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

более высокая температура воздуха по сравнению с ПахтаАралом, причем в среднем в нижнем слое 50 м повышение составляет около 4°, уменьшаясь до 1,0—1°,5 на высоте 400 м;

температура над обоими пунктами практически выравнивается

В слое 570—640 м над оазисом наблюдается инверсия тем­ пературы воздуха. Инверсия на этой высоте возникает в днев­ ное время при наличии малых скоростей ветра, обычно

вобласти термической депрессии.

Вночные часы разность температур воздуха над Голодной

Таким образом, в дневные часы существует довольно устой­

чивая разность в термическом режиме нижнего слоя над полу­ пустыней и орошаемым оазисом. Хотя этот факт установлен по наблюдениям в одной точке, но нет сомнения, что такие же

примерно условия в термическом режиме будут и в других пунктах типа Голодной Степи, расположенных кругом оазиса. Над песками пустыни Кызыл-Кум температура воздуха будет еще выше, а следовательно, разности температур воздуха еще больше.

Из девяти серий шаропилотных наблюдений в Пахта-Арале поворот ветра на высоте был отмечен в шести сериях. Осталь­ ные три пришлись на случаи с прохождением фронтальных разделов, при этом наблюдались большие скорости ветра, т. е. была такая ситуация, при которой местная циркуляция не

могла бы возникнуть.

Направление ветра над оазисом за все девять серий в днев­ ные часы (10, 12 и 14) распределялось следующим образом:

повторяемость ветров направлений СЗ, С и СВ на 0,1 км со­ ставляла 43%, на 1,0 км — 76%, ЮВ, Ю и ЮЗ на 0,1 км 30%,

на 1,0 км — 14%.

На основании всех приведенных данных можно считать, что в дневные часы летнего времени над оазисом Пахта-Арал обра­ зуется местная циркуляция с очень частым направлением ветра

в нижнем слое южной половины горизонта, наверху с высоты примерно 700 м наблюдается поток воздуха северной четверти горизонта.

Чаще всего местная циркуляция возникает между орошае­ мым оазисом и песками пустыни Кызыл-Кум. Между этими районами температурный контраст больше, чем между оазисом и Голодной Степью.

Ввиду того что оазис окружен почти со всех сторон неоро­ шаемыми землями, устойчивого направления ветра при местной циркуляции быть не может.

Направление потока будет определяться, с одной стороны, барической обстановкой и связанным с ней общим переносом воздушной массы и, с другой, наибольшей разностью темпера-

факторов и должно определить направление и отчасти скорость потока воздуха в местной циркуляции.

Поскольку условия притока тепла и характер подстилаю­ щей поверхности почти не меняются за летний период, измене­ ния направления и скорости ветра в местной циркуляции обусловлены только барической обстановкой, которая может

усиливать или, наоборот, разрушать отдельные ветви местной циркуляции.

подъем, над оазисом — опускание воздуха; б) поток общей цир­ куляции может целиком уничтожить слабые скорости ветра отдельных ветвей местной циркуляции. Местная циркуляция образуется обычно при термической депрессии, центр которой располагается к югу от Пахта-Арала, чаще всего над Ираном.

338

При этом в слое 700—1000 м должны преобладать ветры се­ верной четверти горизонта, в более высоких слоях направле­ ние господствующего ветра переходит на западное.

Местная циркуляция оазис — пустыня должна иметь два кольца, но ввиду того что с юга от Пахта-Арала распола­ гаются частично орошенные земли, поэтому заметной разницы

в термическом режиме этих районов не должно быть, а следо­

вательно, может и отсутствовать второе южное кольцо местной циркуляции.

Наличие нисходящих движений над оазисом подтвер­

ждается отрицательными отклонениями вертикальной скорости шара-пилота при базисных наблюдениях от его табличных зна­ чений А®.

Если над полупустыней в дневные часы наблюдается резко выраженное турбулентное состояние с большими положитель­ ными значениями Ди>, то над орошаемым оазисом преобладают

Рис. 123. Схема циркуляции в лесных полосах ночью.

отрицательные отклонения \w, указывающие на частое нали­ чие нисходящих движений воздуха. Ориентировочная величина нисходящих потоков над оазисом может доходить до 30— 40 см/сек.

