ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 6, с. 782-788
УДК 551.501.776
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДОСОДЕРЖАНИЯ
КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКОВ
© 2009 г. М. Т. Абшаев, А. М. Абшаев, А. М. Малкарова, Ж. Ю. Мизиева
Высокогорный геофизический институт 360030 Нальчик, пр. Ленина, 2 E-mail: abshaev@mail.ru Поступила в редакцию 05.06.2007 г., после доработки 22.10.2008 г.
Рассматриваются метод и впервые полученные результаты радиолокационных исследований приведенной (интегрированной по высоте) и интегральной (интегрированной по объему) водности мощных ку-чево-дождевых облаков. Установлено, что в градовых облаках Северного Кавказа приведенная водность варьирует в пределах от 8 до 50 кг/м2, в ливневых облаках - от 0.5 до 12 кг/м2, в слоисто-дождевых облаках - обычно менее 0.5 кг/м2, а в облаках с моросящими осадками - менее 0.05 кг/м2. Основное водосодержание градовых облаков в стадии развития сосредоточено в их переохлажденном слое, в стадии зрелости - в слое от земли до высоты 8-10 км, а в стадии диссипации - в приземном слое. Соотношение приведенной водности переохлажденной и теплой частей облака позволяет оценить гра-доопасность облаков и стадию их развития. Показано, что объем градовых облаков варьирует в пределах от 103 до 5 х 104 км3, а их интегральная водность - от 105 до 6 х 106 тонн. Область локализации града занимает 5-25% объема облака, но его вклад в интегральную водность составляет 30-60%. Скорость осадкообразования в мощных градовых облаках составляет 1 х 104-5 х 105 тонн/мин, и такой же порядок величины имеет скорость спада интегральной водности в стадии их диссипации.
Интегральное водосодержание и приведенная водность являются важнейшими параметрами мощных конвективных облаков, определяющими интенсивность их градовой и грозовой деятельности, количество генерируемых осадков, а также возможность формирования паводков и селей ливневого происхождения. Значения этих параметров могут использоваться для оценки оптической плотности облаков, ослабления радиоволн разного диапазона, изучения их радиационных свойств и радиояркостной температуры для интерпретации спутниковых наблюдений. Измерения интегрального водосодержания облаков и их переохлажденной части важны также для исследования водозапасов облаков для целей искусственного увеличения осадков, оценки осадкооб-разующей эффективности облаков, разрушительного потенциала градовых облаков, оценки градоопасности облаков и эффективности активного воздействия на них.
Целью настоящей работы является радиолокационное исследование приведенной и интегральной водности кучево-дождевых облаков, пределов их вариации, особенностей пространственного распределения, закономерностей эволюции во времени и оценка скорости осадкообразования.
1. МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ИССЛЕДОВАНИЙ
На основе теоретических и экспериментальных исследований рассеяния и ослабления радиолокационного излучения отдельными гидрометеорами (капли воды, град, снег), а также полидисперсными системами гидрометеоров ранее были разработаны одноволновые и двухволновые методы радиолокационного измерения водности облаков, а также дождевых и градовых осадков [1, 4-6 и др.]. Водность облаков различного генезиса, не содержащих частиц осадков, достаточно детально изучена авиационными методами и приводятся в справочной литературе [7]. Значительно менее изучено содержание воды в облаках в виде крупнодисперсных частиц осадков (капель дождя, градин, снежинок), его пространственное распределение и интегральные значения.
Как известно, осадкообразующие облака представляют собой полидисперсную систему, состоящую из облачных капель, кристаллов и частиц осадков размером более 100 мкм. Водности мелкодисперсной (облачной) и крупнодисперсной (осадко-вой) фракций в кучево-дождевых облаках могут быть одного порядка величины (от 0.1 до 3-5 г/м3). Но радиолокационная отражаемость мелкокапельной фракции в 104-107 раз меньше отражаемости градовой и дождевой фракций и не превышает
Z = -10 dBZ, даже при предельно больших значениях водности мелкокапельной фракции.
Создание автоматизированных систем обработки радиолокационной информации типа "АСУ-МРЛ" и "TITAN" дало возможность получения пространственного распределения водности облака по всему объему облака, а также измерения двумерных и трехмерных параметров облаков, включая интегрированное по вертикали и по всему объему облака содержание воды. Автоматизированная система "АСУ-МРЛ" [2] обеспечивает трехмерный обзор пространства с периодичностью 3 мин, аналого-цифровое преобразование, осреднение и ввод радиолокационных сигналов в компьютер по 360 дискретным значениям азимута, 400 ячейкам дальности протяженностью 0.5 км и 18 углам наклона антенны и предусматривает расчет содержания воды в n-й ячейке облачного объема по формулам [2, 9]:
- в дождях qRn = 10
0.055Z,„„ -2.45
- в граде qHn =10
0.058 Z,r
-3.25
(1) (2)
(3)
q* = X q^A Hi.
(4)
i = i
(тонн). Эти же параметры рассчитываются и для переохлажденных облачных слоев выше изотерм 0°С и -6°С (АУ0, АУ_6, АМ0, АМ-6).
