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

поток воздуха близок к ламинарному состоянию и, если наблю­ даются пульсации, то в основном горизонтальной составляющей, мелкопериодные с весьма малой амплитудой.

Следовательно, если откладывать по оси абсцисс величины

Av, а по оси ординат w', то при у = 1 эти пульсации будут равны

и частицы воздуха будут описывать примерно окружность, при

у>1 траектория частиц будет располагаться по эллипсу с боль­ шей полуосью, направленной по вертикали, при у<1° эллипс направлен по горизонтали, а при у~0° величина w' должна быть близка к нулю и эллипс будет переходить в линию.

На рис. 36 приведена зависимость между величиной относи­

/ = 1+ -и^, ,и средней скоростью ветра v для средней и среднемак-

симальной порывистости.

Несмотря на некоторый разброс точек, можно считать, что

в общем величины Л^-и I будут уменьшаться с ростом скорости

V

ветра при маломеняющихся у. Точнее, величина коэффициента порывистости будет также зависеть от у. На рис. 36 приведено также ориентировочное распределение изолиний, равных I в за­ висимости от у и о. Максимальные величины имеют место при

значительных у и сравнительно небольших скоростях ветра. Сле­

довательно, коэффициент порывистости и величина относитель­ ной порывистости будут возрастать с ростом термической не­ устойчивости, т. е. с ростом, у, и уменьшаться с ростом скорости ветра V.

Таким образом, величины Z = f(y, v~n) и v = f(y, v~n). Вели-

чина коэффициента порывистости 1= —±=— уменьшается с ростом

V

скорости ветра сравнительно быстро при малых скоростях и очень медленно при скоростях ветра от 10—12 м/сек. Учитывая

некоторые особенности измерений принятым методом, можно

принять для слоя до 0,3 км и скоростей ветра от 10 м/сек. и вы­ ше средние значения коэффициента порывистости Z=l,4 и для

уменьшается и достигает минимума в инверсиях. С высотой ве­ личина I уменьшается в связи с ростом v и уменьшением At.

Для групп II и III уменьшение Z происходит замедленнее, чем в других группах.

139

Величины отношений и коэффициента вертикальной пуль-

V

Таблица 53

Величины I в зависимости от термодинамического состояния

атмосферы по группам Д^/и2

Из табл. 54 видно, что в группе I с неустойчивым состоянием атмосферы величины а0 и о больше других и уменьшаются с увеличением устойчивости. В инверсиях (группа IV) только на уровне 300 м, т. е. уже выше слоя инверсии, появляются неболь­

шие вертикальные пульсации. Наличие больших значений а и о у земной поверхности можно объяснить особенностями релье­

фа: наблюдения проводились на вершине невысокого холма,

вследствие чего по динамическим причинам могло наблюдаться возрастание а и о. Выше 2 м в слое до 300 м пульсации w' при

неустойчивом состоянии не превосходят 24% величины средней

скорости и уменьшаются до 5—6% при изотермическом состоя­ нии.

Таблица 54

Величины а и а для различных групп Д^/ц2, пос. Воейково

Полученные автором значения а и ст несколько больше при­ веденных А. С. Мониным (1953) на уровне 1,5 м.

141

Периоды пульсаций горизонтальной составляющей скорости

ветра т, измеренные прибором порывистости, могут меняться от

10 и до 100 сек.

Из табл. 55 хорошо заметен рост г с увеличением скорости ветра и высоты. На уровне 300 м весьма часто наблюдаются

пульсации с периодами больше 80 сек. Особенно большой скачок

величины т отмечается при возрастании v ют 2—4 до 4—6 м/сек. Зависимость т от у хотя и выражена не очень четко, но все же

для v в пределах от 2 до 10 м/сек. Периоды пульсаций уменьшаются с ростом у, для у от 0,0 и до 2,0°/100 м можно написать зависимость в виде

142

Величины т возрастают с ростом Ау и во все сезоны года с высотой. Интересно рассмотреть зависимость т от у. Максималь­ ные значения у получились при у— 0,0 и уменьшаются как с ро­ стом у, так и при инверсиях. Полупериоды роста и спада пуль­ саций получились примерно одинаковыми.

В атмосфере почти всегда наблюдаются вихри всевозможных размеров-—от нескольких сантиметров до тысяч километров.

