МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1992 N1 8 УДК 551.576.1:551.506.5 Экспериментальные исследования фазодисперсного строения облаков слоистых форм при отрицательных температурах А. Н. Невзоров, В. Ф. Шугаев Излаганпся методика и результаты исследований, выполненных с помощью комплекса самолетной облачной аппаратуры ЦАО. Обнаружено, что жидкая фаза присутствует практически во всем объеме льдосодерткаи^ облаков слоистых форм с температурами, по крайней мере, до ~53'С и заключена большей частью в каплях размером свыше 30 мкм. Ее водность по величине сравнима с ледяной, а соотношение между ними варьирует в максимально широких пределах. В целом облака отрицательных температур существенно различаются не только наличием, но и дисперсностью обеих фазовых составляющих. Приводятся определение основных характеристик и статистически устойчивых типов фазодисперсных структур, включающих три смешанных типа, и температурная диаграмма их повторяемости. Однофазные структуры наблюдаются скорее как исключение и в основном на краях температурного интервала 0...-55°С. Полученные результаты открыты для обсуждения. Введение. Известно [6], что в земной атмосфере преобладают облака с отрицательными температурами, состоящие из жидких и ледяных ча­ стиц. Значительная роль этих облаков в трансформации и взаимодействии целого ряда атмосферных процессов привлекает разностороннее внимание к их микрофизическому строению. Представления об этом еще далеки от определенности [6], в чем сильнее всего убеждает непрекращающийся процесс их радикального уточнения со стороны натурного эксперимента. Офбенно важно, что по мере углубления эмпирических данных они все » сильнее расходятся с классическими, физическими ясными концептуаль­ ными установками Вегенера, Бержерона и Финдайзена. Предложенные объяснения отдельных противоречий также не получают эксперименталь­ ного подтверждения. Обратимся к фактам. По всей видимости, сегодня еще сохраняется длительная тенденция возрастания экспериментальных оценок концент­ рации облачных ледяных кристаллов с повышением чувствительности их идентификации [2, 4, 11, 14—18]. При этом на порядки увеличивается давно установленное превышение концентрации кристаллов над выявлен­ ными природными льдообразующими ядрами (ЛЯ) [15, 17—19]. В порядке объяснения подобного различия в литературе последних десятилетий ак­ тивно обсуждаются (на уровне гипотез) различные механизмы замерзания капель и вторичного льдообразования [15, 17, 19]. Вместе с тем получены новые экспериментальные результаты [И], фактически отрицающие до­ минирующую роль любого из ранее предложенных льдообразующих ме­ ханизмов и указывающие на иную, чем предполагалось, природу дейст­ вующих атмосферных ЛЯ. С этим выводом согласуются недавние иссле­ дования реактивационных свойств природных облачных ядер [20, 21]. Нет сомнения в том, что в решении проблемы льдообразования в облаках назрело новое и перспективное направление. 52 МЕТЕОРОЛОГИЯ и ГИДРОЛОГИЯ 1992 № в В работе [И] содержится экспериментальное объяснение феномена длительной жизнеспособности переохлажденных облаков, не совместимой с общей концепцией ЛЯ. Остается неразрешенной целая гамма вопросов, связанных с наблю­ дениями жидкой фазы в льдосодержащих облаках (ЛСО). С общепринятой точки зрения на коллоидально-фазовую неустойчивость смешанных об­ лаков удивляет их высокая повторяемость (и соответственно большое время жизни), определенная примитивными средствами 1950-х годов [6]. Выдвинутая версия регенерации жидкой фазы в восходящих движениях сопровождается теоретической расчетной моделью [6], которая на 2—3 порядка не согласуется с реальными характеристиками облаков слоистых форм, также отображенными в [б]. Аналогично нуждаются в экспери­ ментальном уточнении и возможном объяснении далеко не единичные факты обнаружения жидкой фазы в кристаллических, по общим пред­ ставлениям, облаках, в том числе при температурах ниже -40°С [13, 19], а также свидетельства присутствия в ЛСО крупных (до сотни мкм) капель, приносимые многочисленными