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

Проверка логарифмического закона распределения скорости ветра с высотой в нижнем слое показала, что он оправдывается лишь при адиабатической стратификации. Высота приземного слоя по Прандтлю может меняться от 25 и до 250 м.

М. Е. Берлянд (1947) в своей работе по теории изменения

ветра практически не изменяется, а выше начинается сравни­ тельно быстрое отклонение ветра от наземного.

Поскольку h пропорциональна наземному ветру о, то и вы­ сота приземного слоя Н также будет пропорциональна ему.

слою Прандтля.

Исходя из положения, что нижний слой тропосферы от 0,3—• 0,4 до 1,5 км находится под механическим и тепловым воздей­ ствием подстилающей поверхности, П. А. Молчанов (1928) на­ звал его слоем механического перемешивания, определив все

характерные свойства этого слоя. Слой механического переме­ шивания является промежуточным между земной поверхностью и свободной атмосферой.

Георгии (Georgii, 1927) предложил называть этот слой «зо­ ной возмущения».

Росби и Монтгомери (Rossby and Montgomery, 1935), рас­

сматривая строение тропосферы, делили его на три слоя:

1.Прандтлевский слой, для которого справедлив логариф­ мический закон распределения ветра с высотой и рост коэффи­

циента турбулентного перемешивания.

2.Слой до высоты геострофического ветра, в котором коэф­ фициент турбулентного перемешивания убывает с высотой и на уровне геострофического ветра, становится близким к среднему для всего слоя значению.

3.Слой выше уровня геострофического ветра.

Слой трения в ряде зарубежных работ называют планетар­ ным пограничным слоем. Это название было предложено

Леттау (Lettay, 1939), его употребляют Флон и Пенндорф

(Flohn, Penndorf, 1950) и др.

В. М. Михель (1948), исходя из строения атмосферы в це­ лом, в том числе тропосферы как среды явно слоистой струк­ туры, и привлекая в качестве характеристик ход температуры,

ветра, влажности, облачности и других метеорологических эле­

ментов, делит тропосферу на два слоя: 1) зону возмущения (аналогично Георгии), 2) верхнюю зону тропосферы. Зону воз­ мущения он подразделяет на целый ряд более мелких слоев, исходя в основном из интенсивности и вида турбулентного пе­ ремешивания.

9

Сравнительно недавно была опубликована монография Шнейдер-Кариуса (Schneider-Carius, 1953), посвященная раз­

бору метеорологических и климатологических характеристик

нижнего слоя тропосферы.

Шнейдер-Кариус назвал свою работу «Die Grundschicht der

Troposphare», что можно перевести и как основной слой тропо­

сферы и как приземный слой.

Характерной особенностью этого слоя Шнейдер-Кариус счи­ тает наличие в нем главных масс дымки и слоистой облач­ ности.

М. И. Юдин (1956) по аналогии с гидродинамикой дал на­ звание нижнему слою атмосферы пограничный слой, указав,

что свойства его в основном определяются механическим взаи­ модействием, тепло- и 'влагообменом между подстилающей по­ верхностью и атмосферой.

Аналогичное название нижнему слою атмосферы приведено

С. П. Хромовым и Л. И. Мамонтовой (1955), которые указы­

же в условиях турбулентной атмосферы он имеет толщину в не­ сколько сот метров.

Д. Л. Лайхтман в своих последних работах также придер­ живается названия пограничный слой. Автор не считал возмож­

ным вводить какое-либо новое название для нижнего слоя тро­ посферы, поэтому, исходя из особенностей физических процес­ сов, развивающихся здесь, остановился на термине, принятом

граничного слоя будем называть приземным подслоем, или для сокращения — приземным слоем.

В дальнейшем тропосферу будем делить на: 1) пограничный слой и 2) слой свободной атмосферы.

Основные свойства пограничного слоя. Пограничный слой атмосферы — это слой воздуха, прилегающий в земной поверх­ ности, свойства которого в основном определяются механиче­ ским взаимодействием, тепло- и влагообменом между атмосфе­ рой, с одной стороны, твердой и жидкой оболочками земли,— с другой. Строго говоря, в годовом ходе температуры и влаж­ ности воздуха влияние тепло- и влагообмена с почвой и водой сказывается во всей тропосфере и даже в нижней стратосфере. С этой точки зрения, атмосфера в целом может рассматриваться как пограничный слой земли.

