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 2

1.5. Статистические свойства конвективных туч. В табл. 17.6 и 17.7 помещены сведения о повторяемости высоты

Таблица 17.6. Повторяемость (%) высоты нижней границы Сb над Европейской частью СССР

Сезон

Высота, км

Число случаев

<0.2

0.2-0.3

0.3-0.5

0.6-1.0

1.0-1.5

1.5-2.0

2.0-2.5

2.5-3.0

3.0-4.0

>4.0

Зима

10,0

14,0

24,0

30,0

12,0

4,0

4,0

2.0

-

-

50

Весна

2,2

4,8

15,3

27,4

21.9

16,8

6,9

3.3

0,7

0,7

273

Лето

1,8

1.8

18,4

25,6

23,3

17,1

5,9

4,3

1,6

0.2

445

Осень

3,8

10.2

22,3

31,8

18,5

8.3

1,9

1,3

1,3

0,6

157

 

Таблица 17.7. Повторяемость (%) толщины Сb над Европейской частью СССР

 

Сезон

Толщина, км

Число случаев

<0.5

0.5-1.0

1-2

2-3

3-4

4-5

5-6

6-8

8-10

10-12

12-14

Зима

26,0

22,0

32,0

12,0

2.0

4,0

-

2,0

-

-

-

50

Весна

8,1

13.5

25.2

20,2

9.9

5.5

4.0

6.6

5.5

0.7

0,8

273

Лето

2,7

5,6

12,6

15,7

12.3

9.5

10,9

13,9

14,8

2.0

-

445

Осень

10,8

20.4

23,6

19.1

6.5

5.1

5,7

5.0,

3.8

-

-

157

Рис. 17.4. Скорость подъема личных термиков.

Числа у кривых — номер опыта.

нижней границы (Zк) и толщины (z*) кучево-дождевых туч в разные сезоны года.

Наибольшая повторяемость высоты основания Сb во все се­зоны года, согласно табл. 17.6, приходится на интервал 0,6— 1,0 км. Но летом нижняя граница с высотой до 0,6 км наблюдается всего только в 22 % случаен, зимой же—в 48 %; по­вторяемость высот наиболее 1 км находится летом и зимой в обрат­ном соотношении—52,4 н 22%. Средние значения Zк равны:

0,8 км зимой, 1,2 км весной, 1,3 км летом и 0,9 км осенью. Та­кое изменение Zк в течение года находится в согласии с формулой (1.1.8): летом разность Tо-то больше, чем зимой.

Толщина Сb зимой существенно меньше, чем летом: z* не пре­вышает 3 км в 92% случаев зимой н лишь в 36,6% случаев летом. Средние значения z* раины: 1,5 км зимой, 3 км весной, 4,6 км летом, 2,6 км осенью.

Высота нижней границы кучевых туч заключена меж 300 и 2500 -3000 м; при всем этом как средние, так и более веро­ятные значения Zк, растут при переходе от утренних ча­сов к дневным и от больших широт к наиболее низким. К примеру, в Ленинграде и Киеве средние значения Zк равны соответственно 1150 н 2000 м, а большая повторяемость Zк приходится на ин­тервалы 1000—1200 и 1900, 2100 м.

Средние значения температуры Тк на уровне основания конвективных туч в 3-х пт (Ленинград, Москва, Киев) близки меж собой (соответственно 8,8, 8,1 и 8,6 С); макси­мум повторяемости Тк, равный 20% приходится на интервал 9—11 °С, а вообще-то колебания Тк заключены меж 19 и -3 С (в 75% случаев от 3 до 13 С). На уровне вершины массивных ку­чевых туч наибольшая повторяемость (25 % ) температуры Т* приходится на интервал от —1,5 до —4,5 С, а последние зна­чения Т* заключены меж 7,5 и —19,5 С; для Сb соответствую­щие интервалы температур колеблются от —13 до —17 и от —1 до —37°С. Крайнее значение не является минимальным, по­скольку до вершин более массивных Сb самолеты не поднима­лись. Определенного значения температуры, при которых проис­прогуливается оледенение вершины развивающегося массивного кучевого облака, не наблюдается: по опытным данным, эта температура колеблется меж - (19 и -3 С. Приблизительно 1/4 толщины Сb рас­полагается ниже уровня нулевой изотермы, а ¾ - выше нее).

