Исследование влияния параметров приземного слоя на развитие облачной конвекции

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

НАУКА- ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ, №2, 2017

удк 551.513.22 Данилова Н.Е. [Danilova N.E.], Кульгина J1.M. [Kulygina L.M.], Семенова Ю.А. [Semenova Y.A.], Закинян Р.Г. [Zakinyan R.G.]

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ НА РАЗВИТИЕ ОБЛАЧНОЙ КОНВЕКЦИИ

Study of the parameters atmospheric boundary layer in the development of cloud convection

Одним из видов вертикальных движений в атмосфере является конвекция. Конвективные движения возникают в неустойчиво стратифицированной атмосфере под влиянием атмосферных фронтов или орографических особенностей района. Свободная конвекция является первопричиной почти всех движений в атмосфере. Орографические особенности влияют на развитие конвекции двумя способами: косвенно посредством деформации фронтальных зон с последующим развитием барических образований или непосредственно при перетекании воздушного потока через горные препятствия. Немаловажную роль в развитии облачной конвекции играют параметры приземного слоя, такие как: динамический фактор, обусловленный орографией; термический фактор, обусловленный начальным перегревом. В данной работе облачная конвекция не является возмущенным состоянием относительно покоя, а представляется средним движением, вызванным только лишь флуктуацией плотности воздуха, которая зависит оттемпературы и массовой доли водяного пара. Такое рассмотрение является более последовательным. Представленные расчёты показывают, что модуль полной скорости движения воздуха при тепловой конвекции сухого воздуха и размер конвективной ячейки, существенно зависят от скорости восходящих потоков у земли, обусловленной рельефом местности, а также приземными параметрами.

One of the types of vertical movements in the atmosphere is convection. Convective motions arise in an unstable stratified atmosphere under the influence of atmospheric fronts or orographic features of the region. Free convection is the root cause of almost all movements in the atmosphere. Orographic features affect the development of convection in two ways: indirectly by deformation of the frontal zones with the subsequent development of baric formations or directly during the flow of airflow through mountain obstacles. A very important role in the development of cloud convection is played by the parameters of the surface layer, such as: the dynamic factor due to orography; Thermal factor due to initial overheating. In this paper, cloud convection is not a perturbed state with respect to rest, but is represented by an average motion caused only by a fluctuation in air density, which depends on the temperature and the mass fraction of water vapor. This consideration is more consistent. The presented calculations show that the module of the total air velocity for thermal convection of dry air and the size of the convective cell depend significantly on the velocity of the ascending streams at the ground, caused by the relief of the terrain, and also the surface parameters.

Ключевые слова: параметры конвекции, термический фактор, динамический фактор, начальные перегрев, уровень конденсации. Key words: options convection, thermal factor, dynamic factor, the initial overheating, the level of condensation.

Введение

Атмосферная конвекция в теплое время года не только осуществляет вертикальный перенос тепла, водяного пара и импульса, но и является основной причиной образования конвективных облаков: кучевых (Си), мощных кучевых (Си соп§) и кучево-дождевых (СЬ). С кучево-дождевыми облаками связан комплекс наиболее опасных явлений погоды. Это ливневый дождь, град, сильный снегопад, «снежные заряды», гроза. К числу опасных проявлений конвективной деятельности относятся также шквалы и смерчи, которые обладают огромной разрушительной силой, приносят значительный материальный ущерб и нередко приводят к гибели людей [2, 4, 5].

Как известно, все формы кучевых облаков являются результатом конвективных движений в атмосфере. Конвективные движения возникают в неустойчиво стратифицированной атмосфере под влиянием атмосферных фронтов или орографических особенностей района.

Термическое влияние орографических препятствий сказывается внутри однородных воздушных масс, когда наблюдаются слабые ветры и малые барические градиенты в нижней части тропосферы. В этом случае при слабом горизонтальном переносе в атмосфере формируются термические неоднородности, вызывающие днем циркуляцию с восходящими движениями над возвышенностями и нисходящими во впадинах. В ночные часы наблюдается обратная картина. Тепловое влияние гор весьма существенно летом. Оно часто выходит за пределы горных районов и распространяется на предгорные равнинные области, на расстояния до 100 км, где днем за счет нисходящих движений происходит ослабление процессов облакообразования.

