CC BY
150
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 1
УДК 551.508.8:551.571.7:551.576 Н.А. Калинин, А.А. Смирнова
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВОДНОСТИ И ВОДОЗАПАСА КУЧЕВО-ДОЖДЕВОЙ ОБЛАЧНОСТИ
Проведено исследование водности и водозапаса конвективной облачности без осадков, а также c ливнями, грозами и градом. Значения водности и водозапаса были получены расчетным путем на основе радиолокационных характеристик кучево-дождевой облачности, а также с помощью ряда эмпирических зависимостей. Исследование показало, что для расчета микрофизических характеристик облака использование информации метеорологического радиолокатора позволяет дополнять и уточнять данные наземных метеорологических и аэрологических наблюдений.
Ключевые слова: конвективная облачность, явления, водность, водозапас, метеорологический радиолокатор.
Введение
При оценке количества осадков, которые могут выпасть из облака, необходимо знать влагосодержание вертикального столба атмосферы единичного сечения, располагающегося над пунктом наблюдения. На практике расчет величины водозапаса осуществляется по значениям расчетной водности облака, проинтегрированной по всей его вертикальной протяженности. Полученное значение водозапаса уточняется введением поправок на конденсационный, коагуляционный и гравитационный рост облачных частиц, а также поправок на уменьшение влаги за счет испарения. Исходными данными в расчетах служат значения точки росы у поверхности земли, дефицита влаги в вышележащих слоях, распределения температуры и характеристик влажности (давления насыщения, парциального давления) в атмосфере. Расчет производится по уравнениям переноса тепла и влаги и уравнению неразрывности. Далее по величине критической водности в облаке определяется количество влаги, которое выпадет из облака в виде осадков [1; 15]. Так как исходной информацией для расчетов служат данные наблюдений на наземных метеорологических и аэрологических станциях, то локальные очаги влаги, связанные с конвективными явлениями мезомасштаба, расположенные между пунктами наблюдений, оказываются исключенными из схемы расчетов. Между тем такие очаги являются источником интенсивных (иногда катастрофических) ливневых осадков. В связи с этим для повышения качества восстановления полей конвективных осадков нами предлагается использовать данные радиолокационного зондирования атмосферы, полученные с помощью метеорологического радиолокатора (МРЛ). В результате радиолокационного зондирования атмосферы пользователь получает информацию об отражаемости и высоте радиоэха облачности и зон осадков. Радиолокационная отражаемость Z, являясь микрофизической интегральной характеристикой облака,
60 Н.А. Калинин, А.А. Смирнова
2008. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
зависит лишь от размера рассеивающих излучение облачных частиц D в единице радиолокационного объема Уэ и не зависит от технических параметров МРЛ. Зная максимальную отражаемость в километровом слое облака и его высоту, можно осуществить переход от значений радиолокационной отражаемости в облачности и осадках к их водности Q. Работы подобного рода проводились в России [10]. В них целью исследования ставилось получение трехмерного поля влаги в атмосфере и согласование его с полями облачности и осадков для задач локального прогноза погоды. За рубежом микрофизические характеристики облачности, полученные с помощью информации МРЛ, используются при проведении различных натурных экспериментов и исследований в сравнении с информацией микроволновых радиометров и самолетов-лабораторий [16-18].
Методика расчетов
Абсолютной водностью облаков (или просто водностью) называют массу капель воды и кристаллов льда, содержащихся в единичном объеме воздуха (чаще всего в 1 м3) [7]:
Q = 4 pp w Z rf, 3 i
где pw - плотность частиц осадков, ri - радиус i-й частицы. Здесь суммирование производится по всем частицам единицы объема облака.
Если распределение капель по размерам f (r) в облаке известно, то
4 г 3 4 3
Q = -PpwN{r3 f (r)dr = -ppwNr3 . (1)
3 0 3
Здесь N - параметр спектра размеров капель [8; 9]. При этом Z = Nr33.
Чтобы перейти от радиолокационной отражаемости к водности облаков, необходимо выразить зависимость отражаемости от размера частиц [3; 5; 12]:
N D6 ¥
Z = Z "V" = j D6 N (D)dD, (2)
i=1 Vэ 0
где N(D)dD - число рассеивающих частиц в интервале диаметров dD в единице радиолокационного объема (для снега под величиной D подразумевается диаметр сферической капли воды, имеющей ту же массу, что и снежинка). Распределение частиц по размерам может быть задано экспоненциальным законом Маршалла-Пальмера, которое применимо для широкого диапазона интенсивности дождей и осадков в виде снега:
N(D) = N0e-AD , (3)
где L - параметр распределения облачных элементов по размерам (м-1), N0 = 3,8-106 м- для ледяных кристаллов (Т < -22°С), N0 = 8,0-106 м- для капель (Т > -22°С) [2], N0 = 12,0-106 м-4 для градин.
