ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 1, с. 52-59
УДК 551.543.3
ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН ОТ КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ НА АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ И ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМУЩЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ © 2015 г. С. П. Кшевецкий*, С. Н. Куличков*
*Балтийский федеральный университет им. И. Канта 236006 Калининград, ул. А. Невского, 14, E-mail: SPKshev@gmail.com Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский, пер. 3 E-mail: megafon1953@mail.ru Поступила в редакцию 17.10.2013 г., после доработки 22.05.2014 г.
Анализируются экспериментальные данные вариаций приземного атмосферного давления в области наблюдений грозовых явлений. Получено соотношение, связывающее вариации давления на земле с вариациями температуры в тропосфере, и изучается связь вертикального распределения температуры тропосферы с вариациями давления на земле. Моделируется распространение внутренних гравитационных волн от нагрева атмосферы конденсацией паров воды при образовании конвективного облака. Результаты расчетов показывают, что продолжительность существования внутренних гравитационных волн от нагрева атмосферы при образовании конвективного облака может существенно превышать время существования облака. Показано, что форма возмущения атмосферного давления под конвективным облаком представляет из себя последовательность минимума и максимума вариации давления, причем амплитуда максимума может превышать амплитуду минимума.
Ключевые слова: гравитационные волны, грозы, кучевые облака, конденсация, численное моделирование.
Б01: 10.7868/8000235151501006Х
ВВЕДЕНИЕ
В атмосфере внутренние гравитационные волны (ВГВ) с масштабами порядка масштаба стратификации плотности (высоты однородной атмосферы Н) распространяются вверх от источника у поверхности Земли под углом к горизонту, зависящим от волны. ВГВ небольших масштабов имеют незначительную скорость горизонтального распространения, но могут достигать высот верхней атмосферы (более 100 км) и являются индикатором процессов, происходящих недалеко от места обнаружения ВГВ.
Важными источниками ВГВ являются конвективные облака и грозы [1—2]. Грозы являются нестационарным источником тепла, который генерирует волны в основном за счет нагрева атмосферы при образовании в облаке капель воды и последующего охлаждения атмосферы из-за испарения выпадающих осадков. Генерации ВГВ и инфразвуковых волн грозовыми разрядами по-
священа работа [3]. Энергетически отдельные грозовые разряды значительно уступают процессам нагрева-конденсации. Имеется много разных типов грозовых разрядов. Они могут происходить между облаками, непосредственно в облаке или даже вверх в ионосферу. Усредненный по времени и пространству нагрев атмосферы грозовыми разрядами можно считать включенным в общий источник Q (х, у, z, 0 в (5), поскольку источник Q (х, у, z, 0 построен на основе экспериментального исследования нагрева газа в грозовой области. Характерное время развития грозового облака составляет около одного часа [6, 7]. Публикации [5— 8] посвящены генерации ВГВ грозами и вертикальному распространению ВГВ от гроз вплоть до термосферы.
Нагрев газа при образовании конвективных облаков происходит за счет фазовых переходов водяной пар—вода и вода—лед. Фазовые переходы возникают вследствие изменения температуры и давления при конвективном движении влажного
св
Рч
<
50000
100000
150000
г, с
Рис. 1. Экспериментальные данные колебаний приземного давления АР 10—11 апреля 2006 г. на инфразвуковой станции 1817 (6.7° К, 4.9°
воздуха. Внутренние гравитационные волны небольших масштабов, генерируемые грозами, характеризуются замкнутыми траекториями движения частиц воздуха, и сами создают конвекцию в тропосфере. Эта конвекция может приводить к возникновению новых конвективных облаков и являться источником новых ВГВ. Таким образом, тропосфера является активной средой. Грозы часто реализуются каскадами, в каскадах грозы взаимодействуют между собой.
Обычно грозовые области атмосферы имеют горизонтальный масштаб 5—50 км и вертикальный масштаб порядка масштаба стратификации плотности. ВГВ таких масштабов имеют частоты несколько меньшие частоты Вяйсяля—Брендта. Грозовые явления способны генерировать широкий спектр ВГВ с характерными временами примерно от 3 минут до часа [2—4].
В атмосфере существует суточный ход параметров, сильнее всего выраженный ближе к экватору и являющийся следствием периодического солнечного нагрева и выхолаживания атмосферы. Суточный ход параметров может регулярно запускать процессы конденсации и инициировать грозы.
При расчете ВГВ, генерируемых грозами, трудность заключается в задании источника волн. Конвективные явления сложные, и измеряемых одновременно характеристик часто недостаточно для восстановления пространственного и временного поведения параметров атмосферы. Одним из возможных источников информации об изменении нагрева в тропосфере являются измерения приземного давления. Ниже мы рассмотрим
вопрос о генерации ВГВ конвективными облаками и о влиянии генерируемых ВГВ на атмосферное давление.
АНАЛИЗ ДАННЫХ ПРИЗЕМНОГО ДАВЛЕНИЯ
Рассмотрим оцифрованные экспериментальные данные колебаний приземного давления во время грозовых явлений 10—11 апреля 2006 г. на инфразвуковой станции 1817 (6.7° К, 4.9° ^ [9] (рис. 1). Мы будем изучать вопрос о том, каким образом низкочастоные колебания давления можно связать с развитием грозовых облаков. Для анализа результаты измерения добавки к фоновому давлению ДР( х0, у0, z = 0, г) были усреднены с окном, большим обратной частоты акустических волн, но не превосходящим обратную частоту Вяйсяла— Брендта, ~ 0.02«-1; для результата усреднения сохраним обозначение ДР( х0, у0, z = 0, г). Усреднение позволяет отфильтровать акустические волны, и в полученном усредненном давлении содержится информация только о ВГВ.
