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

Величина и мощность инверсии могут значительно ме­ няться в отдельные дни и месяцы зимнего периода. При повы­ шении температуры воздуха инверсия ослабевает. В феврале

наблюдаемых температур с теоретическими необходимо до­ пустить значительную роль адвекции тепла в повышении тем­

пературы воздуха в основном на высотах, так как из-за сла­ бых скоростей ветра у земли и уменьшенного турбулентного

обмена роль адвекции тепла здесь скажется меньше. Помимо адвекции тепла, в образовании инверсий в

Якутске, очевидно, значительную роль играют нисходящие

движения воздуха в антициклонах, в которых эта инверсия формируется.

Можно считать, что инверсия над Якутском является не чисто радиационной, а результатом действия нескольких фак­

торов: радиационного излучения, адвекции тепла по высоте

и нисходящих движений воздуха.

Весьма детальные исследования нижнего слоя атмосферы при аэростатных зондированиях позволяют получить ряд но­ вых характеристик зимних инверсий, в частности условий их размывания в дневные часы.

На рис. 26 приведено строение нижнего слоя атмосферы за 24/XI 1954 г. в Воейково. В этот день по утреннему радио­

зонду в 4 часа в слое 0,53 км наблюдалась приземная инвер­

была вычислена по формуле Ляпина.

Значения k в различные сроки наблюдений были следую­ щими:

ипрактически была близка к 0.

Врезультате усиления турбулентного перемешивания про­ изошло перераспределение тепловой энергии по высоте.

109

Наибольшее понижение температуры воздуха было на уровне 0,2 км. В результате перемешивания начался приток тепла к земной поверхности с ростом температуры воздуха внизу и понижением ее наверху.

На высоте же 0,1 км температура воздуха практически осталась неизменной в течение всего дня.

На рис. 26 стрелками показано направление переноса те­ пловых потоков. Величина у в подынверсионном слое 2—200 м

всего дня величина радиационного баланса у земли была

часто наблюдаемое в зимний период, при наличии отрицатель­ ных величин радиационного баланса можно объяснить только за счет разрушения приземной инверсии процессами турбу­

лентного перемешивания и переносом высоких потенциальных температур сверху вниз и нагреванием воздуха у земли.

После 14 час. скорость ветра у земли в этот день стала уменьшаться, а на 0,1 км расти; инверсия начала опускаться

110

часы, обычно спустя 3,5—4 часа после восхода солнца у земли,

инверсия размывается и сохраняется только на высоте. За 2—2,5 часа до захода солнца инверсия снова опускается до земной поверхности. Наибольшие величины А/ будут утром, а минимальные-—в полуденные часы. Скорости ветра на вы­ соте в слое инверсии могут меняться в значительных пределах от 2—3 до 12—14 м/сек., обычно максимум скорости был на

верхней границе инверсий.

Инверсии испарения

При интенсивном испарении с подстилающей поверхности может наблюдаться значительное понижение температуры, ко­ торое иногда распространяется и на более высокие слои атмо­

сферы, создавая устойчивую приземную инверсию.

По исследованиям автора, в утренние и дневные часы лет­ него времени над увлажненными поверхностями орошаемого оазиса Пахта-Арал (1953г) и при фёнах Рионской долины (1940в, 1941а) после периода дождливой погоды наблюдались инверсии температуры, происхождение которых можно объяс­ нить только наличием процессов испарения. Инверсии такого вида всегда начинались от земной поверхности и имели мощ­

ность около 50—100 м, изредка возрастая до 200—300 м.

Над орошаемым оазисом Пахта-Арал в связи с затратами тепла на испарение температура воздуха снижалась на вы­

соте 1,5 м в среднем около 4°, а относительная влажность

возрастала на 20-—40%. По подсчетам автора при фёнах в Рионской долине, над увлажненной почвой температура воз­

духа на высоте 1,5—2 м уменьшалась в среднем также до 4°,0, а

относительная влажность увеличивалась на 30—40%.

Для характеристики термического состояния над орошае­ мым оазисом приводим табл. 39.

