Интерпретация данных прямых измерений относительной влажности внутри облака

Определения профиля влажности по данным дистанционного зондирования основано на решении обратной задачи с использованием информация прямых измерений, что ограничивает точность и надежность дистанционных измерений. Возникновение облаков вызвано конденсацией водяного пара при достижении состояния насыщения, поэтому делается вывод, что относительная влажность внутри облака должна быть близка к 100%. Однако датчик влажности радиозонда часто фиксируют внутри облака величину относительной влажности заметно меньше 100 %. Вероятной причиной этого является возникновение внутри облака турбулентных вихрей с областями нисходящих потоков, что формирует области с уменьшенной влажностью. Скорость конденсации и испарения разная, потому что при конденсации равновесное давление пара над поверхностью мало отличается от насыщенного вдали от капли, а при испарении капли разница этих давлений может быть большой. При увеличении давление пара выше насыщенного увеличивается число капель из-за вовлечения и обводнение новых ядер конденсации. При испарении же число капель уменьшается.
Моделирование слоистых облаков исследовательским коллективом из Израиля (Khain et al., 2000) выполнено методом разделения облачного пространства на ячейки, в каждой из которых присутствует турбулентных вихрь. В результате происходит периодическая конденсация и испарение гидрометеоров. Соответственно внутри ячейки периодически появляются и исчезают области как с насыщенным водяным паром, так и области с относительной влажностью менее 100 %.
Величина относительной влажности внутри облака 100 % присутствует только в областях с восходящими потоками. В областях с нисходящими потоками величина относительной влажности меньше 100 %, хотя оптическая длина соответствует критерию облачной среды, потому что облачные частицы еще не испарились. Время испарения капли размером 100 микрон составляет 20 минут или 1200 секунд. При скорости потока в турбулентной пульсации, например, 0,5 м/с масштаб 500 метров требует для прохождения время 1000 секунд. Капли не успевают испариться и в начале восходящей ветви потока влажность будет меньше 100 %. Следовательно измеренная величина относительной влажности датчиком радиозонда менее 100 % внутри облака не являются ошибочными (Spichtinder at al. 2004).
Реакция датчика на влажность выше и ниже насыщенной принципиально разная. Если влажность более 100%, то водяной пар конденсируется на поверхности датчика. Наоборот, при влажности менее 100 % поток водяного пара начинает зависеть от скорости движения датчика относительно воздуха, потому что это определяет не только поток водяного пара, но поток тепла. Кроме того, при низкой влажности заметно влияет стратификация температуры в окружающем пространстве. Ввиду разных процессов постоянные времени для увеличения показаний и для уменьшения имеют разную величину, что сдвигает среднее значение показаний.
Области с уменьшенной влажностью и испаряющимися каплями будут отличаться по оптическим характеристикам от областей, где происходит конденсация водяного пара Концентрация капель в области конденсации выше сама по себе, причем особенно высока концентрация мелких капель, которые определяют затухание света. В области испарения концентрация мелких капель мала, а крупные капли не дают заметного ослабления света. Самолетные эксперименты по изменению оптических характеристик (ослабление света в два раза) подтвердили наличие в облаках пространственных неоднородностей масштаба сотни метров (Фейгельсон 1984).