Облака и осадки

1. Водность облаков

Облака - скопление мельчайших капель воды или кристалликов льда в высоких слоях атмосферы. Наблюдения за облаками включают определение формы, количества и высоты нижних границ.  
Форма облаков определяется сравнением их с рисунками и фотографиями (здесь не приводятся). Количество оценивается баллами (0 баллов - отсутствие облаков, 10 баллов - весь видимый небосвод покрыт облаками) общей облачности и облачности нижнего яруса. Высота нижнего основания облаков определяется на глаз или по высоте исчезновения шара-зонда.  
Суточный ход облачности обычно характеризуется двумя максимумами: летом - рано утром и после полудня, зимой - в утренние и ночные часы. В зависимости от широты места облачность меняется следующим образом: от 0 до 10° - повторяемость облачности большая, далее с увеличением широты повторяемость облачности падает, достигая минимума в широте 35-40°, затем снова повышается и в широте 60-80° достигает второго максимума, незначительно уменьшаясь к полюсу.  
Осадки - выпадающая из облаков вода в виде капель или ледяных образований. В зависимости от характера осадки разделяются на следующие виды:  
обложные - выпадают из высокослоистых и слоисто-дождевых облаков, продолжительны по времени, захватывают большие площади, по интенсивности умеренны; состоят из дождевых капель или снежинок;  
ливневые - выпадают из кучево-дождевых облаков, непродолжительны по времени, большой интенсивности, захватывают меньшие площади, чем обложные; состоят из крупных капель дождя, хлопьев снега, снежной крупы, а иногда и града;  
моросящие - выпадают из слоистых и слоисто-кучевых облаков, малой интенсивности, по времени и площади покрытия различны; состоят из мелких капель дождя или снежинок, падение которых заметно нечетко.  
 
Осадки, образующиеся на поверхности предметов:  
иней - белые кристаллики льда, образующиеся вследствие сублимации, когда точка росы ниже 0°;  
роса - капли воды, образующиеся при конденсации водяных паров на предметах, охлажденных ночным излучением;  
изморозь - белое иглистое образование, наблюдаемое по время тумана при сильном морозе;  
гололед - ледяная корка на поверхности предметов, возникающая при падении переохлажденных капель дождя.  
При наблюдении на корабле отмечают вид, характер и интенсивность осадков, а также время начала и конца их выпадения.  
 
Важное значение для предсказания погоды по местным признакам имеет наблюдение за облачностью.  
Облака распределяются по высоте следующим образом:  
Облака верхнего яруса (нижний предел высоты около 6 км):  
- перистые - Cirrus (Ci);  
- перисто-кучевые - Cirrocumulus (Cc);  
- перисто-слоистые - Cirrostratus (Cs);  
Облака среднего яруса  
(высота от 2 до 6 км):  
- высококучевые - Altocumulus (Ac), в том числе высококучевые чечевицеобразные -  
Ac lentikularis;  
- высокослоистые - Altostratus (As).  
Облака нижнего яруса  
(верхняя граница около 2 км, нижний предел - у поверхности земли):  
- слоисто-дождевые - Nimbostratus (Ns);  
- слоисто-кучевые - Stratocumulus (Sc);  
- слоистые - Stratus (St), в том числе разорванно-слоистые - Fractostratus (Frst).  
Облака вертикального развития  
(границы распространения от 500 м до перистых облаков):  
- кучевые - Cumulus (Cu);  
- кучево-дождевые - Cumulonimbus (Cb).

