1.6. Описание метеорологической станции Бойцы.

Станция расположена на острове в восточной части озера. Остров оваль­ной формы, диаметром около 90 м. Внутри острова находится бухта, имеющая выход на юго-восток.

Гидрологический пост находится в северо-западной части острова. Пост оборудован реперами, рейками, установкой для самописца уровня воды (рабо­тающей только в теплое время года) и волномерной установкой.

Высота нуля графика поста 0,00 м БС.

Метеорологическая площадка расположена на восточной стороне острова в 25 м к востоку от здания маяка и оборудована стандартными приборами. Высота ус­тановки флюгеров (с легкой и тяжелой доской) одинакова - 12,0 м.

2. Методы расчета испарения с водной поверхности

Оценка испарения с водной поверхности может быть произведена с ис­пользованием нескольких методов. Большое количество методов вызвано тем, что сложный механизм взаимодействия между водной поверхностью водоема и прилегающей к ней воздушной массой полностью не раскрыт. Более точным из разработанных методов считается инструментальный (прямой) метод, т. е. ме­тод непосредственного измерения слоя испарившейся воды с помощью водных испарителей. К прямому методу относится и пульсационный метод. Однако они не всегда могут быть применены вследствие их трудоемкости и невозможности использования при разработке проекта. Поэтому для определения испарения с поверхности воды применяют косвенные методы, основанные на использова­нии уравнений водного и теплового балансов, турбулентной диффузии водяно­го пара в атмосфере, а также производят расчёт по метеорологическим данным с помощью эмпирических формул.

2.1. Метод водных испарителей

Для характеристики испарения с водной поверхности на территории страны создана сеть водно-испарительных площадок, оборудованных стандартными сетевыми испаромерами ГТИ-3000 (площадью 0,3 м², высотой 0,6 м) и эталонными водно-испарительными бассейнами (площадью 20м², глубиной 1 м). Водно-испарительные площадки, на которых осуществляется постановка специальных тематических исследований, оснащаются еще испарительными бассейнами площадью 100 м². Испарение между сроками наблюдений по испаромеру вычисляется как разность между уровнями воды в нем в предыдущий и текущий сроки наблюдений плюс слой осадков за период наблюдений. Чтобы воспользоваться данными наблюдений по испаромеру для определения испаре­ния с изучаемого водоема необходимо эти данные откорректировать поправоч­ным коэффициентом. Так, например, расчетное уравнение перехода от показа­ний прибора к испарению с поверхности водоемов площадью до 1000км, полу­ченное В. С. Голубевым, имеет следующий вид:

Е=0.4Е_0,3+0.91h_θ-1.2Δh_θ+2.4τ_дн-8.1Δτ_дн-35,

Где Е и Е₀,₃ - месячные нормы испарения соответственно с поверхности водоема и испаромера ГГИ-3000, мм/мес;

h_θ и τ_дн - полуденная высота Солнца (градус) и продолжительность дня (ч) от восхода до захода Солнца на 15-е чис­ло месяца;

Δh_θ и Δτ_дн - изменение полуденной высоты Солнца (градус) и про­должительности дня (ч) между последним и первым числом месяца.

В тех случаях, когда имеются сведения об испарении по испарительному бассейну площадью 20 м, расположенному вблизи изучаемого водоема, А.Р. Константинов рекомендует выполнять расчет испарения с водоемов площадью до 40 км по формуле:

E=k_нk_защβЕ₂₀

где k_н - коэффициент, характеризующий влияние глубины водоема на испарение; он изменяется от 1 до 0,92 и определяется по специально составлен­ной таблице в зависимости от глубины водоема и зоны, в которой он находится;

k_защ - коэффициент, характеризующий защищенность водоема от ветра берега­ми, лесом, строениями и другими препятствиями; он изменяется от 0,96 до 0,51 и находится в зависимости от отношения средней высоты препятствий к сред­ней длине разгона воздушного потока;

β - коэффициент, характеризующий влияние площади водоема Ω на испарение; определяется для тундровой, лес­ной и лесостепной зон по специальной таблице, а для остальных зон принима­ется равным единице;

Е₂₀ - слой испарившейся воды в испарительном бассейне.

