научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СТИМУЛИРОВАНИЯ ГИГРОСКОПИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ ОСАДКОВ ИЗ ТЕПЛЫХ КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СТИМУЛИРОВАНИЯ ГИГРОСКОПИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ ОСАДКОВ ИЗ ТЕПЛЫХ КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 4, с. 435-449

УДК 551.509.017

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СТИМУЛИРОВАНИЯ ГИГРОСКОПИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ ОСАДКОВ ИЗ ТЕПЛЫХ КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© 2008 г. А. С. Дрофа

Научно-производственное объединение "Тайфун" 249038 Обнинск, Калужская обл., ул. Победы, 4 E-mail: drofa@typhoon.obninsk.ru Поступила в редакцию 05.07.2007 г., после доработки 17.01.2008 г.

Представлены результаты численного моделирования воздействия гигроскопическими частицами на теплое конвективное облако с целью получения дополнительных осадков. В одномерной численной модели с помощью параметризации процесса вовлечения тепла и влаги в восходящий воздушный поток, формирующий облако, получено соответствие вертикальных профилей параметров облака с реально наблюдаемыми в натурных условиях атмосферы. В модели содержится детальное описание микрофизических процессов в облачной среде с использованием кинетического уравнения для функции распределения облачных капель по размерам. По результатам численных расчетов проанализирован процесс осадкообразования в конвективных облаках с вертикальной мощностью 3-4 км при их естественном развитии и при вводе гигроскопических частиц в облако. Показана реальная возможность получения дополнительных осадков из конвективных облаков континентального типа при воздействии гигроскопическими частицами с размерами 1-1.5 мкм. Приводятся результаты расчетов зависимости интенсивности и суммарного количества осадков от вертикальной мощности облака и параметров вводимых в облако частиц. Выяснены условия получения максимального положительного эффекта воздействия.

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследованиям процессов формирования конвективных облаков и образования осадков при введении гигроскопических частиц в настоящее время уделяется повышенное внимание в связи с рядом успешных экспериментов по получению дополнительных осадков при введении таких частиц в облако [1, 2]. Для объяснения механизма воздействия гигроскопическими частицами на процессы формирования и эволюции микроструктуры облачной среды в работах [3-5] проведено численное моделирование формирования облачной среды, учитывающее процессы активации ядер конденсации, конденсационный рост образовавшихся капель и их коагуляцию. Результаты расчетов показали, что при введении в облако гигроскопических частиц с размерами, превышающими размер атмосферных ядер конденсации, формируется широкий спектр облачных капель, способствующий более эффективному протеканию процессов коагуляции и образованию осадков. Показано, что осадки формируются не из-за роста капель на самых больших введенных ядрах конденсации, а благодаря коагуляции всей совокупности крупных капель в облачной среде. В численных моделях [3-5] рассматривались процессы формирования микроструктуры облачной среды при подъеме изолированного конвективного облачного образования. Динамических про-

странственно-временны х характеристик облака методика расчетов получать не позволяла. При этом не учитывались процессы седиментации (осаждения) облачных капель, играющих решающую роль в образовании и развитии осадков. Вследствие этого выяснение механизма воздействия гигроскопическими частицами требует проведения дальнейших исследований.

В работе [6] для исследования возможности использования гигроскопических частиц с целью получения дополнительных осадков разработана одномерная численная модель теплого конвективного облака, позволяющая учитывать процесс седиментации облачных капель и получать пространственно-временны е характеристики облака. Проведен анализ закономерностей пространственного распределения и временной эволюции параметров облака при вводе гигроскопических частиц. Однако, вследствие принятого в [6] адиабатического режима формирования облака, результаты этой работы имеют лишь качественный характер. В настоящей работе представлены результаты численных расчетов эволюции облака и процессов осадкообразования с использованием усовершенствованной численной модели [6]. С помощью параметризации процессов вовлечения тепла и влаги в восходящий воздушный поток, формирующий облако, получено соответствие рассчитываемых параметров обла-

435

2*

ка с реально наблюдаемыми в натурных условиях атмосферы. При описании микрофизических процессов в облачной среде учтено также дробление крупных капель осадков на более мелкие. Целью настоящей работы является выяснение условий получения дополнительных осадков при воздействии гигроскопическими частицами на теплое конвективное облако.

2. ОПИСАНИЕ ЧИСЛЕННОИ МОДЕЛИ

Формирование и развитие конвективного облака в представляемой численной модели происходит за счет непрерывно поднимающегося с постоянной скоростью воздушного потока (восходящая воздушная струя). С учетом обмена теплом и влагой между воздушной струей и окружающим ее воздухом уравнения для изменения температуры Т и давления воздуха р в струе записываются в виде [7-9]:

йТ -

йг

Ср р йг

Срр йг

- А Т,

% =

(1)

(2)

йг

(3)

где рв - плотность воды; г - радиус облачной капли; Дг) - функция распределения капель по размерам.