Местные циркуляции воздуха на межполосных полях. Причи­ ной развития местной циркуляции на межполосных полях является температурная неоднородность поверхности сельско­ хозяйственных полей и лесных полос.

Наиболее отчетливо это явление имеет место при малых

скоростях ветра на паровых полях, защищенных широкими, не-

продуваемыми лесными полосами.

В дневное время поверхность парового поля сильно перегре­ вается по сравнению с поверхностью лесных полос.

Вследствие этого возникают местные воздушные потоки,

движущиеся по замкнутым контурам, днем поднимающиеся

над паровым полем и опускающиеся над лесными полосами, ночью с обратным движением.

Схема этих движений, исходя из изложенных положений,

дана на рис. 123.

Такие движения воздуха наблюдались в дневное время при малых скоростях ветра при опылении растительности полосы от

вредителей составом, представляющим собой порошкообразную

механическую смесь. При всех направлениях ветра в «нижней части полосы порошок выносился за пределы полосы и рассеи­ вался на соседних полях.

В ночные безоблачные часы, когда поверхность парового

лесными полосами поднимался. При опылении полос в этом случае струя порошка увлекалась общим потоком внутрь по­ лосы вверх и порошок равномерным слоем покрывал стволы,

сучья и листву деревьев. Эти же явления хорошо наблюдались и при измерении средних вертикальных скоростей ветра при малых горизонтальных скоростях с помощью вертикального анемометра как около полос, так и внутри их. При этом вели­ чины нисходящих потоков в дневное время в полосе на высоте 4—5 м доходили до 50 см/сек., а восходящих потоков в ночное время до 30 см/сек.

Еще нагляднее местные циркуляции наблюдались при использовании уравновешенных шаров-пилотов. В дневные часы при малых горизонтальных скоростях ветра шары, под­ нявшиеся над паровым полем, входили в полосу в верхний или средний ее ярус.

В утренние часы шар входил в полосу преимущественно в нижнем ее ярусе, что полностью подтверждает правильность описаний выше схемы ночной циркуляции.

Еще один вид местной циркуляции возможен на полях, за­ щищенных лесными полосами. Он обычно имеет место в утрен­ ние часы, когда неравномерность нагрева северной и южной опушек полос и межполосного поля низкостоящим солнцем вы­ ражена наиболее сильно. Особенно наглядно этот эффект наблюдается у непродуваемых полос, где южная и северная

опушки одной и той же полосы практически изолированы друг

от друга.

На южной опушке воздушные массы, нагреваясь, подни­ маются вверх. У северной затененной опушки' происходит выхо­ лаживание и опускание воздуха. Примером такой циркуляции

При средних и особенно при больших скоростях ветра все перечисленные виды местной циркуляции нарушаются и прак­ тически становятся незаметными.

Местная циркуляция поле — лес. В литературе имеются не­

однократные указания на возможность существования местных ветров между такими участками, как поле и лес.

Наблюдается следующая разность температур воздуха между лесом и полем: летом в дневное время воздух над полем нагревается несколько больше, чем над лесом, ночью наоборот.

340

Так как различия в температурах воздуха невелики, то и интен­

сивной местной циркуляции между этими участками не имеется.

В связи с этим в литературе не было приведено ни одного фактического примера, иллюстрирующего по материалам аэрологических наблюдений строение этой циркуляции, да и обычными шаропилотными наблюдениями ее нельзя обнару­ жить.

В условиях малых горизонтальных градиентов давления при слабых, почти штилевых, скоростях ветра, в устойчивом мало­ подвижном антициклоне иногда удавалось наблюдать довольно отчетливую циркуляцию между полем и лесом, особенно хо­ рошо заметную рано утром.

Пример циркуляции поле — лес приведен в табл. 112 по дан­ ным одного уравновешенного шара, выпущенного на расстоя­ ние около 130—140 м от большого лесного массива.

Рис. 124. Схема циркуляции на опушках леса и лесных полос рано утром.

Несколько спрямленная траектория движения этого шара

дана на рис. 125.