2.2. Метод теплового баланса

Метод теплового баланса для оценки испарения с водной поверхности впервые применен Е. Шмидтом. Метод предусматривает использование урав­нения теплового баланса, записанного для водной поверхности в следующем виде:

R=L _и Е+P+B,

R - радиационный баланс,

L_и - удельная теплота испарения,

Е - испарение,

Р - турбулентный теплообмен между водной поверхностью и воздухом,

В - теплообмен между водной поверхностью и нижележащими слоями воды.

В уравнении приведены только главные составляющие теплового балан­са, оно выражает закон сохранения и превращения энергии. Согласно этому за­кону, разность между поступающей тепловой энергией в водоем и уходящей из него должна быть равна изменению количества теплоты водной массы водоема (изменению его энтальпии) за рассматриваемый промежуток времени. Приме­нительно к поверхности воды эта разность тепловой энергии равна нулю.

С учетом известного отношения Боуэна, устанавливающего связь между количеством теплоты, получаемой водной поверхностью от воздуха при турбу­лентном теплообмене, и количеством теплоты, затрачиваемой на испарение,

P/(L_H-E)=(ρc_p-k_t-ρt/dz)/(L_н-ρk_e -ρq/dz)=c_p/L_н=dt/dq

уравнение относительно испарения примет вид:

E=(R-B)/[L_H(l-α-dt/dq)],

где ρ и c_p - плотность воздуха и его удельная теплоемкость при постоян­ном давлении,

k_t и к_е - коэффициенты турбулентности переноса теплоты и во­дяного пара,

t и q - температура и удельная влажность воздуха,

α=с_р/L_и

При выводе этого уравнения принято равенство коэффициентов k_t и к_е. Однако данные многочисленных экспериментов, выполненных в нашей стране и за рубежом, свидетельствуют о том, что соотношение этих коэффициентов турбулентности меняется в зависимости от устойчивости атмосферы. В частно­сти, А. Р. Константинов и М. П. Тимофеев показали, что значения коэффициен­тов k_t и к_е различаются на 5-10%, что обычно лежит в пределах точности расчета, поэтому допущение их равенства большой ошибки в вычисление испарения не привносит.

Подставив средние значения удельной теплоты испарения воды (L_и=2500 кДж/кг) и удельной теплоемкости воздуха (с_р=1,0 кДж/(кг°С), а также перейдя от удельной влажности q к парциальному давлению водяного пара в воздухе е, пренебрегая при этом поправкой на давление, получим:

E=(R-B)/[250(l+0,64Δt/Δe)],

где Е в мм/ч; R и В в кДж/(м ч),

Δt - разность температуры поверхности воды и воздуха, измеренной на высоте 2м,

Δе - дефицит насыщения на высоте 2 м.

Метод теплового баланса не нашел широкого применения в гидрологической практике, связанной с расчетами испарения. Основная причина его малой применимости заключается в отсутствии данных непрерывных гра­диентных наблюдений за метеорологическими элементами над акваторией во­доемов, а также в отсутствии наблюдений за теплообменом в их водной массе.

2.3. Метод турбулентной диффузии.

Этот метод разработан на основании использования турбулентной диффузии. Выполнив интегрирование дифференциального уравнения переноса водяного пара в турбулентной атмосфере по высоте от 0 до z с учетом упрощений, получим:

ρk_z(dq/dz)-(ρk_z-(dq/dz)₀=0

второе слагаемое в этом уравнении представляет собой поток водяного пара при z=0,то есть испарение с водной поверхности. Обозначим его через Е, тогда уравнение принимает вид:

Е= ρk(dq/dz)

Выполним замену q на е –парциальное давление водяного пара в воздухе согласно соотношению:

q= 0.623e/(P-0/378e)

E= ρ*k*0.623/P*(de/dz) (1)

Изучая структуру турбулентного воздушного потока в приземном слое, А.Р. Константинов использовал следующее выражение для коэффициента турбулентного обмена при равновесной стратификации:

k=χ²*z*ω₁/ln(z₁/z₀) (2)

где χ=0.38-постоянная Кармана;

z-высота измерения

z₀-высота шероховатости, то есть уровень, на котором скорость ветра равна 0

ω₁-скорость ветра на высоте z₁=1 метр.

