Дистанционное определение турбулентного потока импульса в пограничном слое атмосферы

Кузнецов, Ростислав Дмитриевич

Автореферат диссертации по теме "Дистанционное определение турбулентного потока импульса в пограничном слое атмосферы"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АТМОСФЕРЫ им. А.М. ОБУХОВА

На правах рукописи

УДК 551.501:551.551

Кузнецов Ростислав Дмитриевич

ДИСТАНЦИОННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА ИМПУЛЬСА В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

Специальность 25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва

2005

Работа выполнена в им. A.M. Обухова РАН

Институте физики атмосферы

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук М.А. Каллистратова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

B. В. Воробьёв

доктор физико-математических наук

C. В. Анисимов

Ведущая организация:

Гидрометцентр России

Защита состоится « 2.(п» янбор^_2006 г. в ¿4. ч. Ой мин.

на заседании Диссертационного совета К 002.096.01 при Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

Адрес: 119017, г. Москва, Пыжевский пер. д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФА им. A.M. Обухова РАН.

Автореферат разослан «I ^ » декабря 2005 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета кандидат географических наук

dhty^-

Краснокутская Л.Д.

аооеА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена новому методу исследования пространственно-временной структуры турбулентного потока импульса в атмосферном пограничном слое (АПС) при помощи дистанционного акустического зондирования. Применение предложенного метода позволяет оперативно получать оценки вертикальных профилей коэффициентов турбулентного обмена, которые, наряду с полем скорости ветра определяют распространение и накопление загрязняющих примесей в атмосферном пограничном слое.

Актуальность темы. В связи с ростом количества антропогенных выбросов в атмосферу возрастает необходимость систем мониторинга и прогнозирования распространения загрязнений. Для надёжного функционирования таких систем, наряду с оперативной информацией о концентрациях примесей и параметрах их источников, требуются данные о параметрах перемешивания в АПС. Распространение загрязняющих примесей в атмосферном пограничном слое определяется направлением и скоростью ветра, а также турбулентным режимом, существующим во время и после эмиссии загрязнений. Акустическое зондирование успешно применяется в ряде стран в системах такого мониторинга, обеспечивая недорогой, непрерывный, способ определения вертикального профиля скорости ветра с высоким пространственным разрешением и высоты слоя перемешивания. Это позволяет значительно улучшить анализ метеорологической ситуации по сравнению с использованием традиционных приёмов получения данных о вертикальной структуре АПС (радиозонды, самолёты, метеорологические мачты и т.д.). Однако, поле ветра и высота слоя перемешивания не вполне определяют особенности вертикального распространения примесей в АПС. Предложенный в работе метод оценки турбулентного потока импульса позволяет восполнить имеющийся пробел.

Целью диссертационной работы является разработка и экспериментальная проверка метода дистанционной оценки вертикальной структуры потока импульса в АПС на основе данных акустическо-

го зондирования, а также исследование пространственно-временной структуры параметров, определяющих турбулентную диффузию пассивной примеси в АПС.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие конкретные задачи:

1. Предложен и реализован метод исследования вертикальной структуры потока импульса в условиях нейтральной стратификации АПС на основании данных акустического зондирования и полуэмпирической теории Колмогорова-Прандтля.

2. Экспериментально в натурных условиях определена константа Колмогорова-Прандтля.

3. Предложено обобщение метода на случай произвольной стратификации АПС при помощи использования универсальной функции Fmf (И) потокового числа Ричардсона ИГ .

4. Получены экспериментальные оценки значений функции ¥т/ (Щ) при различных значениях КГ на основании данных полевых измерений, проводившихся в различных условиях: над практически однородной подстилающей поверхностью в метеорологической обсерватории Линденберг (МОЛ) в Германии и над пересечённой местностью на Звенигородской научной станции (ЗНС) Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН.

5. На основе данных локальных корреляционных измерений потока импульса на мачте произведена оценка точности предложенного метода.

6. Разработан, изготовлен и испытан в полевых условиях акустический локатор (содар) ЛАТАН-3, обеспечивающий, наряду с традиционными измерениями профилей скорости и направления ветра, измерения дисперсии вертикальной компоненты скорости ветра с необходимой для применения предложенного метода точностью.

7. Проведена экспериментальная оценка точности измерений различных параметров поля ветра в АПС акустическим локатором

ЛАТАН-3.

8. На основе содарных измерений получены характерные вертикальные профили потока импульса и коэффициента турбулентной вязкости при различной стратификации АПС.

Научная новизна:

1. Предложен и экспериментально обоснован метод определения турбулентного потока импульса в АПС по данным акустического зондирования.

2. Разработан, изготовлен и протестирован акустический локатор ЛАТАН-3, пригодный для исследований турбулентности в АПС в условиях сильных внешних акустических шумов.

3. Проведены оценки вертикальной профилей потока импульса в АПС по данным акустического зондирования.

Научная и практическая ценность. Предложенный метод позволяет определять вертикальную структуру коэффициентов турбулентного обмена в АПС. Учёт этих коэффициентов в моделях для анализа распространения примесей позволит улучшить точность расчёта поля загрязнений и качество краткосрочных прогнозов.

Разработанный и изготовленный доплеровский акустический локатор (содар) ЛАТАН-3 позволяет получать данные о поле ветра с высоким разрешением по высоте и по времени. Это даёт возможность использовать данный локатор не только для измерений поля ветра и оценок коэффициентов турбулентного обмена, но и для исследования когерентных структур и волновых движений в АПС. Повышенная устойчивость прибора к внешним акустическим шумам позволяет использовать его в ряде исследований, связанных с городским климатом.

На защиту выносится:

1. Экспериментальная оценка постоянной Колмогорова-Прандтля Скр, проведённая в натурных условиях. Скр определяет коэффициент пропорциональности между турбулентным потоком импульса и кинетической энергией турбулентности при нейтральной стратификации АПС.

2. Универсальная зависимость отношения турбулентного потока импульса к дисперсии вертикальной компоненты ветра от потокового числа Ричардсона в АПС.

3. Метод для оценки турбулентного потока импульса в АПС, по данным содарных измерений профиля скорости ветра и дисперсии её вертикальной компоненты.

4. Акустический локатор для исследований атмосферной турбулентности ЛАТАН-3.

5. Результаты полевых испытаний акустического локатора ЛАТАН-3.

6. Сопоставление значений потока импульса по данным акустического зондирования с данными контактных измерений акустическими анемометрами в условиях однородной подстилающей поверхности в Линденберге и в условиях пересечённой местности на ЗНС.

7. Данные о вертикальных профилях потока импульса и коэффициента турбулентной вязкости при различной стратификации

АПС.

Апробация работы. Результаты работы докладывались:

• на семинарах Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН, кафедры физики атмосферы физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, Метеорологической обсерватории Линденберг Германской службы погоды;

• на Всероссийских конференциях: «Фундаментальные взаимодействия суши, океана и атмосферы» (Москва, 2002), XIII сессия Российского Акустического общества (2003), «Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере» (Нижний Новгород, 2003; Москва, 2004; Борок, 2005),

• на международных конференциях и школах: симпозиум по акустическому зондированию (Окленд, Новая Зеландия, 2000; Рим, Италия, 2002; Кембридж, Англия, 2004); «Потоки и структуры в жидкостях» (Москва, 2001, 2005), конференция по городскому климату (Лодзь, Польша, 2003), Европейская исследовательская школа по атмосферам (Гренобль, Франция, 2004), «Турбулентность пограничных слоев» (Портленд,

США, 2004).

