Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Численное исследование влияния структуры ветра в тропосфере на формирование макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Численное исследование влияния структуры ветра в тропосфере на формирование макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков"

На правах рукописи

Езаова Алена Георгиевна

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ ВЕТРА В ТРОПОСФЕРЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ МАКРО - И МИКРОСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ

Специальность 25.00.30 — Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

21 АВГ 2014

НАЛЬЧИК-2014

005551863

Диссертация выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении «Высокогорный геофизический институт» Росгидромета

Научный руководитель:

Лшабоков Борис Азреталиевич

доктор физико-математических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

Щукин Георгий Геогиевич

профессор Военно - космической академии им. А.Ф. Можайского, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ.

Литовко Наталья Ивановна

кандидат физико - математических наук, доцент кафедры Высшей математики КБГАУ им. Кокова.

Ведущая организация:

ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский Федеральный Университет» г. Ставрополь

Защита состоится « 10 » октября 2014 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.327.001.01 при ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» Росгидромета по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2, электронная почта: vgikbr@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «Высокогорный геофизический институт»

Автореферат диссертации разослан

Уступе

2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геогр. наук, доцент

Н.В. Кондратьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В последние десятилетия в физике облаков и активных воздействий на них достигнуты существенные успехи. Вместе с тем, многие вопросы, связанные с формированием макро-и микроструктурных характеристик конвективных облаков в естественных условиях и при активном воздействии, остаются неизученными или изученными на недостаточном уровне. Анализ состояния исследований гидротермодинамики и микрофизики облаков показывает, что в настоящее время намечается переход к изучению закономерностей формирования их характеристик с учетом системных свойств. При этом большое внимание начинает уделяться изучению роли взаимодействия физических процессов в облаках и облаков с окружающей атмосферой. Эти приоритеты можно объяснить тем, что конвективные облака представляют собой чрезвычайно сложную термогидродинамическую и микрофизическую систему, в функционировании которой важную роль играют отмеченные взаимные влияния физических процессов друг на друга.

До настоящего времени вопросы взаимодействия физических процессов в облаках еще мало исследованы, в частности, имеется несколько работ специалистов Высокогорного геофизического института (Ашабоков Б.А., Федченко JI.M., Шаповалов A.B.), в которых показано, что взаимодействие процессов способствует формированию в облаках зоны, в которой происходит образование крупных градин. Также исследовано влияние электрических процессов на формирование микроструктурных характеристик конвективных облаков. В результате удалось показать, что они способствуют более быстрому формированию конвективных облаков.

Что касается взаимодействия облаков с окружающей атмосферой, то его влияние на развитие мощной конвекции было обнаружено относительно давно. Но, несмотря на это, исследованию этого вопроса посвящено лишь ограниченное количество теоретических (ПастушковР.С.) и экспериментальных исследований (Мальбахова Н.М. Федченко JI.M., Шметер С.М., Ньютон Ч.У, Browning К.А., Foot G.B., Y. M. Kong и др.).

Необходимы дальнейшие детальные исследования закономерностей формирования макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков в естественных условиях и при активном воздействии, которые способствовали бы построению достаточно полной теории формирования и развития мощных конвективных облаков

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование на основе математического моделирования влияния структуры ветра в тропосфере на формирование макро- и микроструктурных характеристик

конвективных облаков: восходящих и нисходящих потоков, водности, ледности, радиолокационной отражаемости.

Для достижения цели исследования ставились и решались следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния исследования взаимодействия гидротермодинамических и микрофизических процессов в облаках, влияния ветра в тропосфере на характеристики облаков;

2. Выполнить тестовые расчеты для исследования эффективности алгоритмов проведения расчетов и оценки работоспособности модели конвективного облака;

3. Исследовать влияние структуры ветра в тропосфере на формирование зон восходящих и нисходящих потоков воздуха в конвективных облаках и в их окрестности;

4. Исследовать закономерности формирования зон локализации водности и ледности в конвективных облаках в зависимости от структуры ветра в тропосфере (от наличия разворота ветра с высотой);

5. Провести анализ полученных результатов расчетов.

Объект исследования. Объектом исследования является конвективное облако в процессе его эволюции.

Предмет исследования. Предметом исследования являются гидротермодинамические и микроструктурные параметры конвективных облаков на различных стадиях развития, которые получены в численных экспериментах при различных характеристиках фонового ветра в тропосфере.

Методы исследования. Основным методом, который был использован в диссертационной работе для достижения поставленной цели и решения поставленной задачи, является численное моделирование.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и выводов обеспечивается эффективностью используемого алгоритма проведения расчетов и модели конвективных облаков, большим объемом проведенных численных экспериментов по исследованию влияния структуры ветра в тропосфере на процессы формирования макро - и микро структурных характеристик облаков.