Подставим (2) в (1) и проинтегрировав его с учетом логарифмического закона распределения парциального давления водяного пара по высоте, получим выражение для расчета водяного пара по высоте, получим выражение для расчета испарения в общем виде:

Е=bω₁(e₀-e₂)

Подставив в него средние значения метеорологических элементов, получим

E=0.12ω₁(e₀-e₂)

Где E-слой испарившейся воды,мм/сутки.

2.4. Пульсационный метод

Известно, что потоки воздуха в атмосфере почти всегда имеют турбу­лентный характер движения. Поэтому уравнение переноса водяного пара в ат­мосфере необходимо привести к виду, учитывающему этот характер движения. Для этой цели пользуются методом осреднения по времени входящих в уравне­ние величин, предложенным О. Рейнольдсом. Перед осреднением все перемен­ные величины представляются в виде:

N=N₁+Ń

где N - среднее значение переменной величины, N₁ и Ń - ее пульсационная до­бавка.

После выполнения осреднения, с соблюдением всех его свойств, прово­дится анализ полученного уравнения при следующих допущениях: 1) фазовые переходы водяного пара в воздухе отсутствуют; 2) градиенты характеристик атмосферы в горизонтальных направлениях равны нулю; 3) по высоте призем­ного слоя атмосферы вертикальный поток пара постоянный. В результате полу­чим выражение для расчета испарения в виде:

E=ρu'q',

где u'qʹ - среднее значение произведения пульсационных добавок соответствен­но скорости ветра и удельной влажности.

Эта формула имеет простой вид, однако этот метод практического при­менения для расчета испарения не получил из-за отсутствия высокочувстви­тельной аппаратуры для измерения пульсаций влажности воздуха.

2.5. Метод водного баланса

Метод предусматривает использование уравнения водного баланса, со­ставленного применительно к водоему для оценки испарения в виде:

E=x+y₁-y₂+y^’₁-y^’₂+ΔH

Е - испарение с поверхности воды,

х - осадки, выпадающие на водную поверхность,

y₁ и у₂ - приток и отток поверхностных вод,

y^’₁ и y^’₂ - приток и отток подземных вод,

ΔН - изменение уровня воды в водоеме.

При отсутствии притока и оттока уравнение примет вид:

Е=х+ΔН.

В этих уравнениях все слагаемые, за исключением испарения, должны быть известны. Таким путем можно определить испарение с замкнутых водо­емов, в принципе метод водного баланса наиболее обоснован. Однако вследст­вие того, что для небольших водоемов некоторые составляющие уравнений, определяются с невысокой точностью, например подземный приток и отток во­ды, а другие составляющие, такие как водозабор мелких потребителей, конденсация водяных паров и т.д., вообще не измеряются, значения испарения полу­чаются недостаточно надежные. Для слабоизученных районов страны недоста­точны сведения и по основным составляющим уравнения водного баланса. По­этому испарение с водоемов указанных районов, особенно за короткие периоды времени, определяется по этим уравнениям с невысокой точностью. Таким об­разом, с помощью метода водного баланса достаточно точные результаты мо­гут быть получены при надежном определении всех его составляющих. Рас­сматриваемый метод имеет ограниченное применение для расчета испарения с проектируемых водохранилищ.

2.6. Расчет испарения по эмпирическим формулам

Еще в 20-30-е годы прошлого века развитие крупного гидротехнического и мелиоративного строительства стимулировало разработку эмпирических формул для расчета слоя испарившейся воды. Расчет испарения по эмпириче­ским формулам более удобен и доступен, чем вышеизложенные методы. Этот метод получил широкое применение в гидрологической практике.

К настоящему времени таких формул разработано большое число, но почти все они имеют структуру, предложенную еще Дальтоном (1802 г.):

E=ε₀(e₀-e₂)

где ε₀ - коэффициент, зависящий от скорости ветра. Большое число формул та­кого типа связано в основном с предложениями по определению ветрового ко­эффициента ε_o. В настоящее время наибольшей известностью пользуются формулы В.К. Давыдова, Б.Д. Зайкова, А.П. Браславского и З.А. Викулиной, А.П. Браславского и С.Н. Нургалиева.

