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

Температура поверхностного слоя воды Ладожского озера летом резко меняется на разных участках, самые низкие тем­ пературы воды, не превышающие 10°, будут в северной глубо­ ководной части озера, а в южных мелководных участках темпе­

ратура воды доходит до 20—23°.

Вертикальное зондирование в этот день было проведено над озером в 90 и 40 км от берега, над Новой Ладогой и Вол­ ховом. По этим данным приведена схема трансформации массы воздуха с образованием внутреннего пограничного слоя. Вы­ сота основного пограничного слоя в этот день была 780 м. При северном ветре натекание прогретого воздуха с начальным не­ устойчивым состоянием на холодную поверхность озера вы­ звало охлаждение воздуха и образование слоя инверсии мощ­ ностью до 300 м. Этот уровень и нужно считать за высоту внут­ реннего пограничного слоя. Далее, переходя на участки озера

с более высокой температурой поверхностного слоя воды, воз­ дух начинал постепенно прогреваться и теплая адвекция пере­ ходила в холодную. При этом наблюдалось разрушение при­

и вновь восстанавливалась стратификация с неустойчивым со­ стоянием атмосферы. В этот день над озером был ветер север­

в этот срок было около 7 часов.

Другой пример образования внутреннего пограничного слоя приведен в главе VII для Кольского залива за январь—-фев­ раль 1953 г. Здесь наблюдался резкий контраст в температурах

воздуха над сушей в районе Мурманска и над открытой водной поверхностью Кольского залива. Над заливом вследствие трансформации воздуха образовался внутренний пограничный слой высотой примерно 200 м. Сохранение этого слоя было обусловлено особенностями рельефа.

При исследованиях автором метеорологического режима над

орошаемым хлопковым совхозом Пахта-Арал, расположенным среди Голодной Степи, можно было выделить два внутренних

пограничных слоя.

Основной пограничный слой в дневные часы июля 1952 г.

над макрорайоном Пахта-Арала отделялся от слоя свободной атмосферы зоной инверсии или устойчивого слоя со средней вы­ сотой 3,47 км. Непосредственно над оазисом Пахта-Арал, имею­ щим площадь около 100 км2, в полуденные часы образовывался вторичный пограничный слой высотой около 1,2 км, на верхней границе которого наблюдался слой инверсии температуры, и, наконец, в дни полива вследствие испарения влаги с поверхно­ сти почвы создавался второй пограничный слой высотой около

100 м с наличием инверсии температуры.

29

Защитная роль пограничного слоя

Пограничный слой — это не только преимущественно влаж­ ный слой воздуха, но и часто защитная зона для земной по­ верхности. Вследствие вязкости воздуха пограничный слой

удерживается у земной поверхности и препятствует опусканию так называемого свободного фёна до земной поверхности. При

Рис. 5. Пример защитной роли пограничного слоя при фёне. Рионская долина.

отсутствии пограничного слоя воздух из свободной атмосферы при всех антициклонах проникал бы до земли, вызывая здесь повышения температуры воздуха выше нормы на большом про­ странстве и понижение относительной влажности в течение весьма длительного периода.

При фёне образуется большой контраст между воздушными массами пограничного слоя и воздухом, лежащим выше его.

Для примера на рис. 5 дано фактическое распределение (кри­ вая Z) температуры t и удельной влажности q воздуха в Рионской долине при наличии горного фёна. Кривой II даны воз­

можные значения t и q при отсутствии пограничного слоя,

30

ГЛАВА II

СРЕДНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, ВЕТРА, ВЛАЖНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА

ТУРБУЛЕНТНОГО ОБМЕНА В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ

В стационарных условиях строение пограничного слоя опре­

деляется при данном потоке радиации скоростью и темпера­

турой воздушного потока на верхней границе слоя и физиче­

скими свойствами подстилающей поверхности, над которой движется воздушная масса.

При этом движении происходит формирование полей темпе­ ратуры воздуха и скорости ветра и профиля турбулентности, причем эти три профиля находятся во взаимной зависимости.

Характеристика профилей основных метеорологических эле­

ментов проводится здесь в основном по материалам аэростат­

ного зондирования. По ряду причин при использовании этого материала автору пришлось разрабатывать специальные ме­ тоды обработки, которые необходимо изложить, прежде чем приступать к анализу.

Методика аэроклиматических обработок материалов

аэростатного зондирования

Рассматриваемые материалы аэрологических наблюдений пограничного слоя в основном относятся к кратковременным

экспедиционным исследованиям по отдельным, относительно

характеристик данного пункта даже по отдельным элементам.

Основное требование для всякой климатической обра­ ботки— это наличие относительно большого ряда наблюдений,

проводимых регулярно, по возможности при любых условиях

погоды. Отчасти это можно получить по аэростатным зондиро­ ваниям, проводимым, например, в пос. Воейково под Ленингра­ дом. Здесь длительное время производятся подъемы метеоро­ графа на привязных аэростатах и накоплен большой материал. Однако аэростатные зондирования отличаются нерегуляр-

32

ностью из-за большой зависимости от условий погоды. Напри­ мер, в пос. Воейково подъемы привязного аэростата не разре­ шаются в темное время суток при видимости менее 1 км, вы­ соте облаков ниже 0,5 км, скорости ветра у земли 7—8 м/сек.

