Экспериментальные исследования фазодисперсного строения

МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1992 N1 8
УДК 551.576.1:551.506.5
Экспериментальные исследования фазодисперсного
строения облаков слоистых форм при отрицательных
температурах
А. Н. Невзоров, В. Ф. Шугаев
Излаганпся методика и результаты исследований, выполненных с
помощью комплекса самолетной облачной аппаратуры ЦАО. Обнаружено,
что жидкая фаза присутствует практически во всем объеме
льдосодерткаи^ облаков слоистых форм с температурами, по крайней
мере, до ~53'С и заключена большей частью в каплях размером свыше
30 мкм. Ее водность по величине сравнима с ледяной, а соотношение
между ними варьирует в максимально широких пределах. В целом
облака отрицательных температур существенно различаются не только
наличием, но и дисперсностью обеих фазовых составляющих. Приводятся
определение основных характеристик и статистически устойчивых типов
фазодисперсных структур, включающих три смешанных типа, и
температурная диаграмма их повторяемости. Однофазные структуры
наблюдаются скорее как исключение и в основном на краях
температурного интервала 0...-55°С. Полученные результаты открыты
для обсуждения.
Введение. Известно [6], что в земной атмосфере преобладают облака
с отрицательными температурами, состоящие из жидких и ледяных ча­
стиц. Значительная роль этих облаков в трансформации и взаимодействии
целого ряда атмосферных процессов привлекает разностороннее внимание
к их микрофизическому строению. Представления об этом еще далеки
от определенности [6], в чем сильнее всего убеждает непрекращающийся
процесс их радикального уточнения со стороны натурного эксперимента.
Офбенно важно, что по мере углубления эмпирических данных они все »
сильнее расходятся с классическими, физическими ясными концептуаль­
ными установками Вегенера, Бержерона и Финдайзена. Предложенные
объяснения отдельных противоречий также не получают эксперименталь­
ного подтверждения.
Обратимся к фактам. По всей видимости, сегодня еще сохраняется
длительная тенденция возрастания экспериментальных оценок концент­
рации облачных ледяных кристаллов с повышением чувствительности их
идентификации [2, 4, 11, 14—18]. При этом на порядки увеличивается
давно установленное превышение концентрации кристаллов над выявлен­
ными природными льдообразующими ядрами (ЛЯ) [15, 17—19]. В порядке
объяснения подобного различия в литературе последних десятилетий ак­
тивно обсуждаются (на уровне гипотез) различные механизмы замерзания
капель и вторичного льдообразования [15, 17, 19]. Вместе с тем получены
новые экспериментальные результаты [И], фактически отрицающие до­
минирующую роль любого из ранее предложенных льдообразующих ме­
ханизмов и указывающие на иную, чем предполагалось, природу дейст­
вующих атмосферных ЛЯ. С этим выводом согласуются недавние иссле­
дования реактивационных свойств природных облачных ядер [20, 21].
Нет сомнения в том, что в решении проблемы льдообразования в облаках
назрело новое и перспективное направление.
52
МЕТЕОРОЛОГИЯ и ГИДРОЛОГИЯ 1992 № в
В работе [И] содержится экспериментальное объяснение феномена
длительной жизнеспособности переохлажденных облаков, не совместимой
с общей концепцией ЛЯ.
Остается неразрешенной целая гамма вопросов, связанных с наблю­
дениями жидкой фазы в льдосодержащих облаках (ЛСО). С общепринятой
точки зрения на коллоидально-фазовую неустойчивость смешанных об­
лаков удивляет их высокая повторяемость (и соответственно большое
время жизни), определенная примитивными средствами 1950-х годов [6].
Выдвинутая версия регенерации жидкой фазы в восходящих движениях
сопровождается теоретической расчетной моделью [6], которая на 2—3
порядка не согласуется с реальными характеристиками облаков слоистых
форм, также отображенными в [б]. Аналогично нуждаются в экспери­
ментальном уточнении и возможном объяснении далеко не единичные
факты обнаружения жидкой фазы в кристаллических, по общим пред­
ставлениям, облаках, в том числе при температурах ниже -40°С [13,
19], а также свидетельства присутствия в ЛСО крупных (до сотни мкм)
капель, приносимые многочисленными импакторными пробами и явлением
обзернения кристаллов [1, 12, 18].
Становится очевидным, что современная физика ЛСО испытывает по­
требность не просто в эмпирическом, но прежде всего в концептуальном
развитии, единственной пока основой для которого может служить глу­
бокий разносторонний и обязательно беспристрастный натурный экспе­
римент.
Настоящая работа продолжает цикл экспериментальных исследований
по микрофизике облаков отрицательных температур, выполненных в [4,
7, И, 16] с помощью аппаратуры самолетного облачного микрофизиче­
ского комплекса (СОМК) ЦАО [10]. По направлению и результатам она
вплотную смыкается с [11]. Но если в [11] рассматривалась "латентная"
ледяная фаза в переохлажденных облаках, то здесь основное внимание
уделяется наблюдениям жидкой фазы в ЛСО (смешанных и кристалли­
ческих) в обычном представлении. Результаты обеих работ объединяются
в классификации и статистике повторяемости облачных' фазодисперсных
структур.