Динамические воздействия вносят больший вклад в упорядоченные вертикальные движения, развивающиеся в нижних слоях воздуха над склонами гор и прилегающими к ним равнинными областями. У наветренных склонов гор имеет место усиление восходящих движений, у подветренных -нисходящих движений. Интенсивность вертикальных движений зависит от свойств воздушного потока и характеристик хребта. Зоны восходящих и нисходящих движений, порождаемые горными массивами, стационарны [3].

Свободная конвекция - очень сложный и далеко еще не изученный до конца процесс. Очень сложен он в атмосфере, материи и ядре Земли. Это связано с огромными их размерами, вращением Земли и сложными тепловыми и плотностными полями внешних оболочек и внутренних областей планеты.

Прогнозирование особенностей развития конвективных процессов во времени и пространстве является актуальной научной задачей. Этой проблеме посвящено большое число работ [1-6]. Однако существующие методы расчета параметров конвекции основаны на данных многолетних наблюдений и представляют собой статистические зависимости между различными параметрами. Поэтому разработка адекватной математической модели конвекции, описывающей влияние характеристик приземного слоя атмосферы

на ее развитие, является актуальной задачей физики атмосферы. Неоднородность рельефа оказывает существенное влияние на развитие конвективных движений, а значит и влияет на распределение характеристик конвективных облаков и явлений. Исследованию влияния орографии также посвящено достаточное количество работ. Но все эти работы основаны на статистическом анализе связи параметров конвекции с характеристиками рельефа местности. Поэтому разработка математических моделей влияния орографии на развитие конвекции в настоящее время становится актуальным, потому что это позволит усовершенствовать методику прогноза погоды.

Из сказанного выше следует, что знание характеристик, причин и возможности предсказания конвективной деятельности позволит своевременно обеспечить безопасность людей и сохранность материального имущества.

При прогнозировании параметров облачной конвекции используют аэрологические диаграммы. При этом используется так называемый «метод частицы», в котором предполагается, что перегрев и скорость восходящих потоков на уровне конденсации равны нулю. А это не всегда так. Поэтому представляется важным выяснить влияние подоблачной конвекции на параметры самой облачной конвекции на уровне конденсации.

Материалы и методы исследований

Разнообразие природных ландшафтов оказывает существенное влияние на развитие конвективных движений в атмосфере, а значит и на распределение характеристик конвективных облаков и явлений.

Горные массивы оказывают значительное динамическое и тепловое воздействие на воздушные течения. Чем выше горы и круче склоны, чем больше нормальная к хребту составляющая скорости ветра и меньше устойчивость атмосферы, тем больше обусловленные орографией скорости упорядоченных вертикальных движений, шире зона их распространения на равнинные предгорные районы.

Орография местности оказывает влияние как на усиление облакообра-зования и осадков, так и на их ослабление. У наветренной стороны хребта создаются благоприятные условия для развития облачности и выпадения осадков. У подветренных склонов усиливаются нисходящие движения и создаются условия для размывания облачности и уменьшения осадков [4].

При динамическом влиянии хребтов на воздушные потоки усиление осадков над наветренными склонами может сопровождаться ростом приземного давления, ослабление осадков и размывание облачности - падением давления. Вынужденный подъем воздуха по склонам гор нередко вызывает орографические ливни и грозы конвективного характера.

Термическое влияние гор выражается в дополнительном прогревании склонов летом в дневные часы по сравнению с окружающим воздухом. Возникают термические неоднородности, вызывающие циркуляцию с восхо-

дящими движениями над хребтами и нисходящими в предгорьях. В итоге, над горами осадки усиливаются, а над предгорными долинами - ослабевают. В ночное время картина должна быть обратной, но так как дневной прогрев больше ночного охлаждения, то горы в основном играют роль нагревателей.

Зимой горы, наоборот, являются «холодильниками». Циркуляция воздуха обратная, по сравнению с летней. Для некоторых районов наряду с циклонической деятельностью основной причиной формирования сезонных осадков является эффект запруживания влажных воздушных масс, что вызывает заметное увеличение количества осадков по сравнению с рядом расположенными районами.

Эффект запруживания воздушных масс заключается в возрастании восходящей составляющей движения при замедлении горизонтального воздушного потока, связанного с изменениями условий трения при переходе воздушных масс с суши на море, перед горными хребтами и массивами, динамической конвергенцией ветра скорости ветра.

При приближении к высокому восточному побережью воздушные массы испытывают динамическое торможение, и накапливаются, набегая друг на друга, что приводит к возникновению дополнительной вертикальной составляющей движения. При переходе через береговую линию меняются условия трения. Тормозящее влияние подстилающей поверхности, последующее накапливание воздушных масс перед горными хребтами и переваливание воздуха через них также благоприятствуют организации вынужденного подъема воздуха.