Большой опытнейший материал (часть которого приведена выше) о кучево-дождевых облаках получен в летние месяцы 1959— 1965 гг. при выполнении полетов на самолетах-лабораториях Ту-104Б (132 полета) и Ил-14 (31 полет). Приведем (по С. М. Шметеру) главные статистические свойства кучево-дождевых туч по данным этих полетов. Общее число исследованных туч составило 292. Более нередко вершины Сb находятся на высоте 8—12 км (на этот интервал высот приходится 79 % всех изученных туч):

Высота, км . . . .

5—6

6-7

7—8

8—9

9-10

10-11

11-12

>12

Повторяемость, %

6

3

9

19

16

30

14

3

Определена повторяемость горизонтальных размеров L кучево-дождевых туч для верхней трети (Рн. тр) н нижней трети (Рн. тр) Сb:

L km . . . .

<10

10-20

20-30

30-40

40-50

50-60

>60

Pн.тр% . . .

82

18

-

Pн. тр %

15

32

18

8

4

2

1

Горизонтальные размеры нижней трети кучево-дождевых обла­ков, находящихся в исходной стадии развития, в 82% случаев не превосходят 10 км, в других вариантах они составляют 10— 20 км. Верхняя треть Cb характеризуется большими значениями L. Но в данном случае наблюдения проводились, как пра­вило, за тучами в зрелой стадии, когда их размеры приблизительно в 1,5 - 2 раза больше, чем в исходной.

В стадии развития (продолжительностью 10 - 20 мин) наибольшие скорости роста вершин Сb добиваются 2,6 м/с, а более нередко встречающиеся скорости заключены в интервале 0,1- 0,6 м/с. В зрелой стадии (продолжительноетью 20 - 50 мин) в 47% слу­чаев скорость подъема и опускания вершин Сb не превосходит 0,2 м/с. В тех вариантах, когда скорость превосходит 0,2 м/с, повто­ряемости подъема и опускания вершин фактически схожи. Эти данные указывают на то, что вершина Сb в зрелой стадии испытывает повторяющиеся колебания.

Скорость роста горизонтальных размеров верхней трети возрастающего Сb (обычно, Cb calv.) в среднем близка к 0,7 км/мин, а наибольшие значения добиваются 1,6 км/мин.

Соответствующая изюминка зрелых Cb -образование в их верх­ней части перистой наковальни (incus), над которой сначала данной стадии возвышается на несколько сотен метров (а время от времени и на 1—2 км) купол. Скорость роста наковальни вдоль ветра (на подветренной стороне) больше, чем по нормали к нему. В итоге размеры вершин зрелых Сb вдоль потока, обычно, на 20 - 35 % больше, чем поперек ею (для изученных туч средние размеры равны 27 км вдоль и 21 км поперек потока).

Наблюдения за Cb при помощи радиолокаторов и с самолета проявили, что вершины их часто попадают выше тропопаузы, высота которой определена вне облака. Так, за четыре года (1961- 1964 гг.) в 10 пт США было отмечено 2013 случаев проникания вершин в нижнюю стратосферу. Более нередко это явление наблюдается весной и летом от 14 до 21 ч местного времени. Но, конкретно над развивающимся Сb тропо­пауза приподнимается и размещается на несколько 10-ов метров выше вершин Сb. Это явление служит доп указанием на то, что высота тропопаузы определяется интенсив­ностью турбулентного обмена в тропосфере: чем наиболее он развит, тем до большей высоты наблюдается падение температуры и тем выше тропопауза.

