1. Введение
Конвективные облака являются одним из наиболее значимых объектов исследования в динамической метеорологии и физике атмосферы. Они оказывают определяющее влияние на глобальный и региональный водный цикл, перенос тепла, влаги и импульса, а также на формирование экстремальных погодных явлений (шквалистые ветра, интенсивные ливни, крупный град)
[1][2]
Влияние распределения водяного пара в тропосфере на конвективную активность подробно исследовалось теоретически и в наблюдениях
[3][4][5][6][7][9][8]
Проведённые ранее численные исследования, как правило, рассматривали влияние влажности свободной тропосферы в контексте идеализированных экспериментов с постоянными значениями относительной влажности
[5][11][10][4]
В контексте климатических изменений и антропогенного воздействия количественная оценка чувствительности развивающихся облачных систем к вариациям удельной влажности приобретает стратегическое значение для понимания темпов изменений. Например, это необходимо как для повышения точности гидрологических прогнозов, так и для верификации конвективных схем в моделях прогноза погоды и климата
[12]
Таким образом, целью настоящей работы является комплексное численное исследование и количественный анализ чувствительности динамических, микрофизических и макроструктурных параметров развивающегося конвективного облака к равномерному уменьшению удельной влажности в вертикальном столбе атмосферы в диапазоне от 1% до 10% относительно естественного хода.
2. Методы и принципы исследования
Для проведения численных экспериментов использовалась трехмерная негидростатическая модель конвективного облака с детальным учетом термодинамических, микрофизических и электрических процессов, базирующаяся на уравнениях гидротермодинамики в приближении Буссинеска
[13]
Уравнение движения записывается в векторной форме:
[LATEX_FORMULA]\frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + (\mathbf{u}\cdot\nabla)\mathbf{u} = -\frac{1}{\rho_0}\nabla p' + B\hat{\mathbf{k}} - F_D [/LATEX_FORMULA]
где — вектор скорости, — базовая плотность воздуха, p' — возмущение давления, FDMissing Mark : sub— сила турбулентной вязкости и аэродинамического сопротивления гидрометеоров, k — единичный вектор в вертикальном направлении,
[LATEX_FORMULA]B = g \cdot \left[ \frac{\theta'}{\theta_0} + 0.608 \left( q_v' - q_{\mathrm{c}} - q_{\mathrm{r}} - q_{\mathrm{i}} - q_{\mathrm{s}} - q_{\mathrm{g}} - q_{\mathrm{h}} \right) \right][/LATEX_FORMULA]
Здесь
θ′ θ0 q′v,qc,qr,qi,qs,qg,qh
Микрофизический блок модели реализует детальное описание фазовых переходов капель воды и ледяных кристаллов в процессах нуклеации, диффузионного роста частиц (включая эффект Бержерона — Финдейзена), фазовых переходов (замерзание, плавление, сублимацию и десублимацию) и контактных взаимодействий частиц, таких как коагуляция, аккреция капель и ледяных кристаллов и агрегация кристаллов
[14]qcqrqiqsqgqh
В общем математическом виде для каждого типа облачных частиц i уравнение микрофизического блока записывается как:
где:
fi(x,y,z,m,t) vgi(m) [LATEX_FORMULA]\left( \frac{\partial f_i}{\partial t} \right)_{\text{конд./субл.}}[/LATEX_FORMULA][LATEX_FORMULA]\left( \frac{\partial f_i}{\partial t} \right)_{\text{коаг.}}[/LATEX_FORMULA][LATEX_FORMULA]\left( \frac{\partial f_i}{\partial t} \right)_{\text{трансф.}}[/LATEX_FORMULA][LATEX_FORMULA]\Delta_{\text{турб.}}(f_i)[/LATEX_FORMULA]
Динамика изменений данных функций рассчитывается с учетом их пространственно-временного переноса воздушными потоками, турбулентного перемешивания, а также скорости седиментации (гравитационного осаждения) частиц каждой фракции под действием силы тяжести. Электрические силы значительно изменяют коэффициенты столкновения и слияния частиц (особенно малых фракций), что существенно ускоряет укрупнение гидрометеоров и стимулирует раннее градообразование на стадии активного роста конвективного облака.