Играет роль и некоторое повышение давления в накапливающемся перед горами воздухе. Под влиянием орографического фактора, динамический рост давления в этом случае сопровождается развитием восходящих движений воздуха (в отличие от общих термодинамических факторов, когда при росте давления происходит развитие нисходящих движений) и образованием облачности и осадков.

Эффект запруживания прослеживается в распределении облачности и осадков раньше и распространяется дальше на побережье, чем в случае собственно орографических осадков, связанных с вынужденным подъемом воздуха при его переваливании через хребет и достижении им условий насыщения. Количество осадков становится заметным уже над морем возле побережья.

Эффекты запруживания проявляются также в обострении циклонических осадков, связанном с дополнительным вынужденным подъемом воздуха при приближении фронтальной воздушной массы к горному препятствию и дальнейшим ее перемещении.

Горные хребты оказывают влияние на траектории барических образований. Барические центры стремятся обогнуть горы по часовой стрелке. Наблюдается также замедление перемещения барических образований перед горами, а низкие холодные антициклоны могут быть задержаны высокими горами.

Наиболее сильное торможение воздушного потока наблюдается у подножия хребта как на наветренной его стороне, так и на подветренной. В наветренной области имеет место рост давления и восходящего движения воздуха, в подветренной - падение давления и нисходящие движения воздуха. Следовательно, накопление воздуха по одну сторону хребта приводит к резкому перепаду давления при переходе через горы.

Влияние гор проявляется не только в областях, непосредственно примыкающих к ним, но и распространяется на несколько сот километров на прилегающие районы. Чем выше горный массив, чем круче склоны хребта, тем более мощный слой охвачен орографическим возмущением и интенсивнее его влияние на атмосферные процессы [3].

На практике чаще всего приходится встречаться с орографической эволюцией циклонов, низких подвижных антициклонов и барических ложбин с атмосферными фронтами. В центральной части высокого антициклона ветры слабые, поэтому при его перемещении через горный хребет чаще всего происходит лишь соответствующая деформация барического поля над периферийными областями.

При приближении циклона к горному хребту в передней его части вследствие конвергенции потока происходит рост давления. Рост давления под влиянием орографических факторов сопровождается восходящими движениями и развитием облачности и осадков, а падение - нисходящих, размыванием облачности и прекращением осадков (в отличие от общих термодинамических факторов, когда рост давления в нижней тропосфере обычно сопровождается нисходящими движениями воздуха, а падение - восходящими). Далее по мере перемещения циклона начинается падение давления на подветренном склоне хребта. Поэтому образуются два центра пониженного давления - один у наветренного склона, другой у подветренной стороны хребта. Дальнейшее перемещение циклона сопровождается увеличением и углублением области пониженного давления у подветренной стороны при исчезновении циклона у наветренной стороны. Обычно циклон перед хребтом существует не более суток. Данный процесс носит название сегментации циклона.

Если циклон встречается с хребтом, расположенным широтно, то его центр также раздваивается - один центр располагаются севернее хребта, другой - южнее. При дальнейшем развитии циклона оба центра сохраняются и действуют как самостоятельные циклоны.

Кроме орографического циклогенеза, в некоторых районах имеет место и орографический антициклогенез. Процесс орографического антициклогенеза выражается в образовании у поверхности Земли самостоятельного антициклонического центра на наветренной стороне горного хребта. Этот процесс наблюдается перед хребтами, ориентированными обычно с севера на юг.

Если бы земная поверхность была бы однородной, то распределение давления имело бы зональный характер. Материки существенно нарушают

эту картину за счет эффектов как динамического и термического происхождения. Эти эффекты максимальны в случаях, когда на материке есть горные хребты, которые оказывают существенное влияние на сезонное распределение барических минимумов и максимумов.

Уравнение притока тепла в слое от уровня земли z = 0 до уровня конденсации zc имеет вид;

Щ т

где Ti - температура термика,

уа = 0.98 °С/100 м - сухоадиабатический градиент температуры

Аншюгичное уравнение для окружающей атмосферы имеет вид:

^ = (2) dz

Далее для получения аналитических выражений градиент у температуры окружающего воздуха будем считать постоянным у = const. При оценках будем считать у и 6 °С/км. Из (1) и (2) получаем выражения для температуры термика /| и окружающей атмосферы '/'.:

T^T^-yz.

