Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численное моделирование конвективных облаков и активных воздействий на них с детальным учетом микроструктуры капельной и кристаллической фаз

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование конвективных облаков и активных воздействий на них с детальным учетом микроструктуры капельной и кристаллической фаз"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

со -Э

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АТМОСФЕРЫ им. А.М.Обухова

ем

На правах рукописи

УДК 551.576

ЧЕРКАСОВА НАТАЛЬЯ ИВАНОВНА

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ И АКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА НИХ С ДЕТАЛЬНЫМ УЧЕТОМ МИКРОСТРУКТУРЫ КАПЕЛЬНОЙ И КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗ

Специальность -04.00.23 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Центральной Аэрологической Обсерватории Росгидромета.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

В.И. Хворостьянов

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук,

профессор Н. Ф. Вельтищев

- кандидат физико-математических наук. Р.С.Пастушков

Ведущая организация - Институт глобального климата и

экологии

Защита диссертации состоится " Ч " ма-Рта._1997 г.

в_часов на заседании Диссертационного совета К003.10.01

Института Физики Атмосферы Российской Академии Наук по адресу: г. Москва, Пыжевский пер., д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Физики Атмосферы им. А.М.Обухова.

Автореферат разослан " /3 " ФЬЬРАпМ_1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат географических

наук ^ч^Я*) л.Д. Краснокутская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.Конвективные процессы, сопровождающиеся развитием конвективной облачности оказывают важное влияние на атмосферные процессы от локальных до глобальных масштабов. С помощью конвекции осуществляется, особенно в теплое время года, преобладающая часть тепло - и влагообмена между поверхностью и свободной атмосферой. При этом задача исследования конвективной облачности, ее динамических характеристик, микроструктуры, весьма важна,т.к наиболее полные сведения о параметрах этой облачности необходимы для решения весьма широкого круга метеорологических задач. Так численные эксперименты с моделями общей циркуляции атмосферы (ОЦА) показали, что результаты моделирования весьма чувствительны к методам параметризации облачности.

Немаловажную роль исследование конвективных облаков играет в исследовании антропогенных воздействий, как непреднамеренных так и активных,' т.к. взаимодействие аэрозоля с конвективным облаком представляет значительный интерес. Широкое распространение как у нас в стране, так и за рубежом получили исследования по активным воздействиям на конвективные облака, в том числе и с целью получения дополнительных осадков. Проведенные экспериментальные работы по исследованию активных воздействий на изолированные конвективные облака и облачные кластеры показали, что реакция облака на засев весьма неоднозначна. Поэтому проблема оптимизации методики воздействия является актуальной. При этом одной из важных задач оптимизации является наличие необходимой информации о мезо - и микроструктуре облака, его фазовом состоянии и реакции на засев на различных стадиях развития. ■ • •

При этом, отметим тот факт, что многопараметричность конвективных .облаков, большой диапазон пространственно - временных масштабов затрудняет общее описание и формирование картины развития, жизни и взаимодействия конвективных облаков, а экспериментальные исследования их затруднены, т.к. из всех типов облаков конвективные характеризуются: 1) наибольшей скоростью протекающих процессов; 2) большая турбулизация атмосферы зачастую исключает возможности захода самолета зондировщика в облако и получение информации о его внутренней структуре. Поэтому все чаще применяется метод математического моделирования, т.е. теоретическое исследование, конвективной

облачности.

Именно методы математического моделирования позволяют в рамках определенной модели получить много полезной информации о процессах облако- и осадкообразования как в естественных условиях, так и при анализе физических основ разрабатываемых методик активных воздействий и контроля их эффекта.

Хотя существует большое количество численных моделей конвективных облаков, не все они позволяют достаточно полно исследовать поставленные выше задачи.

В связи с этим, актуальной является задача построения численной модели с детальным учетом микрофизических процессов для динамического и прогностического моделирования конвективной облачности и влияние антропогенного воздействия на него.

Цель работы:'

-Разработать нестационарную двумерную численную модель конвективной облачности с детальным учетом микрофизических процессов, капельной и кристаллической фаз, в которой решаются: а)в негидростатическом приближении уравнения глубокой конвекции для вихря и функции тока с учетом внешнего сдвига ветра:б) кинетические уравнения для функции распределения капель и кристаллов, и уравнения для пересыщений; в) уравнения переноса для температуры и влажности; г) уравнения тепловлагообмена с подстилающей поверхностью и теплопере-носа в почве.

-Исследовать образование конвективной облачности, возникающей в результате теплового возмущения и осадков в процессе их естествен- ной эволюции, и изменчивость их характеристик от параметров окружающей среды. ■

-Исследовать образование облачных валов при бризовой циркуляции вдоль побережья с учетом сдвига внешнего ветра.

-Смоделировать образование горно-долинных циркуляции в горных районах за счет неоднородного нагрева поверхности.

-Смоделировать процесс воздействия на облака путем самолетного засева кристаллизующим реагентом (пиропатронами), исследовать величину и знак эффектов воздействия, и возможность увеличения осадков.