Научная новизна работы. В работе впервые получены следующие научные результаты:

- исследовано влияние структуры ветра в тропосфере (наличие разворота ветра с высотой) на формирование зон восходящих и нисходящих воздушных потоков в облаке и вокруг облака;

- исследовано формирование областей локализации водности и ледности в конвективных облаках в зависимости от структуры ветра в тропосфере;

- определены закономерности формирования частиц осадков в конвективных облаках в зависимости от структуры ветра в тропосфере;

- получены количественные характеристики влияния ветра в тропосфере на формирование макро- и микроструктурных параметров облаков;

Научная и практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

-полученные в работе результаты можно использовать для планирования исследований по физике конвективных облаков;

-полученные в работе результаты будут способствовать повышению эффективности исследований в данной научной области;

-полученные в работе результаты позволят усовершенствовать существующие представления о формировании макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков;

-результаты исследований будут способствовать усовершенствованию существующих и разработке новых методов управления формированием микроструктурных характеристик конвективных облаков;

-отдельные результаты диссертационной работы используются в учебном процессе.

Предметом защиты являются:

- результаты исследований формирования полей термодинамических параметров в конвективных облаках и в их окрестности при наличии изменения направления ветра в тропосфере с высотой и при его отсутствии;

- результаты исследований формирования зон восходящих и нисходящих движений воздуха в конвективных облаках и в их окрестности при наличии изменения направления ветра в тропосфере с высотой и при его отсутствии;

- закономерности формирования области локализации водности в конвективных облаках при наличии изменения направления ветра в тропосфере с высотой и при его отсутствии;

- результаты исследований влияния структуры ветра в тропосфере на формирование области локализации ледности в конвективных облаках;

- результаты исследований влияния структуры ветра в тропосфере на формирование максимальных значений параметров конвективных облаков.

Личный вклад автора. Постановка задачи и выбор метода исследования осуществлены совместно с научным руководителем. Автором самостоятельно проведены численные эксперименты по исследованию влияния структуры ветра в тропосфере на формирование

макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков, а также анализ результатов расчетов. Основные выводы работы сформулированы самостоятельно.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата», г. Ставрополь, 23-26 сентября 2013г., на Международном симпозиуме «Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели», г. Нальчик, 28 июня-3 июля 2013 г., на итоговых сессиях Ученого совета и Общегеофизических семинарах ФГБУ «Высокогорный геофизический институт», на семинаре отдела физики облаков ВГИ.

Публикации. Всего 12 работ. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Общий объем работы составляет 130 страниц машинописного текста, в том числе: 3 таблицы, 25 рисунков, список используемой литературы из 150 наименований работ, из них 55 на иностранных языках.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи диссертационной работы, характеризуются теоретические и методологические основы исследования, раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приводятся результаты анализа современного состояния физики конвективных облаков. Показано, что в исследовании отдельных процессов в облаках к настоящему моменту достигнуты заметные успехи, изучены и формализованы многие процессы в облаках, способствующие формированию их макро- и микроструктурных характеристик. Накоплен большой экспериментальный и теоретический материал, посвященный исследованию образования и развития облаков в естественных условиях и при активном воздействии.

Вместе с тем, по мнению многих специалистов, развитие физики облаков и активных воздействий на них в последние десятилетия существенно затормозилось. Причина этого явления заключается в том, что настоящий момент времени для физики облаков и активных воздействий на них является переходным: завершается многолетний этап исследований и происходит постепенный переход к следующему этапу. Основное внимание на следующем этапе ее развития должно быть уделено исследованию роли взаимодействия между собой процессов в облаках и облаков с окружающей атмосферой в формировании их макро- и

микроструктурных характеристик, исследованию образования и развития облаков в целом с учетом их эмерджентных свойств. Необходимость проведения исследований в этом направлении связана с тем, что, несмотря на фундаментальную роль этих процессов в облако- и осадкообразовании и на то, что они являются структурообразующими факторами для конвективных облаков, они практически не изучены.

Параллельно следует продолжить исследования процессов в облаках, относительно которых имеющиеся знания пока еще ограничены. К таким направлениям относится исследование микрофизических процессов. Некоторые из них изучены на низком уровне для корректного учета их в численных моделях облаков. Можно отметить, например, процессы образования первичных капель и кристаллов в облаках, процессы роста кристаллов различных форм, процессы электризации облачных частиц и другие.