С учетом соотношений (2) и (3) уравнение (1) примет вид
Методика расчёта водности и водозапаса... 61
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 1
0 = - жр№ | Б6 Ы0 е ^сЮ. (4)
3 о
Подынтегральная функция представляет собой гамма-распределение, поэтому уравнение (4) перепишем в виде:
0 = 3КР*Ыо Г71- (5)
Согласно исследованию Ж.Д. Алибеговой [2], Л определяется так:
1
(N \ 4
. (6)
Л =
С учетом выражений (2)-(5)
PPwN0.
0
б
Л
Тогда
Z = (7)
Z
Подставим (8) в (6) и выразим Q:
Л = даГ]' (8)
3 4
Q = 2,33 -10-2 pp WN7 Z (9)
Здесь 2 измеряется в ммб/м3. Так как облако содержит воду в жидком и твердом состоянии, то плотность частиц осадков (рк) будет приниматься
равной 105 г/м3 для кристаллов льда, 0,8-106 г/м3 для градин и 106 г/м3 для капель дождя. Для перехода значений радиолокационной отражаемости к дБ2 (2') необходимо воспользоваться переводной формулой [3; 5]:
Z
2 ' = 10™.
Для того чтобы получить значение количества воды во всем слое облака, необходимо проинтегрировать (9) по всей вертикальной протяженности облака [7]:
Н его
0 * = 10(И)ёИ. (10)
Н нго
Шаг интегрирования по вертикали - 1 км. Интегрирование производится по всем уровням, где есть радиолокационная отражаемость. Н его - уровень, на котором выполняется условие 2 = 0. Зная, что выше изотермы -22°С облака в основном кристаллические, необходимо производить отдельное интегрирование капельной и кристаллической частей облака с последующим их суммированием.
Характеристика исходных данных
Информация об облачности и явлениях погоды, обнаруженная МРЛ в результате проведения радиолокационного обзора, обрабатывается автоматизированным метеорологическим радиолокационным комплексом (АМРК) «Метеоячейка» и записывается в архивный файл прямого доступа. В этом файле в двоичном коде содержится следующая информация: паспорт обзора (дата и срок наблюдения, технические параметры МРЛ, фамилия оператора, состояние атмосферы в данный срок наблюдения) и информация радиолокационных наблюдений за облачностью и явлениями погоды в виде матрицы наблюдений. Матрица наблюдений представляет собой первичные радиолокационные данные в радиусе обзора МРЛ (200 км), где в каждой записи содержится целое число строк. В каждой строке в побайтовой форме находится информация, относящаяся к одному элементу разрешения АМРК «Метеоячейка» (4x4 км): прямоугольные координаты, максимальная высота радиоэха, код обнаруженного явления, отражаемость по одиннадцати километровым слоям [4].
Метеорологический радиолокатор, данные измерений которого использовались при проведении настоящего исследования, работает в автоматическом режиме, передавая информацию через 1 ч, при наличии грозо- и градоопасных ячеек в радиусе 100 км от МРЛ информация обновляется каждые 30 мин.
Синоптические данные представлены наблюдениями на метеорологических станциях территории исследования в основные синоптические сроки (0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 ч МСВ) в виде электронных файлов и журналов наблюдений, а также информацией, поступающей с метеостанций в режиме «Шторм». Данные о состоянии атмосферы приводятся по результатам зондирования аэрологической станции Пермь-Бахаревка за срок 0 ч МСВ.
Для обработки, анализа и представления информации использовались следующие программные продукты: пакеты графических программ Surfer, Grapher (Golden Software, Inc.), табличный редактор Microsoft Excel, редактор баз данных Microsoft Access (Microsoft Corporation), программы расчета, написанные на языке программирования Delphy [4; 6].
Погода по данным наблюдений
В статье приводятся результаты восстановления водозапаса грозо- и градоопасной кучево-дождевой облачности, отмечавшейся над территорией Пермского края 17 июля 2006 г. Исследование проводилось для района, ограниченного радиусом действия МРЛ (200 км), расположенного в г. Перми на АМСГ Большое Савино.
