Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Флуктуации концентрации и потоки аэрозоля в конвективных условиях

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Флуктуации концентрации и потоки аэрозоля в конвективных условиях"

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

На правах рукописи УДК 551.51

Шукуров Карим Абдухакимович

ФЛУКТУАЦИИ КОНЦЕНТРАЦИИ И ПОТОКИ АЭРОЗОЛЯ В КОНВЕКТИВНЫХ УСЛОВИЯХ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2003

Работа выполнена в Институте физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Г.И. Горчаков

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.П.Гончаров доктор физико-математических наук А.Н.Вульфсон

Ведущая организация:

Центральная аэрологическая обсерватория

Защита диссертации состоится " /9" IUOliJ 2003 г. в/£ часов на заседании Специализированного совета Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН (109017, Москва, Ж-17, Пыжевский пер., д.З).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН.

Автореферат разослан " 19 " 2003 г.

Ученый секретарь

Специализированного совета ИФА РАН им. A.M. Обухова

кандидат географических наук

Краснокутская Л.Д.

Актуальность темы диссертационной работы определяется тем, что ынос аэрозоля с подстилающей поверхности непосредственно связан с роцессом опустынивания нашей планеты, который является одним из важнейших (акторов глобального изменения окружающей среды. Выносимый с одстилающей поверхности минеральный аэрозоль влияет на радиационный эжим атмосферы, процессы облакообразования и климат. Особую роль играет ^бмикронная фракция аэрозоля, поскольку она имеет большое время жизни в юпосфере и переносится на большие расстояния. Тема диссертационной *боты актуальна и для атмосферной экологии. Процесс выноса аридного эрозоля с подстилающей поверхности аналогичен реэмисии в атмосферу эщионуклидов и других опасных примесей с загрязненных территорий, азвиваемое в диссертации направление исследований представляет феделенный интерес и для физики планетных атмосфер, в первую очередь, для юблемы пыльных бурь на Марсе [1]. Использование методики прямых [мерений вертикальных турбулентных потоков аэрозоля создает предпосылку >вышения точности определения интенсивности выноса минерального аэрозоля атмосферу на региональном и континентальном масштабах. Тема юсертационной работы имеет отношение к исследованию распространения имесей в конвективных условиях, в том числе, с участием вихрей и вихревых руктур.

Состояние вопроса. Вынос аэрозоля в атмосферу на опустыненных рриториях при средней скорости ветра больше 4 м/с происходит благодаря здействию на подстилающую поверхность ветропесчаного потока [2]. В осматриваемых условиях процесс выноса аэрозоля можно рассматривать как з генерацию подстилающей поверхностью поскольку выносимые в атмосферу гтицы не находятся на поверхности почвы в свободном состоянии [3]. мерения в ветровых тоннелях, дно которых было покрыто смесью нерального аэрозоля и песка, показали, что горизонтальный поток массы эозоля пропорционален твердому расходу (проинтегрированному по высоте гоку массы) песчаной фракции [2]. В свою очередь, твердый расход для :чаной фракции в натурных условиях можно оценить по известному чирическому соотношению [4], если известна средняя скорость ветра. Принято 1тать [5], что вертикальный поток массы аэрозоля пропорционален изонтальному потоку массы аэрозоля. При этом необходимо учитывать ^ралогический и гранулометрический состав эродирующей почвы и ее

влажность. Слабо изучена микроструктура выносимого с подстилающей поверхности аэрозоля. Как правило, не ставится вопрос о различии наблюдаемой в приземном слое микроструктуры аэрозоля и микроструктуры генерируемой подстилающей поверхностью компоненты аэрозоля. Слабо изучен вихревой вынос аэрозоля. Некоторые оценки скорости выноса аэрозоля вихрями малого диаметра (пылевыми смерчами) получены П.Синклером [6].

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование флуктуаций концентрации и вертикальных потоков аэрозоля, главным образом, в связи с процессом выноса аридного аэрозоля с подстилающей поверхности на опустыненной территории в конвективных условиях.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

1. Создать автоматизированные информационно-измерительные комплексы для измерения флуктуаций счетных концентраций частиц аэрозоля, хранения и первичной обработки информации.

2. Разработать программно-алгоритмический комплекс для статистического анализа данных измерений счетных концентраций аэрозоля и турбулентных пульсаций метеоэлементов.

