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

250—300 м. Относительная влажность в слое тумана примерно равна 100%; у = 1—2 м/сек., оставаясь почти постоянной до начала инверсии, а выше резко возрастет. В слое инверсии наряду

с повышением температуры наблюдается быстрое уменьшение относительной влажности и, очевидно, верхняя граница туманов близко совпадает с началом слоя инверсии. Тогда средняя высота слоя тумана и пределы ее изменения над Боденским озером будут следующими:

уг и k с увеличением интенсивности туманов, но в относительно небольших пределах.

Таблица 90

Характеристика пограничного слоя в дни без туманов над Боденским озером

ром величины коэффициента обмена k примерно в 2,5 раза больше, чем при туманах, возрастает На и далеко не всегда наблюдается вблизи земной поверхности инверсионный слой.

248

При туманах над водоемом скорость ветра на высоте 100 м часто несколько меньше, чем на высоте 2 м, и больше 6 м/сек.

не встречается (табл. 91).

На рис. 87 приведена зависимость для Боденского озера вели­

в области положительных у и очень медленно в зоне отрицатель­ ных градиентов.

Несмотря на отсутствие приземной инверсии при туманах над Боденским озером во всем пограничном слое в общем наб­ людается устойчивая стратификация.

Таблица 91

Повторяемость скоростей ветра на уровнях 2 и 100 м при туманах над Боденским озером

Туманы испарения

Туманы испарения с водоемов можно рассматривать, как один из видов туманов холодной адвекции, при которых основным процессом насыщения воздуха водяным паром является испаре­ ние.

249

Туманы испарения образуются в холодное время года над незамерзающими водоемами в береговой зоне. Сведения о тума­

наблюдаются над Кольским заливом, причем они нарушают работу такого крупнейшего незамерзающего порта, как Мур­ манск.

Туманы испарения развиваются также над р. Ангарой в первую половину зимы.

Г. Виллет (1932) отмечает, что туманы, обусловленные пере­ носом холодного воздуха над теплой водной поверхностью, не имеют практического значения, так как по своей природе они не способны становиться густыми и сохраняться подолгу. Однако иногда морские испарения могут развиваться в устойчивый

густой туман при исключительных обстоятельствах: а) должна быть весьма устойчивой стратификация, лучше всего значитель­ ная инверсия в самых нижних слоях холодной воздушной массы, б) температура воздуха должна быть так низка, чтобы сравни­ тельно малое количество влаги уже производило пересыщение,

иначе продолжительное нагревание разрушило бы термическую устойчивость стратификации.

П. А. Молчанов (1938) указывает на прохождение холодного

воздуха над теплой водной поверхностью, которое ведет к тому, что образовавшиеся капли тумана в виде отдельных струек поднимаются вверх, будучи более легкими,' чем окружающий воздух, и быстро рассеиваются, если над ними не имеется доста­ точно мощного инверсионного слоя. Инверсионный слой над теплой водной поверхностью может образоваться лишь в очень редких случаях.

Наиболее правильно вопрос об условиях образования туманов испарения освещается в «Курсе климатологии» О. А. Дроздовым (1952): «Образование туманов испарения над водоемами в осеннее и зимнее время связано с наличием слоя инверсии на небольшой высоте, затрудняющего обмен между нижними слоями атмосферы и вышележащими. Теплая водная поверхность интенсивно испаряет в находящийся над ним холодный воздух. Однако если бы не было инверсии, пар и капли не смогли бы скапливаться в больших количествах в приводном слое, а вызы­ вая здесь перенасыщение уносились бы вверх». Аналогичное мнение было приведено Н. В. Петренко [Руководство по прогно­ зам (1954)], но фактическими материалами эти высказывания не были подтверждены.

Аэрологическое строение нижнего слоя атмосферы при тума­

Туманы над Кольским заливом. Туманам испарения над Кольским заливом посвящены работы Б. Яковлева (1936) и

250

Г. Ф. Прихотько и Н. И. Егорова (1946). Основными факторами, определяющими условия образования туманов испарения Коль­ ского залива, авторы этих работ считают наличие:

1.Малых барических градиентов.

2.Арктического или сильно выхоложенного континентально­

полярного воздуха.

