CC BY
2
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
Научная статья УДК 551.515
doi: 10.18522/1026-2237-2023-4-103-109
ГРАДОВЫЕ ПРОЦЕССЫ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА
Кайсын Борисович Лиев1, Станислав Александрович Кущев2в
1,2Высокогорный геофизический институт, Нальчик, Кабардино-Балкарская Республика, Россия
'buffy-li@mail.ru
2stasuk6@mail.ruя
Аннотация. Дана классификация кучево-дождевой облачности: одноячейковые, многоячейковые и суперъячейковые, определяемые по радиоэху облака. Описывается структура каждого типа облака и факторы, влияющие на их формирование и развитие. Подчеркивается, что мощность конвективного движения и ячейковое строение облаков зависят от таких факторов, как термодинамическое состояние атмосферы, структура ветра на различных высотах, рельеф и другие условия, характерные для данного региона. Анализируется повторяемость различных типов процессов в условиях Северного Кавказа, изменчивость от года к году в зависимости от состояния атмосферы. Проведена статистическая обработка радиолокационных параметров базы данных градовых облаков за период 2003-2022 гг. на территории Кабардино-Балкарской Республики. Получено распределение повторяемости времени жизни градовых ячеек, радиолокационной отражаемости и высоты верхней границы. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем в оперативной работе по засеву градовых облаков, при разработке методов сверхсрочного прогноза градовой активности, а также при сопоставительном анализе результатов численного моделирования градовых облаков с данными экспериментальных исследований.
Ключевые слова: град, кучево-дождевые облака, одноячейковые облака, многоячейковые облака, суперъячейковые облака, радиолокационная отражаемость, время жизни облака, верхняя граница облака
Для цитирования: Лиев К.Б., Кущев С.А. Градовые процессы различных типов в центральной части Северного Кавказа // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2023. № 4. С. 103-109.
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0). Original article
HAIL PROCESSES OF VARIOUS TYPES IN THE CENTRAL PART OF THE NORTH CAUCASUS
Kaisyn B. Liev1, Stanislav A. Kushchev2B
12 High-Mountain Geophysical Institute, Nalchik, Kabardino-Balkarian Republic, Russia
'buffy-li@mail.ru
2stasuk6@mail.ru^
Abstract. This article describes the classification of cumulonimbus clouds, including single-cell, multi-cell, and supercell types, determined by radar echo. The structure of each type of cloud and the factors that influence their formation and development are also discussed. It is emphasized that the strength of convective motion and the cell structure of clouds depend on factors such as the thermodynamic state of the atmosphere, wind structure at different altitudes, terrain, and other conditions specific to the region. The article also discusses the repeatability of different types of processes in the conditions of the North Caucasus, and their variability from year to year depending on the state of the atmosphere. Statistical processing of radar parameters of hail clouds in
© Лиев К.Б., Кущев С.А., 2023
the Kabardino-Balkarian Republic was also conducted for the period from 2003-2022. The distribution of the repeatability of the lifetime of hail cells, radar reflectivity, and upper boundary height was obtained. The results can be used in operational work on hail cloud seeding, the development of methods for long-term forecasting of hail activity, and in comparative analysis of the results of numerical modeling of hail clouds with data from experimental research.
Keywords: hail, cumulonimbus clouds, single-cell clouds, multicell clouds, supercell clouds, radar reflectivity, cloud lifetime, cloud top height
For citation: Liev K.B., Kushchev S.A. Hail Processes of Various Types in the Central Part of the North Caucasus. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2023;(4):103-109. (In Russ.).
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY 4.0).
Введение
В настоящее время широко используется классификация кучево-дождевых облаков по их радиолокационной структуре и динамике развития [1-3].