3. Выполнить измерения флуктуаций дифференциальных концентрации аэрозоля, в различных физико-географических условиях, в том числе на опустыненной территории.

4. Выполнить статистический анализ флуктуаций дифференциальных счетных концентрации частиц аэрозоля.

5._ Изучить взаимосвязи вариаций дифференциальных счетных концентраций частиц аэрозоля и турбулентных пульсаций метеоэлементов.

6. Измерить вертикальные турбулентные потоки аридного аэрозоля на опустыненной территории в конвективных условиях.

7. Оценить вертикальные потоки аэрозоля с подстилающей поверхности при вихревом выносе.

Основные защищаемые положения

1. В конвективных условиях на опустыненной территории в зависимости от скорости ветра реализуются всплесковый или квазинепрерывный режимы генерации субмикронного и грубодисперсного аэрозоля, для которых существенно различаются статистические характеристики флуктуаций счетных концентраций. В случае квазинепрерывной генерации эмпирические функции распределения для счетных концентраций удовлетворительно аппроксимируются гауссовыми распределениями, а в случае всплесковой генерации - суммой двух логнормальных распределений. Выявлено заметное различие спектров флуктуаций концентрации частиц: показатель степени аппроксимирующих спектров (для диапазона частот от 0.01 до 0.1 Гц) в случае квазинепрерывной генерации находится в пределах от 0.8 до 1.2, а в случае всплесковой генерации - от 1.28 до 1.67. Общим свойством режимов всплесковой и квазинепрерывной генерации аэрозоля является синхронность генерации частиц различных размеров.

2. Турбулентность обеспечивает вынос в атмосферу аэрозоля, генерируемого в конвективных условиях подстилающей поверхностью на опустыненной территории, со скоростью около 7 см/с в случае квазинепрерывного режима генерации и 4 см/с в случае всплескового режима генерации. Поток частиц субмикронного аэрозоля варьирует в пределах (3.5-30) см~2с~1 при всплесковом режиме и равен примерно 50 см~2с~1 при квазинепрерывной генерации. Поток массы изменяется в пределах (2-13)х10-2 мкг м"2с~1 (70-470 г км~2час'1) при всплесковой и (20-28)х10~2 мкг м~2с~1 (700-1000 г км-2час~1) при квазинепрерывной генерации аэрозоля.

3. При средней скорости ветра от 4 до 10 м/с концентрация аэрозоля, выносимого с подстилающей поверхности на опустыненной территории связана соотношением линейной регрессии со скоростью ветра.

4. Скорость выноса аэрозоля с подстилающей поверхности вихрями и вихревыми структурами может в 10-30 раз превышать скорость турбулентного выноса аэрозоля. Поток массы субмикронного аэрозоля, выносимого вихрями в Приаралье, может достигать 3-4 мкг м~2с~1 (-10 кг км~2час~1).

Предметом защиты являются также следующие результаты диссертационной работы:

1. Наземные и самолетный информационно-измерительные комплексы для измерения флуктуаций счетных концентраций аэрозоля.

2. Программно-алгоритмический комплекс для обработки данных измерений и анализа флуктуаций счетных концентраций частиц аэрозоля и турбулентных пульсаций компонент скорости ветра и температуры воздуха.

3. Результаты измерений флуктуаций дифференциальных счетных концентрации частиц аэрозоля в различных физико-географических условиях, включая измерения в Приаралье, Восточной Калмыкии, Каспийском море, Подмосковье, г.Москве и др. регионах.

Научная новизна работы

1. Созданы согласованные меоду собой информационно-измерительные и программно-алгоритмический комплексы, позволяющие оперативно регистрировать и анализировать с помощью персонального компьютера большие массивы данных синхронных измерений флуктуаций дифференциальных счетных концентраций частиц аэрозоля и турбулентных пульсаций компонент скорости ветра и температуры воздуха.

2. Выполнены систематические измерения флуктуаций дифференциальных счетных концентраций аэрозоля в диапазоне размеров частиц от 0.4 до 1.6 мкм, а также концентрации частиц с размерами больше 1.6 мкм, в различных физико-географических регионах, в том числе в конвективных

„ условиях на опустыненных территориях Приаралья.

3. Впервые установлены статистические закономерности флуктуаций счетных концентраций для режимов всллесковой и квазинепрерывной генерации аэрозоля подстилающей поверхностью на опустыненной территории в конвективных условиях.

