Содержание к диссертации
Введение
1. Радиолокационные методы измерения параметров микроструктуры облаков и осадков 10
1.1. Методы измерения размера облачных частиц 10
1.2. Методы измерения водности облаков и интенсивности осадков 19
1.3. Методы измерения кинетической энергии града, количества осадков и массы града 26
1.4. Методы измерения интегрального водосодержания облаков 31
1.5. Методы обнаружения града 32
1.6. Выводы 43
2. Аппаратура и методика исследования 45
2.1. Автоматизированная система радиолокационного измерения параметров микроструктуры облаков 45
2.2. Методика получения карт полей микроструктуры облаков и осадков 47
2.3. Методика анализа экспериментального материала 49
2.4. Общая характеристика экспериментального материала 53
2.5. Выводы 54
3. Пространственно-временное распределение параметров микроструктуры облаков 56
3.1. Пространственное распределение и эволюция во времени размера частиц.. 56
3.2. Статистические исследования времени градообразования 59
3.3. Эволюция во времени интенсивности осадков из облаков различных типов 64
3.4. Особенности полей количества осадков из градовых и ливневых облаков 67
3.5. Кинетическая энергия града при градовых процессах различных типов 70
3.6. Выводы 77
4. Результаты исследовании приведенной и интегральной водности градовых облаков 79
4.1. Исследование информативности одномерных, двумерных и трехмерных параметров облаков 79
4.2. Интегральное водосодержание градовых и ливневых облаков 95
4.3. Результаты исследования приведенной водности градовых облаков 102
4.4. Выводы 108
Заключение 111
Литература 113
Приложение 126
- Методы измерения кинетической энергии града, количества осадков и массы града
- Методика получения карт полей микроструктуры облаков и осадков
- Эволюция во времени интенсивности осадков из облаков различных типов
- Интегральное водосодержание градовых и ливневых облаков
Введение к работе
Современные метеорологические радиолокаторы (MPЛ) являются одним из наиболее эффективных средств распознавания опасных явлений погоды, исследования облаков и осадков, измерения интенсивности и количества осадков, водности и других микроструктурных характеристик облачности. Автоматизация МРЛ и создание радиолокационных метеорологических сетей во многих странах, открыли новые возможности для исследования микрофизических параметров облаков и осадков и облачных процессов, развития физических представлений о механизме образования ливневых осадков и града в мощных конвективных облаках мало доступных для полетов авиации.
Информация МРЛ широко используется для получения информации о фактической погоде, уточнения краткосрочных и сверхкраткосрочных прогнозов погоды и управления активным воздействием на облака с целью предотвращения града, искусственного увеличения осадков и оценке эффективности АВ.
Радиолокационный контроль эффективности воздействия на градовые процессы обычно основан на эволюции во времени ряда радиолокационных параметров засеянных облаков, включая радиолокационную отражаемость, высоту повышенного радиоэха, вероятность выпадения града и т. д.
Однако одномерные параметры (измеренные в точке) не могут адекватно характеризовать эволюцию трехмерной структуры конвективных облаков при естественном развитии и в результате засева.
Создание и применение автоматизированных систем обработки радиолокационной информации и управления противоградовыми, операциями открыли новые возможности для оперативного радиолокационного контроля эффективности воздействия, основанные на измерении площадных, объемных и интегральных характеристик облаков.
Проведение автоматизированных радиолокационных исследований двумерных и трехмерных параметров облаков является одним из перспективных путей исследования облачности, совершенствования критериев распознавания опасных явлений погоды, оценки грозо- и градоопасности облаков в работах по модификации погоды и создания банков данных об эволюции облачности.
Целью настоящей работы является исследование интегральных характеристик градовых и ливневых облаков, включая приведенную водность и интегральное водосодержание, пределы их вариации, повторяемости значений и временного хода, для усовершенствования представлений о структуре мощных облаков и уточнения критериев засева.
Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи:
Проведены исследования эволюции одномерных, двумерных и трехмерных радиолокационных параметров засеянных и незасеянных градовых и градоопасных облаков на Северном Кавказе на автоматизированных радиолокаторах.
На основе анализа обширного экспериментального материала, включающего более 12 тысяч файлов радиолокационного обзора пространства, получены статистические данные о пределах вариации объема облаков (VZi), водности (q), приведенной (q^) и интегральной водности (Mzi) градовых и ливневых облаков.
Проведена статистическая оценка повторяемости значений интегральной водности в 11500 случаев измерений в течение летних сезонов 2003-2006 гг.
Проведены экспериментальные исследования высоты зарождения града, времени роста града и кинетической энергии града.
Научная новизна полученных результатов:
1. В результате экспериментальных исследований впервые установлены: пределы вариации и особенности распределения по площади приведенной водности ливневых и градовых облаков; пределы вариации и особенности временного хода интегральной водности градовых и ливневых облаков; закономерности эволюции приведенной и интегральной водности градовых облаков; данные о скорости осадкообразования в градовых облаках.
2. По результатам радиолокационных исследований грозо-градовых процессов, наблюдавшихся на территории Ставропольского края в летние периоды 2007 — 2009 гг., с использованием «АСУ—МРЛ» выделено 614 градовых ячеек, в радиусе 100 км, и получены статистические данные о: высоте зарождения первого радиоэха градообразующих конвективных ячеек и превышении высоты первого радиоэха над уровнем изотермы 0С; высоте зарождения града над уровнем изотермы 0С; времени зарождения града, начиная с момента обнаружения первого радиоэха градообразующих конвективных ячеек.
Научная и практическая значимость результатов:
Полученные в работе пределы вариации и пространственно-временное распределение приведенной и интегральной водности кучево-дождевых облаков представляют интерес для оценки оптической плотности облаков при изучении их радиационных свойств, ослабления радиоволн разного диапазона и расчета радиояркостной температуры облаков для интерпретации спутниковых наблюдений.
Измерение значений интегрального водо- льдосодержания всей облачной системы или выделенных конвективных ячеек (М\5, М25, М35,»., Мб$), а также аналогичных значений интегральной водности переохлажденной части облака (AMis, АМ25, АМ35,-.., АМб5), позволяют: усовершенствовать методы оценки степени градоопасности облаков и эффективности активного воздействия на них; исследовать водозапас облаков для целей искусственного увеличения осадков; исследовать осадкообразующую эффективность облаков; оценить суммарное лъдосодержание и «разрушительный потенциал» градовых облаков; > сравнить мощность градовых процессов между собой и т. д. Эти результаты также имеют серьезную и практическую значимость для: совершенствования критериев распознавания ОВ и оценке физической эффективности воздействия в системе противоградовой защиты; совершенствования критериев распознавания опасных явлений погоды в системе штормооповещения и метеообеспечения авиации.
3. Экспериментальные данные о высоте зарождения первого радиоэха градообразующих ячеек и скорости осадкообразования могут быть использованы для совершенствования технологии воздействия на градовые процессы.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты радиолокационных исследований высоты зарождения первого радиоэха градовых облаков, высоты зарождения града и времени градообразования;
Результаты радиолокационных исследований информативности одномерных, двумерных и трехмерных параметров облаков.
Статистические данные о повторяемости значений приведенной и интегральной водности градовых и ливневых облаков Северного Кавказа;
Пределы вариации и эволюция во времени приведенной и интегральной водности градовых и ливневых облаков на разных стадиях развития.
Личный вклад автора:
Постановка задачи выполнена научным руководителем. Разработка методики измерения параметров микро- и макроструктуры и интегральных характеристик облаков и осадков выполнена совместно с научным руководителем. Основные результаты радиолокационных исследований интегральных характеристик облаков (объема, водности, приведенной и интегральной водности, размера и потока кинетической энергии града) получены автором на основе анализа и обобщения обширного экспериментального материала, . полученного с помощью, автоматизированных систем АСУ «Антиград» и «АСУ-МРЛ», включающего более 12 тысяч объемных файлов радиолокационного обзора на территории Северного Кавказа.