Но данным 490 съемок пасмурного неба, выполненных в летние месяцы в районс Москвы, рассчитаны повторяемости (Р) различ­ного количества n кучевых туч:

п
баллы . .
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Р
% . . . .
3
12
15
20
16
13
9
6
5

Согласно сиим данным, более нередко наблюдаются кучевые облака в количестве от 3 до 5 баллов. В 80 % случаев количество туч не превосходит 6 баллов.

Анализ наблюдений за потоками прямой и суммарной радиа­ции дозволил получить сведения о повторяемости плотной (Рпл) и полупрозрачной (Рппр) частей кучевых туч, также о ха­рактерных временном (t2) и пространственном (l2) масштабах кучевых туч:

n баллы .
2
3
4
5
6
7
8
9
Рпл. % .
0
5
12
22
31
40
58
84
Рппр %
18
24
24
29
27
27
22
11
Робл % . .
18
29
36
51
58
67
80
95
t2 С ....
96
320
360
410
380
380
740
460
l2 km . . .
.1.1
2.8
4.4
4,9
4.6
5.0
14,0
8.5

Из приведенных данных следует, что при любом значении п кучевые облака содержат полупрозрачные части, где потоки пря­мой радиации отличны от нуля. Сумма Робл=Рпл-Рппр близка к п (ежели его выразить также в процентах) — количеству туч, определенному по фотографиям небесного свода. Соответствующий размер кучевых туч, обычно, возрастает с ростом п.

По данным наблюдений над Украиной (в течение 56 дней) рас­пределение водности кучевых туч с высотой описывается функцией вида

где L=z/H, n—высота над основанием облака, H -толщина облака (максимум повторяемости ее приходится на 1800 м). б*max - наибольшее значение водности, которое дости­гается при L= Lo, т и р — характеристики.

Согласно крайней формуле, водность облака обращается в нуль на нижней границе облака (L=0), потом она растет, до­стигает максимума б*max при L=Lо, после этого убывает, обращаясь

2-ой раз в нуль на верхней границе облака (L=1) Анализ 79 случаев распределения водности показал, что сред­нее значение Lo =0,83 ±0,1 и что в 75% случаев Lо>0,8. Это оз­начает, что максимум водности в кучевых облаках находится поблизости их вершины. Более распространенные (модальные) значения т = 2,8 и р = 0,38.

Наибольшая (по высоте) водность б* зависит от тол­щины Н и температуры Т нг. на нижней границе облака: ростом той и иной величины значение б* возрастает (рис. 17.5).

Скорость нарастания водности с вы­сотой приметно различается от градиента адиабатической водности (Это таковая водность, которую приобретает мокроватый насыщенный воздух при его адиабатическом подъ­еме) только в нижней части облака (приблизительно до L=0,4;)

Рис. 17.5. Зависимость макси­мальной (по высоте) водности, кучевых туч от толшины Н и температуры Тн.г на нижней границе облака.

в основной же его части (от L=0,4 до L==0,8) градиент и* совпадает с гради­ентом адиабатической водности.

На базе этих данных можно за­ключить, что более существенную роль игрaет перемешивание (вовлече­ние) по вертикали, которое в конвективных облаках сильно развито: коэф­фициент турбулентности и их, по неким оценкам, добивается 300— 500 м2/c, время от времени 1000 -1500 м2/с.

Дневной ход конвективных обла­ков. Приток солнечной радиации в дневное время суток содействует повышению неустойчивости призем­ного слоя, и, как следствие, развитию конвективных движении воздуха, сопровождающихся, в свою очередь, образованием конвективных туч. По данной причине в днев­ную половину суток повторяемость конвективных туч больше, чем в ночную.

В табл. 17.8 и 17.9 представлены (по Д. П. Чуваеву) результаты анализа наблюдений за конвсктивными тучами на несколь­ких станциях равнинной (Курск, Харьков, Донецк, Ростов-на-Дону н Актюбинск) и горной (Минеральные воды и Тбилиси) местно­сти. Согласно сиим данным, возможность образования кучевых о­лаков (Сu) с 9 до 19 ч во много раз больше, чем в оставшуюся часть суток: на равнинной местности на 9—19 ч приходится 96,7 %, в горной — 84,8 % всех наблюдавшихся кучевых туч с мак­симумом повторяемости в 13 - 14 ч.