Погода на территории исследования определялась влиянием гребня арктического антициклона, в котором происходило уменьшение геопотенциальных высот и отмечалась адвекция тепла по потоку. У земли ему соответствовало малоградиентное поле повышенного давления. На расстоянии 300400 км к западу и северо-западу от территории исследования в зоне раздела воздушных масс умеренных и тропических широт проходила система поляр-
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 1
ного фронта. Таким образом, кучево-дождевая облачность, отмечавшаяся 17.07.2006 г., имела внутримассовое происхождение.
По данным температурно-ветрового зондирования в атмосфере наблюдалась значительная вертикальная термическая неустойчивость, подтверждаемая расчетными характеристиками. Суммарный дефицит точки росы в слое 850-500 гПа составил 26°С, средняя скорость горизонтального переноса в слое 1000-500 гПа - 3 м/с, максимальная скорость вертикального потока - 20 м/с, разность максимальной температуры между поверхностями 1000 и 500 гПа -41,8°С. Несмотря на большое значение дефицитов влаги и низкую относительную влажность воздуха в облакообразующем слое, запас энергии неустойчивости в пределах конвективно-неустойчивого слоя (свыше 3500 Дж/кг) обеспечил формирование и значительное развитие по вертикали кучево-дождевой облачности. Расчетные методы прогноза (Р.А. Ягудина, Института радарной метеорологии (ИРАМ), В.Д. Решетова, Б.Е. Пескова, Гидрометцентра СССР) показали возможность формирования гроз и града в радиусе 100 км от пункта зондирования при максимальной высоте развития облачности до 14 км.
По данным МРЛ конвективные процессы в атмосфере были зафиксированы в срок 7 ч МСВ (13 ч местного времени). По информации радиолокационного обзора в секторе 270-307° на удалении 29 и 84 км от МРЛ были отмечены очаги радиоэха конвективных облаков (РКО). В срок 8 ч были зафиксированы первые конвективные ячейки с грозой. В грозоопасных ячейках максимальное значение радиолокационной отражаемости составило 39 dBZ, максимальная высота радиоэха - 9 км (рис. 1, 2). К следующему сроку максимальное значение отражаемости достигло 50 dBZ при высоте радиоэха 9,3 км. В срок 9 ч МСВ в поле РКО отмечаются градоопасные очаги. Высота радиоэха конвективной ячейки с градом составила 12,75 км, максимальная отражаемость - 53 dBZ. Развитие конвективной облачности происходит до срока 14 ч МСВ. В этот период в радиусе действия МРЛ отмечается до 7 очагов РКО и радиоэха конвективных и слоистообразных облаков (РКСО) с высотой радиоэха конвективных ячеек с грозой и градом 14 км, максимальной отражаемостью на уровне изотермы -22°С - 57 dBZ. Зона облачности и осадков занимает сектор 220-025° в пределах видимости МРЛ. В срок 14 ч 30 мин отмечается ослабление конвективных процессов, зоны РКО и РКСО заметно сокращаются. С уменьшением влияния термического фактора неустойчивость в атмосфере ослабляется, вертикальные движения становятся менее интенсивными, высота радиоэха кучево-дождевой облачности понижается до 11 км, максимальная отражаемость составляет 49 dBZ. Грозовая деятельность по данным радиолокационных наблюдений оканчивается в срок 20 ч 30 мин МСВ, когда был зарегистрирован последний очаг РКО с грозами. Максимальная высота радиоэха в ячейке с грозой составила 8,5 км, максимальная отражаемость - 41 dBZ.
Таким образом, в течение всего исследуемого периода происходит внутримассовое развитие конвекции за счет термических причин, а также распространение конвекции с запада, что позволяет сделать вывод о том, что происходит вынос влажной неустойчивой воздушной массы из района барической депрессии, расположенной над центральной Россией.
08:00
/
*
#
10:00
Р
"I
12:00
& h
■щ
14:00
&
16:00
18:00
/ i V
08:30
щ
10:30
14:30
16:30
\ ,•••••" ••••, .,•• .,•••"' >4
09:00
11:00
fer
13:00
15:00
17:00
18:30
19:00
20:00
20:30
ill V
'1
09:30
11:30
13:30
15:30
\
17:30
19:30
Рис. 1. Распределение зон радиоэха облачности и осадков по данным радиолокационного зондирования в радиусе действия МРЛ (сроки радиолокационных наблюдений приведены к моменту запуска МРЛ для зондирования)
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 1
По информации метеорологических наблюдательных станций начало грозовой деятельности было зафиксировано в 10 ч МСВ на метеостанции Чермоз (штормовое сообщение). В течение суток гроза отмечалась на метеостанциях Чайковского, Оханска, Верещагино, Перми, Добрянки.