Научная новизна работы:

-Разработана двумерная нестационарная модель конвективного облака для моделирования глубокой конвекции и сопутствующей ей облачности, бризовой и горно-долинной циркуляций с детальным учетом мик-

роструктуры облака, капельной и кристаллической фаз, коагуляционных процессов, что позволяет исследовать закономерности процесса осадкообразования и его взаимодействия с динамическими процессами, с учетом сдвига внешнего ветра, неоднородности подстилающей поверхности.

-Получены динамические и микрофизические характеристики конвективного облака на различных стадиях его развития (с учетом взаимодействия микрофизических и динамических процессов) над пространственно однородной подстилающей поверхностью, возникающей в результате теплового возмущения, и осадков для двух ситуаций: а)естественная эволюция, б)с учетом искусственного воздействия кристаллизующим реагентом на облако.

-Получено пространственно-временное распределение осадков в естественных условиях и при засеве с самолета льдообразующим аэрозолем. Впервые на основе эволюционной численной модели показано, что при воздействии льдообразующим реагентом на конвективные облака проявляются эффекты динамического засева: возрастает горизонтальная скорость втока в облако (конвергенция) и уменьшается скорость выто-ка (дивергенция).

-Показано наличие большого разброса эффектов воздействия от существенного увеличения до уменьшения осадков, что определяется, в основном, высотой верхней границы облака перед засевом.

-Показано,что формирование бризовых течений, направленных против фонового потока, направленного на сушу (ночное время суток или зимняя ситуация вблизи морского побережья), приводит в условиях теплой и влажной атмосферы к возникновению облачных валов, которые могут существовать долго, подобно системе орографических стоячих гравитационных волн на подветренной стороне хребта.

-Исследования наглядно демонстрируют, что существенным фактором влияющим на зону распространения реагента после его введения в облако, является наличие бризовых циркуляции и орографическая неоднородность подстилающей поверхности.

Практическая ценность работы. Полученные результаты по моделированию образования и эволюции конвективной облачности и осадков в естественных условиях и при антропогенном воздействии для различных метеоусловий и географических регионов могут быть использованы при планировании и проведении научно- производственных работ по активным воздействиям для выработки наиболее эффективных стратегий воздействий. Они также могут быть использованы для уточнений численных

моделей ОЦА, а именно параметризации облачности в моделях ОЦА, ин-терпритации и исследовании эффектов антропогенных непреднамеренных воздействий.

На защиту выносится:

-Нестационарная двумерная численная модель конвективной облачности с детальным учетом микрофизических процессов, капельной и кристаллической фаз.

-Полученные на основе разработанной модели результаты численного моделирования мезо- и микроструктуры конвективных облаков для различных метеоусловий естественного развития и при засеве, пространственно-временное распределение естественных осадков и их перераспределение после воздействия для различных условий воздействия, результаты численного моделирования формирования бризовых и горнодолинных циркуляций, прстранственновременное распределение аэрозоля вблизи раздела водной поверхности и суши и в горной местности.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном семинаре "Математическое моделирование атмосферной конвекции и искусственных воздействий на конвективные облака" ( Москва, 1986г.), на XIV Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики азродисперсных систем"( Одесса, 1986г.), на 3 Всесоюзном семинаре по планированию и оценке эффективности работ по искусственному увеличению осадков (Тбилиси, 1986г.), на Всесоюзной конференции по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы ( Киев, 1987г.), на V Международном симпозиуме по тропической метеорологии ( Обнинск, 1991г.), а также научных семинарах ЦАО, на ученом совете ЦАО.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 146 страницах, включает 48 рисунков и 3 таблицы.Список литературы содержит 104 наименования из них 37 зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во Введении обсуждается актуальность работы, показаны ее практическая ценность и научная новизна, цель и задачи, а также положения, вьшосимые на защиту. Приведены сведения о структуре работы.

В первой главе дан обзор теоретических и экспериментальных работ по исследованию мезо- и микроструктуры конвективных облаков и воздействий на них, динамики формирования бризовых циркуляции.

Анализ теоретических работ показал, что хотя исследования по численному моделированию конвективных облаков весьма многочисленны, однако возможности этих исследований бывают весьма ограничены в рамкой одной модели, из-за особенностей конвективных облаков.В целом все численные модели можно по всей видимости разделить на два класса, разделенных принципиальными их особенностями: а) модели, учитывающие полноту размерностей; б) модели, определяемые степенью учета микрофизических процессов.

Модели с различным учетом микрофизики можно условно разделить на гидродинамические и микрофизические. Но хотя гидродинамические модели'весьма экономичны при реализации на ЭВМ, они дают весьма приближенную информацию об облаке вследствие своей излишней приближенности. Микрофизические модели, естественно более полные, учитывают детально микроструктуру капельной, в основном, а в ряде работ и кристаллической фаз, при этом микрофизические модели могут быть разделены по полноте описания микрофизических процессов. Во многих моделях микрофизические процессы параметризованы. Однако, к сожалению, схемы параметризации достаточно приближенны и как следствие изучать на их основе закономерности осадкообразования, его взаимодействия с динамическими процессами невозможно, и лишь одновременный учет как динамических, так и микрофизических процессов позволяет исследовать взаимодействие между ними.Кроме этого, поскольку антроро погенное воздействие на облако может привести прежде всего к изменению микроструктуры и основано на дополнительном внесении ледяных ядер, лишь модели в полной мере учитываквде так же и кристаллическую фазу позволяют правильно описать антропогенные (как непреднамеренные, так и активные) воздействия на облака, однако такие модели весьма немногочисленны. При анализе результатов экспериментальных исследований не осталось сомнений в существовании конвективных облаков, которые реагируют на искусственную кристаллизацию увеличением размеров и количества осадков. Показано, что засев облаков, особенно льдообразующий, часто сопровождается динамическим, а также и

микрофизическим эффектами, что естественно предполагает вероятность существенного увеличения количества осадков. В ряде работ представлении критерии возможности получения дополнительных осадков из конвективных облаков.

