6.3. Радіолокаційні критерії грозонебезпечності

купчасто-дощових хмар

Купчасто-дощові хмари складаються з одного чи декількох осередків і характеризуються різко вираженими вертикальними швидкостями та інтенсивним електричним полем. В еволюції осередків розрізняють три стадії.

В першій стадії (стадії зародження), тривалість якої від моменту радіолокаційного виявлення хмари триває 10-15 хв, у всьому осередку переважають висхідні повітряні потоки. У другій стадії (стадії зрілості), яка триває від 15 до 30 хв, з хмари випадає велика частина опадів. Ця стадія характеризується наявністю в хмарі висхідних і низхідних повітряних потоків, випаданням опадів нижче основи хмари і грозовою активністю. Третя стадія характеризується слабкими низхідними рухами, зменшенням опадів, електричної активності і триває приблизно 30 хв.

Часова мінливість купчасто-дощових хмар визначається зміною таких радіолокаційних характеристик: максимальної висоти радіолуни , максимальної відбиваності , товщини шару з відбиваністю мм ⁶/м ³, товщини шару з відбиваністю мм ⁶/м ³, висоти активного шару радіолуни , внесок якого в сумарну відбиваність хмари складає 90 %. Використання наведених даних дозволяє визначати стадії еволюції купчасто-дощових хмар в процесі проведення оперативних радіолокаційних спостережень.

Експериментально встановлено, що тривалість радіолуни внутрішньомасової купчасто-дощової хмари складає 1-2,5 год, а фронтальних купчасто-дощових хмар – 3-6 год.

Типове зображення радіолуни внутрішньомасових і фронтальних купчасто-дощових хмар на індикаторі кругового огляду наведено на рис.6.6, а, а на рис.6.6, б показана вертикальна структура купчасто-дощової хмари при її спостереженні на індикаторі типу ІДВ. Порівняльно прямі літакові і радіолокаційні спостереження за еволюцією купчасто-дощових могутніх і купчастих хмар показали, що спостерігаються синхронні зміни верхньої межі радіолуни і дійсної верхньої межі хмари. При цьому в момент виникнення радіолуни верхня її межа розташовується значно нижче дійсної верхньої межі хмари, а в міру розвитку хмари підвищується і може досягати дійсної верхньої межі хмари.

Відмічено, що в процесі розвитку купчастої могутньої або купчасто-дощової хмари швидкість підйому верхньої межі хмари радіолуни більше швидкості росту дійсної вершини хмари. Характерною особливістю радіолуни купчасто-дощових хмар є їхня велика вертикальна протяжність, яка досягає в помірних широтах 14-15 км, а в тропічних 17-18 км. Горизонтальні розміри радіолуни окремих купчасто-дощових хмар, як правило, менше вертикальних, при цьому максимальний горизонтальний розмір приблизно дорівнює вертикальному розміру. Купчасто-дощові хмари атмосферних фронтів можуть мати горизонтальні розміри, які досягають в ряді випадків сотень кілометрів.

Розвиток радіолуни конвективної хмари характеризується спочатку різким зростанням одного осередку, а потім виникненням нових сусідніх. Останні швидко зростають до розмірів осередків, які внаслідок зливаються в одну велику область.

В процесі розвитку конвективної хмари її радіолуна сильно флуктуює з постійною часу, яка дорівнює приблизно декільком десяткам секунд. Середній час існування локальних конвективних осередків радіолуни в 10-сантиметровому діапазоні хвиль приблизно 20 хв, а максимальний – приблизно до 1 години. Середній час розвитку радіолуни до максимального діаметра порядку 20 хв, а до максимальної висоти - порядку 10 хв.

а

б

Рис.6.6 Зображення радіолуни внутрішньомасових купчасто-дощових хмар на індикаторах РЛС: а - на ІКО, б – на ІДВ.

Виникнення радіолуни від купчасто-дощових хмар відбувається на висотах 1,5-3,5 км як при від’ємній, так і при додатній температурі повітря у цьому шарі. Відмічено, що радіолуна, яка зародилася при від’ємній температурі повітря у відповідному шарі, досягає більшої вертикальної протяжності. Найбільші значення площ радіолуни спостерігаються в шарі від 2 до 3 км.