Рассмотрим изменение погодных условий на ряде метеостанций Пермского края при прохождении грозы. На метеостанции г. Чайковского грозы регистрировались в период с 13 до 18 ч МСВ, при этом отмечался хорошо выраженный суточный ход всех метеоэлементов. Так, в утренние часы происходил интенсивный рост температуры воздуха с достижением максимума в 12 ч МСВ. Прогрев приземного слоя воздуха при этом составил 12,6°С. Наибольшее значение дефицита точки росы (17,7°С) отмечалось в 12 ч МСВ, наименьшее (5,3°С) в 0 ч. Атмосферное давление, приведенное к уровню моря, в период 0-6 ч слабо повышалось, достигнув значения 1015,4 гПа. С 9 до 15 ч давление падало (в 15 ч МСВ величина барической тенденции составила 1,1 гПа/3 ч), затем произошло незначительное его повышение.
На метеостанции Верещагино конвективные облака отмечались в течение всех суток, начиная с 0 ч МСВ, за исключением 6 ч МСВ, когда были отмечены лишь облака перистообразных форм. Грозы с ливнями на станции зафиксированы в период с 12 до 18 ч, в 9 ч на станции выпадали ливневые осадки. Температура воздуха достигла максимума в 6 ч МСВ, однако при наличии 7-8-балльной облачности в околополуденные часы прогрев воздуха за счет суточного хода составил лишь 10,8°С. Дефицит точки росы в течение суток изменялся от 1,2°С в 21 ч МСВ до 9,8°С в 6 ч. Атмосферное давление в период 0 - 9 ч слабо изменялось. С началом грозовой деятельности ход давления стал неравномерен и составил в 12 ч - 1,0, в 15 ч —1,3, в 18 ч - 1,1, в 21 ч - -2,2 гПа/3 ч.
На метеостанции г. Перми гроза была зафиксирована в 15 ч МСВ, однако конвективная облачность отмечалась на станции в течение всех суток. Температура воздуха в результате суточного хода повысилась на 11,3°С и достигла максимума в 12 ч МСВ (31,4°С). Дефицит точки росы в ночные часы соответствовал ходу температуры воздуха (минимальное значение 2,5 и 2,7°С в 21 и 0 ч соответственно). В околополуденные часы ход значений дефицита по отношению к температуре был обратным (максимальное значение 14,5°С в 12 ч МСВ). Атмосферное давление в течение всех суток изменялось незначительно, барические тенденции были положительными в первую (0-6 ч) и отрицательными во вторую (9-21 ч) половину суток.
Обсуждение результатов
В соответствии с предложенной методикой на основании данных радиолокационного зондирования были рассчитаны значения водности и водо-запаса в конвективных ячейках без осадков, с ливнем, грозой и градом. Количество конвективных ячеек, участвующих в расчетах, составило 3289 случаев без осадков, 1206 - для ячеек с ливнем, 1088 - с грозой, 36 - с градом.
Согласно полученным данным (см. табл.), значения водности конвективных ячеек без осадков в течение всего исследуемого периода изменялись от 0,01 до 0,09 г/м3, составляя в среднем 0,03 г/м3.
Статистические характеристики значений водности конвективных ячеек с грозой и градом, г/м3
Вид явления в ячейке Среднее значение Медиана Минимальное значение Максимальное Значение Дисперсия
Без осадков 0,03 0,03 0,01 0,09 0,00
Ливень 0,07 0,06 0,01 0,36 0,00
Гроза 0,29 0,25 0,01 1,80 0,06
Град 1,72 1,59 0,02 4,76 1,29
Минимальные значения водности для всех рассматриваемых явлений одинаковы (0,01 г/м3), и лишь в ячейках с градом абсолютное минимальное значение составило 0,02 г/м3, тогда как максимальные значения существенно отличаются и в зависимости от интенсивности явления составляют 0,09-4,76 г/м3. Соответственно изменяются и средние значения для рассмотренных ячеек с явлениями.