Расчетный домен имеет геометрию 60 Х 60 Х 18 км. Пространственная дискретизация выполнена на регулярной сетке с шагом по вертикали
ΔΔΔy Δ
2.2. Начальные условия и параметры экспериментов
Начальное термодинамическое состояние атмосферы задавалось на основе реального профиля радиозондирования из архива ФГБУ «ВГИ» (архивный файл input_sounding_2025_08_13_1200Z.txt), характеризующегося высоким запасом конвективной нестабильности. Поверхностная потенциальная температура составляла T0Missing Mark : sub = 300 К, а базовая удельная влажность у земли достигала q0Missing Mark : sub = 12.52 г/кг, почти экспоненциально убывая с высотой. Конвекция инициировалась искусственным введением термического возмущения (теплового пузыря) в нижнем 2-километровом слое с радиальным размером 10 км и температурным перегревом
Δθ
Набор численных экспериментов включает один контрольный и пять модифицированных запусков, в которых профиль удельной влажности qvMissing Mark : sub(z) масштабировался коэффициентом (1 - δ), где δ — относительный дефицит влаги:
Начальное температурное поле, профиль давления и вектор фонового сдвига ветра оставались строго одинаковыми во всех итерациях численного моделирования, что позволило выделить вклад интегрального влагосодержания. Полная продолжительность симуляций составила 90 минут, фиксация диагностических полей производилась с дискретностью 1 минута.
3. Основные результаты
Анализ динамических полей продемонстрировал жесткую, но нелинейную зависимость интенсивности вертикальных движений от дефицита влаги. В контрольном эксперименте z01 развитие кучево-дождевой системы характеризуется классической двухпиковой структурой временного хода максимальной вертикальной скорости (wmaxMissing Mark : sub). Первый интенсивный восходящий импульс фиксируется на 38-й минуте, достигая 45.6 м/с. Этот импульс обусловлен взрывным ростом плавучести при начальной конденсации водяного пара приземного влажного объема воздуха. Вторичный пик формируется на этапе зрелости облачной системы (56-я минута), генерируя максимальные значения восходящих потоков, сопряженные с тепловыделением при кристаллизации и аккреции.
При переходе к экспериментам z02 и z03 (иссушение на 1% и 2%) пиковые значения wmaxMissing Mark : sub снижаются слабо — до 45.2 м/с и 43.8 м/с соответственно, а время их наступления совпадает с контролем (38-я минута). Однако дальнейшее уменьшение влажности приводит к резкому перелому тренда. В эксперименте z04 (δ = 3%) пиковое значение скорости падает до 41.4 м/с (относительное снижение на 9,3%), а сам динамический максимум смещается во времени на 41-ю минуту, что указывает на замедление темпов облачной эволюции.
В экстремальных сценариях z05 (5%) и z06 (10%) наблюдается глубокая деградация динамического потенциала. Максимум восходящей скорости в эксперименте z06 падает более чем в два раза — до 22.29 м/с, а временной сдвиг пика достигает 24 минут.
Интенсивность нисходящих потоков, оцениваемая в нашем случае по модулю минимальной вертикальной скорости (
|wmin|
Максимальная радиолокационная отражаемость (
ZmaxZmax
Сводные количественные характеристики экспериментов приведены в таблице 1.