тепла и влаги, а сила внутреннего трения сравнима с отклоняю­ щей силой вращения земли, благодаря чему ветер заметно отличается от геострофического.

10

Характерным свойством пограничного слоя является пово­ рот ветра с высотой в Северном полушарии вправо, рост скоро­ сти ветра, определенный суточный ход ветра, а также большие,

постепенно убывающие с высотой, суточные амплитуды темпе­ ратуры и влажности.

Структура пограничного слоя атмосферы в значительной мере обусловлена взаимодействием движущихся воздушных масс с подстилающей поверхностью. Это взаимодействие осу­

ществляется беспорядочно движущимися вихрями благодаря обмену количеством движения, теплосодержанием, влажностью

и другими свойствами между деятельной поверхностью почвы и атмосферой. В результате вихревого перемешивания в погра­ ничном слое устанавливается определенный профиль скорости, ветра, температуры и влажности. При изменении радиацион­ ного баланса деятельной поверхности или ее увлажнении, или, наконец, при изменении горизонтального градиента давления благодаря непрерывно существующей турбулентности соответ­ ствующим образом изменяется вертикальное распределение

метеорологических элементов в пограничном слое атмосферы.

Особыми свойствами отличаются также закономерности из­ менения с высотой характеристик электрических (градиент по­ тенциала, проводимость), оптических (видимость) и др.

Пограничный слой может быть расчленен на более тонкие слои, обладающие рядом важных физических особенностей. Из

них наибольшее значение имеет приземный слой воздуха— слой толщиной по одним данным 30—50 м, по другим — 100—300 м, непосредственно прилегающий к подстилающей поверхности.

Приземный подслой воздуха характеризуется относительно малыми изменениями потоков тепла, влаги и турбулентных на­ пряжений, его иногда называют квазистационарным подслоем.

Вертикальные градиенты метеорологических элементов в этом

слое быстро убывают с высотой, а коэффициент турбулентного обмена возрастает от очень малых значений до значений, ха­ рактерных для пограничного слоя в целом.

Высота пограничного слоя определяется действием в основ­ ном трех факторов: турбулентного трения, термической страти­ фикации и радиации. В большинстве случаев трение и конвекция действуют совместно и примерно одинаково, и только изредка

практически можно указать на раздельные влияния каждого из них.

Верхний уровень пограничного слоя в антициклонических условиях обычно характеризуется инверсионным слоем или слоем

с уменьшенными значениями вертикального градиента темпе­ ратуры у7Ю0 м.

Например, Шнейдер-Кариус считает, что выше пограничного слоя всегда располагается переходный слой, часто достигаю­ щий значительной толщины. . В целом этот слой обнаруживает большое сходство со слоем перехода от тропосферы к страто­

11

сфере, с наличием скачка в ходе температуры и влажности воз­ духа и скорости ветра. Этот переходный слой назван им «пеплопаузой», а сам пограничный слой — «пеплостратум» (пеплум — по латыни «плащ»), т. е. защитный, подобный плащу, для зем­

ной поверхности слой воздуха.

Видимая граница пограничного слоя в некоторых случаях проявляется в виде конца покрова слоистых подынверсионных облаков и слоя дымки, а при развитой конвекции — вершинами кучевых облаков.

Значительно изменяют структуру пограничного слоя атмо­ сферы всевозможные неоднородности земной поверхности, раз­ личия ее тепловых свойств, условий испарения, рельефа мест­ ности и т. п. В каждом из таких случаев вблизи земной поверх­ ности под влиянием процессов трансформации воздуха обра­ зуется внутренний пограничный слой с толщиной, растущей по

мере удаления от границы, на которой имеет место изменение

свойств подстилающей поверхности.

На строение пограничного слоя весьма большое влияние

оказывают также слои свободной атмосферы, в основном в виде адвекции воздушных масс с различными физическими свой­

ствами.

Наиболее отчетливо проявляются все свойства пограничного слоя при ослабленной адвекции в свободной атмосфере, т. е.