Микроструктура  и водность облаков

По своему строению облака делятся на три класса. 
Водяные (капельные) облака, состоящие только из капелек. Они могут существовать не только при положительных температурах, но и при температурах ниже нуля; в этом случае капельки будут находиться в переохлажденном состоянии, что в атмосферных условиях вполне обычно. 
Смешанные облака, состоящие из смеси переохлажденных капелек и ледяных кристаллов при умеренных отрицательных температурах. 
Ледяные (кристаллические) облака, состоящие только из ледяных кристаллов при достаточно низких температурах. 
В теплое время года водяные облака образуются главным образом в нижних слоях тропосферы, смешанные — в средних слоях, ледяные — в верхних. В холодное время года при низких температурах смешанные и ледяные облака могут возникать и вблизи земной поверхности. Чисто капельное строение облака могут сохранять до температур порядка —10° (иногда и ниже). 
При более низких температурах в облаке наряду с капельками встречаются и кристаллы, т. е. облако является смешанным. 
Наиболее высокие облака тропосферы, наблюдающиеся при температурах порядка -30 — -50°, имеют, как правило, чисто кристаллическое строение. 
Путем конденсации радиус облачных капелек может увеличиваться примерно до 20 MK. Однако при таянии кристаллов и при взаимном слиянии капелек в облаках могут получаться капли радиусом до 100—200 MK. При таких размерах капли начинают выпадать из облака в виде мороси или дождя. Радиус капель дождя может достигать и тысяч микронов, т. е. нескольких миллиметров. 
Кристаллы в облаках также разнообразны по форме и размерам. Замерзание капелек при низких температурах дает так называемые полные кристаллы — ледяные шестиугольные (гексагональные) пластинки или призмы диаметром 10—20 MK. При дальнейшей сублимации (кристаллизации) они будут расти и могут получать на углах разветвления (лучи); на этих разветвлениях образуются новые, и кристаллы превращаются в шестилучевые звезды (снежинки) или иного вида кристаллы сложной и разнообразной структуры. Величина их может достигать нескольких миллиметров в диаметре. 
Количество капелек в единице объема облачного воздуха сравнительно невелико: от сотен на кубический сантиметр в нижней тропосфере до единиц на кубический сантиметр в высоких слоях тропосферы. Содержание кристаллов в облаках еще меньше — порядка 0,1 на один кубический сантиметр. 
Водностью облаков называют содержание в них воды в жидком или твердом виде. 
Хотя количество капелек или кристаллов в единице объема облачного воздуха значительно, элементы эти так малы, что содержание воды в жидком виде в облаках невелико. В водяных облаках на каждый кубический метр облачного воздуха приходится от 0,2 до 5 г воды. В кристаллических облаках водность значительно меньше — сотые и тысячные доли грамма на каждый кубический метр. 
Это и понятно, если вспомнить, что абсолютная влажность воздуха измеряется лишь граммами на кубический метр, а в более высоких слоях, т. е. при более низких температурах, — долями грамма. При конденсации переходит в жидкое состояние не весь водяной пар, имеющийся в воздухе, а только часть его. Поэтому водность облаков оказывается еще меньше, чем абсолютная влажность воздуха.

2. Высота нижней границы облаков и вертикальная видимость как измеряемые величины

На основании анализа  нормативных документов предложены определения высоты нижней границы  облаков (ВНГО) и вертикальной видимости (ВВ) как измеряемых величин. Приведен анализ светодальномерного метода измерения  ВНГО и ВВ применительно к объекту  измерения. Показана теоретическая  возможность нахождения аналитических  соотношений, связывающих результаты измерений светодальномерным методом  со значениями ВНГО и ВВ, соответствующими предложенным определениям. Приведено  краткое описание нефелометрического метода измерения ВВ.

Инструментальные измерения  высоты нижней границы облаков (ВНГО) имеют более чем 50-летнюю историю. В последние годы в постсоветских  государствах после продолжительной  паузы начали появляться новые приборы  для измерения ВНГО. В связи  с этим снова стала актуальной задача объективной оценки метрологических  характеристик этих измерителей. Сравнительные  испытания измерителей ВНГО, проводимые разными организациями и в  разных государствах, показали общую  закономерность: на сегодня не существует общепринятого представления об измеряемой величине [1]. То есть когда  два рядом стоящих измерителя ВНГО показывают существенно различные  значения, невозможно объективно определить, который из них измеряет точнее. Нарушается один из основополагающих принципов метрологии – принцип  единства измерений.

В данной статье мы попытаемся хотя бы приблизиться к методически  и метеорологически точному определению  ВНГО как измеряемой величины, обеспечивающему  единство измерений.

В настоящее время существует два разных подхода к определению  понятия ВНГО. В фундаментальной (в отличие от прикладной авиационной) метеорологии высотой нижней границы  облаков считают нижнюю высоту зоны, в которой прозрачность ясного неба или дымки переходит в прозрачность совокупности водяных капель и кристаллов льда [1]. Давайте представим себе такую  совокупность капель или кристаллов в пределах апертуры измерителя и  зададим вопрос: на каком уровне провести воображаемую риску, высоту расположения которой необходимо измерить? Данное определение не дает однозначного ответа на поставленный вопрос.

С другой стороны, в наставлениях для метеорологов, работающих на авиационных  метеостанциях, можно встретить  следующее определение: высота нижней границы облаков (ВНГО) – расстояние по вертикали между поверхностью суши (воды) и нижней границей самого низкого слоя облаков [2]. Это определение  еще менее конкретное с позиций  поставленного вопроса. Но в [2] приводятся еще два определения: а) видимость  вертикальная (ВВ) – максимальное расстояние от поверхности земли до уровня, из которого вертикально вниз видны  объекты на земной поверхности; б) высота принятия решения (ВПР) – установленная  относительная высота, на которой  должен быть начат маневр ухода на второй круг, в случаях, когда до достижения этой высоты командиром воздушного судна не был установлен необходимый  визуальный контакт с ориентирами  для продолжения захода на посадку... Из сопоставления этих определений  можно составить представление  об измеряемой величине. Если исходить из общих критериев авиации, то величина ВНГО должна быть связана с возможностью видеть сверху сквозь нижние слои облаков  наземные объекты.

Возможность видеть сверху сквозь нижние слои облаков наземные объекты зависит от многих факторов, перечислим основные:

- прозрачность нижних  слоев облака;

- удаленность объектов (высота  облака);

- освещенность объектов;

- контрастность объектов.