Динамические параметры, максимальная радиолокационная отражаемость, макроструктурные характеристики облака, интегральные массы гидрометеоров, общее выделение скрытой теплоты конденсации (le) и суммарный объем осадков на поверхность
| Эксп. | Дефицит qv, % | Пик wmax Missing Mark : sub(wminMissing Mark : sub), м/с | Время пика, мин | Относ. изм. пика wmax, % | Макс. высота Hвг, км Пик (ZmaxMissing Mark : sub), дБZ | Время пика, мин | Относ. изм. Zmax, % | Интегральная масса qc+qr, (qi+qs+qg+qh), 106Missing Mark : sup кг | Изменение интегральной массы qg+qh, % | Интеграл le, 1015Missing Mark : sup Дж Суммарные осадки (90 мин), мм | Относ. изм. осадков, % |
| z01 | 0 | 45,64(14,31) | (38) | 0,0 | (66,68) | (56) | 0,0 | (14,5) | 0,0 | (13,1) | 0,0 |
| z02 | 1 | (14,11) | (39) | -0,9 | (66,7) | (56) | 0,0 | (14,5) | 0,0 | (13,1) | 0,0 |
| z03 | 2 | (13,77) | (39) | -4,0 | (66,7) | (56) | 0,0 | (14,3) | -1,4 | (13,1) | 0,0 |
| z04 | 3 | (13,74) | (41) | -9,3 | (66,4) | (56) | -0,5 | (12,0) | -17,2 | (13,0) | -0,8 |
| z05 | 5 | (11,93) | (45) | -22,5 | (64,6) | (56) | -3,1 | (9,7) | -33,1 | (12,6) | -3,8 |
| z06 | 10 | (8,74) | (52) | -51,2 | (60,9) | (57) | -8,7 | (3,2) | -78,0 | (10,7) | -18,3 |
Макроструктурная эволюция облачной геометрии также выявила деградацию кучево-дождевого облака. Максимальная высота вертикального развития (верхняя граница облака Hвг) в контрольном пуске составляет 13.8 км, что указывает на пробой тропопаузы и формирование развитой наковальни. При иссушении атмосферного столба на 10% (z06) верхняя граница падает до 12.6 км (снижение на 1,2 км). Одновременно с этим нижняя граница облачности испытывает подъем с 1.5 км до 2.3 км вследствие дефицита влаги в подоблачном слое и соответствующего падения уровня конденсации. В результате суммарная геометрическая мощность облака уменьшается более чем на 2 км.
Пороговый характер отклика облачной системы прослеживается и при анализе интегральных по области моделирования масс отдельных микрофизических фракций влаги (таблица 1). В то время как пиковая интегральная масса водяного пара (qvMissing Mark : sub) в силу геометрии начального возмущения остается квазипостоянной (0,4805 х 109Missing Mark : sup кг), массы конденсированных фаз демонстрируют стремительное нелинейное сокращение.
Масса мелкодисперсной облачной воды (qcMissing Mark : sub) снижается на относительно умеренную величину: с 10,93 х 106Missing Mark : sup кг в контрольном эксперименте до 6,62 х 106Missing Mark : sup кг в эксперименте z06 (снижение на 39,4%). В то же время масса укрупненной фракции жидких осадков (qrMissing Mark : sub — дождь) испытывает выраженный коллапс после преодоления 3%-го барьера, сокращаясь в эксперименте z06 более чем в 2,3 раза (до 1,5 х 107Missing Mark : sup кг).
Наиболее уязвимым звеном облачного микрофизического «конвейера» оказалась плотная ледяная фаза — град и крупа (qhMissing Mark : sub и qgMissing Mark : sub) соответственно. До уровня иссушения в 2% масса града стабильна (14,3 х 106Missing Mark : sup кг). Однако в эксперименте z04 (δ = 3%) она скачкообразно падает до 12,0 х 106Missing Mark : sup кг (уменьшение на 17,2%), в эксперименте z05 теряет треть массы, а при 10%-м иссушении (z06) сокращается на 78%, опускаясь до 3,2 х 106Missing Mark : sup кг. Столь катастрофический спад указывает на то, что механизмы градообразования требуют строго определенного уровня влагосодержания тропосферы, ниже которого быстрый рост твердой фазы блокируется.
Суммарный приток энергии за счет фазового перехода первого рода — выделения тепла при конденсации пара (le) — монотонно и нелинейно убывает. В контроле суммарный интеграл выделенного скрытого тепла составляет 5,19 х 1015 Missing Mark : supДж, тогда как в эксперименте z06 он падает до 4,07 х 1015Missing Mark : sup Дж (падение на 21,6%, таблица 1).
