Исследование электрических и микрофизических процессов в кучево-дождевых облаках на основе численного моделирования: изучение механизмов формирования, анализ взаимодействий и прогноз опасных конвективных явлений

В связи с увеличивающимися частотой, продолжительностью и пространственным масштабом опасных явлений погоды, в частности, гроз, ливневых осадков, града, шквалов и др. погодных явлений связанных, главным образом, с формированием и развитием мезомасштабной конвективной облачности, возникает необходимость их точного своевременного прогноза из-за высоких рисков для населения, отраслей экономики и промышленности, а также окружающей среды. Одними из определяющих причин развития конвективных облаков являются электрические процессы в атмосфере. Однако физика процессов электризации до сих пор недостаточно изучена. Это затрудняет описание опасных явлений погоды для полной автоматизации прогноза с приемлемым уровнем успешности. Такое положение дел обусловлено несколькими причинами: во-первых, в облаке происходит множество взаимосвязанных электрических процессов, которые затруднительно описать математически для дальнейшего внедрения в качестве параметризации в модель прогноза погоды. Во-вторых, эмпирические данные, полученные разными авторами, зачастую противоречивы, неоднозначны и, кроме того, отличаются большой редкостью и локальностью. Между тем, установлено, что электризация облаков обусловлена действием нескольких механизмов зарядки облачных частиц. К их числу относятся безындукционный, индукционный, диффузионный, контактный, связанный с фазовыми переходами, механизм Халлета – Моссопа. Имеющиеся сведения основаны, главным образом, на результатах теоретических исследований и лабораторных экспериментов. Исследования этих процессов в натурных условиях, что обусловлено сложностью проведения такого рода экспериментов, - практически отсутствуют. Проект направлен на решение фундаментальной проблемы исследования электрической структуры конвективных облаков, анализ ее взаимосвязи с микрофизическими процессами, и моделирования опасных явлений. Основной целью проекта является создание усовершенствованной математической модели процессов электризации конвективных облаков на основе прототипа, созданного автором проекта ранее. Подход основан на уравнениях генерации и разделения электрических зарядов, где носители заряда - облачные частицы, рассчитываемые моделью прогноза погоды Weather Research and Forecast (WRF-ARW). В данном проекте предлагается модернизировать электрический блок в ранее разработанном автором прототипе модели электризации за счет учета механизма Халлета-Моссопа электризации частиц. Ранее в прототипе модели были рассмотрены только так называемые ионные механизмы электризации (безындукционный, индукционный, комплексный). Новизна проекта заключается в том, что существующий прототип модели электризации предполагается дополнить блоком, описывающим механизм Халлета-Моссопа. Это позволит оценить вклад одноименных процессов электризации в том случае, когда концентрация кристаллов льда превышает концентрацию облачных капель. Далее предлагается валидировать усовершенствованную модель на натурных данных о грозах и осадках, для чего будут использованы данные сети грозопеленгации (сети Worldwide Lightning Location Network, Total Lightning Network, Главной Геофизической Обсерватории им. Воейкова и Высокогорного Геофизического Института) и данные синоптических станций. Будут исследованы отдельные случаи интенсивной конвекции, а также летние конвективные сезоны над Европейской территории России в период 2019-2021 гг.