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

лающих поверхностей обычно наблюдаются между сушей и во­

доемом, следовательно, здесь следует ожидать и наиболее интен­ сивного процесса трансформации.

Опубликованных экспериментальных исследований трансфор­ мации воздуха над водоемами очень мало. В отчете Массачузет-

ского института в США «Сборник» (1954) даны результаты вертикального зондирования над водоемами, но только до

высоты 300 м. В обзорной работе Шеппарда (1950) рассмотрена

стратификация воздуха над морской поверхностью, но сделать какие-либо заключения об условиях трансформации по этим

материалам нельзя.

Условия трансформации воздуха над водоемами будут зави­

сеть от:

а) размеров водоема,

скорости ветра о, величины k и др.

Решение уравнения турбулентной диффузии М. П. Тимофеева (1956, 1955а) для водоемов дано в виде

Воздух, начальная температура которого у земли на суше То, движется над водной поверхностью с температурой Тп; искомая

температура воздуха над водной поверхностью на расстоянии х

духа, движущегося над поверхностью воды, и изменяется от нуля

если примем по высоте То или @0=const.

198

В формуле Д. Л. Лайхтмана (19476) учитывается начальная

стратификация воздушной массы и принимается

(88)

где е — параметр стратификации.

Но и эта формула рассчитана только до высот 10—20 м. Счи­

тая известной начальную стратификацию воздушной массы над

Рис. 65. Распределение ДТ; над Ладожским озером при квазистационарных процессах и ветре с берега.

берегом, можно подсчитать некоторую функцию А, характери­ зующую трансформацию воздуха

принимая Д0Т=Т„-Т0, ЬТ=Тхг-Т0 и ^т=тхг-тг,

получим

На рис. 65 приведены примеры распределения величины A]T

над водоемами на разных z и х. Прогрев массы воздуха при ее

199

перемещении на водоем будет при МТ > 0, при AiT’^O будет охлаждение. По оси абсцисс отложено расстояние от берега в сторону водоема +'х и в сторону суши —х, по оси ординат — величины Ai? —Тг—Txz.

При квазистационарной трансформации наибольшие измене­ ния температуры воздуха при ее движении с суши на водоем будут в нижних слоях, с увеличением высоты ее значения должны уменьшаться. Трансформирующееся действие подстилающей по­ верхности будет постепенно распространяться снизу вверх с за­

паздыванием в более высоких слоях по времени, а следовательно,

и по расстоянию от береговой линии. Высота h, на которую рас­ пространяется трансформация, будет по мере удаления от берега возрастать, пока не достигнет некоторого постоянного значения. Например, при полете над Ладожским озером 16/VII 1955 г.

высота слоя трансформации h на расстояниях х от берега была следующей:

Вначале значение h быстро возрастало, а затем медленно. Величины температуры воздуха по высоте Tz над берегом для тех же дней( рис. 65) приведены в табл. 71.

Таблица 71

Характеристики воздуха при квазистационарной трансформации над Ладожским озером (ветер с берега)

в38 км от берега и за 23/VII ориентировочная температура воды

в100 км от Новой Ладоги 18°2. Величины коэффициента обмена подсчитаны по формуле (10).

200

Ввиду близкого расположения пунктов и сглаженности поля изобар скорость геострофического ветра определена из шаропи­ лотных наблюдений путем подсчета

,vo,5 + vi,o + Vl,5

Вслое до 50 м процесс трансформации начинается почти сразу же после перехода воздуха с берега на водоем, на высоте

0,1 км трансформация запаздывает от 20 до 60 мин. или начи­ нается с расстояния 10—20 км от берега, на уровне 0,5 км этот процесс начинается еще позднее, примерно с х = 30—40 км.

Для получения характеристик изменения температуры воз­ духа на высотах z и на расстоянии х от берега приведем для трех полетов величины функций F и А (табл. 72).

