Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Турбулентность и турбулентный обмен в пограничном слое атмосферы над неоднородной поверхностью
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы
Автореферат диссертации по теме "Турбулентность и турбулентный обмен в пограничном слое атмосферы над неоднородной поверхностью"
Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей
среды (Росгидромет)
ЦЕНТРАЛЬНАЯ АЭРОЛОГИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ
На правах рукописи
Струнин Михаил Александрович
ТУРБУЛЕНТНОСТЬ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ ОБМЕН В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ НАД НЕОДНОРОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
Специальность: 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
г. Москва - 2006 г.
Работа выполнена в Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук Шакина Наталья Павловна
Защита состоится 1 июня 2006 г. в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д 327.003.01 при Гидрометеорологическом научно-исследовательском центре Российской Федерации (Гидрометцентре России) по адресу: 123242, Москва, Б. Предтеченский пер., 9-13, конференцзал. Факс: (095)-255-15-82
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Гидрометцентра России.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просьба направлять в адрес Совета.
Автореферат разослан 26 апреля 2006 г.
доктор физико-математических наук Новицкий Михаил Александрович
доктор физико-математических наук Костяной Андрей Геннадиевич
Ведущая организация:
Институт Физики Атмосферы им. А.М. Обухова
РАН
Ученый секретарь Диссертационного Совета, доктор географических наук
Диссертация посвящена результатам экспериментальных исследований турбулентности и турбулентного обмена в пограничном слое атмосферы (ПСА) над неоднородной подстилающей поверхностью при помощи специально оборудованных самолетов-лабораторий. Полученные данные относятся, прежде всего, к внешней части пограничного слоя (слою перемешивания и слою вовлечения). Отдельно в диссертации упомянуты результаты исследования турбулентности в облаках различных форм, необходимые для моделирования облачных процессов и оценки возможности активных воздействий на облака. Актуальность работы
Актуальность настоящей диссертационной работы определяется тем, что турбулентность пограничного слоя атмосферы играет чрезвычайно важную роль в процессах обмена энергией и влагой между подстилающей поверхностью и атмосферой, в распространении примесей в атмосфере. Турбулентные потоки явного и скрытого тепла (водяного пара) входят в уравнение теплового баланса земной поверхности, которое описывает модель климата. Изучение турбулентных потоков метана и углекислого газа, проходящих через пограничный слой атмосферы необходимы для оценок накопления парниковых газов в атмосфере и прогноза глобального изменения климата.
Особую важность в настоящее время имеют исследования пограничного слоя атмосферы над неоднородной земной поверхностью, которая порождает неоднородные турбулентные потоки различных субстанций. Сильная изменчивость структуры подстилающей поверхности и большой диапазон масштабов воздушных потоков делают необходимым накопление фактических данных о турбулентности для создания эмпирических моделей неоднородного пограничного слоя и оценки возникающих при этом турбулентных потоков. Методы исследований •
Для изучения структуры неоднородного пограничного слоя было необходимо провести измерения ряда параметров атмосферы в различных географических регионах, на большом горизонтальном протяжении над поверхностью (100 - 120 км) и на высотах до 3 - 4 км. Поэтому в качестве основного средства исследования использовался специально оборудованный самолет-лаборатория. Измерения с борта самолета дополнялись радиозондированием, наземными и спутниковыми наблюдениями. Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы являлось выявление закономерностей пространственных распределений и временных вариаций параметров турбулентности и турбулентных потоков в неоднородном пограничном слое атмосферы, сезонных изменений потоков, анализ спектральной структуры турбулентности, оценка возможности применения известных моделей подобия для параметризации неоднородного пограничного слоя и разработка новых способов параметризации неоднородного пограничного слоя, в том числе и в условиях мезомасштабной ситуации.
Основная задача заключалась в сборе достоверных данных о характеристиках турбулентности и турбулентных потоках импульса, тепла,
водяного пара и различных примесей (углекислого газа, метана, озона) в пограничном слое атмосферы над неоднородной подстилающей поверхностью в различных географических регионах. Для выполнения поставленных целей потребовалось решить ряд вспомогательных задач, а именно:
-Исследовать точность и инерционность аппаратуры для измерения турбулентности с борта самолета;
-Оценить надежность определения турбулентных потоков различных субстанций по результатам измерений с борта самолета;
-Оценить степень достоверности методов исследования неоднородных сигналов, основанных на вейвлет-преобразовании. Основные научные результаты и новизна исследования
В результате исследований получены фактические данные о турбулентности и турбулентном обмене над различными типами поверхности в Европейской части России, Центральной Германии, Западной и Восточной Сибири, Арктическом регионе и Охотским морем. Оценены временной ход интенсивности турбулентных потоков тепла, водяного пара, углекислого газа и метана и их пространственная изменчивость. Выявлены особенности развития термического внутреннего пограничного слоя над морской поверхностью с перемежающимися теплофизическими свойствами и обнаружено развитие прерывистого пограничного слоя, когда устойчивые слои чередовались с конвективными пограничными слоями.
Выявлены две особенности развития конвективного пограничного слоя над поверхностью с термическими неоднородностями мезомасштабных размеров. Обнаружено и представлено в явном виде развитие мезомасштабного термического внутреннего пограничного слоя, который возникал при сильной неустойчивости слоя и наличии на поверхности холодного пятна с горизонтальными размерами более 10 км, распространялся на всю толщину конвективного пограничного слоя и радикально менял его структуру. Выявлена структура локальной бризовой циркуляции, возникавшей в результате воздействия холодного пятна на поверхности, имевшего мезомасштабные (10 -15 км) горизонтальные размеры. Показало, что локальная циркуляция приводила к существенному перераспределению потоков внутри пограничного слоя. Определены условия возникновения и развития мезомасштабного термического внутреннего пограничного слоя и локальной бризовой циркуляции и предложены параметры для их идентификации.
Выявлены условия использования известных моделей подобия однородного пограничного слоя для описания турбулентности и турбулентных потоков над поверхностью с перемежающейся шероховатостью и в мезомасштабно-неоднородном конвективном пограничном слое.
Разработан метод параметризации, основанный разделении воздушных движений в пограничном слое на турбулентную и мезомасштабную составляющие. В результате применения метода получены новые модели подобия для конвективного пограничного слоя, развивавшегося в условиях мезомасштабной неоднородности, когда ни одна из известных моделей параметризации не могла быть применена.
Практическое значение результатов
Фактические данные о турбулентности и турбулентных потоках могут быть использованы для оценок переноса различных субстанций через пограничный слой атмосферы и построения моделей региональной и общей циркуляции атмосферы. Данные о турбулентности в облаках различных форм необходимы для разработки моделей развития облаков и создания методов активных воздействий на них. Данные о турбулентности в облаках вошли в справочные издания по облачной атмосфере (Облака и облачная атмосфера, справочник, 1989) и атмосфере (Атмосфера, справочник, 1991).
Результаты исследований прерывистого термического внутреннего пограничного слоя могут быть использованы для оценок интенсивности ливневых осадков, возникающих при движениях холодных воздушных масс с суши на относительно теплую поверхность моря.
Возникновение мезомаспгтабного термического внутреннего пограничного слоя и локальной бризовой циркуляции должно учитываться при расчетах энергетическою баланса и баланса водяного пара в пограничном слое атмосферы. Кроме того, результаты исследований структуры мезомасштабного слоя и локальной циркуляции и условий их образования носят фундаментальный характер и восполняют имеющийся пробел в теории неоднородного пограничного слоя атмосферы.
Вновь предложенный метод раздельной параметризации может быть применен для прогноза интенсивности потоков различных субстанций в неоднородном пограничном слое. Личный вклад автора
Автор совместно с В.К. Дмитриевым и Г.Н. Шуром и при участии Л.С. Сидоряк разрабатывал аппаратуру для измерения турбулентности с борта самолета-лаборатории, принимал участие в ее лабораторных и летных испытаниях. Автором была разработана самолетная система сбора данных на базе персонального компьютера я подготовлен комплекс программ обработки данных.
Весь экспериментальный материал, использованный в данной диссертации (за исключением данных, полученных немецкими исследователями в районе обсерватории г. Линденберга), был собран автором, принимавшим участие в полетах в качестве бортоператора и научного руководителя исследований. Автор осуществлял организацию исследовательских полетов в рамках проектов CREST над Охотским морем и GAME-Siberia в районе г. Якутска в 2000 г. Разработка методики самолетных исследований в этих проектах проводилась автором совместно с профессором Y. Fujiyoshi (университет г. Саппоро, Япония) и доцентом Т. Hiyama (университет г. Нагоя, Япония).
Для обработки данных о турбулентности в облаках использовался комплекс программ, разработанный В.М. Ермаковым. Впоследствии автором был создан комплекс программ для расчетов параметров турбулентности в пограничном слое атмосферы. Обработка данных о турбулентности и турбулентных потоках в пограничном слое атмосферы была полностью выполнена автором.
Обсуждение результатов и подготовка ряда статей и докладов осуществлялась автором совместно со С.М. Шметером, A.A. Постновым, М.Ю. Мезриным, Г.Н. Шуром (Центральная аэрологическая обсерватория, Россия); Т. Foken (университет г. Байрота, Германия); С. Wode и J. Bange (университет г. Ганновера, Германия); F. Beyrich (обсерватория г. Линденберга, Германия); Т. Hiyama (университет г. Нагоя, Япония), Т. Ohata (университет г. Саппоро, Япония), J. Asanuma (университет г. Цукуба, Япония). На защиту выносятся
-Характеристики турбулентных потоков различных субстанций в пограничном слое атмосферы, их пространственные распределения, временные и сезонные вариации;
-Выявленные автором условия появления и развития в конвективном пограничном слое атмосферы мезомасштабного термического внутреннего пограничного слоя и локальной бризовой циркуляции;
-Разработанный автором метод раздельной параметризации потоков в мезомасштабно-неоднородном конвективном пограничном слое атмосферы;
-Созданные автором модели подобия для турбулентных и мезомасштабных воздушных движений в конвективном пограничном слое атмосферы. Апробация работы
Основное содержание диссертационной работы представлено на национальных и международных конференциях и рабочих совещаниях; Всесоюзном совещании 'Технические средства для государственной системы контроля природной среды", Обнинск, 1981 г.; Всесоюзных конференциях по авиационной метеорологии и прикладной авиационной климатологии, Москва 1982 и 1986 гг.; 9-ой международной конференции по физике облаков, Таллин, 1984 г.; П1 Всесоюзном совещании по теоретической метрологии, Ленинград, 1986; Международном симпозиуме по циркуляции атмосферных парниковых газов, г. Сендай, Япония, 1994 г.; Конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды, г. Кучино, Моск. Обл., 1996 г.; 2-ом Международном совещании по циркуляции энергии и воды в Сибири по результатам эксперимента GAME, Москва, 1997 г.; 23-ей Генеральной ассамблеи Европейского Геофизического Союза, Ницца, Франция, 1998 г.; 4-ой Международной конференции по проекту GEWEX, Париж, Франция, 2001 г.; 5-ой Международной конференции по проекту GEWEX в Азии, Нагоя, Япония, 2001 г.; Международном рабочем совещании экспертов EUFAR по облакам, мелкомасштабной турбулентности и возмущениям воздушного потока, Капуа, Италия, 2002 г.; 6-ой Международной конференции по проекту GEWEX в Азии и проекту GAME, Киото, Япония, 2004 г.
Публикации
По теме данной диссертационной работы опубликовано 56 научных работ (51 публикация - в соавторстве, с другими исследователями), из них 27 - в рецензируемых журналах. Результаты диссертации изложены в публикациях в отечественных журналах: "Известия АН СССР" и "Известия РАН", серия "Физика атмосферы и океана", "Метеорология и Гидрология", "Метрология", в
международных журналах "Boundary-Layer Meteorology", "Atmospheric Research", "Hydrological Processes", в трудах ЦАО и тематических сборниках. Кроме того, результаты работы публиковались в ведомственных изданиях Германии и Японии (на английском языке). Созданные приборы для измерения турбулентности с борта самолета защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретения, аппаратура получила серебряную медаль ВДНХ.
Автором написана и сдана в печать глава монографии "Тепловлагообмен в мерзлотных ландшафтах Восточной Сибири", представляющая основные результаты диссертации: 'Турбулентный энерго- и влагообмен в пограничном слое атмосферы (ПСА) над термически неоднородной поверхностью (над долиной реки Лены в районе г. Якутска)'. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения (обзора литературы), пяти основных глав, заключения и списка используемой литературы (339 отечественных и зарубежных публикаций). Объем рукописи составляет 359 страниц, включая 131 иллюстрацию, 27 таблиц и список литературы.
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ
Проведенный в данной главе обзор литературы позволил охарактеризовать современное состояние теории пограничного слоя атмосферы (ПСА), методов исследования ПСА и определить круг проблем, требующих решения. Однородный пограничный слой
Однородный пограничный слой представлялся в виде многослойного образования, причем для каждого слоя применялся свой способ моделирования: -Для параметризации приземного слоя использовалась теория локального подобия Мотша-Обухова;
-Для параметризации слоя перемешивания использовалась теория подобия; -В слое перемешивания выделялся слой свободной конвекции, для которого применялась модель локального подобия;
-Моделей подобия для слоя вовлечения создано не было, однако в последние годы для его изучения использовался метод крупновихревого моделирования.
В результате многочисленных исследований были получены эмпирические обобщенные профили подобия и сглаживающие их функции. Выше приземного слоя спектры пульсаций температуры и коспектры потоков тепла и импульса не подчинялись законам подобия, что не позволяло создать полноценную модель турбулентного переноса в слое перемешивания.
Конвективный пограничный слой ШТО над неоднородной поверхностью
В настоящее время единого подхода к параметризации неоднородного пограничного слоя нет. Были предложены различные концепции, которые могли быть применены для моделирования пограничного слоя в зависимости от характерных масштабов основного потока, масштабов неоднородностей на поверхности и термодинамического состояния слоя. Среди них можно выделить:
-Концепции внутреннего пограничного слоя и термического внутреннего пограничного слоя, в рамках которых были подробно изучены крупномасштабные внутренние пограничные слои, возникающие на границах раздела различных типов поверхностей (побережий морей и крупных озер);
-Концепции высоты смешивания и термической высоты смешивания, основанные на предположении, что неоднородности турбулентной структуры выше определенной высоты размываются, в результате чего для части пограничного слоя выше этого уровня могут применяться модели подобия однородного пограничного слоя;
-Метод мозаичного приближения, применявшийся для разделения поверхностей по размерам имеющихся на них неоднородностей (поверхности типа "А" - меньше 10 км типа "В" - больше 10 км) и построении моделей пограничного слоя для меньших сегментов поверхности с относительно однородной структурой.
Возможности использования различных концепций оценивались в зависимости от соотношения между горизонтальными размерами неоднородностей на поверхности и масштабом Раупача, характеризовавшим степень устойчивости потока. Однако экспериментальные и теоретические (с помощью методов крупновихревого моделирования) исследования показали, что существует область масштабов (мезомасштабная область), в которой ни одна из существующих моделей подобия не может быть применена для параметризации пограничного слоя. Мезомасштабная ситуация (когда горизонтальный размер пятна неоднородности на поверхности существенно превышал толщину ПСА, но был слишком мал для развития слоя до состояния равновесия) являлась характерной для развития конвективного пограничного слоя над поверхностью суши в летний период. Исследования такого слоя, который мог быть назван мезомасштабно-неоднородным конвективным пограничным слоем, были весьма важны для оценки и моделирования потоков импульса, тепла, водяного пара и парниковых газов. Исследования ПСА при помощи самолетов-лабораторий
Специально оборудованный самолет-лаборатория позволяет проводить комплексные измерения различных параметров атмосферы, характеристик земной поверхности и солнечной радиации. При этом по объему и качеству получаемые данные, по меньшей мере, не уступают данным, получаемым с помощью наземных средств измерения, размещенных на метеорологических мачтах. В настоящее время самолеты, оборудованные для исследования атмосферы, используются в США, Австралии и различных странах Европы. На современных самолетах-лабораториях компоненты скорости ветра определяются как разность между векторами воздушной скорости самолета и скорости самолета относительно земли. Для вычисления вектора воздушной скорости измеряются аэродинамические углы потока с помощью полусферических или сферических приемников давлений. Истинная воздушная скорость потока определяется по динамическому и статическому давлению. Для измерения температуры воздуха и ее пульсаций используются проволочные термометры сопротивления. Измерение вектора скорости
движения самолета относительно земли и углов положения самолета производится доплеровскими навигационными системами, инерциальными навигационными системами INS и системами глобального позиционирования GPS. Для измерения влажности воздуха с борта самолета обычно применяются емкостные и конденсационные датчики, а пульсации абсолютной влажности регистрируются ультрафиолетовыми (Лайман-or) или инфракрасными датчиками.
Методы спектрального анализа турбулентности
Методы спектрального анализа являлись основным инструментом исследования турбулентности и турбулентных потоков в атмосфере. Используемое в метеорологии в течение многих лет оконное преобразование Фурье обладало рядом недостатков, препятствовавших корректному исследованию неоднородных сигналов, поскольку требовало выполнения эргодической гипотезы, однородности исследуемого сигнала и существования у него непрерывного спектра. Кроме того, применение преобразования Фурье к реализациям конечной длины сильно ограничивало максимальный размер исследуемых вихрей. Появившийся относительно недавно (в 1984 г.) метод вейвлет-анализа был свободен от этих недостатков и оказался пригодным для исследований неоднородных сигналов. Применительно к данным, полученным с борта самолета (случайной функции f (х) от расстояния х вдоль линии полета самолета) вейвлет-преобразование определялось следующим образом:
Wf(a,b) = \a\l]4'(^-)f(x)dx (1.1)
—оо
где 1) - базисный вейвлет, а = — - масштаб вихрей (А - волновое число), а
к
b - смещение вдоль линии измерений (параметр локализации в реализации). В настоящей работе в качестве базисной функции использовался комплексный вейвлет Морле, который для собственной частоты й)0 ¿5 определялся следующим образом:
_l jL
*F(t) = n 4 (cos a>0t + i sin co0t)e 2 (1.2)
В результате применения вейвлет-преобразования образовывалась матрица коэффициентов разложения Wf(a,b) (коэффициентов вейвлет-преобразования) случайной функции f(x), которые содержали информацию,
как о сигнале, так и о вейвлете. Матрица величин \Wf(a,b)\2, рассчитанная по
действительной и мнимой частям ма1рицы вейвлет-коэффициентов, называлась вейвлет-скалограммой функции f(x). Энергетический вейвлет-спектр: +00
Ef(a) = Су J)Wf(a,b^2db (1.3)
. -OÖ
где Су - константа, зависевшая от базисного вейштета, являлся полным
аналогом спектра Фурье для случайной функции /(х). Аналогичным образом рассчитывался и кросс-спектр для случайных функций /(х) и g(x), а действительная и мнимая части кросс-спектра являлись аналогами коспектра и квадратурного спектра Фурье. Соответственно определялись вариации 00 00
а\ - ¡(а)йа для функции / ( х) и ковариации соу^ = 2 jEа)<1а,
о о
где Е^ - коспектр для функций / ( х) и 8(х). Вейвлет-анализ позволил не
только полностью заменить Фурье-преобразование, но и получать дополнительную информацию о локализации особенностей структуры турбулентности и турбулентных потоков в пространстве.
ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЙ
В данной главе определяется круг проблем в теории пограничного слоя требующих решения, и формулировалась цель диссертационной работы (см. предварительную часть автореферата).
ГЛАВА 3. САМОЛЕТ-ЛАБОРАТОРИЯ ИЛ-18Д И ЕГО ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ
В данной главе приводится описание самолетного оборудования для исследований, и обосновывается достоверность полученных данных. Все измерения (за исключением данных по Центральной Германии), были выполнены с борта специально оборудованного самолета-лаборатории ИЛ-18д.
Внешний вид самолета во время его пролета над метеомачтой (а), и рабочий момент измерений в кабине самолета (б) во время проведения эксперимента ОАМЕ-БШепа в апреле - июне 2000 г. приведен на Рис. 3.1.
а) б)
Рас. 3.1. Самолет-лаборатория ИЛ-186 во время проведения экспериментов
Измерительная и регистрирующая аппаратура на борту самолета ИЛ-18д
В состав научного оборудования самолета-лаборатории ИЛ-18д входили: измерительно-вычислительный комплекс ИВК ЦАО, комплекс для измерения турбулентности, комплекс для измерения влажности воздуха и ее пульсаций,
микрофизический комплекс РМ5, облачный комплекс ЦАО и радиометрический комплекс. Кроме того, на борт самолета на время проведения самолетного эксперимента в рамках российско-японского проекта ОАМЕ-ЭЛегта в 2000 г. устанавливалась аппаратура, предоставленная университетами Японии: высокочастотный газоанализатор углекислого газа и водяного пара, инфракрасный радиометр, полевой спектрометр БЯ, видеокамера и магнитооптический цифровой регистратор ТЕАС. В настоящей диссертации использовались данные только части упомянутой аппаратуры.
Измерения турбулентности проводись на участках горизонтального установившегося полета, без существенных изменений углов крена и тангажа и скорости полета - на так называемых "режимах" или измерительных участках. Допустимые изменения скорости на режимах составляли не более ±10 км/ч, вариации угла тангажа и крена - не более ±5°. При превышении указанных пределов участок исключался из обработки и анализа как не отвечавший требованиям к погрешности измерений. Вычисление пульсаций горизонтальной, продольной, по отношению к направлению полета самолета компоненты скорости ветра и' и вертикальной компоненты пульсаций скорости ветра в условиях горизонтального полета н'' производились по известным формулам:
и' = -и + ир (3.1)
п' = (Аа-Ав-АрАф)\] + Ъв + \Ур (3.2)
где Ла, Ар, Ав и Аф - вариации углов атаки, скольжения, тангажа и крена соответственно. Пульсации истинной температуры воздуха Т' определялись из соотношения:
Т'=Т-Т _ (3.3)
где Т - истинная температура, а Г - средняя температура воздуха. Измерение воздушной скорости самолета и производилось с помощью приемника полного давления и самолетной системы статического давления. Измерение температуры и ее пульсаций осуществлялись высокочастотным датчиком температуры, разработанным в ЦАО. Для расчета величин и и Т использовались известные газодинамические' уравнения. Путевая скорость самолета II р измерялась доплеровской навигационной системой. Измерения вариаций аэродинамических углов (углов атаки Аа и скольжения Ар) осуществлялись с помощью сферического 5-точечного приемника давлений. Вариации угла тангажа Ав и крена Аф измерялись центральной гировертикалью ЦГВ-10. Суммарная скорость собственного вертикального перемещения самолета IVр и вращения самолета вокруг поперечной оси Ь0 определялась интегрированием сигнала датчика ускорений и дифференцирования сигнала барометрической высоты полета самолета. Измерение пульсаций абсолютной влажности /' производилось с помощью ультрафиолетового гигрометра ЦАО, разработанного М.Ю. Мезриным. Абсолютные среднеквадратические погрешности измерения турбулентных
пульсаций скорости и температуры оценивались в соответствии с формулами: 5и, = ±(уи,1+гии')
Яг' = ±(г„в+г„п') (3.4)
8Г' = ±(Гт, +ГгТ')
где Ти, > и У к„ " начальные чувствительности пульсаций скорости ветра и температуры, уи, у„ и ут - среднеквадратические относительные погрешности измерений текущих значений пульсаций и', ур' и Т'. Чувствительность и частотные характеристики аппаратуры были определены в процессе лабораторных и летных экспериментов, а погрешности оценивались по результатам испытаний приборов (Табл. 3.1).