Но дневной ход массивных кучевых (Сu cong.) и тем бо­лее кучево-дождевых (Сb) туч выражен не так отчетливо,

Таблица 17.8. Повторяемость (%) конвективных туч равнинной местности

Облака

N

Время . ч

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Си
5123
0.0
0,0
0.1
0.2
0.2
0.4
0,5
0,7
2.1
4.3
9.2
13.6
Си cong.
10799
1.7
1.6
1.6
1.7
1.6
1.6
1.6
1,5
1,9
2,9
4,9
6.7
Cb
6405
2.0
2,1
2,1
2.1
2.0
2,0
1,9
2.0
2,2
2.9
3,6
5.2

Облака

N

Время . ч

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

Си
5123
15.6
15.8
13.8
10.6
6,8
3,5
1.4
0,6
0,2
0,2
0.1
0.1
Си cong.
10799
8,3
9,3
9.9
8.9
7.3
6.6
5.2
4.5
3.8
2,9
2.1
1.9
Cb
6405
7.2
8.3
9,2
8.6
7,5
6,5
5.6
4.9
4.1
3.1
2.6
2.3

Таблица 17.9. Повторяемость (%) конвективных туч в горной местности

Облака

N

Время, ч

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Сu
1907
0.4
0,5
0,5
1.3
1.4
2,5
2.5
2.5
3.7
5.7
8,6
10.2
Cu cong.
6922
3.1
2.7
2.8
3,0
3,1
2,7
2,6
2,4
2,4
2.7
3.2
3.9
Сb
4024
3.2
2.9
2,9
3,4
3,2
2,7
2,8
2,7
2,8
2,5
2.6
3,0

Облака

N

Время, ч

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

Сu
1907
11.2
12.2
11.1
9.7
6,9
3,6
1.9
0,9
0,6
0,7
0,7
0,7
Cu cong.
6922
4.7
5.6
5.1
7.1
7,1
6.5
6.4
5.9
5.6
4.7
3.7
3.0
Сb
4024
3,9
4.2
5.2
5.8
6.9
7.2
6,8
6,5
6.2
5,5
4.0
3.1

как кучевых. В самом деле, повторяемость Сu cong. и Сb в ноч­ные часы полностью сравнима (в особенности в горной местности) с повто­ряемостью в дневные, В часть суток 9—19 ч повторяемость Сu cong. и Сb уже существенно меньше, чем кучевых: она со­ставляет соответственно 70,9 и 66,8 % в равнинной, 54,7 и 50,9 % в горной местности. Максимумы повторяемости Сu cong. и Сb наступают несколько позднее, чем Сu: они приходятся на 14—16 ч в равнинной и на 17—19 ч в горной местности. Довольно высо­кая повторяемость Сu cong. и Сb в ночное время показывает на то, что и образовании конвективных туч существенную роль играет не лишь перегрев отдельных участков земной поверхности под влиянием притока солнечной радиации, да и остальные причины. Одним из таковых причин служит повышение неустойчивости нижней тропосферы под влиянием крупномасштабных вертикаль­ных движении воздуха в областях пониженного давления.

1.6. Вовлечение. В базе развитой н термодинамике атмо­сферы модели вертикального движения частиц воз­духа, сопровождающегося образованием конвективных туч, лежит представление о отсутствии тепло- и массообмена частички с окружающей ее воздушной средой.

