Введение к работе
Актуальность проблемы
Исследования процессов, протекающих в пограничном и приземном слоях атмосферы, занимают особое место в геофизике. В приземном (приводном) слое существенным образом проявляются эффекты взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью. Это свойство определяет влияние протекающих здесь процессов не только на весь пограничный слой, но и на всю атмосферу в целом. Метеорологические факторы оказывают существенное влияние на электрические гидротермодинамические процессы приземного слоя. Установление связей между этими процессами является необходимым и в ряде случаев достаточным условием для решения многочисленных вопросов физики атмосферы.
Несмотря на многочисленные исследования в этой области, остаются нерешенными ряд вопросов и проблем, связанных с описанием гидротермодинамических и электродинамических процессов в приводном и приземном слоях атмосферы. Математическое моделирование их электрического и термодинамического состояний является важным этапом сложного комплекса работ по проведению наблюдений, сбору данных и их анализа, а применение численных методов расширяет возможности для исследований.
Цель работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследованиях электрических и гидротермодинамических процессов в приземном и приводном слоях атмосферы в различных метеорологических и физических условиях. Для достижения поставленной цели решены следующие научные задачи:
-
Проведены экспериментальные исследования гидротермодинамических характеристик приводного слоя в акватории Азовского моря. Выявлены условия возникновения температурной инверсии вблизи водной поверхности.
-
Построена нестационарная модель гидротермодинамического состояния горизонтально-однородного приводного слоя с учетом турбулентного и конвективного переносов. Теоретически исследован механизм образования инверсии в различных условиях.
-
Построена нестационарная модель электрического состояния горизонтально-однородного турбулентного приземного слоя с учетом конвективного переноса в атмосфере.
-
Исследована электрическая структура приземного слоя атмосферы в зависимости от метеорологических и физических условий.
-
Проведены атмосферно-электрические наблюдения в приземном слое атмосферы в горных районах Северного Кавказа. Получены новые данные об электрических характеристиках приземного слоя атмосферы в условиях горной местности.
Научная новизна работы.
-
Разработана модель гидротермодинамического состояния приводного слоя атмосферы с учетом турбулентного перемешивания и конвективного переноса.
-
Изучены механизмы образования температурной инверсии в приводном слое. Исследовано влияние турбулентного перемешивания и конвективного переноса на масштаб распределения температуры и влажности воздуха по высоте.
-
Разработана модель электрического состояния нестационарного горизонтально-однородного приземного слоя и исследовано влияние турбулентного перемешивания и конвективного переноса на электрические характеристики атмосферы вблизи поверхности земли.
-
На основе градиентных измерений метеорологических параметров приводного слоя атмосферы в акватории Азовского моря исследована гидротермодинамическая структура приводного слоя и составляющие теплового баланса.
-
Экспериментально исследованы электрические характеристики приземного слоя в горной местности.
Научная и практическая значимость работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследованиях гидротермодинамического состояния приводного слоя, механизмов образования температурной инверсии в приводном слое, а также электрического состояния приземного слоя атмосферы в условиях действия турбулентного перемешивания и конвективного переноса.
Полученные в диссертационной работе положения и результаты могут быть использованы:
при построении моделей гидротермодинамического состояния приводного слоя, учитывающих турбулентное перемешивание и конвективный перенос;
при построении моделей электрического состояния атмосферы, учитывающих турбулентное перемешивание и конвективный перенос в приземном слое;
для решения задач дистанционного зондирования атмосферы и океана;
для развития методов погодного и климатического прогнозов;
для анализа данных наземных атмосферно-электрических наблюдений;
для создания системы глобального мониторинга атмосферы.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается статистически надежными данными о термодинамической структуре приводного слоя и атмосферно-электрическими наблюдениями в горной местности, корректностью поставленных задач моделирования и методов их решения, а также хорошим согласованием теоретических и экспериментальных результатов.
В рамках сформулированной в работе проблемы на защиту выносятся следующие результаты и положения:
-
Модель гидротермодинамического состояния приводного слоя с учетом турбулентного перемешивания и конвективного переноса.
-
Результаты экспериментальных исследований гидротермодинамической структуры приводного слоя атмосферы в различных метеорологических условиях.
-
Механизм образования температурной инверсии вблизи водной поверхности.
-
Модель электрического состояния нестационарного приземного слоя с учетом турбулентного перемешивания и конвективного переноса.
-
Результаты экспериментальных исследований электрических характеристик приземного слоя в горной местности.
Публикации результатов и личный вклад автора.
Основные результаты диссертационного исследования изложены в 13 работах (из них 2 статьи в реферируемых журналах).
Соискатель принимал непосредственное участие в проведении экспериментальных исследований, обработке результатов измерений, проведении анализа экспериментальных данных. Постановки задач выполнены совместно с научным руководителем. Автору принадлежат реализация численных моделей, проведение расчетов и их интерпретация.
Ценная помощь в постановке задачи моделирования и выбора численного метода решения оказана доц. А.Г. Клово.
Обсуждение отдельных разделов работы проводилось с проф. Г.Г.Щукиным и проф. А.И. Сухиновым.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-7, г. Санкт-Петербург, 2001), 8, 9 и 12-й Международных конференциях «Математические модели физических процессов и их свойства» (Таганрог, 2002, 2006, 2007), Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2001), 5 и 6-й Российских конференциях по атмосферному электричеству (Владимир, 2003; Нижний Новгород, 2007), Всероссийской конференции по селям (Нальчик 2005), International Conference on Atmospheric Electricity ICAE 2007 (Beijing, China), научных семинарах кафедры физики Таганрогского государственного радиотехнического университета (Таганрог, 2005 – 2008).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 129 страниц, включая 26 рисунков, 9 таблиц. Список литературы содержит 116 наименований.