и больше, т. е. метод характеризует в основном антицикло-

нические условия погоды. Относительно большое число подъе­ мов аэростатного метеорографа распределяется неравномерно как по месяцам й времени суток, так и по условиям погоды. Кроме того, аэростатные зондирования, как и все аэрологиче­

ские наблюдения, неоднородны по числу случаев на разных высотах, как правило, с ростом высоты количество наблюдений уменьшается. Хотя потолок подъема аэростатного метеоро­ графа в пос. Воейково был ограничен высотой 500 м, число наблюдений «а верхних уровнях этого слоя было значительно

меньше, чем на высотах до 200—300 м. Поэтому при вычисле­ ниях средних величин отдельных метеорологических элементов,

него уровня, имеющего неполный ряд наблюдений; пСр— то же нижнего уровня, имеющего полный ряд наблюдений; г' — сред­

няя разность значений метеорологических элементов на верх­ нем и нижнем уровнях неполного ряда наблюдений.

Обычно применяемые при аэроклиматических подсчетах ме­ тоды средних и повторяемостей на таком разрозненном мате­ риале одни не могли бы дать надежных характеристик. Считая, что метод средних и повторяемостей все же является основным методом в климатологии, автор всюду, где это было возможно,

использовал его при подсчетах.

Выборочность условий погоды при подъемах аэростата больше всего отражается на подсчетах средних скоростей ветра по высотам. Поскольку при скоростях ветра от 8—9 м/сек. у земли подъемы аэростата не производились, то в обработке преобладали случаи с более слабыми значениями скорости

и средние многолетние величины v получались явно занижен­

распределения скорости ветра. Оказалось, что повторяемость ^>9 м/сек. примерно соответствует повторяемости <1 3 м/сек.

Поэтому хотя бы для частичного уменьшения влияния отсутст­

вия подъемов аэростата при больших скоростях ветра на под­

счеты многолетних v были отброшены все случаи подъемов с

3 м/сек. в слое до 50—100 м.

В результате средние скорости ветра повысились и стали

ближе характеризовать ветровой режим за многолетний период. Для облегчения дальнейшей обработки материала подъемов аэростатного метеорографа и прибора с регистрацией порыви­

стости ветра эти данные сводятся в особые карточки, которые позволяют значительно облегчить обработку материала наблю­ дений, так как могут быть распределены заранее по любым, выбранным для обработки комплексам или типам.

Для того чтобы уловить некоторые особенности строения

пограничного слоя на материале аэростатных подъемов, была разработана специальная методика их аэроклиматических обра­ боток.

Исходя из специфики строения пограничного слоя с его быст­ рыми по времени и высоте изменениями метеорологических элементов, частым расслоением атмосферы на отдельные слои,

зависимостью от подстилающей поверхности и других усло­ вий, применение одних средних или повторяемостей не могло бы выявить всех особенностей строения пограничного слоя.

Наиболее рациональным наряду с классическими методами обработки было бы применение так называемых комплексно­ типовых характеристик, разработанных Е. Е. Федоровым (1935)

иЛ. А. Чубуковым (1949).

Вработе автора (1954 е) были изложены принципы подбора этих характеристик. Применяемые методы обработки могли ба­ зироваться на типовых профилях распределения по высотам температуры воздуха или скорости ветра и подсчета соответст­ вующих данному профилю или состоянию атмосферы средних величин других элементов. Комплексные характеристики могли строиться также на абсолютных значениях некоторых метеоро­

логических элементов, например, по количеству и формам облач­ ности, особенно нижнего яруса.

Приведем некоторые из методов обработки материалов аэро­ статного зондирования.

Обработка материала по критериям термодинамического со­ стояния атмосферы. Для характеристики термодинамического состояния атмосферы в метеорологии часто применяется число

в атмосфере должен переходить из ламинарного состояния в

турбулентное, но разные авторы приводят для этого условия

различные значения RiKp от 0,07 и до 1,0. Кроме того, при малых

34

вертикальных градиентах скорости ветра наблюдаются значи­

тельные колебания величины Ri и сама величина Ri не может дать количественных характеристик интенсивности турбулент­ ности, а дает как бы уровень турбулентной энергии в атмосфере.

Возможно, в силу всех этих обстоятельств Ri редко используется в качестве критерия различной степени термодинамического состояния атмосферы.

Для характеристики термодинамического состояния нижнего слоя атмосферы был использован широко применяемый при

ратур воздуха на 2 и 100 м. Уровень 100 м взят потому, что

обычно на этой высоте заканчивается резкое увеличение скоро­ сти ветра под влиянием силы трения. Путем тщательного ана­ лиза материала, частично ранее изложенного автором (1956д), были установлены четыре группы различного термодинамиче­

ского состояния атмосферы в нижнем слое 100 м.

