Град: Формы, образование и характеристики

Введение

Форма твердых осадков

Form of solid precipitation

Hail is a form of solid precipitation. It is distinct from ice pellets (American English "sleet"), though the two are often confused. It consists of balls or irregular lumps of ice, each of which is called a hailstone. Ice pellets generally fall in cold weather, while hail growth is greatly inhibited during low surface temperatures. Unlike other forms of water ice precipitation, such as graupel (which is made of rime ice), ice pellets (which are smaller and translucent), and snow (which consists of tiny, delicately crystalline flakes or needles), hailstones usually measure between and in diameter. An ice crystal with a diameter of > is considered a hailstone. Hailstones can grow to and weigh more than
Unlike ice pellets, hailstones are often layered and can be irregular and clumped together. Hail is composed of transparent ice or alternating layers of transparent and translucent ice at least thick, which are deposited upon the hailstone as it travels through the cloud, suspended aloft by air with strong upward motion until its weight overcomes the updraft and falls to the ground. Although the diameter of hail is varied, in the United States, the average observation of damaging hail is between and golf ball sized
Stones larger than are usually considered large enough to cause damage. The Meteorological Service of Canada issues severe thunderstorm warnings when hail that size or above is expected. The US National Weather Service has a diameter threshold, effective January 2010, an increase over the previous threshold of hail. Other countries have different thresholds according to local sensitivity to hail; for instance, grape growing areas could be adversely impacted by smaller hailstones. Hailstones can be very large or very small, depending on how strong the updraft is: weaker hailstorms produce smaller hailstones than stronger hailstorms (such as supercells), as the more powerful updrafts in a stronger storm can keep larger hailstones aloft.

Град – это форма твердых осадков. Он отличается от ледяной крупы (в американском английском "sleet"), хотя их часто путают. Град состоит из шаров или неправильных кусков льда, каждый из которых называется градиной. Ледяная крупа обычно выпадает в холодную погоду, в то время как рост града значительно замедляется при низких температурах поверхности. В отличие от других форм водяного льда, таких как гранулы снега (состоящие из инейного льда), ледяная крупа (которая меньше и полупрозрачна) и снег (состоящий из крошечных, тонких кристаллических хлопьев или игл), градины обычно имеют диаметр от 1 до 5 мм. Ледяной кристалл диаметром более 5 мм считается градиной. Градины могут вырастать до 20 см в диаметре и весить более 0,5 кг. В отличие от ледяной крупы, градины часто слоистые, могут быть неправильной формы и скомканными. Град состоит из прозрачного льда или чередующихся слоев прозрачного и полупрозрачного льда толщиной не менее 1 мм, которые откладываются на градине по мере ее движения в облаке, удерживаясь в воздухе восходящими потоками воздуха, пока ее вес не преодолеет эти потоки и она не упадет на землю. Хотя диаметр града может быть разным, в Соединенных Штатах средний размер града, наносящего ущерб, составляет от 1 до 2,5 см (размер мяча для гольфа).

Камни диаметром более 2,5 см обычно считаются достаточно большими, чтобы причинить ущерб. Метеорологическая служба Канады выдает предупреждения о сильных грозах, когда ожидается град такого размера или больше. Национальная метеорологическая служба США установила пороговое значение диаметра 2 см, вступившее в силу в январе 2010 года, что является увеличением по сравнению с предыдущим порогом в 1,9 см. В других странах существуют различные пороговые значения в зависимости от местной чувствительности к граду; например, на виноградники могут негативно повлиять даже небольшие градины. Градины могут быть очень большими или очень маленькими, в зависимости от силы восходящего потока: более слабые грозы производят более мелкие градины, чем более сильные грозы (например, суперячейки), поскольку более мощные восходящие потоки в сильной грозе могут удерживать более крупные градины в воздухе.

Формирование

Град образуется в мощных грозовых облаках, особенно в тех, где присутствуют интенсивные восходящие потоки, высокое содержание жидкой воды, значительная вертикальная протяженность, крупные капли воды и большая часть облачного слоя находится ниже точки замерзания. На скорость роста градин влияют такие факторы, как большая высота над уровнем моря, более низкие зоны промерзания и сдвиг ветра.

