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

Схема с. Полдень и вскоре после полудня. Долина теплее,

чем склоны. Уменьшение ветра склонов. Полное развитие долин­

ного ветра.

Схема d. Поздние послеполуденные часы. Долина продол­ жает быть теплее, чем склоны. Ветер склонов 'прекращается. До­ линный ветер продолжается.

Схема е. Вечер. Долина еще незначительно теплее, чем склоны. Начинает сток воздуха со склонов вниз. Уменьшение

долинного ветра.

Схема f. Ранняя ночь. Долина и склоны 'Имеют одинаковую температуру. Хорошо развито нисходящее движение ветра скло­ нов. Переходный период между долинным и горным вет­ рами.

Схема g. Середина ночи. Долина холоднее, чем склоны. Про­

должаются нисходящие потоки ветра склонов. Горный ветер слегка развит.

Схема h. Поздняя ночь перед утром. Долина холоднее, чем склоны. Нисходящие потоки ветра склонов прекращаются. Ве­ тер с гор заполняет долину. По схеме Дефанта, обратное проти­ вотечение отсутствует.

При проверке с фактическими данными по долинам Азау и Алазанской схеме Дефанта не оправдывается в основном из-за

неоднородности нагревания правого и левого склонов долины.

Вагнером была дана правильно только качественная кар­ тина образования горно-долинных ветров, в которой, однако,

многое оставалось еще не выясненным, например вопрос о связи этих ветров с условиями общей циркуляции, формой сечения долины, наличием обратного противотечения на высоте.

Первый опыт построения более строгой, хотя и упрощенной теории горно-долинных ветров был сделан Прандтлем (1942).

Прандтль рассматривал проблему о ветрах склонов как од­ номерную задачу, полагая, что и скорость ветра и температура зависят только от высоты. Решение Прандтля относится к ста­ ционарному случаю, т. е. не зависит от времени, он пренебрегает силой Кориолиса ввиду малых масштабов и вводит силы внут­ реннего трения. Предполагается, что атмосфера стратифициро­ вана устойчиво и что в ней потенциальная температура © ли­ нейно возрастает вверх и, кроме того, нагретый склон вносит в атмосферу возмущение потенциальной температуры, являю­

щейся функцией расстояния п от склона

Очевидно ночью ©' (п) отрицательно.

Пренебрегая изменениями плотности, связанными с измене­

347

Возмущение температуры 0' должно равняться заданной ве­

личине &о' У склона при п = 0 и обращаться в нуль при п оо . После ряда преобразований, используя уравнение Навье —

Стокса, получим

(120)

где w — скорость потока воздуха, направленная вдоль склона и, переходя к новой системе координат, где ось х будет направ­ лена вдоль склона, а ось у по нормали к склону, получают воз­ мущение температуры 0' в виде

здесь

L = \f_________

У g?Bsln2a ’

а — угол наклона склона,

v = -^, где ц— коэффициент турбулентной вязкости,

а — коэффициент турбулентной температуропроводности. Откуда

= 3°, тогда при разных значениях вертикального температурного

градиента соответствующие максимальные скорости ветра будут следующими:

Скорость ветра пропорциональна аномалии температуры и быстро возрастает с увеличением неустойчивости атмосферы; при сделанных предположениях она не зависит от угла наклона склона а. Выше nmv убывает и на высоте Н = лЬ, меняя знак,

т. е. там происходит обращение ветра.

Таким образом, обращение ветра должно наблюдаться на высоте вдвое большей, чем обращение аномалии температуры и вчетверо большей уровня с максимумом скорости ветра.

Высота обращения ветра быстро растет с ростом турбулент­ ности и уменьшается над крутыми склонами.

348

Результаты изложенной теории, в том числе и профиль ветра, были проверены А. X. Хргианом (1946) и в общем удов­ летворительно согласуются с наблюдениями долинного ветра. Рассчитанная скорость последнего, высота обращения и ее зави­

симость от степени устойчивости атмосферы, по мнению Хргиана,

также близки к наблюдаемым в природе значениям. Значительные расхождения получаются для обратного по­

тока: в природе обратный поток гораздо сильнее, чем по расчет­ ным формулам.