Отметим, что в этом перечне  отсутствует освещенность и контрастность  нижних слоев облака, так как наблюдатель  смотрит изнутри облака на просвет. Из перечисленных влияющих факторов только прозрачность нижних слоев облака относится к физическим свойствам  облака как объекта измерения. Следовательно, в самом первом приближении высотой  ВНГО можно считать высоту, на которой  коэффициент пропускания нижних слоев облаков имеет конкретное пороговое значение, которое можно  установить стандартом. Аналогичным  образом можно дать определение  и величине высоты видимости: высотой  видимости можно считать высоту, с которой коэффициент пропускания  атмосферы до поверхности земли  имеет пороговое значение, обеспечивающее возможность видеть сверху наземные объекты. Причем эти пороговые значения коэффициента пропускания для ВНГО и ВВ, очевидно, должны совпадать.

Посмотрим далее, как можно  охарактеризовать величины, измеряемые современными измерителями ВНГО и ВВ, и можно ли связать их с порогом  прозрачности. Этот анализ упрощается тем, что практически все используемые в настоящее время измерители представляют собой оптические дальномеры – светолокационные или лазерные. Чтобы понять, что же в действительности измеряют эти приборы, рассмотрим принцип  работы светодальномера в качестве измерителя ВНГО и ВВ.

Если измерить время τ  распространения света от излучателя до облака и назад до фотоприемника, то значение ВНГО определяется по элементарной формуле:

2сτ=H ,

где c – скорость света.

Допустимая погрешность  измерения обычно достигает ± 10 м, так как неоднородность объектов измерения значительно больше этой величины и измерять точнее просто нецелесообразно. С помощью формулы (1) несложно определить, что значению высоты 10 м соответствует время  распространения 67·10^-9 с. Для современных электронных устройств измерение временных интервалов с такой точностью не представляет особых затруднений. Например, в светолокационном измерителе ВНГО ”ПРОМIНЬ” в качестве образцового времязадающего средства применяется генератор с частотой 40 МГц и максимально допустимой нестабильностью частоты 100 ppm, что в пересчете на период составляет 2,5·10^-12 с. То есть даже простой и недорогой генератор обеспечивает многократный запас по точности задания временных интервалов. Поэтому при дальнейшем рассмотрении будем считать, что все временные интервалы могут быть измерены с требуемой точностью.

На рис. 1 приведены временные  диаграммы сигналов измерителя. В  момент вспышки лампы через электроды  лампы проходит импульс тока порядка 100 А, из которого формируется электрический  импульс запуска u_I(t), где t – текущее время. Передний фронт импульса запуска синхронный с излученным световым импульсом. Отраженный от облака световой импульс, пройдя через приемный тракт, возникает на его выходе в виде электрического сигнала u_S(t). Во временном интервале между импульсом запуска и принятым сигналом в неявном виде содержится информация о значении времени распространения светового импульса τ . Для выделения этой информации требуется связать положение фронтов импульса запуска и отраженного сигнала с текущим временем.

Для привязки фронта к текущему времени используется пороговое  устройство. Обозначим значение порога срабатывания такого устройства в цепи импульса запуска U₁, а в цепи отраженного сигнала – U₂

где τ_I и τ_S – временные интервалы неопределенности привязки фронта импульса запуска и фронта сигнала соответственно; τ_A – аппаратная задержка сигнала в цепях измерителя.

Для определения времени  распространения сигнала (τ), исходя из значения интервала (τ_M)) необходимо предварительно откалибровать измеритель, используя прием измерения заданного расстояния. Берется некоторая базовая дистанция (L) (обычно L = 10 м), соответствующая значению ВНГО H = L/2, для которой время распространения определяется из (1) как:

cL=τ0 . (4)

Затем эта базовая дистанция  измеряется с помощью измерителя. Световой импульс направляется в  требуемом направлении с помощью  отражателей. То есть световой сигнал отражается от твердого предмета, что  имеет принципиальное значение для  всей методики измерения.

Посмотрим теперь на описанный  метод калибровки с метрологической  точки зрения. Формула (7) справедлива  только при условии, что значения всех величин из левой части выражения (6) неизменны при калибровке и  измерении, проводимых в разное время. На основании многолетнего опыта  разработок и исследований измерителей  авторами подтверждено, что при тщательном проектировании измерителя можно минимизировать нестабильность величин τ_I и τ_A, которые определяются конструкцией самого измерителя. При отражении светового импульса от отражателя нестабильность величины τ_S также не превышает допустимую при условии точной привязки величины порога срабатывания устройства к амплитуде отраженного сигнала.  Объясняется это тем, что при отражении от твердого предмета изменяется только амплитуда сигнала, а форма фронта отклика остается постоянной. Если порог масштабируется в зависимости от амплитуды, то пороговое устройство срабатывает в одной и той же точке фронта сигнала по времени. Например, в известном измерителе ИВО-1М маркер подводится оператором к уровню, соответствующему половине амплитуды сигнала. В современных автоматических измерителях порог срабатывания устанавливается равным половине амплитуды сигнала аппаратными или программными средствами без участия оператора.