Таблица 39

Среднемесячные величины вертикального температурного градиента f над орошаемым оазисом в дневные часы

111

Над орошаемым оазисом повышение температуры воздуха после восхода солнца ведет как к развитию турбулентного

теплообмена, так и к испарению. До 10 час. преобладает про­

с почвы и растений становится настолько значительным, что величина у принимает отрицательное значение и создается инверсия температуры в слое 50 м. Отрицательные величины

у в нижних слоях постепенно возрастают, с 18 час. инверсия испарения сливается с инверсией радиационного излучения. С 10—И час. все получаемое земной поверхностью тепло над

орошаемым оазисом уже расходуется на процессы испарения.

у постепенно возрастают. Через 6—7 дней после полива верх­ ний слой почвы хлопкового поля высыхает и инверсия испаре­ ния развивается уже во вторую половину дня в слое до 25— 50 м, очевидно, в основном за счет транспирации влаги расти­

частое выпадение большого количества осадков, всегда в днев­ ные часы, и отмечалась инверсия температуры в нижних слоях,

вызванная процессами испарения.

Исследование распределения температуры воздуха прово­ дилось методом радиозондирования, поэтому мощности инвер­ сии были несколько завышены. Например, 8/Х в 17 час. 40 мин. наблюдалась инверсия испарения с А/ = 1°,7 и АН = 330 м, 21/Х в 9 час. инверсия имела величины At = 1°,6 и АН = 430 м. Как видно, порядок величины инверсии испарения был одина­ ков в обоих пунктах, мощность же инверсии в Рионской до­ лине явно завышена за счет ошибок метода измерений.

Параллельные наблюдения за термическим режимом по

а в открытой степи на 20 час. Разность в 3 часа сроков начала инверсии вызвана рядом причин, но в первую очередь более интенсивной величиной испарения и транспирации растений в массиве лесных полос по сравнению с открытой степью.

Инверсии над водоемами

Аэрологические исследования строения инверсий над водо­ емами проводились в незначительном количестве. Из старых

1*12

зования и разрушения инверсий над водоемами большое зна­ чение имеет адвекция воздуха.

Инверсии над водоемами можно разделить на две группы: а) инверсии теплой адвекции и б) приподнятые инверсии холод­ ной адвекции. Поскольку в некоторых условиях наблюдаются обе группы инверсии, рассмотрим их совместно.

Рис. 27. Образование инверсии над Ладожским озером

Вылет в И ч. 18 м. 23[VII

При движении теплого воздуха с суши на холодную по­ верхность моря вследствие процессов трансформации в ниж­ нем слое начинает развиваться инверсия температуры. При­ меры образования инверсии при адвекции теплого воздуха по данным самолетного зондирования приведены на рис. 27, 28.

Если в береговой зоне наблюдаются положительные вели­

чины у, то почти сразу же после перехода воздуха на холодный

начинается сразу же от водной поверхности.

По материалам серии подъемов привязного аэростата, вы­

теплой и холодной адвекции.

Повторяемость приземных инверсий наибольшая в теплый период и быстро уменьшается с понижением температуры воз­

нию точки росы, а, следовательно, и к образованию устойчивой инверсии в приземном слое с уменьшением турбулентного тепло- и влагообмена. Только благодаря тому, что масса воз­ духа весьма длительное время могла смещаться над водоемом большой площади, в ней, несмотря на значительное уменьше­ ние турбулентного перемешивания, наблюдалось понижение температуры в относительно большом слое. Но, как показывают наблюдения, при движении воздуха над морями или другими

Нм

800-t /0,7

крупными водоемами с мало меняющейся температурой поверх­ ностного слоя воды скоро наступает своего рода равновесное

■состояние в высоте инверсии и в насыщении водяным паром,

причем относительная влажность воздуха у поверхности воды обычно держится около 80%, испаряющая с водоема влага бу­ дет переноситься в 'верхние слои.

При значительных скоростях ветра над водоемом процесс

турбулентного обмена может вызвать разрушение нижнего слоя приземной инверсии и усиление или образование ее на не­

которой высоте. При холодной адвекции переход воздуха на бо­ лее теплую водную поверхность сразу же вызовет прогрев воздуха и уничтожение приземной инверсии, которая обычно наблюдается в зимний период в холодной массе над сушей.

