Численное моделирование взаимосвязи динамики и микроструктуры обласных полос атмосферных фронтов холодного полугодия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ ИМ. А.И.ВОЕЙКОВА

на правах рукописи

ПИРНАЧ АННА МИХАЙЛОВНА

удк 551.576/577:551.515.8 + 551.509.616/617

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ДИНАМИКИ И МИКРОСТРУКТУРЫ ОБЛАЧНЫХ ПОЛОС АТМОСФЕРНЫХ ФРОНТОВ ХОЛОДНОГО ПОЛУГОДИЯ

специальность 01.04.12 - геофизика

автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ЛЕНИНГРАД 1989

Работа выполнена в Украинском региональном научно-исследовательском гидрометеорологическом институте

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор В,М.Волощук,

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Н.П.Шакина,

доктор географических наук, старший научный сотрудник Л.М.Федчонко

Ведущая организация - Ленинградский гидрометеорологический институт

Защита состоится "_"_19 г. в__часов на заседании

специализированного совета Д 024.06,01 при Главной геофизической

обсерватории им.А.И.Воейкова.

1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной геофизичес-'кой обсерватории им.А.И.Воейкова по адресу: 194018, г.Ленинград, ул.Карбышева,?.

Автореферат разослан "_"_ 19 г.

Учений секретарь специализированного совета, доктор географических наук, профессор

¡О&Агг*«/ Н.В.Кобшева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Численное моделирование, как'метод исследования атмосферах фронтов и их облачных систем, з последнее десятилетие получило довольно широкое признание. В соединении с натурными экспериментами числешше модели являются могучим инструментом исследования, анализа и прогноза облаков и осадков при их естественном развитии и при активных воздействиях.

Фронтальные слоиотообразные облака, какими 0Ш1 преимущественно и бывают на атмосферных разделах холодного полугодия, являются важным объектом исследования с точки зрения совершенствовшшя числсшшх методов прогноза облачности и осадков и методов активных воздействий на облака с целью регулирования осадков. Б то же вре:.и они являются довольно сложным объектом для численного моделирования главным образом потому, что включают в себя процессы очень шкро-кого диапазона масштабов как временных (от долей секунды до нескольких суток), так и пространственных (от долей микрона до нескольких тысяч километров), которые играют одинаково важную роль в процессе образования и развития облачности. Поэтому довольно длительное время изучение процессов различных масштабов (макро-, мезо-и микропроцессов) происходило в значительной мере независимо друг от друга.

В последние 15-20 лет повысился интерес к исследованию взаимосвязи этих процессов (особенно мезомасштабных и шгкрофкзичсогагх), накоплен богатый экспериментальный материал, теоретическое осмысление которого еще только начинается,и численное моделирование в этом процессе играет незаменимую роль.

Построение прогностических численных моделей, в одинаковой мере учитывающих все процессы, определяющие внутреннюю структуру атмосферных фронтов и их облачных систем, на современном этапе практически невозможно. В связи с этим исследование взаимосвязи процессов различных масштабов и тех относительных погрешностей, к которым может привести пренебрежение теш или иными процессами, также является в настоящий момент одной из ватных задач численного моделирования.

Цель тботн. Провести теоретические разработки методов численного моделировашш эволюции ыикрофизпческих процессов в фрон-~ талпшх олоястообразнцх облаках холодного периода года в их взаимосвязи с динамическими и термодинамическими процессами при их естественном развитии и при активных воздействиях на облака с целью регулирования осадков.

- Разработать комплекс численных моделей (одномерных, двумерных, трехмерных) атмосферных фронтов и их облачных систем с целью исследования их внутренней структуры с учетом взаимного влияния макро-, мезо- и микропроцессов при их естественном развитии и при активных воздействиях с целью регулирования осадков.

- Провести численные эксперименты по исследованию закономерностей эволюции микрофизических характеристик крупномасштабной и фронтальной слоистообразной облачности и исследованию внутреннего строения фронтальных облачных систем.

- Провести исследование взаимного влияния динамики (мезо- и макро-масштабной) и микроструктуры фронтальных облачных систем в процессе их естественной эволюции и при активных воздействиях.

- Изучить закономерности эволюции полос облаков и осадков и их зависимость от внутренней структуры атмосферных фронтов различных типов.

- Исследовать закономерности поведения зон искусственных осадков и искусственной кристаллизации при различных состояниях подвергавшихся воздействию облаков и различных параметрах применяемой методики воздействия.

Научная новизна. Представлено новое научное направление, главными задачами которого являются теоретическая разработка методов численного моделирования и постановка численных экспериментов то изучению эволюции микрофизических процессов в слоистообразных облаках в их взаимосвязи с эволюцией мезо- и макромасштабных процессов, определяющих в холодный период года внутреннюю структуру фронтальных облачных систем при их естественном развитии и при активных воздействиях с целью регулирования осадков.

- Сформулирована система уравнений, описывающая эеолкдию фронтальных облачных систем холодного полугодия с учетом процессов различных масштабов (макро-, мезо- и микромасштабсв) при юс естественном развитии и при активных воздействиях с целью регулирования осадков.

- Разработан комплекс алгоритмов расчета мккроГизических (конденсационных, и коацуляционнюО, мсзомасштабных (полос облаков и осадков и других внутренних структур в зонах атаосфершгх фронтов), макромас-штабних (крупномасштабные движения, адаптация полей метеорологических элементов и др.) процессов в их взаимодействия.

- Построен комплекс численных моделей (одномерных, двумерных, трехмерных) крупкомасктабнкх и фронтальных облачных енотом холодного полугодия с учетом процессов различ1шх масштабов.

- Подтверздены полученные ранее экспериментально и теоретически и •обнаружены новые закономерности 'эволюции микрофизических характеристик калелышх, смешанных и кристаллических облаков при их естественном развитии и при активных воздействиях.

- Получены новые данные о взаимном влиянии динамики и микроструктуры фронтальных облачных систем в процессе их эволюции.

- Изучены закономерности эволюции полос облаков и осадков во взаимосвязи с эволюцией других внутренних структур'атмосферных фронтов.

, - Исследованы закономерности развития смешанных и кристаллических фронтальных облаков при активных воздействиях на них с целью регулирования осадков, закономерности поведения зон искусственной кристаллизации и искусственных осадков при различных состояниях облачных систем и различных параметрах моделируемой методики воздействия. Предагаиены рекомендации по усовершенствованию методики воздействия • на фронтальные облака холодного полугодия и расширению диапазона критериев пригодности их к воздействию с целью регулирования осадков.

Научная и практическая ценность.

- Получешше научные результаты, построенные модели, разработанные алгоритмы и nporpaiffl.ni мохут быть использованы для усовершенствования численных методов прогноза погоды, а такие при оценке с помощью численного моделирования эффективности воздействий на фронтальные облака с целью получения дополнительных осадков.

- Качественные и количественные зависимости, полученные в результате численных экспериментов, могут быть использованы с целью параметризации миирофизических и мезомасштабшгх процессов в оперативных численных моделях диагноза и прогноза слокетообразных крупномасштабных и фронтальных облаков.

- Предложенные по результатам численных экспериментов рекомендации использовались и могут быть использованы в дальнейшем при усовершенствовании методики проведения производственных работ с целью увели-

чения зимних осадков.

- Построенные модели фронтальной и крупномасштабной облачности, разработанные алгоритмы и программы могут быть использованы и используются в настоящее время в научных исследованиях земной атмосферы

и атмосферы других планет (Юпитера, Сатурна и др.), о чем свидетельствуют акты о внедрении, веданные ГГО им.Воейкова (г.Ленинград) и АШ (г.Алма-Ата).

}1а защиту •выносятся.

- Комплекс численных моделей, алгоритмов и программ, представляющих эволюцию фронтальной и крупномасштабной слоистообразной облачности с учетом взаимосвязи динамических, термодинамических и микрофизических процессов различных масштабов.

- Получешша с помощью разработанной модели новые данные и теоретическая интерпретация полученных ранее экспериментально и теоретически данных и зависимостей о макро-, мезо - и микроструктуре фронтальных и крупномасштабных слоистообразных облаков; о взаимосвязи динамических и микрофизических характеристик облаков в процессе их естественной эволюции и при активных воздействиях; о закономерностях образования и развития полос облаков и осадков на атомосфориих фронтах л их взаимосвязи с другими внутренними структурами атмосферных фронтов различных типов.

