Реферат: Развитие гроз в конвективных облаках

Изучение грозо-разрядных явлений в облаках интенсивно проводится в течение длительного времени, что обусловлено научным и прикладным значением проблемы. К настоящему времени накоплен большой объем данных об электрических явлениях в облаках, в частности, о процессах, обуславливающих начало, интенсивность и продолжительность гроз [1, 4, 6]. Однако удовлетворительного соответствия между экспериментальными и теоретическими результатами не достигнуто, особенно для процессов разделения электрических зарядов и разрядных явлений. Это, по-видимому, обусловлено отсутствием надежных экспериментальных данных комплексных исследований разрядных явлений в облаках.

В наибольшей степени современным требованиям в исследовании грозового электричества облаков удовлетворяют данные, получаемые методами активной и пассивной радиолокации грозовых очагов в СВ- и УКВ-диапазонах радиоволн в сочетании с обычными наблюдениями за облаками с помощью метеорадиолокаторов (МРЛ). Приоритет в разработке этих методов принадлежит отечественным исследователям [5, 6, 9]. Созданный в Высокогорном геофизическом институте комплекс активно-пассивной радиолокации грозовых и грозоопасных очагов [2,3], включает в себя метеорологический радиолокатор МРЛ-2П, штатные радиолокационные станции (РЛС) П-12, П-15, приемные устройства в спектре частот от десятка килогерц до сотен мегагерц, грозопеленгатор-дальномер АГПД-2, электростатический флюксиметр, электрическая и магнитная антенны со своими усилительными устройствами, устройства селекции и измерения параметров (УСИП) эхо сигналов.

Указанный комплекс позволяет вести непрерывные наблюдения за грозой в радиусе до 200 км, подробно прослеживать структуру грозовых очагов, их трансформацию, определять интенсивность грозового процесса в целом по всему очагу и в отдельных его частях.

Комплекс позволяет производить синхронные измерения следующих параметров:

- временной ход радиолокационной отражаемости метеообразований на длине волны 3.2 см;

- скорость изменения и временной ход верхней границы зоны отражения, высот областей максимальной и повышенной радиолокационных отражаемостей;

- характер, направление и скорость перемещения облака;

- время прихода каждого импульса радиоизлучения от исследуемого облака;

- длительность (продолжительность) различных стадий грозовой деятельности облака;

- время возникновения первого молниевого разряда в облаке;

- частоту появления разрядных явлений различных масштабов в облаке;

- число импульсов и пакетов импульсов радиоизлучения на различных частотах;

- амплитудно-частотные характеристики радиоизлучения облака;

- изменение длительности существования отраженных радиолокационных сигналов от ионизированных каналов (молний) в облаке;

- напряженности электрического поля, обусловленного грозовыми разрядами.

Измерения параметров грозовой активности выполнялись в спектре частот от 10 килогерц до сотен мегагерц. Регистрация и хранение информации проводились с помощью цифропечатающего устройства с дальнейшей обработкой на ЭВМ.

Выполняемые нами исследования показали, что на определенной стадии развития конвективного облака, когда его верхняя граница достигает уровня естественной кристаллизации капель воды, в нем спонтанно возникает предгрозовое электромагнитное радиоизлучение (ЭМИ). По нашему мнению, ЭМИ на этой стадии возникает в результате развития лавинных и лавинно-стримерных процессов между зонами электрических неоднородностей. Исследования момента перехода из предгрозовой стадии в стадию грозовой активности в зависимости от его термодинамики показывают, что наиболее информативным параметром является отношение переохлажденной части облака к его теплой части:

,(1)

где Н_b - высота верхней границы облака, Н_о - высота нулевой изотермы, Н_k - высота уровня конденсации.

Так, например, если это отношение меньше 1.2, и максимальная отражаемость () облака на длине волны 3.2 см не превышает 4 10^-8 см^-1 , то с вероятностью 80 % в конвективном облаке отсутствуют электрические разряды, способные создать концентрацию свободных электронов и ионов с эффективной отражающей поверхностью, достаточной для получения отраженного сигнала на входе приемника РЛС дециметрового диапазона, чувствительность которого 2.8 10^-14 Вт при максимуме отражаемости на длине волны 3.2 см 4 10^-8 см^-1 и более.

В 85 % случаев переход конвективного облака из предгрозовой стадии в стадию грозовой активности происходит если отношение толщины переохлажденной части к толщине теплой части составляет 1.2 ... 1.5. При К > 1.5 и 4 10^-8 см^-1 в облаках, как правило происходят интенсивные молниевые разряды.

В начальной стадии развития грозовых явлений, когда размеры и плотность объемных зарядов в неоднородной электрической структуре облака очень малы, внутриоблачные разряды между ними носят мелкомасштабный характер. Длительность пакета импульсов радиоизлучения в этой стадии составляет 10-15 мс с характерной частотой следования 3-4 импульса в минуту. По мере развития конвективного облака происходит постепенный рост плотности объемных зарядов и усиление грозовой активности. В частности, увеличивается интенсивность и длительность радиоизлучения, происходит постепенный переход конвективного облака в грозовое состояние. Исследованиями 1984-1995 гг. установлено, что продолжительность предгрозового состояния по времени может достигать 16 мин., со средним значением 8 минут. В 75 % случаев продолжительность предгрозового состояния облака находится в интервале от 3 до 10 минут. Если за 14-16 минут облако не перешло в грозовое состояние, то оно, как правило, распадается.

По мере дальнейшего развития конвективного облака при достижении верхней границы радиоэха температурного уровня -18 ... - 35^о С и радиолокационной отражаемости на длине волны 3.2 см значения 6 10^-8 см^-1 происходит переход облака из предгрозового состояния в состояние грозовой активности, т.е. появляются молниевые разряды, фиксируемые с помощью радиолокационных станций и в ряде случаев визуально.

На рис. 1 представлены результаты синхронных исследований радиолокационных и электрических параметров конвективных облаков в процессе их развития, построенные по измерениям более 200 развивающихся конвективных облаков.

Как правило, продолжительность грозовой активности конвективных облаков различна как в течение одного дня, так и в разные дни. Поэтому, чтобы сравнить характер изменения радиолокационных и электрических параметров в одинаковые периоды развития облака, по оси абсцисс отложено время изменения характеристик грозовой деятельности облака в относительных единицах. Как показывают данные, приведенные на рис.1, с развитием облака, в частности с изменением высоты верхней границы радиоэха Н_b и отражаемости _3.2. происходит рост его грозовой активности: числа импульсов ЭМИ N_u и числа грозовых разрядов N_p в единицу времени. При этом радиолокационные параметры растут быстрее и достигают своего максимума за 15-20 мин. до момента времени, когда грозовая активность достигает наибольшей величины. Следовательно, грозо-разрядная деятельность является следствием развития облака, в частности, увеличения среднего размера частиц, водности и ледности облака.

Рис. 1 Изменение грозовой активности конвективных облаков с их развитием.

В период диссипации облака, вследствие выпадения осадков и появления нисходящих потоков как правило образуется несколько конвективных ячеек. В этот период наряду с разрядами в этих ячейках появляются молниевые разряды между ними. В результате этого и поддерживается достаточная грозовая активность конвективного облака.

В дальнейшем, с продолжением выпадения осадков, ячейки постепенно распадаются и происходит постепенное уменьшение их грозовой активности.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--