Во второй главе изложена модель конвективных облаков, разработанная в Высокогорном геофизическом институте коллективом авторов во главе с научным руководителем и используемая в настоящей работе для проведения исследований. Модель трехмерная, нестационарная, в ней детально учитываются процессы термогидродинамики и микрофизики. Изложена постановка задачи расчета параметров конвективного облака, которая включает уравнения гидротермодинамики и микрофизики.

Система уравнений, которые используются в модели для описания процессов гидротермодинамики, состоит:

- из уравнения движения, описывающего влажную конвекцию в приближении Буссинеска, в котором учитываются адвективный и турбулентный перенос, силы плавучести, трения и барических градиентов:

+ {у.чУ = -Чя' + А'У-2[пу]+пг^0/0 + 0.61*'-бД (1)

ЭУ

а

- уравнения неразрывности

ди ду ...

— + — н--= сгм>, (2)

дх ду дх

- уравнений, описывающих термодинамические процессы в облаках

^ + + + й!в. (3)

а 4 г срт а срт а срт а

Ээ (- 8Мк 5МС , — + =------- + Д{,

а у г а а

где ñz - орт оси z, V = {и, v, w} - вектор скорости воздушных потоков в облаке и u(r), v(r ), w(r) - его компоненты; Т(Я) - потенциальная температура; n(r )=срв (p(F)/1000)R/Cp - безразмерное давление; 9-средняя потенциальная температура; R - газовая постоянная; s(r) -удельная влажность воздуха; Qs( г)- суммарное отношение смеси жидкой и твердой фаз в облаке; o(z) - параметр, учитывающий изменение плотности воздуха с высотой; Р(г)иТ(г)- соответственно давление и температура; Ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении; Lk, Lc, L3 - соответственно удельная теплота конденсации, сублимации и замерзания; p'(F), n'(r), s '(г)- отклонения безразмерного давления, потенциальной температуры и удельной влажности от их фоновых

, - ч , - ч . - 8М и 5М„ значении в окружающей тропосфере рф(г ), лф(г) и бф(г );--,-- -

5t St

изменения удельной влажности за счет диффузии пара на капли и 6М3

кристаллы; —-— - общая масса капель воды, замерзающих в единицу ot

времени в единице объема воздуха; К( F ) - коэффициент турбулентности. Вектор г соответствует координатам (x,y,z). Для границ пространственной области используются обозначения О, Lx, О, Ц, и О, Lz. В этих уравнениях

(.-. д д д., д^дд^дд^д Y ■ VJ= и—- + v — + w—> Д = — К —+—К — + — К— ах ¿ty ск & ск éfy д? ск ск

Начальные и граничные условия для системы (1)-(3) имеют вид:

и(г,0) = 1/°(г,0)1 v(r,0)=v°(r,0), H>(r,0)=w°(r,0), в(г,0)=в°(г,0\, (4)

и = и0(z), 0 = eQ(z\ р = Р0(z), q=q0(z) при х = О,Lx, v - vQ{z\ в = в0(г), р = Po{z\ q = q0(z) при y = 0,Ly, u = v = w = 0, в = в0(0), p = po{0), q = qQ(0) при z = 0, (5)

« = Л v = v{Lz),w = 0,e = 90(Lz\p=p0(L2lq = <7o(¿z) при z = Lz.

Учитываются процессы нуклеации, конденсации, коагуляции, сублимации, аккреции, замерзания капель, осаждения облачных частиц в поле силы тяжести, их перенос воздушными потоками. Эти процессы описываются с помощью системы уравнений для функций распределения

по массам капель и ледяных частиц:

Э; дх ду дг {31)^ {у

+ А Я+/„

+

яг

4- (У: | + (Ы)

{дг} АК и. )др

81 дх ду дг )с V & )АК

+

+ А'/2+12 + 1ав,

О < * < Ьх, 0 < у < I , 0 < г < 4,0 < т < со, I > О,

(6)

где Ух (т), Г2 (т) - установившиеся скорости падения жидких и твердых частиц; ((ЗМ (Э/Л ((- изменения функции

I 51 ЛД 81 81 81 )ДР\31), распределения капель за счет процессов конденсации, коагуляции, аккреции, дробления и замерзания; [ | (\ | - изменения

I Ы )с\ 81 ЛД 81 )3

функции распределения кристаллов за счет сублимации, аккреции и замерзания капель; слагаемые /, и /2 описывают процессы образования капель и кристаллов в естественных условиях; IАВ — источник искусственных кристаллов при активном воздействии льдообразующими реагентами.

Система уравнений (6) дополняется начальными и граничными условиями:

/,(г,т,0)=/2(я,т,0) = 0, /,(г,т,/) = /2(р,т,/) = 0, при х = 0,Ьх, /]{г,т,1) = /2{г,т,1) = 0, при у = 0,£у, (7)

/, (г,т,/) = /2(г,т,/) = 0, при г = Ьг (8)

= о при, г = 0.

