О Векторе
Обучение

Магазин
Фотогалерея
Видеогалерея

Творчество
Архив новостей






Программы обучения

Техника

Команда

Места полетов

Клуб

Путешествия

Прайслист

Расписание полётов








Контакты
Тел:
098-11-22-33
e-mail:
abuse@vector-pg.ru



Подписка
на новости




Конвективные вертикальные движения

Кучевообразные (конвективные) облака

  Часть 1

 1 Конвективные вертикальные движения. Кучевообразные (конвективные) облака

Кучевообразные, либо конвективные, облака имеют вид изолированных пасмурных масс. Эти облака сильно развиты по вертикали и имеют, обычно, маленькую (по сопоставлению со слоистообразными) горизонтальную протяженность. Основными действиями, приводящими к образованию кучевообразных туч, являются термическая конвекция и турбулентный обмен.

Конвекция возникает в итоге перегрева отдельных масс воздуха при неуравновешенной в нижних слоях стратификации. Наи­наиболее подходящие условия для появления конвективных движений создаются над сушей в теплую половину года в обла­стях пониженного давления. Под влиянием притока прямой сол­нечной радиации поблизости земной поверхности возникает неустой­чивая стратификация. Отдельные перегретые массы воздуха при таковых критериях начинают ускоренно передвигаться по вертикали ввысь. Поначалу подъем таковой массы ненасыщенного воздуха про­исходит фактически по сухой адиабате АА' (рис. 17.1). На уровне конденсации Zк. воздух добивается состояния насыщения (f=100%). При наличии активных и довольно больших ядер конденсации состояние насыщения достигается несколько ниже уровня Zк. Выше уровня конденсации воздух поднимается по увлажненной адиабате. Благодаря снижению температуры происхо­дит конденсация водяного пара и образование облачности.

Представляют энтузиазм последующие уровни, связанные с развитием конвективного облака:

Рис. 17.1. Схема кучево-дождевого облака.

1 — кривая стратификации, 2 — кривая состояния.

а) уровень конденсации Zк, фактически совпадающий с ниж­ней границей облака;

б) уровень нулевой изотермы Zo, отделяющей переохлажден­ную (верхнюю) часть облака от непереохлажденной (нижней);

в) уровень вольной конвекции Zконв, фактически совпадаю­щей с верхней границей облака.

1.2. Уровень вольной конвекции. Это уровень, до которого распространяются восходящие вертикальные движения (струи), порождаемые энергией неустойчивости. Он размещается не­сколько выше уровня, где температура поднимающейся частички (струи) выравнивается с температурой окружающего воздуха (точка Е на рис. 17.1). Разъясняется это тем, что до уровня выравнивания поднимающаяся частичка на хоть какой высоте имеет наиболее высшую температуру, чем окружающий воздух, и движется ввысь ускоренно (с нарастающей скоростью). Поблизости уровня выравни­вания скорость частички (струи) близка к наибольшей. Выше этого уровня температура частички становится ниже температуры среды, вертикальная скорость начинает уменьшаться, но частичка по инерции продолжает подниматься ввысь до уровня вольной конвекции, где скорость ее обращается в нуль. Наблюдения по­казывают, что вершины кучевых туч при их росте испыты­вают колебательные (пульсационные) движения с периодом 10— 11 мин. На эту основную волну накладываются колебания с пе­риодом около 1 мин.

1.3. Скорость конвективных движений. Существует несколько точек зрения на механизм появления и нрав конвектив­ных движений в атмосфере. Еще в 1905 г. И. И. Касаткин выска­зал мировоззрение, что конвекция возникает либо над перегретыми (по сопоставлению с окружением) участками земной поверхности («контактная» конвекция), либо снутри воздушной массы под влиянием силы плавучести (спонтанная, либо вольная, конвекция). Более правильным в настоящее время следует считать пред­ставление, учитывающее ярусный нрав развития конвекции, на что в первый раз направили внимание П. А. Молчанов и Е. С. Селезенева. А. А. Скворцов изучил это явление в пустынях Средней Азии. Сначало в ранешние утренние часы (летом) происходит перенос водяного пара и тепла в пределах приблизительно приземного слоя атмосферы (до высоты 50—100 м). Этот перенос осущест­вляется через мелкомасштабный турбулентный обмен.

