Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование термической структуры атмосферного пограничного слоя крупного города (Москвы) методом акустического зондирования

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование термической структуры атмосферного пограничного слоя крупного города (Москвы) методом акустического зондирования"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛИШ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 3UAMEKM ГССУДАРСТБЯШЩЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОССВА Географический факультет

к ' ■ _ Яа просог рукописи

\

Лаксщенко i&txasui Александрович

I

УДК 551.524.77 (501.7)

ШУЕДСВАИКЕ ТЕГККЧЕСКОЛ СТРУКТУРЫ А'К.ЮСвШЮГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ КРУПНОГО ГОРОДА (МОСКВЫ) МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ.

11.00.09 - цетеорологяя, клана голо гая, 31-ро';йтеоро.".ог.!л

• АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискашш ученсЯ стопеш: кандидата географических наук

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре метеорологии и клииатолоиш географического факультета Московского государственного университета ш. К!.В.Ломоносова

Научный руководитель: кандидат географических наук, доцент Б.А.Семеичешю

Официальные оппоненты: доктор физико-изтеиатических наук,

главный научный сотрудник Н.Л.Еызова

кандидат географических наук, доцент А.В.Щербаков

Ведущая^организация: Главная геофизическая обсерватория )ш. ¿.И.Воейкова

Защита диссертации состоится 26 мая 1994 г. в часов на заседании специализировашюго гидрометеорологического совета в . Московской государственной университете гщ. М.В.Ломоносова Д-053.05.30 по адресу: 119899, Москва, Воробьевы гори, МГУ, географический факультет, аудитория 1801, 18 эта*. ■

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан ¿2-апреля 1994 г.

Уче1Шй секретарь специализированного совета, кандидат географических наук Алексеева С.Ф.

\11 чЛС "К (.мЬ с.

-I-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Атиосфершй пограшиный слой (АПС) в крупных городах характеризуется рядои особенностей: сугцествованиеи "острова тепла", циркуляции "городского Ориза" и пр. Специфика АПС над городоы проявляется и в его вертикальной термической структуре . Ваяность ее исследования объясняется тем, что она в значительной степени определяет условия рассешзашш загрязнений.

Изучение вертиквлышх профилей тешературы в АПС ведется уже около ста лет с использованием воздушных змеев, аэростатов, ба-Еон и начт, дирикаблей, самолетов, вертолетов, радиозондов. Однако Ш'.огке традиционные способа измерения оказываются малоэффективными при попытках получить с их поиощью более подробную шфориацкю о тершческой структуре. Они зачастую трудоемки, неэкономичны и иыеот недостаточное пространственной и временное разрешение. Поэтому развитие акустического дистанционного- зон-дироватш АПС как одного из новых методов, свободных от этих недостатков, - одна из насутдшх задач науки.

Результаты продолжительных содарных наблюдений в МГУ полезны для решения экологических задач, связанных с предотвращением опасных уровней загрязнения атмосферы. Кроые того, они расширяют представлешш о физике пограничного слоя и климате крупных городов, позволяют проверить ряд теоретических положений.

Цель работы состояла в изучении пространственных и временных закономерностей формировагшя термической структура АПС до шсо-ты 800 и. Показателями, составляй®™ эту структуру в совокупности, являются повторяемости различной стратификации температуры Т и характерные высоты вертикальных профилей Т: грашщи приземных и приподнятых инверсий, приземного оухеустойтдвого

слол, висотв проникновения свободной конвекции и высота слоя перемешивания как комплексная обобщающая характеристика.

Научная новизна. Впервые в СССР осуществлено многолетнее со-дарное зондирование АПС и климатологическое обобщиние полученной факсимильной информации.

Практическая ценность работы. Полученные результаты ыояно использовать при уточнении климатических характеристик Москвы, в градостроительстве и природоохранных мероприятиях - например, при выработке рекомендаций о высоте труб промышленных объектов и степени перегрева примесей, необходимой для их выноса за пределы слоя перемешивания; при составлении прогнозов условий загрязнений и в задачах моделирования АПС. Леяащая в основе метода регистрация мелкомасштабной температурной турбулентности делает полученные данные полезными и для астрофизических исследований. Исходный материал. Материалом для работы послуиили:

1) непрерывные наблюдешш вертикальным акустическим локатором (содаром) "3X0-1" производства ГДР в МГУ в 1986-1992 гг.;

2) периодические одновременные наблюдения двумя и тремя содара-ш. в разных точках города и окрестностей в те же годы;

3) данные радиозондирования в Долгопрудном и измерений на высотных метеокомплексах в Останкино и в Обнинске.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XI Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного и акустического излучения в Томске в июне 1991г.; на .семинаре в МосЦГНС в декабре 1991 г.; на Ломоносовских чтениях в МГУ в апреле 1992 г.; на научно-практической конференции "Стратегия экологической безопасности России" в Санкт-Петербурге в ноябре 1992г.; на семинаре в ГГО там же в ноябре 1992 г.; на международном семинаре

-3в ГОЙНе в Москве в ноябре XS92 г.; в Московском филиале Всероссийского географического общества в декабре 1992 г.; на 2-Я сессии Российского акустического общества в use 1993 г. Доклада были представлены нв XTI Европейский симпозиум по мониторингу округввдей среда методами дистанционного зоидировшшя в Эгере (Венгрия) в сентябре 1992 г.; на хн Межреспубликанский симпозиум по распространенна лазерного излучения в Томске в нюне 1993 г.; на IV Иеядукародный симпозиум в Гренобле (Фракция) в июле 1994 г.; на I Межреспубликанский сшхпозиум "Оптика атмосфера и океана" в Тои.ске в июне 1994 г. Соавторами докладов соискателя является М.С.Пекур, А.А.Исаев и М.А.Каллистратова. Публикации. По теме диссертации опубликовано и находится в печати 16 научных работ, в том числе - 7 статей в рецензируешь журналах. Перечень вгвиейшх из этих работ приведен на стр.2в. Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из 5 глав, введения, заключения, списка литература и приложения. Основной текст излохен на ^^■¿страницах ц вкдочает в себя 59 рисунков и 32 таблицы. Список литературы насчитывает 181 наименование, из них 68 - на иностранных языках.

