Особенности метеорологического режима приводного слоя атмосферы Текст научной статьи по специальности «Физика»

Секция физики

УДК 519.6

АХ. Болдырев, АХ. Клово, Г. В. Куповых, АХ. Марченко, ИЛ. Панчишкина, АЛ. Петров, Г.Г. Петрова, АЛ. Сухинов

ОСОБЕННОСТИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПРИВОДНОГО

СЛОЯ АТМОСФЕРЫ

Важность исследований физических процессов и явлений в приводном слое атмосферы толщиной порядка одного метра обусловлена тем, что именно в нем действуют основные притоки тепла к пограничному слою атмосферы и происходит диссипация кинетической энергии турбулентных движений.

Экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования гидротермодинамических характеристик приводного слоя были проведены в июле -августе 2000 - 2001 гг. в акватории Таганрогского залива Азовского моря. Градиентные наблюдения, производимые на расстоянии около 2 км от берега на специ, -рости ветра на уровнях 0,15; 0,5; 1 и 2 метра. Одновременно измерялись значения , , -, .

, , вблизи морской поверхности.

Анализ данных показал наличие устойчивой температурной инверсии (порядка 1°С) над морем в дневные часы (рис. 1). Толщина слоя инверсии зависела от значений числа Ричардсона (Ш ) и коэффициентов турбулентности. В случаях устойчивой стратификации (Ш >0) температурная инверсия имела место на всех уровнях наблюдения, при неустойчивой стратификации (Ш<0) высота инверсного слоя не превышала 1 метра.

В 2001 году одновременно с морскими измерениями проводились аналогич-

100 .

( . 1).

Для количественной оценки и выяснения причин существования температурной инверсии рассчитывалась и анализировалась так называемая виртуальная температура Ту [1]:

Т „ = Т + АТ „, АТ „ = 0.378Т —, (1)

Р

где Т - истинная температура, АТц - виртуальный добавок, е - парциальное давление водяного пара; р - атмосферное давление.

Средний виртуальный добавок составил 5,2° и 3,1° соответственно в 2000 и 2001 гг. Разброс значений виртуального добавка 3,5 - 6,8° для диапаз она температур воздуха от 24 до 32,5°С в 2000 г. и 2,1 - 4,7° для диапазона от 23,2 - 28,5°С в

2001 г. Среднее значение истинной температуры составило 23,4°С для 2000 г. и 22,1 °С для 2001 г. Полученные значения истинной температуры лежат в интервалах от 23 до 23,8°С в 2000 г. и от 21,5 до 22,4°С в 2001 г.

Рис.1. Профиль виртуальной

температуры (1 - 2000 г. над р^.2. Профиль виртуального добавка

водой; 2 - 2001 г. над водой;

3 - 2001 г. над сушей)

На рис. 1 и 2 приведены профили виртуальной температуры и виртуального , . над поверхностью земли, а также большие значения виртуального добавка над морем показывают существенную роль фазового перехода водаопар в формировании профиля температуры вблизи водной поверхности. Виртуальный добавок температуры является следствием выделения теплоты при фазовых переходах вблизи . -

мумом на поверхности во всём приводном слое.

По данным измерений рассчитаны турбулентный поток тепла Р и затраты тепла на испарение по следующим формулам [1]:

п I аТ

Р = -кРСР^Т, (2)

аИ

тг 1 1 ае

ЬЕ = -крЪ —, (3)

АИ

где к - коэффициент турбулентности; р - плотность воздуха; ср - удельная тепло-

АТ

ёмкость воздуха при постоянном давлении;-------------вертикальный градиент тем-

Ап Ае

пературы воздуха;-------- вертикальный градиент упругости водяного пара;

Ап

0,622Ь

Ъ=-, Ь - удельная теплота парообразования. Необходимо отметить, что ни

Р

, (2) (3), .

Они рассчитывались на основе психрометрических измерений температуры и измерений скорости ветра на различных высотах.

Рис.3. Профиль турбулентного потоки тепли

Рис. 4. Профиль зитрит тепли ни испарение

Среднее значение турбулентного потока составило -30,2 Яж'с в 2000 г. и

м2

-197,21 Дж с в 2001г. На рис. 3 представлена зависимость турбулентного потока 2

тепла от высоты. Из рисунка видно, что турбулентный поток тепла увеличивается с

. -13,9

Яж'с и -104,9 Яж'с соответственно для 2000 и 2001 года на высоте 2 метра.

22 м м

Одновременно в работе рассчитывались значения затрат тепла на испарение (скрытого потока тепла) ЬБ, обусловленного фаз овым переходом водаопар. Профили ЬБ, приведенные на рис.4, рассчитывались для всех значений, включая случаи без инверсии температуры. Средние значения ЬБ составили 6,8 с в

2

2000г. и 11,5^'с в 2001 г.

