книги из ГПНТБ / Воронцов, П. А. Современные методы аэрологических исследований пограничного слоя атмосферы обзор

АН

В В Е Д Е Н И Е

Структура нижней части атмосферы в среднем от 10 м до 2,5- 3 вы в последнее время детально изучается специалистами.Возросший интерес к исследованию пограничного слоя атмосферы вызван запро­ сами науки и практики.

Можно перечислить ряд проблем, для изучения которых необходи­ мы детальные данные о профилях метеорологических элементов в по­ граничном слое. К таким проблемам, в первую очередь,, относятся:

1.Связи между метеоэлементами свободной атмосферы и погра­ ничного слоя.

2.Влияние изменения местности на потоки и их профили.

3.Изучение штормовых ветров и мезомасштабных струйных тече­

ний.

4.Физика нижней облачности.

5.Исследование конвещпи.

6.Вихри с горизонтальной осью.

7.Исследование местных циркуляций.

8.Изучение переноса масс, энергии и количества движения.

9.Турбулентность и диффузия газов и частиц веществ.

10.Распространение радио, световых и звуковых волн в атмосфе­

ре.

11.Локальные краткосрочные прогнозы.

12.Рационзльное размещение метеорологических и аэрологических станций, целый ряд прикладных и научных задач.

Широкое развитие сетевого зондирования при помощи стандартных радиозондов рассчитано, превде всего, на получение данных на боль­ ших высотах и, как правило, не может дать детальной информации в первых 1,5 км над поверхностью земли.

3

Ч А С Т Ь I

О Б Щ Е ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДАМ И ПРИБОРАМ

Универсальной характеристикой всех метеорологических элемен­ тов является их изменчивость на данном уровне во времени и про­ странстве. Изменчивость в пространстве определяет густоту метео­ рологической сети, а изменчивость во времени - частоту наблюде­ ний.

Однако, за исключением небольших специальных исследований, пока не имеется достаточно надежных данных о пространственновременной изменчивости полей основных метеоэлементов в погранич­ ном слое, с помощью которых можно было бы уже в настоящее время дать физически обоснованную схему размещения пунктов наблюдения и рациональной частоты сроков отсчета, пригодной при решении каж­ дой из перечисленных выше проблем, ввиду того что каждая из них может потребовать индивидуального подхода и к частоте сроков наб­ людения, и к густоте сети.

I. Требования к датчикам

Принято считать, что ошибка в измерении любого метеоэлемен­ та должна быть на порядок меньше наиболее часто встречающихся из­ менений метеоэлементов во времени или пространстве.

Изменения метеоэлементов определяются, прежде всего,интерва­ лом осреднения. Например, если на метеорологической мачте жела­ тельно определить профили среднечасовой температуры с абсолютной точностью, равной 1°, тогда погрешность в измерении температуры должна быть +0,1°.

Одной из основных характеристик любого датчика является его постоянная времени £ . Это время, необходимое для уменьшения раз­ ности показаний датчика температуры или другого элемента в Е раз от первоначального значения, где t - основание натурального лога­ рифма.

Экспериментально установлено, что изменение температуры для любого уровня редко превышает 5° в час, или 0,0014осек"*. Тогда

5

В первом случае с Л =70 сек необходимо применить массивный, аспирируемый и защищенный термометр сопротивления; во втором слу­ чае с Л =7 сек необходимо использовать более чувствительный дат­

100 м будет пройден за 17 сек, что при точности 0,1° будет соот­ ветствовать

Л- _0*1---= 1 , 7 сек 0,06

При скорости подъема 100 м/мин для тех же условий

Л=6 сек .

Но изменение температуры по вертикали часто превосходит величи­ ну 1° на 100 м, достигая в инверсиях 10°, тогда при скорости подъ­

Другой особенностью методики при исследовании пограничного слоя является выбор рациональной толщины слоев, для которых необ­ ходимо определять значения метеорологических параметров.

Судя по нашим данным, в пограничном слое иногда имеют место значительные изменения метеорологических элементов как по вертика­

влажности - б , г/кг, полученных по данным аэростатного зондирова ния (см.табл.1).

