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

Рис. 90. Распределение Ri при ту­ манах испарения разной интенсив­ ности.

1 — плотный высокий туман, 2 — умеренный высокий туман, 3 — слабый высокий ту­ ман, 4 — слабый низкий туман.

ная турбулентность как при туманах испарения, так и без них, вызванная сверхадиабатическими градиентами температуры вследствие прогрева воздуха. Выше 100 м при туманах турбу­ лентность резко уменьшается, в дни без туманов наблюдается ее

интенсивное развитие до высоты 200—300 м.

Для характеристики распределения Ri по высоте при туманах испарения разной интенсивности приводим рис .90 по материалам наблюдений 1953 г. Здесь наиболее характерным является ход

Ri при сильных высоких туманах (кривая 1) с почти постоянной

ется некоторый перелом в слое перехода от сверхадиабатических градиентов температуры к у < 1°. Характеристикой термической

258 .

к большим отрицательным градиентам с высоты около 100 м. Скорости ветра в этих туманах в нижнем слое были около 5 м/сек. и в слое инверсии с высоты 150 м резко уменьшались до 2,5 м/сек., очевидно, усиление ветра в нижнем слое было выз­ вано местными орографическими условиями Кольского залива. Ход у и у по высотам показывает, что интенсивный обмен сосре­ доточен в относительно небольшом по вертикали слое с резким

уменьшением k в зоне раздела нижнего слоя от верхнего. При

слабом низком тумане инверсия располагается на большей

высоте и интенсивный обмен с ростом скорости ветра рас­ пространяется на слои большой мощности. Возможность нака­ пливания сконденсированной влаги в этих условиях над заливом

нужно считать исключенной, капли будут быстро уноситься вверх

и рассеиваться как по горизонтали, так и по вертикали. Высокие слабые туманы наблюдаются при росте скорости ветра во всем

слое и вертикальными температурными градиентами, промежу­

точными между плотным высоким и слабым низким туманом. Наконец, умеренный высокий туман характеризуется наличием слоя с повышенной неустойчивостью до высоты 50 м, выше вели­ чина у отрицательна и, хотя инверсия начинается очень низко,

сильного тумана не образуется, очевидно, из-за ослабленного

испарения.

Различия в строении атмосферы при образовании плотного высокого тумана и умеренного высокого заключаются в более

равномерном ходе величин Ri,у и и в слое до 400 м при умерен­

ных туманах, тогда как при плотном высоком тумане наблю­ дается большой контраст в распределении этих величин по вер­ тикали.

В заключение приведем некоторые характеристики для сле­ дующих случаев: а) с отсутствием низкой инверсии и туманов, б) с наличием инверсии и отсутствием туманов и в) со слабым низким туманом и высокой инверсией (табл. 98).

Таблица 98

____________________ Средние величины у, у и Ri____________________

260

Наибольший интерес представляет случай с наличием инвер­ сии и отсутствием тумана. Средняя высота инверсии составляет

305 м, температура воздуха на высоте 2 м составляет — Вертикальные температурные градиенты — сверхадиабатические для сухого воздуха в слое 0—50 м и для влажного воздуха в слое до 200 м с относительно быстрым ростом скорости ветра с высо­ той и интенсивным развитием турбулентных движений в слое до 300 м, судя по ходу величины Ri, а следовательно и интенсивным турбулентным обменом. Большие величины о, Ri и у указывают на возможность интенсивного горизонтального обмена. Все эти факторы, очевидно, препятствуют образованию устойчивого тумана.

Слабый низкий туман при инверсии на высоте 520 м наблю-

а — длиннопериодные, б—длинно- и короткопериодные. 1 — дни с туманами, 2 — дни без туманов.

дается при относительно низких температурах на высоте 2 м, слабых скоростях ветра и значениях Ri )> 1, препятствующих интенсивному турбулентному обмену. Поскольку основным фак­ тором для процесса испарения является перепад температур воздух— вода, то при величине перепада в 16°,8 испарение с вод­ ной поверхности имеет место, но большая высота слоя инверсии препятствует образованию тумана.

В заключение приведем на рис. 91 величины коэффициента

турбулентного обмена kz над Кольским заливом, подсчитанные

по структурной формуле Ляпина для дней с туманом и без ту­

мана. Наличие приподнятой инверсии при туманах испарения создает и своеобразный ход kz по высотам с относительно большими значениями его в слое тумана до 15 м2/сек. и резким

уменьшением kz в зоне инверсии. При отсутствии туманов вели­ чина kz меняется с высотой медленнее.