А. С. Монин (1947) построил более совершенную теоретиче­

скую модель ветра склонов, чем модель Прандтля. Монин рас­ ширил соображения Прандтля в двух направлениях — он рас­ сматривает нестационарную модель с наличием суточного хода температуры и скорости ветра и принял, что коэффициент тур­ булентного перемешивания возрастает по степенному или линей­ ному закону до некоторой высоты h, выше которой остается по­

стоянным.

А. С. Монин выяснил, что фаза суточного хода скорости ветра не зависит от высоты, т. е. что долинный ветер развивается

одновременно в мощном слое. Кроме того, Монин доказал, что высота обращения ветра не меняется со временем и что при неустойчивой стратификации атмосферы обратный поток может иметь почти ту же скорость, как и нижний ветер, что лучше со­ гласуется с данными наблюдений.

Ввиду довольно сложных математических вычислений А. С. Монина по теории горно-долинного ветра приводить их здесь не будем.

Горно-долинные ветры неоднократно являлись объектом спе­ циальных исследований, число которых в общем весьма значи­ тельно. Ряд аэрологических наблюдений при горно-долинных ветрах был сделан в Швейцарских и Восточных Альпах Екартом

ром (1940а) на Кавказе, Л. А. Казаковым в Ангренской долине

Средней Азии, Н. Ф. Гельмгольцем в Алма-Ате.

Эти наблюдения дают большой эмпирический материал ша­ ропилотных наблюдений. По весьма обширной программе были поставлены исследования горно-долинных ветров в Цейской до­

лине Хргианом, который одновременно вел поверку некоторых

положений теорий Вагнера и Прандтля на материалах своих наблюдений.

Развитие долинного ветра, по Хргиану, характеризуется сле­ дующими чертами:

а) в утренние часы заметно влияние боковых склонов, вдоль которых создается самостоятельное восходящее движение воз­ духа. В дневные часы это влияние отступает на второй план;

б) максимальная скорость долинного ветра наблюдается на некоторой высоте, составляющей в согласии с теорией (Пранд-

349

тля) около х/4 высоты всего слоя этого воздушного течения. Ве­ личина этой максимальной скорости также хорошо совпадает с теоретической, вычисленной по Прандтлю.

Мощность слоя долинного ветра, достигающая 1 км, мало меняется в течение дня. Она быстро возрастает с ростом не­ устойчивости стратификации атмосферы, что стоит в согласии с теорией. В худшем соответствии с последней стоит сама вели­ чина мощности.

Над потоком долинного ветра имеется всегда довольно ин­ тенсивный обратный поток, существование которого противоре­ чит схеме Вагнера.

Развитие горного ветра отличается следующими особенно­ стями:

а) горный ветер, усиливающийся во вторую половину ночи и продолжающийся и после восхода солнца, значительно слабее и менее устойчив, чем долинный ветер. Вертикальная мощность горного ветра также значительно меньше, и в течение ночи она меняется мало;

б) над потоком горного ветра имеется обратный поток,

При долинном ветре Баксанского ущелья, по данным Е. С. Се­ лезневой, высота обращения ветра составляла в 10 час. 0,33 км, в 16 час. 0,72 км и имела хорошо выраженный суточный ход,

уменьшаясь к вечеру.

Горный ветер Баксанского ущелья был слаб и неустойчив, как и в Цее, но имел большую вертикальную мощность.

В заключение приведем краткие выводы из работы Екарта по долине р. Инна в Альпах.

долинного ветра быстро увеличивается и достигает в 14 час.

наибольшего вертикального распространения. В среднем имеет

место ясно выраженный дневной ход, вернее границы долин­ ного ветра с послеполуденным максимумом.

Верхняя граница долинного ветра доходит в среднем до

1300 м, т. е. на 400 м ниже средней высоты гребня северной цепи гор. Верхний компенсационный поток над долинным ветром иногда отсутствует и переходит непосредственно в градиентный

ветер. Максимальная скорость долинного ветра отмечается на высоте 400—500 м. Горный ветер, как и долинный, начинается почти одновременно над земной поверхностью в более или ме­ нее мощном слое. Горный ветер в общем является весьма близ­ ким по строению долинному ветру.

Всеми исследователями установлено, что долинный ветер раз­ вивается при малооблачной, чаще антициклонического типа,

350

погоде с малыми горизонтальными градиентами давления, т. е. ослабленной общей циркуляцией атмосферы.