СОДЕРКАШЕ РАБОТЫ. Во введении дается обосновать актуальности теш диссертации, определяется задачи приводятся сведения о материалах. Глава I. Акустическое зондирование атмосферы в «етеорологичес-¡шх исследованиях (обзор литературы).

В 51 обсуздается рассеяние звука на турбулентных неоднород ностях в атмосфере кок теоретическая основа метода акустического зондирования, рассиотрекы общие вопросы теории. Прослежена история теоретических исследования этого направления. Подробно

лроанализированы исходные предположения и постанови! задачи, осуществленные A.M.Обуховым, Р.Крейчнаном, А.С.Мониньш и др.

В §2 исследуется экспериментальное развитие метода - начиная с классических экспериментов Дя.Тивдалля, К.А.Каллистратовой и создания пионеркой модели содара Дя.Гилманом до изобретения в 1963 г. Л.Мак-Аллистером современного акустического локатора. Рассмотрены возможности звуковой локации и ее применение. Обсуждается достоверность интерпретации факсимильных изображений эхо-сигнала в терминах температурной стратификации АЛС, в частности - механизм обратного рассеяния звука в условиях атмосферных инверсий. Приведено развернутое обобщение и анализ результатов известных сопоставлений турбулентных изображений по сода-ру с одновременными прямыми измерениями т в АПС. Хотя теория не доказывает однозначного соответствия вида турбулентной структуры на записях типу стратификации и характерным высотам профилей т. многочисленные эксперименты тем не менее подтверждают исключительно тесное согласие таких оценок по содару с самыми точными измерениями in situ. Приведен обзор существующих классификаций факсимильных изображений и сформулированы основные принципы разработки оптимальной классификации. Обобщены результаты использования вертикальных содаров для контроля воздушного загрязнения и для решения широкого круга географических задач. Глава 2. Долговременные содэрше наблюдения AI1C в МГУ.

Кафедра метеорологии и климатологии географического факультета МГУ вместе с МЛ АН СССР проводила в 1988-91 и летом 1992 гт. долговременное акустическое зондирование ЛИС (сам автор осущестааял его начиная с мая 1990 г). Содар "ЭХО-Г* установлен на территории Метеорологической обсерватории МГУ. Рабочая час-

тота локатора - 1666 Гц, вертикальный диапазон - 25-800 н, длина и могцность импульса - 75 ыс и 75 Вт, период посилок - 10 с.

Методика кодировки факсимильных записей в основе своей разработана в НФА. В соответствии с ней горизонтальный слой почернения внизу записи с отчетливой верхней границей отождествлялся с приземной шгоерсией; слабее неупорядоченные изобраяешш слоистого типа, но без четкоЯГ границы - с призешшм слэбоустойчи-вын слоен; полное отсутствие изображений на записи - с безразличной стратификацией АПС; вертикальные перьеобраэные структуры - с термической неустойчивостью. Отчетливый турбулизировашма слой почерношя на висотах отождествлялся с приподнятой инверсией. Его наличие или отсутствие над кандым из четырех возможных вариантов изображений у Зе)хли составляет 0 значимых типов этой схемы. Практически использовались только 6, так как о<5е пара близких типов, связашщх с безразличной и слабоустойчивой стратификацией, рассматривались обычно совиестно.

Впоследствии схека била развита и дополнена автором: X) вве-дек!еы в нее подтипов, описывающих дополнительные особенности турбулентной структуры; 2) учетом по нзмеретш границ содарных изображений одновременно до трех высот - нижней структуры, а также (если есть) основания и вершины приподнятой инверсии над ней; 3) разделешеи :ак инверсионных, так н конвективных структур на записи на 3 степени в соответствии с тоном, характером границ и общей морфологией изображения. Вместе с неупорядоченными структурами (или полным отсутствием сигнала) в качестве промежуточного звена введенные степени можно расположить в ряд наподобие 7 классов устойчивости Пасквилла. Но интерпретировать их таким образом удается лишь косвенно и с оговорками. Это

объясняется тем, что мощность эхо-сигнала в устойчивой АПС,

выражающаяся в уровне почернения записи, связана через струк-

р

турную характеристику температуры С* не только с общим градиентом потенциальной температуры 8 в слое, но в с вертикальным сдвигом ветра, в поле которого и создаются вынужденные различия в потенциальной температуре от точки к точке.

На основе этой схемы тип стратификации и высоты анализировались отдельно на каждой часовом интервала непрерывной содарной записи (всего * 20 тыс.). Часы с выпадением умеренных и интенсивных осадков исключались из обработки во избежание возможных акустических помех. Результата за весь период - в таблице I. В среднем повторяемость приземных инверсий в Москве составила в , эти годы 43 X; конвекции - 17 Я, приподнятых инверсий - 18 %. В 40 X случаев стратификация нижнего слоя была безразличной или в диапазоне между сухоадиабатическим и температурным градиентами.

Повторяемости типов в суточном ходе подтверждают известные закономерности. Летом приземная инверсия (типы 1 или г) отмечается ночью в 65-100 % случаев, сменяясь обычно приподнятой инверсией - остатком приземной после ее отрыва от Земли. Последняя существует по инерции сперва над нейтральной (з), а затем и над конвективной стратификацией (4). К полудню вслед зэ ее разрушением в 75-90 X случаев отмечается термическая конвекция -тип иногда - слабая устойчивость (10-20 Ж) и изредка - приземная инверсия (0-5 %). К вечеру неустойчивая стратификация у Земли сменяется сначала безразличной (типы ь или 3) и. наконец, - вновь образующейся инверсией. Ночью повторяемость слабоустойчивых и безразличных условий меняется от-0 до 15 %, Зимой приземные инверсии реже, чем летом, наблюдаются ночью - 70-85 %,

Таблица X. ПОВТОРЯЕМОСТЬ ТИПОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТРЛТйШШда АПС ПО ДАННЫМ АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В (¿ГУ (1988-92 ГГ.),2:

\мес | . 1 т ТИПЫ II III IV V VI I '1 VII !тш! IX X ■■ 1 XI 1 XII общая

1 |33,0 42,8 35,8 33,0 34,0 37,3 34,9}33,8!37,1 32,6 40.4 38,0 36,3

2 | 7,7; 5,з| 4,1 7.8 7.8'| 5.4) 6,з! 4,9 , 1 4,8 6.6 7.6 6.3

3 ;12,0111.5! 6,1 6,3! 4.8! 5,8! б,9| 4,9| 9,0 3.4 15,6 17,2 8.9

4 [ Х,3| 0,4! 2,1 2,1| 5,0; 4,б| 2,9| 3,г! 2,0 1.3 1.3 1.0 2.3

5 | 1,1| 2,6,' 14,4 19,7129.8128,5!29.э|23.з| 9,5 6,4| 1.6 1.0 14.6

Ь 144,9134,9 ¡36,3134.8 5 Ш,6( 16,0', 20,0122,5 ¡37,5 46,5*134,5 35,2|31,6

часы! 14941138511771118561Э5Э'| 1240¡2031 \ 1528! П39 ........1........!........I, ... ; 1 1 1 . . .... . ) . - 182211696 1582Ц9503

1 - пркэехмз инЬерсии; 2 - прлземш? шберсгт при оонсЬрелеинол на-лич-м кзд чили, приподнятых; 3 - приподнятые инверсии над нейтральной •л слаооуягмчийой 4 - щлтоОхявглг инв-зреш над неус-

тлечиво апрсвяфиииро&знхыл слосл; з - чеусяоачибоя слрсхе^мюъ^я; ь - нейтральная и смооуаюОни&зя сщ/гжи^шкщя.

но зато чаще днем - 20-40 %. Слабоустойчивая и безразличная стратификация составляет в ночные часы 15-30 %, а в дневные -50-70 %. Конвекция регистрируется зимой редко (до 15 % в середине дня) - обычно в ясную погоду при адвекции холода. ' В {3 анализируются приземше шшерсии. Погрешности определения их повторяемости связаны с нечетко выраженными слоями и запаздыванием ь проявлении на записи утреннего отрыва. Образование инверсии вечером определятся по содару с точностью до получаса, т.е. с погрешностью летом 5-6 -%. По поводу годового хода их повторяемости в литературе высказаны взаимоисключающие сук-дегаш. По нашим данный он заметно не выражен. Что касается их мощности, то она отмечена больней для зимних инверсий по сравнению с летними - факт, известный в климатологии. Но подробнее эта характеристика до сих пор не была исследована.

Автором обнаружен асимметричный характер годового хода ыощ-

i

ности приземных инверсий. Наблюдения трех полных лет неизменно показывают постепенное ее уменьшение весной и резкое, скачкообразное увеличение осенью. Очевидно, что скачок связан с установлением снежного покрова, когда альбедо резко возрастает до 0,8. При этой значительное усиление выхолаживания поверхности приводит к утолщению слоя шшерсии. Осенью (рис.1), наряду с осреднением по месяцам, приведены также средние мощности по декадам для более точкой локализации скачка. Снежинка показывает время залегания снежного покрова. Снег в 1991 г. шпал 23/Х и растаял I0/XI, после чего вплоть до начала декабря (наблюдения закончены 11-го) почва оставалась оголенной. Моауюстъ инверсий резко выросла в последнюю декаду октября, а к- середине следующего месяца, когда снег растаял, ош вновь стали низкими.

Ясно, что формирование снежного покрова осенью (временное или окончательное) происходит сразу. Выпавший снег покрывает всю поверхность. Весной хе его стаивание занимает несколько недель, в продолжение которых общее альбедо уменьшается плавно по мере постепенного роста проталин. К тому же свежий снег - чистый, и скачок в радиационных свойствах поверхности осенью более резкий. Весной же альбедо понижено еще до образования проталин уяе в силу загрязненности снега, особенно в городе. 00а фактора

Г- постепенное загрязнение и постепенное стаивание - и приводят

к плввноиу понижении ыоящости инверсий в изрте и апреле.

На рис.2 представлеш распределешя иовуюсти по сезонаи. В соответствии с '.сритерияыи Пирсона и Смирнова-Колмогорова распределение З'шой приближено к нормально^, хотя и не соответствует еиу с уровнем знйч1шости а = 5 О приближении к нормальному закоггу косвенно говорят и близкие значения математического

*

йц

500

ЮО

-10-

А

200 <00 600 Дя а/ Янсарь, феврсиъ;

Ш> 400 600 Ян б) Нарт., апрель, дай;

(к

V»

№

¥

XX) ' «о Н.н в) Июнь, июль, абгцст;

о 2со т еоо н, и

г) Сентябрь, октябрь, ноябрь Рис.2. Распределения лсщноат призелныг инверсий, 1ЭЭ1 г, ожидания х, медианы и моды в эти месяцы. Весной распределение

соответствует логарифмически нормальному с очень высокой веро-

?

ятность» отвержения нулевой гипотезы (х =0,39 при г. =7). Близко к этоыу закону и распределение летом. Это связано с общий понижением мощности в теплый период года и приближении X к нижнему физическому пределу. В целом же за осень распределение оказывается бимодальный благодаря отмеченному выше скачку. Модности по летнему и зимнему типу образуют две мода, а повторяемость переходных значений между ними нала. Разительная несхожесть рис.26) и рис.2г> подтверждает асимметри» годового хода.

Приземные инверсии, отмеченные в отсутствие над ними приподнятых и одновременно с таковыми (типы 1 и г), учитывались отдельно. Мощности последних, т.е. "прикрытых" приземных инверсий показаны на рис Л тонкими столбиками. Они всегда заметно ниже "одиночных".- Для зимы, когда общее распределение близко к нормальному, различия между виборочгшыи математическими ожиданиями

провереш на значимость по критерию Стьюдентэ. Они неслучайны с а = I %, хотя рассматривались при этом не почасовые измерения мощности, а собственно разные случаи инверсий. Вероятная причина таких различия - связь многих приподнятых инверсий с границами облаков зг или ас, а также с верхней границей слоя тумана. При этом уменьшение эффективного излуче!мя ведет к ослаблению выхолаживания земной поверхности и меньшей мощности приземных инверсий. Итак, оба отмеченных эффекта создаются, по-видиыоиу, изиевешиши в структуре радиационного баланса поверхности.