Турбулент­ные частички (вихри) на каждой высоте имеют размеры приблизительно равные 0,4г, т. е. с повышением высоты они растут. На верх­ней границе приземного слоя образуются вихри (струи) наиболее большого масштаба, которые переносят тепло и воду приблизительно до уровня конденсации. И только поблизости крайнего формируются частички (струи), сравнимые по размерам с тучами.

Некие исследователи (А. Коханский, Дж. Малкус и др.) придерживаются представления, которое было высказано к тому же. И. Ка­саткиным: над неоднородной земной поверхностью образуются непрерывные восходящие токи в виде «труб». Под влиянием ветра трубы наклоняются либо изгибаются, и там, где они добиваются уровня конденсации, появляется скопление.

Вертикальные движения снутри облака имеют нрав от­дельных струй — восходящие течения чередуются в горизонталь­ном направлении с нисходящими. Скорость вертикальных потоков в конвективных облаках меняется в широких пределах: от до­лей до 30—40 м/с (в кучево-дождевых облаках).

В табл. 17.1 приведены сведения о повторяемости вертикаль­ных скоростей в кучево-дождевых (грозовых) облаках по данным измерений на самолете во Флориде и Огайо (США). Эта таблица

Таблица 17.1. Повторяемость (%) скоростей восходящих и нисходящих потоков в грозовых облаках (США)

Скорость м/с

Высота, км

1,83

3,35

4,87

6,4

7,92

1,52

3,05

4,57

6,10

7,62

Флорида

Огайо

Восходящие потоки

0,00-3,05

21

5,8

10,7

2,1

7,9

16,6

12,9

8,7

14,7

3,7

3,05-6,10

44,8

40,2

36

36,6

29

75

41,6

38

34,5

24,6

6,10-9,15

29

36,8

25,3

28,8

35,5

8,4

22,2

28,8

28

30,2

9,15-12,20

5,2

6,9

21,4

13,4

18,4

20,4

21

11,4

22,6

12,20-15,25

2,3

3,9

8,7

5,3

2,9

4,7

4,8

7,5

15.25-18,30

5,8

0,9

2,9

2,6

2,9

6,6

5,7

18,30-21,35

1,3

0,9

3,8

21,35-24,40

1,1

0,9

0,9

24,40-27,45

1,1

1,9

27,45-30,50

0,9

Число слу­чаев

38

87

103

104

76

12

108

105

61

53

Нисходящие потоки

0,00- 3,05

18,2

14,3

7,5

21,2

10,5

50

26,6

20,9

19,2

9,01

3,05-6,10

50

47,6

52,9

51,5

44,8

41,6

30,6

46,6

42,4

36,4

6,10- 9,15

22,7

23,8

22,7

21,2

26,3

8,4

32,6

16,2

34,6

22,8

9,15-12,20

4,5

11,9

11,3

3

7,9

08.фев

9,4

3,8

13,6

12,20-15,25

3,8

3,1

7,9

2

4,6

9,1

15,25-18,30

2,6

2,3

4,5

>18,30

4,6

2,4

1,8

4,5

Число слу­чаев

22

41

53

33

38

12

49

43

26

22

построена по результатам 1363 горизонтальных пересечений 76 грозовых туч на высотах от 1,5 до 8,0 км.

Согласно табл. 17.1, большая повторяемость как восходя­щих, так и нисходящих движений (струй) на всех высотах приходится на интервал 3,05—6,10 м/с. Но чем выше размещен уровень, тем больше количество струй (в особенности восходящих), вертикальная скорость которых заключена в интервалах с наиболее высочайшими значениями w (вплоть до того, что на высоте 7,62 км в Огайо максимум повторяемости положительных значений w(скорости) приходится на интервал 6,10—9,15 м/с).

