Конвективные вертикальные движения. Кучевообразные (конвективные) облака

Кучевообразные, или конвективные, облака имеют вид изолированных облачных масс. Эти облака сильно развиты по вертикали и имеют, как правило, небольшую (по сравнению со слоистообразными) горизонтальную протяженность. Основными процессами, приводящими к образованию кучевообразных облаков, являются термическая конвекция и турбулентный обмен.

Конвекция возникает в результате перегрева отдельных масс воздуха при неустойчивой в нижних слоях стратификации. Наи­более благоприятные условия для возникновения конвективных движений создаются над сушей в теплую половину года в обла­стях пониженного давления. Под влиянием притока прямой сол­нечной радиации вблизи земной поверхности возникает неустой­чивая стратификация. Отдельные перегретые массы воздуха при таких условиях начинают ускоренно перемещаться по вертикали вверх. Сначала подъем такой массы ненасыщенного воздуха про­исходит практически по сухой адиабате АА' (рис. 17.1). На уровне конденсации Zк. воздух достигает состояния насыщения (f=100%). При наличии активных и достаточно крупных ядер конденсации состояние насыщения достигается несколько ниже уровня Zк. Выше уровня конденсации воздух поднимается по влажной адиабате. Благодаря понижению температуры происхо­дит конденсация водяного пара и образование облачности.

Представляют интерес следующие уровни, связанные с развитием конвективного облака:

Рис. 17.1. Схема кучево-дождевого облака.

1 — кривая стратификации, 2 — кривая состояния.

а) уровень конденсации Zк, практически совпадающий с ниж­ней границей облака;

б) уровень нулевой изотермы Zo, отделяющей переохлажден­ную (верхнюю) часть облака от непереохлажденной (нижней);

в) уровень свободной конвекции Zконв, практически совпадаю­щей с верхней границей облака.

1.2. Уровень свободной конвекции. Это уровень, до которого распространяются восходящие вертикальные движения (струи), порождаемые энергией неустойчивости. Он располагается не­сколько выше уровня, где температура поднимающейся частицы (струи) выравнивается с температурой окружающего воздуха (точка Е на рис. 17.1). Объясняется это тем, что до уровня выравнивания поднимающаяся частица на любой высоте имеет более высокую температуру, чем окружающий воздух, и движется вверх ускоренно (с нарастающей скоростью). Вблизи уровня выравни­вания скорость частицы (струи) близка к максимальной. Выше этого уровня температура частицы становится ниже температуры среды, вертикальная скорость начинает уменьшаться, но частица по инерции продолжает подниматься вверх до уровня свободной конвекции, где скорость ее обращается в нуль. Наблюдения по­казывают, что вершины кучевых облаков при их росте испыты­вают колебательные (пульсационные) движения с периодом 10— 11 мин. На эту основную волну накладываются колебания с пе­риодом около 1 мин.

Скорость конвективных движений.

Существует несколько точек зрения на механизм возникновения и характер конвектив­ных движений в атмосфере. Еще в 1905 г. И. И. Касаткин выска­зал мнение, что конвекция возникает или над перегретыми (по сравнению с окружением) участками земной поверхности («контактная» конвекция), или внутри воздушной массы под влиянием силы плавучести (спонтанная, или свободная, конвекция). Наиболее правильным в настоящее время следует считать пред­ставление, учитывающее ярусный характер развития конвекции, на что впервые обратили внимание П. А. Молчанов и Е. С. Селезенева. А. А. Скворцов исследовал это явление в пустынях Средней Азии. Первоначально в ранние утренние часы (летом) происходит перенос водяного пара и тепла в пределах примерно приземного слоя атмосферы (до высоты 50—100 м). Этот перенос осущест­вляется через мелкомасштабный турбулентный обмен.

Турбулент­ные частицы (вихри) на каждой высоте имеют размеры примерно равные 0,4г, т. е. с увеличением высоты они возрастают. На верх­ней границе приземного слоя образуются вихри (струи) более крупного масштаба, которые переносят тепло и влагу примерно до уровня конденсации. И лишь вблизи последнего формируются частицы (струи), сравнимые по размерам с облаками.

Некоторые исследователи (А. Коханский, Дж. Малкус и др.) придерживаются мнения, которое было высказано еще И. И. Ка­саткиным: над неоднородной земной поверхностью образуются непрерывные восходящие токи в виде «труб». Под влиянием ветра трубы наклоняются или изгибаются, и там, где они достигают уровня конденсации, образуется облако.

Вертикальные движения внутри облака имеют характер от­дельных струй — восходящие течения чередуются в горизонталь­ном направлении с нисходящими. Скорость вертикальных потоков в конвективных облаках изменяется в широких пределах: от до­лей до 30—40 м/с (в кучево-дождевых облаках).