Л.Т. Матвеев - Курс общей метеорологии. Физика атмосферы (1115251), страница 46
Текст из файла (страница 46)
е. резко изменяет свое значение и направление в течение коротких промежутков времени. Турбулентное движение атмосферы оказывает большое влияние на состояние атмосферы и физические процессы, протекающие в ней. Чтобы подойти к количественной характеристике турбулентного движения атмосферы, рассмотрим следующий опыт, В трубу, по которой течет жидкость, вводится струя подкрашенной жидкости. В трубе подкрашенная жидкость течет тонкой струйкой, пока скорость течения невелика. При увеличении скорости струйка становится извилистой, затем теряет резкие очертания и разбивается иа отдельные вихри. Первый режим течения (при малых скоростях) называется ламинарным.
Ламинарный режим движения — этой такой режим, при котором частицы жидкости или газа перемещаются параллельно друг другу по траекториям, представляющим плавные, лишь слегка изменяющиеся во времени кривые. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что характер движения жидкости или газа зависит от безразмерного числа, называемого числом (или параметром) Рейнольдса: йе = рг1/Ч„ где р — плотность, с — скорость движения, 1 — характерный масштаб движения, т1 — динамический коэффициент молекулярной вязкости.
рис. 9.Ь дымовая струя при разной сзспенп турбулентности (/з — нозффппиент турбулентности]. При малых числах Рейнольдса движение жидкости пли газа носит ламинарный характер; при числе Ке, равном критическому значению теенр, наблюдается переход из ламинарного движения в турбулентное, а при больших значениях Ке движение становится полностью турбулентным. При постоянных р и т1 переходу ламинарного режима движения в турбулентный способствует увелячение скорости движения и его характерного масштаба. Увеличение же вязкости приводит к сохранению ламинарного движения до больших значений скорости. Оценка числа Рейнольдса для атмосферных движений показывает, что подавляющая .- ""-."л >и Х часть их носит турбулентный характер, за исключением движений в очень тонком слое воздуха (толщиной в несколько /з миллиметров), непосредственно прилегающем к земной поверхности (так называемый вязкий подслой).
Однако сте- ,'зм й еа уп пень развития турбулентного б,лм обмена может быть самой различной. Об этом можно судить хотя бы по наблюдениям за распространением дыма, выхо- ЧЮ" дящего из печных, фабричных и заводских труб. Вид струй дыма, выходящих из труб прп разной степени турбулентности атмосферы, изображен иа рис. 9.1. При малых скоростях ветра, при устойчивой и особенно прп пнверсионной стратификации в нижнем слое атмосферы (иапример, при безоблачной погоде ночью или сильных морозах зимой в течение суток) дым распространяется в виде тонной струи на значительное расстояние. При большой скорости ветра струя дыма приобретает извилистый характер, а при сильной термической неустойчивости струя разбивается на отдельные части.
При турбулентном режиме движения скорость ветра, температура и другие метеорологические величины, испытывают беспорядочные, быстро меняющиеся во времени колебания. Но наряду с хаотическим движением все частицы воздуха имеют некоторую среднюю скорость переноса. Благодаря этому мгновенная скорость се движения воздушной частицы мо- 2!б РП Телловое состоннне атмосьеры Турбулентное состоонне атмосФеры. Прнлемныб слой жет быть представлена в виде со=с+с', где с — средняя скорость движения, определенная путем осреднения за некоторый промежуток времени или по некоторому достаточно большому объему воздуха; с' †отклонен мгновенной скорости от средней, или пульсация скорости.
В виде таких же сумм (но уже скалярных) представляются мгновенные значения других метеорологических величин. В слоях атмосферы, где температура, плотность н скорость ветра изменяются с высотой (наблюдается расслоенность по вертикали), число Рейнольдса уже не может служить единственной характеристикой турбулентного состояния среды. В п. 5 главы 4 было показано, что одной из величин, от которых зависит движение частиц по вертикали, является вертикальный градиент температуры у. Более общая теория турбулентности позволяет установить, что о развитии турбулентности в атмосфере можно судить по другому безразмерному параметру †чис Ричардсона (Т1 (см.
п. 3 главы 21). 2 Простейшие характеристики турбулентности В состав атмосферного воздуха входят переменные части (водяной пар, углекислый газ и озон) и всевозможные атмосферные примеси, представляющие собой мельчайшие твердые и жидкие частицы. Назовем удельным содержанием э примеси массу ее в единице массы воздуха. Применительно к водяному пару э представляет собой массовую долю пара. Наблюдения показывают, что удельное содержание примесей изменяется в атмосфере в широких пределах как во времени, так и в пространстве (при переходе из одной точки в другую). Удельное содержание э изменяется с увеличением высоты (как правило, падает), а также в горизонтальном направлении (концентрация твердых примесей в загородной местности„например, значительно меньше чем в городе).
