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

полос при полете по ветру значительный рост w' наблюдается на их границе. К центру и концу массива лесных полос вели­ чина w' несколько уменьшается.

Поскольку одни средние величины w' не являются доста­ точно полной характеристикой особенностей распределения вер­ тикальных пульсаций, приведем подсчеты повторяемостей сред­ них значений w' по высотам для каждого района.

В табл. 58 ввиду малого числа случаев объединены в одну группу измерения под полупустыней и пустыней, полем весной и полем летом, а также данные на высотах 100 и 150, 200 и 300,

750 и 1000 м. Повторяемость различных градаций w' включает случаи с w' = 0, т. е. когда 'Отсутствовали регистрируемые аксе­

лерографом перегрузки при наличии в атмосфере слабо развитой

турбулентности.

На уровне 0,1 км повторяемость w' несколько занижена для

больших значений w' ввиду того, что на этой высоте из-за силь­ ной болтанки иногда не было возможности совершать неуправ­ ляемый полет. Это чаще всего наблюдалось над такими райо­ нами, как пустыня и полупустыня, оазис лесных полос и лес.

При полетах над степью и массивом лесных полос в Камен­ ной Степи акселерограф включался только при наличии бол­ танки, поэтому здесь отсутствуют данные с w'=0. По визуаль­ ным наблюдениям за болтанкой над степью в дневное время

повторяемость спокойных условий полета на высоте 0,1 км была

23%, на 0,3 км — 29%, на 0,5 км — 46% и на 1,0 км — 43%', соот­ ветственно над массивом лесных полос — 44, 18, 31 и 39%.

Над орошаемым оазисом большое количество полетов со­

вершалось при отсутствии перегрузок, т. е. в условиях слабо­ турбулентного потока; над полупустыней такие условия наб­ людаются очень редко и только выше 1 км; над орошаемым

переходе со степи на массив лесных полос наблюдается рост w'

до 2,5 м/сек., на уровне 1,0 км (возможно из-за малого'числа случаев) все значения w' лежат в пределах 0,5—1,0 м/сек.

Над полем в слое до 0,3 км значительный процент случаев приходится на слаботурбулентный поток, над лесом же в этом слое болтанка наиболее сильная со значениями до 3 м/сек. С высоты 500 м различия над лесом и полем исчезают.

При исследовании вертикальных пульсаций большой интерес

149

Таблица 58

Повторяемость средних величин w' (в о/о)

дается резкое ослабление турбулентного состояния на одном уровне при переходе от шероховатой поверхности к ровной и од­ нородной в тепловом отношении.

Турбулентность должна затухать при Ri>RiKp и возрастать при Ri<RiKp.

Чаще всего отсутствие вертикальных пульсаций в атмосфере

наблюдалось над орошаемым оазисом; здесь в слое от 0,3 до 1,0 км 65—85% всех полетов происходило при спокойном состоя­ нии атмосферы. Все случаи с отсутствием вертикальных пульса­ ций во всем слое от 0,1 до 1,0 км, как правило, приходились на утренние и вечерние часы. Такие случаи наблюдались при поле­ тах над орошаемым оазисом в 1952 г. 25/VII в 9 и 17 час.,

28/VII 1в 17 час., 29/VII ■—в 16 час., 30/VII—в 9 и 17 час. и 1/VIII— в 9 час.

В дни со слабо развитой турбулентностью при w'=0 вели­

чины у могут быть больше 1°/100 м и величина Ri< 1, но в этих

случаях всегда в слое до 1,0 км наблюдаются ветры с неболь­ шими и почти постоянными во всем слое скоростями. При нали­ чии больших скоростей ветра величина у<1°, a Ri>4.