Апробация работы:
Основные результаты диссертации докладывались на: V конференции молодых ученых КБНЦ РАН. Нальчик, 2004 г, 2005 г.
Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 70-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции АН СССР. Нальчик, 28 - 30 сентября 2005 г.
Второй конференции молодых ученых,национальных гидрометслужб государств-участников СНГ. Москва, 2006 г.
Научно-практической конференции, посвященной 40-летию начала производственных работ по защите сельхозкультур от градобитий. Нальчик, 2007 г.
5. Научной конференции институтов Росгидромета, посвященной 50-летию Отдела физики облаков Главной геофизической обсерватории им. Л.И. Воейкова. Санкт-Петербург, 2008 г
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 160 стр., 10 таблиц и 43 рисунка.
Содержание диссертации.
Во введении раскрывается актуальность темы, формулируются цели и задачи работы, приводится научная и практическая значимость, а таюке новизна полученных результатов.
Первая глава посвящена обзору радиолокационных методов измерения микрофизических характеристик, облаков и осадков, (объема, водности; интенсивности и количества осадков, интегрального водосодержания, размера и потока кинетической энергии града), включая одноволновые, основанные на использовании корреляционных соотношений и двухволновые, основанные на решении обратной задачи теории рассеяния. Проведен сравнительный анализ методов обнаружения града и детально рассмотрены критерии оценки градоопасности облаков, применяемые в противоградовых службах Российской Федерации, стран СНГ, Аргентины, Бразилии, Македонии, в модифицированном виде в Болгарии и др.
Во второй главе рассматривается принцип действия и основные характеристики автоматизированных радиолокационных систем АСУ «Антиград» и «АСУ-МРЛ», с помощью которых проведены радиолокационные исследования параметров микроструктуры облаков и осадков, их пространственное распределение и эволюция во времени, а также методика получения карт полей микроструктуры облаков, и методика анализа экспериментального материала.
В третьей главе представлены результаты исследований пространственно-временного распределения микрофизических характеристик осадков из облаков различных типов: эволюция во времени размера облачных частиц, интенсивности осадков, особенности полей количества осадков и кинетической энергии града при градовых процессах различных типов. Приводятся результаты статистических исследований времени градообразования в областях первого радиоэха и высоты зарождения града.
Четвертая глава посвящена результатам экспериментальных исследований. Представлена эволюция во времени и пространстве водности облаков и осадков. Приводится анализ результатов исследований приведенной и интегральной водностей градовых и неградовых облаков на разных стадиях развития.
В заключении приводятся основные выводы и результаты, полученные в диссертации.
Методы измерения кинетической энергии града, количества осадков и массы града
Для кинетической энергии града, согласно [2, 6], имеем: Суммируя по всем последовательным радиолокационным циклам обзора пространства значения Ёт можно найти значение кинетической энергии града Еп, приходящееся на единицу площади (в п — и ячейке площади обзора), за весь период выпадения града: При этом для одноволновых измерений имеем: где E„(ti) — плотность потока кинетической энергии града в /г-й ячейке площади обзора в /-й момент времени; Аґ,- — интервал времени между циклами обзора, равный 3-3,5 мин (для «АСУ-МРЛ»); т — число циклов обзора. 1.3.2. Двухволновый метод основан на решении обратной задачи теории рассеяния в предположении, что рассеяние радиоволн в облаках и осадках не когерентно и однократно, капли дождя имеют сферическую форму, и значения эмпирических коэффициентов зависят только от размера, концентрации и вида функции распределения капель по размерам.