По теме диссертации опубликовано:

• 4 статьи в рецензируемых журналах (2 в печати),

• около 25 научных отчётов, статей в нерецензируемых сборниках и сборниках трудов конференций.

Личный вклад автора. Содержание диссертации является частью работы, проводимой в Радиоакустической лаборатории (РАЛ) ИФА им. А. М. Обухова РАН по развитию и применению методов акустического зондирования атмосферы. Автор принимал непосредственное участие во всех полевых измерениях РАЛ на ЗНС, проводившихся с 1999 г., и в эксперименте ЫЫЕХ2000 (МОЛ). Автором предложен и проверен экспериментально метод определения вертикального потока импульса по содарным данным для произвольной стратификации АПС. Автором разработаны и изготовлены электронная и программная часть акустического локатора (содара) ЛАТАН-3, а также алгоритмы статистической обработки данных зондирования. Кроме того, автор проводил первичную и статистическую обработку данных измерений акустическими анемометрами на ЗНС и в ходе эксперимента 1_1ЫЕХ2000.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и библиографии. Объём диссертации составляет 112 страниц, включая 35 рисунков и список литературы на 100 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность исследований, сформулированы цель, обоснована научная новизна и практическая ценность работы, кратко излагается содержание диссертации по главам, приводятся основные научные положения, выносимые не защиту.

В первой главе рассмотрены различные дефиниции и методы измерения турбулентного потока импульса вообще и в АПС в частности. В диссертации под потоком импульса понимается полученная в стационарных условиях средняя по некоторому, выбранному разумным образом, интервалу времени либо области пространства, корреляция между флуктуациями продольной (направленной вдоль средней скорости) и вертикальной компонент скорости ветра. Эта величина размерности [м2/с2] представляет собой поток количества движения через единичную горизонтальную площадку, приходящийся на единицу массы воздуха.

Приведённый обзор методов для определения турбулентного потока импульса в АПС показывает, что контактные методы (такие как измерения с мачт, самолётов, воздушных змеев, привязных аэростатов) весьма громоздки и дороги. Это делает их практически непригодными в задачах рутинного мониторинга. Дистанционные методы прямого измерения потока импульса корреляционными методами также мало пригодны для этих целей. Радарные измерения обладают невысоким пространственным разрешением и большой (порядка сотни метров) мёртвой зоной. Акустические локаторы значительно дешевле радаров, имеют малую мёртвую зону и высокое пространственное разрешение, однако обладают крайне низкой точностью при использовании корреляционного метода. Перспективным является сочетание содарных измерений профилей компонент скорости ветра и их дисперсий и высоты слоя перемешивания с простыми по-

луэмпирическими моделями турбулентности, подобными описанной в диссертации.

Приведено краткое изложение основных принципов акустического зондирования атмосферы. Показано, что в настоящее время это сложившийся и отработанный метод для измерения профилей скорости ветра, прошедший многочисленные проверки посредством сравнения с другими методами. Однако, его использование для определения параметров турбулентного обмена (за исключением определения высоты слоя перемешивания) практически не осуществляется. Это связано как с недостаточной точностью многих акустических локаторов при определении статистических характеристик поля ветра (вторых моментов компонент), так и с недостатком хороших моделей для получения параметров турбулентного обмена на основе этих характеристик.

Во второй главе излагается суть предложенного метода оценки потока импульса. Первоначальный вариант этого метода был предложен для нейтральной стратификации АПС. На основании теоретических соображений и экспериментальных данных показано, что в условиях нейтральной стратификации турбулентный поток импульса иги связан с кинетической энергией турбулентных движений (ТКЕ) законом прямой пропорциональности. Коэффициент пропорциональности Скр, называемый константой Колмогорова-Прандтля, был определён нами эмпирически по данным измерений акустическими анемометрами на ЗНС на высотах 6 и 56 метров над поверхностью земли. Равенство (с точностью до погрешности измерений) двух оценок Сцр по данным, полученным на столь различающихся высотах подтверждает универсальность Скр■ Показано согласие полученного значения Срср с расчётами на основе данных измерений проводившихся ранее разными авторами в аэродинамических трубах и в атмосфере.

Практическое применение этого метода показало, что можно значительно улучшить точность определения вертикального потока импульса по содарным данным, если в качестве меры турбулизирован-

ности использовать не ТКЕ, а дисперсию вертикальной компоненты скорости ветра которая в условиях нейтральной стратификации в толще АПС (выше приземного слоя) также линейно связана с потоком импульса ига. Такой подход обусловлен тем, что в содарных измерениях, относительная ошибка в а^ оказывается значительно меньше, чем в ТКЕ.

Для обобщения метода на случай произвольной стратификации в качестве коэффициента пропорциональности между Шй и <7^ предложено использовать эмпирическую функцию Гтоу (И!) от потокового числа Ричардсона Ш . По определению

рг 9 т

ешди/дг'

где д - ускорение свободного падения, в - потенциальная температура, шв - турбулентный поток температуры а д11/дг - градиент скорости ветра. Такой выбор локального параметра устойчивости обусловлен с одной стороны его простым физическим смыслом (отношение двух членов в бюджете ТКЕ, описывающих действие сдвига ветра и сил плавучести) , а с другой возможностью одновременного нахождения ТУ и потока импульса в толще АПС по данным измерений в приземном слое и данным акустического зондирования о профиле скорости ветра и высоте слоя перемешивания.

Экспериментальные оценки функции Гту (И!), полученные по результатам измерений в условиях практически ровной подстилающей поверхности (ЫЫЕХ2000) на высотах 50 и 100 метров и в условиях пересечённой местности (ЗНС) на высоте 56 метров показывают хорошее согласие друг с другом (Рис. 1). Это позволяет сделать утверждение об универсальном характере найденной функции.

Доплеровский акустический локатор измеряет профиль скорости ветра и дисперсии его вертикальной компоненты, а также высоту слоя перемешивания. Профиль потока температуры может быть оценён исходя из наземных измерений юв и высоты слоя перемешивания Ьтгх (при г = Ктгх поток температуры обращается в ноль) в виде линейной функции высоты. Зная вид универсальной функции

0

-0.1

-0.2

-0.3

д -0.4

$ 3 -0.5

V

-0.6

-0.7

-0.8

-0.9

Звенигород, 56м ■ ШуГеХ, 50т ° ШЕХ, 90т •

-2

-1.5

-1

-0.5 И

0.5

Рис. 1. Экспериментальные оценки универсальной функции ¥т/ (Щ) по данным разных измерений и аппроксимирующая кривая.

¥т/ (Ш) можно решить уравнение

д гив

га/

(д тв \ иго

еш ди/дг ) = о*'

(2)

относительно иго.