Проверка точности различных формул по оценке испарения с водной по­верхности, проведенная в Государственном гидрологическом институте БИ. Кузнецовым, B.C. Голубевым и Т.Г. Федоровой, показала, что наиболее опти­мальной является формула:

Е=О,14(1+О,72u₂)(е₀-е₂),

где u₂ - скорость ветра на высоте 2 м над поверхностью воды, м/с;

Е - слой испарившейся воды, мм/сут;

e₀ и e₂ - давление насыщенного водяного пара и парциальное давление водяного пара на высоте 2 м над поверхностью воды, гПа.

Эта формула рекомендуется Указаниями для расчета испарения с водной поверхности в условиях равновесной стратификации атмосферы в приводном слое, т. е. когда разность значений температуры воды и воздуха не превышает 4°С. При наличии неравновесных условий в приводном слое воздуха необхо­димо рассчитывать испарение по формуле В. А. Рымши и Р. В. Донченко либо по формуле А. П. Браславского и С. Н. Нургалиева.

Значения испарения, вычисленные по формулам различных авторов при штилевой обстановке, значительно различаются. Это объясняется тем, что при штиле на рассматриваемый процесс существенное влияние оказывает верти­кальный конвективный воздухообмен над испаряющей поверхностью. Чем больше разность температуры испаряющей поверхности и воздуха, тем интен­сивнее протекает воздухообмен, а следовательно, и более интенсивно осущест­вляется отвод паров от водной поверхности в вышерасположенные слои атмо­сферы. Дальнейшие исследования показали, что интенсивность испарения пря­мо пропорциональна разности температуры воды и воздуха не только в штиле­вых условиях, но и при слабом ветре. Поэтому появился ряд формул, уточнен­ных введением еще одного слагаемого, зависящего от разности температуры испаряющей поверхности воды и воздуха на высоте 2 м. Введением этой харак­теристики учитывается скорость отвода водяных паров от испаряющей поверх­ности в атмосферу. Эти формулы имеют следующий вид:

1. В. А. Рымши и Р. В. Донченко:

E=0.104(k₁+u₂)(e₀-e₂)

где k₁=f₁(Δt) - коэффициент, зависящий от разности температуры поверхности воды и воздуха на высоте 2 м (t_n-t₂), заданный в табличной форме. Эта формула рекомендуется для расчета испарения с незамерзающих водоемов;

2) Л. Г. Шуляковского:

Е=(0.,15+0.112u₂+0.094(t_n-t₂)^1/3)(e₀-e₂).

3) А. Р. Константинова:

E=(0,024(t_n-e₂)/u₁+0,116u₁)(e₀-e₂).

4) А. П. Браславского и С. Н. Нургалиева:

Е=О.14(1+0,8и₂+k₂)(е₀-е₂),

где k₂=f₂(Δt) - функция, зависящая от разности температуры поверхности воды и воздуха на высоте 2 м (t_n-t₂), определяется по специальной таблице.

Последняя формула в настоящее время включена в рекомендации по тер­мическому расчету водохранилищ.

Примером эмпирической формулы другого типа, чем приведенные выше, является формула Н. Н. Иванова:

E=0,0018(25+t₂)²(100-r₂),

где Е - слой испарившейся воды, мм/мес;

t₂ и r₂ - средние месячные температура и относительная влажность воздуха.

Эта формула дает менее точные значения испарения, так как относитель­ная влажность отражает дефицит насыщения на высоте 2 м над поверхностью воды, а не дефицит насыщения, вычисленный как разность между давлением насыщенного водяного пара при температуре испаряющей поверхности и пар­циальным давлением водяного пара в воздухе на высоте 2 м.

Приведем формулу, предложенную В. И. Бабкиным и отличающуюся по структуре от рассмотренных выше, которую, вероятно, следует отнести к полу­эмпирическим формулам:

E=E’₀Δ/[Δ+h/(ξδ[RT/(6πμ)]^1/2)],

Где Е'о - максимальная скорость испарения;

Δ=(е_о-е)/е_о;

ξ=f(t) - параметр, определяемый по графику;

δ - коэффициент турбулентного обмена;

h - высота, на которой измеряется парциальное давление водяного пара е;

R - газовая постоянная, отнесенная к 1 молю;

Т - абсолютная температура воды;

μ - относительная молекулярная масса.