Слоистый характер градина

Как и другие осадки в кучево-дождевых облаках, град начинается как капли воды. По мере подъема капель и понижения температуры ниже нуля, они превращаются в переохлажденную воду и замерзают при контакте с ядрами конденсации. На поперечном сечении крупного градина видна структура, напоминающая луковицу. Это означает, что град состоит из чередующихся толстых и полупрозрачных слоев с тонкими, белыми и непрозрачными слоями. Ранее существовала теория о том, что градины многократно опускаются и поднимаются, попадая в зону с повышенной влажностью и замерзая при подъеме. Считалось, что именно эти восходящие и нисходящие движения ответственны за последовательное формирование слоев. Однако новые исследования, основанные как на теоретических расчетах, так и на полевых наблюдениях, показали, что это не всегда так. Восходящий поток в шторме, с вертикальной скоростью ветра до , поднимает формирующиеся градины в облако. По мере подъема градина проходит через области облака с различной концентрацией влаги и переохлажденных капель воды. Скорость роста градины меняется в зависимости от колебаний влажности и переохлажденных капель воды, с которыми она сталкивается. Скорость аккреции этих капель воды также является фактором, влияющим на рост градины. Когда градина попадает в область с высокой концентрацией капель воды, она захватывает их и приобретает полупрозрачный слой. Если же градина попадает в область, где преобладает водяной пар, она приобретает слой непрозрачного белого льда.]] Кроме того, скорость градины зависит от ее положения в восходящем потоке облака и ее массы. Это определяет различную толщину слоев градины. Скорость аккреции переохлажденных капель воды на градину зависит от относительной скорости между этими каплями и самой градиной. Это означает, что, как правило, более крупные градины формируются на некотором расстоянии от наиболее сильного восходящего потока, где у них есть больше времени для роста. Град также может испытывать "сухой рост", при котором выделяемого при замерзании скрытого тепла недостаточно для поддержания внешнего слоя в жидком состоянии. Град, формирующийся таким образом, выглядит непрозрачным из-за мелких пузырьков воздуха, захваченных в камень во время быстрого замерзания. Эти пузырьки сливаются и высвобождаются в режиме "влажного роста", в результате чего градина становится более прозрачной. Режим роста градины может меняться в процессе ее развития, что приводит к образованию отчетливых слоев на поперечном сечении. Град будет продолжать подниматься в грозовом облаке до тех пор, пока его масса не станет слишком большой для поддержания восходящим потоком. Это может занять не менее 30 минут, в зависимости от силы восходящих потоков в грозе, производящей град, вершина которой обычно находится на высоте более 10 км. Затем он начинает падать к земле, продолжая расти по тем же процессам, пока не покинет облако. Позже он начнет таять, попадая в воздух с температурой выше нуля. Таким образом, уникальная траектория в грозовом облаке достаточна для объяснения слоистой структуры градины. Единственный случай, когда можно говорить о множественных траекториях, – это многоячеечная гроза, когда градина может быть выброшена из вершины "материнской" ячейки и захвачена восходящим потоком более интенсивной "дочерней" ячейки. Однако это исключительный случай.