Третья глава посвящена описанию акустического локатора ЛАТАН-3, специально разработанного для изучения атмосферной турбулентности. Отличительными особенностями содара ЛАТАН-3 являются: минимум аналоговой аппаратуры, простота и надёжность используемых алгоритмов первичной обработки сигнала, реализация алгоритмов на языках программирования общего назначения, использование свободных программных продуктов. Надёжность получаемых данных о профиле ветра даже при малых временах осреднения, либо в поимпульсном режиме, позволяет использовать этот прибор для измерений турбулентности в АПС.

Конструкция прибора допускает реализацию практически любых геометрических схем зондирования без изменений его аппаратной

Рис. 2. Упрощённая блок-схема содара ЛАТАН-3

части. Аппаратная часть содара ЛАТАН-3 (Рис. 2) состоит из управляющего компьютера, усилителя мощности зондирующего импульса (Ampi), антенного коммутатора (КМ), трёх акустических антенн в звукозащитных экранах (AI, А2 и A3) и микрофонного усилителя (Ашр2). На рисунке не показаны блок питания и блок сопряжения с компьютером.

Зондирующий импульс, синтезированный на звуковой карте компьютера, через линейный выход (Line out) после усиления подаётся на антенну. По окончании излучения, коммутатор подключает к антенне приёмный усилитель, с которого эхо-сигнал попадает на линейный вход звуковой карты компьютера для оцифровки.

Дальнейшая обработка сигнала производится программными средствами. По окончании приёма эхо-сигнала коммутатор подключает к усилителю мощности следующую антенну. После опроса всех трёх антенн цикл повторяется.

Приведено описание используемого в настоящее время алгоритма обработки первичного эхо-сигнала, позволяющего добиться высокой точности поимпульсньгх данных. Уровень сигнала определяется в узкой полосе частот вокруг несущей частоты. Уровень шумов определяется в двух спектральных полосах, соседних с сигнальной (шумы обычно имеют достаточно широкую полосу). Отбраковка зашум-ленных сигналов осуществляется по соотношению интенсивностей в сигнальной и шумовых полосах.

Сопоставление результатов измерений акустическим локатором ЛАТАН-3 с данными полученными контактным методом на метео-

Лучевая компонента ветра Лучевая компонента ветра \/№

Модуль скорости ветра

-3-2-1 0 1 2 3 УП1 (м/с), Соник

о. га

I ?

—I-1-1-1-т—

у = 1.02 X - 0.08 м/с/

г = 0.989

2!

> -2

-3-2-1 0 1 2 3 УЯ2 (м/с), Соник

о. я ч

-У х

0 1 2 3 4 5 6 7 V (м/с), Соник

Направление ветра т

I

Дисперсия верт. компоненты 1.2

вЮ верт. компоненты

о

0

1

о*

90 180 270 360 Соник

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 (м2/с2), Соник

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 (м/с), Соник

Рис. 3. Сопоставление осреднённых по полчаса данных дистанционных (г = 60м) и контактных (г = 56м) измерении.

Рис. 4. Пример синхронной регистрации содарных эхограмм и вертикальных профилей скорости и направления ветра 10 июля 2005 г. (а) в центре Москвы и (б) на ЗНС. (Пояснения в тексте на стр. 13.)

рологической мачте показывает высокую точность дистанционных измерений этим прибором как средних значений профиля ветра, так и дисперсии его вертикальной компоненты (Рис. 3).

На графиках изображены значения компоненты ветра вдоль лучей наклонных антенн содара, модуль и направление горизонтальной скорости ветра и значения дисперсии и стандартного отклонения вертикальной компоненты ветра измеренных содаром ("Содар") и акустическим анемометром ("Соник"). На панелях указаны значения коэффициентов соответствующей линейной регрессии и коэффициента корреляции.

Разработанный содар успешно использовался для изучения влияния города на температурный и ветровой режимы АПС (Рис. 4). На рисунке по оси абсцисс отложено местное время. Кроме того, на нижних графиках указана скорость ветра в м/с (под графиком) и четыре румба направления (над графиком). Время осреднения профилей - 60 мин. Точками обозначен профиль направления, а точками, соединёнными линией - профиль скорости . Линиями без точек обозначены менее надёжные результаты, при получении которых из часовой серии измерений отбраковано более 75% данных. Справа от эхограмм указана шкала интенсивности рассеяния в дБ. Высотный диапазон измерений скорости в городе выше, чем на ЗНС, из-за большей толщины слоя перемешивания над городом во время измерений.

В четвёртой главе приведены результаты применения предложенного метода к реальным данным акустического зондирования. Сравнение значений потока импульса, полученных с помощью акустического зондирования содаром DSDPA90-64 (МЕТЕК GmbH, Германия) с данными мачтовых измерений в Линденберге показывает, что основным источником ошибок является неточность содарного определения дисперсии вертикальной компоненты скорости ветра. Аналогичное сравнение, проведённое на ЗНС с использованием содара ЛАТАН-3 показало значительно лучшее согласие. На основании этого сделан вывод о применимости метода в случае использо-

а) 02:00 Устойчивая

стратификация, струйное течение

б) 07:00

Утренний прогрев. Снизу -нейтральная стратификация

в) 15:00

Неустойчивая

стратификация

200

100

0 4 8 0 0.2 0 4 -0.2 0 0.2 0 10 20 V (и/с) <£ (Лс2) <ииг> («Ас2) КюОАс)

О 0.2 0.4

о2 («Ас2)

-0.2 О <и*> («Ас2)

1

2 4 У(м/с)

о2 (»Ас2)

2 -1 -0.5 О •ото («Ас2)

О 200 400 Кт(>Ас)

Рис. 5. Примеры характерных профилей скорости ветра, дисперсии его вертикальной компоненты, турбулентного потока импульса и коэффициента турбулентной вязкости, полученные на основе содарных данных в различных условиях. Точки в кружках — данные контактных измерений на мачте. 10 июня 2005 г., ЗНС

вания содара с достаточной точностью определения <7^,.

Примеры профилей, полученных с помощью предложенного метода (для того же дня, что и Рис. 4), приведены на Рис. 5. Данные измерений показывают, что вертикальный поток импульса в стационарных условиях (когда можно разумным образом разделить поле скоростей воздушного потока на средние движения и пульсации) относительно слабо меняется с высотой. Такой результат не является неожиданным, поскольку в противном случае поток не может быть стационарным. Однако, при сильной вертикальной неоднородности профиля ветра коэффициенты турбулентного обмена могут изменяться с высотой более чем на порядок величины. Это указывает на необходимость учёта вертикальной неоднородности турбулентного перемешивания в задачах моделирования распространения примесей

в АПС.

В Заключении перечислены основные результаты диссертационной работы:

1. Экспериментально в натурных условиях получено значение константы Колмогорова-Прандтля. Это значение хорошо согласуется с данными измерений в аэродинамических трубах и расчётами на основе данных других исследователей.

2. Предложен метод оценки турбулентного потока импульса для нейтральной стратификации АПС на основании данных акустического зондирования и полуэмпирической теории Колмогорова-Прандтля, который даёт хорошее согласие получаемых значений с данными контактных измерений.

3. Сделано обобщение этого метода на случай произвольной стратификации АПС путём использования универсальной эипири-ческой функции Гту (Ш) потокового числа Ричардсона.