& дг

Для проведения расчетов использовался алгоритм, основанный на методах расщепления по физическим процессам и покомпонентного расщепления. На первом этапе решались уравнения гидротермодинамики. Одним из распространенных подходов для этой цели является решение эллиптического уравнения для давления. Сначала решалась система уравнений ветрового и турбулентного переноса полей воздушных потоков. Для адаптации полей полученных параметров и получения окончательных значений решалось уравнение Пуассона для поля давления, при этом использовался итерационный метод. Для сравнения результатов расчетов с данными полевых наблюдений рассчитывалась радиолокационная отражаемость облака на длинах волн 3.2 и 10 см.

В третьей главе приводятся результаты моделирования влияния структуры ветра в тропосфере на формирование макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков. Всего было рассмотрено восемь процессов, развитие каждого из которых моделировалось в случаях, когда направление ветра в тропосфере было одинаковым на всех высотах (по оси и когда его направление менялось с высотой и его распределение по высоте совпадало с реально наблюдаемым в тропосфере. Остальные характеристики атмосферы для обоих вариантов оставались неизменными. Развитие облака инициировалось заданием теплового импульса с параметрами: координаты (центра) (м) - (22000; 22000; 2500), размеры импульса по трем осям координат (м) - (1500; 1500; 2000), перегрев ДТ =1.0°С. Облако рассматривалось в пространственной области, которая представляет собой прямоугольный параллелепипед с параметрами 60x60x16 км. Шаг по координатам X и У (горизонтальные оси) составлял 500 м, по координате Ъ (вертикальная ось) - 250 м, а шаг по времени был равен 3 с.

На всех рисунках приведены 3 координатные плоскости: нижняя ХУ; плоскость проходящая через облако; плоскость Уг, проходящая через центр расчетной области. Также приведена вспомогательная сетка 2x2 км, для оценки геометрических характеристик облака.

На рис. 1 приведены результаты расчетов облака на 30-й минуте его развития в случае, когда направление ветра не меняется по высоте. Более темным цветом выделена изоповерхность \У=10 м/с. Справа приведено распределение ветра по высоте У(г). Стрелки указывают направление ветра, а их длина пропорциональна скорости ветра.

Параметры облака были следующие: максимальные значения скорости нисходящих и восходящих потоков равнялись \^н= -1,8 м/с,

= +17,1 м/с (г=5000 м), максимальные значения водности и ледности были равны 9,02 г/м3 (г==4500 м) и 4,63 г/м3 (2=6500 м), максимальная

отражаемость на 10 см 65,5 <iíiZ , (г=4500 м), в скобках указана высота, на которой параметр принимает указанное значение.

Рис. 1. Изолинии восходящих и нисходящих потоков на 30 — й минуте развития облака: 1: изоповерхность ¡¥=10м/с;

2: - 0,8 м/с; 3: IVв= 4,2 м/с; 4: Жв=5,1 м/с;

5: IVн---5,9 м/с; 6: 1УВ=8,8 м/с; 7: Жн=-0,9м/с;

Х(км), У(км) — горизонтальные оси, 2(км) - вертикальная ось, шаг по осям 2 км;

У(г) — распределение ветра по высоте, стрелки указывают направление ветра, длина - пропорциональна скорости.

По результатам расчетов, изолинии восходящих и нисходящих потоков в облаке и вокруг него заметно изменились. Наблюдается постепенное расширение верхней части области восходящих потоков по направлению ветра в тропосфере. Меняются размеры изоповерхности \У=10 м/с, а ее форма и ориентация в пространстве остаются практически неизменными.

Нисходящие потоки на 30-й минуте уже охватывают большой объем пространства, они сильнее выражены в передней части облака.

Изолинии различных значений водности изменяются от 0,4 до 9,02 г/м3. Меняются структура и положение области локализации капель относительно изоповерхности \\^=10 м/с. Можно еще заметить, что объем области локализации капель меняется, а зона, в которой наблюдаются

повышенные значения водности, опускается ниже, что может свидетельствовать о появлении в облаке достаточно крупных капель, которые выпадают из облака.

Область локализации водности, включая и область повышенной водности, в основном расположена справа от изоповерхности \У=10 м/с.

Изолинии ледности изменяются в пределах от 0,4 до 4,63 г/м3. Характер трансформации изолиний данного параметра в пространстве и во времени примерно такой же, как изолинии водности. Результаты расчетов показываю, что основная часть области локализации ледности расположена справа от изоповерхности \У=10 м/с и достигают поверхности земли. Максимальное значение ледности по сравнению с предыдущим моментом времени располагается ниже по высоте - примерно на уровне верхней границы изоповерхности \У=10 м/с. Рост кристаллов происходит за счет захвата капель, что приводит к быстрому образованию крупных кристаллов, которые выпадают из облака.