4. По данным синхронных измерений флуктуаций счетных концентраций субмикронного и грубодисперсного аэрозоля и пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра при контролируемом режиме турбулентности впервые определены экспериментально вертикальные турбулентные потоки счетной и массовой концентрации аридного аэрозоля, генерируемого подстилающей поверхностью на опустыненной

территории в конвективных условиях. Впервые получены оценки скорости турбулентного выноса в атмосферу с подстилающей поверхности аэрозоля на опустыненной территории.

5. Предложена степенная аппроксимация функции распределения частиц по размерам для компоненты аэрозоля, генерируемого подстилающей поверхностью.

6. Установлена статистическая связь между концентрацией аэрозоля, генерируемого подстилающей поверхностью на опустыненной территории, со скоростью ветра.

7. Оценены параметры вихревых структур, наблюдавшихся в конвективных условиях на опустыненной территории.

8. Получены оценки вихревых потоков субмикронного и грубодисперсного аэрозоля.

Научная ценность результатов диссертационной работы определяется тем, -1ТО вертикальные потоки аридного аэрозоля, в том числе субмикронного, на эпустыненной территории измерены непосредственно без использования каких-пибо гипотез. Полученные результаты позволяют более надежно оценивать эадиационные и климатические эффекты субмикронного минерального аэрозоля.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что использование прямого метода измерения скорости выноса аэрозоля с подстилающей поверхности позволяет получить более надежные оценки темпа опустынивания территорий в зависимости от метеорологических условий. Указанный метод может быть использован для определения скорости реэмисии опасных примесей с загрязненных территорий.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается большим объемом наблюдательных данных, согласием полученных результатов с результатами других авторов, многоплановой статистической обработкой результатов измерений и применением современных методов анализа временных рядов. Существенно, что ряд важнейших результатов работы не зависит от размерных концентраций частиц.

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в решении всех научных и технических задач, связанных с диссертационной работой.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Конференции "Аэрозоли Сибири" (Томск, 1997, 1998 гг.), Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (Санкт-Петербург, 1998

г.), Международном Симпозиуме "Контроль и реабилитация окружающей среды" (Томск, 1998 г.), Международной конференции "Физика атмосферного аэрозоля" (Москва, 1999 г.), Международной аэрозольной конференции памяти А.Г.Сутугина (Москва, 2000 г.). Конференции "Физические проблемы экологии (физическая экология)" (Москва, 1999 г.), X Международном Симпозиуме по дистанционному акустическому зондированию ISARS (Окленд, Новая Зеландия, 2000 г.), XIII Совещании Рабочей Группы проекта ARM (Брумфилд, США, 2003 г.) и на семинарах Отдела исследования состава атмосферы ИФА РАН.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 75 наименований, содержит 127 страниц машинописного текста, 28 таблиц и 85 рисунков.

Содержание работы

Во введении сформулированы защищаемые положения, цель и основные задачи работы, охарактеризована их научная новизна, достоверность выводов и результатов, описана структура диссертации, изложены основные результаты и указана научная значимость и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе описан информационно-измерительный комплекс -автоматизированный счетчик частиц аэрозоля АСЧ Всплеск для измерения флуктуации счетной концентрации и функции распределения аэрозольных частиц по размерам. Комплекс создан на основе фотоэлектрического счетчика частиц ПК.ГТА0.3-002, контроллера АЦП и персонального компьютера. Основными достоинствами АСЧ Всплеск являются: а) высокое разрешение по времени при измерении флуктуаций счетной концентрации аэрозоля - до 0.125 с, б) широкий диапазон измеряемых размеров частиц - от 0.2 до 4-5 мкм, в) высокое разрешение при измерении функции распределения частиц по размерам - 0.1 мкм по размеру.

С использованием различных модификаций АСЧ Всплеск получены данные о счетных концентрациях и функциях распределения частиц аэрозоля по размерам в разнообразных физико-географических регионах и различных метеорологических условиях. Детально описаны аппаратура и методика измерений. Оценены случайные ошибки измерений счетных концентраций аэрозоля. В Табл.1 приведены данные об общем массиве данных измерений в 1998-2003 гг.

Табл.1. Интервал осреднения (Д1), длина (п) и количество реализаций (N5 флуктуаций счетных концентраций, полученных с применением АСЧ Всплеск в различных регионах в 1998-2003 гг.