Таблица 3.1
Характеристики аппаратуры для измерения турбулентности
Параметр
Применяемые датчики
Частотный диапазон
Чувствит.
Погреши.
U, м/с
Датчики давления и температуры
О - 10 Гц
ОД м/с
0,8 м/с
«', м/с
Датчики давления и температуры
0,005 - 10 Гц
0,1 м/с
7%
W , м/с
Гировертикаль, сферический приемник давления, датчик давления, датчик ускорений
0,005- 10 Гц
0,1 м/с
8%
Г,° С
Самолетный термометр и датчики _даплеиия_
0- 10 Гц
0,02 °С
0,4 "С
Т',°с
Самолетный термометр и датчики _давления__
0- 10 Гц
0,02 °С
8%
/', г/м}
Ультрафиолетовый гигрометр UFH
0- 10Гц
0,016 г/м1
Постоянные времени датчика температуры (0,012 с), приемника полного давления и сферического приемника давлений (0,006 с и 0,008 с соответственно) были определены в лабораторных экспериментах. Оценки коэффициента восстановления датчика температуры (г =0,72+0,03) и аэродинамического влияния самолета на показания датчиков были произведены по результатам летных экспериментов. Сравнение показаний самолетной аппаратуры и данных измерений на 300-метровой метеорологической башне в г. Обнинске показало их вполне удовлетворительное совпадение. По результатам летных экспериментов было определено время запаздывания между показаниями различных датчиков. Аппаратура для измерения пульсаций скорости ветра и температуры прошла ведомственную метрологическую экспертизу.
Комплекс ИВ К осуществлял измерения широты Lat и долготы места Lori, путевой скорости Uр, угла курса уг самолета, модуля скорости ветра V, направления ветра <р. В состав комплекса входил также конденсационный гигрометр ЦАО конструкции М.Ю Мезрина, измерявший температуру точки росы (инея) Tw. Кроме того, на борту самолета в разное время устанавливалось
оборудование для измерения радиационной температуры поверхности Ts,
концентрации озона С0), метана Ссн<, углекислого газа ССОг и пульсаций
концентрации углекислого газа с'. Контрольно-записывающая аппаратура (бортовой компьютер) обеспечивала регистрацию данных с частотой 20 отсчетов в с.
Архив самолетных данных о турбулентности
В 1978 г. ЦАО начала планомерные исследования турбулентности в облачной атмосфере (т.е. в облаках различных форм и их окрестности) с помощью самолета-лаборатории ИЛ-18Д. Позднее, с 1986 г. самолет ИЛ-18д стал применяться и для исследований пограничного слоя атмосферы. Из накопленного первичного материала бьш образован архив данных о турбулентности атмосферы, полученных в ходе выполнения 28 летных экспериментов в различных географических регионах (Европейской территорией России, районами Дальнего Востока, Средней Азии, севера Каспийского моря, Болгарии, районами Арктики, Западной и Восточной Сибири). В архив также были включены данные, полученные немецкими исследователями в районе обсерватории г. Линденберга с помощью самолетов-лабораторий DO-128 и FALCON и вертолетной аппаратуры HELIPOD. Для формирования архива и его обслуживания, т.е. для хранения, валидации и сортировки данных бьш разработан комплекс программ. Исследование вейвлет-преобразования
Особое внимание в работе было уделено спектральному анализу данных. Был проведен сравнительный анализ оконного Фурье и вейвлет-преобразования применительно к данным, полученным с борта самолета. При разработке конкретных программ вейвлет-преобразования определялся набор волновых чисел разложения, для которых рассчитывались вейвлет-коэффициенты. От выбора последовательности волновых чисел зависело, насколько полно и плотно перекрывался диапазон масштабов вихрей, присутствовавших в реализации. Качество метода и программ, его осуществлявших проверялось сравнением некоторой исходной (первичной) реализации и реализации, восстановленной из матриц коэффициентов вейвлет-преобразования Wf(a,b) в соответствии с формулой обратного вейвлет-преобразования:
J -Ко +ао ,
f(x) = —~ f [a~2Wf(a,b)W(^-)dadb (3.5)
-LI a
Результаты сравнения, реализаций приведены на Рис. 3.2. Практически полное совпадение исходной и восстановленной реализаций на всех частотах, а также совпадение спектров для тех же реализаций подтвердило достоверность получаемых с помощью вейвлет-преобразования спектральных характеристик. Важно, что практически полностью совпали вариации au,w,t > рассчитанные по исходной и восстановленной реализациям вихревым корреляционным методом и по соответствующим спектрам. Совпали и ковариации covu„, covwT, рассчитанные по исходным и восстановленным реализациям.
300 320 340 360 380 400
® Время, с
Рис. 3.2. Пример сравнения исходной и восстановленной реализаций пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра: (а) - 60-ти километровой протяженности и (б) -фрагментов, представлявших высокочастотные части тех же реализаций
Определение турбулентных потоков с борта самолета-лаборатории
Важное место в работе занимал анализ методов оценки потоков, их точности и возможности применения при различных условиях. Вихревой корреляционный метод использовался для расчетов вертикальных
турбулентных потоков импульса М = —pu'w', явного тепла Н = срруо'в\
водяного пара E — w'f' (и/или скрытого тепла ХЕ = Xw'f ) и потоков
углекислого газа Qco = w'c', где р - плотность воздуха, ср - теплоемкость
воздуха при постоянном давлении, А - скрытая теплота парообразования, а черта над символом означала осреднение по времени (расстоянию). Вплоть до настоящего времени не существует самолетной аппаратуры, способной надежно измерять высокочастотные пульсации озона и метана. Поэтому для оценок потоков этих газов использовался градиентный метод, основанный на
--ds
аналогии турбулентного переноса с молекулярным: w's' — —Ks~, где Ks -
dz'
6s
коэффициент турбулентной диффузии для субстанции — - вертикальный
дг
градиент субстанции. Значения ЛГ4., строго говоря, могли не совпадать с
коэффициентом турбулентной вязкости (коэффициентом турбулентности) Кт,
поэтому были проведены оценки турбулентного числа Шмидта »Уйг = ——.
Для оценок использовались данные самолетной аппаратуры и приборов метеомачты в г. Обнинске, полученные в июле 1990 г. Число Шмидта, определенное как ЗИТ=1,3 ±0,58 использовалось для расчетов турбулентных потоков озона и метана.
Были проведены исследования различных методов оценки потоков. Известный вихревой аккумуляционный метод, основанный на накоплении проб забортного воздуха в зависимости от направления и скорости вертикальных порывов ветра, имитировался по записям пульсаций скорости ветра и влажности. Вновь предложенный дисперсионный метод оценки использовался для расчетов потоков по стандартным' отклонениям пульсаций и коэффициенту корреляции между ними. Сравнения корреляционного, градиентного, аккумуляционного и дисперсионного методов оценки на примере потоков водяного пара дало вполне удовлетворительные результаты - расхождения не превышали погрешностей методов. Анализ методов определения коэффициента турбулентности показал, что наиболее приемлемой формулой для его расчета по самолетным данным была вновь предложенная формула:
= ~пг=--(3-6)
Ы2ксги
которая являлась модификацией формулы Ляпина-Дубова (ЛЬ - среднее время сохранения знака пульсаций и'', <ТШ и <т„ - стандартные отклонения пульсаций вертикальной и горизонтальной компонент скорости ветра). Достоинством формулы (3.6) являлось то, что допущения, принятые при выводе формулы Ляпина-Дубова носили общий характер, и поэтому она не имела теоретических ограничений. Кроме того, коэффициент турбулентности мог быть рассчитан для строго определенного интервала волновых чисел (масштабов вихрей). Оценка среднеквадратической погрешности определения коэффициента турбулентности по формуле (3.6) составила около 20%.
Анализ теоретических погрешностей расчетов потоков (возникавших из-за использования единичной реализации пульсаций), инструментальных (вызванных погрешностями аппаратуры) и методических (обусловленных методикой проведения измерений) погрешностей проводился по имеющимся в литературе данным и результатам испытаний аппаратуры. Максимальное значение систематической (теоретической) погрешности, возникавшей вследствие замены осреднения по ансамблю осреднением по времени (расстоянию) было оценено в 4%. Исследования случайной (теоретической) погрешности, которая была обусловлена тем, что вычисление потоков производилось по реализациям конечной длины, показали, что она во всех случаях не превосходила 35%, а для малых относительных высот в ПСА составляла всего 20 - 25%. Оценка инструментальных погрешностей потоков
базировалась на оценках точности определения стандартных отклонений для турбулентных параметров, которая составляла около 1,5%. В качестве методических погрешностей определения потоков исследовалось влияние изменения высоты и скорости полета самолета, а также ограничения диапазона масштабов вихрей вследствие конечности длин реализаций. Отдельно была проанализирована погрешность градиентного метода, суммарная среднеквадратическая погрешность которого составила около 45%.
Оценки погрешностей использовались при расчетах доверительных интервалов для потоков различных субстанций в зависимости от протяженности измерительных участков, высоты ПСА и относительной высоты расположения измерительного участка в ПСА. Чувствительность аппаратуры, измерявшей пульсации скорости ветра, температуры и влажности воздуха определили и пороговые значения для соответствующих потоков. Минимальное значение потока тепла (явного или скрытого), которое считалось значимым составило ±2 Вт/м2, а потока импульса - ± 10'2 Н/м2.
Источником дополнительных погрешностей расчета потоков была различная инерционность аппаратуры, измерявшей пульсации компонент скорости ветра, температуры и влажности воздуха и флюктуации концентраций углекислого газа. Постоянные времени датчиков турбулентности составляли менее 0,01 с, а измерителей абсолютной влажности воздуха и концентрации углекислого газа - около 0,1 с, т.е. все датчики были малоинерционны, но их постоянные времени различались. Поэтому минимальный масштаб вихрей для турбулентных потоков определялся наиболее инерционным датчиком. Для скорости полета самолета-лаборатории ИЛ-18д в 100 м/с турбулентные потоки импульса могли быть корректно определены до масштабов в 5 м, потоки тепла -до масштабов в 10 м, а потоки водяного пара и углекислого газа - в 60 м.
Временное смещение показаний датчиков пульсаций относительно друг друга могло быть вызвано как различным расположением датчиков на фюзеляже самолета, так и запаздыванием в воздушных магистралях приборов. Для оценки времени запаздывания были определены кинематические потоки импульса и'п>', тепла и>'0', водяного пара и углекислого газа ь>'с' с
временным сдвигом реализаций относительно друг друга в диапазоне от -1 с до 3 с. Смещения по фазе между реализациями и' и и*', а также между реализациями 7" и и>' обнаружено не было. Величина смещения сигнала /' относительно н>' составила 0,6 - 0,8 с, а запаздывание показаний измерителя концентраций углекислого газа относительно и>' зависело от высоты полета и находилось в пределах 0 - 0,6 с. Поэтому все расчеты турбулентных потоков водяного пара и углекислого газа рассчитывались с временным сдвигом реализаций от -1 с до 3 с, и среди полученных величин выбирались максимальные (или минимальные) значения, которые рассматривались в качестве истинных величин потоков. Проблема оценки потоков в неоднородном ПСА
Методы исследования турбулентности базировались на предположении об однородности и изотропности полей пульсаций, то есть об инвариантности их
параметров при параллельном переносе и (или) вращении системы координат. Вместе с тем в пограничном слое зачастую наблюдались те или иные нарушения этой гипотезы, которые являлись отражением неоднородностей подстилающей поверхности. Самолетная аппаратура регистрировала потоки, исходившие от неоднородной земной поверхности на обширном пространстве. В такой ситуации правильнее говорить не об ошибках в определении потоков, а об исследовании неоднородной структуры пограничного слоя и закономерностей распределения в нем турбулентных потоков. Для оценки степени неоднородности турбулентных пульсаций и потоков был применен известный критерий (параметр неоднородности), ранее использовавшийся при наземных исследованиях. Суть метода заключалась в сравнении значений ковариации (или дисперсии) пульсаций, определенной непосредственно для всего участка в целом и как среднее по ковариациям (или дисперсиям) для отдельных сегментов, на которые был разбит исследуемый участок. Критерий позволял выделить участки с неоднородной структурой пульсаций. Была обнаружена связь между степенью неоднородности пульсаций и спектральными характеристиками. Параметр неоднородности позволял оценивать влияние мезомасштабиых воздушных движений на структуру потоков в пограничном слое атмосферы даже по реализациям, получепным при единичном пролете самолета.
ГЛАВА 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ О ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЕ И ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ
В данной главе приводятся краткие сведения о турбулентности в облачной атмосфере (облаках различных форм и околооблачном пространстве), исследования которой проводились в 1978 - 1989 гг. над Европейской территорией бывшего СССР, районами Дальнего Востока, в Узбекистане и Болгарии. Основные характеристики турбулентности приведены в Табл. 4.1. Таблица также дает представление об общем объеме полученных данных и о том, как они распределены по группам классификации. (Обозначения в Табл. 4.1: СО - слоистообразные облака, ВО - волнистообразные облака, КЗ -конвективные зоны в облаках, Вне обл. - внеоблачное пространство).
Табл. 4.1 позволила сопоставить средние характеристики турбулентности в облачной атмосфере и в ПСА. Сравнивались также и данные о струкгуре турбулентности, а именно: повторяемости протяженностей турбулентных и спокойных (там, где интенсивность турбулентности была ниже пороговой чувствительности аппаратуры) зон, стандартных отклонений пульсаций компонент скорости ветра и температуры, средней скорости диссипации турбулентной энергии, показателя анизотропии, спектральные характеристики.
Резюмируя полученные результаты можно отметить, что характеристики турбулентности в ПСА и облачной атмосфере заметно отличались. Это объяснялось, прежде всего, статистическим подходом к анализу данных, который заключался в том, что свойства турбулентности в облаках исследовались в зависимости от их формы (типа). Статистический подход был весьма продуктивен для исследования турбулентности в облачной атмосфере,
но оказался совершенно неэффективным для исследования структуры ПСА.
Таблица 4.1
Характеристики турбулентности в облачной атмосфере: суммарная протяженность полетов степень перемежаемости средние протяженности турбулентных 1 и
спокойных Л зон; средние стандартные отклонения пульсаций горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра и пульсаций температуры ((7и, и 0"т
соответственно) и средняя скорость диссипации турбулентной энергии Е
Вне обл. СО ВО кз Над СО Под СО Над ВО Под ВО ПСА
L, тыс. км 27,0 25,4 6,1 1,8 3.3 4,3 3,1 1.6 25,5
1/ /ь 0,23 0,35 0,84 1,00 0,38 0,38 0,61 0,68 0,73
1, км 18,1 20,4 18,8 14,6 19,6 22,7 19,4 16,7 18,8
Я ,км 45,9 42,3 10,7 - 28,6 32,9 22,2 12,7 28,6
Он, м/с 0,12 0,16 0,31 0,49 0,15 0,17 0,28 0Д2 0,44
(Хш , м/с 0,11 0,15 0,36 0,52 0,13 0,18 0,30 0,23 0,46
СГТ,°С 0,03 0,03 0,07 0,12 0,03 0,02 0,09 0,06 0,09
€. см2/с3 эд 3,1 7,6 34,6 3,0 6,4 11,2 5,7 13,0
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТИ И ТУРБУЛЕНТНОГО ОБМЕНА В ПСА НАД РАЗЛИЧНЫМИ РЕГИОНАМИ
В настоящей главе приводятся результаты исследований ПСА над различными типами подстилающей поверхности. Турбулентные потоки в арктическом бассейне
В результате самолетных исследований ПСА, проведенных в марте-апреле 1994 г. в арктическом регионе (в российском, канадском и арктическом секторах Арктики) в рамках российско-германского эксперимента "Arctic Haze" выявлены особенности вертикальных распределений турбулентных потоков тепла, водяного пара и озона над сплошным льдом, льдом с трещинами и открытой водной поверхностью.
Интенсивность турбулентных потоков тепла и водяного пара надо льдом лишь незначительно превышали пороговую чувствительность самолетной аппаратуры. Интенсивность турбулентных потоков тепла и водяного пара над открытой водой па нижних уровнях составляла порядка 40 Вт/м2 и около 30 мг/м2с соответственно, что было сопоставимо с интенсивностью потоков в КПС над сушей. Потоки озона Q0} над открытой водой в Арктике были направлены
вниз, причем скорость его осаждения VQ = (Здесь с _ концентрация
СОм
озона) составила по оценкам 0,07 см/с с 95%-ным доверительным пределом в
0,03 см/с. Полученное значение У0} оказалось на порядок меньше, чем
скорость осаждения озона над сибирской тайгой и лесами Канады.
Оценки доли аэрозоля (скорости осаждения аэрозоля в 0,1 см/с для льда и 0,3 см/с для открытой воды были взяты из официальных данных ВМО) сохраняющегося за время перемещения воздушной массы, показали, что открытая вода практически полностью поглощала загрязнения в течение 5 суток. Перемещение в течение 5 суток воздушных масс над сплошным льдом арктического бассейна проводило к потере 2/3 количества частиц аэрозоля. Это означало, что при переносе на большие расстояния воздушные массы ПСА теряли основную часть аэрозолей.
Развитие термического внутреннего пограничного слоя ГГВПС) над ледовым покрытием Охотского моря и открытой водой
Самолетные исследования, проведенные в рамках российско-японского эксперимента по сходу морского льда в Ох отеком море в феврале 2 ООО г. позволили изучить развитие КПС в воздушной массе, перемещающейся с суши на относительно теплую морскую поверхность. Теплофизические свойства подстилающей поверхности плавно изменялись от сплошного льда до открытой воды. Состояние ПСА трансформировалось от сильноустойчивого лад сплошным льдом до сильнонеустойчивого над открытой водой (с параметром
устойчивости слоя к-2800, здесь - высота КПС, а Ь - масштаб
Обухова). Это было вполне сопоставимо с уровнем неустойчивости в КПС в
летних условиях над лесами Западной Сибири (где ^¡/^ и-3000). Вертикальные
потоки тепла над открытой водой достигали величин 80 - 100 Вт/м2, а водяного пара - 25 мг/м2с, что было сопоставимо с турбулентными потоками над сушей в летний период при сильно неустойчивой ситуации. Рассчитанные вертикальные и горизонтальные сечения потоков импульса, тепла и водяного пара выявили тонкую пространственную структуру ПСА.
Рис. 5.1. Изменение локальной высоты ПСА д( X ) при развитии перемежающегося ТВПС
В результате над поверхностью с изменчивыми термическими свойствами был обнаружен перемежающийся ТВПС, в котором устойчивые внутренние
слои чередовались с конвективными. Была продемонстрирована эволюция вертикальных профилей скорости ветра, потенциальной температуры, удельной влажности, потоков импульса, тепла и водяного пара, и оценено изменение высоты слоя 3(х) вдоль воздушного потока. Структура верхней границы ТВПС изображена на Рис. 5.1.
Для того чтобы ПСА стал полностью конвективным, потребовалось перемещения воздушной массы над открытой водой на протяжении всего 65 км. Трансформация воздушной массы из устойчивой надо льдом в неустойчивую над относительно теплой поверхностью моря приводила к интенсивному развитию мощных кучевых облаков и возникновению зимних ливневых осадков, выпадавших на Курильских островах и о. Хоккайдо. Пространственно-временная изменчивость турбулентных потоков в КПС над районами Западной Сибири
Изучение особенностей пространственных и временных изменений турбулентных потоков различных субстанций в КПС над неоднородной поверхностью были проведены в рамках российско-японского научного проекта по изучению парниковых газов в Западной Сибири в летний период 1993 - 1994 гг. Исследования проводились в трех районах с различными типами подстилающей поверхности: восточнее г. Нижневартовска (верховые болота и лес), южнее г. Ханты-Мансийска (сухой лес, мелкие озера и реки) и в
окрестности г. Томска (д.
Плотниково редколесье, перемежающееся болотами). В результате исследований были получены фрагменты суточного хода (для периода
приблизительно с 7 ч до 12 ч местного времени) пространственно-осредиешшх на измерительных участках протяженностью 100 - 120 км
Плотвиково
Нижневартовск Ханты-Мансийск
............{•■■•-.....
......З^'И
06:00 08:00 10:00 12:00 06:00 08:00 10:00 12:00 06:00 08:С0 10:00 12:00
Местное время, ч:м Высота: —о— 100-200м —о— 300-500М —л— 900.1000м Рис. 5.2. Фрагменты суточного хода (в утренние часы) средних турбулентных потоков углекислого газа СО2 , метана СЩ и озона Оз на различных высотах
турбулентных потоков тепла, водяного пара, озона, метана и углекислого газа. Кривые временных изменений средних турбулентных потоков парниковых газов - углекислого газа, метана и озона с 95%-ными доверительными интервалами приведены на Рис. 5.2. Временной ход потоков соответствовал
общей схеме развития турбулентного обмена при разрушении ночной инверсии - резкому усилению потоков за счет ночной аккумуляции газов в приземном слое и развития интенсивной турбулентности с началом прогрева поверхности. В то же время наблюдались и существенные расхождения в ходе кривых, полученных для различных районов наблюдения.
Временные изменения потоков тепла оказались схожими для всех трех районов и соответствовали известным схемам развития ПСА. В утренние часы (до 8 ч местного времени) на минимальной высоте потоки тепла были нисходящими, а позднее направление потоков тепла менялось на восходящее. Своего максимума потоки достигали ближе к 11 ч местного времени, а их величины составляли 30 - 40 Вт/м2. Ход изменений потоков водяного пара для исследуемых районов различался. Максимумы потоков водяного пара не совпадали по времени с максимумами потоков тепла. Наибольшие значения потоков водяного пара (около 120 мг/м2с) отмечались в районе д. Плотникове (на юго-востоке), в то время как на востоке и в центре региона (в районах Нижневартовска и Ханты-Мансийска) турбулентный поток водяного пара не превышал 80 мг/м2с.