В функции F начальная стратификция над берегом принята изотермической TZ=^TQ, при подсчете функции А взято фактиче­ ское распределение температуры воздуха на уровнях z.

Величина функции F меняется при трансформации для z 50 м совершенно иначе, чем это определялось начальными условиями. Очевидно, применение формулы (86) М. П. Тимо­ феева 7’z=7’o для слоев атмосферы выше 50 м невозможно. Несколько меньшие ошибки будут получаться, если используем среднюю температуру 'слоя, но для этого необходимо уже за­

даться начальной стратификацией.

Безразмерный параметр А меняется уже в сравнительно

меньших пределах, чем величина А\Т = Тг—Txz, поскольку

у!

здесь учитывается контраст Тп и То. Если взять отношение

(см. табл. 73), то частично будет учтено влияние размеров водоема и тогда —— в основном будет зависеть от состояния атмосферы,

т. е. в первую очередь от величины коэффициента турбулентного

обмена k.

д

Четкой зависимости величин —— от k не наблюдается, воз­

можно, из-за малого числа случаев.

При ветре с озера условия трансформации воздуха над таки­

ми относительно большими водоемами, как Ладожское озеро,

должны отличаться от трансформации при ветре с суши. Если

над сушей, должен начаться процесс трансформации.

Обычно при слабых ветрах и сильном солнечном нагревании южная, более мелководная часть Ладожского озера имеет более высокие температуры поверхностного слоя воды, чем централь­

ная и северная части озера. Поэтому воздух при ветрах север­

ной четверти горизонта, перемещаясь от маяка Сухо на Новую

Ладогу, должен постепенно прогреваться, что и наблюдалось при некоторых полетах.

201

Таблица 72

Величины функций F w А при квазистационарной трансформации над Ладожским озером

Несколько полетов над сравнительно малыми и мелковод­ ными водоемами — Цимлянским водохранилищем и Таганрог­ ским заливом Азовского моря, в отличие от полетов над Ладож­

ским озером, приходилось делать в условиях берег — водоем —

берег при более сложном процессе изменения термического режима (рис. 66). Ввиду неоднородного распределения тем­ пературы поверхностного слоя воды у берегов и в центре во­

Рис. 66. Трансформация над малыми водоемами.

а — Азовское море. 7 час. 18/VIII 1955 г., б — то же 14 час. 17/VIII 1955 г., Цимлянское водохранилище. 14 час. 28/IV 1956 г. 1 — граница водоема.

автором также в зимний период над незамерзающим Кольским

заливом (1954 г).

По аэростатным зондированиям температура воздуха, про­ шедшего путь в 10—12 км над заливом в январе — феврале 1953 г., в среднем на высоте 2 м была выше на 2°,8 температуры

воздуха над сушей, на высоте 0,2 км эта разность составляла

5 м/сек. масса воздуха проходила путь в 10—12 км за 30—40 мин.

Тп = 0°, То — —17°, АЦ =17°, значения ■— соответствовали

данным табл. 73. В январе—феврале 1954 г. средняя темпера­ тура воздуха 70 =—8°,7 при неизменной Тп =0. Средняя вели­ чина прогрева воздуха, прошедшего тот же путь над Кольским заливом, на высоте 2 м составляла А1Г = 1°,4, на высоте 0,2 км

Ai? = 0°,2.

На рис. 67 приведены профили средней температуры воздуха над сушей и над заливом на протяжении 12 км за 1954 г. взят наиболее холодный период.

203

Над сушей инверсия температуры начиналась всегда от земли

на высоте примерно 0,5 км. По прохождении массой воздуха

12 км над теплой водной поверхностью происходил прогрев ее снизу и подъем инверсии на некоторую высоту с положитель­ ными, а внизу иногда и сверхадиабатическими у.

изменялись. Небольшое количество наблюдений не дает воз­ можности подробнее исследовать зависимость функции А от

Рис. 67. Трансформация массы воздуха над заливом.