- Полученные при численном моделировашпг активных воздействий Физические закономерности, рекомендации, дополтштельные критерии пригодности к воздействию фронтальных облаков холодного полугодия о целыо регулирования осадков.

Атшробащя работы. Основные результаты докладывались на заседаниях Ученого Сбвета УкрШГШ, на УШ Международной конференции по нуклеацпи (г.Ленинград, 1975), на Всесоюзной конференции по физике облаков и активным воздействиям на шпе (г.Нальчик, 1979), на IX Международной конференции по физике облаков (г.Таллин) IS84), на У1 Научной конференции ВМО по воздействиям на погоду (Гонолулу,IS85), на Всесоюзном семинаре по численному моделировании слоистообразных облаков и искусственного воздействия на них (г.Киев,1385), на Всесоюзной конференции по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (г.Киев, 1287).

Структура диссортатзкт. Диссертация состоит из введения, пяти, глав , заключения а списка литературы. Объем диссертации страниц , из которых386стр. машинописного текста, 63 рисунков, 72 таблицы, 242 библиографических нанменовшпщ, 20 стр. пркло-яеши,

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность теми диссертации, сформулированы ее цели и положения, показали ее практическая ценность и научная новизна. Приведены сведения о структуре работы. Дал оЗзор проведенных ранее в СССР и за рубеяом исследований по численному моделировашго крупномасштабной и фронтальной слоистообраэной облачности при естественном развитии и при активных воздействиях с целью регулирования осадков. Отмечено, что в связи с тем, что главная сложность при описании эволюции крупномасштабных и фронтальных сло-истообразных облаков заключается в том, что возникает необходимость включатьпроцессы очень широкого диапазона как временных, так и пространственных масштабов, довольно длительное время изучение этих процессов как экспериментальное, так и теоретическое подразделялось на несколько направлений, главные из которых представляли соответственно крупномасштабные, мезомасштабнне и микрофизпчепше процессы. Интенсивное изучение взаимосвязи этих процессов, особенно шкрофн-знческих и мезомасшта&шх, началось только в последние десятилетня и представляет в настоящее время одно из наиболее перспективных и многообещающих направлений.

Во второй главе представлена математическая постановка задачи численного моделирования взаимосвязи динамики и микроструктуры фронтальных облачных систем холодного полугодия, сформулированы началыше и граничные условия, представлен набор конечно-разностных схем, с помощью которых реализовалось решение сфоэмулированной системы уравнений, проведеш исследования их аппроксимации и устойчивости.

Система уравнений включает в себя уравнение движения, неразрывности,состошшя, притока теша и влаги, кинетические уравнения для функций распределения облачных частлц во размерам. В ней учтена: процессы переноса воздушных и облачных частиц, адаптация полей метеорологических элементов под влиянием барических градиентов и силы Кориолиса, неразрывность и состояние воздуха, притоки тепла и влага,

горизонтальная и вертикальная турбулентная данМузкя, заровдекке, конденсационный (сублимационный) рост, седиментация и испарение облачных частиц и др. Коагуляцконные' процессы учитывались в приближении непрерывного роста.

Физкчесхсие предпосылки, лежащие в основе системы уравнений, управляющих образованием и развитием облачности, следующие: до начала развитая облачности эволюция метеоэлементов в атмосфере подчиняется системе уравнений терьгогидродшюмики, не содержащей кинетических уравнений дая функций распределения облачных частиц по размерах. Включение последних: уравнений в систему происходит при по~ явлишя в безоблачной атмосфере очагов с пересыщением по отношении к воде.

Спектр мелких капель формируется путем- зарождения их на шшней границе слоя с пересвденкем по отношению к воде или в центре этох'о слоя, на уровнях, где перескцение по отношению к воде превышает это пересыщение на пиглгсй границе. Дальнейшее формирование спектра капель происходит под, влиянием конденсационного роста, турбулентного и линейного переноса, падения капель. Эти процессы обеспечивают непрерывный рост капе-чь до размеров крупных капель, когда начинает играть роль гравитационная коагуляция, обуславливающая формирование спектра крупных капель, которые растут под влиянием непрерывного коагуляциошюго роста, линейного и турбулентного переноса, падения частиц.

Твердае частицы зарождаются на ядрах льдообразования и путем ошлерзшпш капель, растут за счет сублимационного роста, обзернения, агрегации. Основным облако- и осадкообразушцим фактором являются еосходяздго движения. Не учитывается процесс радиации и турбулентный перенос. Эта модель применима для описания фронтальных облаков, обладаниях большой мощностью к дающих, как правило, осадки. В силу большой толецош облачной систеш роль радиационная процессов мокет быть существенной только у -верхней границы облаков. В основной их толще имеет место радиационное равновесие. Турбулентность во фронтальных зонах облусловлена динамическими факторами и на нее слабое влияние оказывают облачные процессы.

При формулировке систеш уравнений были использованы физические предпосылки и уравнения, заимствованные в работах Буйкова Ы.В., 7.4арчука Г.И., Матвеева Л.Т., Шишкина Н.С. и др., которые применялись

этот авторами для описания кикросрцзических, динамических а термодинамических процессов'в облачной атмосфере по мере возможности но-зашсшо друг от друга, и приспособленные б настоящей работе для описания; макро-, кезо- я мчкропроцессов в их взаимосвязи.

Система примитивных уравнений, описывающая эволюцию микроотаи-ческих процессов в облаках в их взаимосвязи с мезомасмтабными и вдушюмасштабнши процессами, записывается в декартовой системе координат, движущейся вместе с фронтом, и имеет следующий вид:

77- + (/ Г-* +• а/ = р. + »с -г—I

дЬ дх ду д2 гь * Ъх3 ■

а

-.йЬ&^ЪьЪс + , /, .

<5г <*г '

(I)

(2)

дри др</ орит "

(4)

Г*/ = -

ог

(6)

Предполагается, что система координат движется с постоянной скоростью, равной скорости движения фронта в начальный момент времени или его средней скорости ( 4j ).

X , и ,2 , г , t - соответственно нормальная и параллельная фронту горизонтальные координата, высота, размеры частиц и время.

И , W , и/ - проекции скорости ветра на оси х , у , g соответственно. c¡ , f , Р , р - удельная влажность, температура, давление н плотность воздуха, -f- - функции распределения облачных частиц по размерам. Число их менялось при решении различных задач, и определялось наличием процессов конденсации, коагуляции, кристаллов различных форм. , j - функции распределения капель и кристаллов по размерам при наличии процессов конденсации и сублимации, a tüiíeg коагуляции кристаллов с каплями. Wt и </& скорости падения капель к кристаллов; i z Ц / ср, k ( и ^ теплота фазового перехода пара в воду и лед; , ср - среднеадиабатический градиент к теплоемкость воздуха; -i , q , Я - параметр Кориолиса, ускорение свободного падения и газовая постоянная сухого воздуха соответственно; к.х,Ку,кг- коэффициенты горизонтального и вертикального перемешивания, которые предполагаются заданными.

£t и &г - скорости конденсации на каплях и ледяных частицах.

2пС и 2гл,- скорости роста капель и кристаллов за счет конденсации и сублимации.

Í о. • Í 5 • 1\р — источники зарождения капель и кристаллов и скорость замерзания капель. 2 ¿c , 1с - рост крупных и убытие мелких частиц за счет коагуляции друг с кругом.

Для вычисления начальных значений искомых величин использовались два типа стационарных моделей различных модификаций: I) стационарные теоретические модели фронтальных систем, 2) вертикальные разрезы реально наблюдавшихся фронтальных облачных систем, построенных или по методике автора,или по ранее извествным методикам других авторов.

Граничные условия диктовались характером решаемых задач и размерностью модели. Б трехмерных моделях чаще всего применялись сле-дуюзеие граничные условия: При г = 0 применялась система уравнений (1)-(6) при следующих предположениях

и/ кг -- <Í£ г о Р- рпт

olí ' Х

При ? = г иг г О.

На боковых границах задавались однородные краевые условия второго рода.

Область решения: 0 - I 1г ^ 0 X ОСт , О * и -ь

0*г * 2«,, О* г ± Й.*! > у -- .