В процессе турбулентного перемешивания происходит перемещение отдельных частиц (масс) воздуха из одной точки в другую как по вертикали, так и по горизонтали. Отдельную воздушную частицу, участвующую в турбулентном перемешивании, принято называть турбулентным молем. Турбулентные моли отрываются от общего потока в одной точке, перемещаются на некоторое расстояние и смешиваются с потоком в другой точке пространства. В реальных условиях процесс смешения турбулентных молей происходит непрерывно: оторвавшаяся от общего потока воздушная частица постепенно начинает смеши- Я= — 1пп А —. — А —. дг дг д б Ьг д (2.2) Здесь — !нп Лэ/Лг= — дэ/дг — вертикальный градиент удельного Ьл б содержания.
Вертикальный градиент — дэ/дг, а вместе с этим и поток сг положительны. (направлены вверх), если э убывает с высотой (Лэ ( 0), и отрицательны (направлены вниз), если э растет с высотой (Лэ ) 0). ваться с окружающим воздухом. Для целей теоретического изучения сложного процесса турбулентного перемешивания вводится понятие о так называемом пути смешения !, Представляющем собой расстояние, на которое перемещается турбулентный моль от момента зарождения до полного смешения с воздушным потоком. При своем перемещении турбулентные моли переносят водяной пар, атмосферные примеси и другие физические свойства воздуха (теплосодержание, количество движения). Рассмотрим перемешнвание в вертикальном направлении. Выделим в атмосфере два каких-либо произвольных (но близко расположенных) уровня г н г+Лг.
Средние значения удельного содержания примеси на уоовнях г и г+Лг обозначим соответственно через э и э+Лэ (осреднение произведено по достаточно большой горизонтальной плошади). В реальных условиях атмосферы наиболее часто наблюдается случай, когда Лэ < 0 (т. е.
э+Лз ( з), хотя в отдельных слоях в определенные промежутки времени возможно и возрастание удельного содержания с высотой (Лэ ~ 0). Турбулентное перемешивание ведет к выравниванию содержания примесей. Если Лэ ( О, то удельное содержание будет возрастать на верхнем уровне г+Лг и убывать на нижнем уровне г, т.е.
возникает поток примеси или водяного пара. Обозначим через Я массу примеси или водяного пара (в килограммах),которая впроцессе турбулентного перемешивания переносится в единицу времени (1 с) через 1 м' горизонтальной поверхности, расположенной между уровнями г и г+Лг. Величина Я носит название турбулентного потока примеси, водяного пара или какого-либо другого физического свойства, переносимого турбулентными молями. Из физических представлений очевидно, что турбулентный поток должен быть пропорционален разности удельных содержаний на уровнях г и г+Лг, отнесенной к единице расстояния между уровнями, т. е, Лэ/Лг. Если коэффициент пропорциональности обозначить через А, то формулу для потока Я можно записать в виде Я = — А (Лэ/Лг).
(2.1) Коэффициент пропорциональности А в формуле (2.1) носит название коэффициента турбулентного обмена или коэффициента пгргмгшивания, Если в формуле (15.1) перейти к пределу, то по- лучим Тенлоиое состояние атмосберы Турбулентное состояние атмосФеры. Приаемныб слои 217 (2.3) Единица коэффициента турбулентности — м'/с. Коэффициенты А и й в условиях атмосферы подвержены значительным изменениям как во времени, так и в пространстве. Они зависят от вертикального градиента скорости ветра, термической устойчивости атмосферы, свойств земной поверхности (ее шероховатости, термической неоднородности) и др.
Коэффициенты турбулентного обмена и турбулентности непосредственно связаны с пульсациями скорости ветра. В свою очередь пульсации скорости ветра определяют путь смешения 1. Из физических представлений очевидно, что путь смешения по вертикали вблизи земной поверхности не может быть большим; во всяком случае, он не может превышать расстояние от земной поверхности до уровня, где зарождается турбулентный моль, т. е. высоты г. Это совершенно очевидно в отношении частиц, перемещающихся сверху вниз, поскольку земная поверхность препятствует их дальнейшему движению. Но так как втечение промежутка осреднения масса воздуха, переносимая в процессе турбулентного обмена через некоторую поверхность снизу вверх и сверху вниз, должна быть одной и той же (это утверждение является одним из основных постулатов турбулентного обмена), то в среднем турбулентные моли могут смещаться вверх на такое же расстояние, что и при движении вниз.
По мере увеличения высоты над земной поверхностью турбулентные моли приобретают возможность перемещаться по вертикали на ббльшне расстояния, чем на более низких уровнях. Из этих рассуждений следует, что путь смешения 1, а вместе с ним коэффициенты А и й с увеличением высоты над земной поверхностью должны возрастать.
Слой атмосферы, в котором коэффициент турбулентности при любых условиях растет с высотой„называют ариземным слоем. Его высота а изменяется от 10 — 20 до 200 — 230 м (наиболее часто от 60 до 100 м). Значения коэффициента турбулентности /сл на верхней границе приземного слоя в зависимости от термической устойчивости, скорости ветра и шероховатости земной поверхности колеблются от десятых долей до нескольких десятков му/с. Наряду с турбулентным потоком примеси, водяного пара н других физических свойств воздуха в атмосфере наблюдаются моле- Коэффициент турбулентного обмена А равен потоку примеси (или водяного пара) при условии, что вертикальный градиент ее содержания равен единице, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
