диссертационной работы используются в учебном процессе.
Предметом защиты являются:
результаты исследований формирования полей термодинамических параметров в конвективных облаках и в их окрестности при наличии изменения направления ветра в тропосфере с высотой и при его отсутствии;
результаты исследований формирования зон восходящих и нисходящих движений воздуха в конвективных облаках и в их окрестности при наличии изменения направления ветра в тропосфере с высотой и при его отсутствии;
закономерности формирования области локализации водности в конвективных облаках при наличии изменения направления ветра в тропосфере с высотой и при его отсутствии;
результаты исследований влияния структуры ветра в тропосфере на формирование области локализации ледности в конвективных облаках;
результаты исследований влияния структуры ветра в тропосфере на формирование максимальных значений параметров конвективных облаков.
Личный вклад автора. Постановка задачи и выбор метода исследования осуществлены совместно с научным руководителем. Автором самостоятельно проведены численные эксперименты по исследованию влияния структуры ветра в тропосфере на формирование макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков, а также анализ результатов расчетов. Основные выводы работы сформулированы самостоятельно.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата», г. Ставрополь, 23-26 сентября 2013г., на Международном симпозиуме «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели», г. Нальчик, 28 июня-3 июля 2013 г., на итоговых сессиях Ученого совета и Общегеофизических семинарах ФГБУ «Высокогорный геофизический институт», на семинаре отдела физики облаков ВГИ.
Публикации. Всего 12 работ. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
Общий объем работы составляет 130 страниц машинописного текста, в том числе: 3 таблицы, 25 рисунков, список используемой литературы из 149 наименований работ, из них 55 на иностранных языках.
Основные направления развития физики конвективных облаков и методов их исследования
Разработка научно обоснованных методов управления процессами осадкообразования в конвективных облаках не представляется возможной без знания закономерностей формирования их макро- и микроструктурных характеристик. Изучение отдельных процессов в облаках недостаточно для решения этой важнейшей проблемы, имеющей как научное, так и прикладное значение. Закономерности формирования их макро- и микроструктурных ха-рактеристик должны служить физической основой методов активного воз-действия на конвективные облака с целью искусственного регулирования осадков или предотвращения образования градин опасных размеров. Это объясняется тем, что конвективные облака представляют собой чрезвычайно сложную термогидродинамическую и микрофизическую систему, важными особенностями которой являются нестационарность, трехмерность и нели-нейность [18, 51, 79]. Из-за этих особенностей детальное исследование обра-зования и развития облаков в естественных условиях и при активном воздей-ствии становится чрезвычайно сложной проблемой. Этим можно объяснить то, что до настоящего времени не все процессы в облаках изучены и форма-лизуются на достаточном уровне. Как отмечено в работах [49, 50], есть еще такие процессы в облаках, которые до настоящего времени не до конца поня-ты даже на качественном уровне. Этим также объясняется наличие до на-стоящего времени в физике облаков различных представлений о процессах образования частиц осадков и методах воздействия на них. Отметим, что в исследовании различных вопросов физики облаков принимали участие спе-циалисты как нашей страны, так и других стран. Остановимся в краткой форме на результатах теоретических и экспериментальных исследований об-разования и развития конвективных облаков, а также формирования их мик-роструктурных характеристик. Конвективные облака образуются при нали-чии неустойчивой стратификации в атмосфере или в результате взаимодей-ствия воздушных масс с различными термодинамическими и динамическими характеристиками между собой или с подстилающей поверхностью. В пер-вом случае причиной спонтанного образования конвекции может служить неравномерный нагрев подстилающей поверхности или турбулентность. Во втором случае конвективные облака могут образоваться и при отсутствии не-устойчивой стратификации. При этом их образование может быть обуслов-лено динамическими факторами, такими как: взаимодействие потока с под-стилающей поверхностью, прохождение фронтов (механизм вынужденной конвекции) и т.д. [51, 55, 79, 106, 135]. На характеристики облаков (водность, ледность, макро- и микроструктурное строение) решающее влияние оказывает состояние окружающей атмосферы: структура полей температуры и влажности, структура ветра и другие. Параметры атмосферы определяют высоту нижней границы облака и другие характеристики облака, степень вовлечения воздуха в облако зависит от структуры ветра в атмосфере, а абсолютная влажность у его основания и, следовательно, количество теплоты, выделяющееся при фазовых переходах, зависят от содержания влаги в атмосфере [51]. Существует даже мнение [68], что количество теплоты, выделившейся при фазовых переходах, является ис-точником энергии, поддерживающей конвекцию, и ее роль в облакообразо-вании может быть большей, чем энергия неустойчивости атмосферы.
