CC BY
46
УДК 551.501
КОРОБОВ Владимир Борисович, доктор географических наук, начальник ГУ «Архангельский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями». Автор 106 научных публикаций
ЗАВЕРНИНА Нина Николаевна, аспирантка Государственного океанографического института, инженер-океанолог ГУ «Архангельский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями». Автор 7 научных публикаций
ИЗМЕНЧИВОСТЬ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ БЕЛОГО МОРЯ*
Во время рейса НИС «Иван Петров» (июнь 2008) в Белом море были проведены параллельные наблюдения за элементами метеорологического режима на некоторых береговых гидрометеорологических станциях и на борту суцна. Обработка полученных материалов подтвердила влияние береговых эффектов на поля метеорологических величин. Приведены количественные оценки расхождения скорости и направления ветра, температуры и влажности воздуха на берегу и в прибрежной зоне.
Метеорологический режим, прибрежная зона, скорость ветра, температура воздуха, влажность воздуха
Физические процессы в береговой зоне океанов и морей имеют свои особенности. Причем касаются они всех геосфер - атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы, поскольку береговая черта - единственное место, где геосферы соприкасаются между собой. Происходящее взаимное влияние геосфер друг на друга приводит к изменению как отдельных параметров, характеризующих их состояние, так и всей природной системы береговой зоны.
Величина пространственно-временной изменчивости природных характеристик зависит от многих факторов, главными из которых являются размеры водного объекта, конфигурация береговой черты и географическое положение, поскольку именно они определяют масштабы всех происходящих изменений.
Атмосфера играет определяющую роль во многих природных процессах Белого моря, таких как длительность ледового сезона, величина речного стока, интенсивность волнения, циркуляция вод и льдов, температура воды, что, в свою очередь, влияет на размыв берегов, транспорт наносов, биологические циклы. Но и атмосфера также находится иод влиянием других сред. Рассмотрим, вследствие чего это происходит.
Основной причиной трансформации метеорологических полей над морем является изменение характера подстилающей поверхности. Как известно, в пограничных слоях на движение воздушных масс определяющее значение оказывает трение, формирующее профиль ветра непосредственно у земной и водной поверх-
* Авторы выражают благодарность доктору географических наук И.М. Кабатченко за полезные обсуждения и помощь в расчетах.
ностей. В свою очередь, на трение оказывает влияние шероховатость поверхности - величина и количество неровностей. Излишне говорить, что на суше и в море они различны. Поэтому при переходе воздушного потока с суши на море и наоборот изменяется скорость ветра, и чем она больше, тем большие трансформации вызывает. При этом также изменяется и направление потока.
Другим немаловажным обстоятельством является различие теплофизических свойств воды и земной поверхности. Тепловые потоки из атмосферы существенно быстрее нагревают горные породы, чем воду, но и отдача тепла после захода Солнца в воздух над сушей происходит быстрее. Атмосферное давление над сушей и морем утром и вечером становится неодинаковым, вследствие чего возникают местные ветры - бризы, меняющие свое направление два раза в сутки.
На движение воздуха оказывает влияние и орография - неровности рельефа и изрезанность береговой черты, чем особенно выделяется Белое море. Сильнее всего этот эффект заметен у обрывистых берегов. Определенную роль играет и растительный покров, увеличивающий шероховатость поверхности.
Воздушные массы над морем содержат большее количество водяного пара, поэтому и влажность морского воздуха, как правило, будет большей. Вследствие неравномерного прогрева и содержания водяного пара температура воздуха при одном и том же потоке солнечной радиации над сушей и морем также будет различной.
Особый интерес представляют различия ветровых потоков. Это связано с тем, что именно ветер вызывает волнение, поверхностные течения, переносит пыль и различные загрязнители. Резкое изменение скорости и направления ветра при смене подстилающей поверхности приводит к перераспределению осаждающихся в конечном итоге на поверхность содержащихся в воздухе примесей.
Относительно величины изменения метеорологических характеристик при переходе с суши на море и обратно до сих нет надежных
сведений ввиду трудоемкости получения натурных данных. Поэтому с целью получения информации о различиях метеорологических характеристик в приповерхностном слое воздуха во время рейса НИС «Иван Петров» в июне 2008 года в Белом море были проведены синхронные наблюдения на ряде береговых и островных гидрометеорологических станций и на борту судна, стоящего на якоре на минимально возможном расстоянии до берега. Наблюдения проводились в стандартные метеорологические сроки с дискретностью 3 часа на следующих станциях: Гридино (побережье Кадалакшского залива), Рзнаволок (побережье Онежского залива), Унский (побережье Двинского залива), Зимнегорский Маяк (Горло) и расположенных на островах Жижгинский, Соловецкий (Онежский залив), Сосновец (Горло) и Моржовец (Мезенский залив). Продолжительность серий для каждой станции была различной в зависимости от времени стоянки судна.