Введем функцию перегрева

AT = 7] -Те =

где А0Т - начальный перегрев у земли; Ду = (уа > у). Запишем уравнения движения:

;)=мп

где Р = параметр плавучести,

Т - средняя температура в слое.

^ dщ 1 dwj2 ,., dw: 1 dwf

1 ак как —1 =--—, то запишем (5) с учетом —1 =--— в виде:

At 2 dz di 2 dz

= Г.

dz

Из (1), (2) и (4) запишем для функции перегрева уравнение

^ =

dz

Таким образом, адиабатическая модель конвекции сухого (или влажного ненасыщенного) термика описывается системой уравнений (6) - (7). Решение (7) является (4). Подставляя (4) в (6) найдем:

^ = (8) аг

где ^ву = - частота Брента - Вяйсяля,

= - уровень выравнивания температур восходящего термика и окружающей атмосферы, согласно формуле (4).

Этот уровень является положением равновесия воздушной частицы, отклонение от которого вызывает колебания с частотой Брента -Вяйсяля. Решение (8) имеет вид:

где и1,о - начальная скорость восходящих потоков динамического

происхождения, обусловленная орографией.

В начале предположим = 0, что имеет место при горизонтальном рельефе в отсутствии орографии:

Из условия М'[ = 0, найдем уровень конвекции = =

Из формулы (8) видно, что на уровне выравнивания температу р, где

Д7' = 0, скорость ш\ максимальна. Подставляя А, = в (10), найдем выраже-

' ГГ

ние для максимальной скорости восходящих потоков = А0Т *

На уровне конденсации гс скорость восходящих потоков равна

н,2 "1С

= м1у2с

Уровень конденсации дс определяется из условия равенства температуры термика '/, температуре точки росы т:

ф0) = г

Считая градиент точки росы постоянным (без учета вовлечения) ут = - , получим

1 = (13) Из (3), (12), (13) найдем уровень конденсации

Го-то V

Та-Ут ДГх

где щ - дефицит точки росы у земли.

В расчетах считаем с/0~ 0.2 °С/100 м = 2 °С/км.

Подставляя (14) в (11) получим выражение для скорости восходящих потоков И'1С на уровне конденсации:

;2р

АУх

__Ау_

2Д0ГАУту

Подставляя (14) в (12), получим выражения для функции перегрева на уровне конденсации

ДсГ = Д0Г-^0^-.

Аут

Из (15) и (16) видно, что существуют критические значения дефицита точки росы у земли, при которых соответственно равны нулю

А,У и и .:

АсГ = 0: К)сг| = ^с = 0: К)сг2 = 2К),

сг2 — \ 0 /сг1.

Полученные критерии определяют начальные условия облачной конвекции.

Если с1, < (</о)и1. то А, /- > 0 и облачная конвекция может развиваться, даже если атмосфера влажноустойчива у > уап1. Если с/0 < ($о)ст2, то уровень конденсации будет пробиваться подоблачной струей, что также способствует развитию конвекции при влажноустойчивой атмосфере.

Результаты исследований и их обсуждение

Из уравнения для начальной скорости восходящих потоков следует, что основными причинами конвекции в сухой (или влажной ненасыщенной атмосфере) являются:

— динамический фактор, обусловленный орографией Ф 0;

— термический фактор, обусловленный начальным перегревом 0;

— в случае, если Що= 0 и А0Т= 0, необходимым условием конвекции является наличие сверхадиабатического градиента температуры у > уа.

Как правило, в атмосфере сверхадиабатические градиенты наблюдается редко или в очень узких слоях атмосферы. Поэтому условие у > уа, не является основной причиной конвекции в атмосфере. Отсюда следует, что основными причинами конвекции являются термические и динамические факторы.

Из-за неоднородности земной поверхности эффекты динамического и термического происхождения максимальны, когда на материке есть горные хребты. Это говорит о том, что орография оказывает значительное влияние на развитие облачной конвекции.

Следует обратить внимание еще на одну роль рельефа на развитие приземной и облачной конвекции. Как правило, в приземном слое атмосферы наблюдаются задерживающие слои, обусловленные изотермическими слоями или слоями инверсии. Эти слои являются препятствием для развития конвекции. То есть при некоторых условиях эти слои не пробиваются восходящими потоками воздуха. В этом случае рельеф местности может сыграть роль «пускового механизма», то есть, задав начальный импульс восходящему потоку, способствует пробиванию им задерживающего слоя. А далее восходящий поток, пробившийся сквозь задерживающий слой, может оказаться в условиях, способствующих развитию облачной конвекции.