Более перспективным является применение двухволнового метода измерения параметров микроструктуры облаков и осадков, предложенного в работах [2, 3, 6, 20, 21, 23, 24, 27 - 33, 42, 67, 72 - 83, 110 - 124. 127]. При этом поля микрофизических характеристик града в автоматизированной системе «АСУ—МРЛ» рассчитываются в темпе радиолокационного обзора пространства, согласно [2, 61], по следующим формулам: —максимальный размер града в зондируемом объеме: —среднекубический размер града в зондируемом объеме: —концентрация града: —ледность градовых осадков: —плотность потока кинетической энергии града: Согласно [3] имеем: где dsn, q„ и In - среднекубический диаметр капель дождя (см), водность дождя (г/м3) и интенсивность дождя (мм/час) соответственно; ZIOn и к3,2п — радиолокационная отражаемость осадков на длине волны Я = 10 см и коэффициент ослабления на длине волны Л = 3,2 см в /-м дискрете дальности. 1.3.3. Радиолокационное измерение кинетической энергии града осуществляется двухволновым методом [6], на основе трехмерной информации о радиолокационной отражаемости на 2-х длинах волн (3,2 и 10 см). Для кинетической энергии града, согласно [2, 6], имеем:
Следует отметить, что кинетическая энергия града достаточно надежно может быть измерена и одноволновым методом. При этом, связь между Ё и значением множителя отражаемости Z\$, выраженными в MM6/MJ, МОЖНО представить в виде: гдеАиЬ-коэффициенты корреляции. По данным Федерера и др. [99, 100] и Ульбриха [127] в формуле (1.31), полученной Абшаевым М. Т. [6], значение константы перед Z незначительно отличаются и равны 5-Ю"6, 7-Ю"6 и 6,2-10"6, соответственно. Из табл. 1.5 следует, что значения этих коэффициентов, полученные разными авторами независимо друг от друга, очень близки. Это свидетельствует о надежности радиолокационного измерения плотности потока кинетической энергии, града, благодаря тому, что его значения Ё почти прямо пропорциональны значению Z\Q. На рис. 1.3 представлены примеры карт максимального размера градин dmax и плотности потока кинетической энергии градовых осадков Ё на фоне дождевой части облака. Из рисунка следует, что между полями dmax и Ё существует хорошее совпадение площади выпадения града и места локализации максимальных значений dmax и Ё. Наиболее крупный град ( 5 см) и максимальное значение Е ( 10 Дж/(м -с)) отмечаются в центральной области выпадения града.
Методика получения карт полей микроструктуры облаков и осадков
Получение карт приведенной (просуммированной по всей высоте облака) водности qz в АСУ «Антиград» и «АСУ-МРЛ» осуществляется следующим образом: - рассчитывается водность каждого единичного объема облака q . - строятся карты распределения водности в горизонтальной плоскости на всех высотах от основания до вершины облака с шагом 0,5 км или 1 км; - производится суммирование водности по всем слоям облака по формуле (1.24). Получение карт приведенной водности облачных слоев выше уровней изотерм 0С и -6С (Лдхо и Aq -e) осуществляется аналогичным образом, путем суммирования водности в толще облака выше этих уровней. Пример карт приведенных водностей по всей высоте радиоэха (д), выше изотермы 0С (Aqro) и выше изотермы -6С (Aqr.6) представлен на рис. 2.1, 3.1, 3.2, 4.6, 4.15 и 4.16. Анализ таких карт показывает, что на стадии развития градовых облаков значения qzVi Aq мало различаются между собой, так как основное водосодержание развивающихся потенциально градоопасных облаков сосредоточено в области отрицательных температур. В стадии зрелости градовых облаков значения Agv примерно равны половине q%, а на стадии диссипации основная водность сосредоточена в приземном слое. Таким образом, эти параметры позволяют оценить стадию развития градовых и неградовых облаков. Карты вертикальных сечений для градовых КЯ строятся в АСУ «Антиград» и «АСУ-МРЛ» путем проведения сечений через градовый очаг в любом заданном направлении, позволяющем определить место локализации града и высоту зарождения града (см. рис. 4.1, 4.2, 4.4 — 4.6 и 4.16Э). Карты горизонтальных сечений в АСУ «Антиград» и «АСУ-МРЛ» строятся на разных высотах (например, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 км). Пространственная картина облачности в виде совмещенных в единой координатной сетке горизонтальных сечений на разных высотах, следующих друг за другом, в единый промежуток времени (см. рис. 4.1, 4.2 и 4.4), позволяет проследить эволюцию во времени полей микроструктуры облачности, как целиком, так и отдельных КЯ и градовых очагов в них, направление и скорость их перемещения в пространстве, изучить закономерности зарождения новых и диссипации старых КЯ, исследовать высоту зарождения и время роста града и т.