1. Введение
Одной из фундаментальных проблем физики атмосферы и динамики метеорологических процессов остается точный прогноз времени, места и интенсивности развития глубокой влажной конвекции. Традиционные методы оценки конвективной нестабильности, опирающиеся преимущественно на интегральные характеристики, такие как доступная конвективная потенциальная энергия (
[1](итоговый — общих сумм)
Исторически концепции конвективной неустойчивости, заложенные в середине XX века, рассматривали атмосферную влагу преимущественно в приземном слое. Однако современные наблюдения и численные эксперименты доказывают, что синоптическая изменчивость влажности в средней и верхней тропосфере способна радикально менять вектор развития конвекции даже при идентичных температурных профилях
[2]
Захват окружающего не турбулентного воздуха восходящим потоком хорошо описано в работе
[3][3][4][5][6][7][4]
Вертикальный профиль влажности жестко детерминирует состав и структуру осадков (дождь, ливень, град). В умеренно сухой среде сильное испарение под облаком порождает мощные нисходящие потоки — микробарсты. Охлажденный воздух, достигая поверхности земли, растекается, формируя массу холодного воздуха окруженную более теплым воздухом, так называемый «холодный бассейн» (cold pool) или карман холодного воздуха. Фронт порывов часто развивающийся от этого холодного кармана служит динамическим триггером для инициации новых конвективных ячеек на границе раздела сред
[8][9][10][11]
Таким образом, вертикальное распределение водяного пара оказывает определяющее влияние на все стадии жизненного цикла конвективного облака
[12][13]
Целью настоящей работы является комплексное исследование влияния вертикальной структуры влагосодержания в тропосфере на формирование макро- и микроструктурных характеристик конвективных облаков, а также математическая формализация режимов конвекции с использованием аппарата теории бифуркаций.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:
- систематизированы данные многолетних наблюдений и результаты численного моделирования;
- проведено детальное численное моделирование эволюции конвективного облака с варьированием профилей
относительной влажности
- выявлены ключевые физические механизмы влияния вертикального распределения влаги на инициацию и пространственную организацию облачных систем.
В рамках актуальности следует отметить, что в условиях глобальных климатических изменений фиксируется деформация вертикальных профилей термодинамических параметров. Согласно уравнению Клаузиуса–Клапейрона, с ростом температуры атмосферы ее влагоемкость увеличивается примерно на 7% на каждый градус Цельсия
[14][15][16]
2. Методы и принципы исследования
Для верификации теоретических положений и выявления нелинейных переходов было проведено численное моделирование с использованием детальной трехмерной негидростатической модели конвективного облака. Применённый подход опирается на сложившуюся традицию явного численного описания эволюции осадкообразующих конвективных облаков в рамках полных трёхмерных моделей
[17][18]
Моделирование реализовано в домене со следующими пространственными характеристиками:
-
-
-
-
В ходе экспериментов задавались три базовых типа синтетических профилей относительной влажности при неизменном профиле температуры (соответствующем умеренной неустойчивости):
1. Двухслойный профиль. Высокая влажность в пограничном слое (
2. Экспоненциальный профиль. Плавное убывание влажности с высотой по экспоненциальному закону:
3. Профиль с «сухим окном». Высокая приземная и среднетропосферная влажность, прерываемая инверсионным сухим слоем толщиной 1–1,5 км на различных высотах.
Сценарии начальных вертикальных профилей относительной влажности
Δ
На рисунке 1 в центре — экспоненциальный профиль, он демонстрирует классическое плавное непрерывное убывание влажности с высотой:
В качестве основы был взят профиль с приземной влажностью RH0 Missing Mark : sub= 85% и характерным масштабом высоты HR Missing Mark : sub= 3,5 км.
Профиль с «сухим окном» дан на рисунке 1 справа, он моделирует сложную стратификацию атмосферы. В нижнем слое z < 2 км и в средней тропосфере 3,5 < z < 6 км поддерживается высокая влажность до 70–75%. В диапазоне высот от 2,0 до 3,5 км профиль прерывается резко очерченным инверсионным слоем — «сухим окном» (выделено серым затененным фоном), где влажность падает до 20%, что позволяет исследовать влияние задерживающих слоев на конвекцию.
В рамках разработанного авторами алгоритма была реализована схема непрерывного отслеживания фазового состояния облачной системы. Фиксировались следующие параметры: максимальная вертикальная скорость
[7]
3. Основные результаты и обсуждение
Серия численных экспериментов с шагом по влажности Δ
Бифуркационная диаграмма конвективных режимов
[3][6]45% ≤ RHmid ≤ 60%RHmid > 60%[7][11]
За счет дробления влаги на более мелкие капли скорость их гравитационного осаждения падает, радиационное выхолаживание вершины облака усиливается, что локально увеличивает верхнюю нестабильность
[12]
Результаты подтвердили, что структура вертикального профиля влаги предопределяет эволюцию конвективной системы. Эксперименты показали, что профиль с «увлажнённой серединой» наиболее благоприятен для генерации изолированных долгоживущих суперячеек.
В условиях, когда нижний подтурбулентный слой умеренно сухой, а средний — влажный, генерируется интенсивный, но локализованный нисходящий холодный поток. Испарение крупных капель на границе облачной подошвы создает мощный горизонтальный градиент плотности. Передний фронт холодного фронта порывов дестабилизирует прилегающие участки атмосферы, динамически инициируя появление новых дочерних конвективных ячеек
[8][9]
4. Заключение
Вертикальный профиль относительной влажности выступает фундаментальным нелинейным регулятором («скрытым архитектором») глубокой влажной конвекции в тропосфере. Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:
1. Механизм энтрейнмента сухого воздуха является главным ингибирующим фактором, глушащим плавучесть конвективных термиков посредством испарительного охлаждения. По мере увеличения влажности среды деструктивное влияние энтрейнмента уменьшается.
2. Установлено наличие жестких количественных порогов влажности в средней тропосфере (
3. Выявлен характер связи влажностного профиля с концентрацией ядер конденсации (
В качестве перспектив дальнейшей разработки темы планируется:
-
-
-
Выявленные закономерности нелинейного отклика конвекции на профиль влаги имеют прямую практическую ценность для оперативной синоптики и численного прогноза погоды. Новейшие спутниковые профилемеры (включая методы радиозатменного зондирования GPS-RO, GNSS-RO и инфракрасные каналы геостационарных спутников) фиксируют микроструктурные 5-минутные колебания влажности среды
[15]
Следует отметить, что по мнению авторов, в дни с высоким риском опасных явлений погоды экономически оправдано переходить на учащенный запуск радиозондов (от четырех до восьми раз в сутки вместо стандартных двух). Это позволяет в реальном времени наблюдать трансформацию «запирающих» слоев (