Обнаружен также больший разброс "одиночных" призешшх инверсий (в средней за год о = 91 и) по сравнению с "прикрытыми" (о= 77 ц). Однако проверка на значимость по критерию Фиаера различий цевду выборочными дисперсиями оставляет вопрос о их неслучайности откритда (г составило 1,9 при 2,0 для « = 5 35).

Продемонстрировано многообразие рисунка турбулентных факсимильных изображений прязешшх инверсий по седару. Приведем да1шие о повторяемости соответствующих подтипов и трех степеней интенсивности таких изображений. Одновременно с приземным тур-булизироватшы слоем на записях отмечалось до 4-х приподнятых.

На примере июня-июля 1991 г. оценивалось соотношение типов приземных инверсий на основе содарной информации. почасовых измерений радиационного баланса Я и значений геострофической составляющей адвекции температуры (<П'ЛП)^. В результате отдельного анализа каждого часа радиационные инверсии составили около 60 %; радиационно-адвективше * 30 %\ чисто адвективные - менее 10 5. Несколько раз приземные инверсии отмечались по содару и при к .-О, и при (с>?/сп) <0. Возможно, это результат более редкого их происхождения (например, испарения) или небольшой инер-

ции отрыва утром инверсионного слоя от Земли.

Приземные инверсии мощностью до 300 м, продолжительностью не менее 15 ч и при скорости ветра у Земли V < 2 м/с отмечались за 9 месяцев 1991 г. 18 раз, чаще - в переходные сезоны. Случаи таких инверсий.наиболее опасны с точки зрения загрязнения воздуха. кроме выбросов из очень высоких труб.

Многообразие изображений приподнятых инверсий проанализировано в §4 в соответствии с их происхождением. I) "Инерционные" слои утрой, существующие до 4-5 ч, распознаются на записи однозначно по отрыву ночной приземной инверсии. 2) При ясной погоде и внутримассовых условиях уверенно идентифицируются и инверсии оседания - продолжительная слоистость, на связанная происхождением с поверхностью (проявляется или внезапно на высотах, или при опускании ниже 800 м). 3) Характерный вид имеют надоблачные и подоблачные инверсии: резкие колебания модности слоя часто сопровождаются значительными изменениями его высоты, обычно согласовавшейся с измерениями границы облаков в МГУ. 4) Собственно фронтальные инверсии не всегда различимы по Содару. Они рассматривались широко - включая в эту категорию не только непосредственно поверхность раздела воздушных масс, но и инверсии на границах фронтальной облачности (1ть и др.). 5) Высокое разрешение метода позволило выделить также дополнительный тип недолговечных слоев локального происхождения (разрывы на вершине приземной инверсии при прохождении гравитационных волн и пр.).

Изучая морфологию и предысторию содарного изображения и используя сопутствующую метеорологическую информацию, обычно удается уверенно определить генетический тип приподнятой инверсии. Погрешности, связанные с распознаванием инверсий комбинирован-

ного происхождения, а танке с неучетои более редких т.спов, не превышают, вероятно, нескольких процентов от обшей их выборки.

Такой доскональный анализ проведен на примере четырех месяцев а разше сезоны. Зимой преобладают инверсии оседания {60%), в теплый период года -утренние инерционные (40 %). Поздней осе-ньв половина часов с приподнятыми инверсиями приходится на осе-даодиа н евд треть - на связанные с граничат» облаков; отмечались оба тала как порознь, так и совместно при длительном оседании по 2-3-е суток. Полный годовой ход получен для инерционных слоев в утрешше часы (в среднем за год их доля - 20-25 Я).

Исследовать соотношение приподнятых инверсий разного происхождения стало возможным благодаря высокому разрезени» а информативности содэршх двшых. Проведенный анализ помогает пс.шть и закономерности таких инверсий в целом. ООчая их повторяемость Р {в табя.1 - сумма тиков £-4) обнаруживает явный максимум в ноябре-декабре. Такой результат несколько отличается от классических представлений о р в середине зимы. Причина - юашатн-ческий эффект наложения двух факторов: I) частого антицшсло-цальпого оседаш!я вообще в холодный период года; 2) продолжительных поздней осенью надоблачных инверсий, связанных со зъ и с туманами. Этот вывод подтверждается и многолетними данными о наибольшей облачности, а такге продолжительности и числе дней с туманами в Москве в ноябре и декабре. Слабо выраженный минимум весной создается ослаблением процессов оседа!ШЯ при невысокой еще повторяемости инерционных инверсий, а дополнителышй максимум летом - увеличе1{иеы числа последних в мае-июне.

Годовой ход высоты (табл.2) в целом сглажен; два слабо выраженных максимума -в начале лета и зимой. Первый связан с разви-

Таблица 2. СРЕДНЯЯ ВЫСОТА ОСНОВАНИЯ ПРИПОДНЯТЫХ ИНВЕРСИИ, м.

------,-,----------г----,----,--,---р"-1-1——г-1——1

¡года,' I ! II; ПЦ ív¡ v | VI|VII| VIIIj IX! X | XI!XII¡

L-----{--f---1----,---4-----L---)---,----L-^-1---j

; 1 : 390 i 467; 395! 332 ¡ 40313911425; 294 356¡347;39514151

t--1—t---t —-i—i—\—i—i—-i—f—+—!—^

,19У1¡420!382¡297¡290,344 j314!266!304 ¡286!315¡4261351!

тием конвекции; вторая -с частым оседанием на больших высотах и обкин повышением слоев из-за высоких зимой приземных инверсий.

Согласие с результатами традиционных методов теи лучшее, чем ближе к содарньш данным их разреаение и высотный диапазон.