Количество суммарных накопленных осадков на поверхности к 90-й минуте моделирования демонстрирует устойчивость к слабым флуктуациям влажности (вплоть до δ = 2% объем осадков неизменно составляет 13.1 мм). Перелом наступает при преодолении 3-5%-го барьера иссушения. В финальном эксперименте z06 количество выпавших осадков снижается до 10.7 мм, что соответствует сокращению осадков на 18,3%. То есть, интегральные параметры энергетического обмена и влагоотдачи полностью подтверждают системный характер подавления конвекции.
4. Обсуждение
Фундаментальный характер нелинейного отклика динамики и микрофизики облака на уменьшение влажности находит объяснение в рамках классической теории вовлечения и концепции «буферного сортировщика плавучести» (buoyancy sorting)
[15]
При уменьшении начальной удельной влажности во всем вертикальном столбе атмосферы парциальное давление водяного пара падает, увеличивая дефицит насыщения тропосферы. В процессе вовлечения — втягивание более сухого воздуха вызывает мгновенное испарение части облачной капельной фракции для восстановления насыщения. Процесс испарения сопровождается поглощением скрытой теплоты, что резко охлаждает вовлеченный объем воздуха. В результате виртуальная потенциальная температура элементарного объема падает ниже температуры окружающей среды, плавучесть становится отрицательной, и данный объем выбывает из восходящего ядра, формируя облачные нисходящие потоки. При иссушении атмосферы доля конвективных объемов, способных сохранить положительную плавучесть и достичь уровня свободной конвекции, падает нелинейно, что объясняет резкое падение интегральных параметров восходящего потока.
Ключевым результатом данной работы является четкая фиксация бифуркационного порога в районе
Δqv
Блок-схема каскадного разрушения обратных связей глубокой конвекции при преодолении порогового дефицита влажности
Микрофизические процессы спада градообразования при
Δqv = 10%
Обнаруженный пороговый переход согласуется с нелинейной зависимостью интенсивности осадков от влагосодержания столба атмосферы, описанной в наблюдениях тропической конвекции
[3][16]
С точки зрения активного воздействия на облака и осадки результаты работы показывают, что при иссушении атмосферы более чем на 10-20% относительно нормы эффективность воздействия реагентами (например, йодистым серебром) существенно снижается, поскольку уже сама реализующаяся высота облачной вершины не превышает уровня замерзания. Полученные данные согласуются и с результатами наблюдений
[6]
5. Заключение
На основе результатов серии численных экспериментов, выполненных с помощью трехмерной негидростатической модели конвективного облака с детальным учетом термодинамических, микрофизических и электрических процессов, исследована чувствительность развивающегося конвективного облака к равномерному дефициту удельной влажности в вертикальном столбе атмосферы. Сформулированы следующие основные выводы:
- имеет место выраженный нелинейный характер отклика динамических и микрофизических параметров облака на иссушение атмосферы с фиксацией критического порога перелома зависимостей в районе
Δqv
- преодоление 3%-го порога влажностного дефицита запускает каскадный механизм подавления конвекции. В финальной точке расчетной матрицы (
Δqv
- селективная деградация плотной ледяной фракции гидрометеоров: при 10%-м иссушении интегральная масса града и крупной крупы по области моделирования падает на 78%, тогда как масса облачных капель сокращается лишь на 39,4%. Это указывает на высокую уязвимость фазовых переходов второго рода (вода-лед) к влажностному режиму тропосферы.
- макроструктурные параметры облака демонстрируют монотонный спад: под влиянием дефицита влаги верхняя граница облачной вершины снижается на 1,2 км, уменьшая общую вертикальную мощность кучево-дождевой системы. Суммарные приземные накопленные осадки уменьшаются на 18,3%.
Полученные количественные закономерности и выявленные аналитические зависимости имеют практическое значение для прогнозирования конвективных осадков при мезомасштабном иссушении атмосферы, для планирования операций по активному воздействию на облака, а также для верификации параметризаций конвекции в глобальных климатических моделях в части описания чувствительности к профилям влажности в тропосфере.