импакторными пробами и явлением обзернения кристаллов [1, 12, 18]. Становится очевидным, что современная физика ЛСО испытывает по­ требность не просто в эмпирическом, но прежде всего в концептуальном развитии, единственной пока основой для которого может служить глу­ бокий разносторонний и обязательно беспристрастный натурный экспе­ римент. Настоящая работа продолжает цикл экспериментальных исследований по микрофизике облаков отрицательных температур, выполненных в [4, 7, И, 16] с помощью аппаратуры самолетного облачного микрофизиче­ ского комплекса (СОМК) ЦАО [10]. По направлению и результатам она вплотную смыкается с [11]. Но если в [11] рассматривалась "латентная" ледяная фаза в переохлажденных облаках, то здесь основное внимание уделяется наблюдениям жидкой фазы в ЛСО (смешанных и кристалли­ ческих) в обычном представлении. Результаты обеих работ объединяются в классификации и статистике повторяемости облачных' фазодисперсных структур. Инструментально-методические средства исследований. Перечень и основные технические характеристики приборов СОМК приведены в табл. 1. Поскольку методические аспекты их использования в данном исследовании имеют специфические особенности по сравнению с [10,11], мы вынуждены вновь на них остановиться. Фотоэлектрический поляризационный нефелометр АФСО [5] предназ­ начен для спектрометрии жидких и ледяных частиц одновременно с иден­ тификацией ледяной фазы. Прибор содержит коллимированный источник я-поляризованного света и приемники 5- и р-поляризованного импульсного излучения, рассеянного индивидуальными частицами под 90°. В отличие от [5] регистрация частиц в обоих приемниках производится независимо. С 5-приемником соединен 5-канальный импульсный амплитудный ана­ лизатор (ИАА). Пороги ИАА экспериментально настроены на заданные диаметры а?, капель воды [5], указанные в табл. 2. Соответствующие им средние пороговые значения эффективного диаметра сечения кристал­ лов а, (т. е. диаметра круга, равновеликого с осредненным по всем ориентациям сечением) получены в [4] расчетным путем безотносительно 53 МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 19П 1« с Табли Состав и основные технические Ихыеряемая величина Наименование 1фибора Анализатор фазы / спектрометр облачных Дшметр кшюль, ё частиц АФСО ЭффектившУ! диаметр кристаллов, а Концеитращм частиц, Расшпнавание кртастпяов с в Измеритель спектра разжров крупных ча­ Диаметр часпщ, 4, а Концентрация, АГ стиц ИРЧ Коэффициент (фюпускаиия Показатель ослабоения, у Регистратор прозрачности облаков РП-73 пр (на базе I - 16 м) Приборная <б^ к<фрекции) водаость ка­ Измеритель полной водности о6лак(я пельного обялхл, Щ иво-п То же, Гг Измеритель жидкокапельнои водности об­ лаков ИВО-ЖДиапазоны и погрешности измерений у Ж , ВК, указаны без учета вли Примечание. приборных показаний. К 4юрме кристаллов. Каждый г-й канал ИАА непрерывно регистрирует суммарную концентрацию ^, = N,1 + , (1) где N^1 = М^(а>а), М^, = М^(11><1^ — часточиая концентрация соответственно кристаллов и капель. Пороги счетчика р-приемника (табл. 2) оценены в натурных наблюдениях на основании иеизменщи пока­ заний N3 < < N4 в моросящих теплых облаках и ЛГ, <Л', < N2 в кри­ сталлических облаках. По данным табл. 2 легко выводится достаточный признак прдсзггствия в облаке кристаллов = ЛГ^ - ^ з > 0 , (2) ибо величина Л'* не превосходит концентрацию кристаллов с размерами от -25 до -50 мкм. В принципе она является приборной минимальной оценкой концентрации собственно кристаллов. Результат измерения интегрального распределения частиц в шкале раз­ меров кристаллов (т. е. при вольном или невольном игнорировании ка­ пель), очевидно, имеет вид ^М(а) = ЛГ,(а) + Л^Л1в), а плотность распределения — где п„ (а), л, (сГ) — плотности распределения соответственно кристаллов и капель, | = — отношение масштабов размерных шкал АФСО для капель и кристаллов. Согласно табл. 2 | = 1,5. Фотоэлектрический спектрометр "сверхкрупных" частиц ИРЧ (табл. 1) основан на теневом щелевом методе [&], имеет общую размерную 54 метеогалогия и гмдрология 