I) настоящих критериях атмосферы частички воздуха нельзя счи­тать адиабатически изолированными от среды: меж ними и ок­ружающей средой происходит обмен массой, теплом, количест­вом движения, влагой и др. О этом свидетельствуют сначала некие бывалые данные. Согласно измерениям, фактиче­ская разность температур воздуха снутри конвективных струй термиков и вне их приблизительно на порядок меньше рассчитанной по адиабатической модели: по экспериментальным данным - де­сятые доли градуса, расчетные значения—несколько градусов. Верхняя граница z* конвективных туч размещается, обычно, существенно ниже уровня вольной конвекции zконв., определенного по пересечению кривой стратификации с адиаба­тической кривой состояния (средняя разность zконв. - z*~3 км). Различие меж z* и zконв. тем больше, чем меньше относительная влажность воздуха, в котором развиваются облака. Так, по наблю­дениям в США при разности температур на уровне 500 гПа меж кривыми состояния и стратификации в 5—8°С повторяе­мость ливневых осадков (Р) при различной относительной влаж­ности имела последующие значения:

f % ..
75
60-74
55-59
30-44
=<29
P % . .
100
88
71
30
17

Возможность выпадения осадков тем больше, чем выше распо­ложена верхняя граница конвективного облака. По наблюдениям в Русском Союзе установлено заметное уменьшение повторяе­мости гроз по мере роста недостатка точки росы на уровне 500 гПа, также понижение вершин туч при увеличении суммарного недостатка точки росы на уровнях 850, 700 и 500 гПа.

Эти и некие остальные бывалые данные можно разъяснить, ежели принять во внимание массо- и термообмен меж конвективными элементами и окружающим воздухом. Этот процесс обмена (взаимодействия) конвективных термиков с окружающей средой принято именовать вовлечением. Под влиянием вовлечения адиа­батическая кривая состояния сдвигается в сторону кривой стратификации, при всем этом смещение тем больше, чем ниже относительная влажность окружающего воздуха.

В первый раз на роль вовлечения в развитии конвекции в форме струи (трубы) указал российский ученый И. И. Касаткин (1915 г.). 1-ые количественные оценки этого процесса выполнил анг­лийский исследователь X. Стоммел (1946 г.). Он же ввел меру интенсивности вовлечения.

Относительно физического механизма вовлечении существует несколько точек зрения. Большая часть исследователей считает, что основную роль играет турбулентное перемешивание. Термики, по гипотезе Скорера и Ладлама, имеют форму пузырей теплого воздуха, передняя часть которых полусферическая, а задняя представляет собой длиннющий шлейф относительно прохладного воз­дух;). Из лабораторных и теоретических исследовании вытекает, что снутри передней части пузырей наблюдается вихревое (тороидальное) движение воздуха, препятствующее полному перемеши­ванию термина со средой.

Более подходящие условия для образования пузырей создаются над местностью с резкими различиями в радиационных свойствах подстилающей поверхности на смежных участках. В южных районах США, согласно наблюдениям, в ясные дни о­разуется в среднем один пузырь за каждые 4- 10 мин на пло­щади 1 км2. Но мере подъема поперечные размеры термиков рacтут. По-видимому, в большинстве случаев это происходит под влиянием объединения пары наиболее маленьких термиков.

Меж радиусом термика R и высотой z существует линейная зависимость:

R=Ro+az (1.6.1)

Где a=0,20—0,25 независимо от знака ускорения термика, Rо— радиус термика на начальном уровне (при 2=0). Введем понятие показателя вовлечения а, являющегося ме­рой интенсивности вовлечения. Пусть при перемещении термина массой m с уровня z на z+dz его масса возросла на dm за счет присоединения (вовлечения) окружающего воздуха.

Показатель вовлечения, согласно определению, представляет собой массу вовлеченного (присоединенного) воздуха, отнесенную к единице массы термина и единице высоты:

(1.6.2)

Теория и бывалые данные демонстрируют, что показатель вовлече­ния для термиков в форме струй и пузырей определяется фор­мулой

а=С/R (1.6.3)

где R—радиус поперечного сечения струи либо радиус пузыря, С — безразмерный коэффициент. Л.Т. 

Матвеев «Курс общей метерологии»

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