Шар был выпущен в 6 ч. 30 м. по местному солнечному вре­

мени; примерно спустя 1,5—2 часа после восхода солнца. В это

время еще сохранилось присущее ночному времени различие температур между полем и лесом и движение воздуха внизу

было от поля к лесу.

Нижняя ветвь циркуляции поле—лес имеет высоту около 25—

Таблица 112

Характеристика движения уравновешенного шара, выпущенного в 6 ч. 30 м. 27/VI 1953 г. _

t мин.

Эле-

341

30 м, т. е. распространяется по вертикали примерно на двукрат­ ную высоту деревьев леса. Обратная ветвь циркуляции начина­ ется с 50—55 м и примерно совпадает с направлением ветра на

высоте 0,3—0,5 км. Как видно, далеко в глубь лесного массива эта циркуляция не распространяется, в приведенном примере — всего на 50—100 м.

Следует отметить малые величины скорости ветра на всем пути шара, в среднем равные 0,8 м/сек., и ее пульсационный ха-

Рис. 125. Схема циркуляции поле — лес. 27/VI 1953 г., 6 ч. 30 м. Полесская экспедиция ГГО.

а — направление общего переноса воздуха.

рактер, хорошо заметный по ходу w и Аи. Почти все эти вели­ чины имеют противоположные знаки, рост горизонтальных пуль­ саций сопровождается уменьшением w, т. е. отрицательными величинами .вертикальных пульсаций.

Особенно большие пульсации вертикальных скоростей появ­ ляются над лесными полосами и в зоне начала верхней ветви циркуляции. Уменьшение скорости ветра до 0,5 м/сек. отмечено в переходном слое с одновременным ростом вертикальной ско­ рости до 90 см/сек. В верхнем потоке также наблюдались от­ дельные волнообразные движения воздуха с вертикальными ско­ ростями 30—40 см/сек. и длинами волн около 100—150 м. Хотя в момент выпуска уравновешенного шара температурного зон­ дирования не было, но обычно при данных условиях погоды в утренние часы в слое до 250—300 м наблюдалась инверсия тем­

пературы, начинавшая с 6—7 час. постепенно разрушаться снизу.

342

ГЛАВА IX

ГОРНО-ДОЛИННЫЕ ВЕТРЫ

Горно-долинными ветрами называют периодические ветры,

направленные днем из долин вдоль склонов горы и вдоль самой долины (долинный ветер) и ночью со склонов горы в долину (горный ветер).

Горно-долинный ветер отличается большой сложностью в соответствии с многообразием явлений в горах, возникающих вследствие различия в направлении и глубине долин, крутизне склонов и т. д. Поэтому схемы горно-долинной циркуляции должны быть детализированы применительно к особенностям почти каждой долины. Но некоторые общие элементы здесь все же имеются. Смена направления ветра на некоторой высоте над уровнем долины на противоположное указывает на замкнутый характер циркуляции.

Долинный ветер образуется из двух течений: продольного

вдоль долины в сторону ее повышения и поперечного вдоль скло­ нов. При дневном нагреве в долине часто создаются вертикаль­ ные градиенты температуры, близкие к сухоадиабатическим, а

иногда и большие. Тем самым даже на неосвещенном солнцем склоне температура днем обычно выше температуры на том же

уровне над дном долины. Поэтому создаются два кольца цир­ куляции в поперечном сечении долины — вдоль обоих склонов.

На рис. 126 для долинного ветра даны схемы циркуляции вдоль и поперек долины в соответствии с положением изотермо­ изобарических соленоидов. Для горного ветра циркуляция имеет направление, обратное представленному.

Первые объяснения горно-долинных ветров принадлежат фран­

цузским метеорологам Сежей (Saigey, 1842) и Фурне (Fournet, 1842). Через несколько десятилетий (1870) Ганн объединил

взгляды Сежей и Фурне и дал комбинированную теорию горно­ долинных ветров. По Ганну, образование этих ветров связано с наклоном изобарических поверхностей. Днем изобарические

343

Через несколько лет после опубликования теория Ганна ста­ ла подвергаться критике. Материалы для этого давали обра­ ботки наблюдений горных станций, результаты шаропилотных наблюдений, а также общие теоретические соображения. Эти

замечания были сделаны Шпрунгом, А. Дефантом (1910), Клейн­ шмидтом (1921). Наиболее серьезная критика теории Ганна была дана Венгером (1923).

