Конвективные ячейки

Анализ оптических космических снимков показывает, что в нижней атмосфере часто наблюдаются мезомасштабные конвективные облачные образования – результат ячейковой конвекции. Ячейковая конвекция обычно наблюдается над водной поверхностью и занимает большие площади. Сам факт их существования свидетельствует о том, что нижний слой атмосферы является неустойчиво стратифицированным. Конвективные ячейки являются примером упорядоченных пространственных структур в поле облачности над океаном, которые обнаруживаются на спутниковых изображениях, полученных в видимом диапазоне. Горизонтальные размеры этих систем варьируют в пределах от нескольких километров до нескольких десятков километров. В большинстве случаев облачность в облачных ячейках сгруппирована из ячеек округлой или полигональной формы, которые часто выстроены в полосы или гряды, а также имеют ряд переходных форм.

Различают два типа конвективных ячеек: закрытые ячейки с облачностью в центре и безоблачным пространством на периферии (рис. 1, 3) и открытые ячейки с безоблачным пространством в центре и тонким облачным кольцом по периферии (рис. 1, 4). Установлено [1-3], что распределение облачности в открытой ячейке соответствует восходящим движениям воздуха на периферии и нисходящим движениям в центре ячейки (структура движения воздуха в них показана на рис. 2а). В закрытой ячейке соответственно восходящие движения воздуха в центре и нисходящие – на периферии (рис. 2б).

Конвективные ячейки в поле облачности хорошо видны на снимках видимого диапазона (рис. 3-12). Они могут иметь разнообразную форму, причем она зависит от термодинамических условий их формирования и скорости ветра. При слабом ветре ячейки имеют вид почти правильных многоугольников. При умеренных и сильных ветрах симметрия ячеек нарушается. На космических снимках часто наблюдаются поля ячеек, имеющих самую разнообразную форму и размеры (рис. 3-11). Недавно на снимках видимого диапазона были обнаружены сложные актиноподобные (название от морского организма – актинии) формы (рис. 12, 13), которые, по-видимому, являются не отдельными образованиями, а кластерами ячеек [15]. Открытые и закрытые ячейки имеют приблизительно одинаковые размеры, в большинстве случаев их диаметр варьирует от 10 до 60 км, в отдельных случаях до 100 км. Наибольшую повторяемость имеют ячейки размером 20-50 км [1,5].

Наиболее полное исследование ячейковой конвекции было проведено Н.Ф. Вельтищевым [1]. Он показал, что горизонтальные размеры открытых и закрытых ячеек примерно одинаковы, закрытые ячейки имеют диаметр 30-40 км, а открытые ячейки – 20-60 км. Общий диаметр ячейки и соотношение между облачной и безоблачной зонами зависят от мощности конвективного слоя, вертикального градиента температуры и относительной влажности в слое конвекции. Соотношение диаметров облачной и безоблачной зон для закрытых ячеек в среднем составляет 5, а для отрытых ячеек – 0,5; диаметр конвективных ячеек относится к их вертикальной мощности как 30:1 (открытый тип) и 21:1 (закрытый тип) [1]. Характер циркуляции внутри ячейки зависит как от вертикального градиента температуры и мощности конвективного слоя, так и от кривизны температурного профиля. Вид облачной ячейки (открытая или закрытая) зависит от распределения градиента температуры с высотой [1]. Когда градиент температуры убывает, образуются открытые облачные ячейки с нисходящими движениями в центре. Когда градиент температуры возрастает, образуются закрытые облачные ячейки с восходящими движениями в центре. Характер стратификации и устойчивости атмосферы также влияет на этот процесс [1,2].

Мезомасштабная ячейковая конвекция весьма распространена над акваторией Мирового океана [10]. Практически в любой момент времени она может быть обнаружена над тем или иным районом планеты. На рис. 14 показана карта из [10]; (с рядом дополнений в северо-западной части Тихого океана[6]) с данными о преимущественном расположении зон ячейковой конвекции над Мировым океаном.