Величины k для пограничного слоя по радиозондовым наб­ людениям в г. Мурманске, подсчитанные по формуле (10), соста­ вили 5,5 м2/сек. при средней высоте пограничного слоя 750 м.

261

Туманы над р. Ангарой. Вторым районом, где проводились

аэрологические исследования туманов испарения, было верхнее

течение р. Ангары около г. Иркутска.

Из-за быстрого течения р. Ангара замерзает здесь только

в конце января — начале февраля, а температуры воздуха в это

время понижаются до —25, —35°. Такой большой контраст тем­ ператур воздуха То и воды — Гп создает весьма благоприятные

условия для мощного испарения с открытой поверхности реки и образования туманов испарения.

Эти туманы, заполяющие широкую долину р. Ангары, часто бывают настолько плотными, что видимость в них снижается до 20 м, а мощность слоя тумана может доходить до 150—200 м. Туманы имеют большое влияние на жизнь в г. Иркутске: они нарушают нормальное движение городского, речного и воздуш­ ного транспорта.

Изучением зимних туманов г. Иркутска занимались многие исследователи. Первые метеорологические характеристики этих туманов были даны В. Б. Шостаковичем (1920), который выска­

зал также общие соображения об их происхождении. Он считал, что зимние туманы в г. Иркутске образуются вследствие боль­ ших различий температур воздуха и воды р. Ангары. «Речной» туман, как назвал его Шостакович, образуясь над рекой, посте­

пенно поднимается вверх и, распространяясь по свету, закрывает густой пеленой весь город и его окрестности. По записи Шостако­ вича, в холодные зимние дни над р. Ангарой клубятся густые массы тумана, сама река как бы дымится все время, но от

берегов туман время от времени исчезает, оседая в виде ледяных кристаллов на различных пределах. Иногда отмечаются неодно­ кратные наплывания и оседание туманов. В этих случаях на записях самописцев температуры и влажности получается волно­ образный вид хода этих элементов, причем при наступлении

тумана наблюдалось повышение температуры воздуха на 1—2°

и рост относительной влажности, при прекращении тумана — понижение температуры воздуха и уменьшение влажности.

Но В. Б. Шостакович неправильно объяснял повышения тем­ пературы воздуха при наступлении тумана только за счет выде­

ления тепла при переходе капель тумана в кристаллы.

Средняя суммарная продолжительность тумана в г. Иркутске,

по Шостаковичу, составляла ;в декабре 64 часа, а в январе 37 ча­ сов. Во все остальные месяцы, кроме декабря и января, туманы

здесь очень редки и продолжительность их мала.

вязных шарах на берегу реки и выпуски уравновешенных шаров на расстоянии 100—150 м от воды.

На рис. 92 приведена карта-схема района г. Иркутска с при­

262

мерным расположением пунктов наблюдений и направлений стока холодного воздуха.

Иркутская геофизическая обсерватория находилась на рас­ стоянии 1,3 км по прямой от берега р. Ангары и выше на 40— 45 м уровня реки, АМСГ удалена примерно на 3 км от берега.

На рис. 93 приведено распределение температуры и относи­ тельной влажности воздуха при наличии туманов испарения над р. Ангарой за 4 дня: 14, 15, 19 и 21/ХП. Для этих дней в распре­ делении температуры по высоте характерно или полное уничто-

Рис. 92. Район г. Иркутска (условная схема рельефа).

Стрелки показывают направление гравитационных потоков с водораз­ делов. А — место работы экспедиции ГГО.

жение инверсии в нижнем слое 100—200 м, или значительное ее ослабление .Температуру воды в р. Ангаре можно считать

почти постоянной и равной 0°.

С высоты 100—200 м сохранялась или, возможно, частично усиливалась глубокая инверсия с быстрым ростом температуры

воздуха и величинами вертикального температурного градиента у равными —6, —8°/100 м. Верхняя граница тумана над р. Анга­

рой была определена с самолета только 21/XII в 6 час., она со­ ставляла 180 м и соответствовала началу слоя глубокой инвер­ сии. Слой тумана распространялся только до слоя начала ин-

-версии температуры.

Вдругих случаях измерить непосредственно верхнюю гра­ ницу туманов не удалось, но по наземным наблюдениям было

отмечено, что во все эти дни туман был высокий с верхней грани­

цей не менее 80—100 м.