Концентрации примесей в АПС зависят от факторов как динаии-ческой, так и термической его структуры. Введем простую оценку влияния приподнятых инверсий на возможное загрязнение поданвер-сионного слоя:

К = (('. h <Г+1))/(ЭбОО н v)) * exp (-O.SCy-i^)), (I)

где t - продолжительность инверсии (ч); h - ее средняя мощность <m)¡ Я - средняя высота основания (ы); г - безразмерный аналог шггенснвности инверсии, меняющийся от О до 2 в соответствии со средней степенью ее выраженности; v - средняя скорость ветра в слое от Земли до основания (м/с); у = в приземном слое и

Ч = 0,9а °С/100 и. Размерность к -tc2/ul. Влияние стратификации и горизонтального выноса под инверсией на условия загрязнения предположено сопоставимым. С учетом этого коэффициент -0,5 подобран таким образом, что величина степенного множителя меняется по нашим данным в пределах 1-го порядка (как и V).

Параметр к может быть полезным при анализе возможного загрязнения, создаваемого автотранспортом, невысокими ТЭЦ и пр., когда простейшие содзрные наблюдения дополняйся радиозондированием. Он рассчитан для инверсий продолжительностью не менее 5

-15ч в 1991 г. (их Сило 56) с использованием данных ЦАО. Пределы значений к широкие - от 0,1 до 12,4, что говорит о существенно различном влиянии инверсий на условия рассеивания примесей. В целом к выяе в холодный период года, причем исключительно длительные инверсии далеко не всегда оказывались самыми опасными (рекордный случай - 77 часов, при этом К составило лишь 3,7).

Наибольшая повторяемость термической неустойчивости (§5) в разные годы приходится на июнь, шаль или май в зависимости от погодных условий. Она определяется по содару очень точно, но высота перьевидных структур (у нас - в средне« от 150 м зимой до 250 м летом; иногда - до 450 ы) занижена по сравнении с глубиной конвективного АПС. Причина/- рассеяние звука па частотах порядка 1кГц неоднородности®* лишь инерционного интервала спектра турбулентности. Сопоставление с радиозондами летом 1991 г., когда содар работал в 13 км от ЦАО (за это время там запущено днем 33 зонда при конвекции) показывает, что "перья" различимы на записи зплоть до слоя с т = 1,0-1 ,'i °С/Х00 ы (7 = 1,05; о = 0,14). Крайние оценки - 0,9 и 1,5. На самом деле разброс не столь велик, так как пункты довольно удалены друг от друга.

На примере того же месяца обнаружено, что чем дольше в течение дня существует конвекция, тем до больших высот она развивается: коэффициент корреляции повторяемости и средней за день высоты L конвективных изображений г = 0,62 (здесь и далее во всех выборках п = 27 значений). Исследовалась связь L с радиационными потоками, измерявшимися в МГУ. Коэффициенты корреляции с сушами прямой радиации на горизонтальную поверхность S, суммарной Q и Р. составили 0,67; 0,69 и 0,66 соответственно для 2У>'. E'i и С-.. Связь хорошая, несмотря на удаленность содара от

о-

-26

МГУ и на влияние нерадиаццошшх составляющих теплового баланса. В соответствии с критерием дос- ОЯ' товерности Стьюдента-Фшперв все три коэффициента - статистически значимые с уровнен вероятности,^^-Слизким к I. Значимость их подт- -

верядают и большие величины от- 3 6 9 {й "Ь

ношения г/о, где о - ошибка вы- р^^ ш &понорреляционноа борочного г: от 4,4 до 4,8. Кри- функции L, июнь-сентяорь 1991г. Tepiffl с использованием корреляционного отноиетш показали несущественность имещейся криводивейности этих связей.

Примечательно, что аналопгчные коэффициенты для тех же сумм,

*

отнесенных к числу часов с конвекцией m за каждый день (ES /т, ЕQ/m н ER/m), оказались гораздо ниже: 0,40; 0,21 и 0,12. Здесь сказывается влияние подстилающей поверхности, постепенно аккумулирующей тепло в течение дня (т.е. L зависит сильнее от пред- . ■ истории процесса в целом). Удовлетворительной оказалась связь ь с дневными значениями ('»■*'/<»: )з: г = -0,39. Такиы образом, на развитие конвекции влияет как радоциовнае, так и (в меньшей степени) адвективные факторы.

Влияние характера адвекции на формирование конвективного АПС прояаляется и в автокорреляционной функции L (рис.3). Статистически значимый максимум на 4-й день отражает периодичность, связанную с естественным синоптическим периодом. Глаиа 3. Исследование пространственных закономерностей структуры АПС над Москвой.

Наблюдет»! в мае-июне 1990 г. двумя содарами на юго-западе

(МГУ) и в центре города (ИФА) показали симметричную картину конвективной и слабоустойчивой стратификации и резкую асимметрию инверсионных условий в обоих пунктах. Приземные инверсия наблюдались в ИФА почти всегда (л90 %) одновременно с МГУ, по в (¿ГУ на этот тип пришлось в 1,5 раза больше часов. Сказывается влияние "острова тепла", уменьшающего продолжительность и интенсивность ночных инверсий в центре города по сравнении с периферией. Приподнятые инверсии, напротив, чаще отмечались в ИФА,

Сопоставления в 1990-91 гг. содарной информации в МГУ с измерениями профилей температуры на Останкинской телебашне не обнаружили согласия. В среднем за 14 мес.2900 ч синхронных наблюдений) лишь кавдый третий или четвертый случай как приземной инверсии, так и приземного сухоустойчивого слоя (при пересчете дашаш Останкино по 7 ) отмечался одновременно- в обоих пунктах. Сильно разошлись я повторяемости типов стратификации: приземлив шшерсии регистрировались на башне в 1,5 с лишшш раза реже, чем в МГУ, а приподнятые - в 3,5 раза чада (и почти всегда - в слое 150-300 и). Ситуаций "сквозной неустойчивости" (7 > 7 ) во всем диапазоне до 503 ы там не отмечено ни разу.

