О водозапасах ливневых и градовых облаков Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.501.777

О ВОДОЗАПАСАХ ЛИВНЕВЫХ И ГРАДОВЫХ ОБЛАКОВ

© 2008 г. М. Т. Абшаев, А.М. Абшаев, А.М. Малкарова, Ж.Ю. Мизиева

The results of radar investigation of reduced and integral water in hail clouds and storms, particularities of reduced and integral water distribution on area, time course of integral water content, reiteration of integral water content of the whole cloud and cloud layer above the isotherm of -6 оС are considered stated in this article.

Интегральное водосодержание и приведенная водность являются важнейшими параметрами мощных конвективных облаков, определяющими интенсивность их градовой и грозовой деятельности, количество генерируемых осадков, а также возможность формирования паводков и селей ливневого происхождения. Значения этих параметров могут использоваться для оценки оптической плотности облаков при изучении их радиационных свойств, ослабления радиоволн разного диапазона и расчета радиояркостной температуры облаков для интерпретации спутниковых наблюдений. Измерения интегрального водосо-держания облаков и их переохлажденной части важны также для исследования водозапасов облаков для целей искусственного увеличения осадков, оценки осадкообразующей эффективности облаков, разрушительного потенциала градовых облаков, оценки гра-доопасности облаков и эффективности активного воздействия на них.

Целью настоящей работы является исследование пределов вариации, временного хода этих параметров в мощных кучево-дождевых облаках.

Методика и аппаратура исследований

На основе теоретических и экспериментальных исследований рассеяния и ослабления радиолокационного излучения отдельными гидрометеорами (капли воды, град, снег), а также полидисперсными системами гидрометеоров ранее были разработаны одно- и двухвол-новые методы радиолокационного измерения водности облаков, а также дождевых и градовых осадков [1 - 4]. Водность облаков различного генезиса, не содержащих частиц осадков, детально изучена авиационными и радиолокационными методами и приводится даже в справочной литературе [5]. Менее изучено содержание воды в облаках в виде крупнодисперсных частиц осадков (капель дождя, градин, снежинок), его пространственное распределение и интегральные значения.

Осадкообразующие облака представляют собой полидисперсную систему, состоящую из облачных капель, кристаллов и частиц осадков размером более 100 мкм. Водности мелкодисперсной (облачной) и крупнодисперсной (осадковой) фракций в кучево -дождевых облаках могут быть одного порядка величины (от ОД до 3 - 5 г/м3). Но радиолокационная отражаемость мелкокапельной фракции в 104 107 раз меньше отражаемости градовой и дождевой фракций и не превышает 2 = -10 dBZ, даже при предельно

больших значениях водности мелкокапельной фракции. Благодаря этому, при измерении содержания воды в виде капель дождя и градин она может быть отсечена значением радиолокационной отражаемости Z > 0 dBZ.

Создание автоматизированных систем обработки радиолокационной информации типа «АСУ-МРЛ» и «TITAN» дало возможность получения пространственного распределения водности по всему объему облака, а также измерения двумерных и трехмерных параметров облаков, включая интегрированное по «вертикали и по всему объему облака содержание воды.

Автоматизированная радиолокационная система «АСУ-МРЛ» обеспечивает [6] трехмерный обзор пространства с периодичностью 3 мин, аналого-цифровое преобразование, осреднение и ввод радиолокационных сигналов в компьютер по 360 дискретным значениям азимута и 400 ячейкам дальности протяженностью 0,5 км. В ней программно реализовано измерение содержания воды в единице объема (водности) в виде капель дождя qR и града qH (г/м3). Их значения в n-й ячейке облачного объема рассчитываются [6, 7] по

_ 1f)0,05Z10B-2,4 ] , 4Rn ~ 1и

формулам: >.

fe„=100'058Zi°»-3'25j

В смешанных осадках суммарное содержание воды в виде града и дождя в единичном объеме рассчитывается [6, 7] по алгоритму:

Чп =

при ZWn< 40

при 41 < ZXon< 75 : >75

Чкп

(!" к )• Чкп+к'Чип Чип пРи г10п

где 210п - радиолокационная отражаемость на длине волны X = 10 см в п-й ячейке площади радиолокационного обзора; и дНп - содержание воды, г/м3, в виде дождя и града, в п-й ячейке площади обзора; к -параметр, зависящий от соотношения дождевой и градовой воды, для которого эмпирически получено выражение к = 0,028532юп - 1,14.