3.Устойчивой стратификации нижнего слоя атмосферы.

По мнению Прихотько и Егорова, существование приземной

инверсии не обязательно для образования тумана, необходима лишь устойчивая стратификация.

Н. К- Ханайченко в своей работе (1946) указывает, что в зим­

ний период прохождение холодного арктического воздуха над

Рис. 88. Распределение температуры воздуха над Коль­ ским заливом за январь и февраль 1953 и 1954 гг.

1— при туманах испарения, 2 — без туманов.

незамерзающей частью Баренцева моря вызывает прогрев его; при этом часто образуется неустойчивая стратификация воздуш­

ных масс до высоты 2,5—3 км, следствием чего является разви­ тие кучевой облачности и ливневых осадков, называемых здесь «зарядами», сопровождающихся шквалистыми ветрами и ухуд­ шением видимости.

Сопоставляя эти работы, можно считать, что северные ветры в зимний период будут приносить над Кольским заливом массы

относительно теплого воздуха с неустойчивым состоянием в ниж­

нем слое, в связи с чем образование туманов в этих условиях можно считать исключенным. Туманы испарения над Кольским заливом могут образовываться только при холодных южных ветрах с суши.

Для выяснения строения нижнего слоя атмосферы как при

образовании туманов, так и при их отсутствии рассмотрим ре­

зультаты аэрологических наблюдений над Кольским заливом

в январе — феврале 1953 и 1954 гг.

Распределение осредненной температуры воздуха над заливом

при туманах испарения и без туманов (рис. 88) позволяет отме­

тить, что в январе — феврале 1954 г. температуры воздуха были

251

значительно выше, чем за тот же период 1953 г. Вертикальные

профили температуры воздуха за оба года имеют много общего

как для случаев с образованием туманов испарения, так и при отсутствии туманов.

Средняя температура воздуха на высоте 2 м при наличии туманов испарения ниже —159, при отсутствии выше —11°. Принимая температуру воды постоянной и равной 0°, можно считать, что необходимый перепад температуры вода — воздух,

для того чтобы началось интенсивное испарение с водной поверх­ ности и конденсация водяного пара, должен составлять—11,

—12°. Второй особенностью вертикального профиля температуры при туманах испарения является наличие инверсии температуры,

начинающейся на высоте 60 м в 1954 г. и на высоте 100 м в 1953 г. При отсутствии туманов испарения инверсия также наблюдается, но на значительно большей высоте: в 1953 г. на высоте 305 м и в 1954 г. на высоте 220 м.

Как при туманах испарения, так и без них в нижнем слое 25—30 м над Кольским заливом наблюдаются сверхадиабатиче­

ские градиенты температуры, вызывающие большую неустойчи­ вость воздуха в этом слое и интенсивный вертикальный обмен. Существование низкой инверсии при туманах ограничивает

вертикальный обмен относительно небольшим слоем, а располо­ жение инверсионного слоя ниже гряды холмов, идущих вдоль Кольского залива, затрудняет и горизонтальный обмен, в резуль­ тате чего происходит накапливание капель в слое 60—100 м и образование сплошного плотного тумана.

Для выяснения роли инверсии в образовании туманов разде­ лим все случаи с подъемом аэростатного метеорографа на

4 группы. К группе 1 отнесем случаи с туманом испарения и

приподнятой инверсии в слое до 400 м над водной поверхностью, к группе 2 — с отсутствием низкой инверсии и тумана, к группе 3— с инверсией температуры без тумана испарения и 4—с высо­ кой инверсией и наличием слабого низкого тумана.

Туманы испарения, имеющие разную плотность и высоту, раз­ делим на четыре подгруппы: а) высокие сплошные, б) высокие умеренные, в) высокие слабые, г) слабые низкие. В табл. 92 приводим распределение числа случаев и средних значений

метеорологических элементов для каждой из перечисленных

групп.

На рис. 89 приведены несколько сглаженные кривые распре­ деления средней температуры воздуха на высоте 2 м и высоты инверсии при туманах испарения различной интенсивности по наблюдениям 1953 и 1954 гг. (кривые 1 и 2).