Радиолокационная структура облака изменилась, отражаемость в зоне локализации частиц различных видов повысилась. Кроме этого, по сравнению с предыдущим моментом времени, зоны повышенной отражаемости опустились ниже - данная зона охватывает нижнюю половину изоповерхности \У=10 м/с. Такое снижение этой зоны связано с тем, что имело место снижение зон локализации водности и ледности. Кроме этого в облаке уже содержатся крупные капли и кристаллы. Наиболее высокие отражаемости, как можно заметить, совпадают с зоной повышенных значений водности.

На рис. 2 приведены результаты расчетов облака на 40-й мин развития. Значения параметров облака следующие: \УН =-2,4 м/с, \УВ= + 16,4 м/с, (г=5000 м), водность 9,95 г/м3, (г=3500 м), ледность 3,80 г/м3, (г=6000 м)., отражаемость 66,2 , (г=3500 м).

Сравнение этих значений параметров облака с их значениями в предыдущий момент времени показывает, что имеет место заметное увеличение максимального значения скорости нисходящих потоков: соответственно -1,8 и -2.4 м/с. Максимальная водность также увеличилась - почти на 0,93 г/м3, а что касается максимальной ледности, то имеет место ее уменьшение - примерно на 1 г/м3.

Сравнение рис. 1 и 2 показывает, что распределение изолиний восходящих и нисходящих потоков в облаке и вокруг него за рассматриваемый отрезок времени заметно изменились. Имеет место расширение области вертикальных потоков в направлении ветра в тропосфере, а справа от изоповерхности \У=10 м/с ее структура стала более сложной. Нисходящие потоки охватывают больший объем 12

пространства по сравнению с предыдущим моментом времени. Можно еще заметить, что с течением времени продолжалось усложнение структуры вертикальных движений воздуха, особенно нисходящих.

Это можно объяснить тем, что из-за относительно небольших скоростей нисходящих потоков воздуха ветер в тропосфере способен оказать большее влияние на формирование их поля.

Рис. 2. Изолинии восходящих и нисходящих потоков на 40-й минуте развития облака: 1: изоповерхность 1У=10м/с;

2: УУН= - 1,0 м/с; 3: \¥в=2,7 м/с; 4: ^=4,4 м/с;

5: ¡Ув=6,1 м/с; 6: Жв=7,8м/с; 7; Шн=-1,5м/с; Х(км), У(км) - горизонтальные оси, 2(км) — вертикальная ось, шаг по осям 2 км.

Что касается области локализации капель в облаке, то как можно заметить на рис. 3, ее положение относительно изоповерхности \У=10 м/с мало изменилось. Она располагается в нижней половине облака рядом с изоповерхностью \\<г=10 м/с.

Но, как отмечено, произошло некоторое увеличение максимального значения водности. Судя по результатам, рост кристаллов происходит за счет поступающих в зону их локализации капель, которые образуются и растут в нижней части зоны восходящих потоков.

Результаты расчетов изолиний ледности приведены на рис.4. По результатам расчетов имеет место некоторое уменьшение максимального значения ледности. По сравнению с предыдущим моментом времени структура ледности заметно изменилась. Положение максимального значения данного параметра относительно изоповерхности \У=10 м/с мало изменилось.

Область, охватываемая изолиниями данного параметра, расширилась по горизонтали и достигла поверхности земли, что указывает на выпадение твердых осадков из облака.

Рис. 3. Изолинии водности на 40 - й минуте развития облака и изоповерхность №'=10 м/с (1): 2: 6= 1,6 г/м3; 3: 3,4 г/м3; 4: £>= 4,2 г/м3;

5: <2= 6,1 г/м3; 6: ()= 9,95 г/м3 - максимум ледности.

С учетом того, что имеет место увеличение водности в облаке и, наоборот, уменьшение ледности можно предположить, что кристаллы в этот момент времени достигнут больших размеров.

Об этом свидетельствует изменение радиолокационной структуры облака - произошло увеличение максимальной отражаемости, а изолинии, соответствующие данной характеристике облака опустились ниже.

По результатам расчетов, образование облака в тропосфере сопровождается значительным возмущением температурного поля в тропосфере. При этом оно крайне неоднородно: зоны, в которых температура выше, чем в тропосфере на этом же уровне, чередуются с зонами, где она, наоборот, ниже, чем в тропосфере. Выше зоны восходящих потоков, где наблюдаются нисходящие движения воздуха, сформировалась обширная область, в которой температура ниже, чем в тропосфере. Такая же зона образовалась в подветренной части облака под зоной локализации кристаллов.