Like other precipitation in cumulonimbus clouds, hail begins as water droplets. As the droplets rise and the temperature goes below freezing, they become supercooled water and will freeze on contact with condensation nuclei. A cross section through a large hailstone shows an onion like structure. This means that the hailstone is made of thick and translucent layers, alternating with layers that are thin, white and opaque. Former theory suggested that hailstones were subjected to multiple descents and ascents, falling into a zone of humidity and refreezing as they were uplifted. This up and down motion was thought to be responsible for the successive layers of the hailstone. New research, based on theory as well as field study, has shown this is not necessarily true. The storm's updraft, with upwardly directed wind speeds as high as , blows the forming hailstones up the cloud. As the hailstone ascends, it passes into areas of the cloud where the concentration of humidity and supercooled water droplets varies. The hailstone's growth rate changes depending on the variation in humidity and supercooled water droplets that it encounters. The accretion rate of these water droplets is another factor in the hailstone's growth. When the hailstone moves into an area with a high concentration of water droplets, it captures the latter and acquires a translucent layer. Should the hailstone move into an area where mostly water vapor is available, it acquires a layer of opaque white ice.]] Furthermore, the hailstone's speed depends on its position in the cloud's updraft and its mass. This determines the varying thicknesses of the layers of the hailstone. The accretion rate of supercooled water droplets onto the hailstone depends on the relative velocities between these water droplets and the hailstone itself. This means that generally the larger hailstones will form some distance from the stronger updraft, where they can pass more time growing. Hail can also undergo "dry growth", in which the latent heat release through freezing is not enough to keep the outer layer in a liquid state. Hail forming in this manner appears opaque due to small air bubbles that become trapped in the stone during rapid freezing. These bubbles coalesce and escape during the "wet growth" mode, and the hailstone is more clear. The mode of growth for a hailstone can change throughout its development, and this can result in distinct layers in a hailstone's cross section. The hailstone will keep rising in the thunderstorm until its mass can no longer be supported by the updraft. This may take at least 30 minutes, based on the force of the updrafts in the hail producing thunderstorm, whose top is usually greater than 10 km high. It then falls toward the ground while continuing to grow, based on the same processes, until it leaves the cloud. It will later begin to melt as it passes into air above freezing temperature. Thus, a unique trajectory in the thunderstorm is sufficient to explain the layer like structure of the hailstone. The only case in which multiple trajectories can be discussed is in a multicellular thunderstorm, where the hailstone may be ejected from the top of the "mother" cell and captured in the updraft of a more intense "daughter" cell. This, however, is an exceptional case.

Факторы, способствующие граду

Град наиболее распространен во внутренних районах континентов умеренных широт, поскольку образование града значительно более вероятно, когда уровень промерзания находится ниже высоты 3352,80 м. Поступление сухого воздуха в сильные грозы над континентами может увеличить частоту выпадения града, способствуя испарительному охлаждению, которое понижает уровень промерзания грозовых облаков, предоставляя граду больший объем для роста. Соответственно, град менее распространен в тропиках, несмотря на гораздо более высокую частоту гроз по сравнению с умеренными широтами, поскольку атмосфера над тропиками, как правило, теплее на значительно большей высоте. Град в тропиках наблюдается преимущественно в высокогорных районах. Рост града становится пренебрежимо малым при температурах воздуха ниже, поскольку переохлажденные капли воды становятся редкими при таких температурах.

Климатология

Град наиболее часто встречается в континентальных внутренних районах умеренных широт и реже в тропиках, несмотря на гораздо более высокую частоту гроз, чем в умеренных широтах. Град также гораздо чаще встречается вдоль горных хребтов, поскольку горы заставляют горизонтальные ветры подниматься вверх (это явление известно как орографический подъем), тем самым усиливая восходящие потоки в грозах и повышая вероятность выпадения града. Большая высота также приводит к тому, что у града остается меньше времени для таяния до достижения земли. Одним из наиболее распространенных регионов с крупным градом является горная северная Индия, где в 1888 году был зарегистрирован один из самых высоких показателей смертности, связанных с градом. Значительные градные бури также наблюдаются в Китае. Много града выпадает в Центральной Европе и на юге Австралии. Наиболее подверженные градным явлениям регионы включают южную и западную Германию, северную и восточную Францию, южную и восточную часть Бенилюкса и северную Италию. В Юго-Восточной Европе град часто выпадает в Хорватии и Сербии. В некоторых странах Средиземноморья максимальная частота града наблюдается осенью. Град в этом регионе выпадает с марта по октябрь днем и вечером, при этом основная часть случаев приходится на период с мая по сентябрь. Шайенн, штат Вайоминг, является городом в Северной Америке, наиболее подверженным граду, с в среднем девятью-десятью градными бурями за сезон. Традиционно размер и вероятность града можно оценить по данным радаров с помощью компьютерных алгоритмов, основанных на этих исследованиях. Некоторые алгоритмы учитывают высоту уровня промерзания для оценки таяния градины и того, что останется на земле. Определенные модели отражательной способности также являются важными подсказками для метеорологов. Примером является эффект рассеяния тремя телами. Он возникает, когда энергия радара попадает в град и отражается к земле, где затем отражается обратно к граду и, наконец, к радару. Энергии требуется больше времени, чтобы пройти от града к земле и обратно, чем энергии, которая прошла непосредственно от града к радару, и эхо находится дальше от радара, чем фактическое местоположение града на том же радиальном пути, образуя конус более слабых отражений. В последнее время анализируются поляризационные свойства данных метеорологических радаров для различения града и сильного дождя. Использование дифференциальной отражательной способности в сочетании с горизонтальной отражательной способностью привело к разработке различных алгоритмов классификации града. Видимая спутниковая съемка начинает использоваться для обнаружения града, но частота ложных тревог при использовании этого метода остается высокой.