Инструментально-методические средства исследований. Перечень
и основные технические характеристики приборов СОМК приведены в
табл. 1. Поскольку методические аспекты их использования в данном
исследовании имеют специфические особенности по сравнению с [10,11],
мы вынуждены вновь на них остановиться.
Фотоэлектрический поляризационный нефелометр АФСО [5] предназ­
начен для спектрометрии жидких и ледяных частиц одновременно с иден­
тификацией ледяной фазы. Прибор содержит коллимированный источник
я-поляризованного света и приемники 5- и р-поляризованного импульсного
излучения, рассеянного индивидуальными частицами под 90°. В отличие
от [5] регистрация частиц в обоих приемниках производится независимо.
С 5-приемником соединен 5-канальный импульсный амплитудный ана­
лизатор (ИАА). Пороги ИАА экспериментально настроены на заданные
диаметры а?, капель воды [5], указанные в табл. 2. Соответствующие
им средние пороговые значения эффективного диаметра сечения кристал­
лов а, (т. е. диаметра круга, равновеликого с осредненным по всем ориентациям сечением) получены в [4] расчетным путем безотносительно
53
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 19П 1« с
Табли
Состав и основные технические
Ихыеряемая величина
Наименование 1фибора
Анализатор фазы / спектрометр облачных Дшметр кшюль, ё
частиц АФСО
ЭффектившУ! диаметр кристаллов, а
Концеитращм частиц,
Расшпнавание кртастпяов с в
Измеритель спектра разжров крупных ча­ Диаметр часпщ, 4, а
Концентрация, АГ
стиц ИРЧ
Коэффициент (фюпускаиия
Показатель ослабоения, у
Регистратор прозрачности облаков РП-73
пр
(на базе I - 16 м)
Приборная <б^ к<фрекции) водаость ка­
Измеритель полной водности о6лак(я
пельного обялхл, Щ
иво-п
То же, Гг
Измеритель жидкокапельнои водности об­
лаков ИВО-ЖДиапазоны и погрешности измерений у Ж , ВК, указаны без учета вли
Примечание.
приборных показаний.
К 4юрме кристаллов. Каждый г-й канал ИАА непрерывно регистрирует
суммарную концентрацию
^, = N,1 +
,
(1)
где N^1 = М^(а>а),
М^, = М^(11><1^ — часточиая концентрация
соответственно кристаллов и капель. Пороги счетчика р-приемника (табл.
2) оценены в натурных наблюдениях на основании иеизменщи пока­
заний N3 < < N4 в моросящих теплых облаках и ЛГ, <Л', < N2 в кри­
сталлических облаках.
По данным табл. 2 легко выводится достаточный признак прдсзггствия
в облаке кристаллов
= ЛГ^ - ^ з > 0 ,
(2)
ибо величина Л'* не превосходит концентрацию кристаллов с размерами
от -25 до -50 мкм. В принципе она является приборной минимальной
оценкой концентрации собственно кристаллов.
Результат измерения интегрального распределения частиц в шкале раз­
меров кристаллов (т. е. при вольном или невольном игнорировании ка­
пель), очевидно, имеет вид
^М(а) = ЛГ,(а) + Л^Л1в),
а плотность распределения —
где п„ (а), л, (сГ) — плотности распределения соответственно кристаллов
и капель, | =
— отношение масштабов размерных шкал АФСО
для капель и кристаллов. Согласно табл. 2 | = 1,5.
Фотоэлектрический спектрометр "сверхкрупных" частиц ИРЧ (табл.
1) основан на теневом щелевом методе [&], имеет общую размерную
54
метеогалогия и гмдрология 1992 № »
ца 1
характериспки аппаратуры СОМК ЦАО
Максимальная приборная Приемная площадь, постоян­
Диапазон измерений
погрешность, %
ная времени
5
0,16 см'
30—180 мкм
0.5 с
20—120 мкм
20
(аналоговый выход)
10—Ю"*
от 25 до 50 мкм
7 см'
9
0.2-6 мм
1С
0- 310*м~^
(аналоговый выход)
1
-1200 см'
0-1
20
0.25 С
24—200 кж"'
50
1— 250 КМ-'
15
0,45 см'
3—2000 мг м'^
0,25 с
0,22 сл*
15
3—4000 мг м'^
0,25 С
яния микрофизических факторов (дисперсности облака и др.), требующих коррекции
шкалу для всех частиц и в случае кристаллов измеряет спектр их раз­
меров, близких к эффективным диаметрам а [4].