Рис. 4. Изолинии ледности на 40-й минуте развития облака и изоповерхность 1¥=10 м/с (1): 2:1= 0,2 г/м3; 3: Ь= 0,8г/м.; 4: Ь= 1,2 г/м3;

5: Ь= 1,5 г/м ; 6: Ь= 1,8 г/м3; 7:1=3,80 г/м3 - максимум ледности.

Далее приведены результаты расчетов по исследованию образования и развития облака в случае, когда ветер в тропосфере меняет свое направление с высотой. Остальные параметры атмосферы были одинаковы для обоих случаев, развитие облака инициировалось заданием такого же теплового импульса у поверхности земли.

На рис. 5 приведены результаты расчетов параметров облака на 20-й минуте его развития. Можно заметить, что структура ветра в тропосфере является достаточно сложной.

Максимальные значения параметров облака в данный момент времени оказались равными: скорости нисходящих \УН = -1,86 м/с и восходящих потоков \¥в= 17,3 м/с, (г=4000 м); водности 5,78 г/м3, (г=4500 м); ледности 5*10"4 г/м3, (г=5500 м); отражаемости на 10 см 17,5 dBZ, (г=4500 м). В скобках указана высота, на которой параметр принимает данное значение. Можно заметить, что облако развивается достаточно интенсивно - интенсивнее, чем в рассмотренном выше случае, когда направление ветра на всех высотах было одинаковым.

Рис. 5. Изолинии восходящих и нисходящих потоков на 20-й минуте развития облака с направлением горизонтального ветра по зонду: 1: изоповерхность 1У=10м/с.; 2: IV,,= -1,6 м/с; 3: Щ=3,4 м/с; 4: 1¥в=4,2 м/с;

5: Шв=5,1 м/с; 6: №в=6,7 м/с; 7: №„=-!, 0 м/с;

Х(км), У (км) - горизонтальные оси, 2(км) — вертикальная ось, шаг по осям 2 км; У(г) - распределение ветра по высоте, стрелки указывают направление ветра, длина - пропорциональна скорости.

За относительно небольшой отрезок времени значения скорости восходящих потоков и водности в облаке выросли заметно. Максимальные значения скорости восходящих и нисходящих потоков, а также водности в облаке оказались выше, чем в предыдущем случае.

На рис. 5 видно, что структура воздушных потоков внутри облака и вокруг него носит достаточно сложный характер.

Восходящие потоки более упорядочены, чем нисходящие, которые занимают обширную область вокруг зоны восходящих потоков.

Зона восходящих потоков, как и в предыдущем случае, наклонена к горизонтали. Изолинии водности в облаке локализуются в зоне восходящих потоков.

Верхняя и нижняя части зоны локализации водности вытянуты в направлении ветра в тропосфере, а величина водности достаточно большая: максимальное ее значение немногим меньше 6 г/м3, а ледность в облаке пока еще незначительна. Она примерно равна 5*10"4 г/м3.

Область формирования кристаллов, как и в предыдущем варианте, расположена на уровне верхней части изоповерхности >У=10 м/с.

При наличии разворота ветра в тропосфере, видимо, наблюдается некоторое уменьшение объема зоны локализации кристаллов в облаке. Кроме этого, в этом случае изоповерхность W=10 м/с больше наклонена к горизонтали. Но положение зоны локализации кристаллов относительно изоповерхности ^^=10 м/с осталось без изменений. Таким образом, по результатам анализа развития облака с двумя различными структурами ветра в тропосфере, характер формирования зоны локализации ледяной фазы в облаке меняется несущественно.

В этом же разделе приведены результаты расчетов параметров облака на 40-й минуте развития. Максимальные значения параметров облака следующие: скорости нисходящих и восходящих потоков = -1,91м/с и = +13,7 м/с, (г=4500 м); водности 3,43 г/м3, (2=3000 м); ледности 6,15 г/м3, (г=4500 м); отражаемости на 10 см 60,8 сШг, (г=4000 м).

По сравнению с предыдущим моментом времени наблюдается некоторое уменьшение максимального значения скорости нисходящих потоков и такое же увеличение (на 2,7 м/с) скорости восходящих потоков. Уменьшился и максимум водности в облаке — больше чем на 4 г/м3, а максимальное значение ледности, наоборот увеличилось, примерно, на 2 г/м3. Максимум водности оказался на уровне нижней половине зоны восходящих потоков, а область локализации ледяных частиц снизилась на 2000 м. Она располагается над областью локализации капель и правее зоны восходящих потоков. Зона восходящих потоков при этом приняла форму, типичную для градовых процессов.