Таблица 5.1.
Оценки суммарных турбулентных потоков на минимальном уровне измерений за период самолетных наблюдений _____
Район наблюдений м2/с Рн кДяс/м2 РЕ г/м2 мг/м2 Рсог > г/м2 Рсн, > мг/м2
Нижневартовск 10,9 + 2,5 52,2 ± 10,4 160 + 32 -0,7 ±0,2 0,61 ±0,12 15,0±3,0
1 Ханты-1 Мансийск 8,9 ±2,0 36,7 ±7,3 142±28 -1,0±0,2 -0,03 ±0,01 37,4 ±7,5
| Плотниково 14,б± 3,4 68,0+13,6 270+54 -2,1 ±0,4 1,8 ±0,22 44,4±8,8
Оценки средних суммарных (за время наблюдения с утра до полудня) турбулентных потоков тепла Рн, водяного пара РЕ, озона Р0}, углекислого
газа Рсо2 и метана РСн4 над исследуемыми районами Западной Сибири
представлены в Табл. 5.1.
Различия в интенсивности потоков были обусловлены не только разным уровнем интенсивности турбулентности (оцененной по среднему коэффициенту турбулентности К1а), но также и особенностями подстилающей поверхности в исследуемых районах. Оценки скоростей осаждения озона показали их зависимость от района исследований. Наиболее высокие скорости наблюдались в районе Плотникова, где они составляли в среднем 1,37 см/с. Скорости осаждения в двух других районах были в 2 - 4 раза меньше (Нижневартовск - 0,42 см/с и Ханты-Мансийск - 0,73 см/с), и заметные величины скорости возникали более чем на час позже, чем в районе д. Плотниково.
Была проведена оценка временной эволюции профилей турбулентных потоков и степень горизонтальной изменчивости потоков. Были получены модельные спектры пульсаций компонент скорости ветра и температуры для
слоя перемешивания и оценена спектральная структура показателя анизотропии турбулентности. Особенности спектральных характеристик были обусловлены трансформацией ПСА от устойчивого ночного состояния к конвективному развитию в дневные часы.
Развитие КПС над поверхностью с перемежающейся шероховатостью
В 1997 - 1998 гг. в рамках международного проекта LITFASS в районе обсерватории г. Линденберга (Германия) немецкими исследователями были проведены эксперименты с применением буксируемой вертолетом платформы HELIPOD, самолетов-лабораторий DO-128 и FALCON, комплексов наземной аппаратуры на метеорологических мачтах и приборов дистанционного зондирования атмосферы. Поверхность в районе исследований представляла собой местность с перемежающейся шероховатостью, но без явно выраженных термических пятен. Автор не принимал непосредственного участия в проведении измерений, однако производил обработку и анализ полученных данных. В результате обработки данных были рассчитаны спектральные характеристики пульсаций, -g профили моделей подобия и исследовано
пространственное распределение потоков. Измерения показали, что
пограничный развивался конвективный. КПС
неоднородной, степень
неоднородности превышала параметров.
слои как
Структура оказалась однако этой не
изменчивости вызванной
-0,2 0,0 ОД 0,4 0,6 0.8 1,0
и>'0Уи>.0.
Рис. 5.3. Вертикальные профили нормированных дисперсий пульсаций компонент скорости ветра (а), потенциальной температуры (б), потоков тепла (в) и скорости диссипации турбулентной энергии (г) в КПС в районе обсерватории г. Линденберга; полет 10 августа 1998 г.. 13:07-14:13
случайными факторами, и не препятствовала
параметризации КПС в соответствии с концепцией "высоты смешивания". Влияние перемежающейся шероховатости ограничивалось высотой смешивания выше которой могли быть применены известные модели подобия для однородного КПС.
Пример профилей подобия, полученных для местности в районе г. Линденберга по данным самолета-лаборатории FALCON приведен на Рис. 5.3. Профили подобия вполне соответствовали известным моделям подобия для слоя перемешивания однородного КПС.
ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ КПС НАД ТЕРМИЧЕСКИ НЕОДНОРОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
Поверхность с явно выраженными термическими неоднородностями (холодными пятнами неоднородности) оказывала сильное воздействие на структуру КПС. В связи с этим данная глава была полностью посвящена исследованиям термически неоднородного КПС.
Влияние термических пятен мезомасштабных размеров на поверхности на развитие КПС
Известно, что крупные (мезомасштабные) термические пятна на поверхности приводили к возникновению мезомасштабиого термического внутреннего пограничного слоя МТВПС. На его существование указывали некоторые косвенные признаки - просветы в полях облачности над холодным пятном и локальное понижение температуры. Развитие МТВПС было также предсказано с помощью методов численного моделирования. Однако вплоть до последнего времени не удавалось получить экспериментальное подтверждение существования мезомасштабных слоев и определить условия их возникновения.
Впервые автору удалось выявить особый характер развития КПС над поверхностью, содержащей термические пятна мезомасштабных размеров (мезомасштабно-неоднородного КПС) при анализе данных, полученных в ходе российско-японского самолетного эксперимента в 1995 г. в районе д. Плотниково (окрестности г. Томска, Западная Сибирь). Мсзомасштабное тепловое пятно (горизонтальные размеры которого превышали высоту КПС в несколько раз) приводило к появлению МТВПС, развивающегося на всю толщину КПС.
Позднее были вновь проанализированы данные, полученные в экспериментах над Белым озером на севере Европейской территории России в экспериментах 1986 г. Исследования проводились с борта самолета-лаборатории ИЛ-18д на высотах от 100 до 400 м, а протяженность измерительных участков составляла около 180 км. Белое озеро имело форму эллипса, и в месте пересечения самолетом его горизонтальный размер составлял около 30 км. Состояние пограничного слоя оценивалось как конвективное, а его верхняя граница располагалась выше 1 км, поэтому соотношение горизонтальных размеров термического пятна на поверхности (Белого озера, ~30 км) и толщины КПС (~1 км) свидетельствовало о мезомасштабной ситуации развития. Для выявления особенностей пространственной структуры КПС рассчитывались вертикальные распределения (сечения) потоков. Для этого потоки импульса и тепла на каждом из измерительных участков усреднялись для сегментов протяженностью 7-12 км, затем интерполировались на сетку размером 20x10 элементов. По полученной матрице строились сечения потоков в координатах расстояния вдоль линии измерения и высоты над поверхностью (Рис. 6. Г). Расстояния отсчитывались от точки первого пересечения береговой кромки озера. Сечения, приведенные на Рис. 6.1 выявили развитие МТВПС, который распространялся вверх на всю толщу пограничного слоя. Можно было предположить, что в его зоне происходило вовлечение более теплого воздуха из
слоя инверсии над пограничным слоем в самые нижние уровни КПС. Более мелкие неоднородности на поверхности не оказывали заметного влияния на структуру потоков тепла и импульса.
О Белое
ветер Лес — озеро —- Лес, перемежающийся болотами
< I I I Ц I I I I I I 1 II I I I I М I И I I.....■ll,|ll..ll,ll|,Ml|,ll,.|l,.,.....J...U.ll.|l..1, ;,.М|.М.......
-40 -20 О 20 40 60 80 100 120 140
Расстояние, км
Рис. 6.1. Вертикальные сечения потоков импульса (а) и потоков тепла (б), полет 10 июля 1986 г. в районе озера Белое, местное время — 14:21 — 16:01
Эксперимент по изучению КПС в районе г. Якутска
Обнаруженное в различных регионах развитие МТВПС позволило сделать заключение об универсальном характере этого явления. Приведенные выше результаты дали возможность выявить существование МТВПС, но не позволили определить условия их возникновения и пути параметризации турбулентных потоков при их развитии. Изучение условий развития МТВПС потребовало специально поставленных экспериментов с привлечением различных средств измерения.
В апреле-июне 2000 г. в районе, расположенном в 25 км к северо-востоку от г. Якутска над рекой Леной и ее берегами был проведен комплексный эксперимент по исследованию ПСА в рамках международного проекта GAME-Siberia. Помимо самолетных исследований, эксперимент предусматривал наземные измерения (на специально оборудованных метеорологических мачтах, см. Рис. 3.1 а), учащенные радиозондирования атмосферы и спутниковые наблюдения за районом исследований. Измерения были запланированы на период с 18 апреля по 24 июня, когда термические свойства земной поверхности изменялись сильнейшим образом, т.е. в период весеннего снеготаяния и появления зеленого покрова. Был определен характерный тип погоды, пригодный для проведения самолетных наблюдений - отсутствие дождя, скорость ветра не более 10 м/с и плотность покрытия небосвода облаками к моменту начала исследований не более 5 баллов. Схема выполнения каждого полета при измерениях была жестко зафиксирована, а сам маршрут контролировался по системе глобального позиционирования GPS - отклонения от расчетной схемы не превышали 50 м. Вылет самолета производился в 10 ч
местного времени, отклонение времени начала каждого из режимов не превышало 10 мин от полета к полету. Измерения над левым и правым берегами реки Лена проводись на так называемых "сетевых" участках - на параллельных курсах на высотах 100- и 150 м. Количество измерительных участков на каждой высоте - 4, протяженность каждого около 32 км, расстояние между участками - около 4 км. Кроме того, измерения проводились на "региональных" участках, ориентированных поперек русла реки на высотах от 100 до 1500 м при протяженности участка на каждой из высот около 100 км. Станции наземных измерений располагались на левом и правом берегах реки непосредственно под трассой полета самолета. Вертикальные самолетные зондировки атмосферы от высоты 100 м до уровня 4000 м выполнялись над левым и правым берегами реки. Радиозондирование проводилось на метеостанции г. Якутска.
В ходе эксперимента было выполнено 9 полетов в период с 24 апреля по 19 июня 2000 г. с интервалом приблизительно в 1 неделю. Данные зондировок показали, что пограничный слой во все дни наблюдений развивался как конвективный. Оценки средней высоты КПС и условия проведения наблюдений приведены в Табл. 6.1.
Сезонные изменения и тонкая пространственная структура потоков
Турбулентные потоки, рассчитанные по самолетным данным и осредненные по площади над районами наземного наблюдения, вполне удовлетворительно согласовывались с наземными данными. По результатам измерений на сетевых участках на правом и левом берегах реки Лены были построены горизонтальные распределения (сечения) в координатах широты и долготы места турбулентных потоков явного и скрытого тепла и углекислого газа для различных дней наблюдений. Построенные сечения позволили выявить тонкую горизонтальную структуру турбулентных потоков в КПС и связать особенности структуры слоя с пятном неоднородности на поверхности - рекой Леной. Были также оценены сезонные изменения средних турбулентных потоков импульса, явного и скрытого тепла и углекислого газа, и горизонтальных распределений потоков в КПС.
Измерения, проведенные па региональных участках между правым и левым берегами реки Лены на 5 высотах, в сочетании с последующими вертикальными самолетными зондировками атмосферы позволили получить представление о тонкой вертикальной структуре КПС над районом исследований. Эти данные были дополнены результатами радиозондирования в г. Якутске, которые могли трактоваться как профили параметров над долиной реки (в отличие от самолетных зондировок, выполненных над берегами реки). Условия возникновения и развития МТВПС
Изучение тонкой пространственной структуры потоков позволило выявить некоторые общие закономерности развития мезомасштабно-неоднородного КПС. Вертикальные сечения турбулентных потоков явного тепла, приведенные на Рис. 6.2, послужившие своеобразной визуализацией структуры слоя, выявили развитие МТВПС в определенные дни наблюдений. На появление МТВПС, развивающегося на всю высоту пограничного слоя указывали также
перегибы вертикальных профилей потенциальной температуры и удельной влажности, вертикальные сечения потоков скрытого тепла и скорости трения. Существование безоблачной полосы в слое облаков венчающего пограничный слой над рекой Леной служило косвенным подтверждением развития мезомасштабного слоя.
О Ю '20 30 40 50 60 70 80 90 100
——верхняя граница МТВПС или К"ПС Расстояние, км
Рис. 6.2. Вертикальные сечения турбулентных потоков явного тепла Н над долиной реки Лены и ее берегами. Черно-серыми тонами отмечены восходящие, а штриховкой -нисходящие потоки, белый цвет соответствует зонам неопределенности в потоках (где величины потоков были менее 2 Вт/м2). На сечениях также изображены верхние границы МТВПС или КПС и приведены графики измененгш радиационной температуры поверхности Т. вдоль линии полета самолета
Данные, полученные за все девять дней наблюдений, позволили установить, что необходимыми и достаточными условиями развития МТВПС было существование сильной неустойчивости слоя, превышающей некоторый
предел, (характеризуемый параметром устойчивости у^ <-50) и наличие
холодного пятна на поверхности с горизонтальным размером ЬНеЫго более 10 км. Для удобства оценки устойчивости неоднородного КПС был предложен следующий безразмерный параметр:
(6-1)
где поток тепла с учетом плавучести //„0, виртуальная потенциальная
температура ду0 и скорость трения и. = -*]— (и'ь>')0 рассчитывались по данным, полученным для высоты 100 м (верхней гра1шцы приземного слоя) (см. Табл.. 6.1).
Таблица 6.1
Средние параметры для высоты 100 м (Zl - высота КПС; в',,0- виртуальная температура;
#„„- поток тепла с учетом плавучести; V - скорость ветра; <р - направление ветра;
/
- радиационная температура; - параметр устойчивости по слою КПС; Р! - параметр состояния КПС; Р^ - параметр, характеризующий возникновение МТВПС.
ДАТА Апр. 24 Май 1 Май 9 Май 12 Май 20 Июнь 1 Июнь 5 Июнь 9 Июнь 19
м 1400 1700 1800 1900 2500 2700 2200 3000 3200
281,7 276,7 281,3 290,2 286,8 291,5 294,1 300,6 302,2
Нг0, \\7м2 76,4 186,5 120,6 240,6 126,1 231,1 127,8 197,4 133,1
К, м/с 6,1 6,1 2,9 9,5 2,8 8,0 3,4 4,5 1,9
87 303 245 158 108 318 74 229 219
С 2,5 5,3 10,6 20,0 16,8 22,0 23,8 30,8 30,6
V /ь -14,0 -10,2 -28,8 -41,8 -52,8 -16,2 -136,4 -66,0 -323,1
р. 1,62 1,07 1,06 0,60 0,84 1,04 0,64 0,76 0,57
4,5 13 1,5 0,8 1.1 0,5 0,8 0,6
Развитие МТВПС Нет Нет Нет Нет Да Нет Да Да Да
С помощью параметра Р5 и горизонтального размера пятна неоднородности на поверхности ЬНаего (оцененною по записям радиационной температуры поверхности) все девять дней самолетных наблюдений были классифицированы по следующим четырем ситуациям: №1 Р5>1 и Ькшго< 10 км (эксперименты 24 апреля, 1 и 9 мая); №2 ^<1 и Ькй1его<10 км (12 мая)! N¡23 Р$>1 и ¿„е,его>10 км (1 июня); №4 /^<1 и £Ле1его>10 км (20 мая, 5, 9 и 19 июня). Схемы развития КПС для этих ситуаций приведены на Рис. 6.3.
Ситуация №1 (Рис. 6.3 а) была типична для слабонеустойчивого пограничного слоя без внутренних термических пограничных слоев. Высота верхней границы КПС не имела существенных изменений по горизонтали. Ситуация №2 (Рис. 6.3 б) соответствовала термодинамической неустойчивости, однако ввиду малых размеров неоднородностей на поверхности высота верхней границы также мало менялась по горизонтали. Спутниковые снимки для дней с такой ситуацией показывали либо слой облаков, равномерно покрывавший КПС, либо практически полное отсутствие облаков. В ситуации №3 (Рис. 6.3 в) высота КПС над крупным холодным пятном на поверхности претерпевала
некоторое понижение. Согласно спутниковым снимкам, облака в такой ситуации наблюдались над берегами реки, а на самой рекой прослеживалась узкая безоблачная полоса.
а) Ситуации №1: Р>1 и £^^<10 км) 24 апреля, 1, 9 мая
р. Лена '' 111II И I М И 11
в) Ситуация №2: Р<1 и Z <10 км
12 мая
р. Лена
6) Ситуация №3: Р> 1 и L >10 км
1 июня
г) Ситуация №4: -Р<1 и км
>m 11111. mm"* rtrrrnfiwr^^^^ О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Расстояние, км
Рис. 6.3. Схематическое изображение различных ситуаций развития КПС над термически неоднородной подстилающей поверхностью. Сплошной линией показана форма верхней границы КПС, снизу приведено сечение рельефа местности
Только ситуация №4 (Рис. 6.3 г) приводила к возникновению и развитию МТВПС во всей толще КПС и, как следствие, к радикальному изменению структуры верхней границы КПС. Здесь вместо средней высоты КПС г,-приходилось использовать понятие о локальной высоте Sg.
Нисходящие потоки (см. Рис. 6.2) указывали на устойчивые условия над рекой и ее долиной, в то время как ситуация над берегами реки была сильно неустойчивой. Это должно было приводить к разрывам верхней границы КПС. Спутниковые снимки для дней наблюдений при ситуации №4 показали наличие безоблачных полос над рекой Леной в однородных полях Sc и Си med, покрывавших КПС над берегами реки.
Таким образом, МТВПС развивался сквозь всю высоту КПС и радикально изменял его структуру, если одновременно выполнялись два условия. Во-первых, на подстилающей поверхности существовало термическое пятно с большим контрастом температуры по сравнению с окружающей поверхностью (10 - 15 °С) и имевшее достаточно большой по сравнению с высотой КПС горизонтальный размер. И, во-вторых, КПС был сильно неустойчив, что характеризовалось величиной Р5<1. Для оценки возможности развития МТВПС был предложен параметр:
Psl = С
z¡
si'
HvV ¿helero
(6.2)
где С5£=4 - безразмерный коэффициент, нормирующий параметр на единицу для удобства его применения. Величина параметра Рл<\ указывала на развитие мезомасштабного слоя, а при слой не появлялся. Значения
параметра приведенные в Табл. 6.1, позволили идентифицировать КПС, развивающиеся в условиях мезомасштабной неоднородности. Развитие локальной бризовой циркуляции
Известно, что обширные водные пространства (озера, моря) в силу разности температур над водной поверхностью и сушей порождали бризовую циркуляцию. В том случае, если размеры водной поверхности были невелики (небольшие озера, крупные реки), то возникала локальная (мезомасштабная) циркуляция ЛЦ. Влияние ЛЦ должно было ограничиваться относительно небольшим районом, размеры которого сопоставимы с размерами водной поверхности ее порождавшей. Выявить возникновение ЛЦ позволили вертикальные ссчения компоненты скорости ветра Ум, перпендикулярной основному руслу реки, приведенные на Рис. 6.4.
Шкала У, м/с:
О 2
О 10 20 30
р' Ле"|",, ......
80 90 100
Расстояние, км
20 30 40 50 «0 71
-верхняя граница МТВПС или КПС
Рис. 6.4. Вертикальные сечения компоненты скорости ветра Кдг, перпендикулярной основному руслу реки Лены для различных дней самолетных наблюдений. Штриховкой выделены зоны обратного тока, указывающие на присутствие локальной циркуляции: сплошными линиями отмечены границы МТВПС и КПС
В определенные дни наблюдений над берегами реки Лены наблюдались явно выраженные зоны противотечения (выделенные на рисунке штриховкой), т.е. области, где ветер имел направление противоположное основному, доминирующему потоку. Во всех случаях зона противотечения располагалась над наветренным берегом реки. Величины скоростей в зоне обратного тока оказались сравнимыми со скоростью доминирующего потока, Горизонтальная протяженность зон обратного тока составляла 20 - 30 км, а вертикальная мощность - 600 - 1500 м. По вертикальным и горизонтальным компонентам скорости ветра были построены линии тока, которые выявили структуру вихрей ЛЦ и их размеры. Сведения о зонах ЛЦ, обнаруженных с борта самолета были подтверждены результатами наземных измерений на метеомачтах. Скорость и направление ветра, измеренные на земле, не всегда совпадали со скоростью и направлением синоптического потока. Отклонения по направлению ветра составляли 90° - 120° и хорошо коррелировали с моментами возникновения ЛЦ.
V2
Оценка чисел Фруда (Рг~——, где Н - характерная высота препятствия и
Я/Зк
а 1 др
р —--— - вертикальный градиент плотности воздуха, g - ускорение силы
Рв &
тяжести) и внутренних чисел Фруда где N= . ~—— - частота
и IV ув0 дг
Брента-Вяйсяля) дала основание считать, что ЛЦ проявлялась тогда и только тогда, когда силы плавучести существенно превышали инерционные силы (см. Табл. 6,2). Таким образом, основной причиной возникновения ЛЦ являлся термический контраст между водной поверхностью и берегами реки, т.е. ЛЦ носила явно выраженный бризовый характер.
Таблица 6.2
Параметры вихрей локальной циркуляции над рекой Леной и ее долиной и параметры, характеризующие возникновение локальной циркуляции (¡¡_с - горизонтальный размер вихря; с ' вертикальная мощность вихря)
ДАТА Аир. 24 Май 1 Май 9 Май 12 Май 20 Июнь 1 Июнь 5 Июнь 9 Июнь 19
11с,км - - 24 - 45 - 15 23 25
А£С,м - - 0- 1200 - 1000 -1500 - 0 - 1000 0-600 0-600
Идг,м/с -5,7 5,9 1,6 -6,2 1.3 8,0 -1,4 1.9 0,9
АТ„° С 2,5 15,3 18,0 25,9 27,3 20,5 25,2 25,4 24,2
Бг 2,21 2,49 0,07 3,51 0,26 3,54 0,04 0,08 0,01
5,62 4,38 0,45 14,66 1,07 13,53 0,89 0,88 0,18
Рс 2,25 2,68 0,82 1,12 0,21 1,82 0,70 0,71 0,60
Проведенный анализ позволил построить параметр, характеризующий появление ЛЦ, порожденной холодным пятном на поверхности земли (рекой,
озером):
Рс = 0,4
«Л
(6.3)
где потенциальная температура в0, скорость трения и, и конвективная
скорость и%
Нп
вп
срР
- средние величины для нижнего уровня полета
самолета 100 м, а лТг - максимальный контраст радиационных температур пятна и окружающей поверхности. Числовой коэффициент 0,4 был выбран для удобства пользования параметром. Значения параметра Рс представлены в Табл. 6.2.
