радиолокационное исследование мезомасштабной структуры
advertisement
ДАНОВА ТАТЬЯНА ЕВГЕНЬЕВНА РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЗОМАСШТАБНОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛЕЙ КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ В РАЙОНЕ СЕВЕРНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ ЧЕРНОГО МОРЯ • Образование и развитие отдельных облачных ячеек и их комплексов является предметом пристального внимания многих исследователей. Использование метеорологических радиолокаторов для изучения мезомасштабных систем облаков относящихся к группам и , где соответствует мезомасштабу 20-200 км, а - 2-20 км, получило широкое распространение во всем мире. позволили выявить особенности в строении и динамики развития конвективных облаков, приводящих к различной степени интенсивности опасных явлений, их сопровождающих, что легло в основу классификации таких процессов. Согласно общепринятой классификации, ранее разработанной Чизхолмом и Реником, и в дальнейшем уточненной Абшаевым М.Т. [1], все случаи реализации мощной конвекции, выраженной в формировании зон ливней, гроз, града, шквалов, смерчей, подразделяется на одноячейковые, многоячейковые и суперячейковые процессы, независимо от региона исследования. Однако верно и то, что обнаруженное ранее общие закономерности развития таких процессов, присущие регионам, расположенным в различных физико-географических условиях, ограничиваются рядом различий в поведений параметров радиоэха конвективных облаков, объясняемых взаимодействием макропроцессов с особенностями подстилающей поверхности конкретного региона. Существенное значение при этом принадлежит характеру рельефа: высоте над уровнем моря, изрезанности и ориентации склонов по отношению к основному переносу воздушных масс и т.д. Так, в условиях • Причерноморья воздушные массы атлантического и средиземноморского происхождения, в которых развивается мощная внутриоблачная конвекция, отмечаются высоким тепло и влагосодержанием. Инструментальные измерения параметров радиоэха конвективных облаков и облачных систем осуществлялись с помощью двухволновых метеорологических радиолокаторов МРЛ-5, размещенных в пределах противоградового полигона близ г. Одессы с базовым расстоянием между станциями около 60 км. Радиолокационная станция МРЛ-5, предназначенная для обнаружения метеорологических объектов, обеспечивает получение оперативной информации на экранах ИКО и ИДВ ячейковой структуры облаков в изолиниях радиолокационной отражаемости, кратных 10 дБ, на длине волны 10см, и 3,2см. С помощью оперативных наблюдений для каждой облачной ячейки (индивидуальное облачное образование, эволюционирующее во времени) оценивались их вертикальная и горизонтальная структура, расположение областей повышенной водности, условия образования и роста ледяных частиц в облаке, его площадные и объемные характеристики, а также скорость и направление смещения. Проводимые круглосуточно, в течение всего теплого периода, наблюдения включали: • - измерение максимальной радиолокационной отражаемости см-1 и определение пространственного положения этой точки; измерение высот верхней границы радиоэха км, зоны повышенного радиоэха , характеризующей область наибольшей водности в облаке, а также мощность переохлажденной части облака и зоны повышенного радиоэха , (выше уровня нулевой изотермы); • - локализация градовых очагов и зон слабого радиоэха; • - кроме того, определялись максимальные площади изоконтуров радиоэха при см-1 и см-1 на уровнях изотерм , а также скорость и направление смещения отдельных ячеек. • Размер града в облаке и на поверхности земли рассчитывался двухволновым методом индикации осадков; данные о выпадении града уточнялись учащенной сетью наблюдений за выпадающими осадками (примерно 1 пункт на 60-65 км2), а также при непосредственном оперативном получении сведений о градобитиях от сельхозорганизаций. Результаты радиолокационных измерений интерпретировались данными радиозондирования пункта Одессы, в качестве аэросиноптической информации использовались карты погоды и барической топографии. На основании анализа радиолокационных наблюдений за более чем 5000 конвективными ячейками, проводимыми в период 1984-1995 и 2001-2004 гг., установлено, что мощные конвективные облака, как правило, формируются в зоне холодных фронтов различного генезиса (около 75% случаев) либо фронтов окклюзии по типу холодного. • В малоградиентных барических полях первоначальным импульсом развития конвекции могут служить морские бризы. Наиболее мощные грозоградовые облака формируются в адвективной области холода, в слое 700-300 гПа, при прохождении быстро смещающихся осей термических ложбин. Для Северного Причерноморья попытка систематизации градовых процессов привела к следующим результатам: преимущественное большинство таких процессов относятся к классу многоячейковых (около 75%), остальные типы наблюдаются значительно реже – 12% случаев составляют одноячейковые, в 13% - суперячейковые, включая «гибридные» градовые процессы и мощные процессы переходного типа. • Процесс формирования одноячейковых облаков происходит в атмосфере с ослабленной циркуляцией, характерной для