Из табл. 17.1 следует также, что количество нисходящих струй i в облаке в 2—3 раза меньше, чем восходящих; при всем этом наме­чается тенденция к уменьшению количества нисходящих струй по сопоставлению с восходящими при увеличении высоты. Интервал конфигурации скорости нисходящих струй наиболее неширок, чем восходящих. 1-Средняя ширина восходящих потоков 1,5 км, а нисходящих 1,2 км.

На базе этого можно сделать вывод, что в кучево-дождевых облаках восходящее движение преобладает над нисходящим — результирующая скорость больше нуля. Средние значения крути­кальных скоростей, которые били зафиксировать во Флориде и Огайо, приведены в табл. 17.2. Тут L- пройденное самолетом горизонтальное расстояние, для которою определено среднее зна­чение вертнкальной скорости, превышающее 1,22 м/с. Средняя квадратнческая вертикальная скорость на площад­ках длиной 50—60 км в верхних частях кучево-дождевых туч с наковальней колеблется меж 1,9 и 3,9 м/с, в то время как над вершиной туч - меж 1,4 и 1,6 м/с.

Таблица 17.2. Средние значения вертикальной скорости w>1,22 м/с)

Z км

Флорида

Z км

Огайо

w м,с

L км

W м.с

L км

1.83

2.72

1570

1,52

2,72

12M

3.35

2.72

2520

3,05

2,90

2180

4,87

2,78

2720

4.57

2,90

2510

6,40

2.68

2250

6,10

2.93

1900

7.92

2,62

1610

7,62

3,02

1250

1.4. Размеры и повторяемость пасмурных струй и определений.

Как наблюдения в полетах, так и исследование туч способом фотограмметрирования с земной поверхности проявили, что конвективное скопление состоит из отдельных потоков, которые имеют форму струн либо термика (пузыря). И. П. Вульфсон экспериментально изучил распределение струй и термиков по размерам, также вертикальную скорость движения и температуру их, приняв во внимание то событие, что самолет пересекает конвективные потоки на разных и при всем этом неизвестных расстояниях от центра струи либо термика. Естественно, что определенные с само­лета размеры конвективных потоков различаются от действитель­ных. Для определения крайних привлекается теория статисти­ческой интерпретации результатов измерений.

Средние значения поперечника d струй, большой оси a горизон­тальных сечений термиков и замеренных случайных сечений конвективных потоков в слое от земной поверхности до высоты около 3000 м, при отсутствии туч таковы: d= 60 м, a= 50 м и l= 90 м (превышение l по сопоставлению с d и a разъясняется тем, что при теоретическом расчете d и a учитываются все те маленькие по­токи, возможность пересечения которых чрезвычайно мала). Ежели сравни­ваются лишь те потоки, которые зафиксировал самолет, то их размеры (d либо а), естественно, больше I (приблизительно 120 и 140 м). Средняя концентрация составляет около 40 струй на 1 км2 либо 750 определений в 1км3. Относительная площадь струй и размер определений равны приблизительно 0,20. Размеры струй и терми­нов во всем исследованном слое фактически постоянны с высо­той (исключение составляет слой до высоты около 300 м, где d и a растут с высотой). Средние превышения температуры в центрах струй, термиков и случайных сечений соответственно равны 0,19, 0,15 и 0,24 °С. Над соответствующими возвышенностями местности до высоты 800—1000 м постоянно наблюдаются восходящие потоки. Над равниной какая-либо связь меж неоднородностями земной поверхности и конвективными потоками не найдена. Крайние появляются спонтанно (самопроизвольно) в нижнем слое со сверхадиабатическими градиентами температуры. Распре­деление отклонений Т' температуры и вертикальной скорости w снутри струи удовлетворительно описывается при помощи формул, вид которых указан Пристли:

Тут r—расстояние от центра струи, радиус которой R; z—вы­сота в метрах, на которой рассчитывается T в градусах Цельсия и w в м/с.