4. Получена экспериментальная оценка значений функции ¥п} (1У) при различных значениях Ш на основании данных полевых измерений, проводившихся в различных условиях.

5. Разработан, изготовлен и испытан акустический локатор (со-дар) ЛАТАН-3, который, наряду с традиционными измере-

ниями профилей скорости и направления ветра, обеспечивает измерения дисперсий лучевых компонент скорости ветра.

6. Экспериментальная оценка точности измерений различных параметров поля ветра в АПС акустическим локатором ЛАТАН-3 показывает возможность использования его данных для предложенного метода.

7. Определены характерные вертикальные профили потока импульса и коэффициента турбулентной вязкости в нижней части

АПС.

В Приложении приведено описание измерительных полигонов, данные с которых использовались в настоящей работе, а также сроки и условия проведения экспериментов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ктатат V. F., Kouznetsov R. D. A new concept for estimation of turbulent parameters profiles in the abl using sodar data // Journal of Atomspheric and Oceanic Technology. — 2002. — Vol. 19. — Pp. 1216-1224.

2. Kouznetsov R. D., Kramar V. FBeyrich F., Engelbart D. Sodar-based estimation of TKE and momentum flux profiles in the atmospheric boundary layer: Test of a parameterization model // Meteorology and Atmospheric Physics. - 2004. - Vol. 85. - Pp. 93-99.

3. Кузнецов P. Д. Акустический локатор ЛАТАН-3 для исследований атмосферного пограничного слоя // Оптика атмосферы и океана. — 2006. — Т. -, № -. — С. - (в печати).

4. Кузнецов Р. Д., Крамар В. Ф., Каллистратова М. А. Дистанционное определение профилей потока импульса в нижней части атмосферного пограничного слоя // Известия РАН, Физика Фтмосферы и Океана. — 2006. — Т. -, № — С. - (в печати ).

5. Kouznetsov R. D. On the use of Kolmogorov-Prandtl semiempiri-cal theory to estimate turbulence characteristics by sodar // Proc.

10-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. — Auckland, New Zealand: 2000. - Pp. 142-144.

6. Kramar V. F., Kouznetsov R. D. Sodar estimation of turbulent profiles in case of arbitrary stratification // Proc. 11-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. - Rome, Italy: 2002. - Pp. 355-356.

7. Kouznetsov R. D., Beyrich F., Engelbart D. Experimental tests of a method for sodar estimation of turbulent parameter profiles under neutral stratification // Proc. 11-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. - Rome, Italy: 2002. - Pp. 351-354.

8. Кузнецов P. Д. Дистанционная оценка дисперсионных параметров атмосферного пграничного слоя // Труды VII Всероссийской конференции молодых учёных «Динамика атмосферы, Малые атмосферные примеси и атмосферное электричество». — Нижний Новгород: 2003. — С. 66-70.

9. Каллистратова М. А., Кузнецов Р. Д., Курбатов Г. А., Шу-рыгин Е. А., Юшков В. П. О точности дистанционных акустических измерений параметров атмосферного пограничного слоя (АПС) // Труды XIII сессии Российского Акустического Общества. - Т. 4. - Москва, МГУ: 2003. - С. 178-181.

10. Kouznetsov R. D., Beyrich F. Richardson flux number and estimation of momentum flux in the lower ABL // Proc. 12-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. - Cambridge, UK: 2004. - Pp. 49-53.

Благодарности

В заключение выражаю глубокую благодарность своему научному руководителю д.ф.-м.н М. А. Каллистратовой за постоянное внимание к моей работе, многочисленные обсуждения и помощь в решении многих проблем. Хочу поблагодарить коллег из ИФА им. А. М. Обухова РАН и метеорологической обсерватории Лин-денберг Германской службы погоды за удовольствие от совместной плодотворной работы.

2уОО£А_ 0>\

Заказ №719. Объем 1 пл. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ООО «Петроруш». г. Москва, ул. Палнха-2«, тел. 250-92-06 www.pottator.ni

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Кузнецов, Ростислав Дмитриевич

Введение

1 Поток импульса в пограничном слое атмосферы и акустическое зондирование

1.1 Поток импульса в пограничном слое атмосферы.

1.2 Дистанционное акустическое зондирование.

1.3 Методы дистанционной оценки потока импульса в АПС

1.4 Обсуждение результатов главы 1.

2 Метод дистанционного определения потока импульса

2.1 Метод для оценки потока импульса в условиях нейтральной стратификации.

2.2 О точности прямого измерения ТКЕ и потока импульса содаром

2.3 Обобщение метода на случай произвольной стратификации

2.4 Экспериментальная оценка универсальной функции.

2.5 Обсуждение результатов главы 2.

3 Акустический локатор для измерений турбулентности

3.1 Введение.

3.2 Принцип работы и конструкция прибора.

3.3 Первичная обработка сигала.

3.4 Результаты полевых испытаний прибора

3.5 Обсуждение результатов главы 3.

4 Измерения потока импульса методом акустической локации

4.1 Введение.

4.2 Верификация метода для нейтральной стратификации.

4.3 Верификация метода для произвольной стратификации.

4.4 Суточная изменчивость вертикальной структуры потока импульса

4.5 Обсуждение результатов главы 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Дистанционное определение турбулентного потока импульса в пограничном слое атмосферы"

Работа посвящена новому методу исследования пространственно-временной структуры турбулентного потока импульса в атмосферном пограничном слое (АПС) при помощи дистанционного акустического зондирования. Применение предложенного метода позволяет оперативно получать оценки вертикальных профилей коэффициентов турбулентного обмена, которые, наряду с полем скорости ветра определяют распространение и накопление загрязняющих примесей в атмосферном пограничном слое.

Актуальность темы. В связи с ростом количества антропогенных выбросов в атмосферу возрастает необходимость систем мониторинга и прогнозирования распространения загрязнений. Для надёжного функционирования таких систем, наряду с оперативной информацией о концентрациях примесей и параметрах их источников, требуются данные о параметрах перемешивания в АПС. Распространение загрязняющих примесей в атмосферном пограничном слое определяется направлением и скоростью ветра, а также турбулентным режимом, существующим во время и после эмиссии загрязнений. Акустическое зондирование успешно применяется в ряде стран в системах такого мониторинга, обеспечивая недорогой, непрерывный, способ определения вертикального профиля скорости ветра с высоким пространственным разрешением и высоты слоя перемешивания. Это позволяет значительно улучшить анализ метеорологической ситуации по сравнению с использованием традиционных приёмов получения данных о вертикальной структуре АПС (радиозонды, самолёты, метеорологические мачты и т.д.). Однако, поле ветра и высота слоя перемешивания не вполне определяют особенности вертикального распространения примесей в АПС. Предложенный в работе метод оценки турбулентного потока импульса позволяет восполнить имеющийся пробел.

Целью диссертационной работы является разработка и экспериментальная проверка метода дистанционной оценки вертикальной структуры потока импульса в АПС на основе данных акустического зондирования, а также исследование пространственно-временной структуры параметров, определяющих турбулентную диффузию пассивной примеси в АПС.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие конкретные задачи:

1. Предложен и реализован метод исследования вертикальной структуры потока импульса в условиях нейтральной стратификации АПС на основании данных акустического зондирования и полуэмпирической теории Колмогорова-Прандтля.