Hail occurs most frequently within continental interiors at mid latitudes and is less common in the tropics, despite a much higher frequency of thunderstorms than in the mid latitudes. Hail is also much more common along mountain ranges because mountains force horizontal winds upwards (known as orographic lifting), thereby intensifying the updrafts within thunderstorms and making hail more likely. The higher elevations also result in there being less time available for hail to melt before reaching the ground. One of the more common regions for large hail is across mountainous northern India, which reported one of the highest hail related death tolls on record in 1888. China also experiences significant hailstorms. Central Europe and southern Australia also experience a lot of hailstorms. Regions where hailstorms frequently occur are southern and western Germany, northern and eastern France, southern and eastern Benelux, and northern Italy. In southeastern Europe, Croatia and Serbia experience frequent occurrences of hail. Some mediterranean countries register the maximum frequency of hail during the Fall season. Hail in this region occurs between the months of March and October during the afternoon and evening hours, with the bulk of the occurrences from May through September. Cheyenne, Wyoming is North America's most hail prone city with an average of nine to ten hailstorms per season. Traditionally, hail size and probability can be estimated from radar data by computer using algorithms based on this research. Some algorithms include the height of the freezing level to estimate the melting of the hailstone and what would be left on the ground. Certain patterns of reflectivity are important clues for the meteorologist as well. The three body scatter spike is an example. This is the result of energy from the radar hitting hail and being deflected to the ground, where they deflect back to the hail and then to the radar. The energy took more time to go from the hail to the ground and back, as opposed to the energy that went directly from the hail to the radar, and the echo is further away from the radar than the actual location of the hail on the same radial path, forming a cone of weaker reflectivities. More recently, the polarization properties of weather radar returns have been analyzed to differentiate between hail and heavy rain. The use of differential reflectivity , in combination with horizontal reflectivity has led to a variety of hail classification algorithms. Visible satellite imagery is beginning to be used to detect hail, but false alarm rates remain high using this method.

Размер и конечная скорость

Размер градин лучше всего определить, измерив их диаметр линейкой. В отсутствие линейки размер градины часто визуально оценивается путем сравнения с размерами известных объектов, таких как монеты. Использование таких объектов, как куриные яйца, горох и шарики для сравнения размеров градин неточно из-за их разнообразия в размерах. Британская организация TORRO также использует шкалы для оценки как градин, так и гроз. При наблюдении в аэропорту для указания размера градин используется код METAR в рамках наземного метеорологического наблюдения. В коде METAR GR используется для обозначения крупной градины, диаметром не менее. GR происходит от французского слова grêle (град). Для обозначения мелкой градины, а также снежной крупы, используется кодировка GS, сокращение от французского слова grésil (ледяная крупа). Конечная скорость градины, то есть скорость, с которой она падает, достигая земли, варьируется. По оценкам, градина диаметром в 10 мм падает со скоростью 6 м/с, а градины диаметром в 20 мм – со скоростью 12 м/с. Скорость градины зависит от ее размера, коэффициента сопротивления, движения ветра, через который она падает, столкновений с дождевыми каплями или другими градинами, а также от таяния при падении через более теплые слои атмосферы. Поскольку градины не являются идеальными сферами, сложно точно рассчитать их коэффициент сопротивления и, следовательно, их скорость.