В заключении главы формулируется цель исследования.

Во второй главе сформулированна модель конвективного облака, состоящая из следующих блоков:!) блок динамики, где рассчитываются динамические характеристики моделируемого процесса; 2) блок гидротермодинамики, где решаются уравнения для температуры и влажности с учетом фазовых переходов; 3) микрофизический блок для расчета мезо-и микроструктуры облаков и осадков; и 4) блок переноса примеси и воздействия на облака.

Система уравнений конвекции с учетом сдвига ветра натекающего потока рассмотрена в разделе 2.1. Она состоит из двух уравнений движения для вертикальной и горизонтальной скорости и=и+и0,

где и0- значения фонового ветра, 1</0=сопз1,, и0=и0(г).

Поля метеорологических величин представленны в виде суммы среднего значения этой величины (Т, П, я, Р - температура, функция давления, влажность, плотность воздуха) в невозмущенной атмосфере и отклонение (возмущение) этого элемента в области, охваченной конвективными движениями:

Т=Т+Т'; П=П+П'; ч^+ц', (1)

где штрихом обозначены возмущения.

Уравнение неразрывности записано в форме, учитывающей изменения плотности с высотой и пригодной для описания глубокой конвекции, причем, необходимо также выполнение уравнения неразрывности для фонового ветра поля.

После введения функции тока и горизонтальной составляющей вихря скорости :

(2,

, _9_ X - р (3)

дх р дх Эг р Эг " 6 к ]

проведя соответствующие преобразования (в том числе и осреднения по турбулентным пульсациям) получим уравнение для вихря в турбулентной среде

где А=е4к|х .

При рассмотрении орографически неоднородной поверхности рельеф описывался с помощью функции й(х) - высоты рельефа и записаны уравнения для функции тока и вихря в криволинейной системе координат: хк =х, гк=г-Ь(х).

Гидротермодинамические процессы учитывались путем решений уравнений переноса для температуры 9 и удельной влажности q, описанные в разделе 2.2.

дь + дх * дг - V с2+~с7£'" (5)

дЬ + д^ + 1Т = " Ч " £са (6)

Микроструктура облаков и осадков описывается путем решения кинетических уравнений для функций распределения капель и кристаллов. Детальный учет кристаллической фазы позволяет моделировать засев конвективного облака льдообразующим реагентом.

м±

дъ

(7)

(8)

со

Здесь и далее 1=1 означает капли; 1=2 - кристалы, г;- - скорость роста капли или кристалла; скорости конденсации, сублимации,

замерзания и таяния;Д.^ плотности воздуха, воды и льда,Л- пересыщения над водой и льдом; Б - коэффициент диффузии пара, Ц, Ц, - удельная теплота конденсации, сублимации, таяния и замерзания; v. (г(-) - скорость падения частиц.

При расчете зарождения капель вследствие активации ядер конденсации ЯК (член в (7)) предполагалось три механизма активации: 1) при достижении впервые на некотором уровне насыщения над водой, 2)

при переносе вертикальными и горизонтальными потоками ЯК из области недосыщения в область пересыщения через границы облака, 3) при росте пересыщения внутри облака.

Выражения (2 Г /эисв (7-9) описывают процессы коагуляции и аккреции капель и кристаллов в приближении непрерывного роста.

Алгоритм решения, начальные и граничные условия представленны в разделе 2.3. Для расчета динамики конвективных движений уравнения (3-4) аппроксимировались уравнениями в конечных разностях, нелинейные слагаемые записывались по методике Аракавы, основанной на законах сохранения, уравнения Пуассона (4), требующее наибольших ресурсов ЭВМ, решалось методом, использующим быстрое преобразование Фурье. Уравнение вихря (3) интегрировалось по времени с помощью явных схем, временной шаг выбирался из условия устойчивости Фридрих-са-Куранта-Леви. При расчета поля скорости горизонтальные границы полагались свободными.

Для криволинейной системы координат условия^О, 2^=0 на нижней границе соответствует И=иЬ', что определяет разворот натекающего на орографическую неоднородность потока.

При решении уравнений (5), (6) эволюции Т и ч, а таете уравнений (7)-(8) эволюции функций распределения по размерам капель ^ (х, г, г, . и и кристаллов Гг(х, г, гг, Ю применялся метод расщепления На первом и втором этапах расщепления рассчитывались на первом этапе горизонтальный и на втором - вертикальный перенос субстанций.

