Численное исследование формирования микроструктуры градовых облаков при естественном развитии и активном воздействии

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ФОРМИРОВАНИИ МИКРОСТРУКТУРЫ ГРАДОВЫХ ОБЛАКОВ В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ И ПРИ АКТИВНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ, А ТАКЖЕ ИХ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
1.1. Краткий обзор основных представлений об образовании градовых облаков и формировании их микроструктуры....... 8
1.2. Анализ наиболее распространенных методов активного воздействия на градовые процессы........................ 17
1.3. Численные модели градовых облаков: современное состояние и перспективы развития............................ 22
1.4. Анализ состояния моделирования активного воздействия на градовые облака......................................... 32
2. МОДЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ГРАДОВЫХ ОБЛАКОВ
2.1. Модель исследования образования зародышей градин в градовых облаках............................................. 36
2.2. Численная модель формирования микроструктуры градовых облаков........................................... 41
2.3. Численный метод расчета............................ 51
3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭВОЛЮЦИИ МИКРОСТРУКТУРЫ ГРАДОВЫХ ОБЛАКОВ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОМ ИХ
РАЗВИТИИ
3.1. Некоторые результаты расчетов роста ледяных частиц в градовом облаке.............................................. 57
3.2. Результаты численного моделирования формирования микроструктуры симметричных облаков.................... 61
з
3.3. Результаты численного моделирования формирования микроструктуры несимметричных градовых облаков................... 68
3.4. О взаимодействии динамических и микрофизических процессов в градовых облаках и его роли в образовании града....... 75
4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ АКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГРАДОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
4.1. Результаты расчетов активного воздействия на симметричные одноячейковые облака........................................ 79
4.2. Результаты расчетов активного воздействия на несимметричные облака.................................................. 85
4.3. Исследование распространения реагента в облаках при активном воздействии............................................. 94
4.4. Схема воздействия на градовые облака по результатам моделирования.............................................. 101
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
11
дают в переднее облако, растут за счет коагуляции с жидкокапельной фракцией и, выпадая из фронтальной части облака, формируют ливневые осадки.
Таким образом, согласно схеме Вейкмана, облачная частица растет в трубе основного конвективного облака во врет подъема до уровня наковальни, затем в наковальне и в дальнейшем при падении внутри вторичного облака. При этом из такого облака на поверхность земли сначала выпадают ливневые осадки из вторично сформировавшегося облака, а затем более слабые осадки из фронтальной части основного облака. На этой стадии наблюдаются восходящие, нисходящие потоки в основном и во вторичном облаках и горизонтальный поток в наковальне.
Итак, согласно схеме, предложенной Вейкманом, для выпадения ливневых осадков требуется образование вторичного облака под наковальней. Однако дальнейшие исследования не подтвердили существование низкой облачной структуры ровно также, как не получила подтверждения структура восходящих потоков в конвективном облаке. Несмотря на это, видимо, полностью опровергнуть механизм, предложенный Вейкманом, нельзя. Возможно в некоторых, может быть редких (частных) случаях, предположенная схема может иметь место, и скорее всего в этом случае речь может идти о механизме образования и развития мощных кучевых облаков.
В своих исследованиях Вейкман достаточно близко подошел к объяснению механизма образования града. Вместе с тем, ему не удалось объяснить достаточно короткое время роста градин от момента появление их зародышей. В своих исследованиях он не учитывал взаимодействие процессов различных типов в облаках.
В 1965 году Дессенсом представлена модель образования града в мощных конвективных облаках /95/. По его мнению, в мощном кучевом облаке мелкие капельки воды диаметром 10 мкм и концентрацией около 500 см'3 поднимаются в трубах восходящего потока до уровня естественной
12
кристаллизации. На уровне температуры - 12°С в восходящих струях начинают появляться отдельные кристаллики льда концентрацией порядка 10см'3. Примерно такая концентрация сохраняется до изотермы - 32°С, выше которой концентрация увеличивается и при температуре ниже -35°С все капельки воды кристаллизуются. Наковальня мощного конвективного кучевого облака расположена выше изотермы -35°С, значит полностью состоит из ледяных кристаллов. Ледяные кристаллы из наковальни переносятся нисходящими потоками в средние части облака между изотермами 0°С -г - 35°С. Попадая вновь в струю восходящего потока, эти кристаллы создают естественный засев (автозасев) вследствие чего их концентрация повышается до 1 - 10 см'3 на уровне температур от -12°С до -32°С.
При такой концентрации в результате перераспределения влаги между конкурирующими ледяными кристаллами образование крупных градин невозможно. Следовательно, в любом мощном кучевом облаке до начала автозасева могут возникнуть и развиваться градины. Дессенс считает, что время выпадения града до начала автозасева в среднем составляет 1 - 2 минуты и не превышает 8 минут. Такой градовый процесс, по его мнению, не может нанести ущерб сельскому хозяйству. Рост града по схеме Дессенса происходит в первой стадии за счет сублимационного роста кристаллов по схеме Бержерона - Финдайзена, а в дальнейшем в результате коагуляции с переохлажденной жидкокапельной фракцией. При этом в условиях малой водности происходит сухой рост, а в случае большой водности наблюдается мокрый рост града. Град, выросший в режиме сухого роста, не может нанести ощутимый ущерб сельскому хозяйству, а во втором случае в условиях мокрого роста образуются плотные прозрачные градины, которые и наносят наибольший ущерб.
По мнению Дессенса, основной рост крупного града происходит в зоне большой водности и малой концентрации зародышей града. Сдвиг ветра, по его мнению, является стимулирующим условием, которое способст-