ЛЦ появлялась только при Рс заметно меньшим 1, если Рс >1, то ЛЦ не наблюдалась. Величины параметра Рс для дней с циркуляцией и без нее отличались в 3 - 5 раз, что свидетельствовало о его надежности.
Можно было выделить две характерные ситуации развития горизонтальной адвекции над термическим пятном мезомасштабпых размеров (Рис. 6.5).
я) Структура воздушных потоков в КПС без локального вихри
80 90 100 Расстояние, км
6) Структура воздушных потоков в КПС с вихрем локальной циркуляции
80 90
Расстояние, км
Рис. 6.5. Схема структуры поля ветра для различных значений параметра локальной циркуляции Рс: а) - при отсутствии локальной циркуляции (Рс> 1) и б) - при возникновении локальной циркуляции (<1)
Ситуация №1 соответствовала движению воздушных масс без возникновения локальной циркуляции, когда параметр Рс>1. В этом случае наблюдалось волновое движение воздушных масс в КПС, причем амплитуда
этих волн зависела от скорости ветра направленной поперек основного русла реки и степени устойчивости в КПС. При этом происходило сильное горизонтальное перемешивание слоя. Ситуация №2 (Рс<1) характеризовалась возникновением локальной циркуляции, которая приводила к существенному изменению структуры поля ветра. В этих условиях возникал локальный вихрь на наветренной стороне долины.
Картины построенных линий тока позволили оценить горизонтальный 11С и вертикальный й£С размеры образующихся вихрей ЛЦ (Табл. 6.2). Горизонтальные масштабы вихрей более чем в 10 раз превосходили их вертикальные размеры, а вертикальные размеры зон циркуляции были близки к величинам локальных высот МТВПС, т.е. можно предположить, что локальная циркуляция развивалась внутри МГВПС. Таким образом, удалось обнаружить локальную бризовую циркуляцию, порожденную термически выделяющимися пятнами на подстилающей поверхности с относительно малыми горизонтальными размерами (мезомасштабными размерами, 5-15 км). Локальная циркуляция и проблема баланса энергии в ПСА
Многочисленные исследования, проведенные различными авторами, показали, что при измерениях потоков в приземном слое атмосферы наблюдался дисбаланс энергии (так называемая "проблема дисбаланса"). В качестве характеристики дисбаланса энергии обычно использовалось отношение КЕС в виде:
где Л„ - поток нисходящего излучения, б - поток тепла из почвы, - скорость трансформации накопленного тепла. В КПС наблюдалась, как правило, недооценка потоков явного и скрытого тепла, т.е. величина КЕС<\. Исследовались различные причины наблюдаемого дисбаланса энергии, и было отмечено, что одной из наиболее важных причин являлась горизонтальная адвекция. Поэтому возникновение вихрей ЛЦ приводило к необходимости учета их влияния на оценку баланса энергии в приземном слое атмосферы и в слое перемешивания.
Согласно измерениям, проведенным на станциях наземного наблюдения на левом берегу реки Лены наблюдались, как правило, значения ЯЕС>1 при ветрах западного направления и ЛЕС<1 при ветрах восточного направления. Занижение потоков при восточном направлении доминирующего ветра могло происходить только при существовании потока с масштабами, превышавшими 2 км, так как характерный "йю1рп^"-размер, оцененный для метеомачты и определявший на 90% интенсивность потока, составлял всего 800 м. Ситуация на станции измерения правого берега была прямо противоположной, поскольку здесь река располагалась к западу от места наблюдений. В то же время, в некоторых случаях имела место недооценка КЕС<\ на левом берегу при западном направлении доминирующего ветра, и при восточном - на правом
Кес~{Пп-С-8)
(6.4)
берегу, т.е. в тех случаях, когда должен соблюдаться баланс или иметь место переоценка величины Лес- Эти случаи хорошо коррелировали с возникновением в эти дни вихрей ЛЦ, имевшие горизонтальные размеры 15 -25 км (см Табл. 6.2). Локальная циркуляция оказалась одним из важнейших факторов, определявших баланс энергии в приземном слое над термически неоднородной поверхностью. По грубой оценке возникновение локальной циркуляции приводило к занижению потоков тепла приблизительно в 1,5 раза. Условия применения известных моделей подобия для неоднородного КПС
Необходимость параметризации КПС в мезомасштабной ситуации, при которой известные модели подобия были неприменимы, потребовала поиска новых подходов. Известен прием, когда неоднородную подстилающую поверхность подразделяют на сегменты с относительно однородной структурой и применяют масштабную параметризацию по отдельности к выделенным сегментам - метод мозаичного приближения. Для оценки метода региональные участки были разбиты на 4 субрегиональных (мозаичных) сегмента протяженностью 20 - 22 км с относительно однородной поверхностью. Необходимым условием применимости теории подобия для мозаичных сегментов служило отношение масштаба неоднородности на поверхности
Кг-
Ькетг0 и масштаба Раупача ЬКаи - СЯаи—- (где СКаи »0,8 - безразмерный
и'.
эмпирически определенный коэффициент). Согласно критерию, известному из литературы, применение моделей подобия допустимо при ЬШего < ЬКан, а ссли ^•йейго-^яав" т0 ™ °ДИН из методов параметризации не будет справедливым. Мозаичные сегменты, на которые разбивались региональные участки, были отсортированы по этим признакам. Профили пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра, температуры, потоков явного и скрытого тепла
для сегментов с <1 оказались близкими к профилям для однородного
КПС, причем разброс точек относительно сглаживающих кривых был близок к обычному разбросу данных для однородного КПС. Были определены аналитические выражения для сглаживающих кривых, которые также оказались близкими к известным сглаживающим кривым. Разброс точек, полученных для
субрегиональных участков, где — >1 оказался слишком велик, чтобы
^Яаи
можно было говорить о применимости какой-либо модели. Отсюда был сделан вывод, что метод мозаичного приближения оказался недостаточно эффективным, поскольку более чем в половине рассматриваемых случаев осуществить параметризацию оказалось невозможным. Разделение потоков на мезомасштабную и турбулентную части
Вейвлет-анализ оказался эффективным способом исследования потоков в мезомасштабно-пеоднородном КПС. Кросс-скалограммы (т.е. распределения коэффициентов вейвлет-преобразования в зависимости от волновых чисел и
расстояния вдоль линии измерения) показали существование области неоднородности над долиной реки в определенные дни наблюдений, что хорошо согласовывалось с ранее сделанными выводами о развитии МТВПС. На кросс-скалограммах были обнаружены четкие границы между областями с различными масштабами вихрей. Кросс-скалограммы послужили основой для расчетов нормированных коспектров между пульсациями вертикальной компоненты скорости ветра и потенциальной температуры воздуха и>'в', абсолютной влажности воздуха н>'/' и углекислого газа и''с'. В качестве нормирующих величин использовались поток тепла для нижнего уровня полета (ю'в')0 (вблизи верхней границы приземного слоя), а также
максимальные абсолютные величины потоков | и''с' \тах и | н>'/' \тах на одном из уровней полета от 100 до 1500 м (поскольку приземные значения этих потоков могли быть близки к нулю). Примеры нормированных вейвлет-коспектров Спкс в зависимости от безразмерного волнового числа кг для разных уровней полета и различных дней наблюдений представлены на Рис. 6.6.
Высота над поверхностью земли:
-100м-150 и - 300м............800м............1500м
0,5-
1 мая
12 мая .
июня .
9 нюня
9 мая
20 мая
5 июня
19 июня
100
10 100 0,01 0,1 1 Нормированное волновое число кг
Рис. 6.6. Нормированные коспектры между пульсациями вертикальной компоненты скорости ветра И>' и пульсациями концентрации углекислого газа с' в зависимости от нормированного волнового числа kz
Практически все коспектры имели бимодальную форму. Это подтвердило предположение о существовании двух типов движений в мезомасштабно-
неоднородном КПС и возможности разделения этих движений для независимого анализа. Первый тип движения определялся турбулентными вихрями, масштабы которых были меньше некоторого граничного размера сопоставимого с высотой КПС (около 2 км). Другой тип движений был отнесен к мезомасштабным, что соответствовало размерам вихрей от 2 до 20 км. Все потоки на масштабах превышавших 20 км были пренебрежимо малы. Форма коспектров позволила предположить, что их можно было аппроксимировать двумя независимыми распределениями Гаусса. Был разработан метод определения граничного масштаба, разделяющего мезомасштабные и турбулентные движения в зависимости от взаимного расположения пиков на коспектрах и их амплитуд. При интегрировании коспектра по волновым числам большим граничного, определялся турбулентный поток, а по волновым числам меньшим граничного - мезомасштабный поток, после чего эти потоки могли быть проанализированы независимо друг от друга. Предложенный метод параметризации мезомасштабно-неоднородного КПС был назван "методом раздельной параметризации".
Модели раздельной параметризации для неоднородного КПС
Разделение спектральных зависимостей различных параметров на турбулентную и мезомасштабную части позволило построить модели подобия для мезомасштабно-неоднородного КПС. В результате возникновения МТВПС высота верхней границы КПС претерпевала резкие изменения - ее локальные значения 5(х) как функции от расстояния вдоль линии измерения могли меняться в пределах от 600 м до 3 км. Поэтому вертикальный масштаб КПС с пространственно изменчивой высотой верхней границы было предложено характеризовать "приведенной высотой" КПС 5Г:
* f-max
Sr=-- \д(х) (6.5)
тих о
где Lmax - полная протяженность регионального измерительного участка.
Таблица 6.3
Средние модальные размеры вихрей для турбулентного и мезомасштабного диапазонов, (I -масштаб вихря; у г. - относительный масштаб вихря)
Поток Поток Поток Поток Показатель |
импульса тепла водяного пара углекислого анизотропии 1
газа
Турб. Мезо. Турб. Мезо. Турб. Мезо. Турб. Мезо. Турб. Мезо. |
/, м 550 4300 650 3800 850 4550 400 3900 380 3950 |
1/ А 0,30 2,40 0,32 2,20 0,43 2,62 0,23 2,29 0,21 2,31 J
Величины граничных масштабов, определенные по коспектрам потоков
тепла, водяного пара, импульса и углекислого газа были близки между собой и составляли 1500 - 1700 м. Более того, близки к ним оказались и границы, определенные по одномерным спектрам пульсаций скорости ветра и температуры, спектрам когерентности. Средние модальные размеры турбулентных и мезомасштабных движений (абсолютные и относительные, нормированные на приведенную высоту КПС 8г) приведены в Табл. 6.3. Эти размеры отличались в 5 - 10 раз, что было вполне достаточно для надежного разделения движений.
Результаты раздельной параметризации потоков, основанные на всех данных, полученных в период с 24 апреля по 19 июня 2000 г. представлены на Рис. 6.7, где также отмечены значения 95%-ных доверительных интервалов. Высота нормировалась на приведенную толщину КПС дг.
Турбулентная часть Мезомасштабная часть
1.21
0,80,40,0
.....
•м* 0
0,55 - - --
:тг
Л
а к а к я в а о а. Я £ О.
о
я
Поток явного тепла 11/11
1,2 1
0,0
1,2 1
0,0'
1,2 1 . 0,80,40,0
Ы—Т-
;
.......г........ ■■■*'..............^......
---1--г- 1 1
0,65 -
.............4...... * .............|......
: • »у.,«:
Поток импульса М/М
Ь-]—т~
■ 1 ^Г!.....
0,55 - - - -
Поток водяного пара Е/Е
- .«■« у
0,55 - :- а
Т-'--■-1-1--~1-1-1-1- 1-1-г
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 Поток углекислого газа ((¿-(¿^ЛО.^ Рис. 6.7. Вертикальные профили моделей подобия раздельной параметризации для турбулентной и мезомасштабной частей потоков
Для построения моделей по коспектрам рассчитывались турбулентные и мезомасштабные потоки тепла НТ и Нм, импульса Мт и Мм, водяного пара Ет и Ем, и углекислого газа 0,т и 0_м. Потоки тепла нормировались на приземное значения потока Н0, которое определялось на минимальном уровне полета самолета (вблизи верхней границы приземного слоя). Потоки водяного
пара достигали своего максимума на одном из уровней измерения в диапазоне от 100 до 1500 м, поэтому для нормирования использовалось максимальное среднее значение Етах для одной из высот диапазона. Аналогичным образом нормировались и потоки момента импульса, где нормирующей величиной являлся максимальный (по абсолютной величине) средний поток Мтах.
В качестве нормирующих величин для потоков углекислого газа использовались максимальные абсолютные величины потока \0.тах |, которые наблюдались в слое перемешивания на высотах от 100 до 1500 м. Турбулентная и мезомасштабная части потока во многих случаях были противоположно направлены, поэтому абсолютный максимум интенсивности потока определялся как сумма абсолютных величин турбулентной 10.ттах | и мезомасштабной | (>Мтах | частей, т.е. | Цтах |=| 0.Ттах | +1 0.Мтах 1. Модельные профили, полученные для различных дней наблюдения, имели некоторое смещение, обусловленное, по-видимому, наличием источников и стоков углекислого газа на земной поверхности. В связи с этим, турбулентная и
мезомасштабная части потока нормировались в виде Щ—^у-, где величина
\Utnax I
()аУ, определялось осреднением по высоте отдельно турбулентной и мезомасштабной частей потока.
Турбулентные и мсзомасштабные потоки всех субстанций в КПС подчинялись различным моделям подобия.
Интенсивность турбулентной части потоков тепла монотонно убывала с высотой и становилась пренебрежимо малой у верхней границы КПС, причем разброс точек относительно возможной сглаживающей кривой был невелик. Точно такой же характер имел и профиль потока водяного пара для турбулентной части спектра, однако, при большей величине разброса точек. Профили вертикальных распределений турбулентных частей потоков импульса и углекислого газа имели аналогичную форму. Такое распределение потоков по высоте резко отличалась от общепринятых моделей подобия для КПС.
Модель подобия в мезомасштабной диапазоне вихрей имела иной характер. Вертикальные профили потоков всех субстанций в мезомасштабном
диапазоне имели перегибы на одной и той же относительной высоте —-0,55, а
амплитуды перегибов выходили за пределы возможного 95%-ного разброса данных. На вертикальных профилях других параметров, таких как вариации пульсаций скорости ветра и температуры, степени когерентности и показателя анизотропии наблюдались аналогичные перегибы на той же относительной высоте. Подобная форма профилей объяснялась, по-видимому, существованием двух механизмов обмена с помощью мсзомасштабных вихрей. Мезомасштабные потоки в нижней части слоя обуславливались влиянием неоднородной подстилающей поверхности, а в верхней части слоя - процессами вовлечения из свободной атмосферы.
Профиль подобия для потока тепла мог быть определен с помощью сложения его мезомасштабной и турбулентной частей. Результирующий профиль оказался схожим по форме с профилями потоков тепла, рассчитанными различными авторами с помощью методов крупновихревого моделирования. Качественное совпадение результатов численного моделирования и натурного эксперимента являлось дополнительным свидетельством достоверности полученных данных.
Известные модели подобия для КПС были получены на основе анализа воздушных движений с максимальными масштабами вихрей около 3-5 км, т.е. модели подобия описывали не только турбулентные, но и частично мезомасштабные движения.
Особенности сезонных вариаций мезомасштабных и турбулентных потоков
Метод раздельной параметризации позволил оценить характер сезонных изменений турбулентных и мезомасштабных потоков в КПС. Наиболее существенный вклад в потоки тепла независимо от времени года давали турбулентные движения. Изменение термодинамических условий приводило к одновременному изменению и турбулентных и мезомасштабных потоков. Вклад турбулентных и мезомасштабных движений в потоки водяного пара оказался приблизительно одинаков. Сезонных изменений потоков импульса не было обнаружено, все изменения обуславливались ветровыми условиями в день измерений. Турбулентные потоки углекислого газа заметно превосходили мезомасштабные и изменялись за время наблюдений в широких пределах - от восходящих в период схода снежного покрова до нисходящих в летний период. Корреляция между турбулентной и мезомасштабной частями потоков углекислого газа отсутствовала, причем мезомасыггабная часть потоков была всегда нисходящей и мало менялась в течение всего периода наблюдений.
ГЛАВА 7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной главе изложены основные результаты, полученные в диссертационной работе, определена их новизна, обоснована практическая значимость работы, описана апробация работы и выделен личный вклад автора (см. предварительную часть настоящего автореферата).
ВЫВОДЫ
Резюмируя полученные в диссертационной работе результаты можно выделить следующее.
Многолетние исследования с помощью самолетов-лабораторий позволили получить фактические данные о пространственной и спектральной структуре турбулентности и турбулентных потоков в пограничном слое атмосферы в различных географических регионах, над различными типами поверхности, а также данные о турбулентности в облачной атмосфере. Обоснована достоверность полученных данных.
Получены фрагменты суточного хода потоков тепла, водяного пара, углекислого газа и метана и оценены их высотные зависимости. Обнаружено развитие перемежающегося термического внутреннего пограничного слоя.
Показана возможность применения известных моделей подобия для параметризации пограничного слоя над поверхностью с перемежающейся шероховатостью. Выявлены условия применимости метода мозаичного приближения к мезомаспггабно-неоднородному пограничному слою.
Исследована тонкая пространственная структура конвективного пограничного слоя над термически неоднородной поверхностью, оценены сезонные изменения потоков тепла, водяного пара, импульса и углекислого газа и их пространственных распределений. Обнаружено и представлено в явном виде развитие термического внутреннего пограничного слоя и локальной бризовой циркуляции. Определены условия их возникновения и предложены параметры для их идентификации.
Разработан метод раздельной параметризации, позволивший моделировать структуру пограничного слоя в условиях мезомасштабной неоднородности, когда ни одна из известных моделей подобия не могла быть применена. Построены модели подобия мезомасштабно-неоднородного конвективного пограничного слоя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Список использованной литературы состоит из 339-х ссылок на статьи и монографии в отечественных и зарубежных изданиях и тезисы докладов.
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации
1. Дмитриев В.К., Струнин М.А., Шур Г.Н.: 1981, 'Комплекс технических средств для исследования атмосферной турбулентности на самолетах-лабораториях'. Тезисы докладов на Всесоюзном совещании "Технические средства для государственной системы контроля природной среды". Обнинск, Часть 2,128 -129.
2. Силаева В.И., Струнин М.А.: 1982, 'Самолетные исследования турбулентности в облаках различных форм', Тезисы докладов на Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии и прикладной авиационной климатологии, Москва, ВДНХ, 96.
3. Струнин М.А., 1983: 'Самолетный пневмоанемометр для измерения пульсаций горизонтальной компоненты скорости ветра', Труды ЦАО, 147,26 - 38.
4. Дмитриев В.К. и Струнин М.А., 1983: 'Самолетные измерители пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра', Труды ЦАО, 147,39-51.
5. Мазин И.П., Силаева В.И., Струнин М.А., 1984: 'Турбулентные пульсации горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра в облаках различных форм', Изв. АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 20,1,10-18.
6. Ermakov V.M., Mazin I.P., Silaeva V.l., Strunin M.A., Shmeter S.M.: 1984, 'Characteristics of turbulence in clouds of different types', Proceedings of the 9th InternationaI Cloud Physics Conference, П, 21 -28 August, Tallinn, 371 - 373.
7. Ермаков B.M., Силаева В.И., Струнин M.A., Шметер С.М., 1984: 'Атмосферная турбулентность во фронтальных облаках'. Метеорология и гидрология, 9,32 - 39.
8. Струнин М.А., 1984: 'Экспериментальные исследования турбулентности во фронтальных облаках', Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. паук, Долгопрудный, 134 с.
9. Дмитриев В.К. и Струнин М..А., 1985: 'Система введения взаимных поправок для самолетных измерителей скорости и температуры воздушных потоков', Труды ЦАО, 158, 104-112.
10. Силаева В.И. и Струнин М.А., 1986: 'Турбулентность в окрестности облаков некоторых форм и безоблачном пространстве', Метеорология и гидрология, 2, 72- 27.
11. Дмитриев В.К., Струнин M.А., Шур Г.Н.: 1986, 'Устройство для измерения скорости и температуры воздушного потока с борта самолета', Авт. св. СССР, X» 1296948 от 15.11.86.
12. Дмитриев В.К., Звягинцев A.M., Смирнов A.U., Струнин М.А.: 1986, 'Некоторые вопросы исследования метрологических характеристик измерителей параметров турбулентности атмосферы', Тезисы докладов на III Всесоюзном совещании по теоретической метрологии, Ленинград, 182 - 183.
13. Дмитриев В.К., Струнин М.А., Шур Г.Н., 1986: 'О достоверности самолетных измерений параметров турбулентности в области масштабов, сравнимых с размерами самолета', Тезисы докладов на Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии, Москва, 88.
14. Дмитриева U.E., Ермаков В.М., Силаева В.И., Струнин М.А., Шметер С.М.: 1987, 'Статистические характеристики турбулентности в облаках различных форм', Труды ЦАО, 163,3-15.
15. Дмитриев В.К., Струнин MA., Шур Г.И., 1987: 'Определение постоянных времени самолетных датчиков температуры и компонент скорости ветра', Метрология, 8,38 - 42.
16. Дмитриев В.К., Сидоряк Л.С., Струнин MA., Шур Г.Н.: 1987, 'Самолетный измеритель истинных значений скорости и температуры и их пульсаций*, Проспект ВДНХ, Москва, 5 с.
17. Беляков Н.Е., Востренков В.М., Струнин М.А.: 1987, 'Устройство для измерения скорости вертикальных потоков с борта самолета в горизонтальном полете', Авт. св. СССР, №1362272, от 22.08.87.
18. Мазия И.П. и Струнин М.А.: 1990, 'Пространственная структура неоднородностей турбулентности в облачной атмосфере', Сб. "Вопросы атмосферного электричества" памяти ИМ. Имянитова, Л., Гидрометеоиздат, 103-110.
19. Струнин MA., 1990: 'Об анизотропии пульсаций скорости ветра в облачной атмосфере', Метеорология и гидрология, 6, 37-44.
20. Антонова Г.И., Дмитриева Н.Е., Ермаков В.М., Силаева В.И., Струнин М.А., Фадеева Г.В.: 1991, 'Архив данных о турбулентности в облачной атмосфере по результатам самолетного зондирования', Труды ЦАО, 175,40 - 51..
21. Дмитриев В.К., Свдоряк Л.С., Струнин М.А, Фадеева Г.В., Шур Г.Н., 1992: Экспериментальные исследования соотношения между компонентами пульсаций скорости ветра в поле атмосферной турбулентности', Труды ЦАО, 180,102 - 117.
