Исследование с высоким пространственным разрешением структурных функций электрической турбулентности в грозовой облачности

Выполнен анализ структурных функций (СФ) Sm(L) электрической турбулентности в грозовой облачности на основе экспериментальных данных измерения высотного профиля вертикальной компоненты электрического поля E(z) в области высот атмосферы 0,239…11,248 км, напряженности электрического поля диапазоне -96,61…147,46 кВ/м; в верхней части области измерений поле на уровне E(z) ≈ 13,8 кВ/м. Проведена оцифровка экспериментальных профилей E(z) с использованием системы локализованных по высоте функций. Для экспериментальной выборки E(z) разработана аналитическая аппроксимация Ea(z). Проведены расчеты СФ электрической турбулентности Sm(L) для значений порядка структурной функции m в диапазоне 0,1 < m < 7 с шагом по высоте dz = 2 м. Анализ графиков СФ показал наличие двух интервалов (малые и средние масштабы) L, в которых наблюдались степенные скейлинги Sm(L). Для этих степенных интервалов определены скейлинговые экспоненты g(m), отличающиеся от колмогоровского gk(m) = m/3 и спирального gh(m) = 2m/3 скейлингов в случае однородной, изотропной, гидродинамической турбулентности. Скейлинговая экспонента для малых масштабов (десятки метров) g1(m) больше таковой для средних масштабов g2(m). Для средних масштабов имеются заметные отличия от чисто степенного скейлинга, что может быть обусловлено присутствием в электрической турбулентности когерентных структур умеренной амплитуды. Выполнены расчеты высотных профилей электрического потенциала U(z) и объемной плотности электрического заряда r(z) в грозовой облачности, показано наличие значительных флуктуаций r(z). Результаты проведенного исследования представляют интерес для последующего анализа вклада заряженных подсистем мощных атмосферных вихрей в генерацию гидродинамической спиральности атмосферы H = VrotV и формирование неоднородной, самосогласованной структуры ветровых потоков в вихре. Кроме того это весьма важно также для дальнейшего развития методик обработки данных дистанционного зондирования атмосферных вихрей, более полной и корректной физической интерпретации результатов обработки экспериментальных данных, разработки новых, современных методов прогнозирования кризисных природных явлений и для численного моделирования динамики интенсивных крупномасштабных вихрей в атмосфере.

The high resolution analysis of structure functions for the electric field turbulence in thunderstorm clouds

It has been performed the numerical analysis of structure functions Sm(L) for an electric turbulence in thunderstorm clouds by usage of experimental data on altitude profile of the electric field vertical component E(z) in the height range 0.239…11.24813 km. The electric field was varied in the range -96.61…147.46 kV/m. In the upper part the measurement altitude range the electric field was at E(z) ≈ 13.8 kV/m. Digitization of the experimental plots and elaboration of analytical approximations Ea(z) for the electric field E(z) in thunderstorm clouds in a class of localized functions were made. Numerical calculations of the structure functions Sm(L) for the orders m in the range 0.1 ≤ m ≤ 7 were performed with small enough step in the altitude dz = 2m. Plots of Sm(L) have been obtained and inertial intervals (where power law degree dependence of Sm(L) is observing) of electric turbulence were detected in the small scales range and the middle scale one. Scaling exponents g(m) for inertial intervals were determined which are significantly differ from the Kolmogorov scaling gk(m) = m/3 and the helical one gh(m) = 2m/3 in the homogeneous, isotropic hydrodynamical turbulence. It is established that Sm(L) behaviour may be explained by the presence in middle scale range of turbulence intermittency and coherent structures which influence on scaling exponents g(m). Results obtained are of the great interest for following investigations of intense atmospheric vortices charged subsystems contribution to the hydrodynamical helicity H = VrotV generation and to the development of inhomogeneous, self-consistent wind structure in the powerfull atmospheric vortices.