Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБОБЩЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕН
ТАЛЬНЫХ ДАННЫХ Ю
1.1. Современные представления о строении планетарного пограничного слоя атмосферы 10
1.2. Метеорологические факторы образования атмосферной турбулентности, вызывающей болтанку летательных аппаратов 14
1.3. Краткая физико-географическая характеристика изучаемых районов 22
1.4. Методика наблюдений и обработки, характеристика исходного материала 26
ГЛАВА II. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОС
ФЕРЫ НАД ПУСТЫНЯМИ И ПОЛУПУСТЫНЯМИ СРЕЩНЕЙ
АЗИИ 37
2.1. Вертикальные профили ветра над пустыней .... 38
2.2. Термическая структура пограничного слоя в условиях пустыни 51
2.3. Вертикальные профили удельной влажности .... 74
2.4. Вертикально-временное распределение интен -сивности болтанки летательных аппаратов .... 78
2.5. Структурные характеристики болтанки 9,0
2.6. Связь интенсивности болтанки с некоторыми термодинамическими параметрами 103
2.7. Строение пограничного слоя в условиях развитой конвекции с позиции теории ярусного обмена III
ВЫВОДЫ по главе П 123
ГЛАВА III. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ В ПРЩГОРЬЯХ И ДОЛИНАХ ЗАПАДНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ. 125
3.1. Структура горно-долинной циркуляции (на примере Пскемской долины) в теплом полугодии . . 127
3.2. Турбулентные характеристики воздушного потока при горно-долинной циркуляции 145
3.3. Пространственно-географическое распределение болтанки в предгорьях и долинах Западного Тянь-Шаня 151
3.4. Трехмерная структура потока при урсатьевс-
ком ветре 166
3.5. Характеристика орографических воздействий
на полет летательного аппарата 182
ВЫВОДЫ по главе Ш 191
ГЛАВА ІV. РЕКОМЕНДАЦИИ К ДИАГНОЗУ И ПРОГНОЗУ БОЛТАНКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 193
4.1. Условия, определяющие развитие термической (конвективной) болтанки 194
4.2. Условия, характеризующие развитие болтанки в предгорьях и долинах Западного Тянь-Шаня в теплом полугодии 202
4.3. Условия, определяющие развитие болтанки в предгорьях и долинах Западного Тянь-Шаня в холодном полугодии 207
ВЫВОДЫ по главе ІV 213
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 215
ЛИТЕРАТУРА 216
ПРИЛОЖЕНИЯ 232
- Современные представления о строении планетарного пограничного слоя атмосферы
- Вертикальные профили ветра над пустыней
- Структура горно-долинной циркуляции (на примере Пскемской долины) в теплом полугодии .
- Условия, определяющие развитие термической (конвективной) болтанки
Введение к работе
Изучение строения планетарного пограничного слоя атмосферы (ЇЇПС) необходимо как в теоретическом плане (построение тех или иных моделей планетарного пограничного слоя), так и для решения ряда практических задач, которые принято делить на две группы. В одну группу входят вопросы параметризации ППС, необходимые для разработки численных методов прогноза погоды различной заблаговременности, а также для численных моделей общей циркуляции атмосферы. Вторую группу составляют расчеты различного практического приложения: изучение закономерностей рассеяния примесей, поступающих в атмосферу от различных источников загрязнения; изучение распространения различных видов электромагнитного излучения (оптического, радио, лазерного) в земной атмосфере; использование в строительстве и ветроэнергетике и т.д. Наконец, вопрос о строении ППС возникает при изучении ряда явлений, определяющих работу авиации. К ним относятся условия взлета и посадки самолетов, болтанка в ППС, прогноз низкой облачности и туманов в зоне аэродромов и пр.
Гражданская авиация в СССР превратилась к настоящему времени в высокоразвитую отрасль народного хозяйства, оснащенную первоклассной авиационной техникой. В одиннадцатой пятилетке предусматривается осуществление ряда мероприятий, повышающих регулярность и безопасность полетов. Пассажирообо-рот увеличится в 1,3 раза / 97 /.
В 1984 году внутри страны будет перевезено самолетами более НО млн.пассажиров, выполнено авиахимработ на площади 5 млн. га. Самолетный и вертолетный парк непрерывно пополняется новыми моделями. Наряду с созданием и эксплуата - - 5 -щей трансконтинентальных и сверхзвуковых транспортно-пасса- жирских самолетов ( ТУ-І44, ИЛ-76, ИЛ-86 и др.) ведется разработка и внедрение новых образцов самолетов и вертолетов для использования на местных воздушных линиях ( Л-4І0, ЯК-42, АН-28, АН-3). Заканчивается испытание нового реактивного самолета M-I5, предназначенного для сельхозработ.