Первое слагаемое в (3) характеризует поток водяного пара на капли. Величина его определяется из уравнения конденсационного роста капли [10]:

йг = К( Т, р ) (1 + 5 - В * ) йг г + % ( Т, р) '

(4)

где 5 - пересыщение пара относительно плоской поверхности воды; К(Т, р) и %(Т, р) - функции конденсационного роста капли, учитывающие психрометрическую температуру капли и скачки концентрации пара и температуры у поверхности капли. Величина

В* = 1 + В - ЬГ-0

г Г г

(5)

определяет поправку на гигроскопичность ядер конденсации и кривизну поверхности капли; В - величина, определяющая влияние поверхностного натяжения; Ь - конденсационная активность ядер кон-

денсации; г0 - радиус растворенной в капле гигро скопической частицы.

Поток водяного пара в (3) не является равновес ным, а определяется величиной пересыщения водяного пара 5, изменение которого во времени описы вается уравнением [10]:

1 й5 = йЫр _ Ь й 1п Т йЕ (1 + 5) йг = йг ЯТ йг рп йг'

(6)

где г - время; Ср - удельная теплоемкость воздуха; Ь - удельная теплота конденсации; р - плотность воздуха; g - ускорение свободного падения; V -скорость восходящего воздушного потока. Ско-

йЕ Пл

рость изменения влажности воздуха в (1)

определяется соотношением:

Ш = 4пр,| г2/(г) %%г - |VАW,

где Я - газовая постоянная водяного пара; рп - плотность пара.

Последние слагаемые в (1) и (3) определяют вовлечение тепла и влаги в воздушную струю из окружающего воздуха. Здесь | - показатель вовлечения [8], АТ и АЕ - разность температур и абсолютных влажностей воздуха в воздушной струе и окружающей среде. Предполагается, что на заданной высоте вовлечение однородно по всему поперечному сечению воздушной струи [7]. При | = 0 уравнения (1-3) описывают адиабатический подъем воздушной массы. Введение параметров вовлечения АТ и АЕ приводит к отличному от влажнодиабатического вертикальному профилю температуры в воздушной струе, вследствие чего водность формирующейся облачной среды отличается от адиабатической. В общем случае параметры АТ и АЕ зависят от параметров состояния атмосферы и являются функциями высоты. Такой способ моделирования вовлечения использовался в ряде работ по исследованию формирования и эволюции конвективных облаков [8, 11] (в т. ч. - при воздействии гигроскопическими частицами [4, 5]). Как правило, при этом параметры вовлечения определялись из кривых стратификации атмосферы по экспериментальным данным аэрологических измерений. В настоящей работе параметры АТ и АЕ полагались постоянными величинами, а зависимость показателя вовлечения от высоты согласно [8, 9] принята в виде:

|

0.2

70 + 0.2г'

(7)

где г - высота (м) над уровнем основания облака. Подбором величин АТ и Ае можно осуществить соответствие рассчитываемых вертикальных профилей параметров облака с реально наблюдаемыми в натурных условиях атмосферы.

В представляемой физико-математической модели рассматривается горизонтально однородная задача, так что все рассчитываемые параметры облачной среды зависят только от пространственной переменной по вертикали г. При постоянной скорости вертикального воздушного потока V для непе-ремешивающихся объемов воздуха связь между временными изменениями параметров среды с их изменениями по вертикали осуществляется с помощью соотношения йг = Vйг. При этом параметры среды на данной высоте не изменяются во времени. Седиментация облачных капель приводит к времен-

ным изменениям параметров облачной среды на данном постоянном уровне г. Для учета этого процесса на каждом временном шаге расчетов определяется количество осаждающихся на данном уровне г капель за определенный промежуток времени и в функцию распределения капель по размерам вносится соответствующая поправка. Изменение функции распределения приводит к изменению величины потока водяного пара на капли, что, в свою очередь, приводит к временным изменениям 5,р и Т.

Начальная стадия формирования микроструктуры облачной среды описывается уравнением конденсационного роста капель (4) и рассчитывается по методике, представленной в [12]. При этом задаются начальные условия состояния воздушной массы (р, Т и V) и параметры атмосферных ядер конденсации на уровне основания облака (г = 0). По этим данным рассчитывается функция распределения капель по размерам и соответствующие метеопараметры на уровне г1 = УДг^ где Дг1 - время, в течение которого формируется спектр облачных капель, и процесс активации атмосферных ядер конденсации уже завершился [12]. В дальнейшем происходит лишь регулярный конденсационный рост образовавшихся капель. Новые капли больше не образуются. В настоящей работе высота г1 принята равной 240 м.

Полученные на начальной стадии конденсации данные являются исходными для расчета эволюции микроструктуры облачной среды с использованием кинетического уравнения, которое записывается в следующем виде:

где

Э/(г- + дг((V- W(г))/(г, Г, г)) =

Эг

д/ Эг

+

/ Эг

(8)

капли;

/ / /

с к

= 1

, 3 ,3.2/3 0 (Г - Г )

Р(3Л

Г3-г'3, т )/(г, VГ3-г

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком