CC BY
26
УДК 551.576
ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРОЗОГРАДОВЫХ ОБЛАКОВ
© 2014 г. Б.А. Ашабоков, Л.М. Федченко, А.В. Шаповалов, А.Г. Езаова, М.А. Шаповалов
Ашабоков Борис Азреталиевич - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: ashabokov.boris@mail.ru.
Федченко Людмила Михайловна - доктор географических наук, профессор, научный консультант, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: vgikbr@rambler. ru.
Шаповалов Александр Васильевич - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией математического моделирования, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: atajuk@mail. ru.
Езаова Алена Георгиевна - старший преподаватель, кафедра математического анализа, Кабардино-Балкарский государственный университет, ул. Чернышевского, 173, г. Нальчик, КБР, 360004, e-mail: alena_ezaova@mail.ru.
Шаповалов Максим Александрович - младший научный сотрудник, отдел физики облаков, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: vgikbr@rambler. ru.
Ashabokov Boris Azretalievich - Doctor of Physical and Mathematical Science, Professor, Head of Department, HighMountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, 360030, Russia, e-mail: ashabokov.boris@mail.ru.
Fedchenko Lyudmila Mikhajlovna - Doctor of Geographical Science, Professor, Scientific Adviser, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, 360030, Russia, email: vgikbr@rambler.ru.
Shapovalov Alexander Vasilyevich - Doctor of Physical and Mathematical Science, Professor, Head of Laboratory of Mathematical Modeling, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, 360030, Russia, e-mail: atajuk@mail. ru.
Ezaova Alena Georgievna - Senior Lecturer, Department of the Mathematical Analysis, Kabardino-Balkar State University, Chernishevskiy St., 173, Nalchik, KBR, 360004, Russia, e-mail: alena_ezaova@ mail.ru.
Shapovalov Maksim Aleksandrovich - Junior Researcher, Cloud Physics Department, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave., 2, Nalchik, KBR, 360030, Russia, email: vgikbr@rambler.ru.
На основе разработанной авторами трехмерной нестационарной модели конвективного облака с детальным описанием гидротермодинамических, микрофизических и электрических процессов проведены численные эксперименты по исследованию формирования микроструктурных и термодинамических параметров конвективных облаков при неустойчивой стратификации атмосферы. Определены термогидродинамические и микроструктурные параметры в зоне конвективного облака в различные моменты времени, исследован характер циркуляции воздуха. Рассчитаны характеристики электростатического поля на разных стадиях развития, учтены процессы электрической коагуляции. Результаты численных экспериментов подтверждают, что динамические процессы существенно влияют на формирование полей термодинамических параметров в облаке, которые также определяют ход микрофизических процессов и характер роста частиц осадков.
Ключевые слова: трехмерная модель, грозоградовое облако, микрофизические параметры, ледяные частицы, замерзание капель, электрическая коагуляция
The numerical experiments on research offormation of microstructural and thermodynamic paramétrés of clouds at unstable stratification of atmosphere are made on the basis of the three-dimensional non-stationary convective clouds model with the detailed description of hydrothermodynamic, microphysical and electric processes developed by authors. Thermohydrodynamic and microstructural parametres in a zone of convective clouds during the various moments of time are defined, air circulation is investigated. Characteristics of an electrostatic field at different stages of development are calculated, processes of electric coagulation are considered. Results of numerical experiments confirm that dynamic processes significantly influence formation of thermodynamic parametres fields in a cloud which also define a course of microphysical processes and nature of growth ofpre-cipitation particles.
Keywords: three-dimensional model, a thunderstorm cloud, microphysical parametres, ice particles, freezing of drops, electric coagulation
На основе разработанной авторами трехмерной нестационарной модели конвективного облака с детальным учетом гидротермодинамических, микрофизических и электрических процессов проведены численные эксперименты по исследованию формирования микроструктуры конвективных облаков при неустойчивой стратификации атмосферы и фоновом ветре.
В работе представлено краткое описание трехмерной нестационарной модели конвективного облака с детальным учетом гидротермодинамических, микрофизических и электрических процессов, приведены некоторые результаты численных экспериментов, которые в определенной мере раскрывают физику формирования градовых частиц в мощных конвективных облаках.
Гидротермодинамический блок модели состоит из уравнений, описывающих влажную конвекцию в приближении Буссинеска, в которых учитываются адвективный и турбулентный перенос, силы плавучести, трения и барических градиентов [1, 2].