1992 № » ца 1 характериспки аппаратуры СОМК ЦАО Максимальная приборная Приемная площадь, постоян­ Диапазон измерений погрешность, % ная времени 5 0,16 см' 30—180 мкм 0.5 с 20—120 мкм 20 (аналоговый выход) 10—Ю"* от 25 до 50 мкм 7 см' 9 0.2-6 мм 1С 0- 310*м~^ (аналоговый выход) 1 -1200 см' 0-1 20 0.25 С 24—200 кж"' 50 1— 250 КМ-' 15 0,45 см' 3—2000 мг м'^ 0,25 с 0,22 сл* 15 3—4000 мг м'^ 0,25 С яния микрофизических факторов (дисперсности облака и др.), требующих коррекции шкалу для всех частиц и в случае кристаллов измеряет спектр их раз­ меров, близких к эффективным диаметрам а [4]. По показаниям трансмиссометра РП-73 [3] через закон Бугера опре­ деляется приборное, т. е. подверженное специфическим инструментальным искажениям, значение показателя ослабления видимого оптического из­ лучения в облачной среде: о ^ о ^ (4) Здесь используется вышеприведенное определение кристаллического раз­ мера а, фактор Э(|)фективности рассеяния для всех облачных частиц принят равным 2 [3], ^ (я) к — функции искажений РП. Согласно выполненному в [3] расчету, для РП 0,5 <5(ЙО < 1 при л? < 80 мкм и 5(й?) « 0,5 при <^ > 80 мкм. В рамках расчетных приближений можно считать 5, (а) = ^(а). Сопоставление значений у„р, измеренных непос­ редственно и рассчитанных по показаниям АФСО и ИРЧ, позволяет значительно дополнить инструментальную информацию о микроструктуре ЛСО [10]. Входящие в состав СОМК измерители полной и жидкокапельной вод­ ности облаков ИВО-П и ИВО-Ж полностью идентичны по испарительио-калориметрическому принципу действия [9] и различаются конфигу­ рацией коллекторов-испарителей поточных датчиков [11]. Фазовая се­ лективность обусловлена различием механизмов испарения частиц, инер­ ционно осаждающихся на горячие коллекторы. Ледяные кристаллы удер­ живаются до полного испарения в полости углубленного коллектора ИВОП1 но мгновенно уносятся потоком с обтекаемого (хщлиндрического) кол­ лектора ИВО-Ж, в то время как капли испытывают эффективный де- 55 МЕТЕОРОЛОГИЯ и ГИДРОЛОГИЯ 1992 № « Таблица 2 Пороговые диаметры капель в эффективные диаметры сечевня ц)исталлов в счетных каналах АФСО Измеряемая величина Капли, а, мкм Кристаллы, в, мкм Канал 1-приемника (ИАА) 1 30 20 2 50 33 3 80 53 4 120 80 5 180 120 Канал р-приемника Р -100 25...30 формационно-пленочный механизм исшарения на коллекторе любой фор­ мы. Оба прибора отградуированы по отношению к жидкой фазе [9]. Обоз­ начим приборное показание ИВО-П через Щ, а ИВО-Ж через Жг. Оче­ видно, что «'..г = + «5,.И',, (5) где И'ж, — содержание соответственно воды и льда; т] = 1,12 — коэффициент, учитывающий различие теплоты их па­ рообразования; е,6 — факторы эффективности (улавливания и ис­ парения) коллекторов. В данном исследовании принципиально на­ иболее важным оказывается вопрос об остаточном влиянии ледяной фазы на показание ИВО-Ж Щ, т. е. о величине й,. Для выяснения этого вопроса мы не располагаем иными средствами, кроме тща­ тельного анализа совместных натурных данных СОМК, поэтому вернемся к нему несколько ниже. Заметим только, что в работе [11] выявлено и использовано существенное различие в чувствительности ИВО-П и ИВО-Ж к мелкодисперсной (а < 20 мкм) ледяной фракции. Видимо, не менее четкого выпол­ нения <52 «1 следует ожидать в "обычных" ЛСО, где подавляющий вклад в вносят кристаллы с размерами в десятки и сотни микрометров [4]. Учитывая (см. ниже), что в ЛСО величина также обусловлена в основном достаточно крупными каплями, откуда е, » « 1, получим и^,«^(и^2 - Щ; ж. « - 1К„ (7) где принятое 62 «I, вообще говоря, требует уточнения. Экспериментальный материал. СОМК в описанном составе был исполь­ зован в летных исследованиях, проведенных на самолетах-метеолабораториях ЦАО Ил-18Д в европейской части России (октябрь — ноябрь 1987 г.), Средней Азии (март 1988 г.) и Болгарии (март — апрель 19^9 г.). Общая протя­ женность пересечения исследованных облаков отрицательных температур с преобладанием ЛСО слоистых форм составила свыше 20 ООО км более чем за 50 дней наблюдений. Исследованиями охвачены облака всех ярусов до высот 10 