В вертикальном профиле водности практически во все сроки измерений отмечается один максимум, коррелирующий с уровнями изотерм 0, -10 и -22°С. На высотах расположения этих изотерм происходит смена фазового строения облака с чисто капельного на чисто ледяное. Здесь происходит разделение электрических зарядов в облаке и формируются грозовые очаги. Конвективные ячейки с грозой характеризуются резким увеличением водности от нижней границы облака до высоты 4-6 км, где отмечаются максимальные значения Q, и таким же резким ее уменьшением в слое от 6 км до верхней границы облака. В сроки 13-14 ч такой максимум в ячейках с грозой отмечается в нижнем слое облака (от земной поверхности до высоты 6 км). В этот период вблизи МРЛ (сектор 210-300°, удаление 20-40 км) происходит развитие кучево-дождевой облачности: высота радиоэха достигает 12,5 км, максимальная отражаемость в слое 0-5 км - 57 dBZ, водность - 1,8 г/м3. Такой вид вертикального профиля распределения водности в ячейке с грозой вызван выпадением ливневых осадков из облака. Факт выпадения осадков не подтвержден информацией с метеорологических станций вследствие их отсутствия в указанном районе, однако об этом свидетельствует радиолокационная обстановка, а также регистрация грозы с ливневыми осадками на метеорологической станции Верещагино (азимут 283°, удаление 82 км) в сроки 12-18 ч МСВ.
Водность конвективной облачности без осадков изменялась в достаточно узких пределах как внутри конвективной ячейки, так и в течение суток (0,01-0,09 г/м3). Максимальные значения водности отмечаются вблизи изотермы 0°С в слое, где с началом замерзания облачных капель регистрируется уровень с повышенной радиолокационной отражаемостью [3; 5; 12]. Отметим
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 1
также, что водность в таких облаках была выше в сроки 8-9 ч, составив в среднем 0,05 г/м3, хотя общее количество ячеек с Cu в эти сроки составило лишь 118 (2 % всех случаев наблюдавшихся ячеек).
Конвективные ячейки со слабыми, умеренными и сильными ливневыми осадками по радиолокационной классификации отмечались за весь период наблюдений, а также в течение всех рассматриваемых суток, начиная с 7 ч МСВ. Вертикальный профиль водности в таких ячейках в общем случае также имеет один максимум в слое замерзания облачных капель, однако, можно выделить ряд сроков, в которые максимальные значения водности облака отмечались или вблизи нижней границы облака (соответствует уровню конденсации), или земной поверхности (например, в сроки 10 ч 30 мин —12 ч 30 мин и 8 ч 30 мин — 9 ч 30 мин соответственно).
В целом можно заметить, что водность изменялась от срока к сроку достаточно интенсивно в соответствии с суточным ходом высоты радиоэха конвективных ячеек и развитием конвективной облачности. По мере прогрева подстилающей поверхности происходило увеличение высоты радиоэха конвективных ячеек с явлениями (рис. 2), усиливались вертикальные движения, обострялась грозовая деятельность.
Н, м 13000 -|
12000 -
11000 -
10000 -
9000 -
8000 -
7000 -
6000 -
5000 -
// ^ i /' '
ч
V
\
-ХЛ /Г" <Л
• • • \ I \ '
\ / \/ • . 1 .\ •
' • \/ ; /
\
/
4000 ——|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Срок, ч
4
3
1
2
Рис. 2. Суточный ход высоты радиоэха конвективных ячеек с явлениями: без осадков (1), с ливнями (2), с грозой (3), с градом (4)
68 Н.А. Калинин, А.А. Смирнова
2008. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Интересен тот факт, что конвективные ячейки с ливнями практически на протяжении всего периода исследования имели меньшую высоту радиоэха, чем ячейки с конвективной облачностью без осадков. Поскольку известна зависимость высоты радиоэха конвективной ячейки от стадии развития кучево-дождевой облачности, то на рис. 2 можно отметить периоды развития и распада облака как чередование максимумов и минимумов на графике хода высоты радиоэха. Напомним, что поскольку рис. 2 передает средние характеристики отражаемости, то здесь показана лишь общая тенденция эволюции конвективной облачности. Время жизни отдельных конвективных ячеек внутримассового происхождения составляет в среднем 15 мин, поэтому при 30-минутном интервале проведения радиолокационного обзора невозможно отследить все этапы эволюции кучево-дождевого облака.
