Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

В приведенных выше исследованиях не рассматривался весьма существенный вопрос о дальнейшем развитии радиоэхо. Такое ис­ следование было выполнено Т. Н. Заболоцкой и В. М. Мучником [50] в районе ЭМП УкрНИГМИ (табл. 16).

Т а б л и ц а 16

Повторяемость радиоэхо в зависимости от температуры воздуха на уровне их зарождения. По Т. Н. Заболоцкой и В. М. Мучнику [50]

Н е р а з в и в ш и е с я р а д и о э х о

Как видно из табл. 16, при положительных температурах ра­ диоэхо облаков в основном не развиваются. Оказалось, что в теі. случаях, когда радиоэхо развиваются, у поверхности земли наблю­ дается только слабый дождь.

Из этих данных следует, что определяющим для возникнове­ ния ливней на территории Украины является образование в обла­ ках твердой фазы. Коагуляционный рост капель в кучевых обла­ ках сам по себе может привести к образованию только весьма слабых ливневых дождей, большая часть которых успевает испа­ риться под облаками. Вместе с тем коагуляционный рост капель в верхних, переохлажденных частях кучевых облаков облегчает их кристаллизацию и образование ливня. Образование гроз, ко­ торые сопровождаются, как правило, интенсивными ливнями, про­ исходит при возникновении первого радиоэхо в области отрица­ тельных температур.

Р. А. Анчугова [6] изучала для Ленинграда зависимость ма­ ксимальной высоты Яшах развития радиоэхо от средней темпера­ туры Ѳср на уровне его зарождения. Она получила следующие данные:

Как видно из этих данных, в случаях когда радиоэхо обнару­ живается при положительных температурах, его развитие по

101

вертикали является малоинтенсивным. Только в случаях, когда ра­ диоэхо зарождается при сравнительно низких средних температу­ рах (около —3° С и ниже), оно поднимается до больших высот, что позволяет ожидать выпадения интенсивного грозового ливня. Результаты Анчуговой согласуются с данными Заболоцкой и Муч­ ника.

После обнаружения первого радиоэхо происходит увеличение его размеров во все стороны. Причины подъема границы радио­ эхо вверх, опускания вниз и распространения в горизонтальном направлении разные. Так, подъем верхней границы радиоэхо обус­ ловливается восходящими токами, которые поднимают частицы вверх, и ростом ледяных частиц, поэтому скорость подъема гра­ ницы может превышать скорость восходящих токов. Опускание нижней границы происходит со скоростью, равной алгебраической сумме скоростей вертикальных токов и падения наибольших ча­ стиц. Распространение радиоэхо на уровне его образования зави­ сит, по-видимому, от турбулентного переноса ядер кристаллизации и скорости роста ледяных частиц до обнаруживаемых размеров.

Как показывают наблюдения, подъем вершины кучево-дожде­ вых облаков [344], так же как и радиоэхо в них [30], имеет пульсационный характер. Пульсации вершины облаков значительно сильнее выражены, чем пульсации верхней границы радиоэхо. Это объясняется тем, что на верхней границе облаков остановка в раз­ витии происходит вследствие перемешивания влажного облачного воздуха с более сухим над облаком. Внутри облака заток сухого воздуха и перемешивание с ним облачного воздуха менее интен­ сивны.

В Нью-Мексико (США) средняя скорость подъема радиоэхо составляет 4 м/с [583], а в Пуэрто-Рико 1,9 м/с, т. е. примерно в два раза меньше, чем в умеренных широтах [334]. Баттан [225] для Огайо (США) нашел, что скорость подъема радиоэхо зависит от высоты, до которой она растет. Таким образом, в более мощных облаках должны существовать большие скорости восходящих то­ ков. В некоторых развивающихся кучево-дождевых облаках ско­ рость подъема достигала 15 м/с. Скорость опускания нижней гра­ ницы радиоэхо составляет в среднем 6 м/с и часто превышает 20 м/с, т. е. она больше скорости подъема верхней границы [225]; по мере приближения границы к поверхности земли скорость опу­ скания уменьшается.

С момента опускания к поверхности земли радиоэхо, обнару­ живаемого в виде очага небольших размеров и слабой интенсив­ ности, происходит увеличение как его размеров, так и отражае­ мости в центре. Затем размеры очага и отражаемость начинают уменьшаться до полного его исчезновения. М. Л. Маркович и др. [113] получили, что горизонтальная площадь очагов и увеличива­ ется, и уменьшается с постоянной скоростью. Средние величины времени (Тсѵ) и скорости (Аср) развития и затухания очагов у по­ верхности земли в районе Киева, заимствованные из [113], приве­ дены ниже:

102

В районе Киева в 76% случаев скорость роста горизонтальной площади очагов лежит в пределах 0,5—2,5 км2/мин и только в 11% случаев она больше 2,5 км2/мин. Скорости уменьшения го­ ризонтальной площади очагов несколько меньше, чем скорости роста. В 73% случаев скорости уменьшения площади находились в пределах 0—1,5 км2/мин. Эти зависимости верны не только для всей площади очага, но и для площади, охватываемой изоэхо лю­ бого значения. Обнаружилось также, что подобные зависимости выполняются и на высотах, выбранных произвольно ниже уровня

Линейную скорость расширения кучево-дождевых облаков на основании самолетных данных получил С. М. Шметер [205]. Для растущих облаков среднее значение скорости расширения оказа­ лось равным 0,7 км/мин, а максимальное 1,6 км/мин. При этом расширение происходило во все стороны примерно одинаково.