Установлена существенная роль адвекции воздушных масс в формировании конвективных ячеек и основные закономерности этих процессов [1]:

– конвективные ячейки открытого типа образуются в постепенно нагревающихся воздушных массах и характеризуют районы адвекции холодных воздушных масс или районы с нисходящими крупномасштабными движениями. Образование ячеек, связанных с холодными вторжениями, происходит над теплыми океаническими течениями при движении холодного воздуха на восток от континентов. Формирование облачности начинается через 12-18 час после прохождения фронта в результате сильного нагревания воздуха и поступления влаги снизу. Вначале преобладают облака кучевых форм, но в дальнейшем они трансформируются в слоисто-кучевые – по мере того, как они распространяются ниже слоя инверсии. Этот процесс может существовать несколько дней.

– обычно после прохождения внетропического циклопа. В хорошо перемешанном пограничном слое развиваются в основном открытые ячейки, хотя рядом с ними могут наблюдаться и закрытые;

– конвективные ячейки закрытого типа образуются в постепенно охлаждающихся воздушных массах и характеризуют районы адвекции теплых воздушных масс или районы с восходящими крупномасштабными потоками. Образование ячеек, связанных с полями слоисто-кучевой облачности над морем, которая образуется над более холодными участками океана, в основном к западу от континентов. Источником энергии для вертикального перемешивания в данном случае является радиационное выхолаживание вершин облаков. Слоисто-кучевая облачность обычно довольно устойчива и может существовать от нескольких дней до недели. В таких условиях формируются преимущественно закрытые конвективные ячейки;

– при очень интенсивных нисходящих и восходящих движениях ячейковая структура может не наблюдаться вообще.

Установлено также, что закрытые облачные ячейки встречаются преимущественно среди облаков слоисто-кучевых форм над холодной водной поверхностью. Конвективные ячейки открытого типа характерны для облаков кучевых форм [3].

В результате характеристики образующихся в пограничном слое атмосферы над океаном облачных ячеек определяются совместным воздействием нескольких механизмов: нагревом на нижней границе, радиационными процессами на верхней границе, высвобождением латентного тепла в облаках, крупномасштабными вертикальными движениями, температурой и влажностью воздуха в слое инверсии, вовлечением и др. процессами [1,2].

Ценным источником сведений о конвективных процессах над океанами стали данные радиолокационного зондирования (рис. 15-17), в принципе, позволяющие определить условия на нижней границе раздела океан-атмосфера. Особенности циркуляции воздуха в пределах отдельных конвективных ячеек проявляются на радиолокационных изображениях (РЛИ) морской поверхности в виде темных и светлых зон округлой (темное в центре) или серповидной формы [6]. Серповидные сигнатуры наблюдаются при наличии фонового ветра, причем серповидные участки ориентированы так, что вектор скорости общего переноса направлен в вогнутую часть ячейки, а подоблачные контрасты определяются векторной суммой скорости переноса и скорости радиальных потоков воздуха в открытой ячейке (рис. 18). В результате темные области возникают на наветренных сторонах ячеек, а светлые – на подветренных [6]. Наличие темных областей обеспечивает более высокий радиолокационный контраст подветренных частей ячеек, где происходит сложение скоростей воздушных потоков – фонового и локального. Специфика ячеек закрытого типа (ее радиолокационный образ формируют несколько соседних конвективных ячеек – круг в центре на рис. 2б) приводит к формированию таких же сигнатур на РЛИ, как и в случае открытых ячеек [6]. В условиях маловетреной погоды наблюдаются ячейки округлой формы. Характерные размеры ячеек на РЛИ 15¸35 км.

Анализ радиолокационных изображений позволяет определить характерные размеры ячеек, их тип, некоторые особенности циркуляции воздуха в пределах отдельной конвективной ячейки, а также др. характеристики приводной атмосферы [4,6,14,16,18,21,22].

  

 

Рис. 1. Схематические рисунки, иллюстрирующие циркуляцию воздуха в закрытых (вверху) и открытых (внизу) конвективных ячейках (источник: http://www.brockmann-consult.de/CloudStructures/contents.htm).

