Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Т а б л и ц а 18

Скорости восходящих и нисходящих токов в конвективных облаках

П р и м е ч а н и е . Здесь с — самолетные наблюдения, п — планерные, р — ра­ диолокационные, (м) — максимальная скорость, (п) — преимущественная скорость.

проникновения грозового облака через тропопаузу требуется уве­ личение скорости восходящих токов на 20 м/с на каждый километр подъема выше уровня тропопаузы, где максимальные скорости мо­ гут превышать 100 м/с. Но в зрелой стадии восходящие токи уже не охватывают всего облака, в нем появляются нисходящие токи. По данным работы [257], нисходящие токи в грозовых облаках в Огайо (США) зарождались на высотах около 4500 м одновре­ менно с появлением осадков у поверхности земли. Наибольшие ско-

106

роста восходящих и нисходящих токов наблюдались в облаках с градом. Нисходящие токи полностью отсутствовали в градовых ячейках на уровне 6000 м, редко встречались на уровне 4500 м; ниже уровня изотермы 0°С (3000 м) восходящие и нисходящие токи встречались примерно с одинаковой частотой, а на нижней границе наблюдались только нисходящие токи. Диаметр областей восходящих и нисходящих токов в среднем составлял около 1500 м с максимумом для восходящих токов около 12 км.

Нисходящие токи наблюдаются в кучево-дождевых облаках и на больших высотах, обычно по их периферии [529]. При полете в районе Киева 24 июля 1964 г. С. М. Шметер [205] в кучево-дож­ девом облаке на 2—2,5 км ниже вершины в области выпадения града обнаружил нисходящие токи со скоростью до 10 м/с. В рай­ оне Воронежа 14 августа 1961 г. в сильно развитом кучево-дожде­ вом облаке высотой около 12 км, в котором также отмечался град, были зафиксированы нисходящие токи со скоростью до 17 м/с.

Наблюдения за поведением частиц в кучево-дождевых облаках, осуществленные 9 апреля 1959 г. в Англии с помощью локаторов, использующих эффект Допплера, показали, что нисходящие токи развиваются в пределах уровней изотерм —5, —10° С (ПробертДжонс и Харпер [473]). Баттан [227] 17 августа 1962 г. в Аризоне (США) обнаружил в кучево-дождевом облаке, верхняя граница ра­ диоэхо которого располагалась несколько выше 6 км, возникнове­ ние нисходящих токов на высоте около 4 км, при этом основное их развитие наблюдалось ниже основания облака, находившегося на высоте около 3 км. Исследования Дональдсона и Чмелы [283] 19 августа 1965 г. в Новой Англии (США) в грозовых облаках вы­ сотой до 15 км показали, что нисходящие токи обнаруживались

каются ниже уровня изотермы 0° С, происходит их таяние и вслед­ ствие этого охлаждение воздуха. При испарении капель, срываю­ щихся с тающих градин, воздух также охлаждается. Таким обра­ зом, первоначально возникшие нисходящие токи, обусловленные охлаждением при таянии градин и их гидродинамическим напором,

107

должны получить тенденцию к развитию благодаря испарению ка­ пель ниже основания облака. В дальнейшем должно произойти рас­ пространение нисходящих токов на более высокие уровни в первую очередь за счет вовлечения воздуха, вторгающегося через боковые поверхности облака.

Значительное влияние на распределение воздушных токов в ги­ гантских градовых кучево-дождевых облаках оказывает вертикаль­ ный градиент ветра. Вследствие увеличения скорости ветра с вы­ сотой происходит некоторое отклонение вершины от вертикальной оси, что подтверждается радиолокационными наблюдениями за вы-

Рис. 33. Контуры на индикаторе кругового обзора изоэхо интенсивной грозы вблизи Гири (Оклахома, США) на высоте около 15 км. Точечные линии показы­ вают положение «занавеса», который располагается под наиболее высокой частью грозы. По Браунингу и Дональдсону [249].

1 — направление на радиолокатор, 2 — направление движения грозы.