22. Дмитриев В.К., Сидоряк Л.С, Струнин М.А., Фадеева Г.В., Шур Г.Н., 1992: 'Сравнение характеристик атмосферной турбулентности, измеренных с помощью самолета-лаборатории и высотной метеорологической мачты', Труды ЦАО, ISO, 118 - 129.
23. Струнин М.А: 1992, 'Некоторые особенности турбулентного режима облачной атмосферы над Болгарией (район г. Пловдива)', Труды ЦАО, 180,3 - 21.
24. Strunin MA., Shmeter S.M., 1994: 'A method for estimation of greenhouse gas turbulent flux based on aircraft observation. - Airborne measurements of the greenhouse gases over Siberia', Proceedings of the International Symposium on Global Cycles ofAtmospheric Greenhouse Gases, Sendai, Japan, March 7-10,1994,26 - 29.
25. Postnov A., Stulov E-, Strunin M., Khattatov V., Tolchinsky Yu., Inoue G., Tohjima Y., Maksutov S., Machida M.: 1994, "Vertical turbulent transport of methane in the atmospheric boundary layer over Central Western Siberia', Proceedings of the International Symposium on Global Circles of Atmospheric Greenhouse Gases, Sendai, Japan, March 7-10,1994, 30 - 33.
26. Струнин MA, Шметер C.M., 1994: 'Коэффициент атмосферной турбулентности и экспериментальные методы его определения', Метеорология и гид[юлогия, 5,10 - 19.
27. Струнин М.А, Шметер СМ., 1996: 'Определение коэффициента турбулентного перемешивания в атмосфере по данным измерений с борта самолета', Изв. РАЛ, сер. Физика атмосферы и океана, 32,1,35-41.
2S. Струнин М.А., Шметер С.М., 1996: "Методы оценки турбулентных потоков различных примесей через атмосферный пограничный слой по самолетным данным', Тезисы
конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды, г. Кучино, Моск. Обл., декабрь 1996 г.
29. Strunin М. А., 1997: 'Meteorological potential for contamination of arctic troposphere: Aircraft measuring system for atmospheric turbulence and methods for calculation it characteristics. Archive and database of atmospheric turbulencc', Atmospheric Research, 44, 17-35.
30. Strunin M.A., Postnov A.A., Mezrin M.Y.: 1997, 'Meteorological potential for contamination of arctic troposphere: Boundary layer structure and turbulent diffusion characteristics', Atmospheric Research, 44, 37-51.
31. Strunin M.A. and Foken Th., 1997: 'Techniques for quality assessments of aircraft turbulent flux measurements', Deutscher Wetterdienst Forschung und Entwicklung, Arbeitsergebnisse, 44, Offenbach am Main, 36 p.
32. Струнин M.A., Постнов A.A., Мезрин М.Ю., 1997: 'Пространственно-временная изменчивость турбулентных потоков тепла и водяного пара в пограничном слое атмосферы', Л1етеорология и гидрология, 6, 51 - 62.
33. Strunin М.А., Mezrin M.Y.: 1997, Airborne measurements of the turbulent fluxes of momentum, heat and water vapor over the heterogeneous land surface', The Second International Workshop on Energy and Water Cycle in Siberia and GAME, 26 - 28 November 1997, Moscow, Russia, 59.
34. Струнин M.A., Шметер C.M., 1998: 'Особенности структуры и энергетики турбулентности в нижней тропосфере', Метеорология и Гидрология, 10, 18 - 28.
35. Strunun М.А. and Foken Th., 1998: 'Influence of non-homogeneity of underlying surface on the structure of turbulence in the atmospheric boundary layer', Abstracts of the presentations for the 23rd General Assembly EGS, Nice, April, 1998, Annals Geophysical, Supplement to Volume 16, 1998, Part 2: Hydrology, Oceans & Atmosphere, C427 - C808.
36. Strunin M.A. and Mezrin M.Y., 1998: 'Airborne measurements of the turbulent fluxes of momentum, heat and water vapor over the heterogeneous land surface', Research Report of IHAS, 4, Nagoya University, Japan, 152- 159.
37. Beyrich F„ D. Engelbait, Th. Foken, J. Neisser, M. S. Strounin, C. Wode: 1998: 'Das LITFASS - Projekt des Deutschen Wetterdienstes: Strategie und Ergcbnisse', Ann. Meteorol., 37 (1998) I, 235 - 236.
38. Wode Ch, M. A. Strunin, Th. Foken, R. Roth, J. Bange (Poster), 1998: •I1ELINEX 97/98: Aber Ergebnisse der im Rahmcn des BALTEX-Projektes LITFASS durchgefhrten I lElipod-LINdenber-Experimente', Ann. Meteorol., 37 (1998) 1, 294.
39. Strunin M.A., Beyrich, F. and Baumann R., 2000: 'Aircraft Investigations of the Turbulcnce Structure and Turbulent Fluxes in the Atmospheric Boundary Layer over the Lindenberg Area", Deutscher Wetterdienst Forschung und Entwicklung. Arbeitsergebnisse, 63, Offenbach am Main, 49 pp.
40. Iliyama T. and Strunin M.: 2001, 'Aircraft observations over Yakutsk region in Intensive Observation period (IOP) 2000', GAME Publication 26, Activity Report ofGAME-Siberia 2000, Japan, National Committee for GAME, 45 - 50.
41. Strunin M.A. and Mezrin M.Y., 2001: 'Russian instruments used aboard Ilyushin-18 aircraft during Intensive Observation period (IOP) 2000 in Yakutsk Region', GAME Publication 26, Activity Report of GAME-Siberia 2000, Japan, National Committee for GAME, 51-56.
42. Suzuki R., Hiyama Т., Strunin M.A., Ohata Т., Koike Т., 2001: 'Airborne observations of land surface by video camera and spectrometer around Yakutsk', GAME Publication 26, Activity Report of GAME-Siberia 2000, Japan, National Committee for GAME, 61 - 64.
43. Strunin M.A., Hiyama Т., Asanuma J., 2001: 'Aircraft observations and scaling of the thermal internal boundary layer in the convective boundary layer over non-homogeneous land surface', Proceedings of the 4,h International Conference on GEWEX, 9-14 September, 2001, Paris, France, 148.
44. Hiyama Т., M. A. Strunin, J. Asanuma, M. Y. Mezrin, R. Suzuki and T. Ohata: 2001, 'Spatial and seasonal variations of heat and carbon dioxide fluxes in the atmospheric boundary layer
over non-homogeneous surface in Eastern Siberia derived from aircraft observations'. Proceedings of the 4"1 International Conference on GEWEX., 9 -14 September, 2001, Paris, Fiance, 76.
45. Hiyama, Т., Strunin M.A., Asanuma J., Mezrin M.Y., Suzuki R., and Ohata Т., 2001: 'Flux distributions of heat and carbon dioxide in the atmospheric boundary layer over non-homogeneous surface in Eastern Siberia', Proceedings of the Fifth International Study Conference on GEWEX in Asia and GAME, 3-5 October, 2001, Nagoya, Japan, 2,307 - 314.
46. Asanuma J., Hiyama Т., Strunin M.A., Mezrin M.Y., Suzuki R. and T. Ohata: 2001, 'Spatial scales relevant to the heat and scalar transports over Siberian Taiga forest revealed with aircraft observations', Proceedings of the Fifth International Study Conference on GEWEX in Asia and GAME, 3-5 October, 2001, Nagoya, Japan, 2,449.
47. Strunin M.A., Hiyama Т., Asanuma J., 2001: 'Development of thermal internal boundary layer and scaling of convective boundary layer over non-homogeneous land surface based on aircraft observations', Proceedings of the Fifth International Study Conference on GEWEX in Asia and GAME, 3-5 October, 2001, Nagoya, Japan, 3, 709 - 714.
48. Strunin M.A.: 2002, 'Aircraft observations of the atmospheric boundary layer structure over non-homogeneous terrain in vicinity of Yakutsk Ciiy (Eastern Siberia) in April - June 2000. Aircraft instruments and review of results', EUFAR Expert Working Groups on Clouds, Small Scale Turbulence and Air Flow Distortion (EUFAR Workshops) 16-20 September 2002, Capua, Italy.
49. Hiyama Т., Strunin M. A, Suzuki R., Asanuma J., Mezrin M.Y., Bezrukova N.A. and Ohata T. 2003: "Aircraft observations of the atmospheric boundary layer over a heterogeneous surface in Eastern Siberia', Hydrol. Proces., 17,2885 -2911.
50. Strunin MA, Hiyama T, Asanuma J, Ohata Т.: 2004, 'Aircraft observations of the development of thermal internal boundary layers and scaling of the convective boundary layer over non-homogeneous land surfaces', Boundary-LayerMeteorol., 111, 491 - 522.
51. Strunin M.A. and Hiyama Т.: 2004, "Applying wavelet transforms to analyse aircraft-measured turbulence and turbulent fluxes in the atmospheric boundary layer over eastern Siberia', Hydrol. Proc., 18,3081 — 3098.
52. Strunin M.A. and Hiyama Т.: 2004, 'Response properties of atmospheric turbulence measurement instruments using Russian research aircraft', Hydrol. Proc., 18, 3099 - 3117.
53. Hiyama Т., Strunin M.A Sugita M. and Kim J., 2004: "Spectral structure of turbulent fluxes in the atmospheric boundary layer over a thermally non-homogeneous land surface - with a small summary of GAME related ABL studies' Proceedings of the 6th International Study Conference on GEWEX in Asia and GAME, 3-5 December, 2004, Kyoto, Japan.
54. Струнин M.A., Хияма Т.: 2005: 'Самолетные исследования атмосферного пограничного слоя над долиной реки Лены в районе г. Якутска. Часть L Мезомасштабная структура', Изв. РАН, сер. Физика атмосферы и океана, 41,2, 178 - 200.
55. Струнин М.А., Хияма Т.: 2005: 'Самолетные исследования атмосферного пограничного слоя над долиной реки Лены в районе г. Якутска. Часть П. Спектральная структура', Изв. РАН, сер. Физика атмосферы и океана, 41,3,378 - 398.
56. Strunin M.A. and Hiyama Т., 2005: 'Spectral structure of small-scale turbulent and mesoscale fluxes in the atmospheric boundary layer over a thermally inhomogeneous land surface', Boundary-Layer Meteorol., 117, 479 - 510.
Подписано в печать 20.03.2006. Формат 60х841/1в- Гарнитура «ГПте$». Бумага офсегяая. Печать офсетная. Тираж 100 ака. Заказ N3 05.
Отпечатано в ООО "ИПЦ Маска" 115230. Москва. Электроютный проезд. 7А. стр.С. Тел,: 680-29-71. 580-29-76. да«пг.таакал|и. lnfoOmiKka.su
Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Струнин, Михаил Александрович
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ.
1.1. Современные представления о структуре пограничного слоя атмосферы (ПСА).
1.1.1.Горизонтально-однородный стационарный ПСА.
1.1.2. ПСА над неоднородной подстилающей поверхностью.
1.2. Исследования атмосферы с помощью самолетов-лабораторий.
1.2.1. Методы и аппаратура для измерения скорости и направления ветра, температуры и влажности воздуха и их пульсаций.
1.2.2. Методы спектрального анализа данных о турбулентности.
ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЙ
ГЛАВА 3. САМОЛЕТ-ЛАБОРАТОРИЯ ИЛ-18Д И ЕГО ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ.
3.1. Оборудование, установленное на самолете-лаборатории ИЛ-18д.
3.1.1. Комплекс аппаратуры для измерения турбулентности.
3.1.2. Исследование погрешностей и инерционных характеристик датчиков турбулентного комплекса.
3.1.3. Аппаратура для измерения скорости ветра, температуры и влажности воздуха.
3.1.4. Научное оборудование университетов Японии.
3.1.5. Регистрирующая аппаратура.
3.1.6. Дополнительное измерительное оборудование.
3.2. Обработка и анализ самолетных данных о турбулентности.
3.2.1. Архив данных самолетных наблюдений.
3.2.2. Расчеты статистических характеристик и спектров Фурье.
3.2.3. Использование вейвлет-преобразования для спектрального анализа турбулентности.
3.3. Определение турбулентных потоков по данным измерений с борта самолета-лаборатории.
3.3.1. Методы оценки коэффициента турбулентного перемешивания (коэффициента турбулентности).
3.3.2. Теоретические погрешности вычисления потоков.
3.3.3. Оценка турбулентных чисел Шмидта и Прандтля.
3.3.4. Сравнение различных методов расчета потоков.
3.3.5. Инструментальные и методические погрешности вычисления потоков.
3.3.6. Проблема оценки потоков в неоднородном ПСА.
ГЛАВА 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ О ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЕ И ПСА.
ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТУРБУЛЕНТНОГО ОБМЕНА В ПСА НАД РАЗЛИЧНЫМИ РЕГИОНАМИ.
5.1. Турбулентные потоки над водной и ледовой поверхностями.
5.1.1. Особенности вертикального распределения турбулентных потоков над различными типами ледовой поверхности и поверхностью воды (по данным, полученным в Арктическом бассейне).
5.1.2. Развитие термического внутреннего пограничного слоя (ТВПС) над ледовым покрытием моря и открытой водой (по данным, полученным над Охотским морем).
5.2. Пространственно-временная изменчивость турбулентных потоков в конвективном пограничном слое (КПС) над районами Западной Сибири.
5.2.1. Временная эволюция турбулентных потоков.
5.2.2. Оценки горизонтальной неоднородности турбулентных потоков.
5.2.3. Спектральные характеристики слоя перемешивания КПС.
5.3. Турбулентность и турбулентные потоки над неоднородной поверхностью в районе метеорологической обсерватории г. Линденберга, Германия (по данным, полученным с помощью комплекса вертолетной аппаратуры HELIPOD и самолетов-лабораторий DO-128 и FALCON).
5.3.1. Самолетная и вертолетная аппаратура, а также комплексы наземного оборудования для исследования атмосферы.
5.3.2. Характеристики подстилающей поверхности и условий проведения экспериментов.
5.3.3. Спектральные характеристики турбулентности.
5.3.4. Пространственная структура потоков.
5.3.5. Параметризация турбулентности и турбулентных потоков.
ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ КПС НАД ТЕРМИЧЕСКИ НЕОДНОРОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.
6.1. Влияние на развитие КПС термических пятен мезомасштабных размеров на поверхности.
6.2. Комплексный самолетный эксперимент по изучению ПСА над долиной реки Лены в районе г. Якутска.
6.3. Результаты исследований КПС над берегами и долиной реки Лены в районе г. Якутска.
6.3.1. Сезонные изменения потоков.
6.3.2. Тонкая пространственная структура КПС.
6.3.3. Условия возникновения и развития мезомасштабного термического внутреннего пограничного слоя (МТВПС) внутри КПС.
6.3.4. Возникновение локальной циркуляции над термическими пятнами мезомасштабных размеров на поверхности.
6.3.5. Локальная циркуляция и проблема баланса энергии в ПСА.
6.3.6. Условия применения моделей подобия для КПС, развивающегося над неоднородной поверхностью.
6.3.7. Спектральная структура потоков.
6.3.8. Метод раздельной параметризации потоков.
6.3.9. Модели подобия для мезомасштабно-неоднородного КПС.
6.3.10. Особенности сезонных изменений мезомасштабных и турбулентных потоков.
6.4. Основные результаты исследований КПС, развивающегося над термически неоднородной поверхностью.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Турбулентность и турбулентный обмен в пограничном слое атмосферы над неоднородной поверхностью"
Турбулентность наряду с лучистым теплообменом вносит важнейший вклад в процессы обмена энергией и влагой между подстилающей поверхностью и атмосферой. Изучение турбулентных потоков в пограничном слое атмосферы вблизи земной (подстилающей) поверхности, являющейся источником механических (вследствие шероховатости), тепловых (вследствие неравномерности нагрева) возмущений, а также водяного пара (вследствие испарения) позволяет продвинуться в понимании механизма турбулентного энерго- и влагообмена между атмосферой и земной поверхностью. Турбулентные потоки явного и скрытого тепла (водяного пара) входят в уравнение теплового баланса земной поверхности, которое описывает модель климата, и позволяет оценить его изменения в будущем. Турбулентные потоки "парниковых газов" - метана и углекислого газа исходящие от земной поверхности в атмосферу чрезвычайно важны для оценок их накопления в атмосфере и прогноза глобального изменения климата. Турбулентность в пограничном слое атмосферы играет важную роль и в локальных метеорологических и гидрологических процессах и ее изучение необходимо для оценки региональных водных ресурсов и особенностей местного климата. При этом важны как локальные характеристики потоков, их пространственное распределение, так и их пространственно осредненные значения, поскольку теплофизические параметры земной поверхности крайне неоднородны.
Важной задачей на пути изучения атмосферной турбулентности и турбулентных потоков является создание эмпирических или полуэмпирических моделей атмосферного пограничного слоя, позволяющих по начальным или приземным данным предсказать развитие ПСА и оценить возникающие при этом потоки.
Сбор экспериментальных данных о турбулентности и турбулентных потоках в приземном и пограничном слоях атмосферы стал в последние годы элементом многих научных проектов. В последние два десятилетия были осуществлены несколько крупных международных экспериментов по изучению пограничного слоя атмосферы в различных географических регионах. Эти эксперименты носили комплексный характер, т.е. исследовалась как атмосфера, так и земная поверхность и для измерений привлекались самые различные средства - наземные и спутниковые наблюдения, радиозондирование, дистанционные измерители. Важной составной частью этих экспериментов были измерения, проведенные с бортов специально оборудованных самолетов-лабораторий. В числе наиболее значительных экспериментов можно выделить следующие.-Эксперимент FIFE (First International Satellite Land Surface Climatology Project Field Experiment) проведенный в США (центральный Канзас) в 1987-89 гг. (Sellers et al., 1988; Betts et al, 1990; Seilers et al., 1992);-Эксперимент BOREAS (Boreal Ecosystem-Atmosphere Study) осуществленный на севере Канады в 1994 г. (Spyers-Duran and Schanot, 1995);-Эксперимент NOPEX (Northern hemisphere climate Processes land-surface Experiment) проведенный в 1994 на западе Швеции (Samuelsson. and Tjernstrom, 1999a)-Эксперимент BALTEX (Baltic Sea Experiment), проводившийся в течение нескольких лет в бассейне балтийского моря (Baltic Sea Experiment BALTEX, 1995; Muller et al., 1995);-Эксперимент LITFASS (Lindenberg Inhomogeneous Terrain - Fluxes between Atmosphere and Surface: a long-term Study), являвшейся ядром эксперимента BALTEX и осуществленный в 1996 - 1998 гг. в окрестностях обсерватории г. Лиденберг в Германии (Foken et al., 1997; Foken, 2000);-Эксперимент HAPEX-MOBILHY, осуществленный на юге Франции (André etal., 1986);-Эксперимент GAME (GEWEX Asian Monsoon Experiment), проводившийся в нескольких регионах на востоке азиатского континента в 1996 - 2001 гг. (Ohata, 1997; Ohata and Fukushima, 2001).
Результаты экспериментов нашли свое отражение в многочисленных публикациях и позволили существенно продвинуться в понимании процессов обмена в пограничном слое атмосферы. Тем не менее, сильная региональная и локальная изменчивость структуры подстилающей поверхности, большой диапазон масштабов воздушных потоков и разнообразие типов и размеров неоднородностей на подстилающей поверхности не позволили в полной мере решить проблемы, связанные с неоднородной структурой пограничного слоя.
Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО) в течение многих лет проводила самолетные эксперименты, аналогичные упомянутым выше, (Постнов и др., 1988; Дмитриев и др., 1992b; Струнин и др., 1997; Franke et al., 1997; Hiyama et al., 2003), в которых автору удалось собрать обширный экспериментальный материал. Настоящая диссертация основана на этом материале и посвящена попыткам восполнить имеющиеся пробелы в исследованиях неоднородного пограничного слоя атмосферы. Результаты исследований относились, прежде всего, к внешней части пограничного слоя атмосферы (слоя перемешивания и слоя инверсии). Отдельно в диссертации рассматриваются результаты исследования турбулентности в облаках различных форм.
Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Струнин, Михаил Александрович
6.4. Основные результаты исследований КПС, развивающегося над термически неоднородной поверхностью
Резюмируя результаты комплексного эксперимента, проведенного в период с 24 апреля по 19 июля 2000 г. в пограничном слое атмосферы над рекой Леной и ее долиной в окрестности г. Якутска в рамках международного проекта ОАМЕ-БЛепа можно выделить следующее.
-Согласно полученным данным подстилающая поверхность в районе исследований имела термически неоднородную структуру, а пограничный слой атмосферы во все дни наблюдений развивался как КПС.
-Проведены оценки средних по площади величин турбулентных потоков явного и скрытого тепла, скорости трения над термически неоднородной поверхностью, сезонных изменения интенсивности потоков и их пространственных распределений.
-В ходе исследований обнаружены две особенности развития КПС, возникавшие при существовании на подстилающей поверхности пятна термической неоднородности с мезомасштабными горизонтальными размерами. Это мезомасштабный термический внутренний пограничный слой (МТВПС) и локальная бризовая циркуляция (ЛЦ). Причиной их возникновения была зона устойчивости над относительно холодной водной поверхностью на фоне общей сильной неустойчивости слоя. В отличие от обычного внутреннего пограничного слоя развитие МТВПС приводило к радикальному изменению вертикальной структуры потоков тепла и водяного пара во всей толще КПС, вплоть до его верхней границы. ЛЦ изменяла структуру горизонтальной адвекции и выражалась в искажении скорости и направления основного, доминирующего потока и появлении зон обратного тока. Показано, что для возникновения и развития МТВПС было необходимо и достаточно одновременного выполнения двух условий:
-наличия на подстилающей поверхности холодного пятна неоднородности (при контрасте температуры с окружающей местностью 15 °С и более) с горизонтальными размерами не менее 10 км;
-существования термодинамической неустойчивости в КПС, превышающей некоторый предел, который мог быть оценен с помощью и в параметра Рх = -í-^.
Hva
Предложен параметр для оценки возможности развития МТВПС: и 0 z•
Psl = CsL * ""—'—. Развитие МТВПС наблюдалось при PsL< 1, а значения
HvO Lhelero
PsL> 1 указывали на то, что мезомасштабный внутренний слой не появлялся.