Эта формула получена на основании использования молекулярно-кинетической теории движения молекул воды.

Чтобы рассчитать испарение по приведенным выше формулам, необхо­димо знать температуру и влажность воздуха и скорость ветра, измеренные не­посредственно над поверхностью водоема. Таких наблюдений, за редким ис­ключением, не имеется. Поэтому для расчета испарения по приведенным фор­мулам используют данные о состоянии воздушной массы, полученные на кон­тинентальных метеостанциях, но с учетом ее трансформации при переходе с суши на водную поверхность. Чтобы использовать данные континентальных метеостанций, их корректируют введением коэффициентов:

1. скорость ветра на высоте 2 м над поверхностью водоема W2 корректи­руется введением сразу трех коэффициентов, т. е.:

u₂=k₁k₂k₃u_ф,

где k₁, k₂ и k₃ - коэффициенты, учитывающие соответственно степень защи­щенности метеорологической станции на суше, характер рельефа в пункте на­блюдений и среднюю длину разгона воздушного потока над водной поверхно­стью водоема; u_ф - скорость ветра на высоте флюгера;

2. парциальное давление водяного пара на высоте 2 м над поверхностью водоема рассчитывается следующим образом:

e₂=e₂’+(0.8e₀-e₂’)M,

где е₂' - парциальное давление водяного пара, измеренное на высоте 2 м на кон­тинентальной метеостанции;

е₀ - давление насыщенного водяного пара, определенное по температуре по­верхности воды;

М - коэффициент трансформации, учитывающий изменение влажности и тем­пературы воздуха в зависимости от размера водоема;

3) температура воздуха на высоте 2 м над поверхностью водоема уточня­ется аналогично парциальному давлению водяного пара:

t₂=t₂’+(t_п-t₂’)M,

где t₂ - температура воздуха на высоте 2 м на континентальной метеостанции, t_n - температура поверхности воды;

4. температура поверхности воды назначается на основе натурных на­блюдений за предыдущие годы на данном водоеме, водоеме-аналоге или рас­считывается с использованием метода теплового баланса.

Заключение.

Значения испарения, вычисленные по формулам различных авторов значительно различаются. Это объясняется тем, что при штиле на рассматриваемый процесс существенное влияние оказывает вертикальный конвективный воздухообмен над испаряющей поверхностью. Чем больше разность температуры испаряющей поверхности и воздуха, тем интенсивнее протекает воздухообмен, а следовательно, и более интенсивно осуществляется отвод паров от водной поверхности в вышерасположенные слои атмосферы.

Проведя расчеты испарения с поверхности озера Ильмень за безледоставный период по трем эмпирическим формулам, получили, что наименьшее значение испарения дает формула ГГИ, а именно 550.4 мм, а наибольшее- формула Л.Г. Шуляковского- 655.3 мм. По формуле А.П. Браславского и С.Н. Нургалиева- 607.6 мм. Расхождение в результатах объясняется тем, что в формулах Шуляковского и Браславского и Нургалиева используются разность температур воды и воздуха.

Список использованной литературы

1. Винников С.Д., Проскуряков Б.В. Гидрофизика: учебник./Бабкин В.И.-Ленинград: Гидрометиздат, 1988-248 с.

2. В.М. Мишон Практическая гидрофизика: учебное пособие./Бабкин В.И.-Ленинград: Гидрометиздат, 1983-175 с.

3. Указания по расчету испарения с поверхности водоемов: монграфия./-Ленинград: Гидрометиздат, 1969-83 с.

4. Методические указания «Физика атмосферы, океана и вод суши» Раздел-«Физика вод суши»/СПб.: изд. РГГМУ, 2000-48 с.

5. Бабкин В.И. Испарение с водной поверхности: монография./ Бабкин В.И.-Ленинград: Гидрометиздат,1984-80 с.

6. Под редакцией Л.Д.Рубушкова «Материалы наблюдений на озерах и водохранилищах» (доп. К гидрологическому ежегоднику) 1981 г./ Глав. упр. гидрометеорол. службы СССР. Северо-Западное упр. гидрометеорол. службы. Ленград 1981 г.

7. Ресурсы поверхностных вод СССР.