Размеры конвективных потоков в массивных кучевых облаках (в описываемых вариантах их основание и вершина находились соот­ветственно на высоте около 1800 и 5500 м) существенно больше, чем вне туч: средние значения поперечника струи в облаках и под тучами равны соответственно 90 и 50 м, а средние значения большой оси горизонтальных сечений термиков — 70 и 40 м. Относительный размер конвективных потоков в облаках и под ними составляет 0,70 и 0,24.

Распределение конвективных потоков по размерам в облаках и вне туч изображено на рис. 17.2. Максимум повторяемости потоков в облаках приходится на огромные значения размеров, чем вне туч.

Средние размеры R конвективных потоков в облаках линейно растут с высотой:

R= 27 + 0,015z.

Тут z - высота (в метрах), отсчитываемая от основания о­лака.

Распределение отличия температуры T и скорости движе­ния струй w до высоты около 2/3 толщины облака над его осно­ванием описывается при помощи соотношений:

Значимый экспериментальный материал о конвективных потоках (струях и пузырях) получен в связи с метеорологическим обеспечением полетов планеров. По данным 114 пересечений тер­минов по хордам, близким к поперечнику (в районе Майкопа и Виль­нюса), получены последующие значения вертикальной скорости (w), среднего размера (l) и повторяемости (Р) для мощных (соответ­ственно >=6,0 м/с, 350 м и 2,6%), средних (6,0—4,5 м/с, 600м и 33,4%) и слабеньких (=<3 м/с, 150 м и 64%) термиков. В центре термиков наибольшие значения w в 79 % случаев сохранялись неизменными на расстоянии от 20 до 650 м — свидетельство суще­ствования ядра конвективного потока с практически постоянной крути­кальной скоростью.

Рис. 17.2. Распределение конвективных потоков по размерам в облаках (1) и вне туч (2).

а — струи, б — пузыри.

По материалам полетов на оборудованном измерительной аппа­ратурой самолете Як-12 (443 сечения термиков) термики разде­елены на широкие (при пересечении отмечалось несколько макси­мумов w) и узенькие (с одним отлично выраженным максимумом w и скорым спадом вертикальной скорости по направлению к пе­риферии термика). Наиболее сильными являются широкие термики (средние значения w = 2,7 м/с, l=650 м); в их наблюдается ядро с практически неизменной w. В узеньких термиках w =2,1 м/с, 1= 348 м, ядро отсутствует. Повторяемость широких растет, узеньких убывает по мере роста вертикального градиента тем­пературы (у). Так, при среднем (за день) значении у=0>65°С/ /100 м (в слое 0—300 м) на долю широких термиков приходилось 45%, узких—55% (из общего числа 73), при у ==0,77°С/100 м повторяемость тех и других—одинаковая. Но уже при у =1,30°С/100 м (в иной день) повторяемость широких термиков составила 71 %, а при у =1,87°С/100 м—81 %; узких—соответ­ственно 29 и 19%.

Установлена также связь меж вертикальной скоростью в тер­миках и альбедо (r) земной поверхности, над которой появляются термики; коэффициент корреляции меж w и г оказался отрицательным и равным —0,84 ±0,15: чем больше г, тем меньше про­гревается земная поверхность и, как следствие, понижается веро­ятность образования термина с большой вертикальной скоростью.

Изучено поведение искусственного термика, создаваемого поджогом некого вещества, опосля окончания горения которого через 0,10 - 0,12 с образовывалось сферическое скопление нагретого воздуха радиусом около 1 м и с пеpeгревом наиболее 250 К. На исходной стадии подъема (до момента около 0,8) форма термика близка к сферической, скорость подъема с течением времени растет, достигая к концу стадии 4—6 м/с. В промежутке 0,8— 1,6 с происходит трансформация сферического термина в вихре­вое кольцо (тор). Скорость подъема термика в той стадии сна­чала миниатюризируется (до 1,5—2 м/с), а потом вновь растет и дости­гает второго максимума (около 3 м/с) к концу стадии (1,6 с). Предстоящий подъем вихревого кольца происходит с уменьшаю­щейся во времени скоростью. Радиус термика (поначалу - сферы, а потом наружной границы кольца) фактически линейно растет при увеличении высоты подъема: R(z) =Ro+az, где а=0,1±0,003 при t<0,8 с и а=0.19 ±0.03 при t>1,6 с. Температура термика (близкая к 1300 К в момент окончания горения ) при подъеме быстро спадает и уже на высоте 16—20 м фактически не от­личается от окружающей среды.