состояние атмосферы.

На рис. 6 приведено распределение вертикальных градиен­

различном термодинамическом состоянии нельзя, так как в их основу положены различные принципы.

Для каждого подъема была подсчитана величина и на

карточке подъема был поставлен номер группы. В дальнейшем по этим карточкам был сделан подсчет всех метеорологических элементов, характерных для данной группы.

Обработка материала по степени термической устойчивости атмосферы. Здесь за основу взято разделение термического ре­ жима в слое самом нижнем, обычно 2—5 м, на инсоляционный

тип и тип радиационного выхолаживания.

В рассматриваемом слое 500 м (высота подъема привязных аэростатов) в пос. Воейково могли иногда наблюдаться в чистом виде тип радиационного выхолаживания с температурной ин­ версией и значительно чаще инсоляционный тип с падением тем­ пературы воздуха без инверсий. Но обычно, кроме этих двух основных типов, в атмосфере очень часто наблюдались переход­ ные случаи от одного типа к другому.

Рис. 6. Распределение вертикальных градиентов температуры у и ветра Р с Нанесенными значе­

Для облегчения анализа материала вместо изменения тем­ пературы воздуха примем следующие величины вертикального температурного градиента у7100 м, условно разделенные на пять баллов:

Поскольку в чистом виде типы инсоляционный и радиацион­ ный наблюдались сравнительно редко, было принято разделе­ ние термического состояния нижнего слоя атмосферы 500 м на шесть типов. Эти типы характеризовались следующим образом:

Тип I — наличием сверхадиабатических градиентов в нижнем

слое 100 м, а иногда и 200 м. и ходом у по высоте 1—2, 1—2—3, 1—3 баллов. Это — инсоляционный тип.

36

Тип II — соответствием нормальному падению температуры воздуха в слое 400 м и ходом у на высоте 2—2, 2—3—2 баллов.

Инсоляционный тип.

Тип IV — переходом от инверсии к нормальному распределе­ нию температуры, т. е. от типа I к типу VI, ходом у на высоте

3—2, 4—2—2 баллов.

Тип V — соответствием инверсии во 'всем слое 300 или 400 м,

ходом у на высоте 4, 4—3, 4—3—2 баллов. Тип радиационного выхолаживания.

Тип VI — наличием мощной инверсии в нижнем слое 100 м,

а иногда и 200 м и ходом у на высоте 5—4, 5—4—3, 5—4—3—2

баллов. Тип радиационного выхолаживания.

По выбранным типам производилась разбивка всех наблю­ дений, подсчет по высотам и слоям величин у, t°, г°/0 и q г/кг, определение средних значений этих элементов, а также вычис­

ление для каждого типа средней скорости ветра, количества облаков нижнего яруса и общей облачности, подсчет повторяе­

мости количества облаков (например, табл. 6) и т. д.

Таблица 6

Повторяемость каждого типа по сезонам и времени суток (%)

Распределение материала по количеству и формам облаков

нижнего яруса. Облачность оказывает большое влияние на харак­ тер распределения основных метеорологических элементов в

нижнем слое. Поэтому обработку материалов аэростатных подъемов возможно провести, исходя из количества и формы облаков нижнего яруса. Поскольку облачность весьма тесно связана с синоптическими процессами, то выбор количества и

форм облачности требовалось по возможности увязывать с ос­ новными синоптическими ситуациями.

37

В первом приближении было принято следующее распреде­ ление нижней облачности по номерам:

Далее все группы делятся на градации со слоистообразной и конвективной облачностью, причем в зависимости от количества они разбиты на две группы каждая, отдельно для устойчивой и неустойчивой масс воздуха.

Большой интерес представляет попытка связать стратифика­ цию нижнего слоя атмосферы с величинами радиационного или теплового баланса, но здесь еще неясны зависимости между распределением у°/100 м и составляющими величин радиацион­ ного баланса.

Представляется возможным использовать типы погоды по Алисову (1936) или Дюбюку (1932) после их некоторой пере­ работки для характеристики состояния пограничного слоя тро­ посферы. Опыт использования типов погоды Алисова был успешнсг применен, например, в работе Н. Ф, Накоренко и Ф. Г. То­

карь (1946). <

Профили температуры воздуха

Притоком тепла от солнца определяются основные черты распределения температур воздуха по земному шару. Важней­ шими из факторов, формулирующих термический режим погра­

ничного слоя, являются также:

а) неоднородность тепло-физических характеристик поверх­ ности земли,

б) горизонтальный и вертикальный обмен воздуха, в) общециркуляционные процессы.

В результате возникают периодические суточные и годовые

изменения температуры воздуха и их местные особенности. Кроме широты места, большое влияние на суточные и годо­

вые колебания температуры оказывают физико-географические условия. Так, над морями и океанами суточные амплитуды в

нижнем слое малы, над материками они значительно больше. Сильное влияние на суточный ход температуры, как это впер­

вые отметил А. И. Воейков (1884), оказывает рельеф и высота

38