км при температурах до -55°С. Полученные данные под­ вергнуты как выборочной детальной обработке, так и классификацион­ но-статистическому анализу с использованием первичных визуальных за56 МЕтеогояопп и г и д г о я о а и 19п М 1 л : V 75 ^ гост Рис. 1. Примеры облачных реализаций по табл. 3. В примере г данные ИРЧ отсутстяуют, ётз > 30 мкм на всем участке. У)й4с. 2 ) И 4 . ^)упр, <) У РКЧ. писей, содержащих достаточную информацию о фазовом строении облаков и пространственном распределении их характеристик. Результаты, отно­ сящиеся к разным регаонам и сезонам, аналогачны в основных выводах, поэтому их широкое обобщение представляется вполне правомерным. 57 ж т е о и ш ш ш и ГИДРОЛОГИЯ м п м « п(а} м'^//Омнм а МММ Рис 2. Спектры размеров частиц в сечениях реализаций рис. 1, обозначенных цифрами. Общие результаты. Льдосодержащие облака и облачные зоны опреде­ лялись с помощью объективного критерия (2), т. е. по признаку наличия достаточно мелких (25—50 мкм) кристаллов. На рис. 1 представлены результаты обработки совместных данных СОМК в ряде характерных ситуаций, общее описание которых дается в табл. 3. Воспроизведен пространственный ход следующих микрофизических харак­ теристик ЛСО: составляющих водности к и по (6); значений показателя ослабления у„р, непосредственно измеренного с помощью РП, и Ур.сч» рассчитанного по (4) в предположении отсутствия капель в показаниях АФСО; характерного размера капель <см. ниже); концентраций частиц Я| по АФСО и М^со по ИРЧ. Во избежание динамических погрешностей первичные синхронные данные сняты в обычно совпадающих плавных экс­ тремумах и на "площадках" записей. На рис. 2 показаны типичные ло­ кальные спектры размеров частиц п(а), построенные по данным АФСО и ИРЧ в ситуациях по табл. 3. Представленные примеры не претендуют на охват полноты и разнообразия всех данных, полученных в ЛСО, и могут служить лишь частной иллюстрацией к нижеследующему обобща­ ющему описанию. По соображениям, которые будут ясны в дальнейшем, мы не будем разделять ЛСО на смешанные и кристаллические буквально, но восполь­ зуемся этими терминами (заключив их в кавычки) для отображения при необходимости ныне существующих представлений. Таблица 3 Общая характеристика ситуаций, представленных на рис 1 Рисунок 1а 16 1в и 58 Район работ Болгария Узбекистан Узбекистан Узбекистан Дата время 13.04.1989 г. 21.03.1988 г.г. 13.03.1988 21.03.1988 г. 12 ч. 34 мин 10 ч. 14 мин 9 ч. 45 мин 13 ч. 13 мин Тем­ Высота полета, м пература, 'С 3950 5000 7800 9650 -7 -17 -44 -52 Тип облака Ас Аз пеЬ а С8 МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1992 № 8 Во всех "смешанных" и "кристаллических" ЛСО в температурном ин­ тервале от О до -55°С спектры размеров частиц п(а), измеренные спек­ трометрами АФСО и ИРЧ, имели в основном однотипный вид, описанный в [4]. Они обладали модой (иногда двумя) в области размеров в десятки микрометров и плавным экспоненциальным крылом, простираюохимся до сотен и тысяч микрометров (рис. 2). Редкие случаи, где кристаллы имели размеры до 200 мкм, рассмотрены в [11]. В [2, 4, 16] установлено, что с ростом температуры в среднем возрастают полная водность Ж,, кон­ центрация крупных кристаллов по данным ИРЧ и их максимальные раз­ меры, в то время как с^щая концентрация и модальный размер не претерпевают заметных изменений. Выборочный анализ имеющихся дан­ ных предварительно распространяет те ^е закономерности на область более высоких температур (-20...0°С) и в том числе на "смешанные" облака. Важно отметить, что мелкодисперсная "околомодальная" фракция ча­ стиц с высокой концентрацией (до 10'...10^ л"') неизменно наблюдается на всех уровнях облачного пространства в пределах визуальных границ ЛСО, отличая его от выпадающих осадков, а также свидетельствуя об однородности первичных процессов формирования микроструктуры во всей толще облака. Разделение данных по высоте в облаках слоистых форм пока не дало ощутимого результата. Особого внимания заслуживают результаты измерений в ЛСО, выпол­ ненные высокочувствительным измерителем жидкокапельнои водности ИВО-Ж (табл. 1). Дело в том, что уверенные показания й^г > О реги­ стрировались не только в тех ЛСО, смешанный состав которых удосто­ верялся известными дополнительными признаками (большая оптическая плотность, обледенение самолета и др.). Они отмечались практически во всех облаках, по всем соображениям и признакам относимых к чисто ледяным, в частности в облаках верхнего яруса. Более того, не составили исключения облака с температурами ниже -40...