-Показано, что возникновение вихря ЛЦ происходило при ветровых условиях, близких к штилевым (при составляющей скорости ветра, нормальной к кромке пятна неоднородности менее 2 м/с), и при высокой степени термического контраста (10 - 15 °С) между берегами и водной поверхностью реки. Оценка чисел Фруда выявила термическую причину возникновения ЛЦ. Предложен параметр для идентификации и в возникновения ЛЦ: Рс=0,4—Вихрь ЛЦ появлялся только при w,ATs величинах Рс заметно меньших 1, при Рс >1 развитие ЛЦ не наблюдалось. Во всех случаях вихрь ЛЦ располагался над наветренным берегом реки. Показано, что известный эффект дисбаланса энергии в пограничном слое, выражавшийся в недооценке величин потоков по наземным измерениям, в ряде случаев определялся влиянием ЛЦ, которая вызывала перераспределение потоков внутри пограничного слоя за счет локальной горизонтальной адвекции тепла и водяного пара.
-Проведена оценка возможности использования метода мозаичного приближения для параметризации турбулентности и турбулентных потоков в мезомасштабно-неоднородном КПС.
-Предложен новый метод моделирования (метод раздельной параметризации) для конвективного пограничного слоя, развивавшегося в условиях мезомасштабной неоднородности, когда ни одна из известных моделей параметризации не могла быть применена. Суть метода заключалась в разделении воздушных движений с помощью вейвлет-преобразования на турбулентную (с масштабами вихрей от 20 м до приблизительно 2 км) и мезомасштабную (с масштабами вихрей от 2 до 20 км) составляющие и их последующем независимом анализе. В результате применения метода получены модели подобия для турбулентных и мезомасштабных составляющих потоков и показано, что:
-Турбулентные и мезомасштабные движения в конвективном пограничном слое подчинялись различным моделям подобия;
-Нормированные вертикальные профили всех параметров (потоков субстанций, вариаций, степени анизотропии и когерентности) в мезомасштабном диапазоне вихрей имели явно выраженную особенность (перегиб профиля) на одной и той же относительной высоте равной 0,55.
-Вновь полученные модели подобия для потоков тепла и водяного пара в турбулентном диапазоне масштабов существенно отличалась от общепринятых;
-Общепринятые модели подобия описывали не только турбулентные, но и частично мезомасштабные движения.
-Проведено исследование сезонных вариаций потоков различных субстанций отдельно для турбулентной и мезомасштабной частей спектра пульсаций. Отмечено ослабление (по грубой оценке в 1,5 раза) средних по региону потоков тепла и импульса в дни с развитием МТВПС и ЛЦ. Выявлен особый характер сезонных изменений потоков углекислого газа. Турбулентные потоки углекислого газа заметно превосходили мезомасштабные и изменялись за время наблюдений в широких пределах -от восходящих в период схода снежного покрова до нисходящих в летний период. Мезомасштабная часть потоков всегда была нисходящей и мало менялась в течение всего периода наблюдений.
ГЛАВА 7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные научные результаты и новизна исследований
В результате исследований получены фактические данные о турбулентности и турбулентном обмене над различными типами поверхности в Европейской части России, центральной Германии, Западной и Восточной Сибири, Арктическом регионе и Охотским морем. Оценены временной ход интенсивности турбулентных потоков тепла, водяного пара, углекислого газа и метана и их пространственная изменчивость. Выявлены особенности развития термического внутреннего пограничного слоя над морской поверхностью с перемежающимися теплофизическими свойствами и обнаружено развитие прерывистого пограничного слоя, когда устойчивые слои чередовались с конвективными пограничными слоями.
Выявлены две особенности развития конвективного пограничного слоя над поверхностью с термическими неоднородностями мезомасштабных размеров. Обнаружено и представлено в явном виде развитие мезомасштабного термического внутреннего пограничного слоя, который возникал при сильной неустойчивости слоя и наличии на поверхности холодного пятна с горизонтальными размерами более 10 км, распространялся на всю толщину конвективного пограничного слоя и радикально менял его структуру. Выявлена структура локальной бризовой циркуляции, возникавшей в результате воздействия холодного пятна на поверхности, имевшего мезомасштабные (10 - 15 км) горизонтальные размеры. Показано, что локальная циркуляция приводила к существенному перераспределению потоков внутри пограничного слоя. Определены условия возникновения и развития мезомасштабного термического внутреннего пограничного слоя и локальной бризовой циркуляции и предложены параметры для их идентификации.
Выявлены условия использования известных моделей подобия однородного пограничного слоя для описания турбулентности и турбулентных потоков над поверхностью с перемежающейся шероховатостью и в мезомасштабно-неоднородном конвективном пограничном слое.
Разработан метод параметризации, основанный разделении воздушных движений в пограничном слое на турбулентную и мезомасштабную составляющие. В результате применения метода получены новые модели подобия для конвективного пограничного слоя, развивавшегося в условиях мезомасштабной неоднородности, когда ни одна из известных моделей параметризации не могла быть применена.
Практическое значение результатов
Фактические данные о турбулентности и турбулентных потоках могут быть использованы для оценок переноса различных субстанций через пограничный слой атмосферы и построения моделей региональной и общей циркуляции атмосферы. Данные о турбулентности в облаках различных форм необходимы для разработки моделей развития облаков и создания методов активных воздействий на них. Данные о турбулентности в облаках вошли в справочные издания по облачной атмосфере (Облака и облачная атмосфера, справочник, 1989) и атмосфере (Атмосфера, справочник, 1991).
Результаты исследований прерывистого термического внутреннего пограничного слоя могут быть использованы для оценок интенсивности ливневых осадков, возникающих при движениях холодных воздушных масс с суши на относительно теплую поверхность моря.
Возникновение мезомасштабного термического внутреннего пограничного слоя и локальной бризовой циркуляции должно учитываться при расчетах энергетического баланса и баланса водяного пара в пограничном слое атмосферы. Кроме того, результаты исследований структуры мезомасштабного слоя и локальной циркуляции и условий их образования носят фундаментальный характер и восполняют имеющийся пробел в теории неоднородного пограничного слоя атмосферы.
Вновь предложенный метод раздельной параметризации может быть применен для прогноза интенсивности потоков различных субстанций в неоднородном пограничном слое.
На защиту выносятся:
-Характеристики турбулентных потоков различных субстанций в пограничном слое атмосферы, их пространственные распределения, временные и сезонные вариации;
-Выявленные автором условия появления и развития в конвективном пограничном слое атмосферы мезомасштабного термического внутреннего пограничного слоя и локальной бризовой циркуляции; -Разработанный автором метод раздельной параметризации потоков в мезомасштабно-неоднородном конвективном пограничном слое атмосферы;
-Созданные автором модели подобия для турбулентных и мезомасштабных воздушных движений в конвективном пограничном слое атмосферы.
Публикации
По теме данной диссертационной работы опубликовано 56 научных работ (51 публикация - в соавторстве с другими исследователями), из них 27 - в рецензируемых журналах. Результаты диссертации изложены в публикациях в отечественных журналах: "Известия АН СССР" и "Известия РАН", серия "Физика атмосферы и океана", "Метеорология и Гидрология", "Метрология", в международных журналах "Boundary-Layer Meteorology", "Atmospheric Research", "Hydrological Processes", в трудах ЦАО и тематических сборниках. Кроме того, результаты работы публиковались в ведомственных изданиях Германии и Японии (на английском языке).
Созданные приборы для измерения турбулентности с борта самолета защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретения (в соавторстве с В.К. Дмитриевым, Г.Н. Шуром, Н.Е. Беляковым и В.М. Востренковым), аппаратура для измерения пульсаций скорости ветра и температуры получила серебряную медаль ВДНК.
Автором написана и сдана в печать глава монографии "Тепловлагообмен в мерзлотных ландшафтах Восточной Сибири", представляющая основные результаты диссертации: 'Турбулентный энерго- и влагообмен в пограничном слое атмосферы (ПСА) над термически неоднородной поверхностью (над долиной реки Лены в районе г. Якутска)'.
Полный перечень работ автора приведен в списке литературы и в автореферате диссертации.
Апробация работы
Основное содержание диссертационной работы представлено на национальных и международных конференциях и рабочих совещаниях: Всесоюзном совещании "Технические средства для государственной системы контроля природной среды", Обнинск, 1981 г.; Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии и прикладной авиационной климатологии, Москва, 1982 г.; 9-ой международной конференции по физике облаков, Таллинн, 1984 г.; III Всесоюзном совещании по теоретической метрологии, Ленинград. 1986; Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии, Москва, 1986 г.; на Международном симпозиуме по циркуляции атмосферных парниковых газов, г. Сендай, Япония, 1994 г., Конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды, г. Кучино, Моск. Обл., 1996 г.; 2-ом Международном совещании по циркуляции энергии и воды в Сибири по результатам эксперимента GAME, Москва, 1997 г.; 23-ей Генеральной ассамблеи Европейского Геофизического Союза, Ницца, Франция, 1998 г.; 4-ой Международной конференции по проекту GEWEX, Париж, Франция, 2001 г.; 5-ой Международной конференции по проекту GEWEX в Азии, Нагоя, Япония, 2001 г.; Международном рабочем совещании экспертов EUFAR по облакам, мелкомасштабной турбулентности и возмущениям воздушного потока, Капуа, Италия, 2002 г.; 6-ой Международной конференции по проекту GEWEX в Азии и проекту GAME, Киото, Япония, 2004 г.
Личный вклад автора
Настоящая диссертационная работа подготовлена по результатам выполнения открытых тем Росгидромета в 1978 - 1991 гг., а также по данным, полученным в ряде международных проектов в 1993 - 2000 гг.: по изучению арктической дымки "Arctic Haze" в 1993 г., по изучению распределения парниковых газов в Западной Сибири в 1993 - 1994 гг., по исследованию пограничного слоя над неоднородной поверхностью в Германии LITFASS (BALTEX) в 1997 - 1998 гг., по исследованию образования и схода морского льда на Охотском море (проект CREST) в 2000 г., комплексного эксперимента в Якутии в рамках проекта GAME-Siberia в 2000 г. Естественно, что в сложных и трудоемких самолетных экспериментах принимало большое количество сотрудников различных научно-исследовательских учреждений России (СССР) и зарубежных стран, а также экипажи самолетов-лабораторий.
Личный вклад автора заключался в следующем.
Автор совместно с В.К. Дмитриевым и Г.Н. Шуром и при участии Л.С. Сидоряк разрабатывал аппаратуру для измерения и регистрации пульсаций скорости ветра и температуры с борта самолета-лаборатории, а также принимал непосредственное участие в исследованиях погрешностей и частотных характеристик аппаратуры и ее летных испытаниях. Автором была разработана самолетная система сбора данных для персонального компьютера и подготовлен комплекс программ для расчета реализаций пульсаций скорости ветра, температуры и турбулентных потоков различных субстанций.
Весь экспериментальный материал, использованный в данной диссертации (за исключением данных, полученных немецкими исследователями в полетах в районе обсерватории г. Линденберг), был собран при непосредственном участии автора, принимавшего участие в полетах сначала в качестве бортоператора, а затем и научного руководителя исследований. Автор осуществлял организацию исследовательских полетов в рамках проектов CREST над Охотским морем и GAME-Siberia в районе г. Якутска в 2000 г. Разработка методики самолетных исследований в этих проектах проводилась автором совместно с профессором Y. Fujiyoshi (университет г. Саппоро, Япония) и доцентом Т. Hiyama (университет г. Нагоя, Япония).
Для обработки данных о турбулентности в облаках использовался комплекс программ, разработанный В.М. Ермаковым для ЭВМ семейства
ЕС. Впоследствии автором был создан комплекс программ для расчетов параметров турбулентности в пограничном слое атмосферы и анализа получаемых данных на базе алгоритмических языков CLIPPER и PASCAL для персональных компьютеров. Обработка данных о турбулентности и турбулентных потоках в пограничном слое атмосферы была полностью выполнена автором. Автором выполнен весь комплекс работ по обработке и анализу данных, полученных немецкими исследователями с бортов самолетов-лабораторий DO-128, FALCON и комплекса вертолетной аппаратуры HELIPOD во время эксперимента LITFASS в Германии.
Обсуждение полученных данных, а также подготовка ряда статей и докладов осуществлялась автором совместно с сотрудниками различных институтов и университетов: С.М. Шметером, A.A. Постновым, М.Ю. Мезриным, Г.Н. Шуром (Центральная аэрологическая обсерватория, Россия); Т. Foken (университет г. Байрота, Германия); С. Wode и J. Bange (университет г. Ганновера, Германия); F. Beyrich (обсерватория г. Линденберга, Германия); Т. Hiyama (университет г. Нагоя, Япония), Т Ohata (университет г. Саппоро, Япония), J. Asanuma (университет г. Цукуба, Япония).
Глава монографии "Тепловлагообмен в мерзлотных ландшафтах Восточной Сибири" посвященная турбулентному энерго- и влагообмену в пограничном слое атмосферы была полностью подготовлена автором.
Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Струнин, Михаил Александрович, Москва
1. Абрамович Г.Н., 1969: Прикладная газовая динамика, М., "Наука", 824 с.
2. Алисов Б.П., Дроздов О.А., Рубинштейн Е.С., 1952: Курс климатологии, под ред. Е.С. Рубинштейн, JL, Гидрометеоиздат, ч. I и II, 487 с.
3. Антонова Г.И., Дмитриева Н.Е., Ермаков В.М., Силаева В.И., Струнин М.А., Фадеева Г.В.: 1991, 'Архив данных о турбулентности в облачной атмосфере по результатам самолетного зондирования', Труды ЦАО, 175, 40-51.
4. Антонова Г.И., Ермаков В.М., Шметер С.М., 1991: 'Численная модель для оценки влияния мезомасштабных неоднородностей подстилающей поверхности на атмосферу', Труды ЦАО, вып. 178, 21 37.
5. Атмосфера, справочник, 1991, под ред. Ю.С Седунова, С.И Авдюшина, Е.П. Борисенкова, О.А. Волковицкого, Н.Н. Петрова, Р.Г. Рейтенбаха, В.И Смирнова, А.А. Черникова, JL, Гидрометеоиздат, 509 с.
6. Атмосферная турбулентность и распространения примесей, 1985, под ред. Ф.Т.М. Ньистадта и X. Ван Допа, JL, Гидрометеоиздат, 351 с.
7. Беляков Н.Е., Востренков В.М., Струнин М.А.: 1987, 'Устройство для измерения скорости вертикальных потоков с борта самолета в горизонтальном полете', Авт. св. СССР, №1362272, от 22.08.87.
8. Бехтир П.Т., Бехтир В.П., 1977: Практическая аэродинамика самолета ИЛ-18, М., Машиностроение, 153 с.
9. Большеверов В.И., Воронов В.П., 1968: 'Акустический флюгер', Изв. АН СССР, сер географическая, 6, 882-885.
10. Большеверов В.И., Копров Б.М., Мордухович М.И, 1983: 'О трехкомпонентном акустическом анемометре', Изв. АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 9, 4, 434-437.
11. Браславский Д.А., Логунов С.С., Пельпор Д.С., 1964: Авиационные приборы, М., "Машиностроение", 740 с.
12. Вызова H.JL, 1978: 'Характеристики устойчивого пограничного слоя атмосферы по измерениям на высотной мачте', Метеорология и Гидрология, 5, 41 48.
13. Вызова H.JI., Иванов В.Н., Гаргер Е.К., 1989: Турбулентность атмосферы в пограничном слое, JL, Гидрометеоиздат, 264 с.
14. Вайну Я., Вайну Я.-Ф., 1977: Корреляция рядов динамики, М., Статистика, 119 с
15. Вентцель Е.С., 1969: Теория вероятностей, М., "Наука", 576 с.
16. Волков В.В., Олеников Г.В., Шур Г.Н., 2003: 'Измерительно-вычислительный комплекс для самолетов-лабораторий на базе встроенных в персональный компьютер измерительных систем', Метеорология и Гидрология, 9, 95 102.
17. Воронцов П.А., 1966: Турбулентность и вертикальные токи в пограничном слое атмосферы, JL, Гидрометеоиздат, 296 с.
18. Винниченко Н.К., 1964: 'Опыт применения термоанемометра на самолете', Труды ЦАО, 54, 85 99.
19. Винниченко Н.К., Пинус Н.З., Шметер С.М., Шур Г.Н., 1976: Турбулентность в свободной атмосфере, Д., Гидрометеоиздат, изд. 2-е, 288 с.
20. Гутман JI.H., 1969: Введение в нелинейную теорию мезометеорологических процессов, Д., Гидрометеорологическое издательство, 295 с.
21. Дженкинс Г. и Ватте Д., 1971: Спектральный анализ и его приложения, пер. с англ., вып. 1, М., "Мир", 316 с.
22. Дженкинс Г. и Ватте Д., 1972: Спектральный анализ и его приложения, пер. с англ., вып. 2, М., "Мир", 287 с.
23. Дмитриев В.К. и Струнин М.А., 1983: 'Самолетные измерители пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра', Труды ЦАО, 147, 39-51.
24. Дмитриев В.К. и Струнин М.А., 1985: 'Система введения взаимных поправок для самолетных измерителей скорости и температуры воздушных потоков', Труды ЦАО, 158,104- 112.
25. Дмитриев В.К., Струнин М.А., Шур Г.Н.: 1986а, 'Устройство для измерения скорости и температуры воздушного потока с борта самолета', Авт. св. СССР, №1296948 от 15.11.86.
26. Дмитриев В.К., Струнин М.А., Шур Г.Н., 1986с: 'О достоверности самолетных измерений параметров турбулентности в области масштабов, сравнимых с размерами самолета', Тезисы докладов на Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии, Москва, 88.
27. Дмитриев В.К., Сидоряк JI.C., Струнин М.А., Шур Г.Н.: 1987а, 'Самолетный измеритель истинных значений скорости и температуры и их пульсаций', Проспект ВДНХ, Москва, 5 с.
28. Дмитриев В.К., Струнин М.А., Шур Г.Н., 1987b: 'Определение постоянных времени самолетных датчиков температуры и компонент скорости ветра\ Метрология, 8, 38 -42.
29. Дмитриев В.К., Сидоряк JI.C., Струнин М.А., Фадеева Г.В., Шур Г.Н., 1992а: 'Сравнение характеристик атмосферной турбулентности, измеренных с помощью самолета-лаборатории и высотной метеорологической мачты', Труды ЦАО, 180,118 129.
30. Дмитриев В.К., Сидоряк JI.C., Струнин М.А, Фадеева Г.В., Шур Г.Н., 1992b: 'Экспериментальные исследования соотношения между компонентами пульсаций скорости ветра в поле атмосферной турбулентности', Труды ЦАО, 180,102 117.
31. Дмитриева Н.Е., Ермаков В.М., Силаева В.И., Струнин М.А., Шметер С.М.: 1987, 'Статистические характеристики турбулентности в облаках различных форм', Труды ЦАО, 163, 3 -15.
32. Дубов A.C., 1959: 'Определение коэффициента турбулентного обмена по ускорению самолета', Труды ГГО, 98, 54 67.
33. Ермаков В.М., Силаева В.И., Струнин М.А., Шметер С.М., 1984: 'Атмосферная турбулентность во фронтальных облаках', Метеорология и гидрология, 9, 32 39.
34. Копров В.М., Цванг JI.P., 1965: 'Прямые измерения турбулентного потока тепла с борта самолета', Изв. АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1, 6, 643 648.
35. Котик М.Г., Павлов A.B., Пашковский И.М., Сардановский Ю.С., Щитаев Н.Г., 1968: Летные испытания самолетов, М., "Машиностроение", 380 с.
36. Кофи С.Дж., 1985: 'Экспериментальные данные о пограничном слое атмосферы', в кн. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей, под ред. Ф.Т.М. Ньистадта и X. Ван Допа, Л., Гидрометеоиздат, 126 172.
37. Кучевые облака и связанная с ними деформация полей метеоэлементов, 1977: Под ред. И.П. Мазина и С.М. Шметера, Труды ЦАО, 134, 128 с.
38. Лайхтман Д.Л., 1970: Физика пограничного слоя атмосферы, Л., Гидрометеоиздат, 2-е изд., 342 с.
39. Ламли Дж.Л., Пановский Г.А., 1966: Структура атмосферной турбулентности, М., "Мир", 264 с.
40. Лужин В.И., 1977: 'Дискретные преобразования временных рядов', Труды ЦАО, 125, 108- 120.
41. Ляпин Е.С., 1948: 'О турбулентном перемешивании воздуха в атмосфере', Метеорология и Гидрология, 5, 13 23.
42. Мазин И.П., Силаева В.И., Струнин М.А., 1984: 'Турбулентные пульсации горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра в облаках различных форм', Изв. АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 20, 1, 10-18.
43. Мазин И.П., Шметер С.М., 1983: Облака. Строение и физика образования. Л., Гидрометеоиздат, 280 с.
44. Мазин И.П. и Струнин М.А.: 1990, 'Пространственная структура неоднородностей турбулентности в облачной атмосфере', Сб. "Вопросы атмосферного электричества" памяти КМ. Имянитова, Л., Гидрометеоиздат, 103 -110.
45. Матвеев Л.Т., 1981 -.Динамика облаков, Л., Гидрометеоиздат, 311с.
46. Мезрин М.Ю., Минервин В.Е., Сергеев Б.Н., 1983: 'Поле абсолютной влажности во фронтальных зонах', Доклады АН СССР, 270,4, 848 193.
47. Мезрин М.Ю. и Миронова Г.В., 1991: 'Некоторые результаты исследования влажности воздуха в слоистых облаках', Труды ЦАО, 178,125 132.
48. Мельничук Ю.В., Невзоров А.Н. и Шур Г.Н., 1980: 'Исследования атмосферы с помощью самолетов-лабораторий', Метеорология и Гидрология, 2,112 -119.
49. Монин A.C., Обухов A.M., 1954: 'Основные закономерности перемешивания в приземном слое атмосферы', Труды Ин-та Теор. Геофиз. АН СССР, 24(151), 163 -187.
50. Монин A.C., Яглом A.M., 1965: Статистическая гидромеханика, М., "Наука", т. 1, 639 с.
51. Монин A.C., Яглом A.M., 1967: Статистическая гидромеханика, М., "Наука", т. 2, 720 с.
52. Облака и облачная атмосфера, справочник, 1989, под ред. И.П. Мазина и А.Х. Хргиана, Л., Гидрометеоиздат, 647 с.
53. Обухов A.M., 1946: 'Турбулентность в термически неоднородной атмосфере', Труды Ин-та Теор. Геофиз. АН СССР, 1, 95 115.
54. Обухов A.M., 1988: Турбулентность и динамика атмосферы, Л., Гидрометеоиздат, 413 с.
55. Орленко Л.Р., 1979: Строение планетарного пограничного слоя атмосферы, Л., Гидрометеоиздат, 270 с.
56. Панчев С., 1967: Случайные функции и турбулентность, Л., Гидрометеоиздат, 447 с.