На третьем этапе расщепления рассчитывались конденсация, сублимация, перегонка пара с капель на кристаллы. На четвертом этапе рассчитывались процессы коагуляции и аккреции капель и кристаллов.

В расчетах выбирались неравномерные сетки по г, , гг, включающие 31 точку: 10 шагов с/щ =йг2 =2мкм и 21 шаг с логарифмически возрастающими^ ,дга; диапазон радиусов - от 2мкм до 3.5мкм.

Вводимая при решении разностная сетка включает % узлов по горизонтали с шагомдх, N2.- по вертикали с шагомлг. Все расчеты были проведены для N¿=33 и N^=31, шагийх;йг варьировались в зависимости от моделируемой ситуации. Начальное невозмущенное поле температуры считалось горизонтально однородным, вертикальный профиль задавался с помощью интерполяционной формулы.

Начальное поле влажности задавалось в виде, определяющем, что недосыщение возрастает в е раз на высоте Ау.. В качестве граничных условий на боковых границах для Т, ц. Г,. ^принимались условия свободной границы, на подстилающей поверхности - постоянство температуры и условие сшивки турбулентного и молекулярного потоков

пара.

На верхней границе области счета:

Возникновение конвекции моделировалось путем задания возмущения температуры в течение временил!.

Значение фонового ветра во всей области счета задавались в следующем виде:

и0(х, г)=с>г , для г<г1 и0 (х, г)=с-21. для г~>ъ± Мо=0

Моделировалось два сценария засева, имитирующих засев в натурных экспериментах путем отстрела пиропатронов с льдообразующим аэрозолем с самолета, пролетающего над верхней границей облака.

Первый сценарий засева моделировался вводом на определенном временном шаге Т кристаллов размером 2мкм с концентрацией Рс в интервале высот от гндо гки протяженностью от хндо х^по горизонтали.

Второй сценарий засева моделировался замерзанием определенной доли, зависящей от размера, (г;) количества капель, находящихся в данной-точке пространства в области от гндо г<и х„до хк, начиная с времени Т в течениедТ .

Таким образом, представленная модель позволяет моделировать следующие ситуации:

1) образование конвективной облачности, возникающей в результате теплового возмущения и осадков в процессе их естественной эволюции и изменчивость их характеристик от параметров окружающей среды;

2) образование облачных валов при бризовой циркуляции вдоль поберекья с учетом внешнего сдвига ветра;

3) образование и развитие горно-долинных циркуляции за счет неоднородного нагрева поверхности вгорных районах.

Также существует возможность учета искуственных воздействий на облака, что позволяет моделировать воздействия путем самолетного засева кристаллизующим реагентом.

В главе 3 представлены результаты численного моделирования конвективного облака естественного развития, возникающего в результате свободной конвекции, обусловленной термической неоднородностью поверхности на фоне нейтральной стратификации атмосферы, сводка некоторых из них представленна в Таб.1. Всего было проведенно 40 ЧЭ.

Заметим, что начальные значения соответствует достаточно теплой и влажной атмосфере.

Таблица 1

Сводка численных экспериментов

N0 1 IUo. м/с 1 Вг/Нг. 1 Т6Г /Тнг. 1 • м/с 1Ql_, Г/кг| 2 , 105т

[.Э. 1 Т°С 1 IV 1 км 1 1 км 1 1 °С 1 1 , КМ lz< , КМ 1 1 1 t4 , сек

1 30 2. 7/6 4.8/3.6 -14.6/0 -4. 5/1.0 2. 5/4. 4 7.4/2160

2 30 3. 9/6 4.0/3.5 -5.4/0 -2. 6/1.6 0. 4/2. 8 0. 4/3420

3 25 2. 7/10 6.0/3.5 -22.4/0 -7. 1/1.6 2.1/4.8 2.9/2160

3.2/3240

4 25 2. 7/10 6.4/2.8 -28.3/0 -4. 9/0.8 5.1/0.4 21.5/3360

5 25 2. 7/10 10.4/3.0 -51/6.0 -8. 6/5.5 2.5/1.0 14.6/3770

6 25 0 8. 8/4. 0 -35.1/0 -7. 6/0.8 13.7/0.4 80.1/3360

В таблице 1 представлена сводка варьируемых параметров и некоторых характеристик модельных облаков, а именно: ВГ, НГ -верхняя и нижняя границы облака в момент времени t, Т6Г , Тнг -соответственно температуры этих границ, W^ qbm - максимальные значения вертикальной скорости и водности на высоте zi . сумма выпавших из облака осадков к моменту времени tf.

Численные эксперименты ЧЭ.1-4 соответствуют естественному развитию облака, ЧЭ. 5-6 иллюстрируют эффект засева.

Условия образования и эволюции конвективного облака обсуждены в разделе 3.1. Структуру полей динамических и микрофизических характеристик облака естественного развития в Ч.Э.4 иллюстрирует рис. 1а, в,д,ж. Вследствии наличия температурного возмущения на земле в области (2-6км) на фоне нейтральной стратификации атмосферы здесь начинается конвективный подьем, который сопровождается опусканием у левой и правой границы области перегрева. Вследствие охлаждения в восходящих потоках достигается насыщение и на 3 минуте счета образуется облако.