По отметкам бортаэролога как над степью, так и над масси­ вом лесных полос 27/VI в 14 ч. 20 м. во всех слоях до 1 км от­ сутствовала болтанка и были спокойные условия полета. Вели­ чина вертикального температурного градиента ют земли и до 1 км составляла 1,2°/Ю0 м, т. е. создавались условия, благопри­ ятные для развития сильной турбулентности. Скорость же ветра в слое от 0,1 до 2 км была постоянной и равной 3 м/сек., направ­ ление ветра мало менялось с высотой, величина Ri была равна

бесконечности. Случаи с наличием и/—0 в отдельных слоях наб­ людались как над орошаемым оазисом, так и над полем значи­ тельно реже. Все зарегистрированные случаи этого типа с нали­ чием слоя с щ' = 0 приходятся в дневные часы на зоны от 0,5 км и выше. На этих высотах вертикальные пульсации часто умень­ шаются до нуля, в то время как в приземных слоях наблюда­ ются вертикальные пульсации относительно небольшой вели­

чины.

Величины вертикальных пульсаций должны зависеть от тер­ модинамического состояния атмосферы, в частности от верти­ кального температурного градиента у и вертикального градиен­

что далеко не всегда можно найти даже ориентировочную зави­ симость между величиной w' и значениями у и р, характеризую­ щими состояние атмосферы. Это обстоятельство, очевидно, выз­ вано тем, что самолет совершал полеты по относительно боль­

шому радиусу около пункта взлета, причем значения w' на од­ ном уровне, но над разными подстилающими поверхностями

могли меняться в относительно больших пределах, величины же у и р вычислялись только для одной точки по самолетным и ша­

151

ропилотным наблюдениям. Поэтому приведенная зависимость величины w^0,7 м/сек. является ориентировочной. Можно от­ метить для летнего периода большую роль р в развитии верти­ кальных пульсаций — с ростом |3 быстро возрастает и величина w'_ При малых р 'большое значение для развития вертикальных пульсаций будут иметь величины вертикального температурного градиента у. Однако в атмосфере сравнительно редко встреча­ ются большие значения р, основное значение все же будет иметь величина вертикального температурного градиента и абсолют­ ная величина скорости ветра.

Для летнего периода над полем и лесом четкой зависимости

w' от Ri ме наблюдается. При Ri< 1 величины w' колеблются в весьма больших пределах: от 0,3 до 1,3 м/сек. Следует отме­ тить, что при Ri>5 величины w' в общем не достигают боль­ ших значений и держатся в пределах всего от 0,2 до 0,4 м/сек.

Характеристика ветрового поля при помощи структурных функций

В атмосфере вследствие неустойчивости движения большие турбулентные образования постепенно превращаются в более мелкие, что сопровождается диссипацией турбулентной энергии, пока в самых мелких вихрях эта энергия не превратится в тепло. Таким образом, свойства турбулентных образований должны зависеть от степени диссипации турбулентной энергии Е и от 'вязкости потока v.

Поскольку изменчивость скорости ветра обычно является случайной величиной, то рациональнее для выяснения некото­

152

рых связей применять корреляционные зависимости. При уста­ новлении корреляционных связей для элементов ветрового поля

(1946, 1950), позволяет получить вид таких связей. По Колмо­ горову и Обухову, эту корреляционную зависимость для изо­

где (Ау)=[ц(х)—ц(х—г)] есть разность горизонтальных состав­

ляющих скорости ветра в двух точках, находящихся на расстоя­

нии г и расположенных на базе, перпендикулярной горизонталь­

ной составляющей вектора скорости ветра.

2

Величина &2=Ci2E3, где С] — универсальная постоянная, обусловленная видом корреляционных связей, а Е — величина диссипации энергии. Получение зависимостей значительно упро­ стится, если от пространственного осреднения перейти к времен­ ному, сравнивая скорости ветра в одной точке через определен­ ные промежутки времени АЛ Корреляционные функции в этом случае также сохраняют свой вид только

где Ci — коэффициент, равный, по Обухову, 1,45; гк — критиче­ ский размер вихрей, о — разность скоростей ветра того участка

2

спектра, где выполняется закон -5-.

О

Подсчет структурных функций производился по материалам регистрации величин пульсаций горизонтальных составляющих скорости ветра на уровнях 3, 100, 200 и 300 м. Методика подъе­ мов и обработки записей прибора приведена в работе автора

(1955 в).

