Диссертация (1102539), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Обзор исследований атмосферного пограничногослоя в контексте совместного использования измерений имоделейНа исследование атмосферного пограничного слоя (АПС) направлено множество работ.Для измерения его характеристик используется большое количество приборов и методов. Ониобладаютразнойточностью,высотнымдиапазоном,временнымразрешением,индивидуальными особенностями, которые следует учитывать при их использовании. Поэтомув начале работы предпринята попытка обобщить свойства измерений, проанализироватьсостояние проводимых наблюдений. Затем рассматриваются некоторые использующиеся напрактике модели АПС. В заключение приведен обзор работ, направленных на использованиеданных измерений для совершенствования его описания в моделях.1.1Способыизмеренияхарактеристикатмосферногопограничного слоя (АПС)Начиная с 50-х годов прошлого века проводится интенсивное изучение атмосферногопограничного слоя.
Экспериментальное исследование АПС позволяет систематизировать егосвойства, проверять гипотезы о физических механизмах, участвующих в его формировании. Внастоящий момент существует достаточно большой спектр способов измерений, какконтактных, так и дистанционных, захватывающих практически все возможные характеристикиАПС. Различные методы наблюдений и некоторые их характеристики сведены в таблице 1.1.Большое число метеорологических измерений в АПС проводятся на сети наземныхсиноптических станций. Существующая сеть достаточно обширна, но поставляет информациютолько у земли. Также, у поверхности в исследовательских целях проводят специальныеизмерения приборами, не входящими в набор используемых на синоптических станциях.
Втаких исследованиях используют приборы для наблюдений за радиационными потоками; затурбулентными потоками с помощью высокочастотных измерений пульсаций скорости ветра итемпературы и др. Акустические термоанемометры позволяют измерять температуру и скоростии направление ветра с частотой до 50 Гц. С помощью таких приборов можно напрямуюизмерять турбулентные характеристики, а также изучать подробно такие явления как порывыветра. Такие приборы устанавливают и на некоторых метеорологических мачтах.Вертикальные профили метеовеличин измеряются на специальных метеорологическихмачтах.
В России такие измерения проводятся на Обнинской метеовышке [Бызова Н.Л., 1996],ОстанкинскойтелебашневМоскве[КлиновФ.Я.,1966;Бызова,Н.Л.,1984],экспериментальной башне в Зотино в центральной Сибири [Panov 2011]. Вообще в миресооружено совсем небольшое число мачт для метеорологических измерений.
Такие измеренияобладают высокой точностью, хотя и подвержены влиянию самих сооружений. Для измеренияпрофилей метеовеличин используют также привязные аэростаты [Angell, 1973] и беспилотныесамолеты, воздушные змеи. Однако такие измерения не проводятся постоянно, онииспользуются только в рамках отдельных экспедиций или измеренийВертикальные профили получают и с помощью радиозондов, однако, такие данныеимеют низкое вертикальное разрешение в пограничном слое в связи с большой скоростьюпролета зондов сквозь него.
К тому же измерения на большинстве аэрологических станцийпроводятся не чаще 2 раз в сутки.Специальные самолеты-лаборатории используются в задачах изучения изменчивостихарактеристик АПС в зависимости от расстояния и др. Измерительные приборы установлены ина многих пассажирских самолетах (системы AMDAR и TAMDAR), предоставляя информациюо профилях метеовеличин в основном над аэропортами. Интенсивность измерений естественнонапрямую зависит от интенсивности движения самолетов.
При этом на точность данных оскорости ветра напрямую оказывает влияние точность измерения скорости самолета.10Помимо контактных методов, широкое распространение получили дистанционныеметоды. Спутниковые измерения не позволяют получать профили в АПС из-за самой геометрииизмерений (удаленность спутника от объекта). Наземные измерения имеют достаточно широкийспектр методов для наблюдений за различными характеристиками АПС. Хорошие обзорыдистанционных методов можно найти в работах [Dabberdt W.F. et al, 2004.; Wilczak J.M et al,1996; Каллистратова М.А., Юшков В.П., 2008].Вертикальные профили ветра измеряют с помощью радаров – профилемеров ветра.
Взависимости от используемого частотного диапазона они измеряют как в АПС, так и во всейтропосфере. Однако все модификации имеют достаточно большую, не менее 50 м, мертвуюзону внизу.Меньшую мертвую зону (10-50 м), однако, и меньший диапазон (до 200-750 м) имеютакустические локаторы – содары (от английского SODAR - Sound Detection And Ranging).
Средироссийский разработок стоит упомянуть содары ВОЛНА [Гладких В. А., Одинцов С. Л., 2001] иЛАТАН [Кузнецов Р. Д.,2007].Объединение содаров и радаров в радиоакустические комплексы позволяет измерять ещеи профиль температуры.Дляизмеренийпрофилейтемпературыиспользуютсятакжерадиометры–микроволновые профилемеры. Некоторые приборы позволяют измерять также влагосодержаниевоздуха. Широкое применение в нашей стране получил микроволновой температурныйпрофилемер МТП-5 [Kadygrov E.N., 2006]. В данный момент работает более 55 приборов МТР5, установленных по всему миру, в том числе в трех точках в Москве, двух точках в СанктПетербурге, а так же в Челябинске, Нижнем Новгороде и некоторых других городах.Лидарные измерения дают высокую точность и разрешение, однако для наблюдений заветром и температурой используются редко из-за высокой стоимости приборов.Анализируя таблицу 1.1, следует отметить, что общим недостатком дистанционных11приборов является влияние на них внешних шумов (акустических для содаров, радио длярадаров и т.п.) и осадков.