263

По аналогии с условиями образования туманов испарения зимой над незамерзающим Кольским заливом можно считать,

что верхняя граница высоких туманов испарения над р. Ангарой должна совпадать с уровнем начала глубокой инверсии с боль­ шими отрицательными величинами у.

Для образования высоких туманов испарения необходимо не наличие инверсии температуры, а, наоборот, ее полное или ча­ стичное уничтожение во всем слое, где образуется туман, и

сохранение или даже углубление инверсии над верхней грани­ цей тумана.

К сожалению, измерение относительной влажности волосным гигрометром при низких температурах было не очень надежно,

поэтому сделать какие-либо выводы по ходу влажности при высоких туманах не удалось. Можно только отметить, что в слое

капельно-жидкого тумана относительная влажность близка к 100%. При очень низких температурах воздуха (от —15° и

ниже) показания гигрометра в туманах часто составляют 75— 80%, но в этих условиях ангарские туманы обычно состоят из ледяных кристаллов и тогда пересчет упругости водяного пара на упругость над льдом дает величины относительной влажности, близкие к 100%.

Термическая стратификация в пограничном слое в отдельные сроки дня может изменяться от слабой инверсии до положитель­ ных значений у.

Очевидно, на изменение термической стратификации воздуха в нижнем слое 100—200 м на берегу реки влияет целый ряд факторов.

При ветрах с суши на р. Ангару, как это имело место 15/XII

264

в 14,3 16,3 и 18,2 часа, 19/XII в 14,1 и 20,2 часа и 21/XII

в 20,4 часа, на берегу наблюдалось только небольшое уменьше­ ние инверсии в нижнем слое. При потоках воздуха с реки или штилях во всех остальных случаях наблюдалось полное уничто­ жение инверсии с положительными значениями у в нижнем слое.

Очевидно, кроме прогрева массы воздуха над теплой водной

поверхностью, имеет место и динамическая турбулентность вслед­

ствие трения о подстилающую поверхность и установление стра­ тификации с у — 1°/100 м.

Интенсивность динамического перемещения обусловливается

скоростью ветра и шероховатостью подстилающей поверхности.

При туманах испарения р. Ангары скорости ветра находятся в пределах 1—3 м/сек., поэтому величины k не должны быть большими.

В г. Иркутске наблюдается хорошо выраженный суточный ход тумана с максимумом в утренние часы. Это можно объяснить,

содной стороны, возрастанием в атмосфере продуктов горения

вутренние часы, способствующих образованию устойчивых тума­ нов, а также и усилением скорости ветра утром вследствие его суточного хода, благодаря чему возрастает турбулентный обмен,

наблюдается уничтожение или ослабление приземной инверсии

иусиливается перенос элементов тумана и водяного пара в верх­ ние слои атмосферы.

Таким образом, в процессе разрушения приземной инверсии

исоздания термической стратификации, благоприятной для раз­

вития высоких туманов в г. Иркутске, участвует целый ряд факторов, но все же основным является прогрев воздуха над теплой водной поверхностью с созданием при этом неустойчивой стратификации атмосферы и увеличением k.

По материалам наблюдений над уравновешенными шарами были получены величины вертикальных потоков над водной поверхностью р. Ангары.

Над теплой водной поверхностью в холодной массе воздуха, как правило, наблюдаются относительно мощные восходящие потоки w конвективного происхождения, со средними максималь­

20 см/сек. Высота подъема частиц воздуха над р. Ангарой огра­ ничивалась всегда уровнем начала слоя с глубокой инверсией,

т. е. высотой 100—200 м. Как правило, подъем воздуха от водной поьерхности до уровня инверсии происходил в 1—2 этапа, т. е. путь поднятия конвективных струй в среднем был 40—100 м. Например, 21/XII высота начала инверсии была 200 м, а высота

подъема шара h — до 165 м; 15/XII, //инв = 50 м, /гшара = 30 м.

В условиях г. Иркутска туман, образовавшийся над р. Анга­

рой, обычно распространяется в стороны от реки вместе с пото­ ками воздуха.

265

Почти во все дни с очень низкими температурами воздуха и слабыми скоростями ветра в нижнем слое возникал внизу сток холодного воздуха с берегов на воду, захватывающий участок реки в 200—300 м. Над рекой нагретые частицы воздуха вместе

с каплями тумана поднимались до уровня 80—100 м, где часто наблюдалось движение воздуха, обратное наземному, т. е. в сторону берега.