По показаниям трансмиссометра РП-73 [3] через закон Бугера опре­
деляется приборное, т. е. подверженное специфическим инструментальным
искажениям, значение показателя ослабления видимого оптического из­
лучения в облачной среде:
о ^
о ^
(4)
Здесь используется вышеприведенное определение кристаллического раз­
мера а, фактор Э(|)фективности рассеяния для всех облачных частиц
принят равным 2 [3], ^ (я) к
— функции искажений РП. Согласно
выполненному в [3] расчету, для РП 0,5 <5(ЙО < 1 при л? < 80 мкм
и 5(й?) « 0,5 при <^ > 80 мкм. В рамках расчетных приближений можно
считать 5, (а) = ^(а). Сопоставление значений у„р, измеренных непос­
редственно и рассчитанных по показаниям АФСО и ИРЧ, позволяет
значительно дополнить инструментальную информацию о микроструктуре
ЛСО [10].
Входящие в состав СОМК измерители полной и жидкокапельной вод­
ности облаков ИВО-П и ИВО-Ж полностью идентичны по испарительио-калориметрическому принципу действия [9] и различаются конфигу­
рацией коллекторов-испарителей поточных датчиков [11]. Фазовая се­
лективность обусловлена различием механизмов испарения частиц, инер­
ционно осаждающихся на горячие коллекторы. Ледяные кристаллы удер­
живаются до полного испарения в полости углубленного коллектора ИВОП1 но мгновенно уносятся потоком с обтекаемого (хщлиндрического) кол­
лектора ИВО-Ж, в то время как капли испытывают эффективный де-
55
МЕТЕОРОЛОГИЯ и ГИДРОЛОГИЯ 1992 № «
Таблица 2
Пороговые диаметры капель в эффективные диаметры сечевня ц)исталлов в
счетных каналах АФСО
Измеряемая
величина
Капли, а, мкм
Кристаллы, в, мкм
Канал 1-приемника (ИАА)
1
30
20
2
50
33
3
80
53
4
120
80
5
180
120
Канал
р-приемника
Р
-100
25...30
формационно-пленочный механизм исшарения на коллекторе любой фор­
мы.
Оба прибора отградуированы по отношению к жидкой фазе [9]. Обоз­
начим приборное показание ИВО-П через Щ, а ИВО-Ж через Жг. Оче­
видно, что
«'..г =
+ «5,.И',,
(5)
где И'ж,
— содержание соответственно воды и льда;
т] = 1,12 — коэффициент, учитывающий различие теплоты их па­
рообразования; е,6 — факторы эффективности (улавливания и ис­
парения) коллекторов. В данном исследовании принципиально на­
иболее важным оказывается вопрос об остаточном влиянии ледяной
фазы на показание ИВО-Ж Щ, т. е. о величине й,. Для выяснения
этого вопроса мы не располагаем иными средствами, кроме тща­
тельного анализа совместных натурных данных СОМК, поэтому
вернемся к нему несколько ниже. Заметим только, что в
работе [11] выявлено и использовано существенное различие в
чувствительности ИВО-П и ИВО-Ж к мелкодисперсной
(а < 20 мкм) ледяной фракции. Видимо, не менее четкого выпол­
нения <52 «1 следует ожидать в "обычных" ЛСО, где подавляющий
вклад в
вносят кристаллы с размерами в десятки и сотни
микрометров [4]. Учитывая (см. ниже), что в ЛСО величина
также обусловлена в основном достаточно крупными каплями,
откуда е, » « 1, получим
и^,«^(и^2
-
Щ;
ж. « - 1К„
(7)
где принятое 62 «I, вообще говоря, требует уточнения.
Экспериментальный материал. СОМК в описанном составе был исполь­
зован в летных исследованиях, проведенных на самолетах-метеолабораториях
ЦАО Ил-18Д в европейской части России (октябрь — ноябрь 1987 г.), Средней
Азии (март 1988 г.) и Болгарии (март — апрель 19^9 г.). Общая протя­
женность пересечения исследованных облаков отрицательных температур с
преобладанием ЛСО слоистых форм составила свыше 20 ООО км более чем
за 50 дней наблюдений. Исследованиями охвачены облака всех ярусов
до высот 10 км при температурах до -55°С. Полученные данные под­
вергнуты как выборочной детальной обработке, так и классификацион­
но-статистическому анализу с использованием первичных визуальных за56
МЕтеогояопп и г и д г о я о а и 19п М 1
л
:
V
75
^
гост
Рис. 1. Примеры облачных реализаций по табл. 3. В примере г данные ИРЧ отсутстяуют,
ётз > 30 мкм на всем участке.
У)й4с. 2 ) И 4 . ^)упр, <) У РКЧ.
писей, содержащих достаточную информацию о фазовом строении облаков
и пространственном распределении их характеристик. Результаты, отно­
сящиеся к разным регаонам и сезонам, аналогачны в основных выводах,
поэтому их широкое обобщение представляется вполне правомерным.