Показано, что развитие облака сопровождается переодическими разворотами циркуляции, обусловленными переодическими изменениями знака силы плавучести и влиянием веса конденсата. Период таких колебаний составляет 10-15мин, что хорошо согласуется с известными экспериментальными данными.

Отметим также, что все моделируемые облака имеют смешанную фазовую структуру и дают естественные осадки. Детальные численные расчеты показали наличие в конвективном облаке достаточно большого

пересыщения по отношению ко льду (10-20%), которое не может быстро поглотится кристаллами, при этом, хотя облака имеет как капельную так и кристаллическую фазу, наличие большого количества воды является большим потенциалом для искусственного воздействия на них ль-дообразующим реагентом с целью получения дополнительных осадков. Детальный расчет роста и скорости капель и кристаллов показал, что осадки не могут пробить восходящие движения и основное их выпадение происходит на развороте циркуляции, когда восходящие движения в центре облака меняются на нисходящие.

В этом и состоит радикальное отличие,применяемого в данной работе, микрофизического подхода от параметризованных одномерных стационарных гидродинамических моделей облаков, в которых не только пересыщение мгновенно поглощается каплями и кристаллами, но и осадкам разрешено выпадать даже в стадии развития облака, когда скорости восходящих движений намного больше скоростей падения частиц осадков.

В разделе 3.2 показано, что полученные в результате численных экспериментов спектры размеров частиц в зависимости от высоты могут быть как одно- так и двухмодальные. Второй максимум двухмодальных спектров определяют частицы, выросшие в процессе коагуляции.Отмечено также уменьшение количества капель малых размеров при понижении высоты с одновременным укрупнением и повышением концентрации крупных капель, что связано не только с коагуляцией, но и с испарением мелких капель в подоблачном слое (см. Рис. 2).

При исследовании изменчивости характеристик облака естественного развития от параметров окружающей среды в пункте 3.3 показано, что его определяющим фактором является температурная стратификация и профиль вертикальной относительной влажности, а также высота распространения теплового возмущения. В частности, уменьшение масштаба перегрева с 10км до 6км приводит к уменьшению мощности облака на 1.5-2км. при уменьшении приземной влажности вне облака с 70% до 50%, уменьшении ADX и ADZ на 2км, т. е. увеличении устойчивости стратификации атмосферы и более быстром убывании влажности с высотой, уменьшается мощность облака на 0,6-1км и, как следствие уменьшается сумма выпадающих из облака осадков. В серии экспериментов исследовано влияние сдвига ветра на формирование конвективного облака. Сравнение ЧЭ наглядно демонстрирует уменьшение мощности облака с увеличением скорости натекающего потока, и как следствие уменьшение суммы осадков. Нвг=4.8км и£ 4,7кт в ЧЭ.1, где U0=2,7м/с, а в ЧЭ.2 Нвг=4км,5=0,4кт, где скорость натекающего потока и=3,9м/с.

Высокая изменчивость характеристик конвективных облаков, параметров окружающей атмосферы и способов засева определяет большой разброс эффектов воздействия от увеличения до уменьшения. Результаты моделирования эффекта воздействия льдообразующим реагентом конвективного облака представленны в главе 4.

В разделе 4.1. описан алгоритм воздействия и типы эффектов воздействия. Как следует из экспериментальных данных, механизм ль-дообразующего засева для достижения эффекта воздействия, представляющий добавление частиц льда в облако или атмосферу, может быть осуществлен двумя путями: 1) охлаждением воздуха до температуры ниже -40 , при которых происходит гомогенная нуклеация или существенная активация ЛОЯ (ледяные облачные ядра); 2) внесением искусственных ледяных ядер, которые могут образовывать ледяные кристаллы путем осаждения, конденсации с замораживанием и замерзанием облачных или дождевых капель.

Описание сценариев засева представленно в описании главы 2.

Льдообразующий засев облаков приводит к двум типам эффектов воздействия: микрофизическому и динамическому.

Для получения динамического эффекта воздействия засев моделировался по второму сценарию (см.п.2.3). В ЧЭ.5 моделировалось 5% замерзания капель всех размеров на каждом временном шаге с 12 до 15 мин времени развития облака, соответствующего характеристикам ЧЭ.4.

Изменение динамических и микрофизических характеристик облака при большой дозировке реагента (эффект перезасева) при моделировании динамического эффекта воздействия представленны в разделе 4.2. Засев кристаллизующим реагентом приводит к большому выделению фазового тепла, распространенному практически по всей области облака, кроме нижней части, где температура воздуха больше -7вС, а при таких условиях реагент не действует. Температура воздуха в области засева поднимается в зоне максимальных концентраций капель на 1°С. Сравним микрофизические и динамические характеристики облака естественного развития ЧЭ.4 (рис.1) и засеянного ЧЭ.5 через 2 мин после засева и=17мин). Засев привел к существенному увеличению восходящих движений до Ш=25,7м/с в центре облака, так и нисходящих в боковых частях до Ш=-6,5м/с. Облако продолжает расти и достигает Нвг=8,8км. Происходит значительное расширение горизонтальной протяженности облака до 6км в области г=6-9км по потоку. Отметим, что засеянное облако регенерирует в меньшей степени, чем облако естественного развития .

