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

—0,367100 м, в слое 0,6—1,0 км — 0,21 и в слое 1,0—1,5 км 0,25,

т. е. инверсия температуры в среднем охватывала слой до 1,0 км

высотой.

Некоторые подсчеты, связанные с условиями образования туманов, приведены Флиглем (Fleaqle, 1953).

С. П. Хромов (1948) указывает, что устойчивая стратифика­ ция при слабом ветре создает именно ту небольшую степень тур­ булентности, которая нужна для распространения тумана по вертикали, но недостаточна для его рассеивания.

И. Ф. Прихотько (1952) отмечает большую роль вертикаль­ ного обмена и восходящих движений при образовании как ра­

диационных, так и адвективных туманов.

Урфер (Urfer, 1956) высказывает гипотезу о том, что в слое до 300 м при туманах обнаружены три фазы развития: инверсия,

изотермия и приближенно влажноадиабатический градиент.

В верхнем слое в связи с радиацией и испарением часто наблю­ дается неустойчивое состояние; неустойчивые слои при тумане постепенно опускаются вниз, вызывая понижение температуры и изменение распределения у в слое тумана.

228

И. В. Кашеленко (1956) установил, что для перемещения

адвективных туманов необходимо условие То — Тп~>5—6°, при меньших значениях обычно туман приподнимается, переходя

в низкую облачность. В слое тумана всегда устанавливается слабый положительный градиент или изотермия. Происхождение

приподнятой инверсии он объясняет наличием адвекции теплого воздуха.

Пепплер (Peppier, 1934) приводит график, иллюстрирующий

Нм

1000

500

О

Рис. 77. Профили t, г и т при туманах с инверсией от земной поверхности в Линденберге.

увеличение мощности тумана с ростом скорости ветра в слое тумана.

В. Н. Колесникова (1958) для района Ташкента устанавли­ вает, что адвективные туманы развиваются под слоем инверсии, в слое тумана часто у>1°,0, туманы сохраняются по нескольку дней, радиационные туманы образуются в слое приземной ин­ версии.

По материалам змейковых подъемов и подъемов привязных шаров при туманах в Линденберге (Берлин) за 1910—1923 гг. выделены два основных типа профилей температуры воздуха,

относительной влажности и температуры точки росы: 1) инверсия температуры начинается от самой земной поверхности, относи­ тельная влажность и точка росы резко уменьшается с высотой

(рис. 77) и 2) инверсия температуры начинается с некоторой

229

высоты. В подынверсионном слое наблюдаются величины относи­ тельной влажности, близкие или разные 100% (рис. 78).

Из общего числа 82 подъемов при туманах в Линденберге при инверсиях, начинающихся от земной поверхности, было 36 подъемов, при наличии приподнятой инверсии — 41 и при 5 подъе­

мах, несмотря на наличие тумана, инверсии в слое до 1,5 км не

наблюдались. Мощность приземной инверсии и высоты нижней

Рис. 78. Профили t, г и Т при туманах с приподнятой инверсией в Линденберге.

границы приподнятой инверсии при туманах характеризуют данные табл. 80.

Таким образом, наличие приземной инверсии температуры не

Таблица 80

Повторяемость мощности слоя инверсии и высоты инверсионного слоя при туманах над Линденбергом

230

является обязательным для образования тумана. Высокие туманы чаще всего образуются при приподнятой инверсии. В некоторых

случаях туман может быть и при отсутствии инверсии темпера­

туры в пограничном слое.

Туманы в Линденберге имели четко выраженный суточный

Рис. 79. Профили t, г, q и у при туманах с инверсией от земной поверхности в Алма-Ате.

остальные приходились на утренние часы, подъемов ночью не производилось.

Следует отметить, что подъемы при туманах в Линденберге чаще всего производились на воздушных змеях при скоростях

ветра на высоте 50—100 м не менее 5—6 м/сек., поэтому чисто радиационные туманы были преуменьшены.

Повторяемость скоростей ветра у земной поверхности при

туманах всех типов получилась следующей:

В распоряжении автора было небольшое количество данных, полученных при аэростатных подъемах при тумане в Алма-Ате

и Той-Тюбе (Ташкент). На рис. 79 даны примеры строения ниж-

231

него слоя атмосферы при туманах в Алма-Ате, когда инверсия

начиналась от земной поверхности, и на рис. 80 при наличии при­ поднятой инверсии. Здесь из 18 подъемов при туманах в 10 слу­ чаях инверсия начиналась от земли и в 8 случаях была припод­

1—2 м/сек. и в 3 случаях 2—4 м/сек.