Известный советский авиаконструктор А.С. Яковлев, касаясь перспектив развития авиации в ближайшем будущем, писал о необходимости создания "множества экономичных, небольших самолетов для работы на местных авиалиниях во внеаэродромных условиях. Подобные самолеты, простые, легкие, дешевые, не -требовательные к посадочным площадкам и надежные, займут в мирной жизни народов такое же место, как и автомобиль". И далее."Я совершенно не касаюсь тут вопросов, связанных с вертолетостроением, несомненно, оно тоже имеет большую пер -спективу" / 142 /.
В настоящее время на местных воздушных линиях (МВД) Советского Союза выполняется примерно четверть всех пассажир -ских перевозок Аэрофлота. Возрастает роль вертолетов в обслуживании народного хозяйства, где они выполняют 30 видов работ / 121 /.
Большой путь проделала авиация в Средней Азии, в частности, в Узбекистане / 43 /. Первые воздушные линии Каган-Термез и Каган-Ташауз были открыты в конце 1924 г. В 1982 г. протяженность воздушных линий, обеспечиваемых Узбекским территориальным Управлением МГА составляла более 150 тыс. км. Пассажирские самолеты ПС-9, ПС-40, Сталь-5, К-5, использо -вавшиеся в 30-х годах, сменились мощными ТУ-І04, ТУ-І34, ТУ-154, ИЛ-62, ИЛ-86, а на местных линиях - АН-24, ЯК-40. - б -
С 1931 г. началось использование авиации в борьбе с сельхозвредителями, с 1949 г, - в дефолиации хлопчатника.
В настоящее время большую и разностороннюю работу по удовлетворению запросов народного хозяйства среднеазиатских республик выполняет авиация специального применения на самолетах и вертолетах АН-2, МИ-І, МЙ-2, МИ-4, ffi-8, ЯК-26. Возрастает объем пассажирских и грузовых перевозок на МВЛ. Значение авиации в экономике как республик Средней Азии, так и страны в целом будет возрастать с каждым годом.
Спецработы и полеты на МВЛ малой и средней протяжен -ности выполняются, как правило, в пределах нижнего ( 3 -4 км) слоя атмосферы. В Средней Азии это полеты либо в горах и предгорьях в сложных условиях пересеченного рельефа, либо над пустынями и полупустынями - часто в условиях развития сильной термической болтанки. Разнообразие природных ландшафтов и форм рельефа, неоднородность подстилающей поверхности обуславливают целый ряд локальных метеорологических эффектов при взаимодействии крупномасштабных атмосферных процессов с мезопроцессами. Возникает пестрое распределение различных форм облачности, количества осадков, тума -нов и т.д. Формируется целый набор местных ветров.
Метеорологическое обслуживание полетов в этих условиях существенно осложняется, значительно возрастает роль мезо -метеорологических прогнозов. Так, полет в горах требует знания структуры воздушного потока внутри долин, ущелий, на перевалах, условий развития и перемещения грозовых очагов, облачности нижнего и среднего ярусов и т.д.
Важнейшим элементом этих прогнозов, знание которого обеспечивает безопасность полета, является турбулентность, вызывающая болтанку летательных аппаратов.
Определим основные цели диссертационной работы:
Изучение характеристик пограничного слоя атмосферы, обуславливающих турбулентность, вызывающую болтанку летательных аппаратов в нижнем 3-4 км слое атмосферы, над основными ландшафтами Средней Азии.
Исследование физических причин возникновения и развития болтанки над пустынями и полупустынями Средней Азии,в предгорьях и долинах Западного Тянь-Шаня.
Разработка рекомендации к краткосрочному авиацион -ному диагнозу и прогнозу болтанки над этими районами.
В соответствии с целями исследования решались следующие задачи:
Экспериментальное исследование термодинамических параметров пограничного слоя атмосферы и пространственно- временных характеристик болтанки над пустынями и полупустынями Средней Азии в условиях свободной конвекции теплого полугодия.
Экспериментальное изучение трехмерной структуры воздушного потока и пространственного распределения болтанки в одной из характерных долин Западного Тянь-Шаня -Пскемской -в теплом полугодии в условиях развития горно-долинной циркуляции.