Согласно принятой ВМО классификации, выделяют три типа кучево-дождевой облачности: одноячейковые, многоячейковые и суперъячейковые. При такой классификации ячейкой считается определенная часть радиоэха облака, которая характеризуется локальным максимумом радиолокационной отражаемости. Радиоэхо одноячейкового конвективного облака имеет один локальный максимум радиолокационной отражаемости. В многоячейковых облаках одновременно может присутствовать несколько ячеек (от двух до пяти-шести) на расстоянии 2-8 км друг от друга. Они визуально объединены в одно радиоэхо, но при его детализации в нем четко различается ячейковая структура. Суперъячейковое облако состоит из одной ячейки с большим значением поперечных и вертикальных размеров и присутствием одновременно как восходящих, так и нисходящих воздушных течений.
Материалы и методы исследований
Целью данной работы является исследование градовых процессов в центральной части Северного Кавказа, выявление их повторяемости и времени жизни, а также некоторых радиолокационных характеристик. Различную радиолокационную структуру и динамику развития кучево-дождевых облаков обусловливает синоптическая ситуация, термодинамическое состояние атмосферы, направление и структура ветра на различных высотах и другие условия, при которых зарождаются и развиваются эти облака.
Стратификация температуры и влажности, а также значение энергии конвективной неустойчивости атмосферы влияют на мощность конвективного движения, а ячейковое строение облаков и особенности динамики их развития зависят в основном от структуры ветра, рельефа, характерного микроклимата данного региона и других факторов.
В основу классификации грозоградовых процессов положены особенности и отличительные признаки [4]:
- структура градовой облачности;
- строение (осесимметричные, несимметричные) конвективных ячеек;
- динамика развития облачной системы в целом;
- динамика развития и продолжительности существования конвективных ячеек;
- закономерности зарождения новых и диссипации старых конвективных ячеек в пространстве и времени;
- закономерности распространения процесса облакообразования в пространстве (дискретно, дискретно-непрерывно, непрерывно);
- направление и скорость перемещения конвективных ячеек относительно ведущего потока и перемещения облачной системы в целом;
- термодинамические и аэросиноптические условия развития.
Характерные особенности различных типов грозоградовых процессов наиболее отчетливо проявляются на стадии их максимального развития.
Повторяемость различных типов процессов в условиях Северного Кавказа значительно изменяется от года к году в зависимости от состояния атмосферы. Интенсивные ливневые осадки и град в течение всего периода жизни одноячейкового облака, выпадая над одной и той же площадью, обусловливали многочисленные случаи схода селей в горных районах, затопления полей в равнинных районах.
Состояние атмосферы в дни с мощными градовыми процессами различных типов всегда характеризуется повышенной конвективной неустойчивостью и влагосодержанием и существенно отличается лишь пространственной структурой. Градовые процессы различных типов разнесены в пространстве или во времени таким образом, что одновременно в радиусе 50-100 км не наблюдается двух типов градовых процессов, так как поле ветра в атмосфере не может иметь одновременно две существенно разные структуры. Однако наблюдаются случаи трансформации одного типа в другой. Повторяемость одноячейковых, упорядоченных многоячейковых и суперъячейковых процессов в среднем за 5 лет составила 20, 30 и 10 % соответственно. Остальные 40 % случаев отнесены к неупорядоченным, слабо организованным и промежуточным типам градовых процессов.
Отличительные признаки многоячейковых градовых облаков, по данным работы [4], приведены в таблице.