Сравнение размеров с объектами

В Соединенных Штатах Национальная служба погоды сообщает о размере града, сравнивая его с повседневными предметами. Град диаметром более 1 дюйма считается "сильным". +NWS Таблица соответствия размеров града Диаметр (дюймы) Предмет для сравнения 0,25 0,375 Горошина 0,50 Маленький шарик 0,75 Пенни 0,88 Никель 1,00 (15/16") Четверть доллара 1,25 Полдоллара 1,50 Грецкий орех / Мячик для пинг-понга 1,75 Мяч для гольфа 2,00 Лайм 2,50 Теннисный мяч 2,75 Бейсбольный мяч 3,00 Большое яблоко 4,00 Мяч для софтбола 4,50 Грейпфрут 4,75 5,00 Комплект CD/DVD дисков

Записи града

Мегакриометеоры, крупные глыбы льда, не связанные с грозами, официально не признаются Всемирной метеорологической организацией как "град", который представляет собой скопления льда, образующиеся при грозах, и поэтому рекорды экстремальных характеристик мегакриометеоров не регистрируются как рекорды града. Самый большой вес: ; район Гопалгандж, Бангладеш, 14 апреля 1986 года. Наибольший официально измеренный диаметр: диаметр, окружность; Вивиан, Южная Дакота, 23 июля 2010 года. Наибольшая официально измеренная окружность: окружность, диаметр; Аврора, Небраска, 22 июня 2003 года. Наибольшее среднегодовое количество градовых осадков: в Керичо, Кения, в среднем бывает 50 градовых дней в году. Керичо расположен вблизи экватора, а высота 2195 метров над уровнем моря делает его зоной повышенной градовой активности. В Керичо был зафиксирован мировой рекорд – 132 дня с градом за один год.

Опасности

Град может нанести серьезный ущерб, особенно автомобилям, самолетам, мансардным окнам, стеклянным крышам, домашнему скоту и, как правило, сельскохозяйственным культурам. Повреждения крыш от града часто остаются незамеченными до появления дальнейших структурных повреждений, таких как протечки или трещины. Наиболее трудно распознать повреждения от града на крышах с черепицей и плоских крышах, но все типы крыш имеют свои особенности в обнаружении повреждений от града. Металлические крыши достаточно устойчивы к повреждениям от града, но могут покрываться косметическими повреждениями в виде вмятин и поврежденных покрытий. Град является одной из самых серьезных угроз для самолетов во время грозы. Когда диаметр градин превышает определенный размер, самолеты могут получить серьезные повреждения за считанные секунды. Градины, накапливающиеся на земле, также могут быть опасны для самолетов при посадке. Град – распространенная неприятность для автомобилистов, приводящая к серьезным вмятинам на кузове и трещинам или даже разрушению лобовых стекол и окон, если автомобиль не припаркован в гараже или не защищен специальным материалом. Пшеница, кукуруза, соя и табак – наиболее чувствительные к повреждениям от града сельскохозяйственные культуры. В редких случаях крупные градины могут вызывать сотрясения мозга или смертельные травмы головы. На протяжении всей истории град был причиной дорогостоящих и трагических событий. Один из самых ранних известных случаев произошел около IX века в Рупкунде, штат Уттаракханд, Индия, где, по-видимому, от травм, вызванных градом размером с мяч для крикета, погибло от 200 до 600 кочевников.

