Градиентные измерения

Задачи и методы градиентных измерений. Задача градиентных наблюдений - определение переноса в атмосфере некоторой физической субстанции (например, тепла, влаги, примесей). Вертикальные потоки в атмосфере могут измеряться двумя существенно различными методами: пульсационным и градиентным. Интенсивность турбулентных потоков тепла и влаги на гидрометеорологических станциях определяется двумя методами: методом теплового баланса и методом турбулентной диффузии. Метод теплового баланса является наиболее надежным и применяется в случаях, когда на станции измеряется величина радиационного баланса /2-4/.

Теплобалансовые наблюдения

Тепловой режим Земли (атмосферы) формируется в конечном счете под влиянием результирующего притока тепла. Формулы, с помощью которых определяется результирующий приток тепла, называют уравнениями теплового баланса.

Поглощенная деятельным слоем солнечная радиация (B,S,D) расходуется:

1. на тепло, отдаваемое атмосфере посредством турбулентного перемешивания (P).

2. на испарение воды с земной поверхности (LE). Если Е масса испарившейся воды, то затраты тепла на испарение равны LE, где L – удельная теплота парообразования;

3. на тепло, идущее в нижележащие слои гидросферы или литосферы (R).

Приравнивая радиационные потоки тепла сумме всех других затрат тепла, получим уравнение теплового баланса.

Уравнение теплового баланса имеет вид: B+P+R+LE=0.

Каждый из потоков тепла может быть направлен к подстилающей поверхности или от нее. Из всех 4-х составляющих теплового баланса непосредственно измеряется только В, остальные составляющие определяются по расчетным формулам по данным градиентных наблюдений за температурой, влажностью воздуха, скоростью ветра, температурой и влажностью воздуха на различных глубинах.

Расчет составляющих теплового баланса: турбулентного потока (Р), потоков тепла в верхних слоях почвы (R) и затрат тепла на испарение (LE) градиентным методом производится по формулам:

P= -kρc_p,

где k- коэффициент турбулентности, ρ- плотность воздуха, c_p – удельная теплоемкость при р=сonst, _-вертикальный градиент температуры воздуха.

LE = -kρв_,

где k- коэффициент турбулентности, ρ- плотность воздуха, в= 0.622,

_-вертикальный градиент влажности воздуха.

Для почвы

R= -k_мρ_почc_п,

где k_м- коэффициент температуропроводности почвы, ρ_поч- плотность почвы, c_p – удельная теплоемкость почвы, _{, -}вертикальный градиент температуры почвы.

Тепловой баланс у земной поверхности определяется: Радиационными потоками B = (S/ sinh+D)(1-A) - Eэф Турбулентными и конвективными потоками в воздухе, возникающими в ходе тепло- и влагообмена нижнего слоя атмосферы с подстилающей поверхностью (P). Потоками тепла в верхних слоях почвы (R). Потоками тепла, связанными с фазовыми переходами воды (LE) .

Лучистая энергия в атмосфере и на земной поверхности

Основным источником энергии почти для всех природных процессов, происходящих на поверхности земли и в атмосфере, является лучистая энергия, поступающая на Землю от Солнца. Энергия, поступающая к поверхности земли из глубинных ее слоев, выделяющаяся при радиоактивном распаде, приносимая космическими лучами, а также излучение, приходящее к Земле от звезд, ничтожно малы по сравнению с энергией;, поступающей на Землю от Солнца /2-4/.

Кроме лучистой энергии, т. е. электромагнитных волн, от Солнца приходят к Земле также различные потоки заряженных частиц, главным образом электронов и протонов, движущихся со скоростями в сотни и даже тысячи километров в секунду. Электромагнитные же волны распространяются со скоростью 300000 км/с. Длина этих волн составляет от 10⁷— 10⁴ мкм (рентгеновские лучи и гамма-лучи) до нескольких километров (радиоволны). Основная часть энергии, излучаемой Солнцем и поступающей на Землю, представляет собой ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи, имеющие длины волн 0,1-30 мкм. Эта часть электромагнитного излучения Солнца и называется в метеорологии солнечной радиацией.

Потоки лучистой энергии в атмосфере.

Солнечная радиация, поступившая на верхнюю границу атмосферы, на своем пути до земной поверхности претерпевает ряд изменений, вызванных ее поглощением и рассеиванием в атмосфере. Радиация, поступающая от Солнца в атмосферу и затем на земную поверхность в виде пучка параллельных лучей, называется прямой. Значительная часть прямой радиации, пришедшей к верхней границе атмосферы, достигает земной поверхности.

Часть солнечной радиации рассеивается молекулами атмосферных газов и аэрозолями и поступает к земной поверхности в виде рассеянной радиации.

Часть солнечной радиации, отражающаяся от земной поверхности и атмосферы (в основном от облаков), называется отраженной радиацией.

Земля и атмосфера в соответствии с их температурой непрерывно излучают невидимую инфракрасную радиацию. Излучение Земли почти полностью поглощается атмосферой. Часть излучения атмосферы, направленная к Земле, называется встречным излучением атмосферы. Часть же атмосферного излучения, направленная вверх не прошедшая через всю толщу атмосферы, уходит в мировое пространство и называется уходящим излучением атмосферы. Земная, и атмосферная радиация, так же как и солнечная, частично поглощается и отражается атмосферой.

Все перечисленные потоки лучистой энергии отличаются друг от друга по спектральному составу, т. е. по длинам волн. В метеорологии принято рассматривать радиацию коротковоновую и длинноволновую. К коротковолновой относят радиацию с длинами волн от 0,1 до 4 мкм т. е. не только видимую, но и ближайшие к ней по длинам волн ультрафиолетовую и инфракрасную части спектра. Солнечная радиация в подавляющей своей части является коротковолновой. Радиацию земной поверхности и атмосферы, имеющую длины волн от 4 до 120 мкм, относят к длинноволновой.

Количественно лучистая энергия характеризуется потоком радиации. Поток радиации—это количество лучистой энергии, которое поступает в единицу времени на единицу поверхности. В СИ поток радиации выражается в Вт/м². В метеорологии поток радиации до недавнего времени выражали в кал/ (мин см²) (1 кал/ (мин см²) = 0,698 кВт/м²).

Количество прямой радиации S, приходящей в единицу вре­мени на единицу поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, называется плотностью потока прямой радиации.

Раздел метеорологии, изучающий солнечную, земную и атмосферную радиацию, называется актинометрией. Одна из основных задач актинометрии — измерение потоков лучистой энергии. При этом часто бывает необходимо знать положение солнца на небесном своде, которое характеризуется его координатами, например высотой, азимутом, склонением, часовым углом.