Особенности дальнейшего развития засеянного облака ЧЭ.5 ил-

люстрирует рис.3, где представлены характеристики облака через 7мин после засева.Основная часть кристаллической фазы вынесена восходящими потоками вверх. Происходит отрыв наковальни зоны распространения кристаллов - от основного облака и значительное расширение ее по горизонтали до 8км за счет существующей выше г=6км зоны дивергенции. Скорости втока из облака в этой области все еще значительно превышают скорость набегающего потока и=-5м/с слеза и и=8,5м/с справа от центра облака. Верхняя граница кристаллического облака Нвг=9,5 км, мощность - Зкм.Так в засеянном облаке (ЧЭ.5) почти не происходит смены циркуляции и после засева, кристализации верхней части облака, отрыва наковальни облако диссипирует.

Таким образом, сравнение ЧЭ.4 и ЧЭ.5 наглядно демонстрирует эффект динамического засева, а именно увеличение скорости восходящих движений и роста верхней границы засеянного облака.

Однако, представленный численный эксперимент, не показал ожидаемого эффекта увеличения осадков в результате воздействия. Полученный отрицательный эффект засева связан с описанными выше динамическими и микрофизическими особенностями засеянного облака (вынос кристаллов в наковальню, отрыв наковальни и т.д.). Полная сумма, выпавших из облака осадков к 50мин£=14кт также существенно меньше, чем в облаке естественного развития (ЧЭ.4)£=21кт в это же время. Таким образом сценарий засева, рассмотренный в ЧЭ.5 вызывает эффект перезасева.

Уменьшение дозировки реагента рассмотрим на примере ЧЭ.6, где засев производился с г;(1?;)= 1,5%, который описан в разделе 4.3. В ЧЭ.6 также происходит увеличение верхней границы облака (см. рис.3) Нвг=8,8км и вертикальных движений И = =-7,6м/с при 1=21уш (для сравнения, облако естественного развития, ЧЭ. 6 - Нвг=6,4км, V/ =-4,9м/с), т.е. воздействие и в этом случае приводит к эффекту динамического засева, однако этот эффект меньше, чем в ЧЭ.5 (Нвг=10,8км, IV =-8,6м/с), т.к. уменьшается количество фазового тепла, которое и стимулирует эти процессы. Интенсивность и сумма выпавших осадков Еыросла по сравнению с обоими экспериментами (I =95мм/ч, =£=80кт) (см. табл.1). Таким образом, засев в ЧЭ. 6 приводит к существенному увеличению осадков, в отличии от уменьшения в ЧЭ.5.

В разделе 4.4. представленны результаты численного моделирования микрофизического эффекта воздействия льдообразующим реагентом.

Проведенные численные эксперименты по засеву показали наличие большого разброса эффектов воздействия от существенного увеличения

до уменьшения осадков, что определяется, в основном, высотой верхней границы облака перед засевом. Показано, что для облаков с верхней границей перед засевом 6-8км и меньше можно получить увеличение осадков до 100% после засева сверху пиропатронами или углекислотой по сравнению с естественными осадками.

Однако в серии численных экспериментов эффект засева был отрицательным для облаков с верхней границей более 8-9км и ниже 5км.

В разделе 4.5 обсуждаются результаты численных экспериментов по исследованию эволюции тропических конвективных облаков в естественных условиях и при засеве и проводится сравнение результатов расчетов с данными натурных экспериментов по рандомизированному засеву конвективных облаков, выполненных в 1986-1990 гг. на Камагуэй-ском метеорологическом полигоне (НМЛ).

По данным численных экспериментов, так же как и по данным экспериментальных исследований, засев конвективных облаков, удовлетворяющих критериям засева, приводит к увеличению их жизни, размеров, интенсивности осадков и, как следствие, к увеличению количества осадков, если не произошло перезасева.

Как следует из результатов натурных экспериментов радиолокационная отражаемость лучше коррелирует с осадками, чем водность или концентрация капель, т. е. является более репрезентативным показателем для оценки осадков.

В численных экспериментах показано, что после засева происходит увеличение максимальных значений радиолокационной отражаемости от 35йВг до 63с1Вг и пространственное расширение площади повышенной отражаемости, что хорошо согласуется с качественными закономерностями и-количественными значениями, полученными в натурных экспериментах.

В окрестностях водоемов, особенно на побережье моря часто возникает бризовая циркуляция. Она обусловлена тем, что температура воды почти постоянна в течении суток, а температура суши имеет заметный суточный ход. Наличие бризовой циркуляции или неоднородность подстилающей поверхности в горной местности может существенно исказить ожидаемую картину засева, т.к. распространение примеси или реагента в зоне этих циркуляции весьма отлично от их распространения в равнинной местности.

В главе 5 представлении результаты расчетов формирования облачности и распространения реагента в зоне бризовой, муссоной и горно-долинной циркуляции.

Моделировались различные ситуации формирования бризовых цирку-

ляций, в том числе ситуации возникающие вблизи побережья океана или острова. В разделе 5.1. представлении результаты численных расчетов эволюции бризовой циркуляции вблизи побережья.