Рассматривая вслед за Фурне влияние на воздушные массы

Рис. 126. Положение изотермоизобарических соленоидов при долинном ветре.

нагревания и охлаждения склонов, Венгер отметил, что вслед­

ствие равномерного расширения или сжатия воздуха изобари­ ческие поверхности лишь сместятся параллельно себе, оставаясь

почти горизонтальными. Но благодаря термическому воздейст­ вию склона в соседстве с ним значительно изгибаются изотерми­ ческие и изостерические поверхности, поэтому у склона возник­ нут изобаро-изостерические соленоиды.

344

вающиеся непосредственно на горных склонах; 2) собственно горно-долинные ветры, направленные вдоль долин вверх или вниз в зависимости от времени дня и почти целиком их запол­ няющие; 3) ветры, выравнивающие горизонтальные течения между равнинами и обширными плоскогорьями.

Ветры 1-го типа Вагнер связывает с теорией Венгера, 3-го — с теорией Ганна, а для ветров 2-го типа строит свою теорию. По Вагнеру, суточные колебания температуры в столбе воздуха над

долиной больше, нежели в свободной атмосфере над соседней

равниной. Неоднородность температур обусловливает различный

суточный ход давления: внутри долин суточные колебания дав­ ления больше и убывают с высотой медленнее, чем над равни­ нами. В результате создается горизонтальный градиент давле­ ния днем от равнины вверх по долине, ночью — обратный. Ве­ личина градиента давления наибольшая на уровне дна долины и уменьшается до нуля на той высоте, где беспрепятственный обмен воздуха выравнивает давление над долиной и равниной. Эта последняя высота близка к высоте хребтов, ограничивающих долину, но, вообще говоря, не совпадает с ней. Вагнер назвал ее «эффективной высотой хребта».

Пользуясь барометрической формулой, Вагнер оценивает ве­ личину разности давления между равниной и долиной, возни-* кающую по термическим причинам в слое от дна долины или от некоторого уровня Н до эффективной высоты хребта Н. Если с момента равновесного положения, когда наблюдается равен­ ство температуры Т и давления р, температура в столбе воз­ духа изменяется над равниной на Ai? и над долиной на АгГ, то соответствующие изменения давления будут:

(117)

Следовательно, разница давления

\р = Д— Д2р = ^2-р (Д2 Т — А] Т).

По Вагнеру, следовательно, существует термически обус­ ловленная циркуляция долина—равнина. Нижняя ветвь этой цир­ куляции днем направлена вверх по долине, ночью — вниз к рав­ нине. Вернее, компенсирующее течение не обязательно противо­ положно нижнему и не должно совпадать с направлением до­ лины. Необходимо только, чтобы на высоте существовал отток днем от гор к равнинам, ночью — от равнины к горам. Днем от­ ток воздушных масс из долин осуществляется восходящими те­

чениями по склонам долин. Эти течения на склонах возникают независимо от циркуляции долина—равнина, но усиливаются при

развитии последней. Следовательно, в долинах наблюдаются

345

две циркуляционные системы: продольная и поперечная, кото­ рые накладываются друг на друга. При ослаблении продольной циркуляции в утренние или вечерние часы более резко прояв­ ляется поперечная циркуляция.

Ф. Дефант приводит в своих работах (1951) развитие общей схемы Вагнера и в весьма наглядном виде дает детализиро­ ванную схему горно-долинных ветров для 10 различных перио-

Рис. 127. Схема горно-долинного ветра, по Дефанту.

дов суток. Схема детализированной циркуляции дана на

рис. 127. На схеме ветры склонов изображены белыми стрел­ ками, долинные и горные ветры — черными стрелками.

Схема а. Время вскоре после восхода солнца: долина холод­ ная, склоны начинают нагреваться. Продолжается ветер с гор, начинается подъем нагретого воздуха вдоль склонов.

Схема Ь. Время до полудня около 9 час. Долина теплее, чем склоны. Сильный ветер склонов. Переходный период между гор­ ным и долинным ветрами.

346