57. Пахомов Л.А., 1962: 'Самолетная аппаратура для измерения вектора ветра', Труды ЦАО, 41, 62-71.
58. Пахомов Л.А., 1964: 'Способ измерения вертикальной скорости самолета во всем спектре частот ее изменения', Труды ЦАО, 56, 3 17.
59. Петрова Л.И., 1974: 'Турбулентные потоки тепла и количества движения в нижнем 300-метровом слое атмосферы при конвекции', Труды ИЭМ, 6(44), 57 68.
60. Петунин А.Н., 1972: Методы и техника измерений параметров газового потока, М., "Машиностроение", ч. I, 322 с.
61. Петунин А.Н., 1974: Методы и техника измерений параметров газового потока, М., "Машиностроение", ч., П, 260 с.
62. Постнов A.A., Стулов Е.А., Кавченко Е.Г., 1988: 'Об "островах" тепла и холода в атмосферном пограничном слое', Метеорология и Гидрология, 4, 66 74.
63. Силаева В.И., Струнин М.А.: 1982, 'Самолетные исследования турбулентности в облаках различных форм', Тезисы докладов на Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии и прикладной авиационной климатологии, Москва, ВДНХ, 96.
64. Силаева В.И. и Струнин М.А., 1986: 'Турбулентность в окрестности облаков некоторых форм и безоблачном пространстве', Метеорология и гидрология, 2, 22 27.
65. Скорер Р., 1980: Аэродинамика окружающей среды, М., "Мир", 549 с.
66. Струнин М.А., 1983: 'Самолетный пневмоанемометр для измерения пульсаций горизонтальной компоненты скорости ветра', Труды ЦАО, 147, 26 38.
67. Струнин М.А., 1984: 'Экспериментальные исследования турбулентности во фронтальных облаках', Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук, Долгопрудный, 134 с.
68. Струнин М.А., 1990: 'Об анизотропии пульсаций скорости ветра в облачной атмосфере', Метеорология и гидрология, 6, 37 44.
69. Струнин М.А: 1992, 'Некоторые особенности турбулентного режима облачной атмосферы над Болгарией (район г. Пловдива)', Труды ЦАО, 180, 3-21.
70. Струнин М.А, Шметер С.М., 1994: 'Коэффициент атмосферной турбулентности и экспериментальные методы его определения', Метеорология и гидрология, 5, 10 -19.
71. Струнин М.А, Шметер С.М., 1996а: 'Определение коэффициента турбулентного перемешивания в атмосфере по данным измерений с борта самолета', Изв. РАН, сер. Физика атмосферы и океана, 32, №1, 35-41.
72. Струнин М.А., Постнов А.А., Мезрин М.Ю., 1997: 'Пространственно-временная изменчивость турбулентных потоков тепла и водяного пара в пограничном слое атмосферы', Метеорология и гидрология, 6, 51 62.
73. Струнин М.А., Шметер С.М., 1998: 'Особенности структуры и энергетики турбулентности в нижней тропосфере', Метеорология и Гидрология, 10, 18 28.
74. Струнин М.А., Хияма Т.: 2005а: 'Самолетные исследования атмосферного пограничного слоя над долиной реки Лены в районе г. Якутска. Часть I. Мезомасштабная структура', Изв. РАН, сер. Физика атмосферы и океана, 41, 2, 178 200.
75. Струнин М.А., Хияма T.: 2005b: 'Самолетные исследования атмосферного пограничного слоя над долиной реки Лены в районе г. Якутска. Часть П. Спектральная структура', Изв. РАН, сер. Физика атмосферы и океана, 41, 3, 378 -398.
76. Хргиан А.Х., 1978: Физика атмосферы, Л., Гидрометеоиздат, т. 1, 247 е., т. 2, 319 с.
77. Центральная гировертикаль ЦГВ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1964: М., Оборонгиз, 188 с.
78. Шметер С.М, 1991: 'Турбулентность в атмосфере'./ В справочнике Атмосфера, под ред. Ю.С Седунова, С.И Авдюшина, Е.П. Борисенкова, О.А. Волковицкого, Н.Н. Петрова, Р.Г. Рейтенбаха, В.И Смирнова, А.А. Черникова, Л., Гидрометеоиздат, 509 с.
79. Яглом А.М., 1981: Корреляционная теория стационарных случайных процессов, Л., Гидрометеоиздат, 279 с.
80. Albertson J.D, Parlange М.В., 1999а: 'Surface length scales and shear stress: implication for land-atmosphere interaction over complex terrain', Water Resources Research, 35, 7, 2121-2132.
81. Albertson J.D, Parlange M.B., 1999b: 'Natural intégration of scalar fluxes firom complex terrain', Advances in Water Resources, 23, 239 252.
82. André J.C., Bougeault P., Goutorbe J.P., 1990: 'Regional estimates of heat and evaporation fluxes over non-homogeneous terrain, examples from the HAPEX-MOBILHY program', Boundary-Layer Meteorol., 50, 77 108.
83. André J.C., Goutorbe J.P., and Perrier A, 1986: 'HAPEX-MOBILHY: A hydrologie atmospheric experiment for the study of water budget and evaporation flux at the climate scale', Bull. Am. Met. Soc., 67, 138 144.
84. André J.C. and Mahrt L., 1982: 'The nocturnal surface inversion and influence of clear-air radiation cooling', J. Atmos. Sci., 39, 864 878.
85. Anthes R.A., 1978: 'The height of the PBL and the production of circulation in a sea breeze model', J. Atmos. Sci., 35, 1231 1239.
86. Arritt R., 1987: 'The effect of water surface temperature on lake breezes and thermal internal boundary layers', Boundary-Layer Meteorol., 40, 101 125.
87. Attie J-L., Durand P., 2003: 'Conditional wavelet technique applied to aircraft data measured in thermal internal boundary layer during sea-breeze events', Boundary-Layer Meteorol., 106, 359 382.
88. Axford D.H., 1968: 'On the accuracy of wind measurements using an inertial platform in an aircraft and example of a measurement of the vertical mesostructure of the atmosphere', J. App. Meteorol., 7, 645 666.
89. Avissar R. and Pielke R.A., 1989: 'A parameterization of heterogeneous land surfaces for atmospheric numerical models and its impact on regional meteorology', Mon. Wea. Rev., 117, 2113 2136.
90. Baltic Sea Experiment BALTEX, Initial Implementation Plan, 1995, International BALTEX Secretariat, Publication No 2, March 1995.
91. Bange J. and Roth R., 1999: 'Helicopter-borne flux measurements in the nocturnal boundary layer over land a case study', Bondary-Layer Meteorol., 92, 295 - 325.
92. Bange J., Beyrich F. and Engelbart D., 2002: 'Airborne measurements of turbulent fluxes during LITFASS-98: A case study about method and significance', Theoret. Appl. Climat., 73, 35 51.
93. Barr A.G., A.K. Betts, R.L. Desjard in, J.I. MacPherson, 1997: 'Comparison of regional surface fluxes from boundary layer budgets and aircraft measurements above boreal forest', J. Geophys. Res., 102, 29213 29218.
94. Benedict RP, 1969: Fundamentals of Temperature, Pressure and Flow Measurements. John Wiley & Sons, Inc., New York, 353 p.
95. Betts A.K., Desjardins R.L., MacPherson J.I., Kelly R.D., 1990: 'Boundary-layer heat and moisture budget from FIFE', Boundary-Layer Meteorology, 50, 109 137.
96. Betts A.K., Desjardins R., MacPherson J., 1992: 'Budget analysis of the boundary layer grid flights during FIFE 1987', J. Geophys. Res., 97 (D17 FIFE Special Issue.), 18533 -18546.
97. Beyrich F., D. Engelbart, Th. Foken, J. Neisser, M. S. Strounin, C. Wode: 1998: 'Das LITFASS Projekt des Deutschen Wetterdienstes: Strategic und Ergebnisse', Ann. Meteorol., 37 (1998) 1, 235 - 236.
98. Blanchard R.L., 1971: 'A new algorithm for computing inertial altitude and vertical velocity', IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., AES-7, 1143 1146.
99. Bogel W., Baumann R., 1991: 'Test and calibration of the DLR Falcon wind measuring system by maneuvers', J. Atm. Ocean. Technol., 8, 5 18.
100. Bradley E. F., 1968: 'A micrometeorological study of velocity profiles and surface drag in the region modified by change in surface roughness', Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 94, 361 -379.
101. Brinkmann J., 1999: ' Instrumentation of the Do 128 D-IBUF for airborne measurements', In: SFB 233 Abschlushband, Mainz.
102. Britting K. R., 1971: Inertial navigation system analysis, Willey-Interscience, 249 pp.
103. Brown E.N., Friehe C.A., Lenschow D.H., 1983: 'The use of pressure fluctuations on the nose of an aircraft for measuring air motion', J. Climate Appl. Meteorol., 22, 171 180.
104. Brunei Y. and Collineau S., 1994: 'Wavelet analysis of diurnal and nocturnal turbulence above a maize crop', In: Wavelet in Geophysics, Academic Press Inc., San Diego, New York, Boston, London, Sydney, Tokyo, Toronto, 129 150.
105. Brutsaert W.H., 1982: Evaporation into the Atmosphere, D. Reidel, Dordrecht, 299 p.
106. Buck A.L., 1976: 'The variable-path Lyman-alpha hygrometer and its operating characteristics', Bull. Am. Meterol. Soc., 57, 1113 1118.
107. Burns A., 1964: Tower spectra of low level atmospheric turbulence measured from aircraft', Br. Aero. Res. Con., 733, 111 p.
108. Businger, J.A. and Oncley S.P., 1990: 'Flux measurements with conditional sampling', J. Atmos. Oceanic TechnoL, 7, 349 352.
109. Cambridge System, Inc. Model 137-C3, Aircraft Hygrometer. Instruction Manual, Newton, Massachusetts 02158.
110. Carpenter R.L.Jr. and Droegemeier K.K., 1998: 'Entrainment and detainment in numerically simulated cumulus congestus clouds. Part I: General results', J. Atm. Sci., 55, 3417 -3432.
111. Caughey S.J. and Kaimal J.C, 1977: 'Vertical heat flux in the convective boundary layer', Quart. J. Roy. Meterol. Soc., 103, 811 815.
112. Caughey S J. and Palmer S.G., 1979: 'Some aspects of turbulence structure through the depth of the convective boundary layer', Quart. J. Roy. Meterol. Soc., 105, 811 827.
113. Caughey S.J. and Readings C.J., 1975: 'An observation of waves and turbulence in the earth's boundary layer', Boundary-Layer.Meteorol., 9, 279 296.
114. Caughey S.J., Wyngaard J.C and Kaimal J.C., 1979: 'Turbulence in the evolving stable layer', J. Atmos. Sci., 36, 1041 1052.
115. Claussen M., 1990: 'Area-averaged of surface fluxes in a neutrally stratified, horizontally inhomogeneous atmospheric boundary layer', Atmospheric Environment 24a, 1349 -1360.
116. Claussen M., 1995: 'Flux aggregation of large scales: on the limits of validity of the concept of blending height', J. Hydrol., 166, 371 382.
117. Co-operative Program for Monitoring and Evaluation of the Long Range Transmission of Air Pollutants in Europe, 1993: Meteorological Synthesizing Center East. Annual Report of Activity in September 1992 - August, 1993, Moscow, 156 p.
118. Comte-Bellot G, 1976: 'Hot-wire anemotry', Ann. Rev. Fluid. Meek, 8, 209 231.
119. Constantin J., Inclan, M.G. and Raschendorfer M., 1998: 'The energy budget of a spruce forest: field measurements and comparison with the forest-land-atmosphere model (FLAME)', J. Hydrol, 212-213, 22 35.
120. Crawford T.L. and Dobosi R.J., 1992: 'A sensitive fast-response probe to measure turbulence and heat flux from any airplanes', Boundary-Layer Meteorol., 59, 257 278.
121. Crawford T.L., McMillen R.T., Dobosi R.J., MacPherson J.I., 1993: 'Correcting airborne flux measurements for aircraft speed variation', Boundary-Layer Meteorol., 66, 237 245.
122. Crawford T.L. and Dumas E.J., 1996: 'Aircraft wind measurements considering lift-induced upwash', Boundary-Layer Meteorol., 80, 79 94.
123. Daubechies I., 1992: Ten lectures on wavelet. SIAM.
124. Deardorff J.W., 1970a: 'Preliminary Results from Numerical Integrations of the Unstable Planetary Boundary Layer', J. Atmos. Sci., 27, 1209 1211.
125. Deardorff J.W., 1970b: 'Convective Velocity and Temperature Scale for the Unstable Planetary Boundary Layer and for Rayleigh Convection', J. Atmos. Sci., 27, 1212 -1213.
126. Desjardins R.L., 1992: 'A study of carbon dioxide and sensible heat fluxes using the eddy correlation technique', Ph.D. dissertation, Cornell University, 189 p.
127. Desjardins R.L., MacPherson J.I., Schuepp P.H., and Karanja F.: 1989, An evaluation of aircraft flux measurements of CO2, water vapour and sensible heat', Boundary-Layer Meteorol., 47, 55 69.
128. Desjardins R.,L., Hart R., MacPherson J., Schuepp P., Verma S., 1992a: 'Aircraft- and tower-based fluxes of carbon dioxide, latent, and sensible heat', J. Geophys. Res. 97, D17, 18477 18485.
129. Desjardins R.,L., Schuepp P., MacPherson J. and Buckley D.J., 1992b: 'Spatial and temporal variations of the fluxes of carbon dioxide and sensible heat and latent heat over the FIFE site', J. Geophys. Res. 97, D17, 18467 18475.
130. Desjardins R., L., MacPherson J,I., Schuepp P.H., and Hayhoe H., 1994: 'Airborne flux measurements of C02, sensible and latent heat over the Hudson Bay Lowland', J. Geophys. Res. 99, Dl, 1551 -1562.
131. Dobosy R.J., Crawford T.L., MacPherson J.I., Desjardins R.L., Kelly R.D., Oncley S.P. and Lenschow D.H., 1997: 'Intercomparison among four flux aircraft at BOREAS in 1994', J. Geophys. Res, 102, D24, 29101 29111.
132. Druilhet A., Durand P., 1997: 'Experimental investigation of atmospheric boundary layer turbulence', Atmospheric Research, 43, 345 388.
133. Durand P., Briere S. and, Druilhet A., 1989: 'A sea-land transition observed during the COAST Experiment', J. Atmos. Sci., 46, 96 116.
134. Durand P., Thoumeux F., Lambert D., 2000: 'Turbulent length-scales in the marine atmospheric mixed layer', Q. J. R. Meteorol. Soc., 126, 1889 1912.
135. Engelbart D., Steinhagen H., Gorsdorf U., Lippmann J. and Neisser J., 1996: 'A 1290 MHz profiler with RASS for monitoring wind and temperature in the boundary layer', Beitr. Phys. Atmosph., 69, 63 80.
136. Engelbart D., Steinhagen H., Gorsdorf U., Neisser J., Kirtzel H.-J. and Peters G., 1999: 'First results of measurements with a newly designed phased-array Sodar with RASS', Meterol. Atmos. Phys., 71, 71 68.
137. Ermakov V.M., Mazin I.P., Silaeva V.I., Strunin M.A., Shmeter S.M.: 1984, 'Characteristics of turbulence in clouds of different types', Proceedings of the 9th International Cloud Physics Conference, II, 21-28 August, Tallinn, 371 -373.
138. Fedorovich, E. and Mironov, D.: 1995, 'A Model for a Shear-Free Convective Boundary Layer with Parameterized Capping Inversion Structure', J. Atmos. Sci., 1, 83 95.
139. Fedorovich, E., Conzemius R. and Mironov, D.: 2004, 'Convective entrainment into shear-free, lineary stratified atmosphere: Bulk models reevaluated through large eddy simulation', J. Atmos. Sci., 61, 281 295.
140. Ferzinger J.H., 1996: 'Large eddy simulation', in: Simulation and modeling of turbulent flow, ed. T.B. Gatski, M.Y. Hussaini and J.L. Lumley, Oxford Univ. Press, New York, 109 -154.
141. Fimpel, H.P., 1987: 'The DFVLR meteorological research aircraft Falcon E Instrumentation and Examples', Proc. 6th Symp. on Meteorol. Obs. & Instrumentation, New Orleans, La., American Meteorological Society, Boston, Mass.
142. Finnigan J., 1999: 'A comment on the paper by Lee (1998): "On micrometeorological observations of surface-air exchange over tall vegetation'", Agr. For. Meteorol., 97, 55 -64.
143. Flandrin P., 1988: 'Time-frequency and time-scale', Proceedings of IEEE Forth Annual ASSP Workshorp on Spectrum Estimation and Modeling, Minneapolis, Minnesota, 77 80.
144. Foken Th., 1998: LINEX-97-1 Experiment, Deutscher Wetterdienst Forschung und Entwicklung, Arbeitsergebnisse, 58, Offenbach am Main.
145. Foken Th., 2000: LITFASS-98 Experiment 25.5.1998 30.6.1998. Experiment Report, Deutscher Wetterdienst Forschung und Entwicklung, Arbeitsergebnisse, 62, Offenbach am Main, 78.
146. Frech M. and Jochum, A., 1999: 'The evaluation of flux aggregation methods using aircraft measurements in the surface layer', Agric. For. Meteorol., 98-99, 121 143.
147. Friehe C.A.and Khelif D., 1993: 'Fast response aircraft temperature sensors', J. Aim. Ocean. Tech., 9, 784 795.
148. Fuehrer P.L., Friehe C.A and Edwards D.K., 1994: 'Frequency response of a thermistor temperature probe in air', J. Atmos. Oceanic Technol., 11, 476 488.
149. Jaenichke W., Beltz N., Dierssen J.P., Haunold W., Krischke U., Reinecke A., Salkowski T., v. Trumbach J., 1997: ' Measurements on the distribution of trace substances in the Arctic troposphere', Atmospheric Research, 44, 199-221.
150. Galaktionov V.V., Khattatov V.U., Rudakov V.V., 1997: 'Aicraft observations of ozone in the Arctic troposphere in April 1994', Atmospheric Research, 44, 191 198.
151. Galperin B. and Orszag S.A., 1993: Large eddy simulation of complex engineering and geophysical flows, Cambrige Univ. Press, New York, 600 p.
152. Galmarini S. and Attie J.L., 2000: 'Turbulent transport at the thermal internal boundary-layer top: wavelet analysis of aircraft measurements', Boundary Layer Meteorol., 94, 175 -196.
153. Gamo M., Yamamoto S. and Yokoyama O., 1982: 'Airborne measurements of the free convective internal boundary layer during sea breeze', J. Meterol. Soc. Japan, 60, 1284 1298.
154. Garratt J.R., 1987: 'The stably stratified internal boundary layer for steady and diurnally varying offshore flow', Boundary-Layer Meteorol., 38, 369 394.
155. Garratt J.R., 1990: 'The internal boundary layer A review', Boundary-Layer Meteorol., 50, 171 -203.
156. Garratt J.R., 1992: The atmospheric boundary layer, Cambridge University Press, Cambrige UK, 315 p.
157. Gash J.H.C., 1986: 'A note on estimating the effect of limited fetch on micrometeorological evaporation measurements', Boundary-Layer Meterool., 35, 409 413.
158. Gloschenko W.A., Roulet N.T., Barie L.A., Schiff H.I. and McAdie H.G., 1994: 'The Northern Wetlands Study (NOWES): An overview', J. Geophys. Res., 99, Dl, 1,423 -1,428.
159. Gloster J., 1990: 'The Hercules aircraft of the meteorological research flight', MRF Internal Note, 49, Farnborough, UK, 49 p.
160. Grossmann A. and Morlet J., 1984: 'Decomposition of Hardy Functions into Square Integrate Wavelets of Constant Shape', SIAMJ. Math. Anal., 15, 723 736.
161. Gracey W., 1957: 'Wind-tunnel investigation of a number of total-pressure tubes at high angles of attack', USNACA, Report 1303, 23 p.
162. Gracey W., 1958: 'Measurements of static pressure on aircraft', USNACA, Report 1364, 23 p.
163. Guo Y. and Schuepp P.H., 1994: 'On surface energy balance over the northern wetlands. 1. The effect of small-scale temperature and wetness heterogeneity', J. Geophys. Res., 99, Dl, 1601 -1612.
164. Hagelberg C.R. and Gamage N.K.K., 1994: 'Application of structure preserving wavelet decompositions to intermittent turbulence', In: Wavelet in geophysics, Academic Press, Inc., San Diego, New York, Boston, London, Sydney, Tokyo, Toronto, 45 80.
165. Hamada, S. Ohta T., Hiyama T., Kuwada T., Takahashi A. and Maximov T.C., 2004: 'Hydrometeorological behaviors of pine and larch forests in Eastern Siberia', Hydrol. Proc., 18, 23 -39.
166. Hamilton, J.D., C.A. Kelly, J.W.M. Rudd, and R.H. Hesslein, 1994: 'Flux to the atmosphere of CH4 and CO2 from wetland ponds on the Hudson Bay lowlands (HBL)', J. Geophys. Res., 99, Dl, 1495 1510.
167. Hankers R, 1989: 'The equipment of a research aircraft with emphasis on meteorological experiments', In: Soc. of Flight Test Eng., 20th Ann. Symp., Reno, Nevada.
168. Hiyama T., Strunin M.A., Suzuki R., Asanuma J., Mezrin, M.Y., Bezrukova N.A., and Ohata T.: 2003, 'Aircraft Observations of the Atmospheric Boundary Layer over a Heterogeneous Surface in Eastern Siberia', Hydrol. Proc., 17(14), 2885 2911.
169. Hojstrup J., 1982: 'Velocity spectra in the unstable boundary layer', J. Atm. Sci., 39, 2239 -2248.
170. Horst T.W. and Weil J.C., 1992: 'Footprint estimation for scalar flux measurements in the atmospheric surface layer', Boundary-Layer Meotrol., 59, 279 296.
171. Horst T.W. and Weil J.C., 1994: 'Haw far is far enough?: The fetch requirements for micrometeorological measurements of surface fluxes', J. Atmos. Oceanic Tech., 11, 1010 1025.
172. Hudgins L.H., Mayer M.E., Frieche C.A., 1993: 'Fourier and wavelet analysis of atmospheric turbulence', in Progress in Wavelet Analysis and Applications, Y. Meyer and S. Roques, eds., Editions Frontiers, 491 498.
173. Kaimal J.C., Wyngaard J.C., Izumi Y., Cote O.R., 1972: 'Spectral characteristics of surface layer turbulence', Quart. J. Roy. Meterol. Soc., 98, 563 589.