Несмотря на некоторые различия в абсолютных значениях

температуры воздуха в 1953 и 1954 гг. общий ход и закономер­ ности выделяются достаточно четко. Сплошные высокие туманы испарения образуются при температурах от ■—16° и ниже и вы­ соте инверсии 80—85 м. Перепад температур вода — воздух на

252

Таблица 92

Распределение подъемов аэростатного метеорографа в 1953 и 1954 гг. по Группам

Группа

высоте 2 м и больше —11° должен явиться переходной зоной для

начала образования туманов. Очевидно, инверсия температуры в период января — февраля является обычной в районе Коль­ ского залива, причем высота ее может колебаться в относительно больших пределах, а иногда и совершенно отсутствовать. Напри­ мер, в массах воздуха, пришедших с северо-запада и прогретых до достаточно большой высоты, она может отсутствовать.

Наоборот, в воздухе континентального происхождения, образо-

ТУМАНЫ

Рис. 89. Распределение высоты инверсии и температуры воздуха на высоте 2 м при туманах разной интенсив­ ности.

а —начало инверсии, б — температура на высоте 2 м.

вавшегося в антициклоне или гребне высокого давления и выхо­ ложенного за время его пребывания над сушей, инверсия начи­ нается от самой земной поверхности. Только при переходе холод­

ного воздуха на теплую водную поверхность происходит его прогрев, инверсия уничтожается у водной поверхности и высота ее повышается от 0 до 80—100 м. Инверсия, задерживая обмен

по вертикали и горизонтали, способствует образованию туманов испарения.

Измерение влажности воздуха гигрометром при низких тем­ пературах из-за большой инерции волоса ненадежно. Поэтому

приведенные в табл. 93 величины относительной и удельной влажности являются ориентировочными, дающими скорее каче­ ственную картину.

254

Распределение по высоте относительной и удельной влажно­ сти в дни с туманами испарения и без них показывает на различ­

ное происхождение масс воздуха в обоих случаях. При туманах испарения приходит сухой воздух, насыщающийся в нижнем

слое при движении над водной поверхностью, в дни без туманов

воздух был морского происхождения с более высокой начальной температурой и удельной влажностью.

Относительная влажность при туманах в слое до 150—200 м составляет 100% по отношению ко льду, от слоя 300—400 м наме­ чается резкое уменьшение относительной влажности до 85—86%.

Для характеристики состояния нижнего слоя атмосферы как в дни с туманами испарения, так и без туманов, приведем рас­

пределение скорости и направления ветра по высотам за январь

наблюдается. Очевидно, вследствие того, что подъемы привязного аэростата не производились при скоростях ветра у земной поверхности более 9—10 м/сек., приведенные величины скорости будут несколько меньше наблюдаемых в этот период скоростей ветра в районе г. Мурманска.

В нижнем слое 100 м преобладающий ветер во все дни как

стуманом, так и без 'тумана имеет южное направление, т. е. вдоль Кольского залива, выше 100 м наблюдается поворот ветра

спереходом от слоя 400—500 м на градиентный ветер, напра­ вление которого при туманах будет юго-восточным, а в дни без тумана западным и северным.

Скорости ветра на высоте 2 м у водной поверхности Коль­ ского залива достигают, как правило, максимума, несколько уменьшаясь к уровню 100 м, и далее снова растут, особенно зна­ чительный рост скорости ветра наблюдается на верхней границе инверсии.

Для характеристики структуры воздушного потока в призем­ ном слое за рассматриваемый период приведем распределение

по высоте числа Ричардсона Ri, пульсаций вертикальной и гори­ зонтальной составляющих скорости ветра, коэффициента обмена k и других характеристик как для дней с туманом, так и для периодов без тумана.

При туманах испарения табл. 95 до высоты примерно 100 м Ri< 1 и состояние атмосферы будет характеризоваться интен­ сивным развитием турбулентности во всем слое. Выше 100 м и при туманах обычно начинается инверсия температуры, при кото­ рой, как известно, наблюдается значительное ослабление турбу­ лентности и величина Ri Д> 1. Для дней без туманов испарения

величина Ri< 1 будет доходить примерно до 200—300 м и только дальше Ri > 1, т .е. здесь также в слое инверсии начинается ослабление турбулентности. Но в общем в нижнем слое 100 м над Кольским заливом в среднем должна развиваться интенсив-

256