20 зо i,o q 20 зо изд

Рис. 80. Профили t, г, q и v при туманах с приподнятой инверсией в Алма-Ате.

Данные суточного аэростатного зондирования в Той-Тюбе при наличии туманов, приведенных на рис. 81, где пунктирной линией нанесена предполагаемая верхняя граница тумана, опре­ деленная по уровню начала резкого уменьшения г°/о, показывают,

что высокие устойчивые туманы наблюдались только при инвер­ сии, начинающейся с уровня 50—200 м. Как видно из рис. 77 — 81, профили t° и г% мри туманах в Линденберге, Алма-Ате и

Той-Тюбе весьма схожи между собой.

По материалам двух круглосуточных серий аэростатных зон­ дирований на ст. Долгопрудная была зафиксирована верхняя

граница тумана.

На рис. 82 приведено изменение верхней границы тумана во времени при подъемах 12—13/1 1956 г. и 27—28/XII 1955 г. и

232

профиль температуры. 1 уманы 27—28/XII с температурами 2—4° нужно отнести к адвективным туманам, а туманы 12—13/1 —

к радиационным при температурах воздуха —12, —14°. Как вид­ но из рисунка, радиационные туманы наблюдались при глубокой инверсии, туманы адвективные — при изотермии или у ~ 0,6-^- 0°,7.

Нм

Рис. 81. Вертикальные профили температуры 22—23/XII (а), распределение температуры по высоте в дни с туманами (увлажненная подстилающая по­ верхность) (б) 8—12/XII 1952 г.

Мощность обоих видов тумана может колебаться во времени в весьма значительных пределах. Например, 28/XII в 2,5 часа записано: «туман плотный, верхняя граница четко выражена — волнистая», в 7 часов наблюдатель отмечает: «верхняя граница тумана неровная, колеблется от 230 до 330 м».

При сериях подъемов 12—13/1 1956 г. верхняя граница тумана часто сливалась с разорванно-слоистой облачностью. Например, 12/1 в 16,5 часов отмечено: при спуске верхняя граница тумана

233

(St) 740 м. Разрыва между туманом и St нет»; 13/1 в 10,4 часа

записано: «туман с высотой уплотняется и соединяется с нижней границей Frst, четкой границы между ними нет».

Распределение мощности тумана для приведенных серий зон­ дирований дано в табл. 81.

Больше всего случаев приходилось на туманы мощностью от

100 и до 300 м.

Рис. 82. Изменение верхней границы тумана на ст. Долгопрудная.

Рассмотрим вертикальное строение радиационного тумана в низинах со стоком холодного воздуха по результатам зондиро­ вания в ночные и утренние часы в Цуриковке, Кокчетавской

234

профиль местности. Подъемы метеорографа проводились с ни­ зины. Характерной особенностью рассматриваемых туманов являлось их образование в низине на участках с минимальными

температурами почвы и воздуха, небольшая вертикальная мощ­ ность тумана h ~25-*- 30 м, определяемая визуально со склона,

наличие слоя воздуха высотой 120—150 м с глубокой инверсией, слабые скорости ветра с v < 1,5 м/сек. до высот 300—400 м. При тумане 1/VI от 0,0 до 0,2 часа наблюдалось понижение темпе­

ратуры воздуха Д/° и уменьшение удельной влажности Аг/ г/кг,

составлявшие за 2 часа соответственно на высоте 2 м 1°,3 и 0,4 г/кг, на 50 м 1°,2 и 0,7 г/кг, на 100 м 0°,8 и 0,4 г/кг с максиму­

мом этих величин на уровне верхней границы тумана /г — 25 м,

At = 2°,5 и Д</ = 1,0 г/кг.

Туман образовался в пленке выхоложенного воздуха, дальней­ ший сток холодного, но более теплого, чем в низине, воздуха происходил сверху пленки над слоем тумана. Максимальное по­ нижение температуры на верхней границе тумана за 2 часа было, очевидно, следствием нескольких факторов, но в первую очередь

стока холодного воздуха, а затем уже радиационного излучения слоя тумана и испарения капель. Характерно, что в слое тумана профиль температуры перешел из инверсионного почти в изотер­ мический, а глубокая инверсия была уже над туманом.

