Ефремов В.Н. Основы теории облако- и осадкообразования. Лекции

Подождите немного. Документ загружается.

Характерные изменения стратификации слоя при вертикальном движении

представлены на рисунках выше. Кривая АВ дает распределение температуры

внутри слоя до подъема. Вертикальный градиент в нем меньше влажноадиабатиче-

ского g < g

’ < g

, т.е. слой абсолютно устойчив.

В п93ервом случае относительная влажность в нижней части слоя (точка А)

больше, чем в верхней (точка В). Поэтому частица А, быстро достигнув уровня

конденсации начнет подниматься по влажной адиабате. Частица В будет долго

подниматься по сухой адиабате и только потом пойдет по влажной. В результате g

> g

’ и слой окажется влажнонеустойчивым.

Во втором случае в точке А влажность меньше, чем в В, т.е. влажность растет

с высотой. Частица А будет долго подниматься по сухой адиабате. Частица В бы-

стрее достигнет своего уровня конденсации. В результате в слое А’B’ температура

с высотой будет расти и слой окажется устойчивым.

3.6. Образование конвективных облаков

Конвективные облака бывают фронтальными и внутримассовыми.

Основными процессами, приводящими к образованию кучевых облаков, яв-

ляются термическая конвекция и турбулентный обмен, которые существуют па-

раллельно.

Турбулентность представляет собой вихревые образования, размер которых

увеличивается с высотой. Размер их примерно равен Æ = 0,4z. Они хаотически воз-

никают и разрушаются. Возникшие, объединяются с другими и тем самым укруп-

няются. Самые крупные из них могут достигать уровня конденсации и дать начало

образованию облака.

Турбулизированный слой

Термическая конвекция бывает двух видов: в виде пузырей теплого воздуха

или струй. Пузыри возникаю на первом этапе за счет неравномерного прогрева

подстилающей поверхности.

А - нагретая масса воздуха, Б - хвост или шлейф, В - слой эрозии

Пузырь или термик имеет форму близкую к полусфере. В тыловой части пу-

зыря имеется длинный шлейф. Он образуется вследствие

”смывания” пограничного слоя пузыря. По мере подъема происходит эрозия пузы-

ря, шлейф растет, а скорость подъема падает. Она может достигать 1 - 2 м/с. Мел-

кие термики быстро разрушаются. Иногда они объединяются и укрупняются. Наи-

более большие могут достигать уровня конденсации, давая начало облаку. Пере-

мешивание с окружающим воздухом понижает температуру в шлейфе, уменьшая

скорость подъема. Перегрев в мелких термиках составляет 0,8 - 1,5

С, в больших -

0,2 - 0,3

С. В кильваторной части термика давление несколько меньше. Поэтому

здесь происходит втягивание других термиков с площади во много раз больше са-

мого термика.

По мере прогрева количество термиков увеличивается. Они чаще объединя-

ются и на каком-то этапе превращаются в струи.

Достигнув уровня конденсации, пар в нем конденсируется. При этом выделя-

ется скрытая температура конденсации. Термик нагревается и начинает подни-

маться интенсивнее.

Различают три стадии развития облака:

1. Зарождение

2. Зрелая стадия

3. Диссипация

Развитие облака происходит следующим образом:

1. Образование термиков

2. Начало образования облака за счет термиков, достигших уровня конденса-

ции. Образовываются облака хорошей погоды (Сu hum). Они содержат 1 - 2 терми-

ка.

3. Стадия развития. Образуются средние облака (Cu med). Содержат тоже 1 - 2

термика.

4 Стадия максимального развития без осадков. Образуются мощные облака

(cum cong). Они содержат несколько термиков, что можно судить по количеству

вершин. Скорости восходящих потоков в облаке до 5 - 7 м/с

5. Стадия выпадения осадков (cb). Вертикальные скорости до 40 м/с. Диаметр

капель 2 - 2,5 мм. Удельная влажность до 0,8 г/кг.

6. Стадия диссипации (Cb incus - кучево-дождевое с наковальней).

Ленгмюр обнаружил, что в тропиках осадки могут выпадать из облаков, не

достигших нулевой изотермы. Он предположил разбрызгивание капель, т.е. цепная

реакция. Капля, достигшая 2 - 2,5 мм разбрызгивается на сотню и они продолжаю

расти, поддерживаемые восходящими потоками.

В ВГИ считают что основной рост капель происходит за счет восходящих по-

токов. Распределение восходящих потоков в безоблачной атмосфере в нижнем слое

можно охарактеризовать следующим графиком:

Распределение восходящих потоков при наличии облаков в зависимости от

стадии развития следующее:

Облака характеризуются следующими метеорологическими величинами:

1. Абсолютная водность - это масса водяного пара в кубическом метре влаж-

ного воздуха (г/м

2. Удельная влажность или удельная водность (г/кг)

3. Относительная влажность - это отношение фактического давления водяно-

го пара к давлению насыщения (%).

4. Потенциальная температура - температура, которую примет частица, если

ее опустить до 1000мб по сухой адиабате.

5. Виртуальная температура - это вымышленная температура влажного возду-

ха, которая вводится для того, чтобы уравнение состояния влажного воздуха вы-

глядело аналогично, как для сухого (pv=RT

). Она равна

TTs

=+(,)10608

(28)

где s - массовая доля водяного пара

Т - температура воздуха

6. Точка росы - это температура, при которой воздух становится насыщенным.

7. Дефицит точки росы - это разность между температурой воздуха и точкой

росы.