-42°С (вплоть до -55°С), как известно, не признаваемые для возможности существований в них переохлажденной жидкой воды. В подавляющем объеме "кристаллических" облаков измеренные значения существенно превысили порог чувст­ вительности ИВО-Ж (3 мг м'Ъ и нередко достигали и даже превосходили Ж^, по (6). Примеры рис. 1, где Жа заранее отождествляется с Ж„ далеко не исключительны. Общность описанного результата, не вписывающегося в рамки обычных представлений, ставит юпрос о достоверности идентификации и измерения содержания жидкой фазы в ЛСО с помощью ИВО-Ж, равно как измерителей юдности Джонсона — Вильямса и Кинга [14] с аналогичными обтекаемыми коллекторами. Поскольку показание Жг > О всеща совмешдлось с другими приборными признаками облака, обязательно включая Ж, > О, единственным искажающим фактором может служить, как отмечалось выше, воздействие ледяной фазы на теплоотдачу датчика ИВО-Ж, учитываемое коэффици­ ентом &г в (5), (7). Если на время допустить, что в "кристаллических" облаках в дейст­ вительности Жж = О, то из (5) следует дг = Жг/Ж,. Экспериментально полученные значения Жг/Ж, в таких облаках меняются в исключительно широких пределах как в целом, так и на ограниченных облачных уча59 •КТЮРОЛОГШ! И ГНПРОЯОГИЯ 1 т № • стках, охватывая в о&цем случае практически весь даапазсш от О до 1 (это хорсшю В1ЩВО на рис 1, если в рамках указанного допущевия замеяшъ Жг/Ж, на ^Лу/^ + Ж,); шхяеднее огаюш^е достигает 0,5—0,9 в слу<шях с Г < -40°С>. Столь существенное в измшчнвое влияние аеяяихА фазы на показания ИВО-Ж не поддается разумввок физич»жим объяс­ нениям. Тщательный анализ совместных данных СОМК также не под­ тверждает высказанной версии, а, напротив, обнаруживает свидетельства обратного. К примеру, в ЛСО в твердых осадках основной вклад в дают кристаллы одного порядка размеров и концентраций; однако в отличие от облака водность осадков регастрирует только ИВО-П и запись Ж, носит резко импульсный характер, соответствуюпщй низкой концштрации основных носителей водности. Таким образом, приходим к однозначному заключению о наличии в ЛСО жидкой воды, преимущественно воздействующей на ИВО-Ж при достаточно малых б^. Массовые экспериментальные данные предлагают простейший способ оценки величины Ь^, в виде абсолютного минимума локального отношения Поскольку в наблюдениях вовсе не исключались ситуации с ну­ левыми показаниями ИВО-Ж при Ж, > О, в них вместо У/^ использовалось практическое значение порога чувствительности Жо » 3 л«г дс~^. Получен­ ная таким путем и в самых различных ситуациях оценка ^2 я 0,02...0,03 служит максимальной. Учитывая крайне редкую повто­ ряемость величин отношений У^г1У/^ и Жо/Ж, подобного порядка в на­ турных данных, мы сочли методически обоснованным принять Й2 = О и Жж = Ж2, поскольку остающаяся неопределенность 6г оказывает го­ раздо меньшее влияние на получаемые результаты, чем абсолютная по­ грешность измерений, определяющая порог чувствительности. Примеры рис. 1 дают наглядное представление о том, что жидкокапельная составляющая водности ЛСО в общем случае сравнима с ледяной. Ее величина Ж^, по нашим данным, составляет в среднем 44% полной водности Ж, + Жл смешанных облаков, обладающих совместными при­ знаками 1^ >0, Ж2 > 0. При этом в "кристаллических" облаках (см. ниже) ее средний вклад оценивается в 35—40%. Это обстоятельство не­ обходимо учитывать при интерпретации опубликованных в [4, б, 16] данных о водности облаков верхнего яруса. Дисперсность жидкой фазы в ЛСО. Средства СОМК позволяют пол­ учить представление о размерах жидких капель в ЛСО методом "интег­ ральных параметров" [3], в основе которого лежит соотношение 23 (8) Здесь = й^/йг — смешанный момент, 4^ — р-й момент распределения капель, р, — плотность воды. В случае гамма-распределения величина й-а совпадает с объемно-мо­ дальным диаметром капель . Из (4) следует, что 60 Уж<Ь, МЕТЕОРОЛОГИЯ.