д. Карта метеоявлений погоды отображается в цветной палитре, соответствующей осадкам (снегопад, дождь, ливень, град) различной интенсивности и позволяет определять местонахождение (зарождение, развитие и диссипацию) облаков различных типов (см. рис. 4.1, 4.2, 4.4,4.5). Для построения карты количества (слоя) осадков в АСУ «Лнтиград» и «АСУ—MP Л» необходимо открыть файл обзора с радиолокационными данными и выделить в нем интересующий временной интервал (часы, сутки, декаду). Далее путём суммирования во времени по формуле (1.45) выделенных циклов обзора строятся карты количества осадков за выбранный интервал (см. рис. 2.1, 3.9 — 3.11). Такие карты позволяют проследить за перемещением и выпадением ливневых осадков. Для построения карты кинетической энергии града в АСУ «Антиград» и «АСУ-МРЛ» необходимо открыть файл обзора с радиолокационными данными и выделить в нем интересующий временной интервал (часы, сутки, декаду). Далее путем суммирования во времени по формуле (1.28) выделенных циклов обзора строятся карты кинетической энергии града за выбранный интервал (см. рис. 2.1, 3.13 — 3.15). Такие карты позволяют локализовать наиболее градоопасные районы, проследить за площадью выпадения града (длиной и шириной) градовых полос, оценить площади градобитий и их средние климатические характеристики.
Одним из способов анализа пространственно-временной эволюции грозо-градовых процессов является анимация различных карт, позволяющая визуально отслеживать изменения облачной системы, КЯ в нем, зон формирования осадков, выпадения града и т.д. В АСУ «Антиград» и «АСУ-МРЛ» анимация создается на основе формирования AVI-файлов выбранной картины облачности. Создание видеофильма эволюции облачности осуществляется в следующем порядке: - в главном меню выбирается вариант картины для мультипликации (номер канала, тип задачи, высота сечения и т.д.); - устанавливается желаемый масштаб и размер изображения; - в главном меню выбирается пункт «анимация»; — выделяется желаемая последовательность обзоров для создания анимации (выбирается интересующий день, месяц, год и период наблюдений, за который необходимо построить видеофильм; - нажимается клавиша ОК, и ожидается завершение создания фильма. Просмотр видеофильмов осуществляется с помощью стандартного проигрывателя Windows. Для этого необходимо запустить универсальный проигрыватель, который запускается автоматически, если дважды щелкнуть кнопкой мыши на файле видеофильма. Анализ каждого грозо-градового процесса начинался с просмотра карты опасных явлений погоды, а также построения и просмотра анимационных фильмов эволюции ячейковой структуры облачной системы. После этого выбирались отдельные конвективные ячейки и строились вертикальные сечения через градовый очаг в любом заданном направлении, позволяющие провести анализ высоты появлений первого радиоэха, времени градообразования и высоты зарождения града, а также пространственно-временное распределение указанных параметров микроструктуры. Для исследования эволюции во времени облачных систем строилась пространственная картина облачности в виде совмещенных в единой координатной сетке горизонтальных сечений на разных высотах следующих друг за другом последовательно времени. По картам горизонтальных сечений прослеживалась эволюция во времени полей микроструктуры облачности в целом, отдельных конвективных ячеек (КЯ) и градовых очагов в них, направление и скорость их перемещения в пространстве, изучались закономерности зарождения новых и диссипации старых КЯ.