На развитие конвекции и процессы облакообразования существенное влияние может оказать турбулентность, причем это влияние является неод-нозначным [56]. В стадии зарождения конвекции она может стимулировать ее развитие, способствуя росту градиента температуры в устойчивых слоях и стимулируя спонтанную конвекцию. В то же время усиление турбулентности делает более интенсивным обмен облака с окружающей атмосферой, что препятствует его развитию, приводит к его разрушению. Кроме этого она может препятствовать конвективному переносу тепла вертикальными пото-ками воздуха, что является еще одним механизмом ее влияния на процессы образования облаков [79]. Следует отметить, что, несмотря на значительное влияние турбулентности на процессы облакообразования, до настоящего времени нельзя считать исследованной до конца ее роль в этих процессах.
Что касается верхней границы облака, то она определяется задержи-вающими слоями, которыми являются слои изотермы или инверсии. В случа-ях, когда облака развиваются интенсивно, они проникают в эти слои, а в не-которых случаях и пробивают их. В связи с тем, что в этих слоях относи-тельная влажность воздуха обычно невелика, взаимодействие облаков с ат-мосферой в таких случаях становится фактором, влияющим негативно на их развитие. Если вершина кучевого облака оказывается в области отрицатель-ных температур (–6 ё –12 C), то она постепенно оледеневает, оно переходит в кучево-дождевое облако, из которого могут выпадать ливневые осадки и град. Для образования таких облаков необходимы высокая влажность в по-граничном слое и условная неустойчивость в средней тропосфере. Если при таких условиях имеется обширный (несколько километров в поперечнике) восходящий поток с большими вертикальными скоростями, то образуются мощные грозоградовые облака. Причиной образования таких масштабных восходящих потоков и конвекции часто является интенсивная мезомасштаб-ная конвергенция в нижней тропосфере [50, 78, 79].
Анализ состояния математического моделирования конвективных облаков
Как уже отмечалось, в результате анализа экспериментальных данных было предположено, что электрические силы могут играть заметную роль в образовании градовых и ливневых осадков в облаках [126]. По мнению авто-ров данной работы, разряд молний создает большое количество положитель-ных ионов, которые заряжают облачные частицы, что в свою очередь приво-дит к ускорению коагуляционных процессов.
В работе [68] приводится модель образования и развития мощных конвективных облаков и образования градовых осадков, которая была предложена сотрудниками Высокогорного геофизического института (ВГИ) в 60-х годах прошлого века. Согласно их модели, основной причиной возникновения градовых облаков также являются восходящие потоки возду-ха, обусловленные разностью температур в окружающей среде и в подни-мающемся воздухе, создающей «плавучесть» облачной массы.
Подъем воздушных масс в начальной стадии развития конвекции про-исходит в виде отдельных пузырей, которые затем объединяются и создают струю восходящего потока. На каждом уровне величина скорости восходя-щего потока определяется плавучестью воздуха, которая сложным образом меняется с высотой. Она растет от основания облака и на некоторой высоте Zm ее значение становится максимальным Wm, затем она начинает убывать. По мнению авторов модели, такое распределение скорости восходящих по-токов по высоте способствует аккумуляции значительного количества воды (в жидком или твердом виде) над уровнем Zm, где скорость восходящего по-тока максимальна. При этом, если Wm(z) больше скорости восходящих пото-ков, при которой происходит дробление капель и располагается она ниже уровня естественной кристаллизации крупных капель (–18... – 20 С), то зона аккумуляции в облаке формируется главным образом за счет крупных ка-пель, образовавшихся в нижней части облака.
