книги из ГПНТБ / Воронцов, П. А. Аэрологические исследования пограничного слоя атмосферы

АННОТАЦИЯ

Книга посвящена проблеме строения пограничного слоя тропосферы. В ней в основном по материалам экспедиционных аэрологических исследований ГГО приводятся характеристики полей температуры, ветра

ивлажности воздуха по ряду районов СССР.

Вкниге даны некоторые общие данные по строе­ нию пограничного слоя; рассмотрены условия термиче­ ского и ветрового режимов, а также влажности воздуха

внижнем 500-метровом слое; изложены результаты изучения турбулентности, вертикальных токов и транс­ формации масс воздуха, аэрологических условий тума­ нов и приведены данные по строению местных ветров.

Рассчитана на широкий круг метеорологов и лиц,

занимающихся вопросами физики атмосферы.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В предлагаемой монографии даны обобщенные результаты исследований нижнего слоя атмосферы, выполненных автором с помощью различных аэрологических методов в течение дли­ тельного периода времени. Рассматриваемый слой атмосферы, расположенный у земной поверхности, принято называть погра­ ничным слоем, строение которого определяется взаимо­ действием подстилающей поверхности со свободной атмосфе­ рой.

В настоящее время сравнительно детально изучен слой атмосферы, непосредственно прилегающий к земной поверхно­

сти, высотой до 15—20 м, регулярно исследуется слой атмо­ сферы выше 500—1000 м и очень слабо изучен пограничный слой

в зоне 20—500 м.

Современные сетевые методы исследования атмосферы —

самолетное зондирование и радиозондирование, в общем удо­ влетворительно обеспечивающие запросы службы погоды, не дают надлежащей точности измерений в пограничном слое. Старые методы такие, как змейковые подъемы, оказались не­ пригодными в современных условиях для широкого применения. Не было также достаточно настойчивых попыток со стороны исследователей и практиков в разработке специальных методов для детального изучения пограничного слоя.

Между тем в пограничном слое совершается целый ряд про­ цессов, имеющих большое значение в деятельности человека, как-то: суточные и годовые колебания почти всех метеорологи­ ческих элементов, трансформация воздуха, 'образование нижней облачности, туманов, местных циркуляций, инверсий темпера­ туры и ряда других явлений.

Исследование процессов, совершающихся в пограничном слое, имеет большое значение прежде всего для более деталь­ ного изучения физических закономерностей этих процессов в конкретных географических условиях, с тем чтобы в дальней­ шем использовать полученные сведения для совершенствования методики прогноза ряда этих локальных явлений, а также для

разработки рациональных методов активных воздействий на некоторые процессы пограничного слоя.

Из-за отсутствия достаточно надежных сведений о строении пограничного слоя в настоящее время образовался своего рода разрыв между выполненными теоретическими исследованиями

и 'плохими экспериментальными исследованиями тех же процес­

сов; в результате во многих теоретических работах исходные параметры часто берутся недостаточно обоснованными и несо­

ответствующими их фактическим распределениям в атмосфере. В настоящей монографии рассмотрены физические характе­

ристики отдельных локальных явлений, развивающихся в по­ граничном слое в связи с особенностями строения подстилаю­

им. А. И. Воейкова (ГГО) в некоторые районы СССР.

Из 24 экспедиций ГГО автор принимал непосредственное участие в 17, кроме того, участвовал в составлении программы исследований, подготовке и анализе результатов 7 экспедиций.

Приводим перечисление экспедиций, в которых автором проводилось изучение пограничного слоя тропосферы, с указа­ нием объекта исследования, места и даты экспедиции:

1.Бризы, район Сочи, VII—VIII 1935 г.

2.Фёны Рионской долины, район Цулукидзе, IX—X 1936 г.

3.Местные ветры и фёны Черноморского побережья и Рион­ ской долины в пунктах: Гагра, Сухуми, Поти, Батуми, Цулу­ кидзе, Ципа, Зугдиди, Анасеули, Шови, IX—X 1937 г.

4.Местные ветры, район Эльбруса, VII—VIII 1940 г.

5.Влияние массива лесных полос на строение нижнего слоя

атмосферы, Каменная Степь, VII 1951 г.

6.Воздушные потоки над полезащитными лесными поло­

сами, совхоз им. Нансена, VI—VII 1952 г.

7.Нижний километровый слой атмосферы над полупустыней

иорошаемым оазисом, совхоз «Пахта-Арал» и Голодная Степь,

Средняя Азия, VII 1952 г.

4

8.Туманы испарения Кольского залива, Мурманск, I—II

1953 г.

9.Нижний слой атмосферы над осушенными болотами, Кос-

совская опытно-мелиоративная станция Полесье, VI—VII

1953 г.

10.Нижний километровый слой при полете на воздушном шаре из Москвы 30/IX 1953 г.

11.Туманы испарения, Мурманск, I—II 1954 г.

12.Микроклимат над осушенными болотами, совхоз «Ойдремаа», Эстонская ССР, VI—VII 1954 г.

13. Ветровой режим Цимлянского водохранилища, VII

1954 г.

14.Нижний километровый слой атмосферы над долиной Азау-Эльбрус, VIII—IX 1954 г.