Подсчет среднеквадратичных значений разностей скорости ветра о ввиду большой трудоемкости был заменен вычислением

среднеарифметических величин (Аи), умножаемых на постоян­

ный коэффициент 1,33, т. е. приближенно

о==1,33(Дц). (68)

153

Определялась начальная ошибка подсчета а0Для проверки

а2 и Д/ для разных высот и интервала времени от 5 до 60 сек.

Вид таких графиков иллюстрируют рис. 41 для пос. Воей­ ково и рис. 42 для Пахта-Арала. Аналогичные графики были

построены для Голодной Степи и Кольского залива.

2

При выполнимости закона -у должна получиться линейная

зависимость. Кривые зависимости сг от А/ ассимптотически при­

ближаются к постоянному значению, что равносильно отсутст­ вию здесь корреляционных связей. Размеры турбулентных обра­

зований меньше расстояния между двумя точками среды.

По графикам можно определить критические размеры вих­ рей гк и величину энергии диссипации Е. За критический размер вихря принималось расстояние vr, на котором терялась корре-

ляционная связь, т. е. прекращалось выполнение закона -2у.

Тогда

гк = ЦТ.

2

Из табл. 59 и 60 следует, что в нижнем слое 300 м закон -у

154

оправдывается в общем только для вихрей размерами 20—140 м, в интервале времени в среднем 10—12 сек.

Для характеристики строения воздушного потока различной интенсивности подсчет структурных функций был сделан по бал­

лам порывистости (табл. 61).

2

Масштабы длины гк, для которых выполняется закон -у, ма­

лы по сравнению с характерными масштабами атмосферных движений, они характеризуют скорее микроструктуру турбу­ лентных движений в атмосфере. Критические размеры вихрей

гк меняются в относительно 'больших пределах, минимальные

Рис. 42. Структурные функции, пос. Воейково.

гк — у земной поверхности, они растут, как правило, с высотой. М. И. Юдин (1950) показал, что структура турбулентного

потока в области движений больших масштабов описывается уже «законом первой степени».

Исследование крупномасштабной турбулентности по мате­ риалам шаропилотных наблюдений для г от 100 до 1000 км про­

аи АЛ

М. В. Заварина получила линейную зависимость

155

ГЛАВА V

ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ТОКИ

Наряду с неупорядоченными пульсационными колебаниями модуля ветра около некоторого его среднего значения по осям х, у и z в атмосфере наблюдаются упорядоченные восходящие

+ w или нисходящие — w потоки воздуха. В очень многих слу­ чаях четкого различия между упорядоченными и неупорядочен­

ными движениями провести нельзя. Осредненные по большой площади упорядоченные вертикальные токи в атмосфере, как правило, значительно меньше горизонтальных скоростей в десят­ ки и сотни раз, и величины w обратно пропорциональны площади осреднения. Несмотря на свою малость, величины w имеют весьма

важное значение в целом ряде атмосферных процессов и прежде всего в процессах конденсации и испарения.

Обычно наблюдается чередование участков восходящих и нисходящих токов. При осреднении по достаточно большой территории влияние участков с восходящими и нисходящими токами в значительной степени взаимно уничтожается.

Существующие приборы и методы непосредственного измере­ ния вертикальных токов могут дать осреднение лишь в масшта­ бах приемной части своего прибора. Единственным путем опре­

деления вертикальных токов большого масштаба, существенных для погодных процессов, является косвенный путь — путь вы­ числения.

Существующие расчетные методы w можно разделить на следующие:

а) адиабатические, основанные на использовании уравнения притока тепла;

б) кинематические, основанные на использовании уравнения неразрывности;

в) комбинированные, в которых используются оба перечислен,

ных уравнения.

Адиабатические методы пренебрегают притоком тепла, т. е.

считают движение адиабатическим, чем и объясняется название метода.

Идея использования уравнения неразрывности совместно

158