Регион Д1, с п N

Каспийское море (1998) 60 600-1440 -40

Приаралье (1998) 1 1000 115

Подмосковье (1999) 60 600 - 900 40

Восточная Калмыкия (2001) 1 1000 -100

Москва (2001) 1 1000 500

Подмосковье (2003) 0.5 30000-70000 30

Москва - Хабаровск - Москва (1998) 60 600-1440 -40

В диссертационной работе анализируются результаты измерений уктуаций счетной концентрации, полученные на опустыненных территориях иаралья в 1998 г. Анализируются фракции аэрозоля: N1 (1) с размерами частиц -0.6 мкм, N2 (2) с размерами 0.6-1.0 мкм, N3 (3) с размерами 1.0-1.6 мкм и N4 (4) азмерами частиц больше 1.6 мкм.

Синхронно с измерениями флуктуации концентрации аэрозоля проводились Д.Копровым (ИФА РАН) измерения турбулентных пульсаций компонент >рости ветра и температуры. Совместный анализ аэрозольных и турбулентных иных позволил экспериментально получить значения турбулентных потоков эозоля и оценить величины турбулентного и вихревого выносов аэрозоля с /стыненных территорий.

Вторая глава посвящена статистическому анализу флуктуаций счетной -щентрации аэрозоля по данным измерений в 1998 г. на опустыненных рриториях Приаралья.

12:54 1257 1300 13:03 13:08 13.09 13:12 13:14 Время, час:мин

11:28 11:32 11:36 11.40 1144 11:48 Время, час:мин Рис.2

Рис.1.

По данным измерений в Приаралье выявлены два режима флуктуаций етной концентрации аэрозоля - всплесковый и квазинепрерывный, для которых личный вид реализаций приведен на Рис.1 и Рис.2, соответственно. Указанные

9

режимы флуктуаций связаны соответственно с всплесковым и квазинелрерывным режимами генерации аэрозоля подстилающей поверхностью, возникающих при различных скоростях ветра. Всплесковый режим генерации наблюдался 20.09.98 -23.09.98 при средних скоростях ветра 3-5 м/с, а квазинепрерывный 18.09.9819.09.98 при средних скоростях 7-10 м/с.

Табл.2. Коэффициенты корреляции между счетными концентрациями различных фракций аэрозоля

Дата, время Число отсчетов Р12 Р13 Р23 ¿А, С

18.09.98 1000 0.78 0.65 0.90 1

10:35 0.91 0.80 0.96 10

19.09.98 8500 0.77 0.61 0.89 1

10:40 0.86 0.70 0.95 10

21.09.98 3700 0.94 0.92 0.95 1

09:23 0.97 0.97 0.99 10

22.09.98 2600 0.91 0.88 0.95 1

12:57 0.98 0.96 0.98 10

22.09.98 400 0.87 0.84 0.94 1

13:27 0.96 0.93 0.97 10

Общим для обоих режимов является синхронность генерации частиц различных фракций, на что показывают высокие коэффициенты корреляции между концентрациями различных фракций. В Табл.2 приведены коэффициенты корреляции между концентрациями частиц, относящихся к различным фракциям. Из Табл.2 видно, что наибольшая корреляция имеет место между концентрациями фракций N2 и N3 при всплесковой генерации аэрозоля.

*(1),р(4)

Рис.3.

Рис.4

По данным измерений флуктуаций счетной концентрации при различны» режимах генерации аэрозоля подстилающей поверхностью построень эмпирические функции распределения (ЭФР). ЭФР для режиме

10

квазинепрерывной генерации удовлетворительно аппроксимируется нормальным распределением (Рис.3), а для режима всплесковой генерации суммой двух логнормальных распределений (Рис.4).

Рассчитаны спектры мощности флуктуаций счетной концентрации частиц аэрозоля по данным измерений в конвективных условиях Приаралье в 1998 г. Получены степенные аппроксимации спектров флуктуаций счетных концентраций частиц аэрозоля в различных условиях. Показано, что для режима всплесковой генерации средние спектры мощности флуктуаций удовлетворительно аппроксимируются степенными функциями в диапазоне частот от 0.01 до 0.1 Гц. Значения показателя степени аппроксимирующих функций группируются в диапазоне от 0.8 до 1.2 при квазинепрерывной генерации и в диапазоне от 1.28 до 1.67 при всплесковой генерации. На Рис.5 и Рис.6 приведены средние спектры мощности флуктуаций счетной концентрации для режимов всплесковой (фракция N0 и квазинепрерывной (фракция N3) генерации, соответственно. Э,, отн.ед. Б,, отн.ед.