Горизонтальная область (дх=3км) счета разбивалась на две области. где х=0г48км соответствует морю, а х=48496км - суше. Фоновый поток направленн с моря на сушу,К=бм/с.

Температура моря выше температуры суши на 5°С и составляет Т =18°С, т.е. моделируется ночное время суток. Подобное температурное распределение приводит к возникновению бризового потока, направленного с суши на море и области восходящих движений над морем. Охлаждение воздуха в области восходящих движений приводит к формированию над морем гряды облачных валов. Образуются два облачных вала, соответствующих области восходящих движений, причем, облако, образованное в области максимальных восходящих движений горизонтально и вертикально более протяженное. В этом облаке сформировалась также и кристаллическая фаза, водность его выше.

Таким образом во влажной атмосфере при бризовой циркуляции могут возникнуть облачные валы, которые существуют достаточно долго.

В разделе 5.2 представления результаты расчетов распространения аэрозольного реагента в зоне бризовой и горно-долинной циркуляции. В зоне бризовой циркуляции моделировался плоскостной засев на высоте от Зкм до 6км в точке над морем отстоящей от суши на 12км. Показано,что если в первые Юмин реагент распространялся в основном вдоль натекающего потока, но находясь в области слабых нисходящих движений к 50мин опустился на 2км вниз от нижней точки засева и попадая в зону берегового бриза в 1ч ЗОмин начинает распространяться против фонового потока.

Расчет динамики обтекания хребта с ОПН производился в области счета по горизонтали 64км с шагом Дх=2км, по вертикали 12км с шагом г=300м. Центр горы расположен в точке х=32км г=0, высота хребта в центре Н=1,5км. Моделировалось ночное выхолаживание поверхности хребта, г=12°/км.

Как следует из расчетов динамика обтекания препятствия имеет сложный характер. Поля восходящих и нисходящих движений чередуются. С наветренной стороны хребта и над вершиной образуются антициклонические вихри, а с подветренной - циклонические. В слое до 2км над поверхностью вдоль склонов воздух оттекает с горы, что связано с наличием разницы температур поверхности и окружающего воздуха на той же высоте, а именно температура склонов ниже.

Выше 4км существует обратный горному ветру поток, который при-

водит к усилению фонового потока с наветренной стороны хребта, и уменьшению с подветренной. Фактически, данная картина обтекания моделирует два процесса формирования течения, а именно:

1)появление стокового ("горного") ветра, вследствие наличия более низкой температуры поверхности (например, снежный покров), чем температуры воздуха;

2)обтекание хребта набегающим штоком.

Засев был произведен на расстоянии 24км от вершины с наветренной стороны на высоте от Зкм до 6км. ■ Показано, что попадая в область восходящих и стоковых течений при наличии температурной неоднородности поверхности хребта, реагент может накапливаться в основном в точке отстоящей от точки засева, на вершине хребта и с подветренной стороны, т.е. даже при наличии фонового потока, засев с наветренной стороны хребта может привести к тому, что практически весь реагент может оказаться вне облака.

В заключении приведены основные результаты работы.

1. Разработана двумерная нестационарная численная модель конвективного облака для моделирования глубокой конвекции и сопутствующей ей облачности,бризовой и горно-долинной циркуляции с детальным учетом микроструктуры облака, капельной и кристаллической фаз, с учетом сдвига внешнего ветра.

2.Проведено моделирование образования и развития конвективного облака, возникающего в результате теплового возмущения летом однородной подстилающей поверхности и выпадения осадков для двух ситуаций: а)при естественной эволюции, б)с учетом искусственного воздействия кристаллизующим реагентом на облако. Показано, что в достаточно теплой и влажной нейтрально стратифицированной атмосфере наличие теплового возмущения приводит к формированию конвективного облака с мощностью от 1,5 до 8км и временем жизни более ЗОмин, а весь жизненный цикл естественного развития облака сопровождается периодическими разворотами циркуляции с периодом колебаний 10-20мин. Максимальные значения восходящих движений в центре облака находятся в диапазонеКМ, 5М5м/сек.

3. Детальные численные расчеты показали наличие в конвективном облаке достаточно большого пересыщения по отношению ко льду (10-20 ), которое не может быстро поглотиться кристаллами.Как следует из полученных результатов процесс абсорбции пара на кристаллы занимает время от Юмин до 2-Зч, при этом пересыщение все равно существует длительное время.

■

4. При исследовании изменчивости характеристик облака при естественном развитии в зависимости от параметров окружающей среды показано, что его определяющими факторами является 1) температурная стратификация, 2) профиль начальной относительной влажности, а также 3) высота распространения теплового возмущения.

5. Полученные в результате численных экспериментов спектры размеров частиц в зависимости от высоты могут быть как одно- так и двухмодальные. Первый максимум среднего радиуса определяется процессом конденсации.Второй максимум двухмодальных спектров определяют частицы, выросшие в процессе коагуляции.

6. Впервые с помощью двумерной нестационарной численной модели проведена серия численных экспериментов по искусственной кристаллизации конвективного облака. Показано, что при воздействии льдообра-зующим реагентом на конвективные облака проявляются эффекты динамического засева: возростает вертикальная скорость в облаке и мощность облака. Усиление конвергенции приводит к ускорению конденсации и увеличению количества сконденсированной воды в облаке.