Сведения о скоростях и горизонтальных размерах вертикаль­ных потоков в окрестности зрелых кучево-дождевых туч (в слое 0—200 м над ними и на расстоянии 0 - 20 км сбоку от их) приведены в табл. 17.3.

Таблица 17.3. Повторяемость (%) вертикалиных скоростей в мезомасштабных потоков в окрестности зрелых Сb

W М/С

Нисходящие потоки

Восходящие потоки

над Cb

сбоку от Cb

над Cb

сбоку от Сb

0 - 2

61

66

81

55

2 - 4

30

22

17

32

4 - 6

5

10

2

11

6 - 8

2

2

-

2

8 - 10

2

-

-

-

Из табл. 17.3 следует, что в окрестности высшей части зрелых Cb вертикальные скорости потоков по абсолютной величине при­мерно в 90 % случаев не превосходят 4 м/с. при всем этом скорость ни­сходящих потоков несколько больше скорости восходящих. Гори­зонтальные размеры нисходящих потоков (табл. 17.4) также несколько больше, чем восходящих. Потому осредненнос (резуль­тирующее) движение воздуха в окрестности Cb оказывается нисходящим. Оно сопровождается увеличением температуры. Со­гласно опытным данным, вокруг массивного кучевого облака наблю­дается теплая воздушная оболочка, толщина (по нормали к бо­ковой поверхности облака) и перепад температур в какой уве­личиваются от основания к вершине: поблизости основания толщина 50—200 м, перепад температур 0,3—0,5 °С, в средней части и у вер­шины толщина 100—700 м, перепад температур 0,5—3°С. Над вер­шиной облака теплый слой выслеживается до высоты 400—600 м. В отдельных вариантах температура над вершинами массивных куче­вых и грозовых туч может превосходить температуру окружаю­щего воздуха на несколько градусов. К примеру, 19 августа 1958 г. на высоте 11 км было зафиксировано увеличение температуры над 3-мя наковальнями Сb, равное 3,3, 4,9 и 4,3 °С.

Таблица 17.4. Повторяемость (%) горизонтальных размеров L вертикальных потоков в окрестности зрелых Сb

L км

Нисходящие потоки

Восходящие потоки

над Сb

сбоку от Сb

над Сb

сбоку от Сb

<1

6

6

19

34

1 - 3

19

28

29

21

3 - 5

25

26

29

27

5 - 7

15

6

15

4

7 - 9

10

4

9 - 11

6

16

2

10

>11

19

18

6

Обобщенные данные о отклонениях температуры снутри и в окрестности Сb от температуры окружающего воздуха приве­дены в табл. 17.5, которая включает результаты 800 серий изме­рений температуры. Как видно, отличия температуры и по сиим данным более значительны над облаком и снутри верхней ча­сти его (полеты проводились до глубины 500—1000 м от верхней кромки Сb).

Таблица 17.5. Средние (числитель) и наибольшие (знаменатель) абсолютные отличия температуры (°С) в окрестности Сb