2. Экспериментально в натурных условиях определена константа Колмогорова-Прандтля.

3. Предложено обобщение метода на случай произвольной стратификации АПС при помощи использования универсальной функции Fm/ (Rf) потокового числа Ричардсона Rf .

4. Получены экспериментальные оценки значений функции Fm/ (Rf) при различных значениях Rf на основании данных полевых измерений, проводившихся в различных условиях: над практически однородной подстилающей поверхностью в метеорологической обсерватории Лин-денберг (МОЛ) в Германии и над пересечённой местностью на Звенигородской научной станции (ЗНС) Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН.

5. На основе данных локальных корреляционных измерений потока импульса на мачте произведена оценка точности предложенного метода.

6. Разработан, изготовлен и испытан в полевых условиях акустический локатор (содар) ЛАТАН-3, обеспечивающий, наряду с традиционными измерениями профилей скорости и направления ветра, измерения дис

Персии вертикальной компоненты скорости ветра с необходимой для применения предложенного метода точностью.

7. Проведена экспериментальная оценка точности измерений различных параметров поля ветра в АПС акустическим локатором JIATAH-3.

8. На основе содарных измерений получены характерные вертикальные профили потока импульса и коэффициента турбулентной вязкости при различной стратификации АПС.

Научная новизна:

1. Предложен и экспериментально обоснован метод определения турбулентного потока импульса в АПС по данным акустического зондирования.

2. Разработан, изготовлен и протестирован акустический локатор JIATAH-3, пригодный для исследований турбулентности в АПС в условиях сильных внешних акустических шумов.

3. Проведены оценки вертикальных профилей потока импульса в АПС по данным акустического зондирования.

Научная и практическая ценность. Предложенный метод позволяет определять вертикальную структуру коэффициентов турбулентного обмена в АПС. Учёт этих коэффициентов в моделях для анализа распространения примесей позволит улучшить точность расчёта поля загрязнений и качество краткосрочных прогнозов.

Разработанный и изготовленный доплеровский акустический локатор (со-дар) JIATAH-3 позволяет получать данные о поле ветра с высоким разрешением по высоте и по времени. Это даёт возможность использовать данный локатор не только для измерений поля ветра и оценок коэффициентов турбулентного обмена, но и для исследования когерентных структур и волновых движений в АПС. Повышенная устойчивость прибора к внешним акустическим шумам позволяет использовать его в ряде исследований, связанных с городским климатом.

На защиту выносится:

1. Экспериментальная оценка постоянной Колмогорова-Прандтля Скр, проведённая в натурных условиях. Скр определяет коэффициент пропорциональности между турбулентным потоком импульса и кинетической энергией турбулентности при нейтральной стратификации АПС.

2. Универсальная зависимость отношения турбулентного потока импульса к дисперсии вертикальной компоненты ветра от потокового числа Ричардсона в АПС.

3. Метод для оценки турбулентного потока импульса в АПС, по данным содарных измерений профиля скорости ветра и дисперсии её вертикальной компоненты.

4. Акустический локатор для исследований атмосферной турбулентности ЛАТАН-3.

5. Результаты полевых испытаний акустического локатора ЛАТАН-3.

6. Сопоставление значений потока импульса по данным акустического зондирования с данными контактных измерений акустическими анемометрами в условиях однородной подстилающей поверхности в Лин-денберге и в условиях пересечённой местности на ЗНС.

7. Данные о вертикальных профилях потока импульса и коэффициента турбулентной вязкости при различной стратификации АПС.

Апробация работы. Результаты работы докладывались:

• на семинарах Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН, кафедры физики атмосферы физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, Метеорологической обсерватории Линденберг Германской службы погоды;

• на Всероссийских конференциях: «Фундаментальные взаимодействия суши, океана и атмосферы» (Москва, 2002), XIII сессия Российского

Акустического общества (2003), «Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере» (Нижний Новгород, 2003; Москва, 2004; Борок, 2005),

• на международных конференциях и школах: симпозиум по акустическому зондированию (Окленд, Новая Зеландия, 2000; Рим, Италия, 2002; Кембридж, Англия, 2004); «Потоки и структуры в жидкостях» (Москва, 2001, 2005), конференция по городскому климату (Лодзь, Польша, 2003), Европейская исследовательская школа по атмосферам (Гренобль, Франция, 2004), «Турбулентность пограничных слоёв» (Портленд, США, 2004).

По теме диссертации опубликовано:

• 4 статьи в рецензируемых журналах (2 в печати),

• около 25 научных отчётов, статей в нерецензируемых сборниках и сборниках трудов конференций.

Личный вклад автора. Содержание диссертации является частью работы, проводимой в Радиоакустической лаборатории (РАЛ) ИФА им. А. М. Обухова РАН по развитию и применению методов акустического зондирования атмосферы. Автор принимал непосредственное участие во всех полевых измерениях РАЛ на ЗНС, проводившихся с 1999 г., и в эксперименте LINEX2000 (МОЛ). Автором предложен и проверен экспериментально метод определения вертикального потока импульса по содарным данным для произвольной стратификации АПС. Автором разработаны и изготовлены электронная и программная часть акустического локатора (содара) ЛАТАН-3, а также алгоритмы статистической обработки данных зондирования. Кроме того, автор проводил первичную и статистическую обработку данных измерений акустическими анемометрами на ЗНС и в ходе эксперимента LINEX2000.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и библиографии. Объём диссертации составляет 112 страниц, включая 35 рисунков и список литературы на 100 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Кузнецов, Ростислав Дмитриевич

Заключение

Приведённые в диссертации результаты могут быть кратко сформулированы следующим образом:

1. Экспериментально в натурных условиях получено значение константы Колмогорова-Прандтля. Это значение хорошо согласуется с данными измерений в аэродинамических трубах и расчётами на основе данных других исследователей.

2. Предложен метод оценки турбулентного потока импульса на основании данных акустического зондирования и полуэмпирической теории Колмогорова-Прандтля, который даёт хорошее согласие получаемых значений с данными контактных измерений в условиях нейтральной стратификации АПС.

3. Сделано обобщение этого метода на случай произвольной стратификации АПС путём использования универсальной эмпирической функции Fm/ (Rf) потокового числа Ричардсона.

4. Получена экспериментальная оценка значений функции Fт/ (Rf) при различных значениях Rf на основании данных полевых измерений, проводившихся в различных условиях: над практически однородной подстилающей поверхностью в метеорологической обсерватории Лин-денберг (МОЛ) в Германии и над пересечённой местностью на Звенигородской научной станции (ЗНС) ИФА им. А. М. Обухова РАН.

5. Разработан, изготовлен и испытан акустический локатор (содар) ЛАТАН-3, который, наряду с традиционными измерениями профилей скорости и направления ветра, обеспечивает измерения дисперсий лучевых компонент скорости ветра.

6. Экспериментальная оценка точности измерений параметров поля ветра в АПС акустическим локатором ЛАТАН-3 показывает возможность использования его данных для реализации предложенного метода.