Наличие весьма большого слоя охлаждения воздуха h — 120 м показывает на сравнительно хороший в первую очередь горизон­ тальный обмен. По наземным наблюдениям в. эту ночь было

235

отмечено также образование сильной росы. Вероятно, весь избы­ ток сконденсированного водяного пара перешел в росу. Таким образом, при сильных росах слой воздуха, из которого осаж­ дается водяной пар, может охватывать несколько десятков, а иногда и сотен метров.

Для процессов туманообразования большое значение имеет

величина коэффициента турбулентного обмена k, как фактор, обеспечивающий перенос влаги от подстилающей поверхности.

В табл. 82 сделан подсчет величин k при помощи формул (18). Поскольку при туманах обычно больших различий в высотах пограничного слоя и мощности слоя тумана не наблюдается, можно считать, что подсчитанные значения k будут характеризо­

вать условия обмена в слое тумана.

Таблица 82

Характеристика строения пограничного слоя при туманах

Радиозондовые наблюдения при туманах в пос. Воейково ис­

пользованы для подсчетов k и Яп-

Разбивка туманов на радиационные и адвективные для пос. Воейково и Линденберга сделана весьма приближенная, исходя из величин скорости ветра и облачности перед образова­ нием туманов.

Несмотря на различное географическое положение пунктов при радиационных туманах величины k в среднем получились весьма близкими в пределах 0,4—0,6 м2/сек. Высоты погранич­ ного слоя менялись всего от 210 до 400 м.

При адвективных туманах величина k возрастала почти на

порядок и составляла в пос. Воейково 6,3 м2/сек. Усиление турбу­

лентного обмена до некоторого оптимума должно создавать ту­ маны большей вертикальной мощности.

Адвективные туманы над водоемами

Адвективные туманы встречаются главным образом над морем, где суточный ход температуры поверхности воды вдали от берега не превышает 0°,5 и роль адвективного охлаждения

236

будет значительно больше, чем радиационное охлаждение ниж­ него слоя воздуха. Второй важной отличительной чертой адвек­ тивных туманов является сравнительно широкий диапазон ско­ ростей ветра, при которых они наблюдаются.

Аэрологические исследования адвективных туманов над во­ доемами проведены по материалам: а) аэростатного зондирова­

ния на о. Диксон, б) аэростатного зондирования с ледоколов над морями Карским и Лаптевых, в) подъемов воздушных змеев и привязных баллонов над Боденским озером.

Туманы над о. Диксон. На о. Диксон в летнее время большое распространение имеют адвективные туманы. Более половины всех туманов о. Диксон приходится на четыре месяца (июнь — сентябрь). В этот период в среднем наблюдалось по 15 случаев с туманами в месяц, с максимумом в июле — 28 случаев тумана. Наиболее часты туманы продолжительностью менее 2 час., зна­ чительно реже наблюдаются туманы 'продолжительностью более 8 час. Все летние туманы сопровождаются ветрами значитель­ ной скорости у земной поверхности, порядка 4—6 м/сек.

В августе 1957 г. под руководством В. И. Селицкой на о. Дик­ сон была проведена сравнительно большая серия аэростатных

подъемов с целью изучения туманов.

Приведем несколько примеров с профилями основных метео­

рологических элементов при ветрах с моря как с отсутствием ту­

манов, так и при наличии тумана и низкой слоистообразной облачности. Типичные профили основных метеорологических

элементов приведены на рис. 84.

Здесь характерным является наличие двух, резко отличных по строению слоев воздуха: нижний от земли и до уровня примерно 0,3 км и более высокий слой, верхняя граница которого при подъемах не была достигнута.

В нижнем слое под влиянием трансформации воздушной массы при ее движении над Карским морем наблюдается пони­ жение температуры воздуха с величинами у — 0,7—1,0°/Ю0 м, причем температура воздуха 70 и воды Тп почти равны между

собой, т. е. при длительном движении над водоемом в приземном слое происходит выравнивание То =Тп при условии Тп = const.

При отсутствии туманов относительная влажность воздуха над водой г —80% несколько растет с высотой, т. е. несмотря на длительное движение воздуха над водоемом q <^qn , где qn и q — насыщающая и фактическая влажности воздуха.

Величина удельной влажности q в нижнем слое остается почти постоянной, скорость ветра v быстро растет с высотой и достигает

8—9 м/сек. на уровне примерно 200 м. Величина коэффициента турбулентного обмена kz подсчитана по структурной формуле

Ляпина.

При туманах величины kz сравнительно велики, 3—5 м2/сек., что указывает на интенсивный турбулентный обмен в нижнем слое, это подтверждается постоянством q с высотой. При наличии

237