Грозы, ливни, град, шквалы: трехмерное численное моделирование

Рис. 01 Вертикальный профиль объемной плотности электрического заряда (Кл/м3) для осадкообразующего конвективного облака, полученный по модельным расчетам

В качестве примера взят день с развитием гроз на Северо-Западе РФ. Выбран момент, когда начинается выпадение осадков. Разрез взят по плоскости, в которой лежит вертикальная ось облака. Видно, что зарядовая структура облака представляет собой трехполюсник. Положительный заряд вверху, отрицательный в средней части облака и положительный в нижней его части и под ним (в осадках). Такой трехполюсник обычно наблюдается в реальных условиях; таким образом, модель адекватно воспроизводит природные процессы. Несимметричность распределения заряда обусловлена сдвигом ветра с высотой.

Ливни, грозы, град, шквалы наносят существенный ущерб и зачастую просто опасны для жизни. Эти погодные явления неразрывно связаны с конвективными облаками (в первую очередь, кучево-дождевыми). Поэтому так важно изучение свойств кучево-дождевых облаков и методов активных воздействий на них.

Это важно не только с прикладной, но и с фундаментальной точки зрения. Во-первых, любые облака и связанные с ними осадки являются неотъемлемым звеном влагооборота в системе Земля — атмосфера. Во-вторых, они играют огромную роль в процессах переноса радиации в атмосфере. В-третьих (что особенно касается конвективных облаков), они являются составляющей глобальной электрической цепи, замыкая ее. Все эти аспекты важны в формировании климата планеты.

Рис. 02 Вертикальный профиль скорости восходящих потоков в кучево-дождевом обла- ке, на который наложен профиль водности облачных капель и ледя- ных частиц

Параметры облака при естественном развитии а и при активном воздействии кристаллизующим реагентом б . В результате активных воздействий в облаке появляется облачный лед (темно-синяя область), чего не наблюдается при естественной эволюции а . Появление дополнительных ледяных частиц способно вызвать преждевременное осадкообразование и разрушение грозо-градового облака. Тем самым будет предотвращено опасное градобитие.

Экспериментальные средства исследования — особенно самолетные — сложны и дороги. В связи с этим эффективным инструментом являются численные модели. В мировой практике уже накоплен значительный опыт создания численных моделей разного уровня сложности. Сформулированы системы уравнений одно-, двух- и трехмерных моделей отдельного конвективного облака. Используются также макромасштабные и мезомасштабные модели полей облаков, однако их применение пока сталкивается с проблемами.

Наибольшее развитие получили модели именно отдельного конвективного облака. Они воспроизводят физическую картину явлений, но потребляют сравнительно мало вычислительных ресурсов. Особый интерес представляют трехмерные модели, они позволяют описывать ряд процессов, которые невозможно адекватно описать в моделях малой размерности (взаимодействие облака с полем ветра, многоячейковые и суперячейковые облака, поля облаков, процессы активных воздействий, шквалы и смерчи).

В 2007 году Росгидрометом была поставлена задача построить отечественную полную трехмерную модель осадкообразующего конвективного облака, позволяющую исследовать его эволюцию как при естественном развитии, так и при активных воздействиях. Особое внимание должно быть уделено оценке эффекта активных воздействий и выработке рекомендаций по их проведению.

Модель должна учитывать все основные облачные процессы: динамику воздушных потоков, фазовые переходы влаги, столкновение и слияние капель и ледяных частиц, их заряжение, пространственное распределение электрических зарядов. Подчеркнем, что электрическими процессами невозможно пренебречь при изучении кучево-дождевых облаков, особенно грозовых. Между тем ранее в подобных моделях электрические факторы, как правило, не учитывались.

Модель должна иметь блочную структуру. Блоки могут подключаться или отключаться в зависимости от конкретной задачи. И, наконец, эволюция облака должна рассчитываться за разумное время.

С учетом вышесказанного в России в 2008-2013 годах под руководством Главной геофизической обсерватории коллективом ведущих институтов Росгидромета (Центральная аэрологическая обсерватория, Высокогорный геофизический институт и НПО "Тайфун") была разработана численная трехмерная модель конвективного облака. Модель описывает эволюцию трехфазного конвективного облака как при естественном развитии, так и при активных воздействиях. В гидротермодинамическом блоке модели используется полная система уравнений гидродинамики Навье-Стокса, что позволяет описывать развитие глубокой конвекции с большими вертикальными скоростями. Включено описание всех основных облачных процессов, в том числе и электрических, с учетом наличия ледяных кристаллов и частиц кристаллических осадков.

Входными данными являются вертикальные профили температуры и влажности в атмосфере, получаемые в результате запуска радиозондов. Радиус репрезентативности одного радиозонда составляет около 150 км. Дополнительно задаются граничные условия, размеры пространственной области и промежуток времени. Если моделируются активных воздействий, задаются параметры воздействий.

После обработки входных данных запускается расчет, реализующий решение системы уравнений модели. На каждом шаге по времени реализуются два основных блока: гидротермодинамический и микрофизический. Первый описывает перенос энергии, влаги (пара, воды и льда) и электрических зарядов. Второй описывает различные превращения влаги (например, фазовые переходы воды) и зарядов (например, захват ионов каплями). Для расчета электрического поля в облаке применяется уравнение Пуассона.

На выходе модель позволяет получать пространственно-временное распределение основных характеристик облака (вектор скорости облачной среды, ее температура, давление и влажность, а также водность облачных капель, водность дождевых капель, ледность облачных кристаллов, градин, крупы, объемная плотность зарядов, напряженность электрического поля и др.). На основании анализа указанных данных модель позволяет дать заключение о наличии опасных погодных явлений (грозы, ливни, град, шквалы) и их количественных характеристиках.

На рисунке 01 приведен вертикальный разрез профиля объемной плотности электрического заряда для отдельно взятого случая.

При моделировании активных воздействий модель позволяет определить оптимальные значения координат и времени активных воздействий, а также количество реагента. Имеется возможность оценки эффекта активных воздействий — как в физическом, так и в экономическом аспекте. На рисунке 02 приведен вертикальный профиль ряда параметров кучево-дождевого облака как при естественной его эволюции, так и при активных воздействиях.

Развитие численных моделей имеет большие перспективы — в первую очередь, в части электрических процессов, которые пока недостаточно изучены, а также влияния этих процессов на фазовые переходы влаги и коагуляцию облачных частиц.