Также их точность обычно убывает с высотой. Высота зондированиядистанционных приборов может варьироваться во времени в зависимости от условийизмерения. На некоторой высоте внешние шумы могут превысить уровень сигнала. Например,высота измерений с помощью содара ограничена уровнем акустических шумов (может бытьменьшей в условиях городских шумов), интенсивностью турбулентности (измеренияневозможны при ее отсутствии), температурной инверсией (измерения невозможны вышенижней границы инверсионного слоя).Важной особенностью дистанционных методов является то, что они осуществляютосреднение измеряемой характеристики по измеряемому объему, что приближает их кмодельным данным, которые характеризуют среднее по расчетной ячейке.Эти приборы используются как в оперативном режиме для обеспечения служб погоды,так и в рамках исследовательских работ.Во всем мире проводились начиная с 60-х гг. и продолжают проводиться комплексныеэксперименты по измерению характеристик АПС.
Это такие известные эксперименты, какWangara-1967 [Clarke R.H. et al, 1971], Kansas-1968 [Izumi,Y 1971], Cabauw-1977-79 [Hofman, C1988], CASES-97,99 [LeMone, M. A. et al, 2000] и другие. Отдельные эксперименты направленына изучение городского пограничного слоя, например BUBBLE [Rotach M. W. et al.
2005]. Врамках таких экспериментов удается собрать вместе и провести измерения с использованиембольшого числа разных приборов, дающих по возможности наиболее широкий охватизмеряемых характеристик АПС. Такие наблюдения дают наиболее полное представление обэволюции и структуре АПС в месте и во время проведения эксперимента.12Таблица 1.1Способы измерения в АПСПрибор /методизмеренияИзмеряемые характеристики иточность измеренийТемпеВетер Влаж- Другиератураность0.1 °C1 м/с5%+ВысотныйдиапазонразрешениеповертикалиВременнойинтервализмеренийПреимуществаНедостатки2-10 м1 точка (210 м)3чТолько приземныеданныеРадиозонд0.5 °C1 м/с≤15%До 30 км12 чБольшое количествоизмеряемыххарактеристикБольшая сетьизмеренийВысокая точностьВысокий диапазонРаспространеннаясетьСамолет0.5 °C2 м/с≤5%СпутниковыеизмеренияМачты,привязныеаэростаты++0.1 °C0,1 - 1м/сСтандартныеприборы наметеопостах,корабляхпогоды≤5%+До 8 кмВ АПС1000, 925,850 и 700гПа100-1000 м+1-100 км>1 км+100 -500 м5-100 мЗависит отинтенсивностирейсов1-2 раза всуткиНеск.
мин –3чВысокий диапазонРаспространеннаясетьГлобальноепокрытиеВысокая точностьМалое разрешение вАПСИзмерения проводятсятолько 2 раза в суткиНужна коррекция надвижение самолетаНе разрешают АПСВлияние самихсооружений наизмерения13Радар(профилемерветра)≤ 1 м/с0.1-7км(1000 Мгц)1-21 км (50МГц)60-500 м(1000 Мгц)300-2000 м(50 МГц)30 минВысокий диапазонзондированияПозволяют измерятьбольшие скоростиветраНе чувствительны какустическим шумамНепрерывныеизмеренияСодар≤ 0,5м/с15 м – 200750 м5-50 м30 мин75÷150 м 1,0÷1,5 км60-400 м30 мин.Более высокоепространственноеразрешениеНепрерывныеизмерения в нижнейчасти АПСВысокое временноеразрешениеМожно измерятьниже 100 мМогут измерятьвиртуальнуютемпературуРадиоакустическиекомплексы(RASS)1 °CНизкое высотноеразрешениеБольшая «мертвая зона»в нижней части АПСНа измерения влияютптицы, самолеты;осадки;электромагнитныесигналыТочность уменьшаетсяпри малой влажностиМеньший высотныйдиапазонВлияние осадков,акустических шумовОграничение высотызондирования сильнымветром и температурнойинверсиейТочность уменьшаетсяпри малой влажностиИзмеряют виртуальнуютемпературу, которуюнадо пересчитыватьВлияние осадков ишумовНеобходимостькоррекции навертикальные движенияОграничение высотызондирования сильнымветром и температурнойинверсией14Лидар0.1 °CМикроволновые (СВЧ)профилемеры0.1-0.8°C0.2 м/с+±40-200 м20 мНеск.
сек. –неск. мин0-10000 м50÷200 м5 минВысокое временноеи пространственноеразрешениеНе чувствительны какустическим иэлектромагнитнымшумамВысокое временноеи вертикальноеразрешениеНе чувствительны какустическим иэлектромагнитнымшумамВозможныизмерения вусловиях туманаИзмерения не возможныв тумане, облаках,высоких аэрозольныхконцентрациях, осадкахМеньшее разрешение посравнению с активнымиинструментами (RASS,Lidar)Влияние дождя,водяного пара (приизмерении температуры)Необходимостькалибровки приборов,измеряющих влажность15Благодаря этому все данные даже уже старых натурных экспериментов до сих поршироко используются при разработке моделей АПС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