Согласно этой модели, крупные капли, поднимаясь в восходящем потоке, растут за счет коагуляции с мелкокапельной фракцией. Они достигают такой высоты над уровнем максимальных скоростей восходящих потоков, на которой уравновешиваются скорости их падения и подъема. На этом уровне крупные капли продолжают расти за счет коагуляции мелкими каплями, находящимися в восходящем потоке. После достижения критического размера (R » 0,2–0,3 см), крупные капли разбрызгиваются, начинается цепная реакция по Ленгмюру.
Таким образом, в верхней части облака над уровнем максимальных скоростей восходящего потока происходит накопление крупных облачных частиц, т.е. образуется так называемая «зона аккумуляции». Очевидно, что фазовое состояние выпадающих из облака осадков в значительной степени зависит от того, в каком температурном интервале облака происходит накоп-ление крупнокапельной фракции. Если верхняя граница зоны аккумуляции расположена на уровне изотермы –18 С, то капли в зоне аккумуляции не за-мерзают и вода в облаке накапливается в виде крупных, возможно, переох-лажденных капель, которые выпадают из облака в виде ливневых осадков. В случае, когда на нижней границе зоны аккумуляции температура ниже –25 С, крупные капли в этой зоне замерзают. При падении в теплой части атмосферы они либо тают, либо достигают поверхности земли в виде крупы или мелкого града.
Рост градовых частиц от 0,1 до 2–3 см, согласно радиолокационным исследованиям, происходит за 4–5 минут, в то же время, как показали расче-ты, рост их за счет мелкокапельной фракции требует более 30–40 минут. Для объяснения такого несоответствия предположено [68], что рост градин про-исходит в зоне аккумуляции за счет процесса коагуляции с переохлажденными крупными каплями. Важно отметить, что водность крупнокапельной фракции при этом должна составлять более 20 г/м3.
Проведенный анализ состояния исследований конвективных облаков пока-зывает, что в изучении различных вопросов, связанных с образованием и разви-тием конвективных облаков и формированием осадков в них достигнут опреде-ленный прогресс. Можно считать установленными основные процессы, приво-дящие к образованию и развитию этих облаков, частично изучены также процес-сы, способствующие формированию микроструктуры облаков [11, 14, 32, 34,50, 89]. Но, как можно заметить, многие результаты носят характер предположений и гипотез, которые требуют обоснования. Кроме этого в этих исследованиях об-лака не рассматривались как сложные системы, в формировании макро- и микро-структурных характеристик которых существенную роль играет взаимодействие процессов в облаках между собой и облаков с окружающей атмосферой. Важно отметить, что наличие такого множества представлений об обра-зовании и развитии облаков, о формировании осадков в этих облаках можно объяснить отсутствием в то время методов исследования облаков в целом, а именно, тем, что математическое их моделирование было еще в начале своего развития. Усовершенствование существующих и разработка научно-обоснованных методов активного воздействия на облака требуют глубокого изучения этих вопросов. Их понимание на качественном уровне уже недостаточно, необ-ходимо глубокое знание этих процессов, умение описывать их количественно.
Алгоритм расчета конвективных облаков
Из постановки задачи можно заметить, что расчет процессов образования и развития конвективных облаков является достаточно сложной проблемой вы-числительной математики и математической физики. Одним из источников трудностей проведения расчетов облаков является, как было отмечено выше, неполная ясность многих процессов в облаках и связанные с ней проблемы их формализации. Другим источником является сложность уравнений, описываю-щих процессы в облаках. В связи с этим разработке методов расчетов облаков различных видов всегда уделялось серьезное внимание [112, 124, 136, 143].