сокими кучево-дождевыми облаками. В результате восходящие токи более длительно удерживаются в передней части облака, а нис­ ходящие токи должны развиваться в тыловой части, где образу­ ются осадки (Ньютон [458], С. М. Шметер [205] и др.). Так как с высотой осуществляется поворот ветра вправо от направления движения самого облака, то должно происходить некоторое смеще­ ние зоны осадков и нисходящих токов влево.

Как видно на вертикальном радиолокационном разрезе гигант­ ского кучево-дождевого облака, наблюдавшегося 4 мая 1961 г. вблизи-Гири (Оклахома, США) [249], рядом с осадками, доходив­ шими до поверхности земли, существовали осадки («занавес»), ко­ торые земли не достигали. Под «занавесом» в области слабой ра­ диолокационной отражаемости наблюдались в градовом облаке

вАльберте (США) упорядоченные восходящие токи со скоростью до 18 м/с [427]. Расположение «занавеса» относительно облака представлено на рис. 33. Подобная картина была получена Брау­ нингом и Ладлемом [250] при наблюдениях за грозовыми облаками

вУокингеме (Англия). Такие же данные приведены Г. К. Сулаквелидзе [175] на основании вертикального радиолокационного раз­

108

реза через градовое облако 18 мая 1966 г. на Северном Кавказе. Он считает, что область, соответствующая «занавесу», является зо­ ной аккумуляции осадков.

Нисходящие токи, более холодные, чем окружающий воздух, со­ здают в приземных слоях холодный мезофронт, перемещающийся вместе с облаками. Вследствие поворота ветра с высотой вправо этот холодный мезофронт также имеет тенденцию отклоняться вправо, как это отчетливо видно на рис. 33. В передней части хо­ лодного мезофронта происходит подъем теплого воздуха, что уве­ личивает вероятность образования новых кучево-дождевых облаков преимущественно справа от первоначально сильно развитого куче­ во-дождевого облака.

Большие градиенты скорости в кучево-дождевых облаках вызы­ вают появление в них значительной турбулентности. Еще Бейере и Брейем [257] обнаружили, что на границе восходящих и нисходя­ щих токов, где существуют большие градиенты скорости вертикаль­ ных токов, скорости порывов превышают 10 м/с. При полетах в ку­ чево-дождевых облаках Стейнер и Райн [533] и др. установили, что скорости вертикальных турбулентных порывов лежат в основном в пределах 10—15 м/с. В тех же пределах находятся скорости го­ ризонтальных турбулентных порывов.

Н. 3. Пинус и В. Д. Литвинова [156] рассчитали коэффициент турбулентности по данным о перегрузках, испытываемых самоле­ тами при полетах в верхней части кучево-дождевых облаков. Они получили, что на границе облака коэффициент турбулентности нахо­ дится в пределах 70—100 м2/с. На уровнях, расположенных на 1 км ниже верхней границы облака, значение коэффициента увеличива­ ется до 300—400 м2/с. С. М. Шметер [205] приводит данные расче­ тов коэффициента турбулентности в разных частях кучево-дожде­

Максимальное значение, полученное С. М. Шметером, было больше 500 м2/с. М. А. Герман [34] в полетах под кучево-дожде­ выми облаками получил значения коэффициента турбулентности, превышающие 50 м2/с. С. Б. Гашина и др. [28] определили значе­ ние коэффициента турбулентности в грозовых облаках на основа­ нии данных о скорости восстановления электрического поля после ударов молнии, характеризующих турбулентность в активной части грозовых облаков. Среднее значение оказалось равным 500 м2/с.

109

2.1.7. Микроструктура кучево-дождевых облаков

Если исследования микроструктуры мощных кучевых облаков сравнительно многочисленны, то число подобных исследований для кучево-дождевых облаков невелико, и наши сведения о водности и

Весьма интересны наблюдения Шумахера [508а]. Он обнаружил области большой протяженности с водностью, превышающей 5Х

110