малоградиентных полей, при слабом ветре и малых его сдвигах. Как правило, это единичные, изолированные друг от друга ячейки, проходившие все стадии развития, с минимальной продолжительностью квазистационарного состояния. Через 20-30 минут после появления первого радиоэха выпадают осадки, подавляющие восходящий поток, и ячейка разрушается. Многоячейковые облака обычно возникают в результате объединения нескольких ранее существующих одноячейковых. • Новые ячейки могут формироваться за счет нисходящего потока от диссипирующих ячеек. Отток холодного воздуха увеличивает конвергенцию в пограничном слое, формируя мозофронт, и вызывает развитие новых ячеек. Перемещение многоячейковых облаков, по данным радиолокационных наблюдений в Причерноморье, может отклоняться от направления ведущего потока Vn на 45-900, но дальнейшее перемещение облачного комплекса в целом все более приближается к Vn (рис.1). Ячейки внутри облака перемещаются по антициклональной циркуляции, порождаемой нисходящим потоком; радиус вращения определяется размером нисходящего потока, формирующего зону выпадения осадков [5]. • Суперячейковые процессы реализуются в атмосфере с умеренными и сильными сдвигами ветра, определяющее значение при этом принадлежит пограничному слою, где правый поворот ветра в сочетании с большими вертикальными сдвигами являются одним из главных признаков особо мощных градовых процессов. Траектории суперячеек представляют дугообразные кривые, идентичные частям окружности с радиусом 65-200 км (рис. 2). Период квазистационарного состояния суперячейки определяется временем её перемещения по направлению, параллельному ведущему потоку Vn [4]. Наименее изучены «гибридные» градовые процессы, сочетающие одновременно параметры многоячейковых и суперячейковых облаков. С гибридными облаками связаны сильные градобития (рис. 2, 24.06.1993). • Детальный анализ многоячейковых облачных комплексов, базирующийся на исследовании структуры и динамики радиоэха конвективных ячеек, позволяет заключить, что для начальной стадии развития характерно хаотическое возникновение отдельных малоподвижных ячеек, имеющих при значениях изоконтуров радиоэха округлую или овальную форму с поперечными размерами 1-5 км. На фоне диссипации одних ячеек происходит образование новых, более развитых по вертикали. В начальной стадии, когда выпадение осадков не наблюдается, вся система ячеек малоподвижна (независимо от значения ведущего потока ). Стадия малоподвижности длится 15-30 минут, при этом наблюдается рост всех параметров радиоэха, соответствующий наступлению стадии зрелости. Начало выпадения осадков активизирует перемещение облачной системы. Типичным примером развития многоячейкового градового процессы является градовые шторм, наблюдавшийся 20 июня 1991 года. Траектории радиоэха отдельных ячеек и облачного комплекса в целом представлены на рис. 1., здесь же приводится направление Vn, вертикальный профиль ветра и его годограф. Таблица 1 – Структурно-морфологическая классификация радиоэха градовых процессов в Северном Причерноморье Особенности Одноячейковые Многоячейковые Суперячейковые Количество ячеек и их строение Единичные невзаимодействующие осесимметричные ячейки Граничащие друг с другом, 2 и более взаимодействующ ие ячейки, чаще – несимметричные Одна, несколько разнесенных в пространстве, невзаимодействующих, несимметричных ячеек Закономерности распространения градообразующе го процесса в пространстве Дискретное, хаотическое, при минимальной стадии квазистационарности Дискретнонепрерывное, чаще новые ячейки образуются вправо от ведущего потока, циркулируют длительное время в ограниченном Непрерывное, по дугообразным траекториям различного радиуса, Максимальная радиолокационная отражаемость Максимальные высоты и (км) 8 2 7 10 11,6; 9,0 15,0; 11,2 7 10 7 1 10 6 18,7; 14,0 Рост динамических параметров: V max/ min VHв , м / мин VH , м / мин Время роста Δt, мин 3,4 4,0 6,0 900 500 5-10 1200 950 6-15 1500 1100 15-30 и более Площадь ячеек при изоконтурах км2 20-40 25-130 110-220 до 180 150-875 до 1500 Максимальный размер града, см 1,0,-2,5 2,0-5,0 Повторяемость % 12 75 4,0-8,0 и более 13 11012 см1 Площадь радиоэха облака км2 11012 см1 Рис. 1. - Пространственно-временная трансформация структуры и параметров радиоэха многоячейкового градового процесса 20 июня 1991 г. Градобитие на площади 1,5 тыс. га. Стрелками показано направление движения ячеек и облачной системы. • Приведенные ниже данные позволяют обнаружить некоторую закономерность в поведении ячеек: новые ячейки возникали на правом фланге облачного комплекса и смещались вправо, по антициклональной циркуляции. Такое перемещение конвективных ячеек, очевидно, является следствием выпадения мощных ливневых осадков и появлением под основным радиоэхо мезоантициклона, управляющего перемещением конвективных ячеек [5]. • Периодичность появления новых ячеек в многоячейковом облачном комплексе составляет 7-12 минут, в течение которых видимое перемещение ячеек происходит в виде циклического вращения, чаще всего по антициклональной циркуляции. Новые ячейки формируются последовательно через одинаковый отрезок времени и на одинаковом расстоянии от предыдущей. Более