57
ж т е о и ш ш ш и ГИДРОЛОГИЯ м п м «
п(а} м'^//Омнм
а МММ
Рис 2. Спектры размеров частиц в сечениях реализаций рис. 1, обозначенных
цифрами.
Общие результаты. Льдосодержащие облака и облачные зоны опреде­
лялись с помощью объективного критерия (2), т. е. по признаку наличия
достаточно мелких (25—50 мкм) кристаллов.
На рис. 1 представлены результаты обработки совместных данных СОМК
в ряде характерных ситуаций, общее описание которых дается в табл. 3.
Воспроизведен пространственный ход следующих микрофизических харак­
теристик ЛСО: составляющих водности к и по (6); значений
показателя ослабления у„р, непосредственно измеренного с помощью РП, и
Ур.сч» рассчитанного по (4) в предположении отсутствия капель в показаниях
АФСО; характерного размера капель <см. ниже); концентраций частиц
Я| по АФСО и М^со по ИРЧ. Во избежание динамических погрешностей
первичные синхронные данные сняты в обычно совпадающих плавных экс­
тремумах и на "площадках" записей. На рис. 2 показаны типичные ло­
кальные спектры размеров частиц п(а), построенные по данным АФСО
и ИРЧ в ситуациях по табл. 3. Представленные примеры не претендуют
на охват полноты и разнообразия всех данных, полученных в ЛСО, и
могут служить лишь частной иллюстрацией к нижеследующему обобща­
ющему описанию.
По соображениям, которые будут ясны в дальнейшем, мы не будем
разделять ЛСО на смешанные и кристаллические буквально, но восполь­
зуемся этими терминами (заключив их в кавычки) для отображения при
необходимости ныне существующих представлений.
Таблица 3
Общая характеристика ситуаций, представленных на рис 1
Рисунок
1а
16
1в
и
58
Район
работ
Болгария
Узбекистан
Узбекистан
Узбекистан
Дата
время
13.04.1989 г.
21.03.1988 г.г.
13.03.1988
21.03.1988 г.
12 ч. 34 мин
10 ч. 14 мин
9 ч. 45 мин
13 ч. 13 мин
Тем­
Высота
полета, м пература,
'С
3950
5000
7800
9650
-7
-17
-44
-52
Тип
облака
Ас
Аз пеЬ
а
С8
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1992 № 8
Во всех "смешанных" и "кристаллических" ЛСО в температурном ин­
тервале от О до -55°С спектры размеров частиц п(а), измеренные спек­
трометрами АФСО и ИРЧ, имели в основном однотипный вид, описанный
в [4]. Они обладали модой (иногда двумя) в области размеров в десятки
микрометров и плавным экспоненциальным крылом, простираюохимся до
сотен и тысяч микрометров (рис. 2). Редкие случаи, где кристаллы имели
размеры до 200 мкм, рассмотрены в [11]. В [2, 4, 16] установлено, что
с ростом температуры в среднем возрастают полная водность Ж,, кон­
центрация крупных кристаллов по данным ИРЧ и их максимальные раз­
меры, в то время как с^щая концентрация и модальный размер не
претерпевают заметных изменений. Выборочный анализ имеющихся дан­
ных предварительно распространяет те ^е закономерности на область
более высоких температур (-20...0°С) и в том числе на "смешанные"
облака.
Важно отметить, что мелкодисперсная "околомодальная" фракция ча­
стиц с высокой концентрацией (до 10'...10^ л"') неизменно наблюдается
на всех уровнях облачного пространства в пределах визуальных границ
ЛСО, отличая его от выпадающих осадков, а также свидетельствуя об
однородности первичных процессов формирования микроструктуры во всей
толще облака. Разделение данных по высоте в облаках слоистых форм
пока не дало ощутимого результата.
Особого внимания заслуживают результаты измерений в ЛСО, выпол­
ненные высокочувствительным измерителем жидкокапельнои водности
ИВО-Ж (табл. 1). Дело в том, что уверенные показания й^г > О реги­
стрировались не только в тех ЛСО, смешанный состав которых удосто­
верялся известными дополнительными признаками (большая оптическая
плотность, обледенение самолета и др.). Они отмечались практически во
всех облаках, по всем соображениям и признакам относимых к чисто
ледяным, в частности в облаках верхнего яруса. Более того, не составили
исключения облака с температурами ниже -40...-42°С (вплоть до -55°С),
как известно, не признаваемые для возможности существований в них
переохлажденной жидкой воды. В подавляющем объеме "кристаллических"
облаков измеренные значения
существенно превысили порог чувст­
вительности ИВО-Ж (3 мг м'Ъ и нередко достигали и даже превосходили
Ж^, по (6). Примеры рис. 1, где Жа заранее отождествляется с Ж„ далеко
не исключительны.