Вследствие прогрева в приземном слое создается неустойчивое состояние, что вызовет рост турбулентного перемешивания и дальнейшее разрушение или подъем инверсии.

Чем больше контраст между температурой воздуха То и тем­ пературой поверхностного слоя воды Тп, тем интенсивнее проис­

ходит вертикальный турбулентный обмен и быстрее разрушается инверсия в холодной массе воздуха.

Средние мощности приземных инверсий над морями в Арк­

несколько меньше, чем приземных. Приземные инверсии обычно наблюдаются при слабых скоростях ветра, усиление скорости ветра часто ведет к ее разрушению внизу и подъему 'инверсион­ ного слоя.

По данным С. С. Гайгерова, в светлый период года на стан­ ции СП-4 инверсии наблюдались очень часто, в большинстве

случаев они начинались на некоторой высоте. В зимнее время, когда преобладала безоблачная погода и радиационное излу­

Арктики инверсия является закономерным распределением тем­ пературы в течение круглого года. Основной причиной образо­

вания инверсии над ледяными полями С. С. Гайгеров считает

Таблица 41

Характеристика инверсий над Боденским озером

охлаждение воздуха от подстилающей поверхности, нисходящие движения воздуха, вероятно, также играют важную роль в усилении и развитии инверсии.

116

Для характеристики строения инверсий над ограниченным водоемом приведем некоторые данные по материалам змейко­ вых и аэростатных зондирований (табл. 41).

Над ограниченными водоемами имеются некоторые особен­ ности в развитии инверсий по сравнению с сушей. Мощности приземных инверсий примерно такие же, как и над сушей,

тельно небольшой мощностью также связано с контрастами температур подстилающих поверхностей.

Над водоемами резко возрастает количество приподнятых

инверсий почти во все сезоны года.

Инверсии оседания

Инверсии оседания над равнинами. Инверсии оседания или сжатия развиваются обычно в зоне раздела пограничного слоя

и слоя свободной атмосферы. В механизме образования инвер­ сий оседания еще много неясного, эти инверсии образуются

чаще всего в антициклонах при медленном растекании воздуха от центра к периферии. Рассмотрим инверсии оседания в зави­

симости от их географического положения: а) над равнинами, б) в горных районах и в) над водоемами и в береговой зоне.

Воздух вследствие трения о земную поверхность, задержки горными хребтами и возвышенностями, опускаясь, как правило,

не доходит до земной поверхности, а ограничивается некоторой высотой Hi (обычно высотой пограничного слоя), где он пере­ ходит в горизонтальное движение.

По данным Шеппарда (1950), величина инверсии оседания

обычно невелика (табл. 42). Из всех случаев 65% приходится на инверсии с повышением температуры не более 2°,8. Образо-

Таблица 42

Повторяемость высоты и величины инверсий оседания (по Шеппарду)

117

вание инверсий оседания вблизи земной поверхности наблю­ дается сравнительно редко, чаще всего они развиваются в слое от 1 до 2 км.

Во время работ в летних экспедициях ЕГО в условиях антициклонической погоды очень ' часто наблюдались типичные инверсии оседания на высотах от 2 до 4 км. Поскольку измере­ ния температуры воздуха проводились методом радиозондов, слои инверсии часто были выражены только уменьшенными

значениями у.

Примерные характеристики инверсий оседания в свободной атмосфере по материалам радиозондов приведены в табл. 43.

На трех пунктах, лежащих в различных географических райо­ нах Союза ССР, все характеристики инверсии оседания имеют хорошо выраженный суточный ход. Высота инверсии и вели­

0,4—0,6 км и (величины у на 0,1—0,15°/100 м. Мощность инвер­

ляется в числе прочих факторов также и турбулентностью атмосферы.

Строение инверсий оседания, образующихся на меньших вы­ сотах, приведено в табл. 44 по результатам учащенных само­ летных зондирований в период с 1 по 6/Ш 1951 г. в Колтушах. Над Ленинградом в это время располагалась северо-западная периферия устойчивой области повышенного давления с цент­ ром в районе Казани — Перми. Каких-либо существенных из­

менений барической обстановки за весь период не было

118