Столь сильная неоднородность мезомасштабной структуры АПС сомнительна для Москвы. Для выяснения противоречия потребовалась организация комплексного эксперимента. Содар был перевезен из МГУ и с 24/VI по 25/VII 1991 г. установлен в 400 м от телебашни. Одновременно работали еще 2 содара - в ИФА (9 км к югу от Останкино) и в Звенигороде (45 км к западу). На метеоплощадке в 100 м от башни измерялись также Т и V на 4-метровой градиентной мачте. По этим данным на основе аналога параметра устойчивости Монина-Обухова: Б, = 0,067(?4-Т7)/v?2 (2)

(i'4 и ij - температура на высоте 4 и I u, v2 -скорость ветра на 2 и) косвенно оценивалась устойчивость приземного слоя в терминах Пасквилла. В ЦАО (Долгопрудный) за этс время было выпущено 77 радиозондов: 58 стандартных и 19 низкоуровневых. Использовались также дашше измерений на высотной мачте ИЭМ в Обнинске.

Совместные наблюдения в Останкино содаром и датчиками башни (578 ч) показали столь же сильные различия, как и раньпе. Приподнятые инверсии отмечались in situ в 5 раз чаще, в приземные - в 1,5 раза реже. Вообще лхйое состояние АПС, не связанное с изломом 7 на высотах, по данным телебашни - редкость. Одновременно отмеченные приземные инверсии составили менее трети, а приподнятые - лишь I/IQ от всех случаев. Данные же радиозондов близки к содарныы и по повторяемостяы отдельных типов стратификации, и по доле совпадений в их регистрации.

На факсимильных записях явно инверсионные структуры эхо-сигнала часто сопровождаются 7 >0 по измерениям на башне у Зешш, хотя зонды и значения Б2 подтверждают наличие приземной инверсии. В то же время практически постоянная по данным башни приподнятая инверсия от 150 до 300 м, проявляющаяся даже при осреднении за весь месяц, не подтверждается другими наблюдениями. Среднемесячные профили 2 по данным ЦАО и ИЭМ сглажены. Различия в условиях Долгопрудного (фактически - пригорода) и удаленного Обнинска проявляются в более высокой здесь ночью т у Земли и менее интенсивной инверсии. Следствие этого -"кроссовер-эффект" (обратное соотношение на высотах температуры в обоих пунктах). Вертикальные профили и суточный ход скорости ветра по данным ЦАО и ИЭМ демонстрируют обычную высоту обращения и струйное течение нижнего уровня ночь». Измерения же v на телебашне не об-

наруживавт известных закономерностей.

Были расчитаны коэффициенты корреляции г рядов <*т/|»г, по измерениям в нижнем слое на башне и зондами, а также данных сода-ра и 4-метровой мачты в виде классов Пасквилла. Погрешности подобного представления содарной информации не играют роли при относительном сравнении разных методов между собой. По общей выборке (п =578) г данных содара и башни составил 0,40. В сроки запусков специальных зондов (п =19) г (зонды-телебашня) = 0,42; г (зонды-содар) = 0,77; г (содар-телебашня) = 0,57. По выборке совместных данных в сроки отсчетов на 4-ыетровой мачте (п =51): г (телебашня-мачта) =0,48; г (телебашня-содар) г =0,60; г (мач-та-содар) = 0,84. Достоверность коэффициентов оценивалась по критерию г/о. Кроме г = 0,42 (г/о = 1,9), все остальные показатели - статистически значимые. Прямолинейная форма связи проверена по критерию 3 = Г|2-г2 (т)- корреляционное отношение).

Анализ подтверждает хорошее согласие содарных наблюдений с данными радиозондирования и градиентными измерениями. Расхождения в оценках возникали в основном ранним утром, когда отрыв инверсии поначалу маскирован на факсимильной записи из-за "мертвой зоны" и "местника". Приведен обзор известных объяснений особенностей измерений на телебашне в Останкино. Проверена одна из гипотез - о влиянии аэрозольного слоя как причине постоянной инверсии на высотах. Но излом на профилях температуры сохранился и при отдельном расчете в периоды с очень большими по модулю значениями ('»1/<>*,)т.е. при смене типа воздуаной массы.

Математическое ожидание X разности мощности приземных инверсий по радиозондам и по содару в Останкино (всего - 22 случая совместной их регистрации; еще несколько раз нечеткие слои на

XL

lue.4. Цр&яъаи&жююя неоднородность термжзеноа структуры. АПС. I-со jap б /."."л; н-ссюар б Оспачшю; Iii-соОар б ЗсенигсроОе; IV-р'Оиозйглн б ЦАО; v-телеоисмя; Vl-ôuconsiasi javna ô Обнинске. Li^çxuu попасти Ооли coeniáenuá б рь-гистр'щш у, %.

запяси отмечались при слабом падении в ДАО температуры с высотой) составило 15,9 и при о = 78 и. Это может объясняться: I) завышением мощности стандартными зондами из-за их инерционности; 2) занижением ее по содару, если в пределах инверсии существует струйное течение нижнего уровня. Но в целой х мало по сравнению с погрешностью зондов, в о находится в ее пределах. При этом следует учесть различие условий обоих пунктов и прохождение гравитационных воли, возцущащих инверсионный слой там в разные моменты времени.

На рис.4 черные секторы кружков возле стрелок, соединяющих попарно 40 разные источники дашшх, 01 показывают, как часто в а.) Призелные инверсии часы наблюдений всеш; методами одновремешю 400") отмечалось наличие или ^¡у отсутствие приземной инверсии. 8 парных связей

без телебашни показывают 0) Неэап.ертхч конвекция совпадете в среднем 8788 % с точностью до знака 7. Сходную оценку горизонтальной неоднород- 20 ности термической струк-

60

U

I -гтг

■ья

OÍA. 6 & Ю lí 1Ä 16 » 20 Íí(QfX9l л и J) Ii 6 Bio

туры АПС на расстояниях öj. ПрипсОнл'т.е инверсии Н'Ю kohóziw^i' порядка Ю4-Ю5 м дает и Рис.5. Вли-шие города на <rtqwjiu :iúi\ более надежное сравнение 1-ííM; п-Статкин;.'; < Л.

круглосуточной информации трех содаров между собой: 85-90)6.

