Методика расчёта водности и водозапаса кучево-дождевой облачности

 
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 
59

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 
 
2008. Вып. 1 

 
УДК 551.508.8:551.571.7:551.576 
 
Н.А. Калинин, А.А. Смирнова 
 
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВОДНОСТИ И ВОДОЗАПАСА КУЧЕВОДОЖДЕВОЙ ОБЛАЧНОСТИ 
 
Проведено исследование водности и водозапаса конвективной облачности без осадков, а также c ливнями, грозами и градом. Значения водности и водозапаса были получены расчетным путем на основе радиолокационных характеристик кучеводождевой облачности, а также с помощью ряда эмпирических зависимостей. Исследование показало, что для расчета микрофизических характеристик облака использование информации метеорологического радиолокатора позволяет дополнять и уточнять данные наземных метеорологических и аэрологических наблюдений. 
 
Ключевые слова: конвективная облачность, явления, водность, водозапас, метеорологический радиолокатор. 
 
Введение 
 
При оценке количества осадков, которые могут выпасть из облака, необходимо знать влагосодержание вертикального столба атмосферы единичного сечения, располагающегося над пунктом наблюдения. На практике расчет величины водозапаса осуществляется по значениям расчетной водности 
облака, проинтегрированной по всей его вертикальной протяженности. Полученное значение водозапаса уточняется введением поправок на конденсационный, коагуляционный и гравитационный рост облачных частиц, а также 
поправок на уменьшение влаги за счет испарения. Исходными данными в 
расчетах служат значения точки росы у поверхности земли, дефицита влаги в 
вышележащих слоях, распределения температуры и характеристик влажности (давления насыщения, парциального давления) в атмосфере. Расчет производится по уравнениям переноса тепла и влаги и уравнению неразрывности. Далее по величине критической водности в облаке определяется количество влаги, которое выпадет из облака в виде осадков [1; 15]. Так как исходной информацией для расчетов служат данные наблюдений на наземных метеорологических и аэрологических станциях, то локальные очаги влаги, связанные с конвективными явлениями мезомасштаба, расположенные между 
пунктами наблюдений, оказываются исключенными из схемы расчетов. Между тем такие очаги являются источником интенсивных (иногда катастрофических) ливневых осадков. В связи с этим для повышения качества восстановления полей конвективных осадков нами предлагается использовать данные радиолокационного зондирования атмосферы, полученные с помощью 
метеорологического радиолокатора (МРЛ). В результате радиолокационного 
зондирования атмосферы пользователь получает информацию об отражаемости и высоте радиоэха облачности и зон осадков. Радиолокационная отражаемость Z, являясь микрофизической интегральной характеристикой облака, 

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Н.А. Калинин, А.А. Смирнова 

2008. Вып. 1 
 
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 

 
зависит лишь от размера рассеивающих излучение облачных частиц D в единице радиолокационного объема Vэ и не зависит от технических параметров 
МРЛ. Зная максимальную отражаемость в километровом слое облака и его 
высоту, можно осуществить переход от значений радиолокационной отражаемости в облачности и осадках к их водности Q. Работы подобного рода 
проводились в России [10]. В них целью исследования ставилось получение 
трехмерного поля влаги в атмосфере и согласование его с полями облачности 
и осадков для задач локального прогноза погоды. За рубежом микрофизические характеристики облачности, полученные с помощью информации МРЛ, 
используются при проведении различных натурных экспериментов и исследований в сравнении с информацией микроволновых радиометров и самолетов-лабораторий [16–18]. 
 
Методика расчетов 
 
Абсолютной водностью облаков (или просто водностью) называют 
массу капель воды и кристаллов льда, содержащихся в единичном объеме 
воздуха (чаще всего в 1 м3) [7]: 

∑
=

i
i
w
r
Q
3
3
4 πρ
,  

где 
w
ρ  – плотность частиц осадков, ri – радиус i-й частицы. Здесь суммирование производится по всем частицам единицы объема облака. 
Если распределение капель по размерам f (r) в облаке известно, то  

                                      
∫

∞
=
=

0

3
3
3
3
4
)
(
3
4
Nr
dr
r
f
r
N
Q
w
w
πρ
πρ
.                         (1) 

Здесь N – параметр спектра размеров капель [8; 9]. При этом 
3
3
Nr
Z =
. 
Чтобы перейти от радиолокационной отражаемости к водности облаков, 
необходимо выразить зависимость отражаемости от размера частиц [3; 5; 12]: 

                                              
∫
∑

∞

=
=
=

0

6

1

6
)
(
dD
D
N
D
V
D
Z

N

i
э

i
,                                  (2) 

где N(D)dD – число рассеивающих частиц в интервале диаметров dD в единице радиолокационного объема (для снега под величиной D подразумевается диаметр сферической капли воды, имеющей ту же массу, что и снежинка). 
Распределение частиц по размерам может быть задано экспоненциальным 
законом Маршалла–Пальмера, которое применимо для широкого диапазона 
интенсивности дождей и осадков в виде снега: 

                                                           

D
e
N
D
N
Λ
−
=
0
)
(
,                                       (3) 

где Λ – параметр распределения облачных элементов по размерам (м–1), N0 = 
3,8⋅106 м–4 для ледяных кристаллов (Т ≤ –22°С), N0 = 8,0⋅106 м–4 для капель    
(Т > –22°С) [2], N0 = 12,0⋅106 м–4 для градин. 
С учетом соотношений (2) и (3) уравнение (1) примет вид 

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com