Микрофизический блок модели описывает процессы нуклеации, конденсации, коагуляции капель с каплями, сублимации, аккреции, замерзания капель, осаждения облачных частиц в поле силы тяжести, их перенос воздушными потоками, а также взаимодействие облачных частиц под влиянием электрического поля облака. Система уравнений записана для функций распределения по массам капель г , т, ледяных частиц г , т, и осколков замерзания капель fз( Г , т, 0 [3].
В модели учитывается физический процесс электризации на стадии формирования осадков - заряжение переохлажденных капель при их замерзании (знак заряда «минус») с образованием осколков замерзания (микровыбросов), заряженных положительно.
Для расчета электрического заряда и поля облака были аппроксимированы экспериментальные зависимости выбросов микрочастиц от размера замерзающей капли и значений коэффициентов разделения зарядов, связанных с замерзанием капель воды и взаимодействием кристаллов с переохлажденными каплями. В модели на каждом временном шаге рассчитываются объемные заряды в облаке, потенциал электростатического поля, создаваемого этими зарядами, а также горизонтальные и вертикальная составляющие напряженности поля облака [3].
Для сопоставления с данными радиолокационных наблюдений облаков в модели рассчитывается радиолокационная отражаемость модельного облака на длинах волн 3,2 и 10 см.
Размеры пространственной области при расчетах задавались 40-80 км по горизонтали и 16-18 км - по вертикали. Шаг сетки по координатам X, У составлял 500-1000 м, по Ъ - 250-500 м. Облако инициировалось заданием импульса у поверхности земли с перегревом ДТ=1,5 °С. Форма импульса - объемный цилиндр радиусом в горизонтальной плоскости Я = 2,5 км, по вертикали - Н = 2,0 км.
Для анализа результатов расчетов авторами разработано программное обеспечение трехмерной визуализации данных моделирования, адаптированное для изучения строения облаков.
Остановимся на результатах исследований формирования термогидродинамических, микроструктурных и электрических параметров конвективных облаков при неустойчивом состоянии атмосферы, в частности, были использованы данные аэрологического зондирования по а/п Минеральные Воды за 07.06.2012. В радиусе репрезентативности зонда в этот день наблюдались ливни, грозы, град. Имеется архив данных метеорологических радиолокационных наблюдений с радиолокаторов МРЛ-5, расположенных в районе г. Нальчик, КБР.
На рис. 1 приведены область сосредоточения капельной фракции (1) и область формирования крупных ледяных частиц (2) на 30-й мин развития облака. Также изображена изоповерхность радиолокационной отражаемости 10 ЖЪ (полупрозрачная область). Высота облака - 11 км, максимальная отражаемость -62 Для текущего распределения воздушных потоков в облаке изображены линии тока. На рисунке приведена вспомогательная сетка 2x2 км в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Для текущего распределения воздушных потоков в облаке изображены линии тока, которые показывают, что подпитка облака происходит с различных направлений и высотных уровней.
По результатам расчетов ледяная фаза в облаке образуется за счет замерзания капель, дальнейший рост крупных ледяных частиц, крупы и градин происходит за счет аккреции (столкновения капель с кристаллами).
Рис. 1. Область сосредоточения капельной фракции (1) и область формирования крупных ледяных частиц (2), полупрозрачной приведена изоповерхность отражаемости 10 (!В7 на 30-й мин развития облака
При расчете электрических параметров облака принято условие, что формирование и накопление электрических зарядов в облаке происходит в результате замерзания капель и процесса аккреции (взаимодействия капель и кристаллов). Вследствие разности скоростей падения в воздухе микроосколков, заряжающихся преимущественно положительно, и более крупных частиц, крупы и града, заряжающихся преимущественно отрицательно, происходит пространственное разделение зарядов: в предвершинной части облака преобладает положительный объемный заряд, ниже - отрицательный. Положительный заряд в единице объема на 30 -й мин достигает значений 2,710-9, отрицательный - 1,410-9 Кл/м3. По результатам моделирования были исследованы, помимо других параметров, пространственное распределение суммарного объемного заряда и напряженность электростатического поля в облаке в различные моменты времени.
На 30-й мин развития облака потенциал электрического поля составлял порядка 1,8109 В. Компоненты напряженности поля имеют значения Ех, Бу и 1 600 В/см, а Еъ и 2 300 В/см.
Рассчитанные в каждый момент времени в узлах пространственной сетки значения напряженности электростатического поля учитывались при расчете коэффициентов коагуляции капель и кристаллов.