4. Слоистые облака

Отличительной особенностью слоистых облаков является их большая про-

странственная протяженность в десятки и сотни раз превышающие вертикальную.

Основной причиной образования таких облаков является турбулентность и круп-

номасштабные вертикальные потоки, которые осуществляют перенос тепла и вла-

ги. Экспериментальные данные показывают, что под облаками и внутри них тур-

булентность значительно выше, чем над ними. Диапазон коэффициентов турбу-

лентности в облаках составляет 20 - 60 м

/с, а вне облаков - 10 - 20 м

/с. Для воз-

никновения слоистых облаков необходимы следующие условия:

1. Наличие тонкого формирующего облака приземного слоя толщиной 1 -1,5

км, ограниченного сверху инверсией или слабой турбулентностью, в которой и

происходит их образование.

2. Приток влажного теплого воздуха, который трансформируется и охлажда-

ется благодаря турбулентному обмену с подстилающей поверхность и излучению.

3. Турбулентное перемешивание в этом слое.

Слоистообразные облака имеют небольшую толщину. Вертикальные потоки в

них малы. Поэтому из них не всегда наблюдаются. Наблюдения показывают, что

выпадение осадков из них возможно в том случае, если они имеют толщину не ме-

нее 1000 метров и располагаются не выше 500 метров.

На образование слоистых облаков большое влияние оказывают упорядочен-

ные крупномасштабные вертикальные потоки. Величина их невелика и составляет

10 - 30 см/с, но пространственная их протяженность может доходить до сотен ки-

лометров. Причем, чем больше масштаб вертикального потока тем меньше его

скорость. Так по данным доплеровских радиолокационных наблюдений в облож-

ных осадках удалось выявить некоторые закономерности и различия мезомасштаб-

ных вертикальных потоков в различных регионах.

Вертикальные потоки в европейской части в основном носят ячеистую струк-

туру. Размер ячеек составляет 10 - 50 км, а величине непревосходит

± 10 см/с.

В среднеазиатских регионах отмечается волнообразная структура вертикаль-

ных потоков. Период волны также составляет 10 - 50 км, но величи-

ны их несколько больше 20 - 30 см/с.

Структура вертикальных потоков в среднеазиатских регионах

Восходящие вертикальные потоки могут служить причиной образования по-

доблачной инверсии. Воздух, поднимаясь, охлаждается и, достигнув уровня кон-

денсации или нижней границы облаков, начнет конденсироваться. Это приведет к

образованию подоблачной инверсии. Надоблачная

инверсия возникает из-за двух причин. Радиационное излучение верхнего слоя об-

лака способствует его выхолаживанию. Вертикальные потоки выше верхней гра-

ницы, как правило, нисходящие. Следовательно частица будет опускаться по сухой

адиабате и нагреваться на 1

С/100 м. В облаке же частицы поднимаются по влаж-

ной адиабате, т.е. охлаждаться меньше, чем 1

С/100 м. В результате на верхней

границе могут создаться условия для возникновения инверсии. Поэтому верхняя

граница в инверсионных облаках всегда ровная.

5. Перистые облака

Перистые облака являются “мертвыми” облаками, т.к. состоят из кристаллов.

Для их образования достаточно, как правило, наличия насыщения над водой, но

после замерзания капель необходимо только насыщения надо льдом, что чаще все-

го выполняется на больших высотах. Роста кристаллов нет, но и распада тоже. По-

этому перистые облака могут существовать длительное время.

В средних широтах они располагаются на высотах 7 - 10 км, но могут образо-

вываться и на 12 - 13 км. В тропических районах она наблюдаются наиболее часто

на 12 - 13 км, но могут доходить до 17 - 18 км.

Причина образования Ci - это упорядоченные подъем на фронте, турбулент-

ное перемешивание под инверсиями и в результате конвекции. Первая является

наиболее частой. Главным условием их развития является адвекция теплого влаж-

ного воздуха. Поэтому они часто наблюдаются на теплых фронтах, но бывают и на

холодных. Часто они образуются при распаде вершин кучево-дождевых облаков. Ci

образуются при температурах -40 - -60

С.

Причиной возникновения перистых облаков иногда бывает конденсационный

след за самолетом. Он образуется в струйных течениях. Иногда эти облака, образо-

вавшись быстро исчезают, а иногда долго существуют. След быстро исчезает, если

элементы облаков премещаются медленно. Бурное их развитие наблюдается при

быстром перемещении. При сгорании 1 тонны топлива образуется 1,5 тонны водя-

ного пара. Водность перистых облаков может доходить до 0, 1 г/м

Размещение облаков на фронте

ЛИТЕРАТУРА

Основная.

1. Физика облаков / Под редак. А.Х. Хргиана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1961. - 459 с.

2. Роджерс Р.Р. Краткий курс физики облаков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. -230 с.

3. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометеоиз-

дат, 1984. -751 с.

4. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. - Л.:

Гидрометеоиздат, 1990. 463 с.

5. Сулаквелидзе Г.К. Ливневые осадки и град. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967. -412 с.

6. Мейсон Дж. Физика облаков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 542 с.

7 Облака и облачная атмосфера. Справочник. / Под редак. И.П. Мазина и А.Х.

Хргиана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. -631 с.

Дополнительная.

1. Шишкин Н.С. Облака, осадки и грозовое электричество. - Л.: Гидрометеоиздат,

1964. -401 с.

2. Никандров В.Я. Искусственные воздействия на облака и туманы. - Л.: Гидроме-

теоиздат, 1959. -191 с.

3. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию. -М.: Мир, 1987. -278 с.