При построении теоретических основ численного решения сформулированной систег.т уравнений использовались теоретические разработки Годунова С.К., Марчука Г.И., Самарского Л.Л., Яненко Н.Н., Аракавы Л.Бачеиана М., Рихтмайера Р. и др.

Алгоритм решения сформулированной нестационарной системы примитивных интегро-дифференциалышх уравнений основан на методе расщепления системы уравнений на подсистемы, описывающие отдельные физические процессы, и методе покомпонентного расщепления.

В первую систему были включены составляющие, описываюете перенос и турбулентность воздуха, процессы зарождения и падения частиц, убытие капель за счет захвата их кристаллами, При решении использовался метод покомпонентного расщепления. Прилепились схемы первого и второго порядка точности по времени и координатам.

Вторая система представляла процессы адаптации полей метеорологических элементов и в свою очередь состояла из двух подсистем, первая из которых описывала изменение искомых величин под влиянием силы Кориолиса. При ее решении была выбрана неявная, абсолютно устойчивая схема. Вторая подсистема включала в себя уравнения для составляющих скорости ветра, содержание барические градиенты, уравнение неразрывности и уравнение состояния. При во решении была выбрана схема, абсолютно устойчивая по времени и координатам, первого порядка точности по времени. Для вычисления барических градиентов били выведезш специальные соотношения, в которых барические градиенты бшш исключены путем введения градиентов от плотности воздуха, при вычислении которых применился метод кубических сплайнов. При анализе устойчивости применялись спектралыше признаки устойчивости.

Ошиателътше результата для данното шага по времени получались после расчета конденсационных и коагуляциогашх процессов.

При расчете конденсационных процессов использовалась система уравне-шш, включающая уравнение для пересыщения по отношению к воде, уравнение для изменение температуры и влажности за счет процессов конденсации, сублимации и вертикальных лишений. Вычисленные значения пересыщения по отношению к воде использовались затем при вычислении пересыщения по отношению ко льду и при решении уравнений для функций распределения облачных частиц по размерам, описывавднх конденсационные процессы.

При решении этих уравнений было опробовано около десяти вычислительных схем. Проводились теоретические исследования и численные эксперименты по определению точности и устойчивости применяемых коне-чно-равностных схем. Для решения системы трехмерных уравнений была выбрана абсолютно устойчивая схема первого порядка точности по времени и второго порядка точности по размерам частиц.

При расчете коацуляционных процессов при помощи уравнения дая роста крупной частицы за счет захвата ею более мелких частиц применялись абсолютно устойчивые схемы аналогичные схемам, применявшимся при расчете конденсационного роста частиц.

После решения системы уравнений по известным значе:пшм функций распределешш частиц по размерам вычислялись интегральные характеристики облаков - водность, ледность, концентрация капель и кристаллов, радиолокационная отражаемость, интенсивность осадков и другие хапактерттстики.

В третьей главе приведены результаты численных экспериментов по исследованию эволюции спектров частиц, интегральных микрофизических и термодинамических характеристик крупномасштабных и фронтальных двухфазных и трехфазных слоистообразных облаков с помощью их одномерных моделей с детализированной микрофизикой, представленной с помощи) кинетических З'равнений для функций распределения облачных частиц по размерам, для которых необходимое пересыщение по отношению к воде и ль;пу вычислялось с помощью комбинаций уравнений для температуры и влажности. Динамика воздушных течениР считалась заданной, не менящеИся ео времени. Задавался параболический профиль вертикаль-ш движений в определенном слое атмосферы с максимальным значение;.? в центре слоя, который и был главной причиной зарождения и существования облака. Механизмы зарождения капель параметризовались. Поело многочисленных числечшгс экспериментов и сравнений их с данными на-

турпых наблюдений, получештых советскими и зарубежными учеными, било выбрано два главных механизма, отвещающпх в модели за зарождение капель: I) зарождение их па нижней границе; 2) тароадеппо капель в облаке при наличии пересыщения над водой, превышающего пересыщение на нижней границе облака. Оба oira находились в прямой зависимости от количества ядер коцценсащш в рассматриваемой точко облака.

Вначале главной задачей исследования бшо числешюо моделиро-ваше эволюции спектра капель и интегральных характеристик крупномасштабных и фронтальных зшдкокапелышх облшеов. Полученные при моделироваши спектры мелких капель били близкими к J - распре-делешш и уширялись по мере увеличения высоты. Показатель J" - распределения менялся в довольно широких пределах (от 2 до 8), но чаще всего был порядка 2-3. Спектры крупных капель, полученные при расчете коагуляции крупных капель с мелкими, аппроксимировались о помощью степешюго закона, с показателем степени 2-11. Данные численных экспериментов сопоставлялись с дшшыми натурных экспериментов, в основном, полученных и обработагашх в ЦА.0, где спектрам капель и интегральным характернотикам облаков в свое время было уделено достаточно внимания и получены уникальные результаты. Характер эволюции спектров, полученный при моделировании неплохо согласовался с данными наблюдений. То же моино сказать, например, и о зависимости среднего радиуса от высоты. Увеличение его с высотой, полученное в эксперименте Боровиковым A.M. и др., подтверждает предположение о преимущественном заровденпи капель на нгасней гра-1шце облака.

Сравнение получешшх при расчетах значений водности с полученными гидродинамическим методом показало неплохое их согласие. Водность почти всегда имела максимум в верхней половине капельных облаков и уменьшалась по мере приближения к границам.

Дальнейшим продолжением исследований было проведение серил численных ¡экспериментов по исследованию эволюции термодашамики и микроструктуры смешанных п кристаллических слочстообразных облаков. Отметим следующие результаты: Рассчитанные спектры мелких капель в смешанных облаках были получены более узкими, чем в капельных. Рассчиташше спектры мелких кристаллов уширялись по мере уменьшения высоты. Распределения крупных ледяных частиц аппроксимировалось степенным распределение с показателем 2-4 для облаков с узкими сметанным: прослойками. Для смешанных облаков большой мощности показатель степешюго распределения менялся в более широких пределах.

Полученные показатели степенного распределения согласовались по величине с дагашми иаблюдешгй (Ганна К., Маршалла Д., Роджерса Д., Невзорова А.II. и др.).

Общая структура смешанных облаков, получе!шая в численных экспериментах, качественно неплохо согласовалась о данными зондирования облаков. Облака получались либо смешанными, либо кристаллически.® в верхних слоях и смешанными или капельными в нииних, или' смешанные слои чередовались с кристаллическими.

Эволюция во времени микрофизических характеристик и интенсивности осадков характеризовалась наличием колебаний, характер которых определялся механизмам!! заровдения льда, вертикальными движениями, формой кристаллов, наличием агрегатов и другими факторами.

Даже в кристаллических облаках было обнаружено существешое количество водяного пара, способного к сублимации, который при наличии восходящих движешШ но исчезал даже при интенсивности механизмов льдообразования, значительно превышающей среднестатистическую.

Исследование влияния коагуляции кристаллов с каплями (обзер-ненис) и кристаллов с кристаллами (агрегация) на эволюцию микроструктуры облака показало, что наиболее существенно процессы коагуляции изменяют фазовое состояние облака и интенсивность колебаний ыккрофизкческих характеристик ( в основном происходит сдвиг по фазе). Суммы осадков за длительные периоды времен (порядка десятков часов) слабо реагируют на интенсивность процессов кошуляцга и не зависят от того, какой механизм осадкообразования работает. Наиболее существенное из процессов коагуляции влияние па микрофкзп-чоские характеристики и интенсивность осадков оказывают процессы обзеримшя кристаллов.

Гораздо более существенное влияние на характер колебаний микрофизических характеристик обла1са и интенсивности осадков, а также суммы осадков оказывают механизмы зарозде]Шя льда в атмосфере, их характер и интенсивность. В большинство расчетов моделировалось два механизма зарождения льда: I) зарождение льда на ядрах льдообразования, 2) замерзание капель. Первый механизм использовался в двух вариантах: предполагаюсь, что зарождение льда происходит или при достижении насыщения по отношению к воде, или при достижении насыщения по отношению ко льду ( л) 7 Гшл й 2 О).

Интенсивность зароэдсния льда предполагалась пропорциональной количеству ядер льдообразования или замерзания, распределении которых по переохлаждениям удовлетворяло экспоиенциплыюму закону. Эксперименты по исследовании зависимости процессов развития облака и образовашш осадков от интенсивности механизмов льдообразовшшя проводились путем варьирования количества ядер льдообразования или замерзашш (параметров и Я,- - предэкспопенциалыл1х множителей, или в5 и Я,.- множителей в показателе).