Одновременные наблюдения тремя содараш <361 ч) выявляют закономерности стратификации т в городе. По направлению к центру Москвы повторяемость приземных инверсий уменьшается (в Звенигороде 42,0 Я; в Останкино 32,4 %•, в ИФА 29,8 %), а конвекции -растет: 41,0; 46,8 и 50.4 % соответственно. Наблюдения годом раньше в МГУ и ИФА показали большие различия из-за несимметричности "острова тепла" в Москве. На рис.5 - суточный ход повто-ряеыостей трех типов стратификации т. Различия в режиме приземных инверсий создаются более поздним их установлением и меньшей устойчивость» ночью в центре. Конвекция же днем стабильна всюду. Здесь влияние города проявляется в переходные часы суток. Утром в центре слой инверсии поднимается на I ч раньше, а конвекция вечером затухает на 2 часа позже, чем за городом. Глава 4. Характеристики слоя перемешивания в Москве.

Метод Дж.Хольцворта расчета наибольшей высоты слоя перемешивания (ВСП) несовершенен. Он не учитывает динамическую турбулентность в устойчивом АПС. Кроме того, невысокое разрешение обычных зондов приводит подчас к пропуску приподнятых инверсий и завышению ВСП. Наконец, адвекция и оседание могут изменить профиль температуры уже после запуска зонда. М.А.Каллистратова и др. предложили определять ВСП по содарной записи. Она отождествляется ими либо с мощностью приземной инверсии или сухоус-тойчньох'о слоя, либо с основанием приподнятой инверсии (когда нет приземной), либо с учетверенной средней высотой перьевидаых структур при конвекции, если запирающих слоев на записи не видно. Поправочный козедицкент 4 получен эмпирически С.Сингалом.

По этой методике ВСП проанализирована в Москве за 1908-91 гг

(рис.6). Наибольшие ее значения - в мае или летом. Интересно, что в пае максимум создавался не только за счет темного вреиеш суток (общего понижения к лету призеишх устойчивых структур), 150 и днем. Это объясняется характерным для ная возвратами холодов. К тему яе радиационные свойства поверхности вскоре после схода снега способствуя« ее сильному прогревании днем. Наименьшая ВСП отмечена поздней осеньй (могдаость приземных инверсий еще не очень велика, а неустойчивость развивается уяе редко). Распределение среднесуточной ВСП за год сходно с логарифмически нормалышм. На примере ыесяда содарше оценки высоты слоя перемешивания сопоставлены с рассчитанными по Дж.Хольцворту ее максимальными значениями. Коэффициент корреляции результатов обеих методик составил 0,70. Кроне того, высота и объем перемешивания (произведение ВСП на средгамо скорость ветра в слое) были сопоставлены с измерениями концентраций основных загрязнений в Москве. Глава 5. Влияние синоптических условий на показатели термической структуры АПС.

При рассмотрении синоптических процессов параллельно анализировались как условия циркуляции, так и тип воздушной массы. Второй подход характеризует типичные диапазоны метеопараметров, а первый - направление в их изменении. Для анализа циркуляционных условия предложена упрощенная классификация:

даэ -е-««)

Ню.6. Высота слоя перелетвания.

Синоптическал ситуация

Основной процесс

I.Малоградиентное барическое поле в седловине, в центре антициклона, отрога или в районе оси гребня

Трансформация, формирование местной воздушной массы

2.Центр циклона, вторичного циклона или район оси ложбины

Фактически - зона фронта, активные фронтальные процессы

ЗТа Г. 3апад!1ая Т!Л11 северная йёркрР рмя антициклона или гребня 3(6).Передняя часть циклона, восточная или северная периферия ложбшш

Адвекция относительно теплой воздушой массы

(а]7Еос"гочнаяТий1 южная периферия антициклона или гребня 4(6).Таковая область циклона, западная или юкная периферия лоябиш

Адвекция относительно холодной воздушной у.асса

5.Теплый сектор циклона

Адвекция относительно теплой воздупной массы

Соответствие характера адвективных изменений температуры конкретным циркуляционным условиям однозначно летоы, когда воздушные массы бистро' трансформируются над суией. Граница классов 3, 4 и 5 - фронта и лшши нулевой адвекции на осях гребней; для классов I и 2 предложены специальные критерии. Родственные подклассы (а) и (б) объединялись. '

Анализ воздушных масс проведан на основе их географической классификации. Сперва тип массы считался соответствующим очагу ее форм;гровашш, предполагавшемуся по обратшм траекториям частиц. Затем определение типа уточнялось по среднесуточной тср, макишальной, минимальной и псевдопотенциальной б температуре; упругости водяного пара; абсолютной влаиности; удельной влажности; дефициту влажности; относительной влажности; дальности ьидаиости; аэрозольной оптической толвдне атмосферы; сис-

теиац конденсации. Время окончательной смэш типа при адвекции или завершении трансформации определялось по изменению ото дня ко дна ив, а также по значениям (<»Т/<п)_.

Подробно исследованы 5 месяцев 1991 г. Границы классов при анализе циркуляционных условий определялись с точностью 2-4 ч (переходные часы не рассматривались). В аспекте воздушных масс к обработке приняты лшяь периоды с однозначной идентификацией их типа, отвечавшей большинству характеристических показателей. В табл.3 приведена часть результатов для двух контрастных месяцев. Летом морской воздух расмотрен как один тип; отдельно выделен период трансформации континентальной тропической массы в местную, а единственное вхождение континентального воздуха арктического происхоядения было представлено массой, частично трансформированной в режиме температуры.

Табл.3. РЕЗУЛЬТАТЫ СИНОПТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА, 1991 г.

1—

синоптическая" ситуация-]"

"тшГвоздушной массы

I

2 | 3

62 53 7

г | 31 д! 300

31 18 47 22 472

55

23

2

43

242

57 33 4

39 358

41 19 4

55 363

38 II 30 32

3951

36 16 46 18

кТв |

кТв--кУв

_январь_

62 3

38 294

- июнь-июль

35 15

36 29

40 17 30 30

539 425{ 357

___1__1__

32 28 46 22 409

КУВ

46 15 4

50 304

35 17 45 20 493

нУв

43 15 I

56 339

мАв

50 6

50 332

37 15 49 14

580

кАв

76 16 5

19 387

37 4

42 21

594

Псбг.стжлостл: а -в - конвекции, г -(«.£); Д

призелиыг инберсий, б - припаднатлх'инеерс^й, . сла/зсусюччиьсй и безразличной апрсяпы&икггдш - «места слоя перелечыЫния ¡л).