Минимумы давления, когда добавка ДР к фоновому давлению отрицательна, соответствуют повышенной температуре тропосферы и указывают на возможный нагрев образующимися конвективными облаками (см. формулу (3)). На рис. 2 показан типичный наблюдаемый минимум давления ДР, а на рис. 3 — типичный наблюдаемый максимум давления ДР.
0
Рис. 2. Типичный наблюдаемый минимум АР.
Рис. 3. Типичный наблюдаемый максимум АР.
СВЯЗЬ ПРИЗЕМНОГО ДАВЛЕНИЯ С ТЕМПЕРАТУРОЙ ТРОПОСФЕРЫ
Известно, что для внутренних гравитационных волн приближенно выполняется условие квазигидростатического равновесия
дР (X, у, г, г) дг
+ р(х, г, % = 0.
(1)
дАР(х, у, г, 0 дг
Др(х, у, г, ^ = 0,
ДР(х, у, г, г) = Др(х, у, г, (г) + + Ро (г) gДH (X, у, г, г).
(2)
Здесь введены функции Н (г) = ^^^, Д#(х, у,
л ЯАГ(х, у, г, 0 „
Z, т) =--, в которых К — универсальная
газовая постоянная, ц — молекулярный вес воздуха, р0^) — фоновая плотность, Т0^) — фоновая температура.
Проинтегрируем уравнение (2) и учтем, что ДР(х, у, z = да, т) = 0:
(
= ехр
"Р* (г)
АР(х, у, г, 0 =
V »
V 0
Н (г)
АН (х, у, г, г)
н2 (г)
йг
Как следствие, на земле
ДР(х, у, г = 0,0 = | Р0 (г)
АН (х, у, г, г) Н2 (г)
йг. (3)
Здесь Р(х, у, z, Т) — давление, р(х, у, z, Т) — плотность, g — ускорение свободного падения и z — вертикальная координата. Условие гидростатического равновесия выполняется для параметров фоновой атмосферы.
Конвективные облака возникают вследствие нагрева тропосферы конденсирующимися водяными парами при конвекции. Обозначим изменение температуры атмосферы за счет этого нагрева ДТ(х, у, z, Т). Очевидно, нагрев приводит к изменению давления и плотности. Обозначим символом ДР(х, у, z, Т) добавку к фоновому атмосферному давлению Р0^). Изменение плотности обозначим ДР(х, у, z, Т). Вследствие (1) эти грозовые добавки ДР(х, у, z, Т), ДТ(х, у, z, Т), Др(х, у, z, Т) связаны между собой уравнениями
Также можно написать формулу для изменения плотности:
. , л АР(х, у, г, г) / чАН(х, у, г, г) Ap(х,y,г0 = — -Р0(г)—^ ' 7. (4)
gH (г) Н (г)
Формула (3) содержит под интегралом фоновое давление P0(z), экспоненциально убывающее с высотой. Поэтому основной вклад в вариации приземного давления дают тропосферные вариации температуры, а вариации температуры выше тропосферы слабо влияют на приземное давление.
Формула (3) приближенная. Она удобна для качественного анализа связи конвективных явлений с приземным давлением. Гроза ассоциируется с тропосферным нагревом атмосферного газа вследствие конденсации водяных паров. Формула (3) показывает, что нагрев тропосферы обязательно сопровождается понижением атмосферного давления. Формула (4) показывает также, что при нагреве тропосферы плотность приземного газа падает.
Предположение, что под образующимся конвективным облаком должно понижаться атмосферное давление, мы используем дальше для анализа результатов измерения приземного давления.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВГВ
Ниже изучим ВГВ от теплового источника, обусловленного грозой, с помощью численного решения системы уравнений гидродинамики для атмосферного газа. При моделировании использовалась трехмерная модель сухой атмосферы, описанная в [10]. В атмосфере влияние влажности в основном сводится к нагреву-охлаждению газа за счет процессов конденсации и испарения, остальные эффекты от влажности сравнительно малы. Мы учтем этот нагрев с помощью специального источника Q(x, у, z, Т) в (5), что позволит использовать модель сухой атмосферы. Многие
0
авторы считают, что генерация ВГВ происходит за счет колебаний вертикальной скорости в конвективной области [11]. Мы придерживаемся точки зрения, что нагрев источником 0(у, г, О первичен: нагрев приводит к расширению газа и его последующему всплыванию, что вызывает колебания вертикальной скорости, которые распространяются в виде волн.
Уравнения нелинейной модели
Традиционно предполагаем, что поведение параметров нейтральной атмосферы описывается системой гидродинамических уравнений для вязкого теплопроводного идеального газа
др + дри ору + дpw _ о
д1 дх дх дг
40 г
Л
Ж.
дх
- vAu,
р^ = _дР + vAv, р^ = _дР - pg + vAw, А ду А дг
р А^ т = _Р (ди + ^ + ^ + кАТ + рах, у, z, о, А ц ^дх ду дг)
(5)
Р =
рЯТ
св
Рч
<
3000
Зде
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.