При активации ядер льдообразования в обоих случаях при варьировании параметра в довольно широких пред злах ( от 10"6до 10''',

= 0,56) било получено, что при матахЛ3разных для разных видов облаков (чаще всего л.<:пг^г.0)"1) в облаке преоблад,ала жвдсая вода и шо медленное увеличение количества льда. Развитие облака происходило сходным образом для всех механизмов льдообразования (и для сублимации и для замерзания; для замерзания получали похожие зависимости, только с множителем на 3 порядка больше).

При увеличешга скорости зарождешм льда до умере;шол, близкой к среднестатистической (или несколько больше, в большинство расчетов для Ю-5^ Л $ - 10~2(г.°)_1) имела место довольно слоя-пая структура облаков, в которых примерно одинаковую роль играли жидкая и твердая фаза воды.

Для ядер льдообразования сорбционного типа (при й>0) и замерзания капель наблюдались колебания интенсивности осадков и микроструктуры облаков.

При дальнейшем возрастании скорости льдообразования жидкие капли практически, исчезали и облака становились полностью кристаллическими, колебания интенсивности осадков становились длгашо-периодашми. Т) случае &>0 величина интенсивности осадков стремилась к величине тормодштшческой скорости конденсации, увеличение суммы осадков становилось примерно пропорционалыплл увеличению скорости восходяшх движений, чего нельзя сказать о малых Л 5 и близких к наблюдаемым в природе.

Во всех случаях, даже в чисто кристалличсашх облаках, тлелось существсшюе количество способного сублимироваться водяного пара. О увеличением £}оно уменьшалось, но не исчезало совсем даже при самом интенсивном льдообразовании ( Д О, Л Ю-1 (г.0)-1) при наличии в облаке механизмов его восстановления ( в основном

восходяща движений).

В четвертой главе закономерности эволюции облаков, полученные при ломови одномерных моделей, использовались и уточнялись при исследованиях с помощью двумерных моделей фронтальных облачных систем. Причем строились и применялись теоретические и полуэмпирические модели, с задаваемой и рассчитываемой динамикой, с различными начальными и граничными условиями. Для расчета начальные значений искомых величин было применено около десяти различных вариантов стационарных как теоретических, так и полуэмпирических, построенных автором и заимствованных в отечественных и зарубежных авторов (Ромова А.И., Пономарешсо H.H., Кошенко A.M., Хоббса П. и др)моде-лей.

Расчеты, проведенные с помощью моделей с задаваемой динамикой, позволили сосредоточить главное внимание на особенностях эволюции микрофизических характеристик фропталышх облачных систем. С их помощью были получены следующие закономерности эволюции облачных характеристик: на атмосферных фронтах облачность наиболее интенсивна в надфронтальной теплой воздушной массе в области максимальных скоростей вертикальных (восходящих) движений. Облачная система при не меняющейся во времени динамике в начальный период эволюции постепенно расширяется, наблвдается увеличение интенсивности осадков, затем начинаются колебания микроструктуры облака и интенсивности осадков, период и амплитуда которых определяется в значительной степени интенсивностью восходящих движений и механизмов зарождения льда.Период колебаний менялся от J-2 ч до десятков часов.

В фронтальных облачзшх системах при наличии восходящих движений всегда имелись области с наличием способного сублимироваться водяного пара, который полностью не исчезал даже при интенсивности механизмов льдообразования, Х'ораздо превышающих наблюдаемую в природе.

. Моделирование реально наблюдавшихся фронтальных облачных систем, исследовавшихся экспериментаторами Укр!ИГШ над ЭМП и группой исследователей штата Вашнгюн (СНЫ), показало, что дате при не меняющейся во времени динамике смоделированные фронтальные облачные системы в определенный период эволюции по контурам, фазовому состоянию, по интенсивности осадков довольно близко совпадали с наблюдазле.шея. В значительной мере способствует адекватному моделированию фронтальных облачных систем к дает дополнительные возможности по ;г/. нзуче-

юно использование, кроме динамических и термодинамических характеристик облачности, такие микрофизичсских данных, таких как количество ядер льдообразования, ядер конденсации, сведение о форме кристаллов, механизмах агрегации и др. Так, иапрмер, с помощью данных об облачной системе фронта, получшшпх исследователями США, и полученных при численном моделировании с использованием микрофизических данных, было проведено сравнение отношения концентрации кристаллов и концентрации ледяных ядер при различных температурах. Мезздг расчетами и наблвдениями получено неплохое согласие. Для кристаллических облаков лучшее совпадение с экспериментом дата модель со сферическими 'кристаллами, для смешшшх - модель с пластинками. В обоих случаях имели превышение концентрации кристаллов над концентрацией ледяных ядер, причем при температуре выше -Ю°С это превышение достигало несколько порядков. Весьма вагло отметить, что в модели никаких допешштельных механизмов размножения кристал-. лов учтено не было. Превышение концентращи кристаллов над концентрацией ледяных ядер в облаке было обусловлено в данном случае образованием ледяных части; в облаке вследствие активации ядер льдообразования и замерзания капель, ростом :за счет сублимации водяного пара и обзерпения или агрегецкл, переносом вертикальными и горизонтальными движениями и турбулентной диффузией, падением под действием силы тяжести. Поскольку в верхних слоях облака при более низкой температуре (например, ниже -20°С) кристаллов зароздастся значительно больше (на несколько порядков больше, чем при тетера туре вше - Ю°С), чем в центральной и шишей частях облака, то при учете, что кристаллы даже кшешальиых размеров тлеют конечную скорость падения, с точенлеы времени происходит естественный засев нишшх, более богатых влагой слоев, кристаллами из верхних, бшз-гапс к вершине облачной системы слоев более богатых мелкими кристаллами .

Многочисленные эксперименты с помощью численных моделей показали, что в слоистообразных облаках в определешше моменты време-Ш1 концентрация кристаллов слабо зависит от концентрации ледяных ядер и определяется в основном их ростом, падением, переносом.

Численные эксперименты с наличием в облаке кристаллов различных фор.ч, обзернешшх кристаллов,агрегатов при различных механизмах льдообразовшшл при заданной динамике показали, что эволюция фазового состояшя облаков, амплитуда п период колебаний микрофпзи-чеекпх характеристик и интенсивности осадков в значительной мере определяется нктенсишостьп механизмов льдообразования, формой

кристаллов,

наличием агрегации, но суммы осадков и средняя их интенсивность определяется их динамическими характеристиками и слабо зависит от мчкрофизичеоких процессов при наличии достаточного для поглощения способного сублимироваться водяного пара количества ледяных ядер.

Дальнейшее исследование фронтальных облачных систем различных типов с помощью двумерных моделей было посвящено исслэдовшшю взаимосвязи динамики и i/икроструктури облаков в процессе их эволюции. Численные эксперименты проводились с помощью теоретических и полуэмтфкчесглх моделей фронтов. Болшая серия исследований была посЕЯ'.цена таюхе изучению с помощью стационарных и нестационарных ' моделей фронтов и их облачных систем конкретных синоптических ситуаций, связанных с облачными система»,ш атмосферных фронтов, подвергавшихся воздействию и oiccnepi-шентальным исследовашшм над 51.ш Укргаш.и.

Теоретические модели фронтов использовались при моделнроваши облачных систем теплых фронтов. Причем проводились расчеты с различиями начальными и граничными условиями, при задании условия геострофичности нормальной к фронту составляющей скорости ветра в процессе эволюции фронта, или выполнении этого условия только для скорости движения фронтальной системы и с.д.

Полуэмпирические стационарные модели атмосферных фронтов и их облачных систем строились по дашим радио-, самолетного, шарпилот-ного и радиолокационного зондирования одного или нескольких пунктов, располо2:ешых на пути движения атмосферного фронта, взятых подряд за определенный период времени. Выбирались случаи прохож-дешм атмосферных фронтов, обеспеченных учащенным радиозондированием (4-G зондирований в сутки) и подвергавшемся экспериментальным исследованиям с целью активных воздействий. При исследовшши эволюции атмосферных фронтов с помощью стационарных моделей строились вертикальные разрезы исследуемого фронта в различные моменты его существования,

Нестационарные полуэмпирические модели этих фронтов строились с помощью сформулировашой в работе системы нестационарных уравнений, использующей в качестве начального состояния вертикальные разрезы, построенные для задашюго в каждом конкретном случае момента времени.