Некоторые параметры многоячейковых градовых облаков (эмпирическая модель) / Some parameters of multicellular hail clouds (empirical model)
Параметр Характеристика
Ячейковая структура облачности Несколько взаимодействующих ячеек, граничащих друг с другом
Строение конвективных ячеек Несимметричные
Динамика развития облачной системы Периодическое обновление процесса за счет зарождения новых и отмирания старых конвективных ячеек
Закономерности зарождения и отмирания ячеек Периодическое (через 10-20 мин) зарождение на правом фланге новых и отмирающие на левом фланге старых ячеек
Динамика развития конвективных ячеек Развитие - 10-20 мин, квазистационарное состояние - 10-30 мин и диссипация - 10-20 мин
Направление перемещения Вправо от ведущего потока на 5-40°
Скорость перемещения V, км/ч 10-70
Максимальная высота радиоэха Нв, км 10-14 км
Максимальная радиолокационная отражаемость на X = 10 см ц, см-1 101^ 5 10-9- 5 10-7 45-65
Максимальный размер в спектре выпадающего града ймх, см 2-5
Площадь выпадения града S, км2 5-400
Относительная влажность воздуха в слое 1,5-5 км, % 35-90
Повторяемость, % 30
Полученные результаты и их обсуждение
В рамках научных тематик в ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» ведутся работы по анализу и внесению в базу данных параметров всех градовых облаков в пределах видимости метеорологического радиолокатора МРЛ-5 (радиус 130 км), находящегося на научно-исследовательском полигоне «Кызбурун» [5]. Был собран и внесён в базу данных материал по градовым облакам с 2003 по 2022 г. На данный момент она содержит 945 градовых очагов различных типов. На основе обширного материала было решено выделить из общего числа конвективных ячеек типы градовых процессов. Если провести статистическую обработку радиолокационных параметров градовых ячеек всех типов, то можно получить распределение повторяемости времени их жизни (рис. 1). Из рис. 1 видно, что время жизни градовых ячеек варьирует в широких пределах.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
600 500 400 300 200 100
513
201
177
52
До 1 ч
С 1 до 2 ч
С 2 до 3 ч С 3 до 4 ч
С 4 до 5 ч
Рис. 1. Время жизни градовых облаков в центральной части Северного Кавказа / Fig. 1. Lifetime of hail clouds in the Central part of the North Caucasus
Среднее значение времени жизни для рассмотренных градовых ячеек составило 113 мин при стандартном отклонении 40 мин. Время жизни основной массы градовых ячеек (более 80 %) лежит в пределах 1-3 ч (рис. 1). Полученный результат характерен для всех градовых ячеек независимо от региона наблюдений и типа облаков [6].
По данным отечественных и зарубежных научных источников, время жизни градовой ячейки определяется типом процессов. Ячейки в одноячейковых процессах короткоживущие. Время их жизни не превышает 30-50 мин. Ячейки в неупорядоченных многоячейковых градовых процессах живут дольше. Время жизни таких ячеек составляет 0,5-1,5 ч. Подробнее о одноячейковых градовых процессах в центральной части Северного Кавказа описывается в работах [7, 8]. Время жизни ячеек в многоячейковых упорядоченных и суперъячейковых градовых процессах составляет 3-5 и более часов [9]. На рис. 2 представлена повторяемость времени жизни градовых ячеек в многоячейковых градовых облаках.
Рис. 2. Повторяемость времени жизни градовых ячеек в многоячейковых градовых облаках, % / Fig. 2. Repeatability of the lifetime of hail cells in multicellular hail clouds, %
Для многоячейковых градовых облаков среднее значение времени жизни ячеек составляет 104,8 мин при стандартном отклонении 35,1 мин. Большинство градовых процессов в центральной части Северного Кавказа - многоячейковые градовые процессы.
Также одним из основных радиолокационных параметров градового облака является его отражаемость. Все привыкли измерять радиолокационную отражаемость Ъ в dBZ, что означает децибел относительно Ъ [10]. При помощи автоматизированных радиолокаторов имеется возможность проведения микрофизических исследований града. При этом за счет измерений отражаемости осадков в плоскости горизонтальных и вертикальных сечений можно получать поля микрофизических параметров града и их изменчивость во времени и пространстве.
Далее приводятся данные распределений радиолокационных отражаемостей на длине волны Ъю. На рис. 3 представлена диаграмма повторяемости радиолокационной отражаемости на длине волны ^=10 см. Эти данные получены в период максимального развития градовых ячеек.
400 350 300 250 200 150 100 50 0
357
lbb
110
□ 12
С 45 до 50 С 50 до 55 С 5 до 60 С 60 до 65 С 65 до 70 Свыше 70 Максимальная отражаемость, dBZ
Рис. 3. Повторяемость отражаемости градовых ячеек / Fig. 3. Repeatability of reflectivity of hail cells
Отражаемость Zio изменяется в пределах 45-72 dBZ со средним значением 61,7, стандартное отклонение о = 5,03. Подавляющее большинство ячеек имеет отражаемость от 50 до 65 dBZ (рис. 3), а из таблицы видно, что максимальная радиолокационная отражаемость для многоячейкового градового облака варьирует от 510-9 510-7, что соответствует приблизительно от 50 до 60 dBZ.
На рис. 4 приводится диаграмма повторяемости высот верхней границы радиоэха для градовых облаков всех типов. Сюда входят одноячейковые, многоячейковые и суперъячейковые градовые облака.
Высота верхней границы, км
120 100 80 60 40 20 0
(Ъ О
с? Ф S* ❖ О ❖ $ $
^ ^ $ ^ £ S ^ J
V V О О
V V о о
д1 ,,
V \ о с
Рис. 4. Повторяемость высоты верхней границы градовых ячеек / Fig. 4. Repeatability of the height of the upper boundary of the hail cells
В 90 % случаев верхняя граница градовых ячеек в период их максимального развития расположена на высоте 8-13,5 км [11], а ячейки с высотой верхней границы больше 10 км составляют 75 %. Среднее значение высоты верхней границы для рассмотренных градовых ячеек составило 11,0 км при стандартном отклонении 1,7. В 80 % случаев верхняя граница градовых ячеек в период их максимального развития расположена на высоте 12-17 км, минимальная высота верхней границы градовой ячейки составила 5,3 км, максимальная - 19,2 км.
Выводы
Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем в оперативной работе по засеву градовых облаков, при разработке методов сверхсрочного прогноза градовой активности, а также при сопоставительном анализе результатов численного моделирования градовых облаков с данными экспериментальных исследований. Для специалистов в области численного моделирования особую ценность представляют данные по распределению времени, времени жизни и времени достижения ячейками градового состояния (продолжительности стадии развития). Известно, что именно эти параметры определяют степень реальности воспроизведения в модели коагуляционных процессов, определяющих основные режимы роста града в облаке и формирование конечных спектров выпадающего града.
Список источников
1. Browning K.A., Fankhauser J.C., Chalon J.-P., Eccles P.J., Strauch R.G., Merrem F.H., Musil D.J., May E.L., Sand W.R. Structure of an evolving hailstorm: Synthesis and implications for hail growth and hail suppression // Monthly Weather Review. 1976. Vol. 104 (5). P. 603-610.
2. Chisholm A.J., Renick J.H. Supercell and Multicell Alberta Hailstorms // Proc. Inter. Cloud Physics Conf. London, 1972. Р. 67-68.
3. Marwitz J.D. The structure and motion of severe hailstorm. Part I: Multicell Storms. 1972. P. 180-189. Part III: Severely Sheared Storms. Р. 189-201.
4. Абшаев М.Т. Структура и динамика развития грозоградовых процессов Северного Кавказа // Тр. ВГИ. 1984. Вып. 53. С. 6-22.
5. Свидетельство № 2017620749. Радиолокационные характеристики градовых облаков. 2017.
6. Инюхин В.С., Кущев С.А., Лиев К.Б., Макитов В.С. Радиолокационные исследования распределения зон формирования первого радиоэха градовых облаков // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52, № 6. С. 691-698.
7. Алита С.Л., Аппаева Ж.Ю. О пространственной эволюции области градообразования в одноячей-ковых градовых облаках // Тр. Гл. геофиз. обсерватории им. А.И. Воейкова. 2021. № 601. С. 116-124.
8. Аппаева Ж.Ю. Статистическая оценка времени градообразования одноячейковых градовых облаков // Современные проблемы геологии, геофизики и геологии Северного Кавказа : материалы XI Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. М.: Ин-т истории естествознания и техники, 2022. С. 237-240.
