Файл: Литвинов, И. В. Структура атмосферных осадков.pdf

где w0— максимальная повторяемость капель массой р0, w\ — повторяемость капель массой р, а\— постоянная.

Е. А. Полякова и К. С . Шифрин [21] показали, что в ряде случаев для описания распределения хорошо подходит выражение

р ( d ) = A 2d*e~''td, (29)

где А 2, у2 — константы.

И. В. Литвинов [48] описал полученные им распределения

В более поздней работе Л . М . Левин [61] показал, что распре­ деление капель в различных дождях удовлетворительно описыва­

где Г (х+ 1 ) — гамма-функция, равная %! при целом %, N і ß и х — константы.

И. П . Мазин и А. Н. Невзоров [60], исходя из удобства обра­ ботки материала на применяемом ими фотоэлектрическом спектро­ метре, предложили описывать распределение выражениями:

d—dy

где величины iV2, N3, d0 и а — параметры распределения, а d\ — минимальный диаметр капель в данном случае 150 мкм, обна­ руживаемый прибором.

При различных расчетах наибольший интерес представляет распределение капель в какой-то сравнительно узкой области размеров. Например, интенсивность осадков в основном определя­ ется каплями диаметром более 0,5—-1 мм, радиолокационная отражаемость — каплями с d > 1— 1,5 мм. Для осадков интенсив­ ностью 1, 3 и 10 мм/ч вклад капель с d < 1 мм в суммарную интен­ сивность составляет 25, 12 и 6% соответственно, а в величину радиолокационной отражаемости 8, 4 и 2%. С другой стороны, захват каплями дождя различных примесей обусловлен в основном мелкими каплями. Поэтому судить о преимуществе той или иной функции следует с точки зрения как простоты, так и ее пригодно­ сти для описания распределения в какой-либо заданной области размеров.

Распределение, описываемое функциями Беста (25), (26), явно не связано с интенсивностью осадков, т. е. с интегральной харак­ теристикой осадков, просто и надежно измеряемой. Поэтому ис­ пользование функции Беста для представления распределения

45

ограничено. Наибольшее распространение получило представление

распределение во всем диапазоне диаметров. Кроме того, используя приемы, предложенные Л. М. Левиным [44], можно достаточно просто по экспериментальным данным вычислить параметры рас­ пределения этих функций.

Параметры распределения целесообразно выражать через неко­ торую интегральную характеристику осадков. Обычно в качестве такой величины берется их интенсивность. Зная ход интенсивности осадков во времени, просто вычислить их общее количество и сопо­ ставить климатические данные об осадках с их микроструктурой.

Интенсивность осадков не является единственным параметром, используемым для характеристики распределения. Предпринима­ лись попытки связать микроструктуру со средним диаметром капель или максимальным диаметром, но эти способы распростра­ нения не получили, т. к. они в значительной степени зависят от методики измерения. Если один прибор измеряет капли во всем диапазоне размеров, а другой — начиная с rf>0,5— 1 мм, то вид распределения будет один и тот же, однако средний размер капель может оказаться существенно разным. При вычислении среднего размера в первом случае учитывается большое количество мелких капель, что существенно уменьшает средний диаметр.

Максимальный размер капель в распределении во многом опре­ деляется объемом собранного материала. Так как количество круп­ ных капель невелико, то чем меньше объем выборки, тем меньше вероятность того, что большие капли будут зарегистрированы. Поэтому «максимальный размер», так же как и «средний», не может служить надежным параметром для характеристики распре­ делений.

Дискретность распределения и сравнительно небольшое количе­ ство капель, улавливаемых и измеряемых при помощи различных приборов, приводят к тому, что вычисленная на основе измерений концентрация капель может значительно отличаться от средней концентрации, измеренной по большому объему. Вероятность такого отличия будет тем больше, чем меньше средняя концентра­ ция капель и объем.

Для всех наземных приборов, основанных на улавливании капель на поверхности или подсчете числа капель, пролетающих

— скорость подъема прибора. Для самолетных методов исследо­ вания капель, когда приемное отверстие прибора расположено

46

Если принять, что распределение капель подчиняется закону Маршала—Пальмера, то

шой скорости самолета происходит существенное усреднение рас­ пределения по пространству (скорость самолета 4—8 км/мин).

Таким образом, время, в течение которого необходимо набирать капли, с одной стороны, должно быть возможно большим, с дру­ гой— минимальным для уменьшения ошибок за счет усреднения данных в пространстве и во времени. Оптимальное время сбора материала определяется размерами зон осадков с одинаковой микроструктурой и конструктивными особенностями прибора, в частности площадью его приемного отверстия.

48

2.4. Закономерности изменения распределения капель в дождях

Капли в дождях формируются преимущественно в результате таяния первоначально образовавшихся в облаках ледяных частиц

с положительной температурой. При нормальной стратификации

В зависимости от механизма образования распределение капель в/ облаке будет разным.

Сформировавшееся в облаке распределение будет затем изме­ няться—-трансформироваться за счет взаимной коагуляции капель дождя и их коагуляции с элементами облаков, а также за счет испарения и дробления капель. Кроме того, изменение в спектраль­ ном распределении капель происходит за счет явления, названного эффектом опережения.

Для большей четкости изложения примем, что формирование спектра дождевых капель происходит в зоне таяния и в облаках, а трансформация спектра — в подоблачном слое и ниже нижней границы зоны таяния. При таком делении трансформация спектра будет обусловлена эффектом опережения капель, их взаимной коагуляцией и распадом, испарением капель.

Эффект опережения или просто опережение проявляется при изменении интенсивности осадков и обусловлен тем, что образую­ щиеся крупные капли, имеющие большие скорости падения, до­ стигнут поверхности земли раньше. Как известно, к дождевому диапазону относятся капли диаметром 0,5—6 мм, имеющие конеч­ ные скорости падения 2—9 м/с. Снежинки и снежные хлопья, обра­ зующие при таянии капли различного диаметра, имеют конечные скорости падения 0,5— 1,5 м/с. Естественно, что разность скоростей образовавшихся в зоне таяния частиц возрастает во много раз и возникшее распределение капель будет в дальнейшем размазы­ ваться по вертикали. Если до выпадения первых крупных капель осадки отсутствовали, то будет наблюдаться последовательное изменение спектрального распределения.

Вначале в основном будут выпадать крупные капли, концентра­ ция которых мала [45, 89]. Эти капли предшествуют усилению интенсивности дождя. Через некоторое время появляются более мелкие капли, концентрация которых соответствует осадкам более высокой интенсивности. При ослаблении интенсивности осадков сначала в распределении пропадают крупные капли, а затем все более и более мелкие. Двухвершинные кривые распределения довольно частое, но кратковременное явление.

При усреднении осадков за длительные интервалы времени максимумы концентрации, приходящиеся на различные значения диаметров, сглаживаются и двухвершинность пропадает. Однако если отдельно рассматривать осадки, соответствующие увеличению или уменьшению интенсивности дождя, то вид функции распре-