Решение системы уравнений в частных производных (2.1)–(2.7) выпол-няется численными методами. При этом чаще для этой цели используются аппроксимация задачи на основе разностных схем. В связи с тем, что уравне-ния, описывающие процессы в градовых облаках (и в облаках других видов), как можно заметить из постановки задачи, являются сложными, количество операций для их расчета становится чрезвычайно большим. Отсюда видно, что самая современная вычислительная техника не в состоянии в полной ме-ре удовлетворять требования исследователей. Поэтому при численном моде-лировании облаков, экономичность становится важным требованием к ис-пользуемому методу. При их выборе необходимо учитывать и тот факт, что для подавляющего большинства задач расчета облачных процессов не только не доказано никаких теорем существования и единственности решений, но даже нет уверенности в том, что они могут быть доказаны. Не лучше обстоят дела и с самими алгоритмами, используемыми в моделировании облачных процессов: не проведено строгое исследование их сходимости и устойчиво-сти [18]. Следует еще добавить, что облачные процессы являются сущест-венно разномасштабными, что создает серьезные препятствия на пути реали-зации их численных моделей. В связи с этим, вопрос проверки достоверности результатов расчетов при моделировании облаков принимает большое значение.
Для численного решения изложенной системы уравнений модели на временном интервале используется метод расщепления по физиическим процессам [39, 52, 58, 63]. При этом расщепление исходной задачи проводится на следующие более простые задачи:
Метод решения уравнений переноса субстанций основан на использовании метода переменных направлений. Использовалась продольно-поперечная разностная схема (или схема Писмена – Рэчфорда), примененная к дву-мерному случаю. В этой схеме переход от слоя n к слою осуществ-ляется в два этапа. На первом этапе определяются промежуточные значения из системы уравнений:
На втором этапе, используя в качестве начальных условий найденные в (2.17) значения , находим из системы уравнений: где операторы определены следующим образом Схема абсолютно устойчива и обладает суммарной аппроксимацией второго порядка по t и h. Как показали исследования, она применима для решения задач с произвольной формой области интегрирования [18]. Уравнения адаптации полей метеоэлементов для каждой компоненты скорости имеют вид:
Окончательно динамика облака рассчитывается с помощью решения эллиптического неоднородного уравнения для отклонения давления p , полу-ченного применением оператора дивергенции к уравнениям движения (2.15) с использованием уравнения неразрывности (2.2) [41].
Изложена численная модель смешанных конвективных облаков, кото-рая используется в работе для исследования влияния структуры ветра в атмо-сфере на формирование их макро- и микроструктурных характеристик. Мо-дель трехмерная нестационарная, в ней детально учитываются процессы тер-могидродинамики и микрофизики. Она позволяет рассчитывать трансформацию во времени и в пространстве основных макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков. Изложен алгоритм реализации модели, основанный на использовании методов расщепления по физическим процессам и прогонки.
В главе представлены результаты тестовых расчетов, проведенные для исследования возможности использования изложенной модели для модели-рования образования и развития конвективных облаков, а также эффективно-сти используемого алгоритма численной ее реализации. Приводятся результаты численного исследования влияния структуры ветра в атмосфере на формирование характеристик конвективных облаков. Для этой цели рассмотрены два случая развития облака. В первом случае (модельный случай) ветер в атмосфере на всех высотах был направлен в одну сторону, во втором случае были использованы данные аэрологического зон-дирования атмосферы, и направление горизонтального ветра менялось с вы-сотой. Показано, что наличие поворота ветра в атмосфере в существенной степени влияет на формирование облака и на все его параметры.
Некоторые результаты тестовых расчетов Остановимся сначала на некоторых результатах расчетов, проведенных для исследования устойчивости и сходимости изложенного алгоритма численной реализации модели и для исследования работоспособности самой мо-дели. Отметим, что такие исследования должны предшествовать проведению массовых численных экспериментов по исследованию различных вопросов облакообразования, но строгое исследование этих вопросов аналитическими методами не представляется возможным.