7. Численные эксперименты по засеву показали наличие большого разброса эффектов воздействия (количества выпадающих осадков) от существенного увеличения до уменьшения осадков, что определяется, в основном, высотой верхней границы облака перед засевом. Показано, что для облаков с верхней границей перед засевом 6-8км и меньше можно получить увеличение осадков до 100% после засева сверху пиропатронами или углекислотой по сравнению с естественными осадками.

8. При воздействии на облака с верхней границей 8-9км и более происходит уменьшение суммы выпадаемых из облака осадков. Показано, что этот эффект обусловлен тем, что при засеве вследствие динамического эффекта происходит перераспределение массы кондесата в облаке: значительно большая масса капель и кристаллов выносится восходящими движениями в верхнюю часть облака, затем в наковальню и становится недоступной для выпадения в осадки. Впоследствии эти кристаллы превращаются в перистые облака или испаряются.

9. Показано, что при бризовых течениях, направленных против фонового потока, направленного на сушу, в теплой и влажной атмосфере могут возникнуть облачные системы, состоящие из нескольких валов, подобные орографическим квазистационарным облачным грядам на подветренной стороне хребта, которые могут существовать достаточно долго.

10. Показано, что при попадании реагента в зону бризовых течений, область его распространения простирается не только вдоль набе-

гающего фонового потока, но и против этого течения, в тех слоях, где скорость бриза превышает скорость фонового потока. Наличие хребта еще более осложняет картину распространения реагента, которая зависит также и от температурной неоднородности поверхности хребта.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Смирнов В.И.,Черкасова Н.И. Теоретический критерий пригодности облаков скрытой конвекции к воздействию с целью увеличения осадков. -Тр.Всесоюзн.семин."Математическое моделирование атмосферной конвекции и искусственных воздействий на конвективные облака", Москва, 1986. 1989, с. 149-157.

2. Смирнов В.И..Черкасова Н.И. Кинетическое уравнение для описания процессов переносов, конденсации, слияния и дробления в системе облачных капель.-Тр. ЦАО, 1987, вып. 163, с. 100-105.

3. Колосков В. П. Хворостьянов В. И., Черкасова Н. И., Когтева Е.А.. Мартинес Т.Т., Вальдес М. Результаты численных и натурных экспериментов по исследованию эволюции тропических конвективных облаков в естественных условиях и при засеве. Тез. докл. 5 Международного симпозиума по физике тропических циклонов, Обнинск, 1991, с.136.

4. Кондратьев К.Я., Хворостьянов В.И., Котова О.П.. Черкасова Н.И., Математическое моделирование аварийных выбросов как средство оптимизации оптического мониторинга загрязнения атмосферы. -Оптика атмосферы, 1991. т. 4, Ы 11.

5. Смирнов В.И..Черкасова Н.И. Скорость конденсации пара в облачном слое при малой скорости восходящего движения. -Метеорология и гидрология. 1991, 8, с. 98-101.

6. Смирнов В.И., Надейкина Л.А., Черкасова Н.И. Критерий пригодности облаков скрытой конвекции к воздействию с целью увеличения осадков.-Тр. Всесоюзн. конф. "Активные воздействия на гидрометеорологические процессы", 1991.

7. Хворостьянов В. И., Черкасова Н. И., Когтева Е.А. Двумерная нестационарная модель конвективной облачности и активных воздействий с детальным учетом микроструктуры капель и кристаллов, радиационных процессов и бризовой циркуляции. Тез. докл. 5 Международного симпозиума по физике тропических циклонов, Обнинск, 1991, с.157.

8. Хворостьянов В.И.. Черкасова Н.И. Численное моделирование искусственного рассеяния облачности с самолета в предгорных районах. -Тр.ЦАО, 1992, вып. 177, 3, С. 106-119.

9. Хворостьянов В. И., ХаинА.П., Черкасова Н. И., Когтева Е. А. Двумерная модель динамического засева конвективной облачности.-Метеор. и гидрол., 1995, N 9. с. 68-84.

2, км

2, КН

12 х, им

72 х юл

Рис.1. Характеристики облака в момент времени г=17мин. а, б) - функция тока. V , 10 кг/(мс); в, г) - вертикальная скорость, IV, м/с; д,е) - концентрация капель, г и кристаллов, г ; ж, з) - водность , г/кг и ледность г/кг; и, к) - средние радиусы частиц, , гг. мкм. Капельная фаза - сплошные линии, кристаллическая - пунктир ЧЭ 4 - а, в, д. ж, и и ЧЭ 5 - б, г. е.з, к.

! ГЩЗ^

♦ - *

Рис.3. Характеристики облака в момент времени 1=23мин. а, б) - функция тока, Ч , 10 кг/(мс); в, г) - вертикальная скорость, Ш, м/с; д, е) - концентрация капель, ^ , г и кристаллов, Ы^,, г ; ж, з) - водность , г/кг и ледность . г/кг; и, к) - средние радиусы частиц, г; , г^, мкм. Капельная фаза - сплошные линии, кристаллическая - пункта ЧЭ 6 - а, в, д,ж,и и ЧЭ 5 - б, г, е, з,к. '