Выводы

Из полученных результатов можно сделать вывод, что орография способствует развитию облачной конвекции.

Таким образом, влияние орографии приводит к возникновению начальной скорости всех потоков у земли. А это приводит к тому, что конвекция может возникать и при более сухой атмосфере. Как правило, в атмосфере сверхадиабатические градиенты наблюдается редко или в очень узких слоях атмосферы. Поэтому условие у > уа, не является основной причиной конвекции в атмосфере. Поэтому основными причинами конвекции являются термические и динамические факторы.

Библиографический список

1. Волочай М.А., Грицаева М.Н., Закинян РГ. Свободная конвекция влажного воздуха // Материалы 55-й научно-методической конференции преподавателей и студентов Ставропольского государственного университета «Университетская наука - региону». Ставрополь: СГУ, 2010. С. 16-19.

2. Грицаева М.Н., Волочай М.А., Закинян РГ Возникновение свободной конвекции вязкого воздуха // Материалы 55-й научно-методической конференции преподавателей и студентов Ставропольского государственного университета «Университетская наука - региону». Ставрополь: СГУ, 2010. С. 23-26.

3. Закинян Р.Г., Полянская Н.Е. Влияние параметров приземного слоя на развитие облачной конвекции // Материалы международной молодежной научной конференции «Математическая физика и ее приложения» (МФП-2012). Т. 5. Математическое моделирование и волновые процессы. Пятигорск, 2012. С. 32-33.

4. Назаренко А.В. Опасные природные явления // Опасные явления погоды конвективного происхождения, Ч. Ill: учебно-методическое пособие. Воронеж: Издательско-полиграфический центр ВГУ, 2008.

5. Полянская Н.Е. Условия возникновения конвекции влажного воздуха в атмосфере // Материалы 57 научно-методической конференции преподавателей и студентов Ставропольского государственного университета «Университетская наука - региону». Ставрополь: СГУ, 2012. С. 149-152.

6. Полянская Н.Е. Влияние рельефа на развитие приземной конвекции // Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Наука и устойчивое развитие». Нальчик, 2012. С. 102-103.

References

1. Volochaj М.А., Gricaeva M.N., Zakinjan R.G. Svobodnaja konvek-cija vlazhnogo vozduha (Free convection of moist air) // Materialy 55-j nauchno-metodicheskoj konferencii prepodavatelej i studentov Stavropol'skogo gosudarstvennogo universiteta «Universitetskaja nauka - regionu». Stavropol': SGU, 2010, S. 16-19.

2. Gricaeva M.N., Volochaj M.A., Zakinjan R.G. Vozniknovenie svo-bodnoj konvekcii vjazkogo vozduha (The appearance of free convection of viscous air) // Materialy 55-j nauchno-metodicheskoj konferencii prepodavatelej i studentov Stavropol'skogo gosudarstvennogo universiteta «Universitetskaja nauka - regionu». Stavropol': SGU, 2010, S. 23-26.

3. Zakinjan R.G., Poljanskaja N.E. Vlijanie parametrov prizemnogo sloja na razvitie oblachnoj konvekcii (Influence of the parameters of the surface layer on the development of cloud convection) // Materialy mezhdunarodnoj molodezhnoj nauchnoj konferencii «Matematicheskaja fizika i ее prilozhenija» (MFP-2012), T. 5. Matematicheskoe modelirovanie i volnovye processy, Pjatigorsk, 2012, S. 32-33.

4. Nazarenko A.V. Opasnye prirodnye javlenija (Dangerous natural phenomena) // Opasnye javlenija pogody konvektivnogo proisho-zhdenija, Ch. Ill: uchebno-metodicheskoe posobie. - Voronezh: Izdatel'sko-poligraficheskij centr VGU 2008.

5. Poljanskaja N.E. Uslovija vozniknovenija konvekcii vlazhnogo vozduha v atmosphere (Conditions for the emergence of convection of moist air in the atmosphere) // Materialy 57 nauchno-meto-dicheskoj konferencii prepodavatelej i studentov Stavropol'skogo gosudarstvennogo universiteta «Universitetskaja nauka - regionu». Stavropol': SGU, 2012, S. 149-152.

6. Poljanskaja N.E. Vlijanie rel'efa na razvitie prizemnoj konvekcii (Influence of the relief on the development of surface convection) // Materialy VII Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh «Nauka i ustojchivoe razvitie», Nal'chik, 2012, S. 102-103.