Общность описанного результата, не вписывающегося в рамки обычных
представлений, ставит юпрос о достоверности идентификации и измерения
содержания жидкой фазы в ЛСО с помощью ИВО-Ж, равно как измерителей
юдности Джонсона — Вильямса и Кинга [14] с аналогичными обтекаемыми
коллекторами. Поскольку показание Жг > О всеща совмешдлось с другими
приборными признаками облака, обязательно включая Ж, > О, единственным
искажающим фактором может служить, как отмечалось выше, воздействие
ледяной фазы на теплоотдачу датчика ИВО-Ж, учитываемое коэффици­
ентом &г в (5), (7).
Если на время допустить, что в "кристаллических" облаках в дейст­
вительности Жж = О, то из (5) следует дг = Жг/Ж,. Экспериментально
полученные значения Жг/Ж, в таких облаках меняются в исключительно
широких пределах как в целом, так и на ограниченных облачных уча59
•КТЮРОЛОГШ! И ГНПРОЯОГИЯ 1 т № •
стках, охватывая в о&цем случае практически весь даапазсш от О до 1
(это хорсшю В1ЩВО на рис 1, если в рамках указанного допущевия замеяшъ
Жг/Ж, на ^Лу/^ + Ж,); шхяеднее огаюш^е достигает 0,5—0,9 в слу<шях с Г < -40°С>. Столь существенное в измшчнвое влияние аеяяихА
фазы на показания ИВО-Ж не поддается разумввок физич»жим объяс­
нениям. Тщательный анализ совместных данных СОМК также не под­
тверждает высказанной версии, а, напротив, обнаруживает свидетельства
обратного. К примеру, в ЛСО в твердых осадках основной вклад в
дают кристаллы одного порядка размеров и концентраций; однако в
отличие от облака водность осадков регастрирует только ИВО-П и запись
Ж, носит резко импульсный характер, соответствуюпщй низкой концштрации основных носителей водности.
Таким образом, приходим к однозначному заключению о наличии в
ЛСО жидкой воды, преимущественно воздействующей на ИВО-Ж при
достаточно малых б^.
Массовые экспериментальные данные предлагают простейший способ
оценки величины Ь^, в виде абсолютного минимума локального отношения
Поскольку в наблюдениях вовсе не исключались ситуации с ну­
левыми показаниями ИВО-Ж при Ж, > О, в них вместо У/^ использовалось
практическое значение порога чувствительности Жо » 3 л«г дс~^. Получен­
ная таким путем и в самых различных ситуациях оценка
^2 я 0,02...0,03 служит максимальной. Учитывая крайне редкую повто­
ряемость величин отношений У^г1У/^ и Жо/Ж, подобного порядка в на­
турных данных, мы сочли методически обоснованным принять Й2 = О
и Жж = Ж2, поскольку остающаяся неопределенность 6г оказывает го­
раздо меньшее влияние на получаемые результаты, чем абсолютная по­
грешность измерений, определяющая порог чувствительности.
Примеры рис. 1 дают наглядное представление о том, что жидкокапельная составляющая водности ЛСО в общем случае сравнима с ледяной.
Ее величина Ж^, по нашим данным, составляет в среднем 44% полной
водности Ж, + Жл смешанных облаков, обладающих совместными при­
знаками 1^ >0, Ж2 > 0. При этом в "кристаллических" облаках (см.
ниже) ее средний вклад оценивается в 35—40%. Это обстоятельство не­
обходимо учитывать при интерпретации опубликованных в [4, б, 16]
данных о водности облаков верхнего яруса.
Дисперсность жидкой фазы в ЛСО. Средства СОМК позволяют пол­
учить представление о размерах жидких капель в ЛСО методом "интег­
ральных параметров" [3], в основе которого лежит соотношение
23
(8)
Здесь
= й^/йг — смешанный момент,
4^ — р-й момент распределения капель,
р, — плотность воды.
В случае гамма-распределения величина й-а совпадает с объемно-мо­
дальным диаметром капель
. Из (4) следует, что
60
Уж<Ь,
МЕТЕОРОЛОГИЯ.и ГИДРОЛОГИЯ 1992 № 8
где у„р — результат прямого измерения прибором РП, откуда
Экспериментальный разброс локальных значений В в ЛСО при любых
температурах достаточно велик — в пределах единиц и десятков мик­
рометров — и отображает как сильную изменчивость капельного спектра,
так и наличие в нем в общем случае соответственно крупных капель.
Последнее вполне определенно согласуется с общей картиной обзернения
облачных кристаллов (1, 12, 18]. Как видно из (8), большие размеры
капель (как и кристаллов) обусловливают относительно высокую про­
зрачность "кристаллических" облаков [3, 6, 7].
Существование в ЛСО крупных капель, влияющих на показание АФСО
п(а) в соответствии с (3), заставляет несколько пересмотреть возможности
расчетной оценки величин у, и с^гз» предложенной в [10]. Обозначив
через Ур.е, результат расчета величины у„р по приборному спектру л (а)
и сравнив его с (4), приходим к неравенству
Упрж ^ ДУ = Упр - Урасч.