Суммирование значения водности дп по всей толще облака позволяет получить карты вертикально интегрированного содержания воды (приведенной водности) во всей толще облака (кг/м2), а также в слое зарождения и роста града выше изотерм 0 и -6 °С (\(/ч, и Для получения карты распределения ц^ по площади рассчитывается водосодержание каждого единичного объема облака дп, строятся карты распре-

деления водности в горизонтальной плоскости на всех высотах от основания до вершины облака (с шагом 0,5 км) и производится суммирование водности по

т

всем слоям облака по формуле = X (1„, ■ Л/У,, где цш -

1=1

водность /7-го единичного объема облака на ;'-й высоте; Л11, - вертикальная протяженность /-го слоя облака, равная 0,5 км.

Получение карт приведенной водности облачных слоев выше уровней изотерм 0 и -6 °С (АдЕ0 и АдЕб) осуществляется аналогичным образом, путем суммирования водности в толще облака выше этих уровней.

В радиолокационной системе «АСУ-МРЛ» также предусмотрен [6] расчет объемов облака (У2,), ограниченных изолиниями Z > 15, 25, 35, 45, 55 и 65 dBZ, а также расчет интегрального содержания воды в этих объемах облака Ма, т. Эти же параметры рассчитываются также для облачного слоя выше изотерм 0 и -6 оС (АГо, А¥_б, АМ0, АМ_б).

Интегральное водосодержание (интегральная водность) всего объема облака Мй и его переохлажденной части ДМа рассчитывается путем интегрирования водности дп по всей площади радиоэха и всем слоям облака от его основания до вершины, а также от уровня изотермы -6 оС до вершины:

Mz,=Zqn (Z,) S„ (Z,)

AMZl=YAqn (Z,) Sn (Z,)

Результаты экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования проводились на Северном Кавказе на автоматизированных радиолокаторах научно-исследовательского полигона ВГИ и Ставропольской противоградовой службы Росгидромета. На основе анализа обширного экспериментального материала, включающего более 12 тыс. файлов радиолокационного обзора пространства, получены статистические данные о пределах вариации объема облаков (Г я), водности (7/). приведенной (7/л) и интегральной водности (Мй) мощных кучево-дождевых облаков, из которых выпадали градовые и ливневые осадки.

По данным этих исследований установлено, что водность единицы объема кучево-дождевых облаков варьирует в пределах 0,1 < д < 8 г/м3. Водность максимальна в центральной части осесимметричных облаков и убывает к их периферии. В несимметричных конвективных ячейках многоячейковых и суперячей-ковых облаков максимум водности отмечается на правом наветренном фланге. В случае мощных градовых облаков максимальные значения водности достигают 4 - 8 г/м3, что приводит к выпадению осадков интенсивностью более 100 мм/ч.

На рис. 1 представлен пример карты приведенной водности всего облачного слоя (д£) и облачного слоя выше изотермы 0 оС (АдЕ0) в градовом облаке

где qn(Z) - значение 29.08.2006 в 183

водности в n-й ячейке площади обзора, внутри изоконтура с заданной отражаемостью Z{ = 15, 25, 35, 45, 55 и 65 dBZ; Sn(Z,) - площадь n-й ячейки площади обзора внутри изоконтура с заданным значением Z; n -число ячеек площади обзора.

Значения M15, M25, M35 характеризуют водосодержание ливневых облаков, а M45, M55, M65 - суммарную массу града, более крупного града и града катастрофической интенсивности. По аналогии значения AM45, AM55 и AM65 характеризуют массы такого же града, растущего в области отрицательных температур.

Оценка инструментальных и методических ошибок измерений показала, что среднеквадратичная ошибка измерения приведенной (qr и Aqs) и интегральной водности (MZi и AMZl) составляет 32 и 41 % соответственно [6]. Экспериментальная проверка точности измерений затруднительна из-за отсутствия эталона. Однако сравнение результатов аналогичного измерения количества осадков с данными сети плювиографов показало, что среднеквадратичная погрешность измерений составляет 38 % с коэффициентом корреляции между данными радиолокационных и наземных измерений 0,92. Следует также отметить, что данные авиационных измерений спектра и концентрации градин и крупных (дождевых) капель, проведенных в США и Канаде с помощью двумерных оптических датчиков 2-Д ОАП корпорации PMS [8], дают значения водосодержания единицы объема такого же порядка величины, что и рассматриваемый радиолокационный метод.