и ГИДРОЛОГИЯ 1992 № 8 где у„р — результат прямого измерения прибором РП, откуда Экспериментальный разброс локальных значений В в ЛСО при любых температурах достаточно велик — в пределах единиц и десятков мик­ рометров — и отображает как сильную изменчивость капельного спектра, так и наличие в нем в общем случае соответственно крупных капель. Последнее вполне определенно согласуется с общей картиной обзернения облачных кристаллов (1, 12, 18]. Как видно из (8), большие размеры капель (как и кристаллов) обусловливают относительно высокую про­ зрачность "кристаллических" облаков [3, 6, 7]. Существование в ЛСО крупных капель, влияющих на показание АФСО п(а) в соответствии с (3), заставляет несколько пересмотреть возможности расчетной оценки величин у, и с^гз» предложенной в [10]. Обозначив через Ур.е, результат расчета величины у„р по приборному спектру л (а) и сравнив его с (4), приходим к неравенству Упрж ^ ДУ = Упр - Урасч. (9) При близких между собой у„р и Ур.сц их разность Д у может становиться меньше результирующей абсолютной погрешности определения обеих ве­ личин. Поэтому оценка по (9) приобретает значимость только при убе­ дительном выполнении А у > ураеч, обращаясь в приближение у„рж=»Ду при А у » Урасч- в последнем случае с/» определяется по (8) с учетом Упрж««(^2з)У«. Результаты _> 30 мкм и Д у » О при Ж, > О с полной очевидностью означают, что основной вклад в параметры у, и тем бюлее Ж, вносят крупные капли с (I > 30 мкм. В реализациях, представленных на рис. 1, показан ход величин у„р и Урасч. а также оцененного характерного размера капель в случаях й?2з < 30 мкм. Примеры дают наглядное представление об изменчивости спектров размеров капель в ЛСО и наличии в них крупяокапельных Зон различной протяженности вплоть до целиком крупнокапельных об­ лаков (рис. 1г). В настоящее время наиболее определенное представление о правом крыле спектра капель в ЛСО дает более или менее изученная картина обзернения кристаллов. Судя по имеющимся данным [1, 18], спектр капель содержит моду в области 3 0 — м к м , а максимальные раз­ меры капель чаще всего не достигают 100 мкм, хотя, бывает, доходят до 200 мкм. Типы и, повторяемость фазодисперсных структур- Рез>дататы» ваа°> ученные в [И], и в настоящей работе, приводят к единс^у выводу о том,- что большинство облаков отрицательных температур имеет смешан­ ный фазовый состав. В их числе оказывается значительная часть облаков, обычно считающихся чисто капельными и чисто ледяными. Различие в микроструктуре смешанных облаков супхествшно а пртнципиально, так как явно отображает неоднозначность формирующих ее процессов на разных стадиях эволюции облака [11] или в зависгавэрги от иных условий. 61 МЕТЕ01Ч>Л0ГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1992 № 8 Табли Классификационные инструментяьиые признаки.н фазодисперсный Инструменталы1ые признаки Ледяной фазы (* ) Жидкой фазы (О) Дисперсность Дисперсность Наличие Наличие (^23 а2з>зо Отсутствуют Отсутствуют < 30 мкм мкм >0 > 200 мкм Примечание. Величина .Е определена в [И]. Критерий Ош,, < а, следует из лЛ- О, Выше и в [11] рассмотрены приборные критерии для распознавания фазового состояния облаков и оценки дисперсности фазовых компонентов. В итоговой табл. 4 представлены сочетания признаков, позволяющие не только различить жидкокапельные (Ж), смешанные (С) и ледяные (Л) облака и облачные зоны, но и выделить три наиболее характерные в физическом отношении разновидности смешанных структур. Это струк­ тура С1 с устойчиво мелкодисперсной ("латентной") ледяной фракцией [11], "нормальная" смешанная (по существующим представлениям) С2 и крупнокапельная СЗ. В табл. 4 указаны области размеров капель и кристаллов, вносящих по крайней мере преобладающий вклад в фазовые составляющие интегральных