м2

Максимальное значение ЬБ, равное 24,7 с в 2000 г. и 26,7 с в

22 м м

2001 г., получено на высоте 0,5 метра, затем скрытый поток тепла убывает с высо-

. 1 ЬБ . -

нительный анализ профилей турбулентного потока тепла и затрат тепла на испаре-

,

вблизи поверхности воды и уменьшается с высотой. Сопоставление этих результатов с данными расчёта виртуального добавка и виртуальной температуры позволяет сделать вывод о том, что потери тепла на испарение значительно больше поступления радиации за счёт длинноволнового обмена. Баланс тепла над водной поверхностью достигается благодаря поступлению тепла (за счёт солнечной радиации) сверху и снизу путём теплопроводности. Вследствие чего наблюдается инверсное распределение температуры над поверхностью воды (рис.1).

Теоретическое моделирование. Для интерпретации э кспериментальных результатов проведено численное моделирование гидротермодинамического состояния приводного слоя. Модель состоит из уравнений теплопроводности и переноса водяного пара в турбулентной атмосфере [2]. Для нестационарного горизонтальнооднородного приводного слоя, без учета адвекции, система уравнении имеет вид

дт_ д і

__д_ д г

д _ дГ=

к

дт

д г) д (

+ -

Ь д

ср д г

к

д q

д г )

+ а(г),

д

д q Л дq

д

+ж дг+1 (Я),

(4)

(5)

где Т - температура, q - удельная влажность воздуха, к - коэффициент турбулентного перемешивания, Ж - скорость конвективного переноса водяного пара, а(г) - внешний источник тепла. Член / ^) является функцией источника примеси, роль которой играет водяной пар. Вид функций а(г) и /^) носит достаточно сложный характер и зависит от метеорологических условий. Численные эксперименты показали, что функция / ^) может быть выбрана в виде

/(г ) = С (я - q~)2, где С - некоторая постоянная величина.

Граничные условия задавались в виде

т( = о) = т0, т( = И) = ^ q(z = 0) = qm (г^ Р0), q(z = к) = ^ (6)

где И - толщина приводного слоя (порядка 1 метра), qm - насыщенное значение удельной влажности при заданных значениях т0 и Р0 вблизи поверхности. В качестве начального условия задаются профили т(г) и q(z) в момент времени

і = 0, которые берутся из решения соответствующей стационарной задачи.

Расчеты проводились для стационарного приводного слоя. Для этого случая была построена консервативная разностная схема уравнений (4) - (6) и проведены расчеты на основе итерационных процессов [3].

Результаты расчетов представлены на рис. 5-6 в виде зависимостей значений температуры и влажности воздуха от высоты.

Рис.5. Расчетные профили влажности при различных метеорологических условиях (кривая 1 - к = 0,05 м2/с и Ж = 0 м/с; кривая 2 - к = 0,15 м2/с и W = 0,1 м/с; кривая 3 - к = 0,05 л^/с и W = 0,1 м/с)

г

о

288 301) 302 Т, К

Рис.5. Расчетные профили температуры при различных метеорологических условиях (кривая 1 - к = 0,05 л?/с и Ж = 0 м/с; кривая 2 - к = 0,15 л^/с и W = 0,1 м/с; кривая 3 - к = 0,05 л^/с и W = 0,1 м/с)

Из результатов численного эксперимента следует, что при небольших значениях коэффициента турбулентного перемешивания наблюдается ярко выраженная температурная инверсия до высоты одного метра. При увеличении коэффициента турбулентного перемешивания температурная инверсия уменьшается. Наличие конвективного переноса увеличивает температурную инверсию и ее масштаб. Результаты теоретических расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными над морской поверхностью.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеотиздат, 1984.

2. Клово АТ., Куповых КВ. Моделирование гидродинамических процессов в приводном слое атмосферы // Материалы Всерос. науч. конф. “Математическое моделирование в научных исследованиях”. Ч. II. Ставрополь, 2000. С.50-54.

3. Самарский А.А., Николаев КС. Методы решения сеточных уравнений. М: Наука, 1978.

УДК 539.2

О.В. Колпачева

ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ В ТЕТРАГОНАЛЬНЫХ СПЛАВАХ СихШі_хТІ

В рамках кластерного приближения теории многократного рассеяния были рассчитаны плотности электронных состояний (ПЭС) сплавов Cuo.Nio.Ti и Cu0.gNi0.4Ti. Расчеты позволяют построить следующую модель электронной энергетической структуры сплавов и соединений системы Си - Ті - N1. В валентной полосе сплава имеются состояния, соответствующие трем гибридизованным орбиталям. Низшая (по энергии) орбиталь образована в основном ^состояниями меди. Она находится на глубине около 4 эВ от уровня Ферми. На глубине около 2 эВ располагается гибридизованная орбиталь, обязанная своим происхождением d-