ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АЭРОЗОЛЬНОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ НА ФОРМИРОВАНИЕ МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ
Аннотация
В настоящее время физика облаков и активных воздействий на них постепенно пере-
ходит от этапа изучения "элементарных" облачных процессов к этапу изучения облаков в
целом с учетом их системных свойств. Одним из направлений исследований на этом этапе
становится изучение роли системных свойств облаков в формировании их макро- и микро-
структурных характеристик. Именно эти свойства являются основными факторами,
влияющими на формирование структуры облаков. В статье представлены некоторые ре-
зультаты исследований роли одного из таких свойств облаков, а именно взаимодействия
облаков с окружающей их атмосферой (свойство иерархичности систем). В качестве спо-
соба их взаимодействия рассмотрен механизм, обусловленный аэрозольным составом ат-
мосферы. Методика исследований основана на предположении, что на интенсивность
образования кристаллов в облаках влияет содержание в атмосфере аэрозольных частиц
достаточной концентрации, обладающих льдообразующими свойствами (ядер сублима-
ции). Для расчетов использовалась трехмерная нестационарная модель конвективных об-
лаков. Интенсивность образования кристаллов в облаке менялась путем варьирования зна-
чения параметра в выражении для источника кристаллов в модельных уравнениях для об-
лачной среды. В работе также обсуждается современное состояние проблемы активных
воздействий на конвективные облака с целью управления процессами осадкообразования.
Для осуществления успешного активного воздействия необходимо определение локальной
области в облаке, в которой условия благоприятны для воздействия и концентрации час-
тиц реагента, которую следует обеспечить в данной области в каждый момент времени.
Модельные расчеты показали, что незначительное увеличение содержания аэрозольных
частиц в атмосфере привело к увеличению значений максимальной лёдности и суммарной
водности, а также лёдности при одновременном уменьшении максимальной водности в
облаке. При этом его макроструктурные характеристики практически не изменились.
Дальнейшее решение задач требует разработки эффективных методологий моделирова-
ния активного воздействия на конвективные облака.
Литература
aktivnykh vozdeystviy na nikh [Physics of clouds and active influences on them]. Nal'chik;
Pechatnyy dvor, 2017, 240 p.
2. Ashabokov B.A., Fedchenko L.M., Shapovalov A.V., Kalov K.M., Kalov R.K., Tashilova A.A.
and Shapovalov V.A. Mathematical Modeling of the Influence of the Wind Field Structure in
the Atmosphere on the Cloud Formation Processes, Atmospheric and Climate Sciences, 2018,
8, pp. 84-96.
3. Mesarovich M., Takakhara Ya. Obshchaya teoriya sistem: matematicheskie osnovy [General
theory of systems: mathematical foundations]. Moscow: Mir, 1978, 381 p.
4. Veremey N.E., Dovgalyuk Yu.A., Zatevakhin M.A., Ignat'ev A.A., Morozov V.N., Pastushkov R.S.
Opisanie bazovoy chislennoy nestatsionarnoy trekhmernoy modeli konvektivnogo oblaka [Description
of the basic numerical non-stationary three-dimensional model of a convective cloud], Tr.
Glavnoy geofizicheskoy observatorii im. A.I. Voeykova [Proceedings of the Main Geophysical Observatory.
A.I. Voeikova]. Vol. 282. St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 2016, pp. 45-91.
5. Koval'chuk A.N. O vliyanii vetrovogo sdviga na vypadenie grada [On the effect of wind shear
on hail], Tr. Vysokogornogo geofizicheskogo institute [Proceedings of the High Mountain Geophysical
Institute], Vol. 14. Moscow: Gidrometeoizdat, 1969, pp. 39-48.
6. Mal'bakhova N.M. Vzaimosvyaz' struktury gradovykh oblakov s vertikal'noy strukturoy vetra
v atmosfere [Relationship between the structure of hail clouds and the vertical structure of the
wind in the atmosphere], Tr. Vysokogornogo geofizicheskogo institute [Proceedings of the
High Mountain Geophysical Institute], Vol. 80. Moscow: Gidrometeoizdat, 1990, pp. 99-106.
7. N'yuton Ch.U. Gidrodinamicheskoe vzaimodeystvie s okruzhayushchim polem vetra kak odin
iz faktorov razvitiya kuchevykh oblakov [Hydrodynamic interaction with the surrounding
wind field as one of the factors in the development of cumulus clouds], Dinamika kuchevykh
oblakov [Dynamics of cumulus clouds]. Moscow: Mir, 1964, pp 187-201.