9. Макитов В.С., Инюхин В.С., Лиев К.Б., Кущев С.А. Радиолокационные исследования интенсивных градовых процессов в центральной части Северного Кавказа // Докл. Всерос. открытой конф. по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы. Нальчик, 2021. С. 226-232.
10. Абшаев А. М., Абшаев М.Т., Барекова М.В., Малкарова А.М. Руководство по организации и проведению противоградовых работ. Нальчик: Печатный двор, 2014. С. 508.
11. Кущев С.А., Лиев К.Б. Исследование характеристик градовых очагов на территории КБР // Шаг в науку - 2022 : сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф. школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых. Нальчик, 2022. С. 144-146.
References
1. Browning K.A., Fankhauser J.C., Chalon J.-P., Eccles P.J., Strauch R.G., Merrem F.H., Musil D.J., May E.L., Sand W.R. Structure of an evolving hailstorm: Synthesis and implications for hail growth and hail suppression. Monthly Weather Review. 1976;104(5):603-610.
2. Chisholm A.J., Renick J.H. Supercell and Multicell Alberta Hailstorms. Proc. Inter. Cloud Physics Conf. London, 1972:67-68.
3. Marwitz J.D. The structure and motion of severe hailstorm. Part 1: Multicell Storms. 1972:180-189. Part III: Severely Sheared Storms. 1972:189-201.
4. Abshaev M.T. Structure and dynamics of development of thunderstorm processes in the North Caucasus. Trudy VGI = Proceedings of the High-Mountain Geophysical Institute. 1984;(53):6-22. (In Russ.).
5. Certificate No. 2017620749. Radar characteristics of hail clouds. 2017. (In Russ.).
6. Iniukhin V.S., Kushchev S.A., Liev K.B., Makitov V.S. Radar studies of the distribution of zones of formation of the first radio echo of hail clouds. Izv. RAN. Fizika atmosfery i okeana = Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2016;52(6):691-698. (In Russ.).
7. Alita S.L., Appaeva Zh.Yu. On the spatial evolution of the area of hail formation in single-cell hail clouds. Tr. Gl. geofiz. observatorii im. A.I. Voeykova = Proceedings of the Voeykov Main Geophysical Observatory. 2021;(601):116-124. (In Russ.).
8. Appaeva Zh.Yu. Statistical estimation of the time of hail formation of single-cell hail clouds. Modern problems of geology, geophysics and geology of the North Caucasus : materials of the XI All-Russian Scientific-Technical Conference with the international participation. Moscow: Institute of the History of Natural Science and Technology Press; 2022:237-240. (In Russ.).
9. Makitov V.S., Iniukhin V.S., Liev K.B., Kushchev S.A. Radar studies of intensive hail processes in the central part of the North Caucasus. Reports of the All-Russian Open Conference on Cloud Physics and active impacts on hydrometeorologicalprocesses. Nalchik, 2021:226-232. (In Russ.).
10. Abshaev A.M., Abshaev M.T., Barekova M.V., Malkarova A.M. Guidelines for the organization and conduct of anti-hail works. Nalchik: Pechatnyy dvor Publ.; 2014. 508 p. (In Russ.).
11. Kushchev S.A., Liev K.B. Investigation of the characteristics of hail foci on the territory of the CBD. Step into science - 2022 : collection of materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference of schoolchildren, students, postgraduates and young scientists. Nalchik, 2022:144-146. (In Russ.).
Информация об авторах
К.Б. Лиев - кандидат физико-математических наук, и.о. заведующего отделом активных воздействий. С.А. Кущев - младший научный сотрудник, отдел активных воздействий.
Information about the authors
K.B. Liev - Candidate of of Science (Physics and Matematics), Acting Head of the Department of Active Influences. S.A. Kushchev - Junior Researcher, Department of Active Influences.
Статья поступила в редакцию 20.04.2023; одобрена после рецензирования 10.07.2023; принята к публикации 30.10.2023. The article was submitted 20.04.2023; approved after reviewing 10.07.2023; accepted for publication 30.10.2023.