2.1.5. Максимальная интенсивность ливней

Важной характеристикой кучево-дождевых облаков является максимальная интенсивность дождя. Средняя интенсивность

ким образом, в районах с более интенсивной грозовой деятельно­ стью наблюдаются ливни с большей интенсивностью. Абсолютный максимум интенсивности ливней на Украине составляет около 10 мм/мин.

В. М. Мучник [130, 135] показал, что между максимальной ин­ тенсивностью дождя и электрической активностью в кучево-дож­ девых облаках существует определенная связь (табл. 17).

Как следует из табл. 17, средние максимальные интенсивности дождей как при грозах, так и без них мало отличаются в разных пунктах Европейской территории Советского Союза. Вместе с тем различия средних максимальных интенсивностей дождей при гро­ зах и без них весьма велики. Так, средняя максимальная интен­

0,23 мм/мин (около 15 мм/ч). В 87% случаев максимальная ин­ тенсивность дождей при грозах оказывается больше 0,4 мм/мин, и в 88% случаев ливней без гроз она меньше этого значения. Та­ ким образом, одним из критериев разделения гроз и ливней можно считать максимальную интенсивность дождя.

103

Т а б л и ц а 17

Повторяемость (%>) различных значений максимальной интенсивности дождей с грозами и без гроз. По В. М. Мучнику [135]

Так как существует возможность радиолокационного измере­ ния максимальной интенсивности дождя по данным о связи между отражаемостью и интенсивностью дождя, то благодаря этому по­ является возможность дистанционного обнаружения грозовых очагов по наблюдениям максимальной отражаемости у поверхно­ сти земли. Попытка, которая дала положительные результаты, была предпринята В. М. Мучником [131]. Е. М. Сальман и К- С. Жупахин [163] определяли максимальную отражаемость на высотах. Они обнаружили, что в среднем для ливней максималь­

на порядок. В дальнейшем в ряде работ Е. М. Сальман и его сот­ рудники разработали комплексный критерий для разделения лив­ ней и гроз:

где Ящах — высота максимума отражаемости; z x и z2— отражае­ мость на уровнях Hi и Н2 соответственно, расположенных выше уровня максимальной отражаемости zmах, при этом возможно, что

Z[= zmax.

Таким образом, электрическая активность в кучево-дождевых облаках непосредственно зависит от интенсивности осадкообразо­ вания. Только в некоторых, по-видимому, весьма редких случаях

104

возможно образование грозовых разрядов при слабых осадках у поверхности земли или при их полном отсутствии. Эти случаи имеют место, надо полагать, только тогда, когда в атмосфере со­ здаются условия для полного испарения капель в восходящих то­ ках в подоблачном слое. Таким образом, случаи «сухих» гроз следует отнести к весьма редким явлениям.

Для выяснения вопроса о вероятности образования «сухих» гроз В. М. Мучник [129] исследовал выпадение ливневых дождей на густой сети осадкомерных пунктов Велико-Анадоля. Было по­

к выводу, что представление о «сухих» грозах возникло на осно­ вании наблюдений за отдаленными грозами, когда отсутствовала достаточно густая и обширная сеть пунктов наблюдений за осад­ ками.

На основании приведенных данных можно утверждать, что электрические разряды являются следствием процессов образова­ ния осадков и возникают только в том случае, если интенсивность образования осадков достигает определенного значения.

2.1.6. Токи и турбулентность в кучево-дождевых облаках

Условия образования и разделения электрических зарядов в конвективных облаках в значительной степени определяются то­ ками, в первую очередь вертикальными, и турбулентностью. Но из­ мерение этих параметров в кучево-дождевых облаках является весьма сложной задачей, и поэтому сейчас сведения о них ограни­ ченны.

Из табл. 18 следует, что скорость восходящих токов в кучево­ дождевых облаках превышает, как правило, 10 м/с и может до­ стигать 60 м/с. Нисходящие токи имеют меньшие скорости, чем восходящие. Обычно их скорость не превышает 10 м/с, а ее мак­ симум достигает 20—25 м/с.

Бейере и Брейем [257] обнаружили связь температуры со ско­ ростью восходящих и нисходящих токов:

ДО может достигать 10° С. Согласно С. М. Шметеру [205], внутри растущих облаков горизонтальная протяженность «теплых» участ­ ков была равна в среднем 4±2 км, тогда как в зрелых облаках она составляла 6±3 км; протяженность «холодных» участков соответ­ ственно равна 3±1 и 4±3 км.

В кучево-дождевых облаках начальной стадии развития наблю­ даются только восходящие токи воздуха. По расчетам [500], для

105