Особливо важливе значення має інформація про грозову активність купчасто-дощових хмар. При проведенні радіолокаційних спостережень цих хмар для розпізнавання грозових осередків використовуються побічні ознаки, основані на різних залежностях, установлених для окремих фізико-географічних умов і конкретних РЛС шляхом статистичної обробки даних. Радіолуна грозових хмар характеризується великою вертикальною протяжністю і високим значенням потужності, що може бути критерієм поділу грозових і зливових осередків. Для районів України, за даними В. М. Мучника, найбільш часто висота верхньої межі радіолуни грозових хмар лежить в інтервалі 6 - 9 км. Окремі радіолуни грозових осередків досягали висот 14 км, проникаючи навіть в нижню стратосферу.

Іншим побічним регіональним критерієм поділу злив і гроз є критерій М. Ф. Котова, оснований на зв’язку між положенням радіолуни та ізотерми С. Статистична обробка великої кількості спільних радіозондових і радіолокаційних даних спостережень показала, що у 90 % випадків зливові осередки досягають висоти ізотерми С, а грозові перевищують її. Наведені особливості купчасто-дощових хмар спостерігаються в радіусі 40 - 50 км від РЛС.

Як критерій поділу зливових і грозових осередків може бути використане відношення висоти радіолуни до висоти нульової ізотерми. Так, за даними Є. М. Сальмана, середнє значення цього відношення для помірних широт влітку для грозових хмар дорівнює 0,9; а для зливових осередків – 0,2.

Однією з істотних особливостей грозових осередків є високий рівень їх радіолокаційної відбиваності. Так, за даними Є. М. Сальмана, при мм ⁶/м ³ в помірних широтах спостерігаються тільки грозові осередки. Для України нижнім граничним значенням радіолокаційної відбиваності грозових хмар є мм ⁶/м ³.

Для поділу грозових і зливових осередків можна використовувати також різницю в ході відбиваності по висоті в грозових і зливових осередках, установлену Є. М. Сальманом. Закон зміни радіолокаційної відбиваності з висотою для зливових і грозових осередків визначається співвідношенням

, (6.1)

де - максимальне значення радіолокаційної відбиваності;

- коефіцієнт (для грозових осередків 0,3, для зливових – 0,9);

- висота, відрахована від рівня , км.

Із співвідношення (6.1) випливає, що для грозових осередків характерний більш повільний хід зміни радіолокаційної відбиваності з висотою.

З метою поділу грозових і зливових осередків, розташованих на значних віддаленнях від РЛС, можна користуватися такими міркуваннями. Оскільки відбиваність та інтенсивність опадів в грозах істотно більша, ніж в зливових осередках, то дальність виявлення грозових осередків повинна бути більше дальності виявлення зливових. Так, для метеорологічних РЛС з невеликим потенціалом гранична дальність виявлення зливових осередків з інтенсивністю опадів 24 мм/год дорівнює приблизно 50 км. Тому для таких РЛС можна вважати, що всі осередки, виявлені на віддаленнях, які перевищують 50 км, є грозовими.

Для радіолокаційного визначення дощових і грозових хмар і зв’язаних з ними явищ Є. М. Сальманом введений комплексний критерій

, (6.2)

де - максимальна висота радіолуни, км;

- значення радіолокаційної відбиваності на рівні км.

За результатами статистичної обробки 150 вимірювань радіолуни для північно-західних і центральних районів ЄТС одержані такі дані: в 80 % випадків відповідає опадам, в 20 % - зливам і відсутності гроз; в 75 % випадків відповідає зливам, в 20 % - опадам, в 5 % - грозам; в 95 % випадків відповідає грозовим осередкам, в 5 % - зливам і відсутності опадів. Визначати грози можна також по радіолокаційних сигналах, відбитим від іонізованих каналів, які створені розрядами блискавок, або за допомогою радіопеленгаторів гроз.