Сравнения результатов расчетов, полученных с помощью теоретических ц полуэмпирических моделей, показали значительную- зависимость эволюции облачных систем атмосферных фронтов от типа фронта, начальных и граничных условий,от степени отклонеши ветра от reo-

строфического, от распределения температур« и давлегая вдоль осей х и у , но тем но менее можно отметить несколько общих закономерностей развития динамики и микроструктуры фронталыгых облачных систем. Получено, что дштмика и т:кроструктура облаков, связанных с фронтальными разделами, претерпевают колебания во времени, период и амплитуда которых определяются свойствами и характером эволюции воздушна масс, в которых находятся облака.

Период колебании динамических и микрофизических характеристик имеет различную длину на различных участках фронтальной системы.

Наиболее богатые влагой области и наиболее устойчивые области "восходящих движений находились чаще всего в теплых массах фронтов над наземной -линией фронта теплых и холодных фронтов или в теплых и менее холодных массах фронтов окклюзии.

Поле значашй ^ имело ячеистую структуру. Колзгчеотво ячеек определялось типом фронта, стадией его развития, свойствами поля скорости, но главной особегаюстыэ фронтальной системы бото существо ваше хотя бы одной пары ячеек О■

Интенсивность осадков и максималыше по 2 скорости восходящих движешШ претерпевали колебания в пространстве и времени. Наибольшие максимумы интенсивности осадков были связаны с наибольшими максиму?.гат ( представляющими основную клагогенерирующуп область фронта.

Период и амплитуда колебшшй интенсивности осадков во време1Ш в данной точке определялась соответственно свойствами той осадко-образующей области, которая их определяла, и расстояшем от нее до дшшой точки.

Плмшю облачности на восходящие двихетш неоднозначно - наличие облачности могло как усиливать восходя!¡ие двнжепзш, так и ослаблять их. Наличие устойчивых областей с переенщешюм по отношению к воде приводило к увеличегапо восходящих движений, наличие процессов испарения воды и лада приводило к обратным процессам. Боль-шл разность менту значешшш , полученных для случая с наличием и отсутствием облачности при одшх и тех же динамических параметрах, претшгдапих в несколько раз абсолютную величину иг в данный момент времени в дашой точке, могла бить получена вследствие отличия в сазе колебшпЛ иУ и совпадешш во времеш! максимумов и минимумов осциллирующих вел1гчин. Разности же между амплитудами ^ не превышали С0-70^ их величины. Отклонения составляющих скорости, температуры и др. характеристик при наличии облачности претерпевали колебания во времени.

С областями мсходолдах движений били часто связаны области с пуресн-дагдс!.! по отношению ко льду, хотя в пространство и вреглс-ни они могли но согпадать. Располагались они,в основном,в теплых массах ve шале к холодных фронтов з^ли менее холодных ц тешнос массах фронтов окклюзии.

Наиболее пригодными к воздействии на теплых и холодных фронтах были наиболее богатое способным сублимироваться водяным паром области, расположенные наиболее постоянно в теплых массах фронтов над наземной ли шей фронта. Па фронтах окклюзии наблюдалось 2 или 3 таких области. Наиболее вероятное их расположение в теплых и менее холодных массах фронтов. Они могли существовать одновременно, но чаще шблвдалось наличие о,иной или двух областей.

Пригодными к воздействию могли быть и кристаллические облака богатые способна сублимироваться водяным паром.

' Пятая глава работы посвящена численному моделированию эволюции полос облаков и осадков на фронтальных разделах с помощью их трехмерных моделей. Несмотря на то, что двумерные модели в силу особенностей строеихя атмосферных фронтов могут описать свойства их эволюции в достаточно хорошем приближении к реальным процессам, тем не менее мног/е вгшше особенности эволюции атмосферных фронтов и их облачных систем определяются эволюцией параллельных фронту градиентов искомых величин.

Для исследования отих особенностей, как и в случае двумерных моделей, рассчитывалась эволюция уже заданных з начальный момент времени атмосферных фронтов,' предетавлсшшх с помощью их трех-мершас теоретических моделей.

Значения искомых величин, за исключением плотности и давлешш, а иногда температуры и влажности, в начальный момент времени задавались не копящимися вдоль продольной к фронту оси у . Градиенты кенягардхся вдоль фронта величин предполагались заданными. Б направлении норшли к фронт}' значения пско:.пгх ветчин вычислялись также, как и в случае двумерных моделей. Фронт в начальный момент времени задавался в виде прямой линии в центре хорошо выраженной ложбины давлешш.

Па боковых и верхней границах рассчитываемой области предполагалось, главным образом, равенство нулю градиентов искомых величин, на земле искомые величины вычислялись из исходной систе-

мы уравнений при описанных выи о предположениях. Поле давления и плотности у земли в процессе счета задавалось дву.тя способами: 1) либо давление предполагалось незав;:«п'и:м от временя, л. плот-пость вычислялась из уравнения состояния, 2) либо плотность вычислялась из уравнения, представляющего нсстмасмость .воздуха, а давление вычислялось из уравнения состояния.

Числешше эксперименты по исследованию эволюции теплых к холодных фронтов и связашшх с шили полос облаков и осадков при различных состошшях температуры и барического поля в начальный момент времени, а такшз при различном заданна кзмеиспия давления у земли позволили сделать следующие выводы, характеризуйте зави-сшость полос облаков и осадков от приземного бармчоского поля:

Для теплых фронтов при задании не меняющейся во времени лон-бины давления у земли в начальный период развития облачности полосы облаков и осадков выстраивались вдоль линии фронта в ее окрестности □ виде параллельных линии фронта полос и существовали довольно длительный период порядка нескольких суток. С течением времени в теплой массе воздуха было отмечено образование новой полосы повы-иешшх градиентов температуры (гппербароклшшой зоны), которая располагалась параллельно фронту, ее появление сопровождалось появлением облачности, по осадки в ней были слабыми, а процессы менее интенсивными, чем в главной, связанной с основшл.' фронтом полосе.

При изменяющемся давлении у зеши на характер эволюции полос облагав и осадков наибольшее влияние оказывало ИЕ.мененио давления по . При наличии градиентов по х- и отсутствии градиентов по у (Рх Ф 0, 0) получали прямолинейные, параллельные фронту, однородные по у паюсы, которые существовали недолго, порядка нескольких часов, пока существовали значительные градиенты температуры на земле.

ПриР= 0,Р г- 0 наличие градиентов температуры и ветра по . оси х и давления по^ через определенное Еремя приводило к образовавши лоябшщ давления при больших у (сравш1тельно малых Р ) и области высокого давления при малых у , которые развивались и расширялись во времени.

Облака и осадки вначале выстраивались вдоль линия фронта в виде полосы, однородность которой со временем нарушалась. Наибольшие искривления с точением времени лт.'нш: фронта, а вместе с

ней и облачной полосы, происходило вблизи области высокого давления. Линия фронта в этой области стремилась располагаться вдоль изобары, а главная полоса облаков и осадков, связанная с фронтом, сужалась и распадалась на отдельные очага.

НриР/0, Рч 1- О (ложбина давления) процессы облакообразова-ния происходил^ более интенсивно, чем.в предыдущих случаях. Полосы облаков и осадков отмечались не только в области основного Л рента, но и в областях пшербароклгашых зон, образование кото-рта в последнем случае происходило гораздо более интенсивно, чем в предыдущих случаях.

Для холодных фронтов подобные численные эксперименты привели к следующим выводш.1 : При постояшюм давлении у земли облачность, как и в случае теплых фронтов, сохранялась в виде правильных полоо, параллельных фронту, пока существовала ложбина давления у земли.

При переменном давлении при 0 и 0 облачность, как и в случае теплых фронтов, сохраняла полосовую структуру, параллельную Фронту, но существовала недолго, порядка 6-10ч.

При Я^О , о характерным для эволюции давления было появление волны давления на земле, состоящей из гребня и двух ложбин, а затем образование замкнутой области низкого давления с минимумом давления в холодком воздухе (на земле и на высотах) в окрестности вновь образовавшейся гипербароюшшой зоны по типу холодного фронта. Полоса облаков и осадков была связана,в основном, с холоди™ воздухом. Облака были преимущественно кристаллическими.