7. Определены характерные вертикальные профили потока импульса и коэффициента турбулентной вязкости в нижней части АПС.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Кузнецов, Ростислав Дмитриевич, Москва

1. Kaimal J. С., Haugen D. A. Characteristics of vertical velocity fluctuations observed on a 430 m tower // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. — 1967. - Vol. 93, no. 397. - Pp. 305-317.

2. Иванов В. H. Использование высотной метеорологической мачты ИЭМ для изучения пограничного слоя атмосферы: Tech. Rep. 12: Тр. Ин-та эксп. Метеорологии, 1970.

3. Кухарец В. П. Спектры турбулентных потоков импульса в пограничном слое атмосферы // Изв. АН СССР: Физика атмосферы и океана. — 1976. Т. 12, № 2. - С. 200-204.

4. Кухарец В. П., Цванг Л. Р. О параметризации турбулентных потоков тепла в неустойчиво стратифицированном пограничном слое атмосферы // Изв. АН СССР: Физика атмосферы и океана. — 1976. — Т. 12, № 1,- С. 13-21.

5. Кухарец В. П., Цванг Л. Р. Определение некоторых характеристик турбулентности в пограничном слое атмосферы // Метеорология и гидрология. — 1976. — № 7. — С. 56-60.

6. Gamo М., Yokoyama О., Yamamoto S., Mitsuta Y. Structure of the atmospheric boundary layer derived from airborne measurements of the energy dissipation rate 11 J. Meteorol. Soc. Japan. — 1976. — Vol. 54, no. 4. Pp. 241-258.

7. Miyake M., Donelan M., Mitsuta Y. Airborne measurement of turbulent fluxes // Journal of Geophysical Research. — 1970. — Vol. 75, no. 24. — Pp. 4506-4518.

8. Weill A., Lehmann H. R. Twenty years of acoustic sounding review and some applications // Meteorol. Z. - 1990. — Vol. 40. — Pp. 241-250.

9. Кухарец В. П., Цванг JI. Р., Яглом А. М. О связи характеристик турбулентности приземного и пограничного слоёв амосферы // Физика атмосферы и проблема климата. — Москва: Наука, 1980. — С. 194-215.

10. Яглом А. М., Татарский В. И., Цванг JI. Р., Волков Ю. А. Атмосферная турбулентность в задачах теории климата и распространения волн в атмосфере // Некоторые проблемы современной физики атмосферы / Под ред. А. Обухов. — Москва: Наука, 1981. — С. 51-93.

11. Stull R. В. An introdiction to Boundary Layer Meteorology. — Kluwer Acad. Publish., 1991. P. 666.

12. Britter R. E., Наппа S. R., A. B. G., Robins. Short-range vertical dispersion from a ground level source in a turbulent boundary layer // Atmospheric Environment. 2003. - Vol. 37, no. 27. - Pp. 3885-3894.

13. Doran J. C., Berkowitz С. M., Coulter R. L., Shaw W. L, W. S. C. The 2001 Phoenix Sunrise experiment: vertical mixing and chemistry during the morning transition in Phoenix // Atmospheric Environment. — 2003. Vol. 37, no. 17. - Pp. 2365-2377.

14. Ferrero E., Castelli S. Т., Anfossi D. Turbulence fields for atmospheric dispersion models in horizontally non-homogeneous conditions // Atmospheric Environment. — 2003. — Vol. 37, no. 17. — Pp. 2305-2315.

15. Обухов A. M. О рассеянии звука в турбулентном потоке // ДАН СССР. 1941. - Т. 30. - С. 611-614.

16. Татарский В. И. Теория флуктуационных явлений при распространении волн в турбулентной атмосфере. — М.: Издательство АН СССР, 1959. С. 548.

17. Татарский В. И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. — М.: Наука, 1967. С. 548.

18. Монин А. С. Некоторые особенности рассеяния звука в турбулентной атмосфере // Акуст. журнал. — 1961. — Т. 7, № 4. — С. 457-461.

19. Ishimaru A. Wave Propagation and Scattering in Random Media. — NY: Academic Press, 1978.

20. Ocmauiee В. E. Распространение звука в движущихся средах. — Москва: Наука, 1992. — С. 206.

21. Ostashev V. Е. Sound propagation and scattering in media with random inhomogenities of sound speed, density and medium velocity // Waves in Random Media. — 1994. Vol. 4. - Pp. 1-26.

22. Гурвич А. С. О рассеянии звука и радиоволн турбулентными структурами в стратосфере // Изв. РАН: Физика атмосферы и океана. — 1994.- Т. 30, № 1.- С. 3-12.

23. Каллистратова М. А. Экспериментальное исследование рассеяния звуковых волн в атмосфере // ДАН СССР. — 1959. — Т. 125. — С. 6972.

24. Каллистратова М. А. Экспериментальное исследование рассеяния звуковых волн в атмосфере // Труды ИФА АН СССР, «Атмосферная турбулентность». — 1962. — Т. 4. — С. 203-256.

25. Kallistratova М. A. Acoustic and radio-acoustic remote sensing study in cis (former USSR) // Int. J. Remote Sensing. — 1994. — Vol. 15, no. 2. — Pp. 251-266.

26. Kallistratova M. A. Physical grounds for acoustic remote sensing of the atmospheric boundary layer j I "Acoustic Remote Sensing Applications-/ Ed. by S. P. Singal. Springer-Verlag, 1997. - Pp. 3-34.

27. Kelton G., Bricout P. Wind velocity measurement using sonic techniques // Bull. Amer. Meteorol. Soc. 1964. — Vol. 45. - Pp. 571-580.

28. McAllister L. G., Pollard J. R., Mahoney A. R., Show P. J. R. Acoustic sounding a new approach to the study of atmospheric structure // Proc. IEEE. - 1969. - Vol. 57. - Pp. 579-587.

29. Beran D. W., Little C. G., Willmarth В. C. Acoustic doppler measurements of vertical velocities in the atmosphere // Nature. — 1971. — Vol. 230. Pp. 160-162.

30. Beran D. W., Willmarth В. C., Carsey F. S., Hall F. ЬАп acoustic Doppler wind measuring system // J. Acoust. Soc. Amer. — 1974. — Vol. 55. Pp. 334-338.

31. Brown E. H., Hall F. F. Advances in atmospheric acoustics 11 Rev. Geo-phys. and Space Pgys. 1978. - Vol. 16. - Pp. 47-110.

32. Neff W. D., Coulter R. L. Acoustic remote sensing // Probing the Atmospheric Boundary Layer / Ed. by D. H. Lenschow. — Boston: American Meteorological Society, 1986.- Pp. 201-240.

33. Singal S. P. Monitoring air pollution related meteorology using sodar // Applied Physics B. — 1993. Vol. 57. - Pp. 65-82.

34. Singal S. P., Gera B. S., Pahwa D. R. Application of Sodar to Air Pollution Meteorology // Int. J. Remote sensing. — 1994. — Vol. 15. — Pp. 427-441.

35. Asimakopoulos D. N., Helmis C. G. Recent advances on atmospheric acoustic sounding 11 Int. J. Remote Sensing. — 1994. — Vol. 15, no. 2. — Pp. 223-233.