По наземным и аэрологическим наблюдениям в верхних ча­ стях некоторых долин близ горных перевалов были отмечены систематически появляющиеся ветры, обратные нормальной до­ линной циркуляции, т. е. направленные днем вниз от перевала. Такие ветры впервые были исследованы в Альпах и получили название по имени перевала «ветры Малоджа». Такие ветры были отмечены Е. С. Селезневой на Эльбрусе и в бассейне оз.

Севан, автором (1952 6) на Эльбрусе.

Аномальные долинные ветры привлекали внимание прежде всего своим несоответствием теоретическим соображениям. В ряде работ стараются дать объяснение аномальным ветрам, исходя из общей теории долинных ветров. Такие объяснения, близкие по смыслу, были высказаны Клейншмидтом и Вагнером.

Клейншмидт считает, что существует большая циркуляцион­ ная система между равнинами и горными массивами. Нижнее течение этой циркуляции днем направлено вверх по склонам и долинам до максимальной высоты хребта и усиливаются над последним. Если за перевалом идет более пологая долина, го верхний ее участок будет захвачен воздушным потоком, прошед­ шим через перевал. Таким образом, над верхними зонами поло­ гих склонов в дневное время поток воздуха будет направлен

вниз по склону. В дальнейшем такие ветры будем называть,

согласно Вагнеру, компенсационными ветрами. Компенсацион­ ные ветры, следовательно, могут возникать в дневные часы между равниной и хорошо прогреваемым плато или пред­ горьями.

Рассмотрим результаты аэрологических исследований гори­

зонтальных циркуляций, проведенных под руководством автора

в Западной Грузии в 1935 и 1936 гг., в высокогорной долине

Горно-долинные ветры Западной Грузии

Экспедиционные исследования горно-долинных ветров были проведены под руководством автора в трех пунктах.

1. Цулукидзе (Х = 42°25', <р = 42°20') расположен в широ­ кой долине р. Риони. Ширина долины составляет около 40 км, направление склона долины на запад. Расстояние от горных возвышенностей 5—7 км, от берега Черного моря 73 км. Отметка

в равнинной части около одного из притоков р. Ингура недалеко от гор, лежащих с восточной половины горизонта. Расстояние от берега Черного моря 30 км.

351

3. Анасеули (Х = 41°54', ф = 41°58', /7—157 м) располо­

жен на склоне небольшой корытообразной долины, выходящей к берегу моря, отделенной невысоким, около 0,8 км, горным хреб­ том от долины р. Рионы. Расстояние от Черного моря 15 км. Направление склона долины примерно на запад. Период наблю­

дений сентябрь—октябрь (в г. Цулукидзе в течение двух лет

1935 и 1936 гг., в Зугдиди и Анасеули 1936 г.).

Результаты шаропилотных наблюдений в этих трех пунктах проанализированы и из них выделены материалы только за те дни, в которые горный и долинный ветры были хорошо развиты.

За признаки долинного ветра было взято направление ветра внизу примерно с запада, скорость ветра у земной поверхности не более 5 м/сек. и наличие наверху обратного потока; для гор­ ного ветра — те же условия в нижнем слое с направлением ветра с востока.

Соответственно этим условиям был произведен подсчет рас­ пределения по высотам долинного ветра днем за 14 час., утром за 8 час. и вечером за 20 час. Приводим данные за 14 час. в табл. ИЗ.

Таким образом, долинный ветер, подобно морскому бризу, имеет нижний поток с почти постоянным направлением запад­ ного ветра и вначале возрастающей, а затем уменьшающейся

скоростью ветра. С высоты 700—800 м над уровнем моря (над поверхностью земли 500—600 м) начинается слой с резким по­ воротом ветра, толщиной около 100 м, вблизи которого наблю­ дается минимум скорости. После этого слоя начинается поток противоположного направления с почти постоянным восточным или юго-восточным ветром. В верхнем слое с восточным ветром

скорость постепенно возрастает примерно до середины этого слоя, а выше отмечается вторичное уменьшение скорости ветра.

Толщина верхнего потока несколько больше толщины нижнего

потока и колеблется в пределах от 0,4—1,2 км. Переход от верх­ него потока к слою общей циркуляции происходит во втором переходном слое, в котором или вблизи которого отмечается второй минимум скорости ветра.