а б

Рис. 1. Карты приведенной водности: а - всей толщи (<7_г, кг/м2); б - переохлажденной части (Ад г0, кг/м2) градового облака

Из рисунка следует, что приведенная водность всего облачного слоя в этот момент превышает 30 кг/м2. Сравнение карт дЕ (рис. 1а) и АдЕ0 (рис. 1б) указывает на то, что значительная часть водности облака в этот момент времени сосредоточена в переохлажденной части облака (в зоне роста града).

Соотношения значений приведенных водностей дЕ Ас/ч, и АдЕ.б градовых облаков зависят от стадии их эволюции:

- в стадии развития градоопасных облаков значения этих параметров близки друг к другу, так как основная водность на этой стадии сосредоточена в переохлажденной части облака, где может расти град;

- в стадии зрелости градового облака водность переохлажденного слоя Ад10 и АдЕб составляет около половины значения д±:

i=1

l=1

- после начала выпадения града основное водосо-держание облака смещается вниз - в область положительных температур;

- в стадии диссипации сначала наблюдается быстрое уменьшение до нуля значений Aq^, несколько позже значений Ас/ч,, а потом и значений q?.

Таким образом, карты приведенной водности (Ас/ч/ и (¡ч) являются показателями стадии развития градовых облаков. Уменьшение значений приведенной водности до Aq_6 < 2 кг/м2 свидетельствует о переходе облака в не градовое состояние и отсутствии града в зоне роста града даже тогда, когда в приземном слое град еще продолжает выпадать и приведенная водность теплого слоя облака (|Лд_г0) достаточно большая.

Статистический анализ показал, что приведенная водность кучево-дождевых облаков Северного Кавказа варьирует в пределах 0,1 < qE < 50 кг/м2, что хорошо согласуется с результатами аналогичных измерений вертикально проинтегрированной водности (VIL) в США [9]. Приведенная водность градовых облаков варьирует в пределах от 8 < q± < 50 кг/м2 при часто встречающихся значениях 15 - 30 кг/м2, в ливневых дождях - 0,5 < q? < 12 кг/м2, в дождях из слоисто-дождевой облачности - q?< 0,5 кг/м2, а при мороси -qE < 0,05 кг/м2.

На рис. 2 показан временной ход объемов и интегральных водностей всей толщи облака (VZi и Mz) с 1406 до 1714 в этом упорядоченном многоячейковом градовом процессе, наблюдавшемся 06.07.2003.

Из этого рисунка следует, что в рассматриваемый период развивались 4 конвективные ячейки (КЯ), из которых две последние достигли градового состояния. Значения VZi, MZi, AVZj и AAIZj имели периодические изменения по мере развития новых КЯ, достигли абсолютного максимума в 1547, а с 1640 уменьшались по мере диссипации КЯ. С 1520 до 1700 по наземным данным выпадал интенсивный град размером до 5 см.

В период максимального развития третьей КЯ трехмерные параметры облака достигли значений V15 = =3,6-103 км3, М15 = 2,2Т06 т, А1Ъ = U-103 км3 и М115 = =4,6-105 т. Объем градового очага обычно значительно меньше объема всего облака. Например, в 15 47 объем области локализации града = 7,7-102 км3 и составляет 21 % от объема Vl5. Объем локализации более крупного града меньше (V55 = 358, а V65 = 65 км3). Объем зоны роста града выше уровня изотермы -0 °С составляет ДГ45 = 4,3102 км3, ДГ'55 = 130, а ДГ65 = 18 км3. Следовательно, большая часть зоны локализации града и крупного града в этот момент расположена в переохлажденном слое.