36. Coulter R. L., Kallistratova M. A. The role of acoustic sounding in a high technology era // Meteorology and Atmospheric Physics. — 1999. — Vol. 71.- Pp. 3-13.

37. Coulter R. L., Kallistratova M. A. Two decades of progress in sodar techniques: a review of 11 ISARS proceedings 11 Meteorology and Atmospheric Physics. — 2004. Vol. 85. — Pp. 3-19.

38. Kallistratova M. A., Coulter R. L. Application of sodars in the study and monitoring of the environment // Meteorology and Atmospheric Physics. 2004. - Vol. 85. - Pp. 21-37.

39. Antoniou I., Joergensen H. E., von Hunerbein S., Bradley S. G., Kindler D. Inter-comparison of commercially available SODARs for wind energy applications // Proc. 12-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. — Cambridge, UK: 2004. Pp. 95-97.

40. Mursch-Radlgruber E., Bradley S. G., von Hunerbein S. Vortex detection and ranging (VODAR) // Proc. 12-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. — Cambridge, UK: 2004.- Pp. 215-218.

41. Meals D. Using a simple resistance law to estimate friction velocity from sodar measurements // Boundary Layer Meteorology.— 1991. — Vol. 57. Pp. 275-287.

42. Venkatesan R., Sitaraman V., Manju M. Estimation of the atmospheric surface-layer parameters and comparison with sodar observations // Atmospheric Environment. 1995. - Vol. 29, no. 22. - Pp. 3325-3331.

43. Gianini L., Argentini S., Mastrantonio G., Rossini L. Estimation of flux parameters from sodar wind profiles // Atmospheric Environment. — 1997. Vol. 31, no. 9. - Pp. 1307-1313.

44. Fiocco G., Ciminelli G., Mastrantonio G. Sodar retrieval of vertical acceleration, and implications for the determination of temperature and fluxesin the convective boundary layer // Atmospheric Research. — 1986. — Vol. 20. Pp. 199-212.

45. Greenhut G. K., Mastrantonio G. Turbulence kinetic energy budget profiles derived from doppler sodar measurements 11 Journal of Applied Meteorology. 1989. - Vol. 28. - Pp. 99-106.

46. Alberghi S., Maurizi A., Tampieri F. Relationship between the vertical velocity skewness and kurtosis observed during sea-breeze convection // Journal of Applied Meteorology. — 2002. — Pp. 885-889.

47. Tampieri F., Maurizi A. Investigations on convective boundary layer turbulence using sodar data // Annates Gephysicae. — 2003. — Vol. 46, no. 2.-Pp. 451-457.

48. Kramar V. F., Kouznetsou R. D. A new concept for estimation of turbulent parameters profiles in the abl using sodar data 11 Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2002. - Vol. 19. - Pp. 1216-1224.

49. Кузнецов P. Д., Крамар В. Ф., Каллистратова М. А. Дистанционное определение профилей потока импульса в нижней части атмосферного пограничного слоя // Известия РАН, Физика Атмосферы и Океана. — 2006. — Т. № -. — С. (в печати).

50. Гидрометеоиздат, М. — Методические указания по организации и производству метеорологических наблюдений на высотных башнях и мачтах, 1975.

51. Kaimal J. С., Baynton Н. A., Gaynor J. Е. Low level intercomparison experiment Boulder, Colorado, USA, August September 1979. Instrument and observing methods: Tech. Rep. 3. — Geneva, Switzerland: World Meteorological Organization, 1980.

52. Kaimal J. C., Gaynor J. E., Finkelstein P. L., Graves M. E., Lock-hart T. J. An evaluation of wind measurements by four doppler sodars: Tech. Rep. 5. Boulder, Colorado, USA: NOAA/BAO, 1984.

53. Gay nor J. E., Baker С. В., Kaimal J. C. The international sodar intercom-parison experiment // Proc. 5-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. — Tata McGraw-Hill, New Delhi, India: 1990. Pp. 67-74.

54. Finkelstein P. L., Kaimal J. C., Gaynor J. E., Graves M. E,, Lockhart T. J. Comparison of wind monitoring systems, Part I In situ sensors 11 Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. — 1986. — Vol. 3. — Pp. 583-593.

55. Каллистратова M. А., Карюкин Г. А., Мартвель Ф. Э., Петен-ко И. В., Тиме Н. С. Сравнение результатов дистанционных (содар-ных) и локальных методов измерений скорости ветра // МЭСП-81.— Потсдам: 1983.

56. Каллистратова М. А., Петенко И. В., Шурыгин Е. А. Содарные исследования поля скорости ветра в нижней тропосфере // Изв. АН СССР, ФАО. 1987. - Т. 23, № 5. - С. 451-462.

57. Пекур М. С. Дистанционное измерение параметров пограничного слоя над большими городами: Ph.D. thesis / ИФА РАН. — 1994.

58. Кузнецов Р. Д. Акустический локатор ЛАТАН-3 для исследований атмосферного пограничного слоя // Оптика атмосферы и океана. — 2006. — Т. -, № -. — С. (в печати).

59. Каллистратова М. А., Кон А. И. Радиоаукстическое зондирование атмосферы. — Москва: Наука, 1985. — С. 197.

60. Beyrich F., Gorsdorf U. Composing the diurnal cycle of mixing height from simultaneous sodar and wind profiler measurements // Boundary Layer Meteorology. 1995. - Vol. 76. - Pp. 387-394.

61. Vincent R. A., Reid I. M. HF Doppler measurements of mesospheric gravity wave momentum fluxes // Journal of Atmospheric Sciences. — 1983. Vol. 40. - Pp. 1321-1333.

62. Kropfli R. Single Doppler radar measurement of turbulrnce profiles in the convective boundary layer // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1986. - Vol. 3. - Pp. 305-314.

63. Reid I. M., Vincent R. A. Measurements of mesospheric gravity wave momentum fluxes and mean flow accelerations at Adelaide, Australia 11 Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. — 1987. — Vol. 49. — Pp. 443-460.

64. Nastrom G. D., Vanzandt Т. E. Measurements of vertical momentum fluxes in the troposhere by the Flatland VHF radar // Solar-Terrestrial Energy Program. 1991.- Pp. 156-160.

65. Kouznetsov R. D., Kramar V. F., Beyrich F., Engelbart D. Sodar-based estimation of TKE and momentum flux profiles in the atmospheric boundary layer: Test of a parameterization model // Meteorology and Atmospheric Physics. 2004. - Vol. 85. - Pp. 93-99.

66. Eberhard W. L., Cupp R. E. Doppler lidar measurements of profiles of turbulence and momentum flux // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1989. - Vol. 6. - Pp. 809-819.

67. Eberhard W. L. Estimations of atmospheric boundary layer fluxes and other turbulence parameters from Doppler lidar data // Journal of Geophysical Research. 1992. - Vol. 97. - Pp. 18409-18423.

68. Gal-Chen Т., Xu M., Eberhard W. L. Estimations of atmospheric boundary layer fluxes and other turbulence parameters from Doppler lidar data // Journal of Geophysical Research. — 1992. — Vol. 97. Pp. 1840918424.