Такие особенности могут вызвать в береговой зоне перенос частиц тумана в сторону, противоположную наземному ветру.

что такой туман не ангарского происхождения.

При переходе шара с суши на воду вследствие уменьшения шероховатости подстилающей поверхности почти всегда наблю­ далось возрастание скорости ветра и нисходящие движения

воздуха.

Приведенные данные показывают, что в строении нижнего слоя атмосферы при образовании туманов испарения над р. Анга­

рой имеется много общего со строением атмосферы при образо­ вании туманов испарения над Кольским заливом, очевидно, и механизм образования туманов в обоих районах одинаков.

Можно считать, что интенсивное испарение с поверхности воды и конденсация начинаются при разности температур вода — воздух 10—12°. Масса холодного воздуха, проходящая над вод­ ной поверхностью, прогревается, вследствие чего мощная инвер­

сия температуры, начинающаяся над сушей, в этот период года

у земли, над водной поверхностью или ослабевает или уничто­ жается.

На высоте, где прекращается прогрев, сохраняется и усиливается инверсия температуры, являющаяся задерживаю­ щим слоем для вертикальных смещений воздуха, в том числе и капелек тумана.

Для того чтобы образовался высокий туман испарения, не­

обходимо разрушение или ослабление инверсии у водной поверх­

ности и сохранение и углубление ее на высоте обычно 100— 200 м.

Благодаря неустойчивой стратификации атмосферы при рас­ положении холодного воздуха над теплой водной поверхностью создается значительный турбулентный тепло-и влагообмен, спо­ собствующий непрерывному прогреву воздуха и переносу водя­ ного пара и капелек тумана вверх до слоя инверсии.

При отсутствии инверсионного слоя наверху поднимающиеся струйки тумана будут уноситься вверх и почти сразу же испа­ ряться.

Таким образом, высокий плотный туман испарения образуется при условии уничтожения или ослабления инверсии в нижнем

приземном слое и сохранении и углублении ее на высоте 50—• 100 или 200 м.

266

Испаряющийся водяной пар сразу же конденсируется, при этом выделяется скрытая теплота испарения. Эта теплота также частично идет на нагревание воздуха.

Интересно, что в разных районах города отмечается весьма

большое различие как в количестве туманов, так и их продолжи­ тельности.

За период работы экспедиции ГГО в декабре 1955 г. было

зарегистрировано на береговой точке у р. Ангары 60 случаев образования туманов общей продолжительностью 174 часа, за тот же период на обсерватории туман был только в 38 случаях

и продолжительность его составила 136 часов, на АМ.СГ же отмечено всего только 14 туманов продолжительностью в 38 ча­ сов.

Таким образом, чем дальше будет отстоять пункт наблюдений от берега р. Ангары, тем меньше вероятность появления здесь туманов.

Незамерзающая водная поверхность р. Ангары в зимний период оказывает значительное влияние на термический режим атмосферы в нижних слоях. Во время работ экспедиции были проведены синхронные измерения температуры воздуха на

высоте 2 м в трех указанных выше пунктах в светлое время суток. При ветрах с р. Ангары в среднем температура воздуха на обсерватории оказалась на 2°, 15 и на метеорологической станции на 2°,4 ниже температуры воздуха на берегу р. Ангары. Следо­ вательно, если принять температуру воздуха на метеорологиче­ ской станции за нормальную для континента, то над р. Ангарой на высоте 2 м в рассматриваемый период воздух прогревался в среднем на 2°,5. При перемещении нагретого над р. Ангарой воздуха на сушу происходило быстрое его охлаждение, причем на пути первых 1—1,5 км понижение температуры составило около 2°,1 на следующих 1,5 км всего 0°,3.

Зимние туманы в самом г. Иркутске в первую очередь свя­ заны с туманами испарения р. Ангары, но они могут усиливаться вследствие загрязнения атмосферы продуктами топки печей фабрик, заводов и жилых зданий.

Перенос тумана от р. Ангары в город частично определяется

направлением ветра у земли и в некоторых случаях ветром на

потоки воздуха при туманах настолько слабы и так меняются над разными участками города, что обычно бывает трудно дать правильный прогноз времени их появления и рассеивания на АЛ4СГ.

Некоторые особенности стратификации нижнего слоя атмо­ сферы над АМСГ при туманах над р. Ангарой были рассмотрены в работе автора (1957 д).

Туманы над разводьями льда. В Арктических морях и над другими крупными водоемами, где наблюдаются передвижки

267