Каждый метод может регистрировать вихри определенного диа­ пазона. Применяемый прибор регистрировал вихри с периодами пульсаций тот 10 и до 100 сек.

Зная тио, можно определить величину Lx — путь, проходи­ мый массой воздуха между двумя порывами ветра

Горизонтальные размеры вихрей Lx регистрировались при­ бором порывистости от 10—15 м.

Величины Lx над полупустыней в среднем составляли 40— 90 м, над другими пунктами-—от 150 до 300 м. С ростом не­ устойчивости атмосферные вихри уменьшаются по размеру и периодам и растут по амплитуде. В слое 300 м значение Lx ра­

стет с высотой, особенно быстро в нижнем слое 100 м.

Для оценки горизонтальной порывистости ветра Др было

Приведенная шкала имеет несколько условный характер, по­ скольку не учитывается период пульсаций. Автором был сде­

лан подсчет характеристик турбулентной структуры ветра и вы­

явлены некоторые зависимости от баллов порывистости. Первый балл порывистости встречается исключительно при положитель­

ных значениях Ri(Ri= 15), второй и третий балл — при Ri = 1 —

0,1, четвертый и пятый балл — при отрицательных значениях Ri. Но при этом четкой зависимости между Др и Ri не получилось.

Для определения величин вертикального температурного градиента у и вертикального градиента скорости ветра (3, когда воздушный поток из почти ламинарного состояния с Др<^

< 0,1 м/сек. переходит в турбулентный, были использованы ут­ ренние подъемы с наличием инверсий температуры. Обычно по­ ток воздуха, спустя 4—6 часов после восхода солнца, одновре­

143

менно с разрушением инверсии переходил из ламинарного в тур­ булентное состояние.

На рис. 37 приведены значения у и р для потоков воздуха с отсутствием и наличием турбулентности по слоям 2—100 м и 100—300 м. Провести четкую границу в состоянии атмосферы с наличием и отсутствием турбулентности нельзя из-за значи­ тельного разброса точек. Ориентировочно все же можно принять, что при у>0,5 и любых скоростях ветра поток воздуха почти всегда будет находиться в турбулентном состоянии. В инверсии порывистость' ветра может наблюдаться только при наличии быстрого роста скорости ветра с высотой, т. е. при больших зна­ чениях р. Можно принять для слоя 2—100 м критические зна-

Рис. 37. Значения у и р при ламинарном и турбулентном потоке.

а —слой 2—100 м, б —то же 100—300 м, /—ламинарный поток 2 — турбулентный поток.

чения, с которых начинается развитие турбулентности Ri — 0,2— 0,3. При Ri>0,5 поток воздуха будет находиться в слабо тур­ булентном (ламинарном) состоянии. Уонт (Wanta, 1953) для

слоя 46—125 м получил критическое значение Ri — 0,3, т. е. весьма близкое к найденному автором.

Выше, в слое 0,1—0,3 км, наблюдается также большой раз­ брос точек, весьма ориентировочно критические значения пе­ рехода от ламинарного в турбулентное состояние потока воз­ духа можно принять — 0,5—1,0. При значениях (3<0,0 и Ri> >0,5—1,0 турбулентность будет сильно ослаблена.

М. И. Будыко (1947) для высоты 2 м определил значения

RiKp = 0,075.

Очевидно, на высоте 200—300 м RiKp— 1 и постепенно умень­ шается по мере приближения к земной поверхности, доходя к

высоте 2 м до RiKp = 0,075.

144

Исследования турбулентности с помощью самолетного акселерографа

Исследование турбулентности над различными подстилаю­ щими поверхностями и на разных уровнях с помощью самолет­

ного акселерографа проводилось автором по методике А. С. Ду­

бова (1949).

На рис. 38 приведено распределение средних значений вер­ тикальных пульсаций w' над орошаемым оазисом, полупустыней и пустыней по наблюдениям в июле 1952 г. Над орошаемым оазисом в дневные часы в слое от земли и до 0,1 км наблюда­ лась инверсия испарения; в зоне 0,55—0,70 км — инверсия, раз-

Рис. 38. Распределение вертикальных пульсаций.