Область локализации водности заметно расширилась, а на ее форму значительное влияние оказывает распределение по высоте скорости ветра. А зона повышенной водности располагается ниже - на уровне нижней части изоповерхности ХУ^О м/с. Зона локализации ледности в рассматриваемый момент времени также охватывает достаточно большой

объем пространства. Зона повышенной ледности оказалась ниже — на уровне средней части изоповерхности \У=10 м/с. По результатам расчетов, условия для взаимодействия кристаллов и капель в облаке достаточно благоприятные. Это объясняет быстрое увеличение ледности в облаке во втором варианте расчетов. Переохлажденные капли переносятся восходящими потоками в зону роста кристаллов. Зона выпадения кристаллов располагается справа от зоны восходящих потоков.

Некоторые характеристики, отражающие влияние структуры ветра в тропосфере на характер развития конвективных облаков приведены в таблице 1. Приведены максимальные значения параметров облаков в различные моменты времени, соответствующие различным вариантам распределения горизонтального ветра в тропосфере.

В таблице используются обозначения: \УВ, Wн, С?тах, (¡>Ьтах, Zmax — максимальные значения скорости восходящих и нисходящих потоков, водности, ледности и отражаемости в облаке, Н\УВ, НС^тах, НС^Ьтах, HZm?LX - вертикальные координаты максимальных значений скорости восходящих потоков, водности, ледности и отражаемости.

Таблица 1

Максимальные значения параметров облака, соответствующие различным вариантам распределения ветра в тропосфере (07.06.2012 г.).

I- вариант -направление ветра не меняется по высоте Н-вариант - направление ветра меняется по высоте

1 2 3

Время, мин 20 30 40 20 30 40

Wв, м/с 15,20 17,10 16,40 17,30 16,40 13,70

"\УН, м/с -1,78 -1,80 -2,40 -1,86 -2,26 -1,91

Н\Ув,км 4,00 5,00 5,00 4,00 4,50 4,50

Ртах, г/м3 5,48 9,02 9,95 5,78 7,77 3,43

Н(3тах, км 4,50 4,50 3,50 4,50 4,00 3,00

(ЗЬтах 3*10-4 4,63 3,80 5*10'4 3,94 6,15

НОЬтах, км 5,50 6,50 6,00 5,50 6,50 4,50

2тах, dBZ 17,50 65,50 66,20 17,50 57,50 60,80

\iZmax, км 4,50 4,50 3,50 4,50 4,00 4,00

Из таблицы видно, что максимальные значения скорости восходящих потоков на разных этапах развития облака значительно больше в случае, когда направление ветра не меняется с высотой. Таким же образом высоты, на которых располагаются эти параметры, в первом случае заметно больше, чем во втором. Что касается остальных параметров облака, то в случае, когда направление ветра не меняется с высотой, их значения заметно больше в первом случае. Обращает на себя внимание соотношение максимальных значений водности и ледности в этих случаях. В первом случае их значения заметно выше, чем в случае, когда направление ветра меняется по высоте, что важно с точки зрения образования облаков.

Таким образом, наличие поворота ветра с высотой является фактором, препятствующим образованию и развитию конвективных облаков. По нашему мнению, на качественном уровне это связано с тем, что характер взаимодействия восходящих потоков в облаке с окружающей атмосферой и интенсивность перемешивания облачного воздуха с атмосферным воздухом зависят от структуры ветра в тропосфере.

Физическое объяснение научных результатов заключается в следующем: в случае, когда ветер в тропосфере на всех высотах направлен в одну сторону (первый из рассмотренных случаев), взаимодействие восходящих потоков с атмосферой происходит менее интенсивно, в облако поступает воздух из нижних слоев атмосферы. А в случае, когда направление ветра меняется с высотой (второй случай), взаимодействие между облаком и атмосферой происходит более интенсивно, облако более интенсивно обменивается энергией и влагой с атмосферой и такое взаимодействие происходит до больших высот, на которых температура и влажность ниже, чем в нижних слоях атмосферы. Это препятствует развитию мощных восходящих движений воздуха в облаке и, таким образом, развитию самого облака.

Таким образом, на основе полученных результатов можно утверждать, что структура ветра в тропосфере является фактором, оказывающим существенное влияние на процессы облакообразования в тропосфере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационного исследования получены следующие основные результаты:

1. На основе трехмерной нестационарной модели конвективных облаков проведены численные эксперименты по исследованию влияния

структуры ветра в тропосфере на формирование их макро- и микроструктурных характеристик.