(9)
При близких между собой у„р и Ур.сц их разность Д у может становиться
меньше результирующей абсолютной погрешности определения обеих ве­
личин. Поэтому оценка по (9) приобретает значимость только при убе­
дительном выполнении А у > ураеч, обращаясь в приближение у„рж=»Ду
при А у » Урасч- в последнем случае с/» определяется по (8) с учетом
Упрж««(^2з)У«.
Результаты _> 30 мкм и Д у » О при Ж, > О с полной очевидностью
означают, что основной вклад в параметры у, и тем бюлее Ж, вносят
крупные капли с (I > 30 мкм.
В реализациях, представленных на рис. 1, показан ход величин у„р
и Урасч. а также оцененного характерного размера капель в случаях
й?2з < 30 мкм. Примеры дают наглядное представление об изменчивости
спектров размеров капель в ЛСО и наличии в них крупяокапельных
Зон различной протяженности вплоть до целиком крупнокапельных об­
лаков (рис. 1г).
В настоящее время наиболее определенное представление о правом
крыле спектра капель в ЛСО дает более или менее изученная картина
обзернения кристаллов. Судя по имеющимся данным [1, 18], спектр
капель содержит моду в области 3 0 — м к м , а максимальные раз­
меры капель чаще всего не достигают 100 мкм, хотя, бывает, доходят
до 200 мкм.
Типы и, повторяемость фазодисперсных структур- Рез>дататы» ваа°>
ученные в [И], и в настоящей работе, приводят к единс^у выводу о
том,- что большинство облаков отрицательных температур имеет смешан­
ный фазовый состав. В их числе оказывается значительная часть облаков,
обычно считающихся чисто капельными и чисто ледяными. Различие
в микроструктуре смешанных облаков супхествшно а пртнципиально,
так как явно отображает неоднозначность формирующих ее процессов
на разных стадиях эволюции облака [11] или в зависгавэрги от иных
условий.
61
МЕТЕ01Ч>Л0ГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1992 № 8
Табли
Классификационные инструментяьиые признаки.н фазодисперсный
Инструменталы1ые признаки
Ледяной фазы (* )
Жидкой фазы (О)
Дисперсность
Дисперсность
Наличие
Наличие
(^23
а2з>зо
Отсутствуют
Отсутствуют
< 30 мкм
мкм
>0
> 200 мкм
Примечание. Величина .Е определена в [И]. Критерий Ош,, < а, следует из лЛ- О,
Выше и в [11] рассмотрены приборные критерии для распознавания
фазового состояния облаков и оценки дисперсности фазовых компонентов.
В итоговой табл. 4 представлены сочетания признаков, позволяющие не
только различить жидкокапельные (Ж), смешанные (С) и ледяные (Л)
облака и облачные зоны, но и выделить три наиболее характерные в
физическом отношении разновидности смешанных структур. Это струк­
тура С1 с устойчиво мелкодисперсной ("латентной") ледяной фракцией
[11], "нормальная" смешанная (по существующим представлениям) С2
и крупнокапельная СЗ. В табл. 4 указаны области размеров капель и
кристаллов, вносящих по крайней мере преобладающий вклад в фазовые
составляющие интегральных параметров — показателя ослабления у и
водности Ж. Здесь I — область размеров ниже порогов АФСО и а,
по табл. 2, II — диапазон измерений АФСО до нижнего порога ИРЧ,
III — диапазон измерений ИРЧ а > 200 мкм).
Возникает вопрос: насколько физически оправдана привязка класси­
фикационных признаков структур к заданным приборным характеристи­
кам? Напомним, что размерный диапазон II обычно включает в себя
моду распределения кристаллов в ЛСО, а также модальные и макси­
мальные размеры крупных капель согласно данным об обзернении кри­
сталлов. Поэтому представляется, что некоторые вариации границ этого
диапазона мало повлияют на определение и относительную повторяемость
смешанных структур С1—СЗ. В то же время достоверность идентификации
однофазных структур Ж и Л ограничена пороговой чувствительностью
обнаружения другой фазы, и их повторяемость в общем объеме данных
ожидается в той или иной мере завышенной.
Представленная на рис. 3 температурная диаграмма повторяемости ти­
пов фазодисперсных структур аналогична известной диаграмме фазового
состояния облаков по А. М. Боровикову [6] и построена по данным за
весенние сезоны 1988 г. (Средняя Азия) и 1989 г. (Болгария). Иденти62
МЕТЕОРОЛОГИЯ и ГИДРОЛОГИЯ МП И> Я
ца 4
состав пшов облачных струпур (общий признак облака
I
•
Интервал размеров частиц
П
Обозначение типа
структуры
Ж
С1
0
0*
0
ш
Щ > 0)
(О)*
0*
*
^3 = 0 [11]. Остальные пояснения в тексте.
