Комплексное исследование турбулентности в облаках и безоблачной атмосфере

Атмосферная турбулентность — фактор, определяющий образование и развитие облаков различных форм. Знание ее характеристик необходимо для моделирования этих процессов. Информации об атмосферной турбулентности на высотах в большинстве случаев представлена самолетными измерениями в условных градациях и по радиолокационным данным — в вероятностных характеристиках, что недостаточно для решения задач физики облаков. Комплексный способ с использованием спутниковой информации обеспечивает хорошую интерпретацию данных. Предварительные исследования показали, что облака деформируют поля основных метеорологических элементов не только внутри облаков, но и в окружающем пространстве. Параметром распределения турбулентности выбрана форма облачности по генетической классификации, из-за ее связи с термодинамическими характеристиками и микрофизикой. Использовались спутниковые, радиолокационные и аэрологические данные за 1996-2000 и 2005-2012 гг. Критерием для разделения спокойных и турбулентных зон использовались среднеквадратические пульсации горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра. Методика эффективна для исследования пространственной структуры турбулентности в облачной атмосфере.
Турбулентные зоны в облаках и безоблачном пространстве. Протяженность турбулентных и спокойных зон исследуется по средним значениям и эмпирическим функциям распределения. Турбулентные зоны в облаках оказались более протяженными, чем над и под облаками. В 90% случаев абсолютная протяженность турбулентных зон в безоблачном пространстве, над и под облаками не превышала 22-27 км, а в облаках — 25-40 км.
Интенсивность турбулентности. Линейные размеры турбулентных зон зависят от порогового значения. В слоистообразных облаках турбулентные зоны занимают от 20 до 50 % облачного объема, в волнистообразных — более 70% объема облака.
Турбулизированность атмосферы. В турбулентной среде распределения пульсаций компонент скорости ветра и пульсаций температуры определяются среднеквадратическим значением пульсаций, а степень турбулизированности облачной атмосферы — протяженностью возмущенных и спокойных слоев. Средние значения дисперсий пульсаций и размеров турбулентных зон характеризуют структуру турбулентности в облачной атмосфере. Значение дисперсий пульсаций для турбулентной зоны определяется шириной турбулентного участка.
Спектры пульсаций ветра. Важными характеристиками турбулентности являются спектральные плотности пульсаций скорости ветра, которые позволяют оценить распределение дисперсий и кинетической энергии пульсаций по волновым числам.
В модели исследуются средние значения, функции распределения, сглаживающие функции пульсаций компонент скорости ветра, среднеквадратические значения пульсаций горизонтальной и вертикальной скорости ветра, ширина турбулентных, спокойных зон, перемежаемость турбулентности, спектральные плотности пульсаций скорости ветра, коэффициент турбулентности. Материалы исследования могут использоваться в разработке численных моделей образования облачности. Работа подготовлена при финансовой поддержке гранта РФФИ Р-УРАЛ № 14-05-96002