Розроблені та вдосконалені чисельні моделі дозволили провести чисельні експерименти і отримати нові дані про залежності: (1) мікрофізичних характеристик фронтальних хмар (концентрації, середніх радіусів, спектрів хмарних частинок та ін.) від мезомасштабних термодинамічних параметрів (температури і висхідних рухів), а також від наявності та інтенсивності різних механізмів опадоутворення; (2) інтенсивності формування опадів твердої та рідкої фази та їх мезомасштабного розподілу у часі та просторі від мікрофізичних характеристик (концентрацій ядер льодоутворення і конденсації) і процесів (замерзання і коагуляції хмарних частинок); (3) за допомогою чисельного моделювання хмар при їх природній еволюції і при активних впливах проведено теоретичну інтерпретацію натурних експериментів з дослідження фронтальних хмар, на які проводили активні впливи з різними цілями і над різними територіями (ЕМП в Дніпропетровській обл., Крим і Москва), а також визначені умови для модифікації та перерозподілу опадів з даних фронтальних хмар. В дисертації представлено оригінальну модель хмарної тропосфери, що ґрунтується на комплексному використанні одновимірної нестаціонарної мікрофізичної моделі та тривимірної діагностичної моделі фронтальних систем хмар та опадів в тропосфері. Чисельні експерименти показали, що розроблена комбінована модель в цілому вірно представляє вертикальну структуру фронтальних систем хмар та опадів, що було підтверджено якісним співставленням результатів чисельного моделювання, даних спостережень і вимірювань, натурних експериментів та синоптичного аналізу. Отримані за допомогою чисельних моделей вертикальні розрізи термодинамічних характеристик фронтальних систем дозволили виявити фронтальні розділи, повітряні течії, зони нестійкості, розподіл вологи та опадів відносно фронтальних поверхонь, а також зони ймовірного існування хмар за запропонованими критеріями та інші властивості досліджуваних фронтальних систем. Головні наукові результати проведеного дослідження такі: Отримано оптимальні значення параметрів у співвідношеннях для активації ядер конденсації та льодоутворення, які приводять до реалізації всього вологозапасу хмари. Представлені результати чисельних експериментів показали, що в одних і тих самих термодинамічних умовах опади рідкої фази, які сформовані завдяки процесам конденсації і коагуляції, менше залежать від концентрацій ядер конденсації та сублімації, ніж опади твердої фази, які більш чутливі до змін концентрацій цих ядер. Моделювання різних механізмів опадоутворення показало, що за певних умов окремі з них можуть бути вилучені з розгляду. В такому випадку інші механізми стають більш інтенсивними, наприклад, коагуляція маленьких крапель з великими, і це приводить до того, що і при цих умовах вологозапас фронтальних хмар може реалізуватися повністю. За розрахунками еволюції фронтальних хмар при їх природному розвитку та при активних впливах показано велике значення для одержання додаткових опадів наявності та властивостей прошарків у хмарах, що засівають природними кристалами (seeder) та живлять ці кристали вологою (feeder). Для одержання додаткових опадів активні впливи на feeder-зони бажано проводити до початку природного засіву з seeder-зон. Найкращі потенційні можливості для збільшення опадів було знайдено на стадії розвитку циклону, що передувала його оклюдуванню. Продемонстровано, що розроблені чисельні моделі в цілому адекватно відтворюють реальні процеси і мезомасштабні утворення в хмарній тропосфері навіть в умовах обмеженої кількості даних в районі Антарктичного півострову. Чисельне моделювання підтвердило дані спостережень про те, що фронтальні хмарність та опади як правило мають смугову структуру, але смуги хмар та опадів неоднорідні і складаються з окремих осередків з різною інтенсивністю опадів. Отримання осередкової структури всередині смуги опадів в моделюванні на вкладеній сітці свідчить про стабільне і довготривале існування цієї фронтальної хмарності та опадів. Відсутність неоднорідної структури чи зменшення смуги опадів в моделюванні на вкладеній сітці свідчить про недостатність даних спостережень чи сіткового розділення, або вказує на те, що опадоутворення в даному регіоні не пов’язане з фронтальними процесами.
Серед практичних висновків дисертаційної роботи можна виділити наступні: Одержані результати досліджень використовуються для планування та інтерпретації експериментів з активних впливів на фронтальні хмари та діагнозу і прогнозу хмарності та опадів над заданою територією. За допомогою розроблених моделей можливо отримати мезомасштабні і мікрофізичні характеристики фронтальних хмар і таким чином доповнити чи навіть замінити відсутні експериментальні дані. Даний підхід дозволяє оптимізувати і знизити затрати на проведення експериментів у фронтальних хмарах. Інтегральні характеристики, які розраховуються в діагностичних моделях, дозволяють отримати уявлення про опадоутворюючу здатність фронтальних систем хмар як в цілому, так і їх окремих ділянок, що в свою чергу також дозволяє оцінити доцільність впливів в кожному конкретному випадку. Таку оцінку можна зробити на основі співвідношення у положенні максимумів інтегрального перенасичення відносно льоду і інтегральної термодинамічної швидкості конденсації, а також порівнюючи останню характеристику з природною інтенсивністю опадів. Була запропонована і реалізована в моделях методика визначення ймовірного місцезнаходження фронтальних хмар і осередків затопленої конвекції в них по сукупній оцінці значень вертикальних рухів, термодинамічної швидкості конденсації, перенасичення відносно льоду і вологонестійких зон. Виявлені зони вологої і динамічної нестійкості в фронтальних системах хмар можуть бути індикаторами ймовірного розвитку купчастих хмар або конвективних осередків, затоплених у шарувату хмарність, з якими, як правило, пов’язані посилені опади та небезпечні явища для польотів літаків (зледеніння і бовтанка). Розроблені методики, моделі і одержані результати щодо характеристик хмарності в районі Антарктичного півострову можуть бути використані для планування та оптимізації проведення експедиційних та інших робіт в даному районі, пов’язаних з великими матеріальними затратами.
|