174. Kaimal J.C., Wyngaard J.C., Haugen D.A., Cote O.R., Izumi Y., Caughey S.J. and Readings C.J., 1976: 'Turbulence structure in the convective boundary layer', J. Atmos. Sci., 114, 827- 858.
175. Kaimal J.C., 1978: 'Horizontal velocity spectra in an unstable surface layer', J. Atmos. Sci., 35,1, 18 -24.
176. Kaimal J.C. and Finnigan J.J., 1994: Atmospheric boundary layer flows, their structure and measurements, Oxford Univ. Press, New York, Oxford, 289 p.
177. Kelly R.D., Smith E.A., MacPherson J.I., 1992: 'A comparison of surface sensible and latent heat fluxes from aircraft and surface measurements in FIFE87', J. Geophys. Res. 97, 18445 -18453.
178. Khelif D., Burns S.P. and Friehe C.A., 1999: 'Improved wind measurements on research aircraft', J. Atmos. Oceanic Technol., 16, 860 875.
179. Kim, S.-W., S.-U. Park, and C.-H. Moeng, 2003: Entrainment Processes in the Convective Boundary Layer with Varying Wind Shear. Boundary-Layer Meteorol., 108, 221 245.
180. Kobayashi F. and Naito G., 1999: 'Helicopter observations of the sea breeze over a coastal area', J. Appl. Meteorol., 38, 4, 481 492.
181. Krishna K, 1980: 'The planetary -boundary layer model of Ellison (1956) A retrospect', Boundary-Layer Meterol., 19, 293 - 301.
182. MacPherson J. I., 1990: 'Wind and flux calculations on the NAE Twin Otter', National Research Council Canada LTR-109, Ottawa, Canada, 38 p.
183. MacPherson J. I., Leach B. W., Marcotte D. L„ and Hardwick C. D., 1992: 'Wind and flux measurements on NCR aircraft', Workshop on Cloud Microphysics and Application to Global Change, Toronto, Canada, August 10- 14,1992, 8 p.
184. MacPherson J.I. and Betts A.K.: 1997, 'Aircraft encounters with strong coherent vortices over the boreal forest', J. Geophys. Res., 102, D24, 29231 29234.
185. Mahrt L., M. Ek, 1993: 'Spatial variability of turbulent fluxes and roughness length in HAPEX-MOBILHY', Boundary-Layer Meteorol, 65, 381 400.
186. Mahrt L., 1996: 'The Bulk Aerodynamic Formulation over Heterogeneous Surface', Boundary-Layer Meteorol, 78, 87 119.
187. Mahrt L., 1998: 'Flux sampling errors for aircraft and tower', J. Atm. Ocean. Tech., 15, 416 -429.
188. Mahrt L., 2000: 'Surface heterogeneity and vertical structure of the boundary layer', Boundary-Layer Meteorol., 96, 33 62.
189. Mann J. and Lenschow D.H.: 1994, 'Errors in airborne flux measurements', J. Geoph. Res., 99 D7, 14519- 14526.
190. Mason P.J., 1988: 'The formulation of areally averaged roughness length', J. Roy. Meterol. Soc., 114, 399 -420.
191. Mason P. J., 1994: 'Large-eddy simulation: A critical review of the technique', Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 120, 1 26.
192. Mezrin M.Y., 1997: 'Humidity measurements from aircraft', Atmospheric Research, 44, 53 -59.
193. Mezrin M. Yu. and Starokoltsev E.V., 2001: 'Aircraft condensation hygrometer and some results of measuring humidity in the zone of equatorial tropopause', Atmospheric Research., 59- 60, 331 341.
194. Mezrin M. Yu., Starokoltsev E.V., Fujiyoshi Y., Yoshizaki M., 2003: 'Contribution of different scales to integral moisture transport based on aircraft observations over the Sea of Japan', Atmospheric Research., 69, 109 124.
195. Mitsuta X., 1971: 'Sonic anemometer-thermometer', Fasil. Atmos. Res., 16, 6-8.
196. Moore, T. R., A. Heyes, and N. T. Roulet, 1994: 'Methane emissions from wetlands of the southern Hudson Bay lowland', J. Geophys. Res., 99, Dl, 1455 1468.
197. Muller D.R., Lin J.D., Wang Y.S., and Tristle H.W., 1989: 'A triple hot-film and wind octant combination probe for turbulent air flow measurements in and near plant canopy', Agricul. Forest Meterol., 44, 353 368
198. Muller, E., Foken, Th., Heise, E., Majewski, D., 1995: 'LITFASS a nucleous for a BALTEX field experiment', Deutscher Wetterdienst, Forschung und Entwicklung, Arbeitsergebnisse Nr. 33, Offenbach am Main, 17 p.
199. Nieuwstadt F.T.M., 1984: 'Turbulent structure of the stable nocturnal boundary layer', J. Atmos. Sci., 41, 2202 2216.
200. Ogunjemiyo S., Schuepp P.H., MacPherson J.I. and Desjardins R.L., 1997: 'Analysis of flux maps versus surface characteristics from Twin Otter grid flights in BOREAS 1994', J. Geophys. Res., 102, D24, 29135 29145.
201. Ohata T., 1997: 'Activity report of GAME-Siberia in 1996-97', GAME publication 10, (Activity Report of GAME-Siberia 1997, Japan National Committee for GAME, GAME-Siberia Sub-committee), 1-4.
202. Ohata T. and Fukushima Y., 2001: 'Progress of GAME-Siberia in 2000', GAME publication 26, (Activity Report of GAME-Siberia 2000, Japan National Committee for GAME, GAME-Siberia Sub-committee) March 2001, 3 8.
203. Ohta T., Hiyama T., Tanaka H., Kuwada T., Maximov T.C., Ohata T. and Fukushima Y., 2001: 'Seasonal variation in the energy and water exchanges above and below a larch forest in Eastern Siberia', HydrologicalProcesses, 15, 1459 1476.
204. Panin G.N., Kohsiek W., Nasonov A.E., 2001: 'Interaction between atmosphere and natural land surface', Proceedings of the Fifth International Study Conference on GEWEX in Asia and GAME, 3-5 October, 2001, Nagoya, Japan, 1, 42 47.
205. Perry M.A., 1964: Flight test instrumentation, 3, Oxford, 268 p.
206. Panofsky H.A., 1978: 'Matching in the convective planetary boundary layer', J. Atmos. Sci., 35, 272 276.
207. Panofsky H.A. and Dutton J.A., 1983: Atmospheric turbulence: Models and methods for engineering applications, A Wiley-Interscience Publications, John Wiley&Sons, New York-Chichester-Brisbane-Toronto-Singapore, 397 p.
208. Pasquill F., 1972: 'Some aspects of boundary layer discription', Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 98,469 494.
209. Plate E.J., 1971: 'Aerodynamic characteristics of atmospheric boundary layer', U.S. Atomic Energy Commission, TTD-25465, 190 p.
210. Quante M., Brown P.R.A., Baumann R., Guillemet B., Hignett P., 1996: 'Three-aircraft intercomparison of dynamical and thermodynamical measurements during the Pre-EUCREX campaign', Beitr. Phys. Atmos., 69, 128 146.
211. Raynor G.S., Michael P., Brown R.M. and Sethuraman S., 1975: 'Studies of atmospheric diffusion from a nearshore oceanic site', J. Appl. Meterol., 14, 1080 1094.
212. Raynor G.S., Sethuraman S. and Brown R.M., 1979: 'Formulation and characteristics of coastal internal boundary layer during onshore flows', Boundary-Layer Meteorol., 16, 487-514.
213. Reiter E.R. and Burns A., 1966: 'The structure of clear-air turbulence derived from "Topcat" aircraft measurements', J. Atm. Sci., 23, 2.
214. Ritter, J.A, J.D.W. Barrick, G.W. Sachse, G.L. Gregory, M.A. Woerner, C.E. Watson, G.F. Hill, J.E. Collins, Jr., 1992: 'Airborne flux measurements of trace species in an Arctic boundary layer', J. Geophys. Res., 97, 16601 16626.
215. Rao K.S., Wyngaard J.C. and Cote O.R., 1974: 'The structure of two-dimensional internal boundary layer over sudden change of surface roughness', J. Atmos. Sci., 31, 738 746.
216. Raupach M.R., 1991: 'Vegetation-atmosphere interaction in homogeneous and heterogeneous terrain: some implications of mixed-layer dynamics', Vegetatio, 91, 105 120.
217. Raupach M.R. and Finnigan J.J., 1995: 'Scale issues in boundary-layer meteorology: Surface energy balances in heterogeneous terrain', Hydrol. Proc., 9, 589 612.
218. Rayment R. and Readings C.J., 1974: 'A case study of the structure and energetic of an inversion', Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 100, 221 233.
219. Rodi AR and Spyers-Duran PA., 1972: 'Analysis of time response of airborne temperature sensors', J. Appl. Meterol, 11, 554 556.
220. Rosemount, 1981: 'Total temperature sensors', Rosemount Engineering Company Tech. Bull. 5755, 28 p.
221. Roth, R., Hofmann, M. and Wode, C., 1999: 'Geostrophic wind, gradient wind, thermal wind and the vertical windprofile an exemplary analysis within a planetary boundary layer over arctic sea-ice', Boundary-Layer Meteorol, 92, 327 - 339.
222. Sakai R. K., Fitzjarrald D.R. and Moore K.E., 2001: 'Importance of low-frequency contributions to eddy fluxes observed over rough surfaces', J. Appl Meteorol, 40, 2178 -2192.
223. Samuelsson P. and Tjernstrom M., 1999a: 'Introduction to the in situ airborne meteorological measurements in NOPEX', Agric.&Forest Meteorol, 98 99, 181 - 204.
224. Samuelsson P. and Tjernstrom M., 1999b: 'Airborne flux measurements in NOPEX: comparison with footprint estimated surface heat fluxes', Agric.& Forest Meteorol., 98 -99, 205 -225.
225. Scherf, A. and Roth, R., 1997: 'Estimated of area-averaged turbulent energy fluxes in a convectively driven boundary layer using aircraft measurements', Phys. Chem. Earth, 21,399-403.
226. Schotanus P., Nieuwstadt F.T.M. and De Bruin H.A.R., 1983: 'Temperature measurements with a sonic anemometer and its application to heat and moisture fluxes', Bond.-Layer Meteorol., 26, 81 93.
227. Schuepp P.H., MacPherson J.I., Desjardins R.I., 1992: 'Adjustment of footprint correction for airborne flux mapping over the FIFE site', J. Geophys. Res., 97, D17, 18455 18466.
228. Sellers, P.J., F. G. Hall, G. Asrar, D. E. Strebel and R. E. Murphy, 1988: 'The first ISLSCP field experiment (FIFE)', Bull. Americal Meteorol. Soc., 69, 22 27.
229. Sellers P. J., Hall F.G., Asrar G, Strebel D.E. and Murphy R.E., 1992: 'An overview of the First International Satellite Land Surface Climatology Project (ISLSCP) Field Experiment (FIFE)', J. Geophys. Res. 97, D17, 18345 18371.
230. Shao Y. and Hacker J.M., 1990: 'Local similarity relationships in a horizontally inhomogeneous boundary layer', Boundary-Layer Meteorol., 52, 17 40.
231. Shao Y. and Hacker J.M. and Schwerdtfder P., 1991: 'The structure of turbulence in a coastal atmospheric internal boundary layer', Quart.J. Roy. Meteorol. Soc., 117, 1299 1324.
232. Shir C.C., 1972: 'A numerical computation of air flow over a sudden change of surface roughness', J. Atmos. Sci., 29, 304 310.
233. Schmidt W., 1925: Der massenaustausch in freier luft und verwandte erscheinungen, Hamburg, Verlang von Henri Grand, 118 p.
234. Schmidt, H. and Schumann, U.: 1989, 'Coherent Structures of the Convective Boundary Layer', J. Fluid. Mech., 200, 511 562.
235. Shuttleworth W. J., 1988: 'Macrohydrology The New Challenge for Process Hydrology', J. Hydrol, 100, 31 - 56.
236. Smedman A.-S. and Hogstrom U., 1983: 'Turbulent characteristics of a shallow convective internal boundary layer', Boundary-Layer Meteorol., 25, 271 287.
237. Sorbjan Z., 1986a: 'On similarity in the atmospheric boundary layer', Boundary-Layer Meteorol., 34, 377 397.
238. Sorbjan Z., 1986b: 'On the vertical distribution of passive species in the atmospheric boundary layer', Boundary-Layer Meteorol., 35, 73 81.
239. Sorbjan Z., 1986c: 'Local similarity of spectral and cospectral characteristics in the stable-continuous boundary layer', Boundary-Layer Meteorol., 35, 257 275.
240. Sorbjan Z., 1988: 'Local similarity in the convective boundary layer (CBL)', Boundary-Layer Meteorol., 45, 237 250.
241. Sorbjan Z., 1990: 'Similarity scales and universal profiles of statistical moments in the convective boundary layer', J. App. Meteorol., 29, 762 775.
242. Sorbjan Z., 1991: 'Evaluation of local similarity functions in the convective boundary layer', Boundary-Layer Meteorol., 30, 1565 1583.
243. Sorbjan, Z., 1996a: Effects Caused by Varying the Strength of the Capping Inversion based on a Large-Eddy Simulation Model of the Shear-Free Convective Boundary Layer. J. Atmos. Sci., 53, 2015 2024.
244. Sorbjan, Z., 1996b: Numerical Study of Penetrative and 'Solid Lid' Nonpenetrative Convective Boundary Layers. J. Atmos. Sci., 53, 101-112.
245. Sorbjan Z., 2005: 'Statistics of scalar fields in the atmospheric boundary layer based on Large-Eddy Simulation. Part I: Free convection', Boundary-Layer Meteorol., 116, 467 -486.
246. Spyers-Duran P. and Schanot A., 1995: BOREAS Project documentation summary, RAF 4818, Nat. Cent. For Atmos. Res., Boulder, Colo., 200 p.
247. Steyn D. G., 2003: 'Scaling the vertical structure of sea breezes revisited', Boundary-Layer Meterol., 107,177- 188.
248. Strunin M.A., Postnov A.A., Mezrin M.Y.: 1997, 'Meteorological potential for contamination of arctic troposphere: Boundary layer structure and turbulent diffusion characteristics', Atmospheric Research, 44, 37 51.
249. Strunin M.A. and Foken Th., 1997: 'Techniques for quality assessments of aircraft turbulent flux measurements', Deutscher Wetterdienst Forschung und Entwicklung, Arbeitsergebnisse, 44, Offenbach am Main, 36 p.
250. Strunin M.A. and Mezrin M.Y., 1998: 'Airborne measurements of the turbulent fluxes of momentum, heat and water vapor over the heterogeneous land surface', Research Report oflHAS, 4, Nagoya University, Japan, 152 159.
251. Strunin MA, Hiyama T, Asanuma J, Ohata T.: 2004, 'Aircraft observations of the development of thermal internal boundary layers and scaling of the convective boundary layer over non-homogeneous land surfaces', Boundary-Layer Meteorol., 111, 491 522.
252. Strunin M.A. and Hiyama T.: 2004a, 'Applying wavelet transforms to analyse aircraft-measured turbulence and turbulent fluxes in the atmospheric boundary layer over eastern Siberia', Hydrol. Proc., 18, 3081 3098.
253. Strunin M.A. and Hiyama T.: 2004b, 'Response properties of atmospheric turbulence measurement instruments using Russian research aircraft', Hydrol. Proc., 18, 3099 -3117.
254. Strunin M.A. and Hiyama T., 2005: 'Spectral structure of small-scale turbulent and mesoscale fluxes in the atmospheric boundary layer over a thermally inhomogeneous land surface', Boundary-Layer Meteorol., 117, 479 510.
255. Stull R.B., 1988: An Introduction to Boundary Layer Meteorology. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Boston, London; 666 p.
256. Stunder M. and Sethuraman S., 1983: 'A comparative evaluation of the coastal internal boundary layer', Boundary-Layer Meteorol., 32, 177 204.
257. Sullivan, P. P., C.-H. Moeng, B. Stevens, D. H. Lenschow, and S. D. Mayor, 1998: Structure of the Entrainment Zone Capping the Convective Atmospheric Boundary Layer. J. Atmos. Sci., 55, 3042 3064.
258. Sun J., Howell J.F., Esbensen S.K., Mahrt L., Greb C.M., Grossman R. and LeMone M.A. , 1996: 'Scale dependence of air-sea fluxes over the western Pasific', J. Atmos. Sci., 53, 21,2997 3012.
259. Sun J., Lenschow D.H., Mahrt L., Crawford T., Davis K., Oncley S., MacPherson J., Wang Q., Dobosy R., Desjardins R., 1997: 'Lake-induced atmospheric circulation during BOREAS', J. Geophys. Res., 102, 29155 29166.
260. Sun J. and Mahrt L., 1994: 'Spatial distribution of surface fluxes estimated from remotely sensed variables', J. Appl. Meteorol., 33, 1341 1353.
261. Suzuki R., Hiyama T., Strunin M.A., Ohata T., Koike T., 2001: 'Airborne observations of land surface by video camera and spectrometer around Yakutsk', GAME Publication 26, Activity Report of GAME-Siberia 2000, Japan, National Committee for GAME, 61 -64.
262. Suzuki R, Hiyama T, Asanuma J, Ohata T., 2003: 'Land surface identification near Yakutsk in eastern Siberia using video images taken from a hedgehopping aircraft', Int. J. Remote Sensing, 25, 19, 4015 4028.
263. Tennekes H. and Driedonks A.G.M., 1981: 'Basic entrainment equations for the atmospheric boundary layer', Boundary-Layer Meteorol., 20, 515 531.
264. Tijm A.B.C., Holtslag A.A.M. and Van Delden A.J., 1998: ' Observation and modeling of the sea-breeze with return current', Mon. Wea. Rev., 127, 625 640.
265. Tohjima Y., Wakita H., 1994: 'Development of a continuous measurements system and real distribution of methane in some source areas', Appl. Geochemst., 9, 141 146.
266. Van der Hoven J., 1957: 'Power spectrum of horizontal wind speed in the frequency range from 0.0007 to 900 cycles per hour', J. Meteorol., 14, 2.
267. Verma S. B., Baldocchi D.D., Anderson D.E., Matt D.R. and Clement R.J., 1986: 'Eddy fluxes of CO2, water vapor and sensible heat flux over a deciduous forest', Boundary-Layer Meteorol., 36, 71 91.
268. Vidale P.L, Pielke R.A.S., Steyaert L.T. and Barr A., 1997: 'Case study modeling of turbulent and mesoscale fluxes over the BOREAS region', J. Geaphys. Res., 102, D24, 29167-29188.
269. Villen C., 1991: 'The EERM meteorological research aircraft Merlin IV', Proc. Seventh Symposium on Meteorological Observations and Instrumentation, New Orleans, La, American Meteorological Society, Boston, Mass.
270. Viskers D., Mahrt L., 1997: 'Quality control and flux sampling problems for tower and aircraft data', J. Atmmos. Oceanic Technol., 14, 512 526.
271. Venkatram A., 1977: 'A model of internal boundary-layer development', Boundary-Layer Meteorol., 11,419-437.
272. Walker J.S., 1997: 'Fourier analysis and wavelet analysis', Notices of Amer. Math. Soc. 44 (6), 658.
273. Wesely, M.L., 1988: 'Use of variances techniques to measure dry air-surface exchange rates', Boundary-Layer Meteorol., 44, 13 31.
274. Weisman B., 1976: 'On the criteria for the occurrence of fumigation inland from a large lake a reply', Atmos. Environ., 12, 172 - 173.
275. Wieringa J., 1986: 'Roughness-dependent geographical interpolation of surface wind speed averages', Quart. J.Roy. Meteorol. Soc., 112, 867 889.
276. Williams A. and Marcotte D., 2000: 'Wind measurements on a maneuvering twin-engine turboprop aircraft accounting for flow distortion', J. Aim. Ocean. Tech., 17, 795 810.
277. Willis G.E. and Deardorff J.W., 1974: 'A laboratory model of the unstable planetary boundary layer', J. Atmos. Sci., 31,1297 1307.
278. Wolff M. and Bange J., 2000: 'Inverse method as an analyzing tool for airborne measurements', Meteorol. Z., N.F., 9, 361 376.
279. Wode Ch, M. A. Strunin, Th. Foken, R. Roth, J. Bange (Poster), 1998: 'HELINEX 97/98: Aber Ergebnisse der im Rahmen des BALTEX-Projektes LITFASS durchgefhrten HElipod-LINdenber-Experimente', Ann. Meteorol., 37 (1998) 1, 294.
280. Wood N. and Mason, P.J., 1991: 'The Influence of Stability on the Effective Roughness Lengths for Momentum and Heat Flux', Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 117, 1025 -1056.
281. Wyngaard J.C. and Cote O.R., 1971: 'The budgets of turbulent kinetic energy and temperature variances in the atmospheric surface layer', J. Atmos. Sci., 28, 190 201.
282. Wyngaard J.C. and Cote O.R., 1974: 'The evolution of a convective planetary layer higherorder-clousure model study', Boundary-Layer Meterol., 7, 284 - 308.
283. Wyngaard J.C., 1973: 'On Surface Layer Turbulence', In; D.A. Haugen (ed.): Workshop on Micrometeorology. Boston, MA: Am. Meteorol. Soc., 101 149.
284. Wyngaard J.C., Pennell W.T., Lenschow D.H. and LeMone M.A., 1978: 'The temperature-humidity covariance budget in the convective boundary layer', J. Atmos. Sci., 35, 47 -58.
285. Wyngaard J.C. and LeMone M.A., 1980: 'Behavior of the refractive index structure parameter in the entrainment convective boundary layer', J. Atmos. Sci., 37, 1573 -1585.
286. Wyngaard J.C., 1983: 'Lectures on the planetary boundary layer', In: D.K .Lilly and T. GalChen (eds.): Mesoscale Meteorology Theories, Observations, and Models, Dordrecht: D. Reidel, NATO ASI Series, 603 - 650.
-
Струнин, Михаил Александрович
-
доктора физико-математических наук
-
Москва, 2006
-
ВАК 25.00.29
- Вихреразрешающее моделирование турбулентности в пограничном слое атмосферы
- Пространственно-временное распределение характеристик пограничного слоя над метеорологическим полигоном о. Куба
- Физическое моделирование взаимодействия нелинейных поверхностных волн с турбулентностью в пограничных слоях атмосферы и океана
- Исследование влияния метеорологических условий на формирование режима загрязнения большого города и его окрестностей
- Исследование влияния локальных неоднородностей морской поверхности на турбулентный обмен в атмосфере