Третья глава посвящена измерениям вертикальных турбулентных потоков аэрозоля, тепла и кинетической энергии, полученных по данным измерений на опустыненной территории в Приаралье флуктуаций счетной концентрации аэрозоля и турбулентных пульсаций компонент скорости ветра и температуры. Приводятся результаты сопоставления аэрозольных и турбулентных параметров.

На Рис.7 приведен пример реализации вертикального турбулентного потока аэрозольных частиц (50-секундное осреднение) с размерами 1.0-1.6 мкм, зарегистрированной 22.09.98 во время всплесковой генерации аэрозоля подстилающей поверхностью.

Рис.5

¡.Гц Рис.6

И

О, мкм

Рис.7 Рис.8

В Табл.3 приведены оценки вертикальных турбулентных потоков аэрозоля и потоков массы, зарегистрированных при всплесковой и квазинепрерывной

генерации аэрозоля подстилающей поверхностью.

Табл.3. Вертикальные турбулентные потоки аэрозоля с подстилающей поверхности

Дата, время <Р|>, см 2с~1 см с-1 Ф;, 10 2мкгм 2с-1 10"2мкг м~2с"1 (кг км"2час')

1 2 3 4 1 2 3

22.09.98 10:05 12.4 18.6 12.2 10.3 54 1.86 11.2 30.5 43.5(1.6)

22.09.98 12:56 6.8 9.5 5.5 4.1 26 1.02 5.70 13.8 20.5 (0.7)

22.09.98 13:30 7.9 10.0 6.8 4.4 29 1.19 6.00 17.0 24.2 (0.9)

22.09.98 14:56 1.3 2.3 1.5 0.6 6 0.20 1.38 3.75 5.33 (0.192)

18.09.98 11:28 4.3 45.4 68.0 62 180 0.65 27.2 170 198(7.1)

19.09.98 11:18 20.2 28.3 18.9 10.5 78 3.03 17.0 47.3 67.3 (2.4)

19.09.98 19:20 -0.3 -0.2 -0.3 -0.2 -1 -0.045 -0.12 -0.75 -0.92 (-0.033)

Для различных режимов генерации аэрозоля подстилающей поверхностью получены функции распределения частиц по размерам генерируемой компоненты аэрозоля. На Рис.8 приведены функции распределения генерируемой компоненты аэрозоля по размерам для режима всплесковой генерации (4) и различных случаев квазинепрерывной генерации (1,2,3). Видно, что функция распределения по размерам генерируемой компоненты аэрозоля может быть удовлетворительно аппроксимирована обратно степенным распределением с показателем 1.5 (5).

По данным измерений турбулентных пульсаций рассчитаны основные параметры турбулентности для режимов квазинепрерывной и всплесковой генерации. В Табл.4 приведены масштаб Монина-Обухова 1_, динамическая скорость и*, турбулентный Я и кинематический О потоки тепла, поток кинетической энергии вычисленные по осредненным по 1 секунде (1) и по исходным данным измерений турбулентных пульсаций (разрешение 1/32 с).

Табл.4. Параметры турбулентности

Дата, время О | О" Р? | ч*. Вт/м2 и* | и*(1) 1-, м

Км/с Вт/и' м/с

22.09.98 10:05 0.168 0.148 220 190 -0.14 0.38 0.33 -25

22.09.98 12:56 0.168 0.112 220 145 -0.05 0.49 0.44 -53

22.09.98 13:30 0.105 0.068 135 90 -0.08 0.40 0.37 -46

22.09.98 14:56 0.016 0.012 21 16 -0.06 0.25 0.23 -73

18.09.98 11:28 0.184 0.135 240 175 -0.04 0.64 0.59 -107

19.09.98 11:18 0.175 0.124 230 160 -0.02 0.68 0.56 -135

19.09.98 19:20 -0.008 -0.006 -3 - - 0.024 0.022 -

Вычислены нормированные турбулентные потоки тепла, кинетической

эргии и аэрозоля для фракций N1, N2, N3 и N4 (Табл.5).