Водность градовых облаков существенно выше, чем конвективных облаков с линями и грозами. Это связано с наличием более мощного облачного слоя с интенсивными восходящими движениями, благодаря чему формируются облачные элементы в виде градин диаметром до 30 мм. Град явление локальное и кратковременное, его средняя продолжительность составляет 5 мин. В том случае, если град выпадает в районе, где нет метеостанции, информация о его выпадении в метеорологических сводках отсутствует. В период исследования по информации МРЛ отмечались конвективные ячейки с градом, который также прогнозировался на данный день методами В.Д. Ре-шетова и ИРАМ. Однако ни одна из метеостанций выпадение града не зафиксировала. Считая в этой ситуации данные МРЛ наиболее объективной информацией, мы произвели расчет значений водности в тех конвективных ячейках, где, согласно радиолокационным критериям распознавания, был зафиксирован град.
Вертикальный ход водности в градоопасных конвективных ячейках очень неравномерен. Значения водности изменяются от 0,02 в нижней части облака и вблизи его вершины до 4,76 г/м3 на высоте 5 км, составляя в среднем 1,72 г/м . В ячейке может отмечаться несколько слоев с повышенными значениями водности (сроки 10, 11 ч), которые хорошо согласуются с высотами расположения изотерм 0, -10, -22°С. Наибольшие значения водности во всем слое конвективной ячейки с градом (4,76 г/м3) отмечались в срок 13 ч 30 мин (среднее значение 2,22 г/м3), то есть в период наиболее интенсивного развития конвекции, когда увеличиваются горизонтальные и вертикальные размеры облака. Отражаемость в ядре конвективной ячейки составила в среднем 54 dBZ, высота радиоэха градоопасной облачности - 12,75 км. В остальные сроки с градоопасной кучево-дождевой облачностью максимальное значение водности составило 3,86 г/м . Для градоопасных конвективных ячеек, так же как и для грозоопасных, отмечается резкое увеличение значений водозапаса от нижней границы облака до уровня 4-7 км, а затем его уменьшение до вершины облака. Однако в отличие от ячеек с грозой здесь больше мощность слоя с максимальными значениями водности.
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 1
Полученные значения водности послужили основой для расчета значений водозапаса конвективной облачности с помощью уравнения (10). Согласно расчетным данным, среднее значение водозапаса для конвективных ячеек без осадков составило 0,23, с ливнями - 0,48, с грозами - 2,86 и с градом - 16,3 кг/м . При этом можно отметить, что суточный ход водозапаса в конвективных облаках без осадков равномерный, без резких изменений (рис. 3). В ходе водозапаса конвективных ячеек с ливнями отмечается несколько локальных максимумов и минимумов, само значение водозапаса изменяется в более широких пределах: 0,13-0,78 кг/м .
Рис. 3. Суточный ход осредненных значений водозапаса конвективных ячеек без осадков (1), с ливнями (2), грозой (3) и градом (4)
Ход водозапаса в грозо- и градоопасных кучево-дождевых облаках очень неравномерен, и в зависимости от стадии развития облака изменяется от 1,64 до 5,01 кг/м в ячейках с грозой и от 3,86 до 21,14 кг/м в ячейках с градом.
Заключение
В работе проведено исследование водности и водозапаса конвективной облачности без осадков, а также облачности, сопровождающейся ливнями, грозами и градом. Значения водности и водозапаса были получены расчет-
70 Н.А. Калинин, А.А. Смирнова
2008. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
ным путем на основе радиолокационных характеристик кучево-дождевой облачности, а также ряда эмпирических зависимостей. Исследование проводилось для суток, в которые отмечалась интенсивная грозовая деятельность, обусловленная внутримассовыми причинами. В общей сложности были исследованы 5619 конвективных ячеек за 26 сроков радиолокационных наблюдений. Процедура расчета водности и водозапаса была автоматизирована с помощью программного комплекса «Clouds liquid-water content» [6].
Значения водности и водозапаса кучево-дождевой облачности, восстановленные с использованием информации метеорологического радиолокатора, близки по значениям к характеристикам, получаемым традиционными методами, в том числе при самолетном зондировании [7; 13-15]. Рассчитанные значения могут содержать некоторую погрешность, связанную с особенностью производства радиолокационных наблюдений. Так, необходимо помнить о таких фактах, как наличие вблизи МРЛ зоны «местников», о возможности экранирования отраженного сигнала выпадающими осадками, об ослаблении радиолокационного сигнала с удалением от МРЛ.
