УДК 551.576.11:551.510.42
Исследование влияния сильного аэрозольного загрязнения атмосферы на развитие кучево-дождевого облака значительной вертикальной протяженности
А. А. Синькевич*, Т. В. Краус**, С. Д. Павар***, Н. Е. Веремей*, Ю. А. Довгалюк*, А. Б. Куров*, В. Гопалакришнан***
Рассмотрен случай развития кучево-дождевого облака в юго-западной части Саудовской Аравии в условиях высокого загрязнения атмосферы аэрозолем естественного происхождения. С использованием наземного радиолокатора и радиометрической аппаратуры, установленной на спутнике, получены характеристики СЬ с высотой верхней границы более 14 км и максимальной отражаемостью 58 дБZ. Для измерения интенсивности осадков по радиолокационным данным использовалось Z—I соотношение, полученное нами для исследуемого района. Для расчетов интенсивности осадков также использовались результаты зондирования радиометром SEVERI, установленным на спутнике "Meteosat-8". Выполнены численные эксперименты по моделированию влияния аэрозоля на эволюцию исследуемого облака. Моделировалось развитие облака при наличии фонового аэрозоля, а также при повышенной концентрации аэрозоля, при этом рассматривалось три случая: аэрозоль представляет собой пассивную примесь; аэрозоль обладает гигроскопическими свойствами; аэрозоль обладает льдообразующими свойствами. Показано, что наиболее сильное влияние на эволюцию облака оказывает усиление льдообразования под действием аэрозоля; при этом не только изменяется распределение интенсивности осадков во времени, но и увеличивается их количество.
1. Введение
Влияние аномально повышенной концентрации аэрозолей на характеристики облаков неоднозначно. Даже очевидное прямое воздействие на микроструктуру облаков будет зависеть не только от концентрации аэрозольного вещества, но и от его местонахождения, физико-химических свойств, времени существования повышенной концентрации [4, 8, 9].
В настоящее время влияние аэрозольного загрязнения в глобальном масштабе на микроструктуру облаков достаточно хорошо изучено [6, 7, 19, 29, 48, 49]. В большей степени исследовано влияние гигроскопических аэрозолей на увеличение фонового содержания ядер конденсации (ССК) [12].
Минеральные частицы пыли являются эффективными ядрами кристаллизации [47]. Однако эти вещества недостаточно активны в качестве ядер конден-
* Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова; e-mail: sinkevich51@mail.ru.
** Компания "Kraus Weather Services Inc.", Канада.
*** Институт тропической метеорологии, Индия.
сации. В случае нахождения в атмосфере в течение длительного времени они приобретают гигроскопические свойства в результате осаждения на их поверхности сульфатов и других гигроскопических веществ [42, 57]. Частицы морской соли также могут покрывать поверхность частиц пыли, в последнем случае их гигроскопические свойства усиливаются [42]. Имеются многочисленные данные об увеличении концентрации капель в облаках при повышенной концентрации аэрозольных частиц, обладающих гигроскопическими свойствами [19, 27, 32, 41, 49, 56].
Важнейшим является вопрос о влиянии повышенной концентрации аэрозольных частиц на количество выпадающих осадков. Анализ результатов ранее проведенных исследований показал, что повышенное содержание ядер конденсации приводит к увеличению концентрации капель и уменьшению осадков из конвективных облаков [59, 60]. Установлено, что аэрозольные частицы по-разному влияют на облака небольшой мощности и мощные облака вертикального развития. Так, для облаков малой вертикальной мощности действительно отмечается уменьшение количества осадков [50—52]. Следует отметить, что эффект повышенной концентрации ядер конденсации на осадки не столь однозначен и зависит от природы таких ядер и их размеров [21]. При некоторых условиях отмечается увеличение количества осадков [22]. Кроме того, наличие таких аэрозолей естественно оказывает влияние и на остальные характеристики облаков, включая грозовую активность, которая существенно зависит и от наличия льдообразующих аэрозолей [13, 15, 46].
При исследовании с использованием численных моделей облаков выявлено наличие связи между количеством и свойствами аэрозольных частиц и динамикой облаков [54]. В теоретической работе [54] показано, что с увеличением концентрации ядер конденсации в облаках мощной конвекции (и в многоячейковых СЬ) увеличиваются скорость восходящих потоков и количество осадков. Авторы данной работы отмечают особое влияние скрытой теплоты фазовых переходов на динамику облака в зависимости от концентрации аэрозольных частиц. Тип воздушной массы (морская, континентальная) также оказывает заметное влияние на зависимость параметров облака от концентрации аэрозолей [39]. Расчетные параметры конвекции для континентальных облаков превосходят соответствующие параметры для морских. Так, расчеты для выбранных дней показывают, что характеристики облаков заметно различаются между собой. В частности, для выбранного случая развития облака [39] установлено, что для континентального облака характерно появление шквала и наличие существенного количества осадков; в морских облаках эти явления отсутствовали.