Несмотря на то что объем локализации значительно меньше объема градового облака, его вклад в интегральную водность облака может достигать 60 % и более. Даже вклад крупного града (M55 и M65) в интегральную водность облака может достигать 30 - 40 %. Например, в одной из КЯ градового процесса, наблюдавшегося 17.06.2003 г., значение Л/15 достигло 3,4106т, а интегральная водность области локализации града составила М45= 2,0-106 т, или 58 % от общего водосо-держания ячейки. Масса крупного града достигает

М55= 2.0-10 т, а града катастрофической интенсивности М65 = 8,2-104 т. Отмечается устойчивая закономерность: чем мощнее градовое облако, тем больше вклад града в его интегральную водность.

10000

1.0&ОЗ

Время в-^ч^Й-ЛЧ

^ bj > ÍJ > Lfl Lfl да Ш <Ö Ю I

Время

Рис. 2. Временной ход объемов и интегральной водности всего градового облака иА/я) и его переохлажденной части (А Гг2, и ДА/Й)

На рис. 3 приведены статистические данные о повторяемости значений интегральной водности Мд в 11500 случаев измерений в течение летних сезонов 2003 - 2006 гг. Эти данные свидетельствуют о том, что максимум повторяемости интегральной водности куче во-дождевых облаков Северного Кавказа приходится на значения 5104 < М15 < 5-Ю5 т. В градовых облаках, приводящих к выпадению града катастрофической интенсивности, значения интегральной водности достигают Мй » 6-106 т. Но такие значения М15 отмечаются относительно редко (в нескольких облаках в радиусе 100 км в одном сезоне).

1000

2 н

к и ä

sk I» н

* - - • М15 ------М25 -----»35 - М45 - Г.155 4 У/ / \А

— Мб 5 ¿.у ё/ •У / \ \ л \ \ \ iV \

I г' > i • г > '■> / У Ш -' V 1

1.0

2.0

3,0

i,о

S.0

G.0 Lg M

изотермы -6 оС

tAq

I-6

. Это обусловлено тем, что

^ Atfs-б J

необходимым условием образования града является

высокое водосодержание переохлажденной части облака, расположенной выше уровня изотермы -6оС (использование этого уровня определяется тем, что в восходящем потоке, где растет град, температура воздуха по данным авиационного [8] и ракетного [10] зондирования градовых облаков выше, чем в окружении в среднем на 6 оС).

Объем градовых облаков Северного Кавказа варьирует в пределах 103 < Р'15 < 5104 км3. Объем области локализации града У45 составляет около 5 - 25 % от объема всего облака, но ее вклад в интегральную водность может достигать 30 - 60 %, так как водность области локализации града значительно превышает водность ее окружения. Область максимума интегральной водности несимметричных КЯ суперячейко-вых и многоячейковых градовых облаков сдвинут на наветренный фланг, где отмечается наибольшая градообразующая активность и расположен навес радиоэха (указатель наличия мощной струи восходящего потока [6]).

В мощных кучево-дождевых облаках максимум повторяемости интегральной водности приходится на значения 5104<Л/Д< 5Т05 т, а при катастрофических градобитиях может превышать 106 т. Анализ временного хода интегральной водности позволяет оценить скорость осадкообразования кучево-дождевых обла-

йЫлс Т1

. Из рис. 2 следует, что в градовом облаке,

ков

Рис. 3. Повторяемость интегральной водности ливневых и градовых облаков

Обсуждение результатов

Из экспериментальных данных следует, что приведенная водность мощно-кучевых облаков может достигать д = 50 кг/м2. При осаждении этой воды на поверхности земли образуется слой воды толщиной 50 мм, а при длительном процессе осадкообразования слой воды может достигать 100 мм и способствовать формированию ливневых паводков.

В развивающихся градоопасных облаках большая часть находится в зоне роста града в области отрицательных температур, в стадии зрелости градовых облаков значения Адг примерно равны половине дЕ, а на стадии диссипации основная водность сосредоточена в приземном слое. В облаках, которые не перерастают в градовое состояние, на всех стадиях развития д£ в основном сосредоточена ниже уровня изотермы -10 оС. Следовательно, соотношение приведенной водности переохлажденной и теплой частей облака позволяет оценить градоопасность облаков и стадию их развития, а также усовершенствовать методику распознавания категорий объектов воздействия с целью предотвращения градобразования в развивающихся облаках и прерывания выпадения града из зрелых градовых облаков.