Интегральное водосодержание всего объема облака МЪг и его переохлажденной части АМЪ (тонн) рассчитывается путем интегрирования водности ц_п по всей площади и всем слоям облака от его основания до вершины, а также от уровня изотермы - 6°С до вершины:
m
Mzí = X qn (Zi) Sn (Z¡)
i = 1
m
A Mzi = Xa qn (Zi) Sn( Zi)
i = 1
(5)
- в смешанных осадках
qRn при Z 10n < 45 (1- k)qRn + kqHn при 46 < Z^ < 65 qHn пРи Z 10n > 66,
где Ъ10п - радиолокационная отражаемость в п-й ячейке площади обзора на длине волны 10 см; чКп и ЧНп - содержание воды в г/м3 в виде капель дождя и градин соответственно; к - параметр, зависящий от соотношения дождевой и градовой фракций смешанных осадков, приятый равным к = = 0.05^ - 2.24.
Суммирование значения водности чп по вертикали по всем слоям облака позволяет получить приведенную водность всей толщи облака (кг/м2) и построить карту распределения по всей площади обзора:
где чпг - водность п-го единичного объема облака на г-й высоте; АН, - вертикальная протяженность г-го слоя облака, равная 0.5 км.
Карты распределения по площади приведенной водности слоя зарождения и роста града (АдХ0 и АдХ6) строятся путем аналогичного суммирования чпг по облачным слоям выше изотерм 0°С и -6°С.
В "АСУ-МРЛ" также предусмотрен [2] расчет объемов облака (УЪ), ограниченных изолиниями Ъ > 15, 25, 35 ... 75 dBZ, а также расчет интегрального содержания воды в этих объемах облака МЪг
где qn(Z) - значение водности в n-й ячейке площади обзора, внутри изоконтура с заданной отражаемостью Z = 15, 25, 35 ... 75 dBZ; Sn(Z) - площадь n-й ячейки площади обзора, внутри изоконтура с заданным значением Z; n - число ячеек площади обзора; m - число облачных слоев.
Значения М15, M25, M35 характеризуют водосодержание ливневых облаков, а значения M45, M55, M65 и M75 - водосодержание всего объема локализации града, объемов крупного града и града катастрофической интенсивности соответственно. По аналогии значения AM45, AM55, AM65 и AM75 характеризуют водосодержание массы града, растущего в области отрицательных температур.
Оценка инструментальных и методических ошибок измерений показала, что среднеквадратичная ошибка измерения приведенной (qx и Aqx) и интегральной (MZi и AMZi) водности составляет 32 и 41% соответственно [2]. Экспериментальная проверка точности измерений затруднительна из-за отсутствия эталона. Однако сравнение результатов аналогичного измерения количества осадков с данными сети плювиографов показала, что среднеквадратичная погрешность измерения составляет 38% с коэффициентом корреляции между данными радиолокационных и наземных измерений 0.92. Следует также отметить, что данные авиационных измерений спектра и концентрации градин и крупных (дождевых) капель, проведенных в США и Канаде с помощью двумерных оптических датчиков 2-Д ОАП корпорации PMS [11], дают значения водосодержания единицы объема такого же порядка величины, что и рассматриваемый радиолокационный метод.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Экспериментальные исследования проводились на Северном Кавказе на автоматизированных радиолокаторах научно-исследовательского полиго-
q
n
m
q, кг/м2 -2O
-15
(a)
lO -5
АБШАЕВ и др. O
(б)
-15 -1O -5
O
Рис. 1. Карты приведенной водности: a (Aq^ кг/м2), наблюдавшегося 29.08.2006 г.
- всей толщи q кг/м2); i Ставропольском крае.
O
- переохлажденной части градового облака
на ВГИ и Ставропольской противоградовой службы Росгидромета. На основе анализа обширного экспериментального материала, включающего более 12 тысяч файлов радиолокационного обзора пространства, получены статистические данные о пределах вариации объема облаков (Уа), водности (#), приведенной (дх) и интегральной водности (Ма) мощных кучево-дождевых облаков, из которых выпадали градовые и ливневые осадки.
2.1. По данным этих исследований установлено, что водность единицы объема кучево-дождевых облаков варьирует в пределах 0.1 < q < 8 г/м3. Водность максимальна в центральной части осесимметрич-ных облаков и убывает к их периферии. В несимметричных конвективных ячейках многоячейковых и суперячейковых облаков максимум водности отмечается на правом наветренном фланге. В случае мощных градовых облаков максимальные значения водности достигают 4-8 г/м3, что приводит к выпадению осадков интенсивностью более 100 мм/час.
2.2. На рис. 1 представлен пример карты приведенной водности всего облачного слоя и облачного слоя выше изотермы 0°С (AqX0) в градовом облаке 29.08.2006 г. в 1838. Из этого рисунка следует, что приведенная водность всего облачного слоя в этот момент превышает 30 кг/м2. Сравнение карт q1 (рис. 1а) и AqX0 (рис. 16) указывает на то, что значительная часть водности облака в этот момент времени сосредоточена в переохлажденной части облака, в зоне роста града.
Соотношение значений приведенных водностей qz, AqX0 и AqX-6 градовых облаков зависит от стадии их эволюции:
- в стадии развития градоопасных облаков значения этих параметров близки друг к другу, так как основная водность на этой стадии сосредоточена в п
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.