Эволюция во времени интенсивности осадков из облаков различных типов
Результаты автоматизированных радиолокационных наблюдений интенсивности и продолжительности градовых процессов из облаков различных типов на территории Ставропольского края, отмечавшихся в 2006 - 2007 гг., в радиусе 100 км обзора локатора, представлены в таблице 3.1. Статистический анализ продолжительности градовых процессов различных типов в Ставропольском крае по результатам радиолокационных наблюдений в 2006 - 2007 гг., показал, что около 20 градовых процессов наблюдались в радиусе 100 км обзора локатора, с максимальной продолжительностью от 4 до 6 ч. (см. рис. 3.8). Осадки измерялись с помощью автоматизированных радиолокационных систем АСУ «Антиград» и «АСУ—МРЛ», осуществляющих автоматизированный расчет полей интенсивности осадков / (мм/час) в радиусе репрезентативности порядка 120 км одноволновым и двухволновым методами, предложенными в работах по формулам (1.26), (1.37). Количество осадков Q (мм), за весь период (слой осадков) на каждой элементарной площадке площади обзора, рассчитывалось путем интегрирования (суммирования) во времени по формуле (1.45). Суммирование по последовательным циклам обзора позволяет получить карты количества (слой) осадков (см. рис. 3.9 - 3.11), выпавших на единицу площади О (мм) за сутки, декаду, месяц и год. Для более глубокого анализа особенностей полей количества (слоя) осадков, выпадавших на территории Ставропольского края в летний период 2006 - 2007 гг. из облаков различных типов, с использованием «АСУ-МРЛ», были построены карты суточного слоя осадков (около 40 карт) в радиусе 120 км вокруг пункта радиолокационных наблюдений. Анализ таких карт показал, что для одноячеиковых процессов характерно выпадение осадков локальными пятнами (см. рис. 3.9). Слой осадков, образующийся в результате многоячейковых, как упорядоченных, так и неупорядоченных градовых процессов, может иметь перемещающиеся локальные пятна и полосы (см. рис. 3.10). Для мощных суперячейковых процессов всегда характерно выпадение осадков в виде полос (см. рис. 3.11).
Градовый процесс 30.08.2008 г. можно отнести по классификации М.Т. Абшаева [11] к процессам переходного типа, который развивался как суперячеиковыи, а в последующем имел закономерности эволюции характерные для упорядоченных многоячейковых градовых процессов. Карта количества осадков, выпавших 30.08.2008 г. (рис. 3.10), показывает, что слой осадков имеет вид полос, соответствующих траектории перемещения разных конвективных ячеек. Относительно небольшой слой осадков, выпавших из рассмотренных градовых ячеек (20 Q 30 мм) объясняется большой скоростью перемещения этих ячеек (50 - 60 км/час). Радиолокационные измерения кинетической энергии могут осуществляться в реальном масштабе времени, обхватывать обширные пространства и обеспечивать получение полей кинетической энергии с высоким пространственным разрешением (например, 0,5x0,5 км). Однако результаты этих измерений обычно требуют сравнения с данными наземных измерений. Такое сравнение показало, что данные радиолокационных и наземных измерений с помощью градовых подушек согласуются вполне удовлетворительно. Для обеспечения точности совмещения в пространстве данных радиолокационных и наземных наблюдений координаты радиолокатора и градовых подушек были определены с помощью спутникового позиционера (GPS) [75, 125].
