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

в слое до 150 м, зимой и летом распределение ветра по высоте почти не следует по степенному закону. Наибольшие значения

коэффициента т приходятся на группу III, соответствующую максимальному росту скорости ветра по высоте.

По данным Д. Л. Лайхтмана, находим значения е, при ко­

Как видно из табл. 36а, значения е имеют хорошо выражен-

ную тенденцию увеличиваться с ростом устойчивости атмосферы

89

и относительно немного меняться в каждой группе термодина­ мического состояния атмосферы. При неустойчивом состоянии величины е отрицательны и находятся в пределах —0,20, —0,30, в инверсии положительны и имеют значения 0,20—0,30.

Рис. 17. Профиль ветра в слое 25—150 м по группам I—IV.

1 — зима, 2— весна, 3 — лето, 4 — осень.

На рис. 18, несмотря на некоторый разброс точек, все же наблюдается зависимость величины s от у. Переход к отрица­ тельным е будет при у~0°,20. Таким образом, обобщенный сте­

пенной закон хорошо оправдывается в слое до 150 м, если на­ чальный уровень брать 25 м.

90

ГЛАВА III

СТРОЕНИЕ ИНВЕРСИЙ

Одной из важнейших особенностей термического поля по­ граничного слоя является наличие инверсий температуры. В по­ граничном слое могут наблюдаться инверсии, начинающиеся от земной поверхности, которые будем в дальнейшем называть приземными инверсиями, и инверсии, образующиеся на некото­ рой высоте, ■— приподнятые инверсии.

Будем пользоваться терминами:

а) нижняя и' верхняя границы слоя инверсии,

б) мощность инверсии АЯ— разность высот верхней и ниж­ ней границ инверсии,

в) величина инверсии А/ — разность температур на верхней

и нижней границах слоя инверсии.

Впервые некоторые сведения о строении инверсий в нижнем

слое атмосферы были получены из материалов змейковых подъе­ мов. По этим данным М. М. Рыкачев (1914) опубликовал иссле­ дование термического режима в нижнем слое 2 км над Павлов­ ском, он получил повторяемость числа дней с инверсиями и вы­

соты ее слоев и провел сравнение этих величин с материалами Вента (Wendt, 1911) для Гамбурга и др. П. А. Молчанов (1922) выявил новый вид инверсий, названных им весенними или снеж­ ными.

Исследование аэрологического строения инверсий было в

В результате уже к 1935—1940 гг. для пограничного слоя по

ряду пунктов было установлено: величина и мощность инверсий,

их суточный и годовой ход, распределение по высотам, — при этом было выявлено, что наиболее глубокие и мощные инверсии наблюдаются у земной поверхности, с высотой их величина и мощность уменьшаются.

За последнее время в связи с развитием аэростатного зон­ дирования вновь появилась возможность детального исследова­

ния нижних слоев атмосферы.

92

Весьма полное исследование инверсий в нижнем слое 1 км сделано В. А. Девятовой (1957) для ст. Долгопрудной. Ею уста­ новлено, что в летние месяцы радиационные инверсии начина­ ются от поверхности земли сразу после захода солнца или даже несколько ранее и наибольшей мощности примерно 200 м до­ стигают ко времени восхода солнца. В течение ночи верхняя

к 4 час. достигает наибольшей величины, в среднем 5°. Разви­ тие инверсии происходит в течение 10 час., разрушение за 3 часа. К 7 час. сохраняется лишь приподнятая инверсия мощ­

ностью около 100 м.

Зимой при наличии снежного покрова наблюдается круглосу­ точная, часто приподнятая инверсия. При значительной вели­ чине инверсии зимой в дневные часы она разрушается только в тонком слое. Верхняя граница зимних инверсий часто лежит на уровне 600—800 м. В летние ночи скорость ветра у земли близка к штилю, а в слое инверсии в 'большинстве случаев она растет с высотой до верхней границы инверсии, где часто дости­ гает максимума. Пульсации скорости ветра за 5-минутный про­ межуток времени редко превышают 1 —1,5 м/сек.