Табл.5. Нормированные турбулентные потоки аэрозоля (\л/„,| для фракций 1-4 и среднее \Л/„), тепла \/7„ и кинетической энергии

Дата, время см/с <\Л/П>, см/с \л/„, см/с Щ, см/с и„, см/с

1 2 3 4

22.09.98 10:05 6.3 6.5 5.3 6.2 6.1 -7.0 12.7 2.5

22.09.98 12:56 2.0 , 2.0 1.8 2.0 2.0 -2.4 17.9 11.0

22.09.9813:30 3.2 3.0 3.2 3.0 3.1 -3.5 13.7 4.5

22.09.98 14:56 1.4 4.3 3.8 1.6 2.8 -5.6 10.2 11.0

18.09.9811:28 1.6 9.8 10.5 11.1 8.3 -0.9 40.1 4.0

19.09.98 11:18 5.9 6.3 4.8 3.3 5.1 -0.5 24.8 3.0

19.09.9819:20 -0.5 -0.4 -0.7 -0.5 -0.5 - - -

Изучена корреляционная связь между средней скоростью ветра и счетной нцентрацией аэрозольных частиц. На Рис.9 приведена корреляционная висимость мехаду концентрацией частиц второй фракции с размерами 0.6-1.0 ;м и средней скоростью ветра I).

и 12 10 8 в 4 2 0

2 4 в 8 10

II, м/сек

Рис.9.

Чем

Четвертая глава посвящена задаче диагностики различных вихревых структур, в том числе, зашумленных турбулентностью, и оценки их основных параметров по данным одноточечных измерений пульсаций трех компонент скорости ветра и температуры воздуха. Проанализированы флуктуации счетных концентраций частиц аэрозоля в локализованных вихревых структурах, а также определены внутривихревые вертикальные потоки аэрозоля.

Табл.6. Параметры вих ревых структур

№ Дата, время Район !_, м Ущ, м/с <«/>, м/с

1 23.09.98 12:05 Приаральв 1200 1.45 0.46

2 22.09.98 13:06 Приаральв 800 1.60 0.38

3 23.09.98 12:14 Приаралье 100 1.15 0.55

4 26.05.01 16:09 Калмыкия 30 4.10 -

5 26.05.01 15:57 Калмыкия 10 2.10 1.68

В Табл.6 приведены основные параметры некоторых вихревых структур, где I. - горизонтальный масштаб вихря, ут - максимальная касательная скорость и <\м> - среднее значение вертикальной компоненты скорости ветра внутри вихря.

Для диагностики вихревых структур использовался, в частности, параметр Е = 1ы|2, где а), - значение ортогональных компонент угловой скорости вращения.

В конвективных условиях наблюдаются вихри не только с вертикальной осью вращения Ф 0, = ы2 = 0), но и вихри с произвольными осями вращения. На Рис.10, приведен пример корреляционной связи между компонентами угловой скорости вращения и>2 и Шз для вихревой структуры с такими вихрями.

На Рис.11 приведен пример результатов синхронных измерений параметра Е и концентрации частиц аэрозоля с размерами 0.6-1.0 мкм, который свидетельствует о вихревом механизме выноса аэрозоля.

о3, отн.ед. N г(1), см 3 Е(2), отн.ед.

Рис.10. Рис.11.

В Табл.7 приведены оценки вертикальных вихревых потоков субмикронного (фракции ^и N2) и грубодисперсного (фракции N3 и N4) аэрозоля.

Табл.7 Вертикальные вихревые потоки аэрозоля

№ Р„ 102 см^с"1 102 см"2с-' Ф|, мкг м^с 1 ЕФ|, мкг м-2с-1 (кг км'2час1)

1 2 3 4 1 2 3

1 2.30 3.50 2.25 1.40 9.5 0.4 2.5 6.9 9.8 (35.3)

2 2.80 3.95 2.60 1.60 11.0 0.5 2.8 7.9 11.2(40.3)

3 2.85 4.31 2.47 1.41 11.0 0.5 3.1 7.5 11.1 (40.0)

4 2.35 3.20 1.85 1.40 8.8 0.4 2.3 5.6 9.3 (33.5)

5 2.83 3.24 2.58 1.60 10.3 0.5 2.3 7.8 10.6 (38.2)

6 1.32 1.59 1.23 1.26 5.4 0.2 1.1 3.8 5.1 (18.4)

Среднее 2.41 3.30 2.16 1.45 9.3 0.4 2.3 6.6 9.3 (33.5)

В заключении приведены основные результаты работы:

1. Созданы информационно-измерительные системы для измерения флуктуаций счетных концентраций частиц субмикронного и грубодисперсного аэрозоля.