Достаточно интенсивно научное сообщество изучало влияние загрязнения атмосферы крупными промышленными центрами на количество выпадающих осадков [26]. В целом в экспериментах не удалось зафиксировать прямой зависимости количества выпадающих осадков от концентрации антропогенного аэрозоля. В то же время для орографических облаков было выявлено уменьшение количества выпадающих осадков по мере увеличения концентрации антропогенного аэрозоля [24, 25]. Это явление исследователи связывают с уменьшением размеров облачных капель и, как следствие, с ослаблением процесса обзернения выпадающих кристаллов и уменьшением количества выпадающего снега.
Можно отметить, что если влияние повышенной концентрации атмосферного аэрозоля, обладающего гигроскопическими свойствами, относительно хоро-
шо изучено, то влияние больших концентраций аэрозольных частиц, имеющих льдообразующие свойства, на характеристики облака, включая осадкообразование и электризацию, исследовано пока недостаточно.
Данная статья посвящена исследованию влияния высокого загрязнения атмосферы аэрозолем естественного происхождения на характеристики куче-во-дождевых облаков путем анализа развития выбранного кучево-дождевого облака. Анализ базируется на результатах наблюдений за кучево-дождевым облаком большой вертикальной протяженности, развивавшимся в юго-западной части Саудовской Аравии (вблизи г. Абха) 3 июля 2009 г., когда над указанным районом наблюдалось сильное загрязнение атмосферы аэрозолем естественного происхождения.
Для получения информации использовались данные радиолокатора, спутника "Meteosat-8", данные наземной сети, измеряющей метеорологические величины и параметры аэрозоля. Моделирование развития облака проводили с помощью численной нестационарной полуторамерной модели конвективного облака.
2. Краткая климатологическая информация об исследуемом районе
По климатологическим характеристикам Королевство Саудовская Аравия относится к странам восточной части Средиземного моря. Территория всей страны засушлива, за исключением района Асир, который находится на юго-западе страны. Количество осадков в этом районе составляет более 300 мм в год, что связано с уникальным географическим положением — район примыкает к Красному морю, где располагается прибрежная равнина, затем по направлению на восток начинает круто подниматься в горы, вытянутые вдоль побережья Красного моря, высотой более 2 км. Такое географическое положение обусловливает довольно большое количество осадков, вызванных адвекцией теплого влажного воздуха в нижней тропосфере, наличием области низкого давления в Судане и влиянием муссона [20]. Осадки в летний период имеют выраженный суточный ход из-за морского бриза. Повторяемость дней с грозой в районе Асир превосходит 100 дней в год [31]. При этом над горами наблюдаются орографические облака, верхняя граница которых довольно часто превышает 18 км. Часто наблюдается выпадение града и очень интенсивных ливневых осадков [10, 11, 16, 37].
Анализ данных, полученных с помощью самолетных измерений, показал, что облака по концентрации капель относятся к континентальному типу. Концентрация капель составляет несколько сотен в кубическом сантиметре [40, 58]. Формирование осадков в этих облаках обусловлено наличием ледяной фазы. Конечно, при этом нельзя исключить и роль механизма формирования "теплого дождя", учитывая возможность наличия крупных аэрозольных частиц, поступающих в исследуемый район из акватории Красного моря с морским бризом [35].
3. Анализ данных радиозондирования
Анализируемый в данной статье эксперимент проводился в районе Асир. Сильный дневной бриз в направлении района Асир со стороны Красного моря обеспечивал адвекцию водяного пара, а наличие гор приводило к вынужденному подъему воздуха, что было причиной неустойчивости воздушных масс.
В результате этих процессов формировались облака вертикального развития. Формированию этих облаков также способствовал восточный ветер, который преобладает на рассматриваемой территории в этот сезон. Наличие сдвига ветра интенсифицировало облачную конвекцию и увеличивало продолжительность существования кучево-дождевых облаков.
Результаты радиозондирования атмосферы в г. Абха за 12 ч ВСВ (15 ч местного времени) представлены на рис. 1. В атмосфере наблюдалась значительная вертикальная термическая неустойчивость. При построении траектории движения влажной частицы за приземную температуру и температуру точки росы приняты значения 26,4 и 16,2°С, что соответствует наблюдаемым значениям в 12 ч ВСВ в исследуемый день. Анализ данных радиозондирования показал, что влажность на высоте более 7 км из-за влияния квазистационарного субтропического антициклона была очень мала. Здесь преобладал ветер восточного направления. Во второй половине дня в нижней части тропосферы начал преобладать западный ветер вследствие наличия бриза из района Красного моря. Морской бриз повысил влажность воздуха и стимулировал развитие к
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.