Стадия развития облака

Над Сb

Снутри высшей части Сb

Сбоку от верхней трети Сb

Сбоку от нижней трети Сb

Растущее Зрелое Распадающееся

0,5/4,7

0,4/3,4

0,2/1,0

0,3/5,1

0,2/1,1 0,2/0,9

0,2/3,2 0,4/2,7 0,2/1,4

0.2/0.9

-

-

По результатам полетов в США, во время которых было пере­сечено 101 зрелое кучево-дождевое скопление, 8 возрастающих и 13 рас­падающихся Сb, установлено, что в возрастающих облаках и сначала зрелой стадии преобладают восходящие струи, снутри которых температура на 1 - 4°С выше средней температуры на данном уровне. В распадающихся облаках и в конце зрелой стадии пре­владеют нисходящие потоки с отрицательными отклонениями температуры (в конце зрелой стадии меньше - 4°С). Коэффици­ент корреляции меж экстремальными отклонениями темпера­туры dT и вертикальными скоростями w снутри струй оказался равным 0,74. Это значит, что в большинстве случаев в нижних 2-ух третях облака (где лишь и проводились полеты) восходя­щие потоки соединены с dT>0, а нисходящие с dT<0. По­скольку, но, коэффициент корреляции меньше единицы, наб­людаются и такие случаи, когда w>0 и dt<0 либо w<0 и dt>0. Так, в конце зрелой стадии восходящие потоки время от времени на 0,3—1,3 °С холоднее окружающего воздуха.

Проанализированы некие результаты измерений темпера­туры воздуха в Сu cong., выполненных в 1978—1979 гг. на северо-западе Европейской части СССР при помощи радиометра, работающего в полосе поглощения водяного пара с центром 6,3 мкм и установленного на самолете Ил-14. По данным 163 го­ризонтальных пересечений 47 туч шириной до 4 км полу­чены последующие результаты.

Разность температур меж облаком и его окружением (dT), меж участками облака (длиной L), на которых сохраняется символ разности, и окружающей средой (dT*) в развивающихся Сu cong. добиваются максимума на высоте 2—3 км над основанием облака; средние значения тут dt=0,8°С, dT*=0,9°С, среднее из максимумов dT равно 1,5 °С; длина участков с dT>0 на всех уровнях больше половины горизонтальных размеров облака, в большинстве случаев добивается 80—95 %.

Меньшие отрицательные значения dT и dT* в развиваю­щихся Сu cong. наблюдаются в слое 0—1 км над основанием о­лака: dT* ==—0,3 °С, среднее из максимумов dT равно —0,5 °С. Начиная с уровня 1—2 км над основанием облака dT<0 прак­тически не встречается.

В разрушающихся Сu cong. dT=-0,2 °С в слое 1- 2 км над основанием; в 94% dT<0,1°С, а в 3% dT<-1,0°С; протяжен­ность участков с dT<0 составляет 58 % от общей длины таковых участков.

В развивающихся Cb cong. средняя амплитуда пульсаций тем­пературы составляет 0,6—0,9 °С при средней протяженности неоднородностей 0,3—0,4 км; в разрушающихся—соответственно 0,5— 0,6 °С и 0,2—0,3 км. П. Саундерс (Швеция) изучил скорость роста определений в облаках при помощи киносъемки. Анализ материалов дозволил сделать два принципиальных вывода: а) на фиксированной высоте наблю­дается верно выраженный верхний предел поперечника определений, выступающих из развивающегося кучевого облака; б) этот мак­симальный для данной высоты поперечник D макс растет линейно с высотой:

Dmax=b(z-zo)

где zо—высота зарождения термика, z - высота его вершины, b - коэффициент. Среднее значение b для 10 дней, в течение ко­торых было исследовано 167 термиков, составило 0,40 ± 0,04 с колеба­ниями в отдельные дни меж 0.35 ± 0,0(i и 0.42 ± 0,05. При всем этом не найдено сколько-нибудь существенного различия и значениях b для капельно-жидких туч и туч, вершина кото­рых оледенела.

Экспериментальные данные, иллюстрирующие крайнее соот­ношение, приведены на рис. 17.3. Скорость подъема индивидуаль­ного термина поначалу растет с высотой, а потом убывает (рис. 17.4).

1 2

ПАРАПЛАНЕРНАЯ ШКОЛА




Просто 22 факта
Мы работаем для того, чтобы вы летали лучше, чем мечтали… /

подробнее...

Ближайшие полеты

Вторник, 2 Октября и, возможно, Среда, 3 Октября, Кончинка

подробнее...

Наши спонсоры:

Много свежих фото

подробнее...


Copyright ©2002 Vector