Экспериментальное изучение пространственных особенностей распределения болтанки в некоторых долинах Западного Тянь-Шаня ( Угамская, Чаткальская, Ахан-Гаранская, Кок-Суй-ская ) в теплом полугодии.
Экспериментальное изучение пространственных особенностей распределения болтанки в указанных долинах в холод -ном полугодии.
5. Экспериментальное изучение трехмерной структуры воздушного потока и пространственных особенностей распреде -ления болтанки в предгорьях Западного Тянь-Шаня (выход из Ферганской долины, Чарвакская котловина).
Используемый в работе экспериментальный материал на -коплен в течение нескольких аэрологических и авиационных экспедиций кафедры физики атмосферы в 1964-1980 годах. Все экс -педиционные работы проводились под руководством и при непос -редственном участии автора.
Содержание диссертации изложено в четырех главах.
В первой главе дается краткая характеристика современ -ных моделей пограничного слоя атмосферы, подчеркивается трудность его изучения. Излагаются некоторые вопросы, касающиеся физических условий развития болтанки в пределах пограничного слоя атмосферы. Дается краткая физико-геогра -фическая характеристика изучаемых районов, которые пред -ставляют основные природные ландшафты Средней Азии (кроме ее глубинных горных областей). Излагается методика проведения экспериментальных полетов на вертолете МИ - I и самолетах ЯК-І2М, АН-2. Приводится объем исходного экспериментального материала, полученного над различными объектами исследования.
Во второй главе дается совместный анализ характеристик турбулентности и вертикальных профилей температуры, ветра и удельной влажности, который позволил обнаружить развитие гидродинамической неустойчивости воздушного потока типа Кельвина-Гельмгольца при наличии приземных инверсий в ночные и ранние утренние часы. Проанализированы условия воз - никновения мезоструй. Показана роль гидродинамической неус -тойчивости в развитии конвективных движений. Получила под -тверждение и развитие теория ярусного обмена Скворцова А.А., описывающая структуру пограничного слоя атмосферы при свободной конвекции. Получены критериальные значения параметра стратификации, характеризующие различную интенсивность развития турбулентности. На основании этих критериев определены вероятные значения интенсивности болтанки над некоторыми пунктами Средней Азии.
В третьей главе рассматриваются особенности аэрологи -ческой структуры горно-долинной циркуляции в горной долине (на примере Пскемской долины) в связи с пространственным распределением интенсивности болтанки в ней. Детально изучена трехмерная термодинамическая структура воздушного потока при развитии ветров высасывания (урсатьевский, чарвакский)в предгорьях Западного Тянь-Шаня. Показано, что воздушный по -ток при этих ветрах имеет вид хорошо выраженной струи"с развитием волновых движений.
В четвертой главе проводится анализ аэросиноптических процессов,при которых развивается конвективная (термическая) болтанка над пустынями и полупустынями Средней Азии, анализируются аэросиноптические условия возникновения орографической болтанки в долинах и предгорьях Западного Тянь-Шаня. Излагаются рекомендации к диагнозу и прогнозу болтанки над этими районами, включающие синоптические и метеоро -логические признаки развития болтанки различной интенсив -ности, а также даются прогностические графики и номограммы.
class1 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБОБЩЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕН
ТАЛЬНЫХ ДАННЫХ class1
Современные представления о строении планетарного пограничного слоя атмосферы
Планетарным пограничным слоем атмосферы (ППС) принято называть турбулизированный под влиянием подстилающей поверхности слой, толщина которого зависит от скорости внешнего потока, механических, теплофизических и оптических свойств подстилающей поверхности (шероховатость, альбедо и пр.) и от характера вертикальной стратификации воздуха / 34 /.
Изучение ППС развивается в двух взаимопроникающих направлениях: создание теоретических моделей и экспериментальное исследование его структуры.
Чрезвычайная сложность строения ППС и его турбулент -ная природа не позволяют пока построить удовлетворительную замкнутую систему уравнений.