а—15yil 1954г., б— I—II 1953 г., 1 — высота инверсии, 2— про­ филь температуры над сушей, 3 — профиль температуры в транс­ формированном воздухе над заливом.

метеорологических условий, однако она может служить некото­ рым параметром, характеризующим условия трансформации воздуха.

Для иллюстрации изменения строения нижнего слоя атмо­ сферы 0,5 км в береговой зоне под влиянием трансформации при­ веден рис. 68, на котором даны профили средних значений t, q,

г, v и Дщ Пункт наблюдений, расположенный на расстоянии 0,5 км от берега моря, был открыт для ветров всех направлений.

Воздух, идущий с суши, имел температуру около 18° с величиной

у = 0,3 в слое 200 м, г —50-^45%, ~ 67 г/кг, сравни­ тельно большими скоростями и значительной порывистостью ветра.

Поток воздуха с моря был почти на 12° холоднее потока

с суши, а его температура внизу была близка к температуре по­ верхностного слоя воды. На высоте 200 м образовался слой ин-

204.

версии, в нижнем слое 100 м у~ 1,0, в слое инверсии у = —2°,6. Скорость ветра с моря и его порывистость в среднем были меньше, чем с суши. Перемещение воздуха с теплой суши на холодную водную поверхность должно сопровождаться его интенсивной трансформацией с полной перестройкой профилей всех элементов. Пример такой трансформации при теплой

адвекции над Карским морем приведен в табл. 75.

По аналогии, принимая значения функции А для Карского моря из табл. 73, можно предполагать, что температура воздуха при переходе с суши на Карское море будет быстро понижаться и после пути в 60—70 км на высоте 2 м охладится на 9°, на

высоте 50 м на 5°,5 и на высоте 100 м на 4°,2. При таком пони-

1 — ветер с моря, 2 — ветер с суши.

жении температура воздуха достигнет насыщения примерно через 40—50 км пути, где и следует ожидать начала образова­ ния тумана.

205

Нестационарная трансформация в движущихся массах воздуха над водоемами

Под нестационарными процессами трансформации будем понимать такие процессы, когда, помимо адвекции и турбулент­ ной диффузии, на движущуюся воздушную массу воздуха воздействуют другие факторы, входящие в основное уравнение притока тепла или влаги.

Трансформация при наличии бризовой циркуляции. Ряд по­ летов, совершенных автором над водоемами, проходил в условиях

Рис. 69. Трансформация при бризах (а, б) и при нисходящих потоках (в, г) .

бризовой циркуляции. Бриз представляет весьма сложное соче­

тание горизонтальных и вертикальных движений воздуха. При бризе часто наблюдается изменение направления ветра с высо­ той и наличием упорядоченных восходящих потоков над сушей и нисходящих над водоемом. Для этих случаев уравнение притока тепла можно дать в следующем виде:

искорости ветра (стрелки).

Вдневные, часы при бризах над водоемами в нижнем слое

206

В слое поворота ветра, как правило, Ai? = 0 и наблюдается инвер­

сия температуры или уменьшение значения у. В слоях, располо­ женных выше уровня смены направления ветра на противопо-

Рис. 70. Трансформация при бризах.

на обратные. При береговом бризе TXtZ >Тг , а наверху в слое

с противоположным наземному направлением ветра Тхг<Тг.

Рис. 71. Трансформация при нисходящих потоках над Ладожским озером,

При морских бризах характерно отсутствие облаков нижнего яруса над водоемом и их интенсивное развитие в некотором

удалении над берегом.

Таким образом, условия термической трансформации воздуха при бризах весьма сложны. Очевидно, для слоя до 20—50 м

возможно и при бризах ограничиться применением простейших уравнений квазистационарной трансформации.

Трансформация при наличии вертикальных движений воздуха

над водоемом. Сравнительно часто пр.. полетах над водоемами получались профили температуры и влажности воздуха, типич­

207