Л.Т. Матвеев - Курс общей метеорологии. Физика атмосферы (1115251), страница 85
Текст из файла (страница 85)
Средние значения вертикальных скоростей ссг, которые были зафиксированы во Флориде и Огайо, приведены в табл. 17.2, Здесь Š— пройденное самолетом горизонтальное расстояние, для которого определено среднее значение вертикальной скорости, превышающее 1,22 м/с. Средняя квадратическая вертикальная скорость ю= ч/(в)е на площадках длиной 50 — 60 км в верхних частях кучево-дождевых облаков с наковальней колеблется между 1,9 и 3,9 м/с, в то время как над вершиной облаков — между 1,4 и 1,6 м/с.
Таблица 17.2. Средние значения вертикальной скорости (то 1,22 м/с) 1,4. Размеры и повторяемость облачных струй н термиков. Как наблюдения в полетах, так и исследование облаков методом фотограмметрирования с земной поверхности показали, что конвективное облако состоит из отдельных потоков, которые имеют форму струи или термика (пузыря). Н. И. Вульфсон экспериментально исследовал распределение струй и термиков по размерам, а также вертикальную скорость движения и температуру их, приняв во внимание то обстоятельство, что самолет пересекает конвективные потоки на различных и при этом неизвестных расс!ояниях от центра струи или термика.
Естественно, что определенные с самолета размеры конвективных потоков отличаются от действительных. Для определения последних привлекается теория статистической интерпретации результатов измерений. Средние значения диаметра г2 струй, большой оси а горизонтальных сечений термиков и замеренных случайных сечений 1 конвективных потоков в слое от земной поверхности до высоты около 3000 м при отсутствии облаков таковы: с7 = 60 м, а = 50 м и 1 = = 90 м (превышенне 1 по сравнению с йу и а объясняется тем, что при теоретическом расчете Ы и а учитываются все те мелкие потоки, вероятность пересечения которых очень мала).
Если сравниваются только те потоки, которые зафиксировал самолет, то их размеры (б или а), естественно, больше 1 (приблизительно 120 и 140 м). Средняя концентрация составляет около 40 струй на 1 км' или 750 термиков в 1км'. Относительная площадь струй и объем термиков равны примерно 0,20. Размеры струй и термиков во всем исследованном слое практически постоянны с высотой (исключение составляет слой до высоты около 300 и, где с( и а возрастают с высотой).
Средние превышения температуры в центрах струй, термиков и случайных сечений соответственно равны 0,19, 0,15 и 0,24'С. Над характерными возвышенностями местности до высоты 800 — 1000 м всегда наблюдаются восходящие псьтоки. Над равниной какая-либо связь между неоднородностями земной поверхности и конвективными потоками не обнаружена. Последние возникают спонтанно (самопроизвольно) в нижнем слое со сверхадиабатическими градиентами температуры. Распределение отклонений Т' температуры н вертикальной скорости пг внутри струи удовлетворительно описывается с помощью формул, вид которых указан Пристли: Т =1,1г 6(1 — — т); в= 0,2г '(1 — йл-) Здесь г — расстояние от центра струи, радиус которой /с; г — высота в метрах, на которой рассчитывается Т' в градусах Цельсия и ш в м/с.
Размеры конвективных потоков в мощных кучевых облаках (в описываемых случаях их основание и вершина находились соответственно на высоте около 1800 и 5500 м) значительно больше, чем вне облаков; средние значения диаметра струи в облаках и под облаками равны соответственно 90 и 50 м, а средние значения большой оси горизонтальных сечений термиков — 70 и 40 м. Относительный объем конвективных потоков в облаках и под ними составляет 0,70 и 0,24.
Распределение конвективных потоков по размерам в облаках и вне облаков изображено на рис. 17.2. Максимум повторяемости потоков в облаках приходится на ббльшие значения размеров, чем вне облаков. Средние размеры /аг конвективных потоков в облаках линейно астут с высотой: р /7 = 27+ 0,015г.
Здесь г — высота (в метрах), отсчитываемая от основания облака. Распределение отклонения температуры Т' и скорости движения струй пг до высоты около й/л толщины облака над его основанием описывается с помощью соотношений: Т ж 0,1г ь (1 — ", )ч; пг = 0,02г П (1 — — а) Значительный экспериментальный материал о конвективных потоках (струях и пузырях) получен в связи с метеорологическим 17 Облака Облака, тункаы к осадка 470 б) 10 е 120 80 Нисходщдие потоки Восходящие патоки щ и!с -д сь иод сь сбоку ат СЬ сбоку от СЬ О вЂ” 2 2 — 4 4 — 6 6 — 8 8 — !О 6! ЗО 5 2 2 8! !7 2 66 22 !О 2 55 32 !! 2 обеспечением полетов планеров.
По данным 1!4, пересечений термиков по хордам, близким к диаметру (в районе Майкопа и Вильнюса), получены следующие значения вертикальной скорости (пу), среднего размера (1) и повторяемости (Р) для сильных (соответственно ~6,0 м/с, 350 м и 2,6%), средних (6,0 — 4,5 м/с, 600м и 33,4%) и слабых ((3 м/с, 150 м и 64 7о) термиков. В центре термиков максимальные значения в в 79% случаев сохранялись постоянными на расстоянии от 20 до 650 м — свидетельство существования ядра конвективного потока с почти неизменной вертикальной скоростью. 0 50 100 ухо г00 250 500 50 Юо 150 200 250 и Рис.