Таким образом, пограничный слой, т. е. зона от поверхности земли до начала слоя градиентного ветра или слоя с обшей циркуляцией представляет область развития долинного ветра. В Западной Грузии эта зона составляла в 1936 г. для всех трех пунктов в период сентября—октября около 2 км, была близка к соответствующим величинам для морского бриза и меньше уровня окружающих горных хребтов.

Совпадение основных характеристик долинного ветра в 1935 и 1936 гг. показывает, что, несмотря на малое число наблюде­ ний, приведенные величины являются в основном правильными.

Все три пункта дают примерно одинаковую высоту нижней ветви долинного ветра или высоту обращения ветра, равную

0,6 км.

352

.353

Согласно теории Прандтля, слой с максимумом скорости ветра должен находится на высоте 7/макс, равной !/4 высоты об­ ращения ветра, т. е. на 150 м. У нас Нмакс получилась весьма близкой к теоретической и равной 150—200 м.

Характерной особенностью нижнего и верхнего потоков до­ линного ветра для всех пунктов является мало меняющееся направление ветра в каждом слое. Это связано с тем, что до­ лины во всех пунктах являются весьма широкими и влияние склонов не сказывается, а преобладает более простая циркуля­ ция равнина — горы.

Вобщем в Анасеули, лежащем на расстоянии 15 км от моря,

вЗугдиди, расположенном в 30 км, и в Цулукидзе, удаленном от моря на 73 км, толщина нижнего потока долинного ветра и

зона развития его примерно одинаковы, различной является только повторяемость долинного ветра, несколько уменьшаю­ щаяся по мере удаления пункта от моря .в глубь суши.

Ввиду того что самописцев направления ветра не имелось,

для выяснения сроков начала и окончания долинного ветра ис­ пользуем наблюдения за 8 и 20 ч.

Наличие утром и вечером почти одной и той же высоты раз­ вития долинного ветра показывает, что этот ветер начинается во всем слое почти одновременно, что также хорошо согласуется с теорией.

Начало долинного ветра приходится в среднем на 2—3 часа спустя после восхода солнца и окончание перед восходом солнца.

Некоторой особенностью долинных ветров Западной Грузии

являются относительно большие скорости обратного потока, зна­ чительно большие, чем скорости в нижнем потоке, и большая

толщина слоя верхней ветви.

Для всех трех пунктов верхнее компенсирующее течение переносит значительно больше массы воздуха почти в 2—2,5

раза, чем нижний поток. Такое явление может быть объяснено

только тем, что Главный Кавказский хребет отражает, как экран, часть воздуха, которая и усиливает верхнюю ветвь долинного потока. Схема этой циркуляции дана на рис. 128.

В районе Цулукидзе в дневное время при долинном ветре заметны суточные колебания высоты слоя обращения ветра, например, 12/Х 1935 г. в 13 час. эта высота равнялась 0,7 км, а в 19 час. только 400 м. Кроме того, иногда при долинном ветре наблюдается кратковременный прорыв потоков воздуха с гор типа фёна.

Разбирая строение горных ветров Западной Грузии, следует отметить, что их направление и строение очень близко совпа­ дают с береговыми бризами и ветрами фёнового типа, имею­ щими в нижних слоях также восточное направление. Основное отличие фёнов от горных ветров, помимо их фёнового эффекта

у земли, это также и большие скорости ветра.

Горные ветры обычно имеют скорости у земной поверхности

не более 4—5 м/сек., направление ветра внизу восточной чет­ верти горизонта и наличие обратного потока наверху.

Исходя из этих соображений, в табл. 114 и 115 отобраны случаи с горными ветрами и произведен аналогично вышепри­ веденным таблицам подсчет скорости и направления горного ветра.

долинную циркуляцию.

а— день, б—ночь, 1 — геострофический ветер, 2 — местный ветер. А — проекция вектора ветра на ось долины.

Данные Анасеули взяты без разделения на суховеи и горные ветры ввиду того, что скорости суховеев в Анасеули невелики.

При горном ветре, как и при береговом бризе, отсутствует

обратный поток, вернее, он сливается с направлением общей циркуляции. Нижний поток горного ветра приобретает вслед­ ствие этого большую толщину по сравнению с нижним потоком

•долинного ветра.

Направление ветра для всех пунктов и в утренние и в вечер­ ние часы имеет постепенный правый поворот до слоя общей цир­ куляции.

В строении горного ветра можно выделить только два потока:

356