параметров — показателя ослабления у и водности Ж. Здесь I — область размеров ниже порогов АФСО и а, по табл. 2, II — диапазон измерений АФСО до нижнего порога ИРЧ, III — диапазон измерений ИРЧ а > 200 мкм). Возникает вопрос: насколько физически оправдана привязка класси­ фикационных признаков структур к заданным приборным характеристи­ кам? Напомним, что размерный диапазон II обычно включает в себя моду распределения кристаллов в ЛСО, а также модальные и макси­ мальные размеры крупных капель согласно данным об обзернении кри­ сталлов. Поэтому представляется, что некоторые вариации границ этого диапазона мало повлияют на определение и относительную повторяемость смешанных структур С1—СЗ. В то же время достоверность идентификации однофазных структур Ж и Л ограничена пороговой чувствительностью обнаружения другой фазы, и их повторяемость в общем объеме данных ожидается в той или иной мере завышенной. Представленная на рис. 3 температурная диаграмма повторяемости ти­ пов фазодисперсных структур аналогична известной диаграмме фазового состояния облаков по А. М. Боровикову [6] и построена по данным за весенние сезоны 1988 г. (Средняя Азия) и 1989 г. (Болгария). Иденти62 МЕТЕОРОЛОГИЯ и ГИДРОЛОГИЯ МП И> Я ца 4 состав пшов облачных струпур (общий признак облака I • Интервал размеров частиц П Обозначение типа структуры Ж С1 0 0* 0 ш Щ > 0) (О)* 0* * ^3 = 0 [11]. Остальные пояснения в тексте. * * * С2 СЗ Л фикация структур производилась на облачных участках протяженностью от 1—2 до 30—50 км, однородных по фазовому составу и характеру изменчивости измеренных параметров согласно визуальным записям. Ти­ пы С2 и СЗ определялись через осреднение первичных параметров, а С1 — посредством выборочной обработки локальных данных [И]. Пол­ ученные экспериментальные зависимости сглажены. Кроме типов струк­ тур, выделенных в табл. 4, на диаграмме представлена переходная струк­ тура С12, в которой максимальные размеры кристаллов превосходят 25— 30 мкм, но не достигают 200 мкм. Незначительная относительная по­ вторяемость этой структуры связана с кратковременностью ее существо­ вания и согласно [И] доказывает лавинообразный рост кристаллов при превращениии С1 в С2 или СЗ. Обращает на себя внимание резкое преобладание в ЛСО (и во­ обще в облаках отрицательных температур) структуры СЗ, в которой основная доля жидкокапельнои водности заключена в каплях размером в десятки микрометров. "Чистые" жидкокапельные и ледяные облака даже при их заведомо завышенной по­ вторяемости встречаются ско­ рее как исключение и чаще л всего на краях исследованного СЗ \с72 интервала 0...-55°С. Заключение. На основе рас­ \ ширенных инструментальносг методических возможностей получены новые данные о фи­ -го -40 т'с зическом строении облаков сло­ истых форм при отрицательных Рис. 3. Температурная диаграмма повторяемости температурах. Общий вывод фазодисперсной структуры облаков (данные за данной работы и [11] заклю­ февраль — март 1988 г. по Средней Азии, за чается в том, что такие облака апрель 1989 г. по Болгарии). \ 63 МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1992 № « В подавляющем большинстве (или практически всегда) содержат обе скон­ денсированные фазы и существенно различаются устойчивой дисперсно­ стью последних. Полученные результаты принципиально расходятся с известными кон­ цепциями, однако в то же время подтверждают и объединяют ряд трудно объяснимых натурных наблюдений. В данной работе приведены лишь экспериментальные факты и не делается попыток их физических объяс­ нений, по всей видимости, далеко не очевидных. Нет сомнения, что определенность их интерпретации и практического использования связана с углублением дальнейших, прежде всего экспериментальных исследова­ ний. Авторы считают своим долгом выразить благодарность сотрудникам лаборатории физики облаков ЦАО, принимавшим участие в эксперимент тальном обеспечении и обработке данных, а также профессорам И. П. Мазину, А. А. Черникову и С. М. Шметеру за помощь в организации работы и заинтересованное внимание к ее результатам. Литература 1. З а м о р с к и й А . Д . Атмосферный лед. — М.. Изд-во АН СССР. 1955. 