Повторяемость неус- ¡юо'

тойчцвой стратификации еоо

большая при холодной ад- <м

векции и иеньшая - пра гоо

теплой. В зонах фронтов 0

Г О 6 10 15 20 -fc lf

она практически ка раз- а; Июнь-июль, циркуляционные ситуации

вивается. Повторяемость 12мД-М.

приземных инверсий летом ,0°°

600

обнаруживает противоно-

логную тенденцию, но вы- <оо раженную менее четко. В гоо холодный период цризен- о

ные инверсии, напротив, б> Итъ-ихиъ, типы боэоуаних ласс

-ь,ч

1000 800 ©00

t,4

отмечаются тем чаще, чем холоднее воздух. Непосредственно при вховде-нии, например, кАь пов- л0й торяемость их, как и ле- ,гоо том, понижается. Но пос- °

О 6 Ю 15 20

ле установления такой.6; Мара, типы бозбутиг масс массы снег быстро пршш- Рис.'/. Суточный ход ВСЯ. мает теыпературу прилегающего к Зеыле воздуха, и формируются очень етйбилыше приземные ннверсии продолжительностью до 50 ч. Конвекция, как и летом, отмечается чаще в холодных массах.

Различия в повторяемости приподнятых инверсий ярче всего проявились поздней осенью: в периоды господства иУв (при сплошном покрытш! и туманах) - 47 %, а в континентальных массах -лишь 15 %. Не случайно аномально теплый в 1991 г. ноябрь стал

рекорднш и по общей повторяемости приподнятых инверсий за весь период наблюдений - 37 %.

ВСП в теплый период (начиная с марта) тем выше, чем холоднее воздушная ыасса. Расположение типов касс в ряд в порядке воз-растагшя ВСП совпадает с последовательниц изменением их т по отношению к поверхности. Различия создаются в основном даем, проявляясь в разной высоте восходящих струй конвективных ячеек и вреиени их существования (рис.7). Эффект опосредован через адвективные изменения разности т цевду поверхностью и прилегающим слоен воздуха. Ночью ВСП меняется слабо, т.е. мощность приземных инверсий не связана заметно с действием синоптическза факторов. Различия средней мощности для разных ■ типов воэдупшх масс зимой оказались по критерию Пирсона незначимыми с а = 5 %. В заключении обобщаются основше результаты работы:'

- получены уточненные многолетние характеристики режша температурной стратификации АПС над Москвой;

- обнаружены ранее неизвестные особенности годового хода мощности приземных инверсий и ее распределений по сезонам, а также статистически значимая связь этой мощности с одновременным наличием приподнятых инверсий над приземныии в слое 800 ы;

- разработана типизация факсимильных изображений приподнятых инверсий в соответствии с их происхождением, предложено климатологическое объяснение выявленных особенностей распределения и годового хода характеристик приподнятых инверсий;

- предложен показатель экологической опасности приподнятых инверсий и произведены расчеты с его использованием;

- исследованы характеристики конвективного АПС и их связь с радиационными потоками и синоптическими процессами;.

-28- на основе методики ИФА впервые получены и объяснены статистические характеристика! высоты слоя перемешивания;

- установлены закономерности влияния крупного города на пространственную термическую структуру АПС, впервые для Москвы количественно оценена степень ее мезоиасштабноЗ горизонтальной не однородности;

- проанализировано влияние на термическую структуру АПС характера атмосфернрй циркуляции и типа воздушной массы в разные сезош года.

Тагам образом, даке простейший вертикальный содар является полезным подспорьем в изучении термической структуры АПС. Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1.Локощенко U.A., Пекур М.С. Использование эффекта рассешшя звука для изучения температурной стратификации атмосферного пограничного слоя. Оптика атмосферы и океана, Томск, 1992, той 5, Л 3, с. 313-316.

2.Исаев A.A..Локощенко М.А..Каллистратова М.А.,Пекур М.С. Применение метода акустического зондирования в задачах экологии городского пограничного слоя (на примере Москвы). В сб.: Тезисы конфер."Стратегия экологической безопасности России", Санкт-Петербург, 1992, с.235-236.

3.Локощенко М.А. Термическая неустойчивость в нижнем воздушном слое по данным звуковой локации. Наблюдения Метеорологической обсерватории МГУ, 1992, И 12, е.1,8.

4.Локощенко М.А..Исаев A.A..Каллистратова М.А.,Пекур М.С. Исследования атмосферного пограничного слоя над Москвой дистанционными и прямыми методами. Метеорология и гидрология, М., 1993, * 9, с.20-34.

З.Локещэкко H.A.,Исаев A.A..Каллистратова H.A.,Сетнч«кко В.А. Приподнятые инверсии в Москве и оценка их влияния на состояние воздушного бассейна. Оптика атмосфера и океана, Томск, 1994, той 7, Я 2, с.38-45.

6.Исаев A.A. .Каллистратова 14.А. .Локощенко М.А. .Пекур М.С. Термическая структура атмосферного пограничного слоя над Москвой. Оптика атиосфери и океана, Тоиск, I9S4, том 7,№5,с.85-98.

7.Локощенко М.А..Семенченко Б.А..Каллистратова М.Л.,Пекур М.С. О связи с синоптическими условиями высоты слоя перемеживания. Оптика атмосферы н океана, Томск, 1994, том 7, в печати. в.Локощенко !,í,A. Исследование приземных инверсий методом акустического зондирования. Метеорология и гидрология, М., 1994, в печати.

Э.Локощенко М.А. Акустическое зондирование приподнятых инверсий. Метеорология и гидрология, М., 1994, в печати.

!jc,AÜJ h</>c,nс rOO

¿V?<w i 5 y.

C'}¿it\<<70t4-> f А1ГИЭГ /У.