*
*
*
С2
СЗ
Л
фикация структур производилась на облачных участках протяженностью
от 1—2 до 30—50 км, однородных по фазовому составу и характеру
изменчивости измеренных параметров согласно визуальным записям. Ти­
пы С2 и СЗ определялись через осреднение первичных параметров, а
С1 — посредством выборочной обработки локальных данных [И]. Пол­
ученные экспериментальные зависимости сглажены. Кроме типов струк­
тур, выделенных в табл. 4, на диаграмме представлена переходная струк­
тура С12, в которой максимальные размеры кристаллов превосходят 25—
30 мкм, но не достигают 200 мкм. Незначительная относительная по­
вторяемость этой структуры связана с кратковременностью ее существо­
вания и согласно [И] доказывает лавинообразный рост кристаллов при
превращениии С1 в С2 или СЗ.
Обращает на себя внимание резкое преобладание в ЛСО (и во­
обще в облаках отрицательных температур) структуры СЗ, в которой
основная доля жидкокапельнои водности заключена в каплях размером
в десятки микрометров. "Чистые" жидкокапельные и ледяные облака даже
при их заведомо завышенной по­
вторяемости встречаются ско­
рее как исключение и чаще
л
всего на краях исследованного
СЗ
\с72
интервала 0...-55°С.
Заключение. На основе рас­
\
ширенных инструментальносг
методических возможностей
получены новые данные о фи­
-го
-40
т'с
зическом строении облаков сло­
истых форм при отрицательных Рис. 3. Температурная диаграмма повторяемости
температурах. Общий вывод фазодисперсной структуры облаков (данные за
данной работы и [11] заклю­ февраль — март 1988 г. по Средней Азии, за
чается в том, что такие облака апрель 1989 г. по Болгарии).
\
63
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1992 № «
В подавляющем большинстве (или практически всегда) содержат обе скон­
денсированные фазы и существенно различаются устойчивой дисперсно­
стью последних.
Полученные результаты принципиально расходятся с известными кон­
цепциями, однако в то же время подтверждают и объединяют ряд трудно
объяснимых натурных наблюдений. В данной работе приведены лишь
экспериментальные факты и не делается попыток их физических объяс­
нений, по всей видимости, далеко не очевидных. Нет сомнения, что
определенность их интерпретации и практического использования связана
с углублением дальнейших, прежде всего экспериментальных исследова­
ний.
Авторы считают своим долгом выразить благодарность сотрудникам
лаборатории физики облаков ЦАО, принимавшим участие в эксперимент
тальном обеспечении и обработке данных, а также профессорам И. П.
Мазину, А. А. Черникову и С. М. Шметеру за помощь в организации
работы и заинтересованное внимание к ее результатам.
Литература
1. З а м о р с к и й А . Д . Атмосферный
лед. — М.. Изд-во АН СССР. 1955.
2. Косарев А.Л. Концентрация и рас­
пределение по размерам кристаллов
(/ > 200 мкм) в облаках верхнего яруса. —
Труды ЦАО, 1988. вып. 171.
3. Косарев А.Л., Мазин И.П., Не­
взоров А.Н., Шугаев В.Ф. Опти­
ческая плотность облаков. — Труды ЦАО,
1976, вып. 124.
4. Косарев А.Л., Мазин И.П., Не­
взоров А.Н., Шугаев В.Ф. Мик­
роструктура перистых облаков. — В сб.: Воп­
росы физики облаков. Л., Пздрометеоиздат,
1986.
5. Л оба Т . А . , Н е в з о р о в А . Н . ,
П о т е м к и н В . Г . Самолетный поляри­
зационный анализатор облачных частиц. —
Труды ЦАО, 1985, вьш. 158.
6. Мазин И.П., Хргиан А.Х.
( р е д . ) Облака и облачная атмосфера:
Справочник. — Л., Гидрометеоиздат, 1989.
7. Мазин И.П., Невзоров А.Н., Шу­
гаев В.Ф. Распределение показателя ос­
лабления света в облаках различных форм.
— Метеоролетмя и падрология, 1983, № 9.
8. Н е в з о р о в А . Н . Измеритель спек­
тра размеров крупных частиц для высотного
герметизированного самолета. — Труды ГГО,
1973. вып. 276.
9. Н е в з о р о в А . Н . Самолетный изме­
ритель водности облаков. — Т^'ДЫ ЦАО,
1983. вып. 147.
10. Невзоров А.Н., Петров В.В., Шу­
гаев В.Ф. Определение фазодисперсного со­
става облаков с помощью облачного прибор­
ного комплекса ЦАО. — В сб.: Активные воз­
действия на гидрометеорологические процес­
64
сы: Труды Веес конф. Киев, 1987. Л., Педрометеоиздат,1990. .
И. Н е в з о р о в А . Н . , Ш у г а е в
В . Ф . Наблюдения ранней стадии эволю­
ции ледяной фазы в переохлажденных обла­
ках. — Метеорология и гцдрология, 1992,
№ 1.
12.
Наг1тауа
Т.
апб
8а1о
М.