В общем случае явления, происходящие в ППС, описываются системой дифференциальных уравнений термодинамики для турбулентной атмосферы / 16 /. Система уравнений включает три уравнения движения (учитывающих силы барического градиента, силу Кориолиса, силы вязкого трения и силу тяжести), уравнение неразрывности, уравнение притока тепла для воздуха и почвы и уравнение притока влаги. Задаются определенные начальные и граничные условия. Замыкание этой системы уравнений, в которой не определены коэффициенты турбулентного обмена, в настоящее время осуществляется двумя способами / 55 /. В первом случае используются полуэмпирические модели, основанные на феноменологических связях между корреля -ционными моментами второго порядка и характеристиками сред - II него течения. Во втором случае с помощью моделей замыкания "высшего" порядка бесконечная система уравнений для моментов всех порядков сводится к системе, состоящей из конечного числа уравнений.
Для замыкания системы уравнений ШС широко использу -ется уравнение баланса энергии турбулентности, в котором учитывается изменение энергии турбулентности, обусловленное диссипацией в теплоту и диффузией из соседних слоев / 55 /. В зависимости от способа учета этих слагаемых различают "интегральную" и "дифференциальную" схемы строения ППС.
Основным недостатком обеих схем является трудность учета притоков тепла в ППС, что обуславливает недостаточно корректное определение работы против архимедовых сил в уравнении баланса турбулентной энергии.
В настоящее время наиболее разработаны модели стацио -нарного, горизонтально-однородного, баротропного ППС / 53, 55 /. Однако "тот факт, что процессы даже для таких, по-видимому, простых условий остаются еще далеко не полностью понятными, связан с тем, что эти условия являются очень ред -кими, столь редкими, что никто не может сказать с уверен -ностью, что в какой бы то ни было из производившихся про -грамм наблюдений эти благоприятные условия действительно имели место " / 123 /. В реальной атмосфере этой модели близко соответствуют условия над квазиоднородной подстилающей поверхностью при незначительной адвекции тепла и влаги, при отсутствии конденсации (туманообразование, облакообразова -ниє) в ППС, обычно в ясную или малооблачную погоду в периоды экстремальных значений температуры, когда лучистый теплообмен изменяется незначительно. Состояние такого пограничного слоя определяется одним динамическим параметром - числом Рос-сби и параметром термической стратификации. Его вертикальная структура успешно подается расчету / III /.
class2 ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОС
ФЕРЫ НАД ПУСТЫНЯМИ И ПОЛУПУСТЫНЯМИ СРЕЩНЕЙ
АЗИИ class2
Вертикальные профили ветра над пустыней
Экспериментальный материал над пустыней получен в основном в ясную погоду (табл. П. 4). При обработке были исключены случаи, связанные с прохождением атмосферных фронтов.
При ясной погоде междусуточные изменения составляющих радиационного и теплового баланса подстилающей поверхности невелики и ими можно пренебречь. Над однотипной подстилающей поверхностью можно считать незначительным пространственное изменение параметра мезошероховатости " Z" ". Небольшие различия в широте позволяют пользоваться осредненными значениями параметра Кориолиса, Так, для среднеазиатских пустынь, имеющих преимущественно широтное расположение, изменение этого параметра будет несущественным. Следовательно, при перечисленных условиях, а также предполагая стационарность процессов в пограничном слое атмосфере, профили ветра будут определяться параметром стратификации {Ji-o-н ), адвекцией ( ), структурой термобарического поля ( - ) и ско -ростыо геострофического ветра Для фиксированных " z" " и " I " скорость геострофического ветра однозначно определяет величину числа Россби (Со), Таким образом, вертикальные профили ветра в указанных уеловиях являются функцией четырех безразмерных параметров:
Формулы (2.4), (2,5) использовались нами для расчета. Знак адвекции независимо от параметра — уточнялся по медцусуточному изменению температуры на изобарической по -верхности АТ-850, а также по вращению ветра в пределах ППС. Параметр стратификации рассчитывается в общем виде по форгде Н - высота пограничного слоя, - вертикальный гра -диент температуры в свободной атмосфере, То и Тн - температуры подстилающей поверхности и на верхней границе ППС соответственно.
Точность вычисления JM.O-H зависит от точности определения -fit и И . Существующие способы определения высоты пограничного слоя по экспериментальным данным основаны либо на использовании наблюдений за скоростью и направлением ветра (динамический пограничный слой), либо на использовании распределения температуры (тепловой пограничный слой). Обстоятельный обзор всех методов определения высоты пограничного слоя сделанный в / 13 /, позволяет сделать вывод о том, что эта величина определяется ненадежно.