При Р* * О, Р * 0 для эволюции давления характерно образовать вначале новой ложбины давления на земле, затем области низкого давлешгя с циклонической циркуляцией в ней в окрестности фронта при у более близких к его максимальному значению.

Для эволюции температуры характерно образование гапербарок-линшх зон в теплой массе воздуха. Наиболее богатая влагой, смешанными облаками и осадками была полоса, связанная с теплой пшербароклпнной зоной,' образовавшейся в теплой массе воздуха в первые 12 н развития фронта.

Наличие градиентов температуры по оси у обеспечило более длительное существование полос облаков и осадков, связанных с основным фронтом, и большую устойчивость основного фронта.

Зато била менее устойчивой полоса, связанная с теплой гипербарок-линной зоной.

Общим для всех вариантов расчета било появление ново!1 ложбины давления в .теплом Еоздухе, замкнутой области низкого давления в окрестности фронта во второй половине области по возрастаниям , повышение давления в теплом воздухе.

Появление гипербароклинных зон (ГБЗ) характерно для всех вариантов, но характер и месторасположехше ГБЗ и'связанных с ними полос облаков и осадков зависели в значительной степени от начального распределения температуры и давления. При расчетах было обнаружено 4 типа полос: I) Полоса,связанная с холодной ГБЗ, расположенной в холодном воздухе. 2)Полоса, связанная с холодным фронтом. 3) Полоса, связшшая о теплой ГБЗ, расположенной в теплом воздухе. 4) Полоса, связанная с парой ГБЗ (холодной и теплой), расположенных в теплой массе воздуха, перед тэплой ГБЗ.

В зависимости от соотояния полей температуры и давления соотношение меаду активностью полос менялось. Например, увеличение тангенса наклона фронта приводило к увеличению интенсивности полоо облаков и осадков, связанных о гкпербароклинннми зонами, расположенными в теплой массе фронта. Наличие градиентов температуры по у-увеличивало устойчивость облачной полосы, связанной с основным фронтом. Полосы с наиболее мощными смешанными облаками и наибольшей интенсивностью осадков были связаны с ГБЗ, расположенными в теплом воздухо.

Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными, полученными в УкрНИГШ, ЦЛО, СИ (штат Вашингтон) и другими, показали неплохое качественное согласие в расположении полос облаков и осадков и гипербароклтшга: зон на теплых и холодных фронтах, хотя многие детали, вследствие низкого пространственного разрешении модели, при численном моделировании не бшш воспроизведены.

Шестая глава посвяыгна численному моделированию активных воздействий на крупномасштабные и фронтальные облака холодного полугодия с целью регулировашш осадков. Теоретические работы по исследованию активных воздействий на динамику и микроструктуру облаков проводились в нескольких направлениях: I) Исследовались физические за-кочомерности подвергавшиеся воздействию облаков с помощью одномер-них моделей с детализированной микрофизикой. 2) Двумерные модели с задаваемой динамикой били кспользоханы для оценкн идеальных возмож-

ностей увеличения осадков из мощных фронтальных систем. 3) Двумерные модели с рассчитываемой динамикой были использованы для оценки вли-ягаиг активных воздействий на динамику облаков.4) Проведет исследования глиятш различите факторов на распространение зоны нскусствен-11011 кристаллизации н зоны искусственных осадков. 5) Проведено исследование зависимости расстоянии меяду линиями засева от параметров облаков и от нормы засева.

^¿ля одномершлс моделей алгоритм расчета воздействия на облако заключался I! изменении в определенный момент времени в заданном слое концентрации кристаллов минимального размера на заданную величину. Полученные результаты показали, что независимо от состояния облачности интенсивность осадков при воздействии Еедет себя следующим образом: сначала она резко увеличивается, затем через определенное время, разное для разных облаков, восстанавливается его прекшш характер колебаний, с прокшм периодом и амплитудой, только с несколько сдвинутой вперед фазой. Интенсивность осадков и фазозое состояние облаков в значительной степени определяется нормой засева, увеличение нормы засеза до определенной концентрации (порядка приводило к

заметному усилению осадков, при дальнейшем ее увеличении максимальная прибавка к интенсивности осадков уменьшалась, зато увеличивалось время их выпадения.

Были подтверждены оксперименталыше зависимости, полученные в УкрНИГШ при проведении опытов по увеличению осадков. Например, абсолютная прибавка к осадкам была больше при засеве облаков с большей интенсивностью осадков,а относительная прибавка была меньше для облаков с большей штенсивностью осадков. Искусственно получетшая добавка могла в несколько раз превышать жидкий водозапас и др.

Получзко, что запас способного сублимироваться водяного пара не исчезал дазео при засеве с оптимальными нормами засева (дающими максимальную прибавку к осадкам). Он, очевидно, к является наряду с еидккм водозапасом главным источником увеличегаш осадков, который непрерывно воспроизводился вследствие восходящих движений и не полностью вымывался в мое, где скорость падения осадков имела заметную величину.

Наличие в облаке агрегатов и обзернешшх кристаллов не оказывало решавшего влияния на интенсивность дополнительных осадков, однако, введение допол1ттельного числа ледяных зародышей могло существенно изменить микроструктуру засеваемых облаков, обуславливая исчезновение хлопьев.

Большая серия расчетов' по исследованию распрстрансшш искусственной кристаллизации била проведена с помощью дпумсрпых теоретических моделей теплых фронтов с задаваемой днна'япкой. Ссновпал трудность при совместном моделировании эеолюшж фронтальной сисчсмп и распространения зон искусственной кристаллизации к искусственных осадков, процессов обладающих различными горизонтальными масштабами, заключалась в необходимости в области засева применять прострап-ственное разрешение на 2-Зпорядка больше, чем г остальной области. Уменьшался в несколько раз и шаг по времени в период влияния на облачность активных воздействий.

Исследование зависимости ширины зош кристаллизации от велг.чи-ны и сдвига скорости гетра, интенсивности турбулентного обмена, нормы засева, интенсивности естественных механизмов облают- и осадкооб-разовашм и др. Было получено, что из динамических параметров на ширину зоны кристаллизации и зоны искусственных осадков больное влияние оказывает величина сдвига ветра. Ьто влияние сравнимо с турбулентным переносом, а иногда и значительно превышает см и ют.ст бтъ причиной сранителыга большой шириш зон кристачлизацки и кскусстЕеи-ных осадков, иногда достигающих 5-10 км. Из микрофизическш: уазакте-ристик при наличии в облаке достаточного количества способного сублимироваться водяного пара отмечено преимущественное влияние интенсивности процессов льдооб£йзования и нормы засева на вогмогсюсть и величину увеличения осадков. При зпачетшх концентрации ядер льдообразования близких к наиболее часто наблюдаемые при проведение натурных экспериментов, моделирование активных воздействий па облака путем увеличения концентрации частиц на задаваемую величину на заданных уровнях приводило к получению значительной прибавки к осадкам, часто превышающие естественные осадки. Если же концентрация кристаллов в облаке на несколько порядков превышала среднестатистически, прибавку к осадкам могли и не получить.

Что касается нормы засева, то в случае смепашшх облаков мощностью около или более I км и при сдвигах ветра порядка 1-эм/с/кы максимальная прибавка к интенсивности осадков для моделируемых фронтальных облаков с различными параметрами в большинстве случаев была получена при обеспечении в заданном объеме облака концентрации кристаллов порядка Ю3л-1.

Серия численных экспериментов была проведена с целью исследования зависимости эффекта воздействия на облака от расстоягшй мевду линиями засева. Воздействия моделировал!сь таким образом, чтобы как можно точнее лимитировать методику массового засева, разработанную в УкрННШИ и применяемую на Экспериментальном метеорологическом полигоне с целью увеличения осадков. Увеличение концентрации частиц проводилось через определенные промежутки времени а 4 ^ на заданном расстоянии от предыдущей линии (координаты ) в столбе об-

лачного воздуха определенной высоты на заданную величину .