Ргорогйоп о1 гип1П8 8ГО«1Ь ргосевк 1п $по«г(аи
рЬепошепа. — 10Й11т. СопГ. оп СЬий РЬуелса,
Вай НошЬигг. ГКО, 1988, УО1. 1.
13. Неут8Пе1<1 А. ^.
КШ^Ы
N . С. Ну(!готе(ег ёеуе1ортеп( 1я соЦ с1ои(18
!п РШБ. — Юй! 1п1. Ск>п1. оп С1ои(1 РЬу5!с$,
Вад НошЬигк. РКС, 1988, Уо1. 2.
14. С 1 о и а $ , ТЬеи- РоппаИоп, Орйса!
РгореШез, апй БНес1$.
Р. V. НоЬЬз апд
А. Оеерак — Асай Ргем. 1981.
15. НоЬЬ8 Р. V. ййй Капво А. Ь.
1се рагйск сопсепьабош !п с1ои<1$. — I . А1т.
8с1., 1985, уо!. 42, Мо. 23.
16. Ко$агеу А. X . , Ма21п I . Р . , апё
Ыеггогоу А. N. ТЬе ешрЁНса! то(1еГ о(
(Ье ${гис(иге о( с1гги$ с1ои()$ 1п шШсНе 1а(!(и(1е$.
— ЮЛ 1п«. Соп1. оп С1ои<1 РНу$!с8, Вай
НошЬиге, РКС, 1988, УЫ. 2.
17. Мо«8ор &. С. ТЬе ог\^п ап<1
сопсея1гаио11 оПсе сгуйа^1»-с1ои(18. — ВАМ8,
1985, Уо1. 66, N0. 3.
18. Р г и р р а с Ь е г Н. К. апй С1е»>
I . О. М!сгорЬу5!с$ оГ с1ои(18 апй ргес1р1(а110п.
— О. КеМе! РиЫ. Сотр., 1978.
19. Кап80 А. Ь. япй НоЬЬв Р. V.
ОеПс1($ 1п !се рагЛ1е сопсеШгаЛопз 1п ${гаМогт
с1ои<1$
Ше юр «ешрегаШге < -30°С. —
СопГ. оп С!оид РЬу8., 8ер1ешЬег 22-26 1986,
$шлта85, Со1ога(1о, АШ, УО1. ^.
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1992 № (
20. К о 8 1 а 8 к 1 } . 1л1ет (се-^огаЦов пис1е>
Ь1 1Ье РвсШс Мог(Ь«е8(. — Л|ш. КевеагсЬ,
1991, УоЬ 26. N0. 6.
Цгнтршпам и р о я щ ч е е ш вбсериторм
21. Ко81п8к1 I. апй М о г ( а в С.
Сктд соп()е118айо11 пис1е1 ав а вошсе <^ 1се-
!опп1п( пшАЫ 1п (^и<18. — I. АепжЫ 5с1.,
1991, УОЬ 22, №. 2.
Поетуякп
а П 1992
ЕХРЕММЕШ-АЬ $ТШ>Ш5 ОР ТНЕ РНА5Е-Ш5РЕК5Е КТКЦСТЦКЕ
ОР 8ТКАТ1Р0КМ СЬОиОЗ АТ КЕСАТ1УЕ ТЕМРЕКАТиКЕ5
А. N. NеV20^0V тй V. Р. ЗЬи^аеу
Ргезегаеё т 1Ш рарег аге 1Не (есНШдиех апй гехиКх о} писюрНуз1са1 зШПех о/
1се-сШа1тпя скиШх (1СС), /иЦШеЛ игНН гНе САО аггЬогпе ШШтетаЯоги II 15 геуеакк
Иге Идш(1 рНаве й ргаеп/ ргасНсаНу гНгоифШ 1Не ЮС игаИх а{ (етрегаШех
ёошп го Ш 1еа$1 -55'С, апЛ II аШагпеё пихИу 1п (/лор! кг^ег (Лап 30 /*т. Ш
соШеШ й сотрагаЫе шгА (Ш о/ 1Ие их ркахе, (Ней- ргороШоп уагугщ шШп уегу
шШе Ити$. Оп (Не ш/ю1е, пе^аИуе-гетрегаШге с1ош11 йШег агрйЛсапНу по( оп1у 1п
(егтз о/ (Не ргевепсе Ш а1$о (Не йкрепюп о/ Ьо(Н рНазе сотропепИ. ТНе (1еДпШоп
о/ (Не тат $иаШса11у в(аЫе рНавечИврепе в(гис(игев соуеНп^ (Нгее тШё с1ош1 (ура
апй (Не (етрегШиге ЛШ^ат о/ (Негг гесштепсе аге $1уеп. ТНе вЩк-рНте 5(пиШа
оссш- гШНег ав ап ехсерОоп апЛ аге епшМегей товОу а1 (Не еЛеев о/ (Не О, ....
-55°С Шепга1 ТНе гевиКв ШШеё аге ореп (о (Ивсиввкт.