 

  а  б

Рис. 2. Схема движения воздуха в открытых (а) и в закрытых (б) ячейках вблизи нижней границы конвективного слоя: 1 (®) горизонтальной скорости ветра (U); 2 (---) область, где U=0; 3 (+) область, где U>0; 4 (–) область, где U<0 (рисунки из [6]).

 

Рис. 3. Облачные ячейки закрытого типа на снимках из космоса (источник: http://www.brockmann-consult.de/CloudStructures/contents.htm).

 

Рис. 4. Облачные ячейки открытого типа на снимках из космоса (источник: http://www.brockmann-consult.de/CloudStructures/contents.htm).

 

Рис. 5. Облачные ячейки открытого и закрытого типа над Южной Атлантикой на снимке Terra/MODIS(20.07.2004, 12:50 UTC). © NASAGSFC

Рис. 6. Открытые облачные ячейки над Багамскими о-вами на снимке Terra/MODIS(19.02.2002, 16:00 UTC). © NASAGSFC

 

Рис. 7. Открытые и закрытые ячейки над Тихим океаном к западу от побережья Чили на снимке Terra/MODIS(19.07.2002, 15:35 UTC). © NASAGSFC

Рис. 8. Ячейки различного типа над юго-восточной частью Тихого океана на снимке Terra/MODIS(7.08.2002, 16:05 UTC). © NASAGSFC

 

Рис. 9. Закрытые и открытые ячейки сложной формы над Тихим океаном к западу от Калифорнии на снимке Terra/MODIS(16.08.2002, 19:05 UTC). © NASAGSFC

Рис. 10. Открытые и закрытые ячейки над Тихим океаном к западу от побережья Перу на снимке Terra/MODIS(30.08.2003, 15:40 UTC). © NASA/GSFC

Рис. 11. Открытые и закрытые ячейки над Тихим океаном к западу от Перу на снимке Terra/MODIS(4.09.2003, 15:55 UTC). © NASAGSFC

 а   б 

  в

Рис. 12. а – актиноподобные формы облачных образований на снимке спутника Terra (август 2001); б – актиноподобные формы на снимке спутника Terra (март 2005); в – серия снимков (фрагменты) со спутника TIROS от 16 08.1962, 7.10.1962 и 18.07.1964. (рисунки из [15]). © NASA/GSFC, NOAA

 

Рис. 13. Аномальное актиноподобное облачное образование на снимке спутника Gallaxy-9 (17.06.1997, 17:45 UTC) (источник: http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/swirl/actinae2.htm)

Рис. 14. Районы наиболее частого появления мезомасштабных конвективных образований над океанами; 1 – открытые ячейки, 2 – теплые течения, 3 – закрытые ячейки, 4 – холодные течения (рисунок из [6]).

Рис. 15. Проявления ячейковой конвекции в Средиземном море на радиолокационном изображении спутника ERS-1 (8.09.1992, 21:13 UTC) (http://www.ifm.uni-hamburg.de/ers-sar/Sdata/atmospheric/cellcon/6104765ERS1.html). © ESA

Рис. 16. Проявления ячейковой конвекции в Японском море у побережья России на радиолокационном изображении спутника ERS-2 (20.03.1999, 02:03 UTC) (http://www.ifm.uni-hamburg.de/ers-sar/Sdata/atmospheric/cellcon/204552763ERS2.html). © ESA

 

Рис. 17. Проявления ячейковой конвекции в Желтом море у побережья Китая на радиолокационном изображении спутника ERS-1 (21.01.1993, 02:33 UTC) (http://www.ifm.uni-hamburg.de/ers-sar/Sdata/atmospheric/cellcon/079352817ERS1.html). © ESA

Рис. 18. Пространственная модуляция яркости РЛИ морской поверхности (серповидные структуры) в условиях ячейковой конвекции в атмосфере при наличии общего переноса воздушной массы (показан стрелками) (рисунок из [6]).

 

 

Литература

1.       Вельтищев Н.Ф. Теория мезомасштабных конвективных систем в атмосфере, наблюдаемых с искусственных спутников Земли. Дисс. на соиск. уч. степ. д-ра физ.-мат. наук. М.: Гидрометцентр СССР, 1979.