В связи с этим, вопрос проверки достоверности результатов расчетов принимает достаточно актуальный характер. Для исследования эффективности алгоритма расчета приходится пользоваться различными приемами, из которых можно отметить следующие: - численное решение задач, точные решения которых известны, сравнение приближенного и точного решений; - численное решение задач, точные решения которых не представляется возможным определить, но известны некоторые их свойства; - сравнение результатов решения задач, полученных различными ме-тодами.
Для исследования изложенного алгоритма в настоящей работе исполь-зуется второй прием, т.е. на основе алгоритма находится решение задачи, ка-чественные свойства которого известны. Тогда об эффективности алгоритма можно судить по тому, обладают ли результаты решения задачи, полученные с помощью исследуемого алгоритма, этими свойствами, причем, достаточно длительный период времени. Этот период времени не должен быть меньше времени образования и существования облака. Одновременно получаемые в результате расчетов параметры облака должны соответствовать наблюдае-мым их параметрам в реальных условиях.
Для проведения таких исследований с помощью изложенной выше мо-дели были проведены расчеты развития конвективного облака в штилевой атмосфере при отсутствии сил Кориолиса, т.е. компоненты скорости ветра в атмосфере, полученные в результате зондирования были приравнены нулю. При этих условиях в результате расчетов должно получиться облако, сим-метричное относительно вертикали, проходящей через его центр, т.е. в каче-стве информации о решении, с помощью которой определяется эффективность алгоритма, используется симметричность решения. Если данное свой-ство не будет выполняться, то метод расчета не обладает необходимыми ка-чествами для проведения численных экспериментов по исследованию обра-зования и развития облаков. Отметим, что такой подход для нашего случая является наиболее при-емлемым, т.к. он позволяет исследовать не только алгоритм, но одновремен-но и изложенную модель.
Результаты расчетов конвективного облака без разворота ветра
Обращает на себя внимание расположение изоповерхностей восходящего потока и ледности. Изоповерхность ледности расположена в верхней части об-лака, данная изоповерхность и верхняя часть изоповерхности W = 10 м/с нахо-дятся на одном и том же уровне, создается впечатление, что они изолированы друг от друга. Важно отметить, что под влиянием ветра в атмосфере зона вы-падения осадков и зона восходящих потоков получаются разнесенными в пространстве, что указывает на то, что выпадение осадков не может повлиять на восходящие потоки, а тем более подавить их. Можно еще заметить, что процессы облакообразования в атмосфере сопровождаются значительным возмущением температурного поля в атмо-сфере. При этом, как можно заметить, оно крайне неоднородно: зоны, в кото-рых температура выше, чем в атмосфере на этом же уровне, чередуются с зо-нами, где эта температура, наоборот, ниже, чем в атмосфере. Выше зоны вос-ходящих потоков, где наблюдаются нисходящие движения воздуха, сформи-ровалась обширная область, в которой температура ниже, чем в атмосфере. Такая же зона образовалась, как можно заметить, в подветренной части обла-ка под зоной локализации кристаллов.