!7.2. Распределение конвективных потоков по размерам в облаках (1) н вне облаков (2). о — струн, б — пузыри, По материалам полетов на оборудованном измерительной аппаратурой самолете Як-12 (443 сечения термиков) термики разделены на широкие (при пересечении отмечалось несколько максимумов уи) и узкие (с одним хорошо выраженным максимумом ш и быстрым спадом вертикальной скорости по направлению к периферии термика).
Более мощными являются Широкие термики (средние значения в = 2,7 м/с, 1=650 м); в них наблюдается ядро с почти постоянной пу. В узких термиках в = 2,1 м/с, 1= =348 м, ядро отсутствует. Повторяемость широких возрастает, узких убывает по мере увеличения вертикального градиента температуры (у). Так, при среднем (за день) значении 7 =0,65'С/ /100 м (в слое 0 — 300 м) на долю широких термиков приходилось 45%, узких — 55 /о (из общего числа 73), при 7=0,77'С/100 м повторяемость тех и других — одинаковая. Однако уже при у = = 1,30'С/100 м (в другой день) повторяемость широких термиков составила 71 о/о, а при у = 1,87'С/100 м — 81 о/о,' узких — соответственно 29 и 19 %. Установлена также связь между вертикальной скоростью в термиках и альбедо (г) земной поверхности, над которой возникают термики; коэффициент корреляции между ш и г оказался отрица- тельным и равным — 0,84 +-0,15: чем больше г, тем меньше прогревается земная поверхность и, как следствие, снижается вероятность образования термика с большой вертикальной скоростью.
Исследовано поведение искусственного термика, создаваемого поджогом некоторого вещества, после окончания горения которого — через 0,10 — 0,12 с — образовывалось сферическое облаксь нагретого воздуха радиусом около 1 м и с перегревом более 250 К На начальной стадии подъема (до момента около 0,8 с) форма термика близка к сферической, скорость подъема со временем растет, достигая к концу стадии 4 — 6 м/с.
В промежутке 0,8— 1,6 с происходит трансформация сферического термика в вихревое кольцо (тор). Скорость подъема термика в этой стадии сначала уменьшается (до 1,5 — 2 м/с), а затем вновь растет и достигает второго максимума (около 3 м/с) к концу стадии ( - 1,6 с). Дальнейший подъем вихревого кольца происходит с уменьшающейся во времени скоростью, Радиус термика (сначала — сферы, а затем внешней границы кольца) практически линейно растет при увеличении высоты подъема: /с(г) = /со+аз, где а = О,! ~ ~ 0,003 при !щ.0,8 с и а =0,19~ 0,03 при !)1,6 с.
Температура термика (близкая к 1300 К в момент окончания горения) при подьеме быстро спадает и уже на высоте 16 — 20 м практически не отличается от окружающей среды. Сведения о скоростях и горизонтальных размерах вертикальных потоков в окрестности зрелых кучево-дождевых облаков (в слое 0 — 200 м над ними и на расстоянии 0 — 20км сбоку от них) приведены в табл. 17.3.
табанил !7.3. Повторвемость (о6) вертнкальнмк скоростей мезомасштабных потоков в окрестности зрелых СЬ Из табл. 17.3 следует, что в окрестности верхней части зрелых СЬ вертикальные скорости потоков по абсолютной величине примерно в 90% случаев не превышают 4 м/с, при этом скорость нисходящих потоков несколько больше скорости восходящих. Горизонтальные размеры нисходящих потоков (табл. 17.4) также несколько больше, чем восходящих. Поэтому осредненное (результирующее) движение воздуха в окрестности СЬ оказывается Облака, тумеам а осадка Облака 17 473 Таблица !7.4.
Повторяемость (тв) горизонтальных размеров 7. вертикальных потоков в окрестности зрелых СЬ Нясюдящие потоки Восходящие потоки с км ивд сь явд Сь сбоку от СЬ сбоку от СЬ 6 !9 25 !5 !О 6 19 <! ! — 3 3 — 5 5 — 7 7 — 9 9 — !! >!! 6 28 26 6 16 18 19 29 29 15 2 6 34 21 27 4 4 !О Обобщенные данные об отклонениях температуры внутри и в окрестности СЬ от температуры окружающего воздуха приведены в табл. 17.5, которая включает результаты 800 серий измерений температуры.
Как видно, отклонения температуры и по этим данным наиболее значительны над облаком и внутри верхней части его (полеты проводились до глубины 500 — !000 м от верхней кромки СЬ). Таблица !7.5. Средние (числитель) н максимальные (знаменатель) абсолютные отклонения температуры (*С) в окрестности СЬ Внутри верхней вести СЬ Сбоку от верхней трети Сь Сбоку от нижней ч сь Стадия рпввития облвке Нпд СЬ 0,5/4,7 0,4~3,4 0,2!1,0 Растущее Зрелое Распадающееся 0,375,1 0,2!1,1 0,270,9 0,2!3,2 0,4!2,7 0,2(1,4 0,2~0,9 нисходящим. Оно сопровождается повышением температуры.
Согласно опытным данным, вокруг мощного кучевого облака наблюдается теплая воздушная оболочка, толщина (по нормали к боковой поверхности облака) и перепад температур в которой уве.личиваются от основания к вершине: вблизи основания толщина 50 — 200 м, перепад температур 0,3 — 0,5'С, в средней части и у вершины толщина 100 — 700 м, перепад температур 0,5 — 3'С. Над вершиной облака теплый слой прослеживается до высоты 400 — 600 м.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