при барических системах с малыми горизонтальными градиен­

тами давления.

Поскольку на строение пограничного слоя действует не­ сколько факторов, его высота и характерные особенности могут меняться в относительно больших пределах.

Теоретические исследования Д. Л. Лайхтмана по строению пограничного слоя. В работах Д. Л. Лайхтмана (1952а, 1956)

сделаны теоретические обобщения для подсчета ряда основных характеристик пограничного слоя — его высоты, коэффициента

турбулентного обмена и мощности конвекции. Эти исследова­ ния представляют настолько большой интерес, что необходимо было выделить их в особый раздел и далее широко использо­ вать во всей работе.

После написания данной монографии эти теоретические исследования Д. Л. Лайхтман весьма успешно продолжил (1958). Ему удалось связать распределение ветра, температуры, влажности и характеристик турбулентности в пограничном слое с обусловливающими их внешними факторами — радиационным балансом деятельной поверхности, температурой, ветром и

влажностью на верхней границе пограничного слоя, шерохова­

тостью и теплофизическими характеристиками почвы. Эти тео­ ретические разработки в дальнейшем могут позволить прогно­ зировать ветер, температуру, влажность, турбулентность в по­ граничном слое и составляющие теплового баланса, если

воздушная масса с известными термодинамическими свой­

12

ствами в свободной атмосфере поступит на заданную подсти­ лающую поверхность.

Д. Л. Лайтхман, исходя из идей П. А. Молчанова, отметив­

шего возможность использования уравнения баланса энергии турбулентности для изучения влияния температурной неодно­ родности на турбулентность, привлекает в качестве недостаю­ щего уравнения так называемое уравнение баланса энергии

турбулентности.

Считая, что в стационарных условиях вертикальный про­ филь температуры известен и необходимо найти вертикальное распределение ветра, коэффициента турбулентности и высоту

пограничного слоя при заданном горизонтальном градиенте давления, сведем задачу к решению следующей системы урав­

нений:

щения земли, ф — широта места.

Рассматривается установившееся состояние, при котором не­ посредственная диссипация энергии турбулентности в тепловую энергию мала.

Величину k заменяют некоторым средним или постоянным

значением для всего пограничного слоя и '.путем интегрирования

ветра растет с высотой, а с некоторого уровня начинает коле­

баться около значений ог.

За высоту пограничного слоя Нп Д. Л. Лайхтман принимает

13

тот уровень, на котором производная от модуля скорости

первый раз обращается в нуль. Тогда получают для k и Нп:

Эти формулы Д. Л. Лайхтман дает и в более удобном виде:

Из полученных формул следует, что коэффициент турбу­ лентности для всего пограничного слоя прямо пропорционален квадрату геострофического ветра и обратно пропорционален

отклонению вертикального температурного градиента от сухоадиабатического. Высота пограничного слоя будет прямо про­

порциональна корню квадратному из 1коэффициента турбу­ лентности.

Одной из важных характеристик, также определяющих строение пограничного слоя, является конвекция.

Д. Л. Лайхтманом (19526) был предложен метод и выве­ дена формула для подсчета энергии термической конвекции.

В формуле Лайхтмана учитывается фактическая энергия частиц воздуха (вихрей), участвующих в конвективных движе­ ниях, и обобщаются условия термической устойчивости атмо­ сферы в пограничном слое.

За меру конвекции пограничного слоя была принята работа,

которую могут совершать все участвующие в конвекции частицы в столбе единичного поперечного сечения 1 м2 высо­ той Нп за единицу времени. Эту величину Р Лайхтман назвал

«мощностью конвекции». При конвективных движениях через некоторую горизонтальную плоскость S на высоте z во всех

направлениях проходят вихри разных размеров. Работа на пути dz, которую совершает некоторый вихрь массы т^, пересекаю­

щий плоскость S снизу вверх, будет

14

где Л—средний по слою коэффициент обмена.

По мнению Д. Л. Лайхтмана, мощность конвекции Р яв­ ляется наиболее эффективной характеристикой атмосферной конвекции и исследование ее при разных условиях погоды

позволит правильнее оценивать энергию термической конвекции в атмосфере. По величине Р может быть найдено изменение

вихревой энергии за единицу времени в единичном столбе.