Примерно к 40-й мин облако достигает максимальной стадии развития и уже дает жидкие и твердые осадки. На рис. 2 представлены вертикальные и
горизонтальные потоки в зоне облака в момент времени 1 = 40 мин. Максимальное значение w = 30 м/с отмечается на уровне ъ = 6000 м, нисходящие потоки составляют -3,2 м/с изолинии вертикальной составляющей скорости воздушных потоков (имеют место восходящие и нисходящие потоки); изолинии интенсивности осадков у поверхности земли в горизонтальной плоскости со значениями от 0,1 (внешний контур) до 120 мм/ч (в центре). Ячейки горизонтальной сетки на рисунке имеют размер 2x2 км. Восходящий поток имеет небольшой наклон по направлению горизонтального потока воздуха. Максимальное значение интенсивности осадков в момент 40-й мин составляет 99 мм/ч.
С течением времени заряд в облаке и, соответственно, потенциал поля увеличиваются. Максимальные значения потенциала электрического поля, полученные в расчетах, имели значения более 2 000 МВ. Максимум потенциала наблюдается в верхней фронтальной части облака (в районе «наковальни»). Область максимума потенциала находится на 5 - 10 км впереди зоны осадков. Напряженность электростатического поля на 40-й мин составляет 2 000 - 3 000 В/см.
Проведены численные эксперименты с учетом электрической коагуляции облачных частиц и без её учета. Сравнение времени образования осадков в этих двух случаях показало, что за счет электрической коагуляции время роста частиц осадков в мощном конвективном облаке существенно сокращается (приблизительно на 20 -30 %).
Рис. 2. Строение мощного конвективного облака в момент времени 1 = 40 мин: потоки воздуха в вертикальной плоскости, пересекающей облако (векторное поле); изоповерхность мощного восходящего потока = 15 м/с (трехмерная поверхность
в центре рисунка)
Получаемые в результате расчетов характеристики облаков и их радиолокационная структура хорошо согласуются с данными полевых наблюдений, проводимых непрерывно в теплый период года в СевероКавказском регионе. На рис. 3 приведены 2 случая наблюдения грозоградовых облаков по данным, предос-
тавленным Северо-Кавказской военизированной службой Росгидромета (г. Нальчик). На рисунках 3а и б показаны два случая распределения радиолокационной отражаемости в вертикальном сечении облаков (картинки слева) и распределения максимальной отражаемости (2тах) в горизонтальном сечении (картинки справа).
Рис. 3. Радиолокационная структура грозоградовых облаков в стадии максимального развития по данным наблюдений метеорологическим радиолокатором МРЛ-5 в Северо-Кавказской военизированной службе Росгидромета (г. Нальчик)
Результаты моделирования на основе трехмерной модели с детальным учетом гидротермодинамических, микрофизических и электрических процессов показывают, что процессы в конвективных облаках оказывают взаимное влияние друг на друга, т.е. имеет место взаимодействие различных физических процессов. Взаимодействие процессов, важной особенностью которого является нелинейность, носит весьма сложный характер и играет важную роль в формировании микроструктурных параметров облаков. В частности, динамические процессы оказывают значительное влияние на формирование полей термодинамических параметров в облаке, которые в свою очередь определяют ход микрофизических процессов и характер роста частиц осадков.
Необходимость изучения взаимодействия процессов в конвективных облаках связана с их важной ролью в процессе облако- и осадкообразования.
Следует подчеркнуть, что единственным инструментом изучения облачных процессов с учетом их взаимодействия является математическое моделирование. Другими методами изучить эти процессы не представляется возможным.
Из вышеизложенного можно отметить основные результаты работы.
1. Определены термогидродинамические и микроструктурные параметры в зоне конвективного облака
в различные моменты времени, исследован характер циркуляции воздуха.
2. Исследовано формирование положительного и отрицательного объемных электрических зарядов, рассчитаны характеристики электростатического поля на разных стадиях развития.
3. Учтены процессы электрической коагуляции при формировании микроструктуры мощных конвективных облаков.
4. Результаты численных экспериментов подтверждают, что динамические процессы существенно влияют на формирование полей термодинамических параметров в облаке, которые также определяют ход микрофизических процессов и характер роста частиц осадков.
Литература
1. Ашабоков Б.А., Шаповалов А.В. Конвективные облака:
численные модели и результаты моделирования в естественных условиях и при активном воздействии. Нальчик, 2008. 254 с.
2. Коган Е.Л., Мазин И.П., Сергеев Б.Н., Хворостьянов В.И.
Численное моделирование облаков. М., 1984. 186 с.
3. Куповых Г.В., Ашабоков Б.А., Бейтуганов М.Н., Шапо-
валов А.В., Продан К.А., Шаповалов В.А. Численное моделирование электрических характеристик конвективных облаков // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ес-теств. науки. 2012. № 6. С. 65-68.
Поступила в редакцию_28 мая 2014 г.