2.       Вельтищев Н.Ф., Степаненко В.М. Мезометеорологические процессы. М.: 2006.

3.       Герман М.А. Космические методы исследования в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

4.       Калмыков А.И., Назиров М., Никитин П.А., Спиридонов Ю.Г. Об упорядоченных мезомасштабных структурах на поверхности океана, выявленных по данным радиолокационных съемок из космоса // Исслед. Земли из космоса, 1985, № 3, с. 41-47.

5.       Минина Л.С. Практика нефанализа. Л.: Гидрометеоиздат, 1970.

6.       Радиолокация поверхности Земли из космоса / Под. ред. С.В.Викторова и Л.М. Митника. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.

7.       Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе погоды / Под ред. И.П. Ветлова и Н.Ф. Вельтищева. Л.: Гидрометеоиздат, 1990, 200 с.

8.       AgeeE.M. Anintroductiontoshallowconvectivesystems. In: CloudDynamics, 3-30, D. Reidel, 1982, Norwell, Mass.

9.       AgeeE.M. Observations from space and thermal convection // Bull. Am. Meteorol. Soc., 1984, 65, p.938-949.

10.   Agee E.M. Mesoscale cellular convection over the oceans // Dyn. Atmos. Ocean., 1987, 10, N 4, p.317-341.

11.   Ackerman S. Mesoscale cloud anomaly (http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/swirl/actinae2.htm).

12.   Atkinson B.W., Zhang J.W. Mesoscale shallow convection in the atmosphere // Reviews of Geophysic., 1996, 34, p.403-431.

13.   Bakan S., Schwarz E. Cellular convection over the northeastern Atlantic // Int. J. Climatol., 1992, 12, p.353-367.

14.   Boppe R.S., Neu W.L. Quasi-coherent structures in the marine atmospheric surface layer // J. Geophys. Res., 1995, 100, p.20635-20648.

15.   Cloud Structures (http://www.brockmann-consult.de/CloudStructures/contents.htm).

16.   Busack B., Bakan S., Luthardt H. Surface conditions during meso-scale cellular convection // Contrib. Atmos. Phys., 1985, 58, p.4-10.

17.   Haag A.L. Cloudy with a chance of drizzle // Supporting Earth Observing Science, 2005.

18.   Ishida H., Burt W.V., Mitsuta Y. The effects of mesoscale convective cells on the surface wind field over the ocean // Bound.-Layer. Meteorol., 1984, 29, N 1, p.75-84.

19.   Liljequist G.H., Cehak K. Allgemeine Meteorologie. Friedr. Vieweg & Sohn, 1979, Braunschweig/Wiesbaden.

20.   Mitnik L.M. Mesoscale coherent structures in the surface wind field during cold air outbreaks over the far eastern seas from the satellite side looking radar // La Mer,1992, 30, p.297-314.

21.   Rothermal J., Agee E.M. Aircraft investigation of mesoscale cellular convection during AMTEX’75 // J. Atmos. Sci., 1980, 37, N 5, p.1027-1041.

22.   Savtchenko A. Effect of large eddies on atmospheric surface layer turbulence and the underlying wave field // J. Geophys. Res., 1999, 104, p.3149-3157.

23.   Sikora T.D., Young G.S., Beal R.C., Edson J.B. Use of spaceborne synthetic aperture radar imagery of the sea surface in detecting the presence and structure of the convective marine atmospheric boundary layer // Monthly Wea. Rev., 1995, 123, p.3623-3632.

24.   Trump C.L., Neshyba S.J., Burt W.V. Effects of mesoscale atmospheric convective cells on the waters of the East China Sea // Bound.-Layer. Meteorol., 1982, 24, N 1, p.15-34.

25.   Ufermann S., Romeiser R. Numerical study on signatures of atmospheric convective cells in radar images of the ocean // J. Geophys. Res., 1999, 104, p.25707-25719.

26.   Young G.S., Sikora T.D. Distinguishing boundary layer signatures from mesoscale / Proc. IGARSS'98.