15.Нижний слой атмосферы над мелкосопочным рельефом целинных земель, Кокчетавская обл., VI—VII 1955 г.

16.Температурный и ветровой режим Ладожского озера, VII—VIII 1955 и 1957 гг.

17.Термический режим над Черным и Азовским морями, VIII 1955 г.

18.Туманы испарения р. Ангары, Иркутск, XII 1955 г.

19.Термический режим над Цимлянским водохранилищем, IV 1956 г.

20.Нижний слой атмосферы над мелкосопочным рельефом целинных земель, Кокчетавская обл., VI—VII 1956 г.

21. Ветровой и термический режим над оз. Севан, VII 1956 г.

22.Туманы Арктики, о. Диксон, IX 1956 г.

23.Туманы и зимние горно-долинные ветры в Мало-Алмаа-

тинском ущелье, I 1957 г.

24.Туманы о. Диксона, VII—VIII 1957 г.

Вданной работе использованы также материалы аэростат­ ного зондирования в пос. Воейково, на ст. Реж Свердловской обл., ст. Долгопрудная Московской обл., в Алма-Ате, Той-Тюбе около Ташкента, на о. Диксон, с борта ледоколов в Арктике.

Проведена частичная обработка змейковых подъемов на Боден­ ском озере и в Линденбергской обсерватории и использован ряд

опубликованных в отечественной и зарубежной печати ста­ тей с характеристиками строения пограничного слоя тропо1 сферы.

5

ГЛАВА I

ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ ТРОПОСФЕРЫ И НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЕГО СТРОЕНИЯ

Общие сведения

Основной особенностью всех процессов, протекающих в нижнем слое тропосферы, является их тесное взаимодействие прежде всего с подстилающей поверхностью, над которой они

развиваются, а также и с более высокими слоями тропосферы.

Как правило, основное влияние на процессы этого слоя оказы­ вают теплофизические характеристики подстилающей поверх­ ности и факторы общей циркуляции.

Терминология названий нижнего слоя тропосферы. С самого

начала изучения физических явлений и процессов в атмосфере было установлено ее послойное строение и происходило выделе­ ние отдельных, значительно различающихся между собой по

физическим свойствам слоев воздуха. Были выделены основные

зоны атмосферы—•тропосфера и стратосфера, а позднее — ионосфера и сфера диссипации. Развитие метеорологии указало на необходимость дальнейшего деления атмосферы на более мелкие слои.

Изучение физики тропосферы заставило отдельных авторов выделять из тропосферы слои, характерные по тем или иным признакам. Часто исследователями давалось различное назва­ ние таким слоям, но нередко одноименные названия у разных авторов обозначали разные по характеристике и расположению от поверхности земли слои воздуха. Иногда некоторые авторы в одной и той же работе давали разные названия для опреде­ ленного слоя воздуха. Прежде всего была установлена види­ мая на глаз по распределению облачности и дымки слоистость строения тропосферы. Уже первыми исследованиями метеоро­ логов прошлого столетия, например Гильдебрандсоном (Hildebrandsson, 1893) и др., было выделено 5—6 ярусов облаков.

Но только развитие аэрологических исследований позволило накопить большой фактический материал по строению тропо­ сферы, дало возможность провести детализацию и выявить

7

различные характерные особенности строения нижнего слоя тропосферы.

Была установлена роль динамической и термической турбу­ лентности в процессах переноса тепла и влаги от земной по­ верхности, а также тот факт, что пространства, в которых раз­ виваются атмосферные процессы, характеризуются преоблада­ нием горизонтальных движений над вертикальными.

Наиболее часто для нижней зоны тропосферы в метеороло­ гической литературе применялось название приземный слой.

Одна из первых работ по микроклимату приземного слоя воздуха Гейгера (1931) рассматривает приземный слой как слой воздуха всего до высоты 1,5—2 м. С. А. Сапожникова (1950) приземным слоем считает зону высотой до 2—5 м.

Можно привести высказывания еще ряда авторов, называю­ щих приземным слоем только самый нижний слой воздуха вы­ сотой в несколько метров.

Большая группа исследователей рассматривает строение

нижнего слоя, исходя в первую очередь из распределения ско­

рости ветра по высоте.

Вследствие трения о подстилающую поверхность и турбу­ лентного перемешивания нижние слои атмосферы в своем дви­ жении задерживаются и отстают от верхних. В этом слое при турбулентном движении преобладающее значение имеет вели­

чина, обусловленная турбулентным переносом количества дви­

жения и называемая обычно касательным напряжением.

Прандтль (Prandtl, 1942) показал, что ее можно выразить через квадрат градиента скорости ветра и величину I, назван­ ную им длиной пути перемешивания,

где р— плотность воздуха.

Из этого выражения можно получить распределение ско­ рости ветра по высоте в следующем виде:

г'т/гт»'. <2>

где и* называется динамической скоростью.

Интегрирование выражения (2) при I, пропорциональном z, дает возрастание скорости ветра с высотой пропорционально

логарифму высоты.

Прандтль выделяет приземный слой воздуха, в котором из­ менение скорости ветра с высотой происходит по логарифмиче­

скому закону

ig I-

2о

где и и «1 — скорости ветра на высотах z и zx.

8