2. Разработан программно-алгоритмический комплекс для обработки и анализа данных синхронных измерений флуктуаций счетных концентраций аэрозоля и турбулентных пульсаций.

3. Выполнены систематические измерения флуктуаций дифференциальных счетных концентраций частиц аэрозоля в различных физико-географических условиях.

4. Выявлены всплесковый и квазинепрерывный режим генерации аридного аэрозоля подстилающей поверхностью на олустыненной территории в конвективных условиях. Установлено, что частицы разных размеров синхронно генерируются подстилающей поверхностью.

5. Получены статистические характеристики флуктуаций концентрации частиц аэрозоля. При квазинепрерывной генерации эмпирические функции распределения счетных концентраций аппроксимируются гауссовыми распределениями, а при всплесковой, как правило, суммой двух логнормапьных распределений. Выявлено различие спектров флуктуаций для двух режимов генерации.

6. Предложена степенная аппроксимация функции распределения частиц по размерам для генерируемой компоненты аэрозоля.

7. Выполнены измерения турбулентных пульсаций компонент скорости ветра и температуры воздуха. Рассчитаны основные параметры турбулентности.

8. По данным синхронных измерений флуктуаций счетной концентрации субмикронного аэрозоля и турбулентных пульсаций трех компонент скорости ветра и температуры воздуха в Приаралье рассчитаны вертикальные турбулентные потоки частиц для четырех фракций аэрозоля в конвективных условиях на опустыненной территории. Определены пофракционные потоки массы аэрозоля.

9. Для конвективных условий Приаралья рассчитаны скорости турбулентного выноса аэрозоля (нормированные потоки) из нижней части приземного слоя атмосферы.

10. По данным измерений пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра и температуры воздуха рассчитаны турбулентные потоки тепла в конвективных условиях. Выполнено сопоставление результатов измерения турбулентных потоков тепла и аэрозоля.

11. Проанализирована статистическая связь между концентрацией частиц генерируемой компоненты аэрозоля и скоростью ветра. Показано, что концентрация частиц аэрозоля может быть оценена по соотношению линейной регрессии. Показано, что концентрация аэрозоля может быть оценена и по другим параметрам ветрового потока.

12. На основе анализа данных для широкого диапазона размеров частиц предложена степенная аппроксимация микроструктуры аридного аэрозоля.

13. Получена оценка массы аэрозоля, выносимого с подстилающей поверхности на опустыненной территории. Выполнено сопоставление с известными моделями выноса аэрозоля.

14. Оценены параметры вихрей с вертикальной осью и других вихревых структур.

15. Получены оценки вихревых потоков аэрозоля.

Цитируемая литература

1. Голицын Г.С. Введение в динамику планетных атмосфер. Л.: Гидрометеоиздат, 1973, 104 с.

2. Shao, Y., M.R.Raupach, P.A.Findlater. The Effect of Saltation and Bombardment on the Entrainment of Dust by Wind // J.Gephys.Res., 1993, V.98, P.12719-12726.

3. Chatenet В., et.al. Assessing the Actual Grain-Size Distributions of Desert Soils Erodible by Wind U Sedimentology, 1996, V.43, P.901-911.

4. Bagnold R.A. The Physics of Blown Sand and Desert Dunes И 1941, New York: Morrow, 265 p.

5. Alfaro SC., Gomes L. Modeling Mineral Aerosol Production by Wind Erosion: Emission Intensities and Aerosol Size Distributions in Source Areas II J.Gephys.Res., 2001, V.106, ND16, P. 18075-18089.

6. Sinclair P.C. Vertical Transport of Desert Particulates by Dust Devils and Clear Termals // Proceedings of Atmosphere-Surface Exchange of Particulates and Gaseous Pollutant, 1975, Rechland, WA, Energy research and development center series, V.38, P.497-527.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Горчаков Г.И., Шишков П О , Копейкин В.М., Шукуров К.А. и др. Лидарно-нефелометрическое зондирование аридного аэрозоля И Аэрозоли Сибири, Тезисы, Томск, 1997, с.27.

2. Горчаков Г.И., Исаков А.А., Шукуров К.А. и др. Временная изменчивость градиентов метеоэлементов по данным измерений в Калмыкии II Аэрозоли Сибири, Тезисы, Томск, 1998, с.59-60.