Структура горно-долинной циркуляции (на примере Пскемской долины) в теплом полугодии
Анализ сезонного и суточного хода некоторых осредненных характеристик ветра по данным метеорологических станций Пскем и Ойгаинг за период I97I-I975 годы (табл. П. II) позволяет уверенно говорить о том, что в Пскемской долине устойчивая горно-долинная циркуляция формируется в апреле, достигает максимального развития в июле-сентябре и начинает затухать в октябре.
Основные особенности суточного хода ГДЦ в долине в теплую часть года (апрель-октябрь) сводятся к следующему.
В соответствии с ориентированием долины в ней преобладают СВ (горный) и ЮЗ (долинный) ветры. При этомгорный ветер в долине развит слабее долинного. Средняя скорость горного ветра равна 1,8-1,5 м/с в апреле и октябре и 0,9-1,1 м/с -в остальные месяцы. Средняя скорость долинного ветра возрастает от 2,6 - 3,4 м/с в апреле до 4,9 - 5,9 м/с в июле - сентябре.
Утренняя смена горного ветра долинным, обнаруживаемая по большому количеству штилей и малым значениям параметра устойчивости, происходит между 9-12 часами. (Параметр устойчивости рассчитывался как отношение средней скорости результирующего ветра к средней скорости ветра).
Экспедиционное исследование структуры ветра за семилетний период (1972-1977,1980 гг.) показало, что ГДЦ может существенно менять свои характеристики ото дня ко дню. Сложное взаимодействие локальных и крупномасштабных орографических факторов (геометрические параметры долины, ее ориентация, положение в горной системе) с радиационными и циркуляционными факторами синоптического масштаба порождает множество оттенков в развитии ГДЦ. Изменяется мощность горного ветра, скорость горного и долинного ветра, продолжительность существования обеих компонент и т.д.
class4 РЕКОМЕНДАЦИИ К ДИАГНОЗУ И ПРОГНОЗУ БОЛТАНКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ class4 193
Условия, определяющие развитие термической (конвективной) болтанки
В теплом полугодии, когда наиболее развита термическая (конвективная) болтанка над Средней Азией, преобладающими типами синоптических процессов являются либо антициклональ-ные поля (тип 9,9 а, 9 6), либо малоградиентные поля повышенного (тип 12) или пониженного давления (тип 13), либо летняя термическая депрессия (тип II) / 7, 115 /. Типы 9, 12 устанавливаются обычно после холодного западного (тип 10), северо-западного (тип 5) или северного холодного вторжений (тип 6). Тип II, как правило, предшествует этим холодным вторжениям.
При диагнозе и прогнозе термической (конвективной) болтанки над пустынями и полупустынями следует учитывать следующее .
1. Период возникновения сильной болтанки лежит между 12-16 часами местного декретного времени, умеренной - 10 -18 часами;
2. Наиболее благоприятными (условно) эшелонами полета являются высоты 0,6-0,8 км и 1,3-1,7 км и выше 2,5 км. Наиболее дискомфорты при полетах на МВЛ высоты 0,2-0,5 км и 0,8-1,2 км над поверхностью земли.
3. При прогнозе термической болтанки необходимо учитывать наличие облачности. При 7-8 бальной средней или нижней облачности вероятность умеренной болтанки сводится к нулю.
4. При малооблачной или ясной летней погоде болтанка в дневные часы возникает всегда, но может быть существенно различной интенсивности: от слабой до сильной. Для оценки возможной интенсивности, в первую очередь, определяется тип синоптического процесса. (Описание нескольких аэросиноптических ситуаций дается в п.14).
Для развития сильной болтанки наиболее благоприятны малоградиентные барические поля в нижней тропосфере (до АТ 700). В Средней Азии это прежде всего следующие типы синопти ческих процессов: малоградиентное поле повышенного или пони женного давления (типы 12 и 13), центральная часть термичес кой депрессии (тип II). Скорость ветра у земли и на высотах составляет, как правило, 2-5 м/с. Энергия неустойчивости в этих случаях почти полностью реализуется в энергию конвектив ных движений и ее запасы в пределах 3-км слоя близки к нулю (рис. 4.1). Б. Умеренная болтанка наиболее вероятна при юго-восточной, южной или юго-западной периферии антициклона (типы 9, 9а, 96). Может она наблюдаться на периферийных частях термической депрессии. Во всех случаях скорость ветра у земли и в нижней тропосфере (до АТ-700) обычно составляет 6-Ю м/с. Энергия неустойчивости лежит в пределах 10-70 Дж/кг (рис. 4.2.).