деляющая две воздушные массы, причем сверху инверсии рас­ полагался воздух, идущий из пустыни и имеющий относительно высокую турбулентность. Между двумя инверсионными слоями величины у были близки к 1°. Над орошаемым оазисом из 80

полетов с записью акселерографа в 55 записях перегрузок само­ лета не было обнаружено и величины w' были равны нулю,

в 25 записях прибор зарегистрировал перегрузки, по ним были подсчитаны значения w'. Поэтому численные значения w' над орошаемым оазисом характеризуют только случаи с заметной болтанкой самолета.

Над орошаемым оазисом и утром и днем в распределении

W по 'высоте можно отметить два максимума. Утром развитие вертикальных пульсаций начинается снизу и на высоте 0,1 км величина w' достигает максимума 0,60 м/сек., резко уменьшаясь

к уровню 0,3 км, где еще имеется слой с разрушающейся инвер­ сией. Выше значения w' растут и достигают второго максимума

w' = 0,62 м/сек. в слое 0,5—0,75 км и только свыше 0,75 км на­ мечается уменьшение w'. Днем происходит некоторый рост w' почти по всему слою 1,0 км, причем первого максимума

1,12 м/сек. вертикальные пульсации достигают на уровне 0,2— 0,3 км. Далее наблюдается быстрое уменьшение и на 0,5 км под слоем инверсии величина w' достигает •минимума. Выше слоя инверсии в воздухе из пустыни величина w' снова резко возра­ стает, достигая на высоте 0,75 км максимального значения

1,14 м/сек.

Над полупустыней в дневные часы в слое до 0,3—0,4 км ве­

Ним

_|__ ,

1,5 w’m,.

Рис. 39. Распределение вертикальных пульсаций.

а— над степью, б — над массивом лесных полос, в — над полем весной, г — над лесом весной, д — над полем летом.

личина вертикального температурного градиента у> 17100 м, при­

мерно до этой же высоты отмечен рост w'. Очевидно, вследст­ вие больших величин у и скорости ветра над полупустыней и

еще больших значений тех же величин над пустыней скорости

вертикальных пульсаций достигают максимальных значений по сравнению со всеми другими подстилающими поверхностями. На высоте 0,3 км над полупустыней w' = 1,7 м/сек., над пусты­

ней к/= 2,36 м/сек. С уровня 0,3 км начинается уменьшение w',

отмеченное до высоты 1,0 км.

Первая группа измерений вертикальных пульсаций (рис. 39) проводилась над степью и массивом лесных полос в Каменной Степи в июле 1951 г. Здесь величины у практически с 0,1 км оди­ наковы, а абсолютные значения у>1 наблюдаются примерно до высоты 0,5 км. Над массивом лесных полос величины w' до вы­ соты 0,4—0,5 км больше, чем над степью, очевидно, вследствие большей шероховатости подстилающей поверхности. С уровня 0,4 км различия величин w' над степью и массивом лесных по­

146

При полетах над районом Пахта-Арал такой поверхностью является полупустыня типа Голодной Степи — относительно ровная, однородная поверхность; при полетах над Каменной Степью — степь и в районе пос. Воейково — поля.

Над орошаемым оазисом на всех высотах величины w' мень­ ше, чем над полупустыней Голодной Степи. Особенно большие различия в w' наблюдаются на уровне 0,5 ikm. Над пустыней величины w' больше в слое до 1 км и максимум различия ве­

личин w' наблюдается на высоте 0,5 /км. Над массивом лесных

полос Каменной Степи рост w' особенно велик на высоте 0,1 км и постепенно уменьшается до нуля к уровню 0,4—0,5 км. При переходе с поля на лес весной максимальные различия w наб­

людаются на высоте 0,2—0,3 км, на высоте 0,5 км они быстро выравниваются. Летом над полем, кроме самого нижнего слоя, величины w' значительно больше, чем весной. В общем разли­ чия в w' при переходах с одной подстилающей поверхности на другую получаются весьма значительными.

Таблица 57

Величины вертикальных пульсаций над различными подстилающими поверхностями

В табл. 57 приведены данные некоторых одновременных из­ мерений вертикальных пульсаций над различными близко рас­ положенными подстилающими поверхностями. Все синхронные измерения относятся к одинаковым высотам. Особенно резко изменяется величина w' при переходе от орошаемого' оазиса на пески пустыни (расстояние между участками 30—40 км). Пере­ ход с поля на лес часто сопровождается значительным ростом w'. Над черным паром днем в летнее время отмечается рост w' по сравнению с полем. При переходе от степи на массив лесных

148