В монографии будут приведены величины А, Нв и Р, подсчи­ танные по формулам Д. Л. Лайхтмана (1956).

Для этого необходимо определить величину геострофиче­

ского ветра ог.

Подсчет Нп производится по формуле

(18)

Некоторые количественные характеристики пограничного слоя

15

другой методики для получения ряда численных значений, ха­ рактеризующих строение пограничного слоя.

Высота пограничного слоя. В первую очередь рассмотрим вы­ соту пограничного слоя как одну из его основных характери­ стик. По Д. Л. Лайтхману, высота пограничного слоя Нп может быть вычислена по данным профилей температуры и ветра.

В целом же ряде других работ даются в основном качествен­ ные способы определения Яп, отличающиеся, как правило, не­ определенностью своих результатов. Высота пограничного слоя может быть определена по спирали Экмана, но этот метод свя­ зан с рядом трудностей и не всегда дает хорошие результаты.

Большой интерес представляет определение Яп по резуль­ татам шаропилотных наблюдений или самолетного зондирова­ ния. В этом случае ориентировочная высота пограничного слоя Нп может быть определена без каких-либо расчетов.

Можно рекомендовать проводить определение Нп следую­ щим образом:

а) в зимнее время года и ночью: 1) по верхней границе при­ земной инверсии, 2) по нижней границе приподнятой инверсии,

3) по верхней границе подынверсионных слоистообразных обла­ ков;

б) в летнее время и в дневные часы: 1) по верхней границе конвективной облачности, не переходящей в СЬ, 2) по нижней

границе высокой инверсии, изотермии или уменьшенного зна­ чения у на уровне 1,5—3 км;

в) в любое время года и суток: 1) по профилю ветра высо­

той слоя, где прекращается рост скорости ветра и устанавли­ вается постоянство его направления-, 2) по распределению дымки и облаков нижнего яруса, 3) по началу высоты инверсии сжатия.

Но все эти способы являются чисто качественными, отли­

чаются большой неопределенностью результатов и далеко не во всех случаях с их помощью может быть надежно определена

высота пограничного слоя.

Высота пограничного слоя может быть определена как уро­

вень, на котором воздушный поток получает направление

и величину геострофического ветра. Этот уровень можно найти по профилю скорости ветра в точке, на которой изогнутая кри­ вая переходит почти в прямую. Хотя зона трения по профилю ветра может быть определена очень просто, но численные зна­ чения ее будут получены весьма ориентировочно. Например, для Линденберга по этому методу среднегодовая высота Нп бу­ дет 500—600 м.

Для Павловска высота пограничного слоя, согласно подсче­

16

Таблица 1

Ориентировочные величины высоты пограничного слоя Нп и скорости

очевидно, за счет уменьшения значений вертикального темпера­ турного градиента у, поскольку Нп является, согласно формуле (18), функцией иг и у.

В работе В. Л. Архангельского (1955) для среднегористого района Восточной Сибири по шаропилотным наблюдениям слой действия силы трения (а следовательно, и высота пограничного слоя) получился равным 750—900 м с колебаниями от 620

идо 14-10 м.

Впериод работ некоторых экспедиций ГГО, по данным ра­ диозондовых наблюдений в летнее время в антициклонических условиях, автором (1956) была определена следующая высота пограничного слоя: Пахта-Арал 3,7 км (VII 1952 г.), Каменная Степь 2,9 км (VI 1951 г.), Минеральные Воды 2,6 км (VIII-—IX

1954 г.).

Высота пограничного слоя определялась в дневные часы по наличию слоя с уменьшенными значениями у или слоя инвер­

сии. Средние значения Яп, определенные по перелому в про­ филе ветра в Линденберге, получились значительно меньшими,

чем величины Нп для Павловска, приведенные в табл. 1 и под­ считанные по формуле (18). Это можно объяснить отчасти тем, что метод шаров-пилотов дает уменьшенные климатические ха­ рактеристики скорости ветра потому, что он применялся в основном при антициклонической погоде, вследствие чего полу­

Большие различия в определении Нп разными методами по­

ГОС , ■'•Л.ЧЧНАЯ