В предыдущем разделе было рассмотрено развитие конвективного об-лака в атмосфере, в которой направление горизонтальной составляющей вет-ра на всех высотах было одинаковым. Ниже приводятся результаты расчетов образования и развития этого же облака, но с реальным распределением по высоте ветра в атмосфере, т.е. когда направление и скорость ветра меняются по высоте. Для проведения расчетов использовались те же данные аэрологи-ческого зондирования атмосферы за 07.06.2012 г. (пункт зондирования аэро-порт Минеральные Воды). Условия в этот день, как было отмечено, были благоприятными для развития интенсивного многоячейкового градового процесса и по радиолокационным данным Северо-Кавказской военизирован-ной службы в этот день по КБР и Ставропольскому краю прошли градовые процессы, отмечалось выпадение града на землю (d = 1,5 – 4 см). Развитие облака инициировалось заданием такого же теплового импульса у поверхно-сти земли: координаты (центра) (м) – (22000; 22000; 2500), размеры импульса по трем осям координат (м) – (1500; 1500; 2000), перегрев DT = 1,0 С. Остановимся на результатах расчетов. На рис. 3.18–3.20 приведены ре-зультаты расчетов параметров облака на 20-й минуте его развития. На них представлены изоповерхность скорости вертикальных потоков W = 10 м/с, изолинии водности и ледности в вертикальной плоскости, проходящей через центр облака параллельно оси OX. Справа на рисунках приведено распреде-ление по вертикали скорости ветра в атмосфере. Стрелки указывают направ-ление ветра, а их длина пропорциональна значению скорости. Можно заме-тить, что изменение ветра по направлению и величине носит достаточно сложный характер. Рассчитывалась и радиолокационная структура облака на длине волны 10 см., но результаты расчетов на рисунке не приводятся. Максимальные значения параметров облака в данный момент времени оказались равными: скорости нисходящих Wн = – 1,86 м/с и восходящих по-токов Wв = 17,3 м/с, (z = 4000 м); водности 5,78 г/м3, (z = 4500 м); ледности 5 10-4 г/м3, (z = 5500 м); отражаемости на 10 см 17,5 dBZ, (z = 4500 м). В скобках указана высота, на которой параметр принимает данное значение. Из этих результатов можно заметить, что облако развивается достаточно интен-сивно – интенсивнее, чем в рассмотренном выше случае, когда направление скорости ветра на всех высотах было одинаковым. За относительно неболь-шой отрезок времени значения скорости восходящих потоков и водности в облаке выросли заметно. Максимальные значения скорости восходящих и нисходящих потоков, а также водности в облаке оказались выше, чем в пре-дыдущем случае. Это свидетельствует о том, ветер в атмосфере влияет не только на форму зон локализации или изолиний различных параметров обла-ка. Он влияет и на скорость развития облака и на значения его параметров. Изолинии, соответствующие различным значениям скорости восходящих и нисходящих потоков, а также изоповерхность W = 10 м/с приведены на рис. 3.18.
Можно заметить, что структура воздушных потоков внутри облака и во-круг него и в этом случае носит достаточно сложный характер, при этом восхо-дящие потоки более упорядочены, чем нисходящие, которые занимают обшир-ную область вокруг зоны восходящих потоков. На формирование полей воз-душных потоков в облаке и вокруг него влияет структура скорости ветра в ат-мосфере. Как и в предыдущем случае, в результате влияния ветра и в рассмат-риваемом случае нарушена симметричность полей характеристик облака. Зона восходящих потоков, как и в предыдущем случае, наклонена к горизонтали.
Сравнение рис. 3.5 и 3.18 показывает, что поля воздушных потоков в дан-ный момент времени имеют заметные различия для различных вариантов рас-пределения скорости ветра по высоте. По сравнению с вариантом, когда направ-ление скорости ветра не менялось с высотой, наклон к горизонтали изоповерхно-сти W = 10 м/с уменьшился, а объем зоны восходящих потоков, видимо, умень-шился незначительно. Зато имеет место увеличение зоны нисходящих потоков, а их структура стала более сложной по сравнению с предыдущим вариантом.
Отметим, что объяснить однозначно каким образом влияет изменение распределения характеристик ветра в атмосфере на скорости восходящих и нисходящих потоков и на значение максимальной водности и ледности не представляется пока еще возможным. Как можно заметить на рис. 3.19 изолинии водности в облаке локализуют-ся в зоне восходящих потоков. Можно также заметить, что под влиянием ветра в атмосфере нарушена симметричность зоны локализации водности в облаке.
Верхняя и нижняя части данной зоны вытянуты в направлении гори-зонтальной составляющей ветра в атмосфере. Можно заметить, что роль структуры ветра в атмосфере в формировании формы данной области значи-тельна. На это указывает сравнение рис. 3.6 и 3.19. Таким же образом вели-чина водности в облаке достаточно большая: максимальное ее значение не-многим меньше 6 г/м3. Что касается водности в облаке, то она обусловлена преимущественно жидкокапельной фракцией, а ледность в облаке пока еще незначительна. Она примерно равна 5 10–4 г/м3, т.е. фазовые переходы в об-лаке пока еще не очень интенсивны.