2. По результатам численного моделирования структура ветра в тропосфере оказывает незначительное влияние на формирование зоны мощных восходящих потоков воздуха в облаке. Оно выражается в изменении наклона данной зоны в зависимости от структуры ветра в тропосфере, а на форму и параметры данной зоны оно влияет незначительно. Это связано с относительно большими значениями скорости движения воздуха в данной зоне.

3. Ветер в тропосфере оказывает значительное влияние на структуру и характеристики нисходящих потоков воздуха в облаке и вокруг него. Это связано с относительно маленькими значениями скорости воздуха в этой зоне по сравнению с восходящими потоками.

4. Исследовано влияние структуры ветра в тропосфере на формирование области локализации водности в облаке. Показано, что разворот ветра влияет как на структуру этой области, так и на ее характеристики. Менее выражено влияние ветра в тропосфере на положение в облаке и форму зоны максимальных значений водности.

5. Исследовано влияние структуры ветра в тропосфере на формирование области локализации ледности в облаке. Показано, что на формирование данной области она влияет таким же образом, как и на формирование области локализации водности.

6. Важным результатом влияния ветра в тропосфере на формирование макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков является то, что под влиянием ветра в тропосфере зона выпадения осадков и зона восходящих потоков получаются разнесенными в пространстве.

7. Показано, что изменение направления ветра в тропосфере с высотой является фактором, частично ослабляющим и развитие конвективных облаков при тех стратификациях, которые использовались в серии экспериментов.

Результаты, полученные в диссертационной работе, дают новые сведения о влиянии структуры ветра в тропосфере на процессы облакообразования, их можно использовать для усовершенствования методов прогноза различных характеристик облаков, включая и методы прогноза их градоопасности.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы исследования. В дальнейшем должны быть продолжены исследования роли взаимодействия процессов в конвективных облаках и облаков с атмосферой в формировании их микроструктурных характеристик.

В частности, предполагается исследовать влияние трехмерной структуры воздушных потоков, заданной по нескольким пунктам зондирования (9 или 16 точек), которые могут быть взяты из глобальной модели атмосферы.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

1. Ашабоков, Б.А. О направлениях развития методов исследования конвективных облаков / Б.А. Ашабоков, А.Г. Езаова // Сборник научных трудов «Современные проблемы развития науки». - 2011. - С.35-39.

2. Езаова, А.Г. О некоторых особенностях современного состояния физики градовых облаков / А.Г. Езаова, И.М. Орсаева // Сборник научных трудов «Современные проблемы развития науки». - 2011. - С. 98-103.

3. Езаова, А.Г. Об основных направлениях развития физики конвективных облаков и методов их исследования / А.Г. Езаова, И.М. Орсаева // Материалы международного симпозиума «Устойчивое развитие: проблемы концепции модели» посвященного 20 - летию КБНЦ РАН, Т. 2, г. Нальчик, 28 июня - 3 июля 2013 г. - С. 102-106.

4. Ашабоков, Б.А. Численные эксперименты по исследованию формирования микроструктурных характеристик грозоградовых облаков / Б.А. Ашабоков, JI.M. Федченко, A.B. Шаповалов, А.Г. Езаова, В.А. Шаповалов // Труды Международной научной конференции «Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата». - 23-26 сентября 2013г. - г. Ставрополь - С.57- 60.

5. Шаповалов, В.А. Моделирование спектров частиц в конвективных облаках со смешанным фазовым составом и их радиационных свойств / A.B. Шаповалов, В. А. Шаповалов, А.Г. Езаова, К.А. Продан // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. — 2013. -№ 5(55). - С. 63-72

6. Ашабоков, Б.А. Численные эксперименты по исследованию формирования микроструктурных характеристик грозоградовых облаков / Б.А. Ашабоков, A.B. Шаповалов, А.Г. Езаова, В.А. Шаповалов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2014. -№ 3. - С. 40-44.

Работы [5], [6] опубликованы в журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ.

Личный вклад автора. В работах [1, 2, 3] научным руководителем были поставлены задачи, полученные автором результаты исследований обсуждались и уточнялись с Орсаевой И.М.; в работе [4] задача была поставлена научным руководителем, расчеты были проведены автором вместе с Шаповаловым A.B., анализ результатов расчетов проведен коллективом авторов; в работе [5] задача была поставлена научным руководителем, расчеты были проведены автором вместе с Шаповаловым В.А., анализ результатов расчетов проведен коллективом авторов; в работе [6] задача исследования была поставлена научным руководителем, численные эксперименты были проведены автором, анализ результатов расчетов, их обсуждение проведены коллективом авторов.

ЛР №040940 от 04.12.1999

Бумага офсетная. Формат 84x108 У32. Гарнитура Тайме. Объем 1.0 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 17