Т а б л и ц а1 Значения вертикальных градиентов температуры - у , скорости вет­ ра -р и удельной влажности - б при равных толщинах слоя

(Остров Диксон,5.УШ.1957 г.)

Как видно из табл.1, вычисленные значения вертикальных гради­ ентов при инверсиях сильно меняются в зависимости от толщины ело-.-,

6

причем чем меньше слой, тем детальней выявляется строение нижней

пределении метеоэлементов также пропадает. Наиболее полное пред­ ставление получается при разбивке толщины слоев через 50 м. Более мелкое деление на слои при данной погрешности датчиков может дать

имеют место большие контрасты в ходе метеоэлементов по горизонта­ ли. Например, 4.УШ.1957 г. над южным берегом Ладожского озера при

ности:

а) температура воздуха +0,2°; б) удельная влажность +0,1 г/кг;

в) атмосферное давление +0,2 мб;

г) скорость ветра +(0,5+0,05U) м/сек, где U - скорость ветра. Измерения должны проводиться через интервалы высот не более

пространения ультракоротких радиоволн. Требования по измерению ме­

измерении высот в слое толщиною в 20 м будет составлять уже ±20%. Измерение температуры воздуха с точностью +0,2° в слоях толщиною 20 м при расчете в этом слое вертикальных градиентов температуры дает относительную погрешность при у =0,5°/Ю0 м,составляющую уже

200$.

Очевидно, для повышения качества наблюдений при заданной точ­ ности датчиков необходимо с увеличением высоты или удаления дат­ чика от точки выпуска увеличивать интервалы дискретных отсчетов данного метеоэлемента.

7

в пограничном слое без описания применяемой для этой цели аппара­ туры и видов датчиков.

Все методы зондирования условно разделены на две группы. Прямое зондирование включает методы, при использовании кото­

рых тем или другим способом поднимаются специальные приборы или датчики, регистрирующие состояние одного или нескольких метеоэле­ ментов. Метод может быть или только средством подъема датчика,т.е. своего рода поднимающейся платформой, например, метод радиозондов, или только тем и другим одновременно, как например, метод само­ летного зондирования.

Косвенное зондирование - методы, при которых строение нижних слоев атмосферы характеризуется наземными или другими видам!, уста­

или радиоизлучения). Как известно, распространение перечисленных выше излучений зависит от термодинамического состояния атмосферы, наличия примесей в ней и других процессов, поэтому в основу этих методов положено использование обратных связей, т.е. получение характеристик атмосферы по условиям распространения или рассеяния волн.

I.Прямое зондирование

I.Высотные башни и метеорологические мачты. В настоящее вре­ мя сравнительно большая информация о строении нижних слоев атмосфе­ ры начинает поступать от измерительной аппаратуры.установленной на

высотных мачтах. Жестко закрепленные приборы находятся здесь в таких же условиях, как и на земной поверхности. Этот метод являет­ ся промежуточным между аэрологическим и наземными методами. Это практически пока единственный метод изучения нижних слоев атмосфе­ ры, не зависящий от условий погоды и обеспечивающий синхронные из­

мире, уникальная метеорологическая мачта высотой в 315 м установле­ на в г.Обнинске Калужской области. Эта башня имеет закрытую трубча­

8

нужно отнести Останкинскую телемачту в г.Москве, на базе которой организована Высотная метеорологическая обсерватория ГУ1МС.

Обычно все мачты имеют довольно массивную конструкцию,вслед­ ствие чего они оказывают неблагоприятное влияние на точность из­

Все градиентные наблюдения на мачтах можно разделить на два

вида:

а) сетевые наблюдения, проводимые регулярно по единой мето­

скоростью, направлением и структурой ветра, интенсивностью голо- ледно-изморозевых отложений и высотой нижней облачности. Располо­ жение приборов на одной из таких мачт дано на рис.1;

д _ jnecma устанойки tfi2 (самописец (етпра) ,

Схемя размещения приборов на телевизионной мачте

б) специальные, эпизодические исследования по индивидуаль­ ной программе.

9