8. Pastushkov R.S. Chislennoe modelirovanie vzaimodeystviya konvektivnykh oblakov s
okruzhayushchey ikh atmosferoy [Numerical modeling of the interaction of convective clouds
with their surrounding atmosphere], Tr. Tsentral'noy aerologicheskoy observatorii [Proceedings
of the Central Aerological Observatory], Vol. 108. Moscow: Gidrometeoizdat, 1972, pp. 93-97.
9. Pastushkov R.S. O razvitii kuchevykh oblakov v atmosfere s vertikal'nym sdvigom vetra [On
the development of cumulus clouds in an atmosphere with vertical wind shear], Meteorologiya
i gidrologiya [Meteorology and Hydrology], 1969, No. 4, pp. 26-41.
10. Fedchenko L.M., Goral' G.G., Belentsova V.A., Mal'bakhova N.M. Opasnye konvektivnye
yavleniya i ikh prognoz v usloviyakh slozhnogo rel'efa [Dangerous convective phenomena and
their forecast in conditions of complex relief]. Moscow: Gidrometeoizdat. 1991, 425 p.
11. Tompkins A.M. Organization of Tropical Convection in Low Vertical Wind Shears: The Role
of Cold Pools, Journal of the atmospheric sciences, 2001, Vol. 58, No. 13, pp. 1650-1672.
12. Tompkins A.M., and Semie A.G. Organization of Tropical Convection in Low Vertical Wind Shears:
Role of Updraft Entrainment, Journal Adv. Model. Earth .Syst., 2017, 9, pp. 1046-1068.
13. Vladimirov S.A., Pastushkov R.S. Kompleksnyy metod aktivnykh vozdeystviy na konvektivnye
oblaka s tsel'yu regulirovaniya osadkov. Trekhmernoe chislennoe modelirovanie [A complex
method of active influences on convective clouds in order to regulate precipitation. Threedimensional
numerical modeling], Tr. Glavnoy geofizicheskoy observatorii im. A.I. Voeykova
[Proceedings of the Main Geophysical Observatory. A.I. Voeikova], Vol. 582. St. Petersburg
Gidrometeoizdat, 2016, pp. 116-127.
14. Pastushkov R.S. Model' aktivnykh vozdeystviy na konvektivnye oblaka l'doobrazuyushchimi
aerozolyami [Model of active influences on convective clouds by ice-forming aerosols], Tr.
Glavnoy geofizicheskoy observatorii im. A.I. Voeykova [Proceedings of the Main Geophysical
Observatory. A.I. Voeikova], Vol. 582. St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 2016, pp. 128-157.
15. Zhang S., Wang M., Ghan S. J., Ding A., Wang H., Zhang K., Neubauer D., Lohmann U.,
Ferrachat S., Takeamura T., Gettelman A., Morrison H., Lee Y., Shindell D.T., Partridge D.
G., Stier P., Kipling Z., Fu C. On the characteristics of aerosol indirect effect based on dynamic
regimes in global climate models, Atmospheric Chemistry and Physics, 2016, Vol. 16,
pp. 2765-2783.
16. Miltenberger A.K. et al. Aerosol-cloud interactions in mixed-phase convective clouds–Part 2:
Meteorological ensemble, Atmospheric Chemistry and Physics, 2018, Vol. 18, No. 14,
pp. 0593-10613.
17. Altaratz O., Koren I., Remer L.A., Hirsch E. Review: Cloud invigoration by aerosols – coupling
between microphysics and dynamics, Atmospheric Research, 2014, 140-141, pp. 38-60.
18. Fan J., Wang Y., Rosenfeld D., Liu X. Review of Aerosol-Cloud Interactions: Mechanisms,
Significance, and Challenges, Journal of the Atmospheric Sciences, 2016, 73, pp. 4221-4252.
19. Lee S.S. Effect of Aerosol on Circulations and Precipitation in Deep Convective Clouds, Journal
of the Atmospheric Sciences, 2012, 69, pp. 1957-1974.
20. Tao W.K., Chen J.-P., Li Z., Wang C., Zhang C. Impact of aerosols on convective clouds and
precipitation, Reviews of Geophysics, 2012, Vol. 50, RG2001, 62 p.