3. Горчаков Г.И., Шукуров К.А., Тихонов К.А., Копейкин В.М. Исследование короткопериодных вариаций микроструктуры приземного аэрозоля // Аэрозоли Сибири, Тезисы, Томск, 1998, с.80.

4. Шукуров К.А. Лабораторное моделирование термоконвективного выноса аэрозоля с опустыненных территорий // Аэрозоли Сибири, Тезисы, Томск, 1998, с. 143-144.

5. Горчаков Г.И., Шукуров К.А. Анализ режимов выноса аэрозоля с подстилающей поверхности II Аэрозоли Сибири, Тезисы, Томск, 1998, с.60-61.

6. Горчаков Г.И.. Емиленко А.С., Шукуров К.А. и др. Оптический мониторинг атмосферного аэрозоля II Международный Симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды". Тезисы, 1998, Томск, с.5-6.

7. Горчаков Г.И., Колейкин В.М,, Шукуров К.А. и др. Аэрозоль в конвективном пограничном слое II Естественные и антропогенные аэрозоли, Санкт-Петербург: СПбГУ, 1998, с.342-348.

8. Горчаков Г.И., Исаков А.А., Шукуров К.А. и др. Лидарно-нефелометрическое самолетное зондирование аридного аэрозоля // Оптика атмосферы и океана, 1998, Т. 11, №10, с.1118-1123.

9. Горчаков Г.И., Копейкин В.М., Семутникова Е.Г., Шукуров К.А. Исследование газового и аэрозольного загрязнения воздушного бассейна г. Москвы // Физические проблемы экологии (физическая экология). Тезисы, Москва. 1999. с. 11.

10. Шукуров К.А. Исследования флуктуации счетной концентрации субмикронного аэрозоля в Каспийском море // Физика атмосферного аэрозоля: Международная конференция, Труды, М.: Диалог-МГУ, 1999. 512 с.

11. Горчаков Г.И., Копейкин В.М., Исаков А.А., Шукуров К.А. и др. Исследование вариаций параметров аэрозоля в пограничном слое атмосферы II Физика атмосферного аэрозоля: Международная конференция. Труды, 1999, М.: Диалог-МГУ, с.151-159.

12. Горчаков Г.И., Копров Б.М., Шукуров К.А. Исследование выноса субмикронного аэрозоля с подстилающей поверхности // Оптика атмосферы и океана, 2000, Т.13, №2, с.166-170.

13. Gorchakov G.I., Koprov В.М., Shukurov К.А. Relationship Between Aerosol Concentration Fluctuations and Turbulent Pulsations II Международная аэрозольная конференция, Труды, 2000, М.: НИФХИ, с.237-248.

14. Shukurov К.А. Statistical Characteristics of the Submicron Aerosol Concentration Fluctuations И Международная аэрозольная конференция, Труды, 2000, М.: НИФХИ, с.298-303.

15. Gorchakov G.I., Shukurov K.A. Submicron Aerosol Concentration Fluctuations II Международная аэрозольная конференция, Труды, 2000, М.: НИФХИ, с.249-255.

16. Emeis S., Kallistratova М.А., Petenko I.V., Shurygin E.A., Kouznetsov R.D., Bezverhnii V.A., Grachev A.I., Shukurov K.A. Study of Coherent Structures in the ABL by Remote and in situ Techniques IIX"1 International Symposium on Acoustic Remote Sensing (ISARS), Auckland, New Zeland, 2000. p. 103-105.

17. Gorchakov G.I., Koprov B.M., Shukurov K.A. Vertical Turbulent Aerosol Fluxes over Desertized Areas II Izvestiya, Atmos. Oceanic Phys., Vol.38, Suppl.1, 2002, pp.S138-S147.

18. Горчаков Г.И., Шукуров K.A. Флуктуации концентрации субмикронного аэрозоля в конвективных условиях II Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 2003, Т.39, №1, с.85-97.

19. G.I.Gorchakov, B.M.Koprov, K.A.Shukurov and G.S.Golitsyn. Empirical Model of Aerosol Uplifting from the Arid Area // Xllfh Science Team Meeting of Atmospheric Radiation Program (ARM), Proceedings, Broomfield, USA, 2003, p.134.

20. Горчаков Г.И., Копров Б.М., Шукуров K.A. Вихревой вынос аридного субмикронного аэрозоля // Изв РАН, Физика атмосферы и океана (в печати).

ООП МГУ Зак.76 Тир,ж 120. 2003 г.