По данным В. Н. Колесниковой (19476), в Той-Тюбе для ясных дней самые мощные и интенсивные инверсии отмечаются над снежной поверхностью. К 18 час. инверсии уже достигают нескольких сот метров. Наиболее низкие и малоинтенсивные ин­ версии имеют место над увлажненной подстилающей поверх­

ностью. К 18 час. их высота в среднем составляет только 100 м,

в более поздние — 300 м.

Акита (Akita, 1955) по данным аэростатного зондирования отметил особенности распределения у в нижнем слое 300 м при

инверсиях. Максимальная инверсия наблюдается в полночь, за­

тем ее изменение определяется скоростью ветра. При изменении направления ветра средняя часть слоя инверсии охлаждается,

при этом слой инверсии делится на три подслоя: нижний с резко выраженной инверсией, средний изотермический и верхний со слабой инверсией. После того как температура верхнего слоя

начала повышаться, охлаждение среднего слоя еще продолжается

в течение часа. Иногда на уровне 30—100 м появляется холод­ ный слой уже после того, как температура среднего слоя начала повышаться.

Шоу (1955) указал, что осенью и весной в Кордингтоне ин­ версии по наблюдениям в 7 час. с помощью аэростата достигают высот 700 м и разрушаются только при ветрах >15 м/сек. При пасмурном небе высота инверсий несколько меньше (400—500 м)

и разрушаться они могут при ветрах 10 и даже 5 м/сек. Весен­

ние инверсии непостоянны и обычно в дневные часы наблю­ даются редко, размывание их происходит около 7 час. утра.

Шеппард (1950) нашел, что наибольшая интенсивность

93

инверсии достигается 'вскоре после наступления сумерек и позже она колеблется около среднего значения, которое тем меньше,

чем больше скорость ветра. Приземные инверсии распростра­ няются от земли вверх с большой скоростью в течение первой половины ночи и гораздо медленнее после полуночи. Макси­

мальная мощность инверсий составляет 250—320 м. Рассмотрим некоторые особенности строения инверсий над

различными географическими пунктами. Используя материалы автора (1955а, 1956г) и ряд новых исследований, в основном по 'инверсиям над водоемами, рассмотрим инверсии по трем разделам: 1) инверсии над сушей, 2) инверсии над водоемами,

3) инверсии в зоне раздела пограничного слоя и слоя свободной атмосферы.

Поскольку использованы материалы экспедиционных наблю­ дений с короткими периодами наблюдений, разберем отдельные случаи или некоторые типичные группы случаев.

Радиационные инверсии над сушей

Ночные радиационные инверсии. Наибольший интерес пред­

ставляет термическая структура ночных радиационных инверсий (табл. 50).

Средние основные характеристики инверсионного слоя At и

АН меняются в отдельные месяцы теплого периода года в срав­ нительно небольших пределах. Например, в Колтушах перед восходом солнца средние величины At менялись от 4°,0 в июне

до 4°,8 в мае.

Средние величины At при ночной инверсии колебались от

3°,5 в районе Воейково до 9° в Ташкенте и Пахта-Арале. Боль­ шие значения At в Цуриковке были связаны со стоком холодного

воздуха в низину. Величины At растут с севера на юг и увеличи­

ваются над континентальными районами.

В дополнение к средним, приведенным в табл. 37, первые

три пункта имеют наибольшее число инверсий с Af=3—7° и пов­ торяемость от 50 до 82%, в Средней Азии увеличивается пов­

торяемость величин инверсий в пределах 5—9°. Можно ориен­ тировочно считать, что летом в районе Ленинграда ночная ин­ версия будет иметь величину около 3—5°, в районе Свердловска

и Москвы около 3—7°, в Голодной Степи и Ташкенте 5-—9°. В горах (район Терскола) и в низинах (Цуриковка) могут наб­ людаться большие колебания величины инверсии.