Накопления

Узкие зоны, где град накапливается на земле в связи с грозовой активностью, известны как градовые полосы или градовые валы, которые могут быть обнаружены спутником после прохождения грозы. Град обычно длится от нескольких минут до 15 минут. Сообщалось о глубине накопления до 100 см. Ландшафт, покрытый накопленным градом, обычно напоминает ландшафт, покрытый накопленным снегом, и любое значительное накопление града оказывает такое же ограничивающее воздействие на транспорт и инфраструктуру, как и накопление снега, хотя и на меньшей площади. Накопленный град также может вызывать наводнения, забивая дренажные системы, а град может переноситься с паводковыми водами, превращаясь в слякоть, похожую на снег, которая откладывается на более низких высотах. В довольно редких случаях гроза может стать стационарной или почти стационарной, обильно выпадая градом, и происходит значительное накопление; это чаще всего случается в горных районах, как, например, 29 июля 2010 года, когда в округе Боулдер, штат Колорадо, было зафиксировано накопление града высотой в фут. 5 июня 2015 года на один квартал в Денвере, штат Колорадо, выпал град глубиной до четырех футов. Градины, размером от шмеля до мячика для пинг-понга, сопровождались дождем и сильным ветром. Град выпал только на одной территории, оставив окружающую местность нетронутой. Он шел полтора часа, с 22:00 до 23:30. Метеоролог Национальной метеорологической службы в Боулдере сказал: «Это очень интересное явление. Мы наблюдали, как шторм замедлился. Он произвел огромное количество града на небольшой территории. Это метеорологическое явление». Тракторы, использовавшиеся для расчистки территории, заполнили более 30 самосвалов градом. Исследование, посвященное четырем отдельным дням, когда за 30 минут на предгорьях Колорадо накопилось более 200 мм града, показало, что эти события имеют схожие закономерности в наблюдаемых синоптических данных о погоде, характеристиках радаров и молний, что позволяет предположить возможность прогнозирования этих событий до их возникновения. Основная проблема в продолжении исследований в этой области заключается в том, что, в отличие от диаметра града, глубина его накопления обычно не сообщается. Отсутствие данных ставит исследователей и прогнозистов в тупик при попытке проверки оперативных методов. В настоящее время ведется совместная работа между Университетом Колорадо и Национальной метеорологической службой. Цель совместного проекта – привлечь общественность к созданию базы данных о глубине накопления града.

Narrow zones where hail accumulates on the ground in association with thunderstorm activity are known as hail streaks or hail swaths, which can be detectable by satellite after the storms pass by. Hailstorms normally last from a few minutes up to 15 minutes in duration. Depths of up to have been reported. A landscape covered in accumulated hail generally resembles one covered in accumulated snow and any significant accumulation of hail has the same restrictive effects as snow accumulation, albeit over a smaller area, on transport and infrastructure. Accumulated hail can also cause flooding by blocking drains, and hail can be carried in the floodwater, turning into a snow like slush which is deposited at lower elevations. On somewhat rare occasions, a thunderstorm can become stationary or nearly so while prolifically producing hail and significant depths of accumulation do occur; this tends to happen in mountainous areas, such as the July 29, 2010 case of a foot of hail accumulation in Boulder County, Colorado. On June 5, 2015, hail up to four feet deep fell on one city block in Denver, Colorado. The hailstones, described as between the size of bumble bees and ping pong balls, were accompanied by rain and high winds. The hail fell in only the one area, leaving the surrounding area untouched. It fell for one and a half hours between 10:00 pm and 11:30 pm. A meteorologist for the National Weather Service in Boulder said, "It's a very interesting phenomenon. We saw the storm stall. It produced copious amounts of hail in one small area. It's a meteorological thing." Tractors used to clear the area filled more than 30 dump truck loads of hail. Research focused on four individual days that accumulated more than of hail in 30 minutes on the Colorado front range has shown that these events share similar patterns in observed synoptic weather, radar, and lightning characteristics, suggesting the possibility of predicting these events prior to their occurrence. A fundamental problem in continuing research in this area is that, unlike hail diameter, hail depth is not commonly reported. The lack of data leaves researchers and forecasters in the dark when trying to verify operational methods. A cooperative effort between the University of Colorado and the National Weather Service is in progress. The joint project's goal is to enlist the help of the general public to develop a database of hail accumulation depths.

Предотвращение и подавление

В Средние века люди в Европе звонили в церковные колокола и стреляли из пушек, чтобы попытаться предотвратить град и ущерб, который он мог нанести урожаю. Современные аналоги этого подхода существуют в виде градовых пушек. После Второй мировой войны применялось засевание облаков для устранения угрозы града, однако эти эффекты не были воспроизведены в ходе рандомизированных испытаний, проведенных в западных странах. С 1965 по 2005 год программы по подавлению града осуществлялись в 15 странах.