Моделировались фронтальные облачные системы, подвергавшеся экспериментальны»,! исследованиям над ЭМП УкрПИГМИ. Расстояние между линиями засева при моделировании варьировалось от I до 4км, промежуток времени между засевами соседних линий - от 10 до 20 мин, норма засева - от 40 до Ю^л-*. Если предположить, что засев облаков проводился а помощью С09 при выходе ледяных кристаллов то

расход С02 варьировался от ЗОг до 7,5 кг. Шаг сетки Изменялся по градациям от 0,5 км в области засева до 100 км вдали от нее.

Расчеты показали, что при расстояниях между линиями засева порядка 2 км зоны кристаллизации от отдельных линий засева сливаются в одну сплошную зону уже через 10-20 мин после засева соседней (следующей) линии засева при нормах засева, превышающие Ю^л-*. При увеличешш нормы засева на порядок ширина зоны кристаллизации могла увеличится в 2-3 раза. Увеличение нормы засева еще на порядок уже не приводам о к резкому увеличению ширина зоны кристаллизации, но удлиняло в^емя ее существования. При нормах засева в несколько раз меньших 10"л_1ширина зоны кристаллизации не превышала I км и для. получения сплошной зоны кристаллизации необходимо было уменьшить рассто-', яние между линиями засева.

Наибольшая прибавка к интенсивности осадков в большинстве случаев достигалась при достижении концентрации частиц в заданном объеме порядка 10^ < ^ * Ю'Ьг*. Дальнейшее увеличение концентрации частиц не приводошо к увеличению прибавки к интенсивности осадков. Максимальная прибалта к осадкам требовала увеличения концентрации частиц на ьолпчлну несколько превышающую 103л"''' (примерно в 2-3 раза), хотя равносильное увеличение дополнительных сумм осадков, которые распространялись по большей территории, можно было получить к при нормах ~ Ширина зоны кристаллизации при гыиеназвашшх ^}

при засеве одной линии достигала 8-10км. "

Таким образом, увеличение нор.га засева для смешанных фронтальных облаков большой мощности позволяет существенно увеличить расстояние мевду линиями засева без потери дополнительных осадков. Соответственно уменьшение нормы засева без потери дополнительных осадков требует уменьшение расстояния между линиями засева.

Численные эксперименты по оценке влияния воздействий на эволюцию атмосферных движений в облаке показали, что возможно как увеличение, так и уменьшение восходящих движений. Увеличение скорости восходящих движений наиболее вероятно получить в устойчивых смешанных облаках при отсутствии испарения капель, или в кристаллических облаках при усилении процессов сублимации. Уменьшение восходящих движений наиболее вероятно при испарении капель, испарении кристаллов или замедлении процесса сублимации. Изменение скорости вертикальных движений порядка ее величины можно получить только при долговременном засеве всего пригодного к воздействию облачного массива. Засев же одной линии или нескольких линий приводил к изменениям вертикальной и горизонтальной составляющей скорости ветра не превышающим 10$. Заметного усиления интенсивности осадков иод влиявшем стимулированных восходящих движений замечено не было.

Численные эксперименты по исследованию пригодности к воздействию фронтальных облачных систем, которые проводились с помощью стационарных полуэмпирических моделей фронтов, проходивших над Украиной, нестационарных теоретических и палуэмпвркческих, двумерных и трехмерных моделей теплых, холодных и фронтов окюпозии, показали, что на теплых и холодных фронтах наиболее богатые влагой области со смешанными прослойками были расположены преимущественно в теплых массах фронтов. На фронтах окклюзии возможно длительное существование двух или трех пригодных к воздействию областей, которые связаны или о теплой воздушной массой или с менее холодной.

Результатом полученных выводов являются также рекомендации по усовершенствованию методов воздействия на фронтальные облака и по расширению диапазона пригодности к воздействию различных участков фронтальных облачных систем.

В заключении приведены основные результаты работы. Отметим наиболее существенные из них:

I. Сформулирована система уравнений, описывающая эволюцию микрофизических характеристик облаков в их взаимосвязи с динамическими характеристиками, определяющими в холодный период года характер развития фронтальных облачных систем при естественном ходе процесса и при активных воздействиях на облака с целью регулировашш осадков.

Разработаны теоретические основы численного решения сформулиро- ■ ванной системы уравнений с учетом процессов различных пространственных (от нескольких микрон до нескольких тысяч километров) к временных (от нескольких секунд до-нескольких суток) масштабов.

2. Построен комплекс численных моделей (одномерных, двумерных, трехмерных) и проведены с его помощью исследования особенностей эволюции внутренней структуры фронтальных облачна: систем.включая ' мшсрофизические, мезомасштабные и мшсрофизические явления как в процессе их независпмосго развития, так и во взаимосвязи друг с другом.•

3. Численные эксперименты по исследованию микроструктуры обланоЕ позволили подтвердить ряд закономерностей наблюдаемых в природе

( характер распределим спектров капель и кристаллов, водности, лед-ности, средшгх размеров частиц, превышение концентрации кристаллов над концентрацией ядер и др.), и сделать ряд новых предполокений о внутренней структуре облаков и характере их эволюции (например, о преимущественном зарождении капель на нижней границе облака, об определяющем влиянии механизмов заровдения льда на характер поведения осадков и др.). •

4. Результаты численного моделирования смешанных слоистообразных облаков с задаваемой динамикой позволили сделать вывод о наличии колебаний микроструктуры и интенсивности осадков, обусловленных наличием микрофизических обратных связей. На характер колебаний существенное влияние оказывали механизмы заровдения льда, вертикальные движения, форма кристаллов, наличие агрегатов и др.

5. Коагуляция крупных частиц с мелкими в облаках ( укрупнение капель за счет коагуляции крупных капель с мелкими, обзернеше, агрегация) оказывает сильное влияние главным образом на фазовое состояние облаков и осадков и изменяют фазу колебаний микрофизических характеристик ж интенсивности осадков, слабо сказываясь на сушах осадков, периоде и амплитуде их колебаний.

6. Расчета позволяли сделать важный с физической точки зрения вывод о возмогягосги существования в смешащпос и кристаллических облаках соизмеримою с людностью пересыщения по отношению ко льду, которое при налички механизмов его восстановления (например, восходящих движений) не исчезает к при самых интенсивных механизмах льдообразования, что свидетельствует о недостаточной эффективности естественного механизма, осадкообразования, наспособного в ряде случаев

превратить в осадки весь термодинамически доступний водяной пар, что в свою очередь подтверждает возможность успешного воздействия на фронтальные облака с целью получешм дополштельних осадков.

7. Числешше эксперименты по исследованию эволюции дошашкп и мпкро-струкруры фронтальных облачных систем в их взаимосвязи подтвердили виеод о наличии в фронтальных облачных системах колебаний игаро-физических характеристик и интенсивности осадков, которые при переменной динамике осложняются наличием колебаний вертикальных движенл'*!,

>, градиентов температуры, горизонталышх проекций скорости ветра и др. Период к амплитуда этих колебаний зависит от параметров динамики и микроструктуры.облачных систем и от расположения рассматриваемой тошш от поверхности фронта.

8. На атмосферных фронтах различных типов отмечалась возможность длительного существования по крайней мере одной влаго- и осадкогеперп-рующей области, связанной с устойчивой областью восходящих движений, которая в основном и определяла характер колебаний микроструктуры и интенсивности осадков в исследуемой фронтальной системе. На теплых

и холодных фронтах такие области преимущественно существовали в теплых массах фронтов, на фронтах окклюзии - в теплых или менее холодных их массах.

9. Исследование влияния облачности на характер эволюции воздушных движений, показали, что наличие облачности могло как усиливать, так и ослаблять вертикальные и горизонтальные движения в задашюй точке в зависимости от фазового состояния данного облачного участка, изменять период и фазу колебаний микрофизических величин. Больше отличия в абсолютной величине можно получить для вертикальных движений вследствие сдвига в фазе их колебашш при совпадении максимумов и минимумов оссцилирующих величин. Отличия в амплитудах колебаний не ■ превышали 70-80$. Отклонения динамических и термодинамических характеристик при наличии облачности от их состояния в безоблачной атмосфере претерпевали колебания по координатам и времени пак по абсолютной величине, так и по знаку.

10.-Расчеты с помощью трехмерных моделей теплых и холодных фронтов показали, что для эволюции давления на атмосферных фронтах характерно образоваше в процессе его эволюции сначала гребней и ложбин давления, а затем и замкнутых областей высокого (на теплом дронте) или низкого (на холодном фронте) давления соответственно с антициклонической или циклошгческой циркуляцией в них.