Таким образом, использование информации МРЛ для расчета микрофизических характеристик облака, таких как водность и водозапас, позволяет дополнять и уточнять данные наземных метеорологических и аэрологических наблюдений.
Работа выполнена при поддержке Ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (РНП.2.1.1.7298).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акимов И.В. Метод расчета количества осадков, выпавших из облачности капельного и смешанного фазового состояния, основанный на параметризации микрофизических процессов // Труды Гидрометцентра России. - 2001. - Вып. 336. - С. 149-163.
2. Алибегова Ж. Д. Пространственно-временная структура полей жидких осадков. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985 - 230 с.
3. Баттан Л.Дж. Радиолокационная метеорология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1962. -196 с.
4. Заморин И.С., Пенский О.Г., Смирнова А.А. Recod (программа преобразования и извлечения данных радиолокационных наблюдений АМРК МРЛ-5 «Метеоячейка»). - М.: НТВИЦ, 2005. № 4287.
5. Калинин Н.А. Исследование атмосферы с помощью импульсных метеорологических радиолокаторов. - Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2000. - 104 с.
6. Калинин Н.А., Русаков В.С., Смирнова А.А. Программа восстановления количества жидкой воды в облаке (Clouds liquid-water contend). - М.: НТВИЦ, 2006. № 5577.
7. Мазин И.П., Шметер С.М. Облака, строение и физика образования. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 280 с.
8. Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 2000. - 780 с.
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 1
9. Облака и облачная атмосфера. Справочник / Под ред. И.П. Мазина, А.Х. Хргиана.
- Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 648 с.
10. Полежаев А. А. Восстановление полей облачности и осадков в задаче локального прогноза погоды с помощью радиолокационного зондирования атмосферы // Труды Гидрометцентра СССР. - 1991. - Вып. 310. С. 52-58.
11. Рожков В. А. Теория и методы статистического оценивания вероятностных характеристик случайных величин и функций с гидрометеорологическими примерами.
- СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. - Кн. 1. 340 с.
12. Руководство по производству наблюдений и применению информации с неавтоматизированных радиолокаторов МРЛ-1, МРЛ-2, МРЛ-5. РД 52.04.320-91. -СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. - 360 с.
13. Смирнова А. А. Объективный анализ облачности и опасных явлений погоды по данным радиолокационных и станционных наблюдений. - Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2005 - 124 с.
14. Сулаквелидзе Г.К. Ливневые осадки и град. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967. - 412 с.
15. Тлисов М.И. Физические характеристики града и механизмы его образования. -СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. - 387 с.
16. Frisch A.S., Martner B.E., Djalalova I., Poellot M.R. Comparison of radar/radiometer retrievals of stratus cloud liquid-water content profiles with in situ measurements by aircraft. // J. Geophys. Res. 2000. Vol. 105. Pp. 15361-15364.
17. Frisch A.S., Fairall C.W., Snider J.B. Measurement of Stratus Cloud and Drizzle Parameters in ASTEX with a Ka-Band Doppler Radar and a Microwave Radiometer // J. Atm. Sci. 1995. Vol. 52. No 16. Pp. 2788-2799.
18. Shupe M.D., Uttal T., Matrosov S.Y., Frisch A.S. Cloud Water Contents and Hydrome-teor Sizes During the FIRE-Arctic Clouds Experiment // J. Geophys. Res. 2000.
Поступила в редакцию 05.05.08.
N.A. Kalinin, A.A. Smirnova
Recovery of liquid water content and stores of a cumulonimbus cloud
The research of liquid water content of a convective cloud cover without precipitations, and also cloud cover accompanying with showers, thunderstorms and hailstones is conducted. The values of liquid water content were obtained by a computational way on the basis of the radar characteristics of a cumulonimbus cloud cover, and also with the help of a number of empirical-formula dependences. The conducted research has shown, that for calculation of the microphysical characteristics of a cloud, such as liquid water content, usage of the information of the radar allows to supplement and to keep data current of terraneous meteo-rologic and aerological observations.
Калинин Николай Александрович Пермский государственный университет 614990 Росиия, г. Пермь, ГСП, ул. Букирева, 15 E-mail: [email protected]
Смирнова Анна Александровна Пермский государственный университет 614990 Росиия, г. Пермь, ГСП, ул. Букирева, 15 E-mail: [email protected]