На станциях измерения параметров атмосферного воздуха производятся на высоте двух метров от земной поверхности. Измерения на суднах трудно обеспечить на такой высоте, разве что для маломерных. В данном случае наблюдения производились на корме НИС «Иван Петров», что с учетом роста человека составляет примерно 4 м. Принимая во внимание влияние профиля на величину параметров, измерения необходимо привести к одному горизонту. Для определенности высоту приведения выберем равной 10 м, поскольку значения на такой высоте, и прежде всего скорости ветра, принимаются для расчета нагрузок на сооружения и моделирования физических процессов в морях.
Относительно формы профиля ветра в приземном и приводном слоях до сих пор нет единого мнения. Согласно классическому решению уравнений динамики газа в пограничном слое распределение скорости по высоте имеет логарифмический вид [1]. Однако экспериментальные данные указывают на некоторое отклонение от логарифма, что приводит к необходимости введения поправок на форму профиля [2]. Такие профили правильнее называть профиля-
ми, имеющими логарифмическую точность [3], и выполняются они, как отметил Л.Д. Ландау, для больших значений логарифмов. Поэтому неудивительно, что для расчета скоростей на различных высотах предложено несколько аппроксимативных формул, причем выражения для суши и моря отличаются существенным образом. Причиной этого служит состояние водной поверхности, которая, выступая в качестве подстилающей, сама является подвижной средой, на ее состояние влияет обмен импульса между водой и воздухом.
Для непосредственных расчетов скорости ветра на высоте 10м от поверхности использовались следующие формулы. Для гидрометеорологических станций расчет скорости ветра производился по формуле [4]:
г (г >=к ■«>
где г1 - высота измерении ветра на метеорологической площадке,
г - высота, равная 10 м,
г0 - параметр шероховатости, принятый равным 1 см.
Для морской акватории параметр шероховатости находился путем решения системы уравнений (2)-(3) с учетом динамической скорости потока:
2о =■
g
и=Ы
V (*)
1п(^ / ^0 )’
(2)
(3)
где и* - динамическая скорость ветра,
а - коэффициент пропорциональности, принятый равным 0.03,
X- постоянная Кармана, равная 0.4.
Найденные таким путем значения г0 подставлялись в выражение (1). Отметим, что для аппроксимации профиля ветра некоторыми авторами используются и другие функции, такие как линейная и степенная.
Еще сложнее обстоит дело с аппроксимацией профилей температуры и влажности. В фундаментальной работе [5] показано, что профили температуры Т(г) и ветра в первом приближении могут быть приняты подобными, т.е. выполняется условие
Г (*)-Г (*■) = к (4)
V (г )-г (г,) ' ’
где К! - константа, принимающая положительные значения при инверсиях, равная нулю при безразличной стратификации и отрицательные - при неустойчивой стратификации.
В свою очередь, профиль влажности 8(г) может быть принятым подобным профилю температуры:
4ФФ-! - • <*
0(г )- )
Трудность использования формул (4) и (5) заключается в неизвестности констант Ю и Кя. Это обусловлено сложностями проведения натурных экспериментов, особенно в приводном слое. Тем не менее в первом приближении количественные оценки изменения температуры и влажности с высотой получить можно.
Выражения (4) и (5) можно рассматривать как линеаризацию формул профилей температуры и влажности в приземном и приводном слоях, независимо от исходных функций, используемых для аппроксимации этих профилей. Физическим основанием для этого является относительно малая изменчивость по вертикали температуры и влажности в нижнем слое атмосферы вследствие развития интенсивных турбулентных потоков тепла и влаги в пределах нескольких десятков метров от поверхности [6].
По данным измерения профилей температуры в окрестностях береговой черты [7] изменения по вертикали между горизонтами 2-10 м не превосходят 8-10%. Из этого следует, что можно принять понижение температуры с высотой (и влажности как подобного профиля) в 1% на 1 м. В слое 0-2 м градиенты будут существенно выше из-за влияния подстилающей поверхности.
Наиболее длительные серии наблюдений были получены по станции, расположенной на
о. Сосновец в северной части моря. Судно стояло на якоре на расстоянии 1 км от берега. Поверхность острова ровная, без кустарников и деревьев. Несмотря на изменение направления и чередование величин скоростей ветра от 0 до 12 м/с (рис. 1), средние значения скорости оказались практически равными -5,8 м/с и 5,9 м/с на акватории и станции соответственно. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что устойчивое различие в скоростях ветра, достигающих 60° (рис. 2), тем не менее, не повлияло на чередование модулей скоростей ветра.