2. Косарев А.Л. Концентрация и рас­ пределение по размерам кристаллов (/ > 200 мкм) в облаках верхнего яруса. — Труды ЦАО, 1988. вып. 171. 3. Косарев А.Л., Мазин И.П., Не­ взоров А.Н., Шугаев В.Ф. Опти­ ческая плотность облаков. — Труды ЦАО, 1976, вып. 124. 4. Косарев А.Л., Мазин И.П., Не­ взоров А.Н., Шугаев В.Ф. Мик­ роструктура перистых облаков. — В сб.: Воп­ росы физики облаков. Л., Пздрометеоиздат, 1986. 5. Л оба Т . А . , Н е в з о р о в А . Н . , П о т е м к и н В . Г . Самолетный поляри­ зационный анализатор облачных частиц. — Труды ЦАО, 1985, вьш. 158. 6. Мазин И.П., Хргиан А.Х. ( р е д . ) Облака и облачная атмосфера: Справочник. — Л., Гидрометеоиздат, 1989. 7. Мазин И.П., Невзоров А.Н., Шу­ гаев В.Ф. Распределение показателя ос­ лабления света в облаках различных форм. — Метеоролетмя и падрология, 1983, № 9. 8. Н е в з о р о в А . Н . Измеритель спек­ тра размеров крупных частиц для высотного герметизированного самолета. — Труды ГГО, 1973. вып. 276. 9. Н е в з о р о в А . Н . Самолетный изме­ ритель водности облаков. — Т^'ДЫ ЦАО, 1983. вып. 147. 10. Невзоров А.Н., Петров В.В., Шу­ гаев В.Ф. Определение фазодисперсного со­ става облаков с помощью облачного прибор­ ного комплекса ЦАО. — В сб.: Активные воз­ действия на гидрометеорологические процес­ 64 сы: Труды Веес конф. Киев, 1987. Л., Педрометеоиздат,1990. . И. Н е в з о р о в А . Н . , Ш у г а е в В . Ф . Наблюдения ранней стадии эволю­ ции ледяной фазы в переохлажденных обла­ ках. — Метеорология и гцдрология, 1992, № 1. 12. Наг1тауа Т. апб 8а1о М. Ргорогйоп о1 гип1П8 8ГО«1Ь ргосевк 1п $по«г(аи рЬепошепа. — 10Й11т. СопГ. оп СЬий РЬуелса, Вай НошЬигг. ГКО, 1988, УО1. 1. 13. Неут8Пе1<1 А. ^. КШ^Ы N . С. Ну(!готе(ег ёеуе1ортеп( 1я соЦ с1ои(18 !п РШБ. — Юй! 1п1. Ск>п1. оп С1ои(1 РЬу5!с$, Вад НошЬигк. РКС, 1988, Уо1. 2. 14. С 1 о и а $ , ТЬеи- РоппаИоп, Орйса! РгореШез, апй БНес1$. Р. V. НоЬЬз апд А. Оеерак — Асай Ргем. 1981. 15. НоЬЬ8 Р. V. ййй Капво А. Ь. 1се рагйск сопсепьабош !п с1ои<1$. — I . А1т. 8с1., 1985, уо!. 42, Мо. 23. 16. Ко$агеу А. X . , Ма21п I . Р . , апё Ыеггогоу А. N. ТЬе ешрЁНса! то(1еГ о( (Ье ${гис(иге о( с1гги$ с1ои()$ 1п шШсНе 1а(!(и(1е$. — ЮЛ 1п«. Соп1. оп С1ои<1 РНу$!с8, Вай НошЬиге, РКС, 1988, УЫ. 2. 17. Мо«8ор &. С. ТЬе ог\^п ап<1 сопсея1гаио11 оПсе сгуйа^1»-с1ои(18. — ВАМ8, 1985, Уо1. 66, N0. 3. 18. Р г и р р а с Ь е г Н. К. апй С1е»> I . О. М!сгорЬу5!с$ оГ с1ои(18 апй ргес1р1(а110п. — О. КеМе! РиЫ. Сотр., 1978. 19. Кап80 А. Ь. япй НоЬЬв Р. V. ОеПс1($ 1п !се рагЛ1е сопсеШгаЛопз 1п ${гаМогт с1ои<1$ Ше юр «ешрегаШге < -30°С. — СопГ. оп С!оид РЬу8., 8ер1ешЬег 22-26 1986, $шлта85, Со1ога(1о, АШ, УО1. ^. МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1992 № ( 20. К о 8 1 а 8 к 1 } . 1л1ет (се-^огаЦов пис1е> Ь1 1Ье РвсШс Мог(Ь«е8(. — Л|ш. КевеагсЬ, 1991, УоЬ 26. N0. 6. Цгнтршпам и р о я щ ч е е ш вбсериторм 21. Ко81п8к1 I. апй М о г ( а в С. Сктд соп()е118айо11 пис1е1 ав а вошсе <^ 1се- !опп1п( пшАЫ 1п (^и<18. — I. АепжЫ 5с1., 1991, УОЬ 22, №. 2. Поетуякп а П 1992 ЕХРЕММЕШ-АЬ $ТШ>Ш5 ОР ТНЕ РНА5Е-Ш5РЕК5Е КТКЦСТЦКЕ ОР 8ТКАТ1Р0КМ СЬОиОЗ АТ КЕСАТ1УЕ ТЕМРЕКАТиКЕ5 А. N. NеV20^0V тй V. Р. ЗЬи^аеу Ргезегаеё т 1Ш рарег аге 1Не (есНШдиех апй гехиКх о} писюрНуз1са1 зШПех о/ 1се-сШа1тпя скиШх (1СС), /иЦШеЛ игНН гНе САО аггЬогпе ШШтетаЯоги II 15 геуеакк Иге Идш(1 рНаве й ргаеп/ ргасНсаНу гНгоифШ 1Не ЮС игаИх а{ (етрегаШех ёошп го Ш 1еа$1 -55'С, апЛ II аШагпеё пихИу 1п (/лор! кг^ег (Лап 30 /*т. Ш соШеШ й сотрагаЫе шгА (Ш о/ 1Ие их ркахе, (Ней- ргороШоп уагугщ шШп уегу шШе Ити$. Оп (Не ш/ю1е, пе^аИуе-гетрегаШге с1ош11 йШег агрйЛсапНу по( оп1у 1п (егтз о/ (Не ргевепсе Ш а1$о (Не йкрепюп о/ Ьо(Н рНазе сотропепИ. ТНе (1еДпШоп о/ (Не тат $иаШса11у в(аЫе рНавечИврепе в(гис(игев соуеНп^ (Нгее тШё с1ош1 (ура апй (Не (етрегШиге ЛШ^ат о/ (Негг гесштепсе аге $1уеп. ТНе вЩк-рНте 5(пиШа оссш- гШНег ав ап ехсерОоп апЛ аге епшМегей товОу а1 (Не еЛеев о/ (Не О, .... -55°С Шепга1 ТНе гевиКв ШШеё аге ореп (о (Ивсиввкт.