Более информативными показателями градовой опасности являются значения приведенной водности переохлажденной части облака (АдЕ-6), а также соотношение приведенной водности выше и ниже

dt

наблюдавшемся 6.07.2003, с 1448 до 1514 значение М15 увеличилось с 2,5-105 до 1,25-106. Таким образом, за 26 мин интегральная водность облака увеличилась на 106 т благодаря быстрому процессу осадкообразования. Скорость осадкообразования составила около 3,8-104 т/мин. В момент максимального развития третьей КЯ за 10 мин с 1536 до 1547 значение Mi5 увеличилось от 1,1-Ю6 до 1,8106 т. Это означает, что скорость осадкообразования составила ^Mll. = 8104 т/мин. Макси-F dt

мум скорости роста наиболее крупного града отмечался на 3 мин позже (с 1539 до 1547). За этот период значение М65 увеличилось от 9103 до 3105 т, т.е. скорость увеличения интегральной массы крупного града

составила

dM,

65

dt

3,6-104 т/мин. В градовом облаке,

наблюдавшемся 17.06.2003 г., максимальная скорость осадкообразования достигала 105 - 5 105 т/мин.

Быстрое осадкообразование в мощных кучево-дождевых облаках обусловлено наличием в них обширной струи мощного восходящего потока. При площади восходящих потоков 8ВР = 100 км2 (отмечены случаи с 8ВР = 200 км2) и средней их скорости в основании облака 3 м/с в облако втекает 3 101" м3/с влажного воздуха. С уровня основания облака начинается конденсация водяного пара, и при его содержании около 8-10 г/м3 в облаке может конденсироваться около 2-105 т/с мелко капельной влаги. Это количество воды, втекающее в мощное градовое облако, сравнимо с количеством воды, протекающим в крупной реке, например, Волге. При этом за счет фазовых переходов (конденсации водяного пара и замерзания облачных капель) выделяется порядка 3 1015 Дж/мин.

Таким образом, энергетика мощного градового облака сравнима с энергией ядерного взрыва.

Большая часть мелкодисперсных частиц выбрасывается восходящими потоками в наковальню, не принимая участия в осадкообразовании. Однако, учитывая, что осадкообразующая эффективность мощных градовых облаков составляет 17 - 30% [11], скорость осадкообразования может достигать более 1104 т/с или 6 105 т/мин. Измеренные значения интегральной водности и скорости осадкообразования вполне согласуются с этими оценками.

Водность облака непрерывно возобновляется восходящими потоками в течение всего периода осадкообразования. Поэтому при интенсивных ливнях с градом на отдельных участках земной поверхности может образоваться слой воды более 50 - 100 мм. Такое количество воды не может впитаться почвой, большая ее часть стекает в русла рек низины, повышает уровень воды и приводит к формированию паводков и селей. Наблюдения показали, что на Северном Кавказе причиной формирования большинства разрушительных паводков и селей ливневого происхождения являются интенсивные ливневые осадки с градом. Они же провоцируют формирование гляциально-ливневых селей.

Высокогорный геофизический институт, г. Нальчик

Литература

1. АбшаевМ.Т. // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18. № 5. С. 483-494.

2. Атлас Д. Успехи радарной метеорологии: Пер. с англ. Л., 1967.

3. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. Л., 1988.

4. Боровиков А.М. и др. Радиолокационные измерения осадков. Л., 1967.

5. Справочник. Облака и облачная атмосфера. / Под ред. И.П. Мазина и А.Х. Хргиана. Л., 1989.

6. Абшаев М.Т., Малкарова А.М. Оценка эффективности предотвращения града. СПб., 2006.

7. AbshaevM.T., Malkarova A. M. // Proc. 8th WMO Sci. Conf. On Weather Modif. Casablanca, Morocco, 2003. P. 471-474.

8. Heymsfield A.I. // J. Atm. Sci. 1984. Vol. 41. № 19. P. 2811-2835.

9. Green D.R., Clark R.A. // Proc. 7th Conf. on Severe Local Storms. AMS, 1971. P. 97-104.

10. Абшаев М.Т., Жубоев MM. // Труды ВГИ. 1976. № 33. С. 57-66.

11. Report of the Meeting of experts to review the present status of hail suppression. WMO. Weather Modification Program. Hail Suppression Research. 27 September - 2 October 2003. Nalchik, 2003. P. 140.

17 августа 2007 г.