69. Perers G., Kirtzel H.-J. Measurements of momentum flux in the boundary layer by RASS // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. — 1994,- Vol. 11.- Pp. 63-75.

70. Engelbart D. A. M. Determination of boundary-layer parameters using Windprofiler/RASS and SODAR/RASS // Proc. 9-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. Vienna, Austria: 1998. - Pp. 192-195.

71. Engelbart D. A. M., Andersson S., Gorsdorf U., Petenko I. V. The lin-denberg SODAR/RASS experiment LINEX-2000: concept and first results // Proc. 10-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. — Auckland, New Zealand: 2000. Pp. 270-273.

72. Монин А. С., Яглом A. M. Статистическая гидромеханика. Часть I. — Москва: Наука, 1965. С. 640.

73. Бусингер Д. А. Основные понятия и уравнения // Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / Под ред. Ф. Т. М. Ньистадт, X. Ван Доп. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1985. С. 18-50.

74. Klebanoff P. S. Characteristics of turbulence in a boundary layer with zero pressure gradient: Tech. Rep. 1247 / Nat. Advis. Com. Aeronaut.: 1955.

75. Laufer J. The structure of turbulence in fully developed pipe flow: Tech. Rep. 1033 / Nat. Advis. Com. Aeronaut.: 1954.

76. Kramar V. F., Kallistratova M. A. On a possibility of sodar data use in K-b short-range dispersion models I j Proc. 9-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. — Vienna, Austria: 1998. Pp. 251-254.

77. Алиев А. С., Зубковский С. JI., Цванг Л. Р. Об универсальных функциях атмосферной турбулентности над морем // Физика атмосферы и проблема климата. — Москва: Наука, 1980. — С. 194-215.

78. Ito Y., Hanafusa Т., Mitsuta Y. Wind measurements using five-beam phased array doppler sodar // Proc. 8-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. — Moscow, Russia: 1996. — Pp. 3.1-3.6.

79. Shurygin E. A., Kallistratova M. A., Petenko I. V., Zubkovski S. L. Comparison of measurements of turbulent kinetic energy by sodar and sonic anemometer // Proc. 10-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. — Auckland, New Zealand: 2000. Pp. 338-341.

80. Peters G., Fischer В., Kirtzel H.-J. One-year operational measurements with a sonic anemometer-thermometer and a Doppler sodar // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. — 1998. — Vol. 15. — Pp. 18-28.

81. Reitbuch O., Vogt S. Comparison of horizontal and vertical wind components measured by the METEK DSDR 3x7 sodar and tower measurements // Proc. 9-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. — Vienna, Austria: 1998. Pp. 143-146.

82. Kouznetsov R. D. Remote estimation of dispersion parameters of the atmospheric boundary layer // Proc. Conf. МАРАТЕ (in Russian).— Nizhnii Novgorod: 2003. Pp. 66-70.

83. Pahlow M., ParlangeM. В., Porte-Agel F. On Monin-Obukhov similarity in the stable atmospheric boundary layer j I Boundary Layer Meteorology. 2001. - Vol. 99. - Pp. 225-248.

84. X. Теннекес. Законы подобия, масштабные соотношения и спектральная динамика // Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / Под ред. Ф. Т. М. Ньистадт, X. Ван Доп. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1985. — С. 51-82.

85. Nieuwstadt F. Т. М. The turbulent structure of the stable nocturnal boundary layer 11 Journal of Atmospheric Sciences. — 1984. — Vol. 41. — Pp. 2202-2216.

86. Galmarini S., Beets C., Duynkerke P. G., Vila-Guerau de Arellano J. Stable nocturnal boundary layers: A comparison of one-dimensional and large-eddy simulation models // Boundary Layer Meteorology.— 1998. Vol. 88. - Pp. 181-210.

87. Kouznetsov R. D., Beyrich F. Richardson flux number and estimation of momentum flux in the lower ABL // Proc. 12-th Int. Symp. Acoust. Rem. Sens. — Cambridge, UK: 2004. Pp. 49-53.

88. Schumann U., Gerz T. Turbulent mixing in stably stratified shear flows // Journal of Applied Meteorology. — 1995. — Vol. 34. — Pp. 33-48.

89. Businger J. A. Reflections on boundary-layer problems of the last 50 years 11 Boundary Layer Meteorology. — 2005. — Vol. 116. — Pp. 161— 173.

90. Rohr J. J. An experimental study of evolving turbulrnce in uniform mean shear flows with and without stable stratification: Ph.D. thesis / University of San Diego. 1985. - P. 275.

91. Tavoularis S., Corrsin S. Effects of shear on the turbulent diffusivity tensor // Int. J. Heat Mass Transfer. 1985. - Vol. 28. - Pp. 256-276.

92. Businger J. A., Wyngaard J. C., Izumi Y., Bradley E. F. Flux profile relationships in the atmospheric surface layer // Journal of Atmospheric Sciences. 1971. - Vol. 28. - Pp. 181-189.

93. Wyngaard J. С., Cotd О. R., Izumi Y. Local free convection, similarity, and the budgets of shear stress and heat flux // Journal of Atmospheric Sciences. 1971. - Vol. 28. - Pp. 1171-1182.

94. Harvey J. Т., Culvenor J., Payne W., Cowley S., Lawrance M., Stuart D., Williams R. An analysis of the forces required to drag sheep over various surfaces // Applied Ergonomics. — 2002. — Vol. 33. — Pp. 523-531.

95. Красненко H. П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя. — Томск: Институт оптического мониторинга СО РАН, 2001.- С. 278.

96. Kirtzel Н. — Частное сообщение.

97. Metek GmbH. DADPA.90 User Manual, 2000.

98. Гладких В. А., Макиенко А. Э., Фёдоров В. А. Акустический допле-ровский локатор Волна-3 // Оптика атмосферы и океана. — 1999. — Т. 12, № 5. С. 437-444.

99. Каллистратова М. А., Петенко И. В. Установка для акустического зондирования скорости ветра и высоты слоя перемешивания (содар) // Фундаментальные науки народному хозяйству. — М.: Наука, 1990. — С. 426-430.

100. Gaynor J. Е. Accuracy of sodar wind variance measurements // Int. J. Remote Sensing. — 1994. Vol. 15, no. 2. - Pp. 313-324.

101. Finkelstein P. L., Kaimal J. C., Gaynor J. E., Graves M. E., Lock-hart T. J. Comparison of wind monitoring systems, part ii: Doppler sodars // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. — 1986. — Vol. 3. Pp. 594-604.

102. Atmospheric Research Company web site. — http://www.sodar.com.

103. Petenko I. V., Bezverkhnii V. A. Temporal scales of convective coherent structures derived from sodar data // Meteorology and Atmospheric Physics. 1999. - Vol. 71. - Pp. 105-116.

104. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — Москва: Наука, 1974. — С. 712.

105. Хинце И. О. Турбулентность. — М.: Физматгиз, 1963. — С. 680.

106. NeisserJ., Adam W., Beyrich F., Leiterer U., Steinhagen H. Atmospheric boundary layer monitoring at the meteorological observatory lindenberg as a part of the "lindenberg column": Facilities and selected results // Meteorol. Z. (NF). 2002. - Vol. 11.