В результате радиолокационных измерений плотности потока кинетической энергии Ё одноволновым и двухволновым методами, по формулам (1.27) и (1.38) соответственно, были получены сравнимые значения (см. рис. 1.3 и 3.12). На рис. 3.12 представлены примеры карт максимального размера градин dmax и плотности потока кинетической энергии градовых осадков Ё на фоне дождевой части облака. Видна хорошая корреляция областей максимума и потока кинетической энергии града. Из рисунка следует, что между полями dmax и Ё существует хорошее совпадение площади выпадения града и места локализации максимальных значений dmax и Ё. Наиболее крупный град (порядка 4 см) и максимальное значение Е (до 4 Дж/(м х)) отмечаются на переднем фланге области выпадения града. Автоматизированные системы позволяют получить карты кинетической энергии града за любой день с градом, за декаду, а так же за весь сезон (рис. 3.13 — 3.15). Такие карты позволяют локализовать наиболее градоопасные районы, проследить за площадью выпадения града (длинной и шириной градовых полос) оценить площади градобитий и их средние климатические характеристики. В качестве примера, был рассмотрен градовый процесс за 15.06.2006 года, наблюдавшийся на территории Ставропольского края в радиусе 100 км вокруг пункта радиолокационных наблюдений. На рис. 3.13а представлена карта кинетической энергии града за этот день, просуммированная с 0000 до 23 , позволяющая оценить площадь выпадения града. На карте отчетливо видны градовые полосы, протяженность которых достигает 130 км. Ширина градовых полос порядка 20 км. Максимальное значение кинетической энергии Е превышает 1000 Дж/м". Это редкий случай, когда кинетическая энергия града может достигать нескольких тысяч Дж/м . Аналогичным образом были построены карты кинетической энергии за сутки для градовых процессов различных типов, наблюдавшихся на территории Ставропольского края в течение летних сезонов 2006 — 2007 Yr. Анализ таких карт показал, что: для одноячейковых процессов характерно выпадение града локальными пятнами (см. рис. 3.14); для многоячейковых упорядоченных и неупорядоченных градовых процессов отмечается выпадение града, как локальными пятнами, так и в виде градовых полос (см. рис. 3.15); для суперячейковых процессов всегда характерно выпадение града в виде полос (см. рис. 3.13). Дискретность некоторых градовых дорожек обусловлена дискретностью циклов обзора пространства, равной 3,5 мин. Эта дискретность в большей степени проявляется в случаях быстро перемещающихся небольших градовых очагов.
Интегральное водосодержание градовых и ливневых облаков
С целью исследования временного хода интегрального водосодержания градовых и ливневых облаков, были использованы данные экспериментальных измерений комплекса одномерных, двумерных и трехмерных радиолокационных параметров облаков (более 50 параметров), осуществляемых на научно-исследовательском полигоне ВГИ с помощью АСУ «Антиград» и Ставропольского АМРК «АСУ-МРЛ». Эти измерения осуществлялись одноволновыми и двухволновыми методами [2, 11, 60]. На рис. 4.11 и 4.12 показан временной ход одномерных и трехмерных параметров конвективных ячеек 8 и 10 многоячейкового градового процесса, наблюдавшегося 22.06.2001 г. Из рисунка 4.11 следует, что для значений объемов V2s, F35, К45, AF25, AF35, АР45, а также интегральных водностей М25, МЪ5, М45, АМ25, АМ35, АМ45, в течение почти всего периода с 1641 до 17э9 отмечается слабая тенденция уменьшения, хотя они остаются характерными для градового облака. Однако временной ход значений объемов V55) Ves, AF55 AV65 и интегральных водностей М55, Мв5, АМ55 и АМ65 показывает, что конвективная ячейка 8, оставаясь градовой, имела три максимума своего развития (с 1641 до 1707, с 17 до 17 и с 17 до 17 ), когда выпадал более крупный и интенсивный град. Это говорит о том, что закономерности эволюции мощных градовых облаков лучше прослеживаются по значениям объемов и интегральной водности областей радиоэха с Z 55 dBZ. На рис. 4.12 показано, что одномерные параметры (Zw, Z3)2, Нв, Н35, Н45) мощной градовой ячейки 10 с 16 увеличиваются во времени, достигают максимума в 1734 и убывают к 1850, имея некоторые колебания относительно усредняющей кривой. В то же время временной ход трехмерных параметров АК55, AF65, АМ55 и АМб5 четко выделяет три максимума, соответствующие трем периодам усиления градо бразования: - первый с 1654 до 17j9 d максимумом развития в 1713; — второй с 17 до 18 с максимумом развития в 18 ; - третий с 1834 до 1846 с максимумом развития в 1840. Из одномерных параметров только значение М/55 свидетельствует о некоторых признаках такой эволюции рассматриваемой КЯ.
