Введение к работе
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-
I рос национальная!
I СПетч^рг w {
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:
-
Предложен и реализован метод исследования вертикальной структуры потока импульса в условиях нейтральной стратификации АПС на основании данных акустического зондирования и полуэмпирической теории Колмогорова-Прандтля.
-
Экспериментально в натурных условиях определена константа Колмогорова-Прандтля.
-
Предложено обобщение метода на случай произвольной стратификации АПС при помощи использования универсальной функции Fmf (Rf) потокового числа Ричардсона Rf .
-
Получены экспериментальные оценки значений функции Fmf (Rf) при различных значениях Rf 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.
-
На основе данных локальных корреляционных измерений потока импульса на мачте произведена оценка точности предложенного метода.
-
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.
-
Проведена экспериментальная оценка точности измерений различных параметров поля ветра в АПС акустическим локатором ЛАТАН-3.
-
На основе содарных измерений получены характерные вертикальные профили потока импульса и коэффициента турбулентной вязкости при различной стратификации АПС.
Научная новизна:
-
Предложен и экспериментально обоснован метод определения турбулентного потока импульса в АПС по данным акустического зондирования.
-
Разработан, изготовлен и протестирован акустический локатор ЛАТАН-3, пригодный для исследований турбулентности в АПС в условиях сильных внешних акустических шумов.
-
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:
-
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.
-
Универсальная зависимость отношения турбулентного потока импульса к дисперсии вертикальной компоненты ветра от потокового числа Ричардсона в АПС.
-
Метод для оценки турбулентного потока импульса в АПС, по данным содарных измерений профиля скорости ветра и дисперсии её вертикальной компоненты.
-
Акустический локатор для исследований атмосферной турбулентности ЛАТАН-3.
-
Результаты полевых испытаний акустического локатора ЛАТАН-3.
-
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.
-
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 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.