11. Для обоих типов фронтов характерно было появление ноеых полос повышенных контрастов температуры (пшербароклшпшх зон), которое часто сопровождалось появлением новых полос облаков и осадков.

12. Облака и осадки иа атмосферных фронтах выстраивались в полосы вдоль линии фронта или вдоль гипербароклишшх зон, стремясь изменить свою конфигурацию шесте с линией фронта или гипербарок-линной зоной.

13. На теплых фронтах наиболее устойчивая полоса со смешанными облаками, богатая влагой и пригодная к воздействию с целью увеличения осадков била связана с основным фонтом, на холодных фронтах -с теплой гипербароклинной зоной, расположенной в теплой массе воздуха.

14. Моделирование активных воздействий на фронтальные облака позволило дать теоретические интерпретации многих зависимостей, полученных как экспериментально, так и при численном моделировании активных воз. действий на облака с целью'регулирования осадков, позволило разработать рекомендации по расширению диапазона пригодности облаков к воздействию и уточнению методики воздействия на облачные системы холодного полугодия с целью получения дополнительных осадков.

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Опыт анализа требований, предъявляемых задачей расчета вертикальных движений к исходной!информации о поле температуры во фронтальных зонах,- Межведомственный геофизический комитет при Президиуме АН СССР. Информационный, бюлетень " Метеорология и гидрология", 1969, Ш,с. 43-49. - Соавтор Ромов А.И.

2. Исследование распределения капель по размерам в двухфазном слоистообразном облаке. Численный эксперимент. - Тр.Укр1ШЩ,1972, вып.114,с.3-13. - Соавтор Буйков М.В.

3. Применение некоторых конечно-разностных схем при, моделировании свойств слоистообразной облачности, с учетом, микроструктуры.-Тр.УкрНИГШ,1973,вып.125, с. 18-24.

4. Численная модель двухфазного слоистообразного облака с учетом микроструктуры.- Изв.АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1973,т.9, /,'5,с.486-499. - Соавтор Буйков М.В.

5. Построение устойчивого алгоритма решения системы уравнений, описывающих эволюцию трехфазного слоистообразного облака с учетом микроструктуры. - Тр./крНШЖ, 1974, внп.130, с.61-68.

6. Численное моделирование микрофизических-процессов в смешанных слоистообразчнх облаках.- Изв./Л СССР. Физика атмосферы и океана, 1975, т.26 .''.'З, с.469-450. - Соавтор Буйков М.В.

7. Численное моделирование искусственного воздействия на смешанные слоистообразние облака. - Тр.УкрНИГШ, 1975, шп.137,с.25-30.-Соавтор Буйков М.В.

8. Влияние формы кристаллов на микроструктуру олоистообразного облака. - Тр.УкрНИГШ,1976,вып.138, о.70-79. - Соавтор Дорман Б.А.

9. Влияше коагуляциошшх процессов на образование осадков в слоистообразных облаках.- Тр.УкрНИГШ, 1976, вып. 144, с.3-19. -Соавтор Буйков М.В.

10. Влияние захвата твердили частицами осадков облачных капель на микроструктуру смешанных слоистообразных облаков. - Тр.УкрШШЯ1, 1976, вып.144, с.20-24.

11. Численное моделирование облачных систем на фронтальных разделах. - Тр.УкрППП.М, 1976, вып.146, с.3-22. - Соавтор Буйков М.В.

12. Моделирование микрофизических процессов в жидкокапельных и смешанных слоистообразных облаках. - В сб.: Вопросы физики облаков, 1.гГидрометеоиздат, 1978, с.43-69,- Соавторы Буйков М.В., Дорман Б.А,

13. Исследование влияния агрегации ледяных частиц на процессы осадкообразования в смешанных слоистообразных облаках (числешшй эксперимент). - Тр.УкрШШИ, "1979, вып. 170, с.32-43.

14. 0 некоторых особенностях численного решения уравнений, описывающих конденсационный (сублимационный) рост частиц в смешанном облаке. - Тр.УкрШШ, 1980,ьып.178, с.15-26.

15. Численное моделирование влияния облачности на развитие атмосферного фронта. - Метеорология и гидрология, 1983, $9, с.33-42.

16. Численное моделирование взаимодействия динамических и микро-физическлх процессов в фронтальных облачных системах холодного полугодия.- Тр.УкрШШ Госкомгидромета, 1984, вып.199,с.48-57.

17. Моделирование распространения искусственной кристаллизации в смешанных слоистообразных облаках.- Тр.УкрШШ Госкомгидромета, 1984,вып.203, с.3-16.- Соавтор Буйков М.В.

18. Исследование зависимости интенсивности и микроструктуры осадков от динамики фронтальных облачных систем холодного периода года для' конкретных синоптических ситуаций. - Тр.УкрНИИ Госкомгидромета, 1334, рып.203, с;16-29.- Соавторы Акимов н.м., Паламарчук Л.в.

19. Исследование влаго- и осадкогенерирующсй способности фронтальных облач!Шх систем, подвергавшихся воздействию,- Тр.УкрШШ Госкомгидромета, 1905, внп.206, с.107-115.- Соавтор Паламарчук Л.В.

20. Исследование динамки и-микроструктуры фронтальных облачных систем.Численный эксперимент,- Тр.УкрНИИ Госкомгидромета, 1985, , знп.206, c.II5-I30.

21. О пригодности к воздействию облачных систем теплых фронтов и фронтов окклюзии в холодный период года над Украиной. - Тр;УкрНИИ Го< комгидромета, IS85, вып.214, с,56-69,- Соавторы Акимов Н.М., Пала-марчук Л.В.

22. Моделирование влияния активных воздействий на атмосферные движения в смешанных и кристаллических облаках. - Тр.УкрНИИ Госкомгидромета, 1985, выи.214, с.44-55.

23. Исследование эволющш облачных систем холодных фронтов!, проходивши над Украиной. - Тр.УкрШ! Госкомгидромета, IS86, вып.218, с.10-19. - Соавтор Баламарчук Л.В.

24. Численное моделирование развития облачной системы атмосферного фронта с учетом ее динамики и микроструктуры (трехмерная модель).-Тр.УкрНИИ Госкомгидромета, 1987, вып.221,с.71-82.

25.Численное моделирование взаимосвязи динамических и микрофизических процессов во фронтальных облачных системах. - Б сб.: Численное моделирование слоиотообразных облаков и искусственного воздействия на ккх.М.:Гидрометеоиздат, IS88, с.54-62.

26. Численное моделирование полос облаков и осадков'на фронтальных разделах. - Метеорология и гидрология, 1988, Ш, с.20-32.

27. Математическое моделирование эволюции облачной системы теплого фронта (трехмерная модель).- Тр.УкрШЩ Госкомгидромета, 1988, вып.229, с.121-141.

28.Зависимость эволюции полосовой структуры теплого фронта от состояния барического поля у земли. - Тр.УкрНИИ Госкомгидромета, IS8S, вып.230, 1989.

29. Числешюе моделирование эволюции облаков и осадков на фронтальных разделах. - Тр.Всесоюзной конференции по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы. Киев. IS87.

3Û. Численное моделирование эволюции полос облакоЕ и осадков на холодных фронтах при различных состояниях полей температуры и давления. - Тр.УкрНИШ!, вып.237,1990.

31. Численное моделирование воздействий на облачную систему фронта ошдаззни. - Тр.УкрНИПЙ, выи.237, 1990.

32. The verticnt structure of mixed stratiform clouda and its dependence of the mechanism of ice formation tne atmosphere (numerical sinulatiori>.- Proo. 8th ICH, Leningrad, 1975 ,p. 363-367. -Соавтор Буйков M.В.

, 33.Л numerical simulation of the interaction of dinamioal and microphiaical process in frontal clouda.- Proa.9th XOBG, Tallin, 1984, v. 2, p.637-640.

33. Suded precipitation formation in stratiform clouds. Numerical stratiform '.results. - Paper presented of the 4th ШО

sera, 1985,V.1,P.135-140.- C0aBT0pH Баханов В.П., Манжара Л.А. Дорман Б.А.

Ртп.ГГ0.29.11.89.3ак.544.Т.10С.и-17713.бесплатно,