Мощности инверсий также достигают максимальных значе­ ний на юге, доходя до 0,3—0, 4км, и минимума на севере, доходя до 0,15—0,20 км. С ростом суточной амплитуды растет величина и отчасти мощность инверсии. Зависимость величины инверсии От суточного хода температуры воздуха была установлена давно. По материалам наблюдений в Колтушах Е. С. Селезне­ вой (1951) было показано, что величина инверсии At состав­

94

ляет около половины суточной амплитуды температуры воздуха А на высоте 2 м.

На рис. 19 дана зависимость At и АН от суточной ампли­ туды А по отдельным наблюдениям для целого ряда пунктов,

Рис. 19. Зависимость величины (а) и мощности (б) инверсии от суточной амплитуды температуры воздуха.

срочным отсчетам, q — удельная влажность на высоте 2 и 100 м.

95

расположенных как на севере, так и на юге, за теплое полуго­ дие.

Как видно из рис. 19, несмотря на некоторый разброс точек, величина Д£ в период наибольшего развития ночной инверсии составляет примерно половину суточной амплитуды темпера­ туры воздуха на высоте 2 м.

Как для северных, так и для южных районов можно считать,

что

Эта зависимость была проверена для инверсий, образующихся под действием радиационного излучения, только для диапазона

Рис. 20. Распределение dt и dq в инверсиях за ночь.

1 — Голодная Степь, 2 — Пахта-Арал, 3 — Долгопрудная, 4 — Полесье, 5 — Терскол, 6 — Кокчетавская обл.

24°>Л>5°. Это соотношение не будет выполняться, если значе­ ния А малы и процесс радиационного излучения усиливается или ослабляется действием других факторов. Мощность инвер­ сии АН также может быть связана с величиной А0. Ориентиро­ вочно можно принять эмпирическую зависимость в виде

где АН в сотнях метров.

На рис. 20 приведены средние величины понижения темпе­ ратуры воздуха dt и уменьшения удельной влажности dq в те­ чение ночи по высотам для разных пунктов.

Почти всюду dt имеет максимум на высоте 2 м и уменьша­ ется с высотой. Особенно значительные уменьшения dt наблю­ дались над осушенным болотом в Полесье и в горной долине р. Терскола.

Над Голодной Степью и Долгопрудной наблюдается умень­ шение dt с высотой, но более замедленное, а над Пахта-Аралом

96

по средним данным получается даже рост dt с высотой. Следует отметить, что по данным наблюдениям и над Голодной Степью иногда выявляется рост dt с высотой. Более интенсивное охлаж­ дение воздуха за ночь не у земной поверхности, а в более высо­

ких слоях может наблюдаться и на уровнях до 2 м, например,

над Пахта-Аралом Голодной Степью максимальное пониже­ ние температуры очень часто было на высоте не 0,15 м, а 2 м.

Очевидно, в этих случаях, кроме радиационного излучения, дей­ ствуют еще дополнительные факторы, в первую очередь адвек­ ция. Удельная влажность за ночь обычно уменьшается как у

почвы. Над Долгопрудной уменьшение dq за ночь примерно

постоянно во всем слое с небольшим ростом к уровню ОД-

ОД км.

Значительное понижение температуры воздуха у земной по­ верхности с одновременным уменьшением удельной влажности,

казалось бы, должно создавать благоприятные условия для об­ разования росы. Действительно, сильные росы перед восходом

солнца часто наблюдались в Пахта-Арале, а над осушенными болотами Полесья вместе с росой наблюдалось развитие сла­

бого поземного тумана небольшой мощности.

На рис. 21 приведено распределение с высотой относитель­ ной влажности воздуха в слое инверсии. Характерной особен­

ностью строения многих ночных радиационных инверсий является быстрое уменьшение с высотой относительной влажности, часто при наличии у земной поверхности насыщения 100%. Поэтому

при ночных инверсиях чаще всего образуется роса на поверх­

ности почвы и реже невысокий поземиый туман.

Рис. 22. Зависимость Д/ и Д/7 от R и Е.

а — R по формуле Брента, б — Еэф по графику Ковалевой.

..Для выявления связи между величиной и мощностью инвер­ сий и интенсивностью радиационного или эффективного излу­ чения были сделаны соответствующие подсчеты. Величина ра­

98