Температура воздуха на суше практически всегда была выше, чем над морской поверхно-
стью, что характерно для начала лета в Белом море [8]. В этот период года суша и воздух над ней прогревается значительное быстрее, чем над морем. Для наблюдений у о. Сосновец разность средних температур на горизонте 10 м составила почти 1,50С (рис. 3), что составляет порядка 13%. В районе Соловецких островов эта разница составила 12%. У других станций она была как выше, так и ниже, но здесь надо учитывать, что у большинства из них производилось всего по несколько измерений, вследствие чего вероятность резких отклонений достаточно высока.
Влажность воздуха над морем повсеместно выше. Это естественно, поскольку для влажности воздуха в наибольшей степени сказывается влияние подстилающей поверхности. Расхождения в величине влажности воздуха над сушей и морем достаточно велико, т.к. при положительных температурах воздуха потоки влаги в атмосферу с морской поверхности значительны, что является основной причиной отмеченных различий, величина которых для относительной влажности достигала 30% (рис. 4).
Ветер (скорость, м/с)
Московское время, час
—море станция
Рис. 1. Скорость ветра на о. Сосновец и прилегающей акватории, приведенные к высоте 10 м от поверхности
Градусы
Ветер (направление, градусы)
Московское время, час
море станция
Рис. 2. Направление ветра на о. Сосновец и прилегающей акватории
Т,0С Температура воздуха, градусы Цельсия (сухой термометр)
Московское время, час
море станция
Рис. 3. Температура воздуха на о. Сосновец и прилегающей акватории, приведенные к высоте 10 м от поверхности
Относительная влажность, %
Московское время, час -♦-море станция
Рис. 4. Относительная влажность воздуха на о. Сосновец и прилегающей акватории, приведенные к высоте 10 м от поверхности
Выводы. Несмотря на ограниченные по длительности наблюдения за элементами метеорологического режима, некоторые выводы общего характера представляются возможными.
1. Синхронные значения скорости и направления ветра, температуры и влажности на станциях и борту судна не эквивалентны и отличаются большой изменчивостью. При этом в ряде случаев отмечалось превышение то одной, то другой из параллельно измеряемых характеристик.
2. Зарегистрированы значительные расхождения в направлении ветра, что подтверждает факт влияния береговой черты на прохождение воздушных масс. В то же время средние зна-
Список литературы
1. ШлихтингГ. Теория пограничного слоя. М., 1974.
2. Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. Л., 1980.
3.ЛандауЛ.Д., ЛифшицЕ.М. Гидродинамика. М., 1988.
4. Рекомендации по определению климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов. Л., 1989.
5. Монин A.C., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Т. 1. СПб., 1992.
6. Доронин Ю.П. Взаимодействие атмосферы и океана. Л., 1981.
чения скорости ветра, приведенные к высоте 10 м от поверхности, за период наблюдений различались незначительно.
3. Температура воздуха, также приведенная к горизонту 10 м, на гидрометеорологических станциях была выше, чем над морской акваторией, что характерно для этого периода года. Различия в средней температуре, полученной для наиболее продолжительных серий, составили 12-13%.
4. Влажность воздуха имеет устойчивую тенденцию повышаться над морем. На эту характеристику атмосферного воздуха в наибольшей степени сказывается влияние моря, вклад которого повышает относительную влажность до 30%.
7. Вагер Б.Г., Надежина Е.Д. Пограничный слой атмосферы в условиях горизонтальной неоднородности. Л., 1979.
8. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том II. Белое море. Вып.1. Гидрометеорологические условия. Л., 1991.
Korobov Vladimir, Zavernina Nina
VARIABILITY OF METEOROLOGICAL ELEMENTS THE WHITE SEA COASTAL ZONE
During the trip of SRV «Ivan Petrov» 1/2008 in the White Sea parallel supervisions over elements of a meteorological mode at some coastal hydrometeorological stations and on board of the vessel have been lead. Analyses of the received data proved the impact of onshore effects on fields of meteorological elements. Quality estimations of difference of wind speed and direction, air temperature and moisture onshore and offshore are shown.
Контактная информация: Коробов Владимир Борисович e-mail: korobowb@arh.ru Завернина Нина Николаевна e-mail: nina_zavernina@bk.ru
Рецензент - Губайдуллин М.Г., доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий кафедрой транспорта и хранения нефти и газа Института нефти и газа Архангельского государственного технического университета