того, места появления новых конвективных ячеек лежат на одной линии, параллельной смещению облачной системы (рис. 1). Уместно предположить, что данный процесс является реализацией некоторой конвективной линии, перемещающейся вместе с облачной системой. • Суперячейковые облака относятся к разряду наиболее мощных градовых процессов, с которыми связано большинство катастрофических градобитий, сильные ливни, шквалы, смерчи. Анализ 8 суперячейковых процессов, наблюдаемых в течение 19901993гг., показал, что они формируются в области холодных фронтальных разделов или при прохождении быстро смещающихся частных циклонов, возникающих на этих фронтах. Значение радиуса траекторий суперячеек для рассматриваемых случаев составило 65200 км (рис. 2). Рассматривая стадию квазистационарности ячеек как период соответствия их направления перемещения направлению ведущего потока , можно заключить, что чем больше радиус траектории, тем длительнее стадия квазистацианарности. Момент отклонения суперячейки вправо от соответствует началу её дальнейшего усиления, а левый поворот – ослаблению или началу диссипации [4] (рис. 3). • Характер развития суперячейковых облаков в Причерноморье свидетельствует именно о вращательном характере траектории смещения супеячеек, причем время жизни ячейки определяется радиусом вращения и с уменьшением последнего продолжительность её активного существования падает. Рис. 2 – Траектории супеячейковых градовых облаков в Причерноморье за период 1990-2004гг. Рис. 3 – Временной ход параметров 10 (1), Н в (2),Н (3) и перемещение суперячеек 29 мая 1993 года. • Реализация «гибридных градовых облаков является результатом сложного взаимодействия процессов различных масштабов. Отметим, что эти выводы базируются на малом числе экспериментальных данных и поэтому являются предварительными. Так, градовый процесс, наблюдаемый 24 июня 1993 года на юге Одесской области, нанес ущерб на площади около 8000 га, а размер града достигал 4см. Траектория перемещения процесса состояла из совокупности чередующихся кривых, представляющих перемещение двух облачных ячеек различного радиуса (рис. 4). Последующее уменьшение радиусов дугообразных траекторий обеих ячеек произошло, согласно временного хода параметров радиоэха, в результате засева облачного комплекса кристаллизирующим реагентом AgI, наряду с уменьшением η10, Нв и Н9. Таким образом, более мощным ячейкам соответствуют дугообразные траектории большого радиуса, а с ослаблением ячеек уменьшается радиус их траекторий. Одной из наиболее информативных характеристик радиоэха, определяющей дальнейшее развитие зародившейся конвективной ячейки является скорость изменения во времени основных радиолокационных параметров: η max,Hв, VHΔη [2]. Результаты многочисленных экспериментов показали, что градовому состоянию облака предшествует интенсивный рост указанных параметров, а мощные градовые процессы формируются в результате практически одновременного и продолжительного роста всех параметров. Рис 4 - Временной ход параметров радиоэха η10 (1), Нв (2) и Н9(3) и перемещение «гибридного» градового процесса 24 июня 1993 г. - - - - - - траектория перемещения ячеек I и II • Радиолокационные параметры градовых облаков, полученные для юга Украины, уточняют границы классов градовых процессов различной интенсивности. Более детальная классификация градовых облаков в значительной степени осложнена недостаточной изученностью механизмов их образования, большой изменчивость характеристик таких облаков, несовершенством измерительной техники; она может быть осуществлена лишь при комплексном подходе к изучению такого явления как град. • Features of more than 5000 of convective cells are analyzed on the basis of data measurements carried out by weather radar in the Black Sea coastal areas. It’s established that the passing of cold fronts of various types (about 75%) or of cold occlusion fronts is the main cause of generation of convective cells. In the low-gradient fields the primary pulse for convective evolution may be day breeze. The deepest clouds are generated in the domain of cold advection and in the layer 700-300 mb in the time of the passing of swift-moving thermal trough. It’s noticed that the most intensive hail hit are characterized by clockwise rotation of wind direction in the low troposphere and by wind shears up to 1.38.7*10-3 s-1 at the same time. • Life cycle of individual cell constitutes 20–40 minutes and the most of cells rotate within cloud complex. In falling precipitation and forming the mesoanticyclone under the cloud, cells have the arc movement pattern that is according to anticyclonic circulation. The location of cells origin is positioned on some line that is parallel to resultant displacement of the cloud complex and it’s predictable. The found rule may be used for the predict of the location and time of cells origin. • Superdeep individual clouds (supercells) that is accompanied by catastrophic hail hits, hurricanes and heavy showers move on trajectories with the radius of curvature being 80–150 km. Length of quasi-steady stage is defined with time of coincidence of steering flow direction with cells movement direction.