Таким образом, усиление и ослабление рассмотренных градовых КЯ значительно лучше характеризовалось трехмерными параметрами областей радиоэха с Z 55 dBZ. При этом более информативными являются параметры, характеризующие объемы (JSVQS, AF55, и AF45) и водосодержание их переохлажденной части (зоны зарождения и роста града) (ДМ45, АМ55 и АМб5). Такие же закономерности можно видеть и на примере других градовых процессов. На рис. 4.13 показан временной ход объема и интегральной водности всего объема (V/j и Mz,) и переохлажденной части (AFZ; и AMzi) градового облака, наблюдавшегося 10.06.2003 г. Из рисунка следует, что рассматриваемая конвективная ячейка (КЯ) упорядоченного многоячейкового процесса зародилась в 1726. После этого значения всех указанных параметров т/г облака быстро увеличивались, в 17 КЯ достигла стадии градового состояния и в 1801 - максимума своего развития; после этого отмечается длительная стадия квазистационарного состояния с небольшими периодическими изменениями значений VZi, MZi, AVZi и AMz/, и, наконец, в период с 1900 до 1920 - диссипация КЯ. Объем градового очага значительно меньше объема всего облака. Например, в 18 мин объем радиоэха всей КЯ составляет V\5 = 1,5-10 KMJ, а объем зоны локализации града в облаке составляет всего F45 = 2,2-102 км3, т.е. 14 % от всего объема радиоэха. Объем локализации более крупного града составляет и того меньше (V55 — 81,3 км , а У65 = 14 км ).
Объем зоны роста града выше уровня изотермы минус 6С составляет: AF45 = 1,5-107 км3, АГ55 — 68,3, a AV65 = 13,3 км . Следовательно, большая часть зоны локализации града и крупного града в этот момент расположена в зоне роста. Следует также отметить, что, несмотря на то, что объем локализации града значительно меньше объема градового облака, его вклад в интегральную водность облака может достигать 60% и более. Даже вклад крупного града М55 и Mes может достигать 30 — 40% от суммарного водосодержания облака. Например, в одной из ячеек градового процесса, наблюдавшегося 17.06.2003 г., М\5= 3,4-106 т, а льдосодержание этой ячейки составляет М 5= 2,0-Ю6 т, или 58 % от общего водосодержания ячейки. Масса крупного града достигает М55 — 2,040 т, а града катастрофической интенсивности Mes = 8,2-10 т. Отмечается устойчивая закономерность: чем мощнее градовое облако, тем больше вклад града в его интегральную водность. Дифференцируя во времени интегральное водосодержание облака dM]5 —-—можно оценить скорость осадкообразования. Например, интегральное at водосодержание КЯ упорядоченного многоячейкового процесса, наблюдавшегося 10.06.2003 г (см. рис. 4.13) увеличивалось по мере ее развития, достигло абсолютного максимума М\5 = 3,8-105 т и AM/j = 2,4-105 т в 1801 и в дальнейшем уменьшалось по "мере ослабления процесса с незначительными колебаниями с периодичностью 25 — 36 мин. Водосодержание КЯ с 172 до 17 увеличилось с М\5 = 1,0-104 до М\5 — 1,5-105 тонн. Таким образом, в период развития КЯ ее водосодержание за 10 мин увеличилось в 15 раз благодаря быстрому процессу осадкообразования dMl5 , (—— « 1,4-10" т/мин). В дальнейшем скорость осадкообразования достигала 105 т/мин. Такая скорость осадкообразования свидетельствует о наличии обширной по площади струи восходящего потока, вносящей в облако не менее 3000 тонн/с парообразной влаги, из которой в осадки превращается около 30%. В градовом облаке, наблюдавшемся 17.06.2003 г., максимальная скорость осадкообразования достигала 105 — 5-Ю5 т/мин.
