Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 68

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 68)

Этого, очевидяо, достаточно для того, чтобы представить любои вертикальный перепое количества движения, но не перенос тепла и водяного пара. Поэтому на практике Км принимают равным О, а Кв считают бесконечным для тех ситуаций, когда конвекция активна, т. е. когда вертикальный градиент температуры превосходит влажноадиабатический. К„тогда относят к потенциальной температуре по влажному термометру и к относительной влажности. 9.7. Сомнительность понятия коэффициента турбулентного переноса Коэффициент турбулентного переноса можно использовать только тогда, когда в спектре размеров вихрей имеется соответствующий интервал, на котором можно произвести выборку (см, равд, 7.3).

Более того, неправильно полагать, что достаточно большое время выборки обязательно обеспечит получение значимого параметра, даже ссли полученная величина нс зависит от времени выборки. Атмосферная конвскция отсутствует, когда воздух устойчиво стратифицировап, например ночью. Значение вертикального температурного градиента, осредненное за период в несколько дней, обычно устойчиво; оно никогда не становится сильно неустойчивым, поскольку движение тсрмиков и перенос тепла вверх начинаются уже при слабо неустойчивом температурном градиенте.

Поскольку при устойчивом температурном градиенте отсутствует конвективный перенос тепла сверху вниз, происходит общий перенос тепла вверх за счет долговременной конвекцнн. Осреднснный тепловой поток выше, чем для осредненпого градиента, слсдовательпо, коэффициент переноса отрицателен. Эта несообразность была впервые подмечена Голдом много лет тому назад, но его замечание оставлено без внимания теми, кто увлечен выяснением того, что же собой представляет этот коэффициент. Величина коэффициента очень велика, когда конвекция сильна, но равна О, когда копвекция отсутствует; следовательно, его среднее значение бессмысленно. СВОВОД11АЯ К011ВЕКЦИЯ В СУХОЙ АТМОСФЕРЕ 9.8.

формы свободной конвекцнн Слабую конвекци1о трудно получить в лабораторных условиях, а в атмосфере она почти никогда не встречается. Даже в вязкой жидкости течение становится нестационарным прн слабом увеличении притока тепла: частицы поднимаются от нагретой нижней границы сквозь окружение к верхней границе, где растекаются. Поэтому движение оказывается проникающим. Турбулентную природу свободной атмосферной конвекции невозможно исследовать в лабораторных условиях, поскольку в мелком вязком слое наличие вязкости препятствует псрсмешиванию воздуха термиков с окружением посредством вихрей. 9.8.1. Улицы и ячейки Облачные улицы могут состоять из очень тонких облаков.

Эти облака являются как бы только верхней границей движения, которое происходит под ними и не зависит существенно от обусловленного конденсацией изменения плавучести воздуха в облачном слое. Хотя в некоторых улицах облаков обязательно име1отся большие, даже дождевые, облака, мы будем рассматривать только некрупные разновидности облаков, такие, например, как на рис.

9.8.1. Временами облачные улицы образуются над сушей утром, иногда это происходит вечером, когда конвекция не очень активна и ограничена слоем более или менее одинаковой глубины. Это влияет на взаимное расположение облаков: они нс могут располагаться очень близко друг к другу, так как тогда поддерживающие их восходящие потоки (даже если они начинались на земле в виде крошечных термнков) будут накладываться друг на друга и не останется места для нисходящих потоков. Если же облака отодвинутся друг от друга, то между ними могут вклиниться свежие термики.

Не требуется особо сложных рассуждений, чтобы оценить этот довод. Примем, что на верхнсй границе слоя ширина восходящего потока равна ширине нисходящего, и предположим, что при подъеме от земли до этой границы ширина термика примерно удвоится. Тогда при в=4 (как для тсрмика) получится, что удвоение ширины термика происходит при подъеме на высоту, равную его п1ирипе на верхней границе. Поэтому ширина ячейки конвекции должна быть вдвое больше глубины.

Облачные улицы обычно располага1отся друг от друга на расстоянии удвоенной высоты основания облака, следовательно ячейки конвекции имеют примерно такую же ширину. Однако это никоим образом нс доказывает иногда выдвигаемого соображения, что, поскольку ячейки конвскции в жидкости 376 ГЛАВА Э рнс 9.8Л. Лэрофотоснннок облачных унан над Оксфорснннран.

постоянной вязкости и в атмосфере имеют приблизительно одинаковую форму, механизмы процессов в этих средах должны быть полностью аналогичны. На самом деле характер процессов перемсшпвания в атмосфере под действием вихрей в пределах системы имеет переменный характер. Для объяснения формы ячеек предлагалось использовать число Прандтля (вихревое число Прандтля для однородного турбулентного слоя равно Км~Кн). Однако пе имеется каких-либо опытных данных, которые указывали бы на горизонтальный перенос количества движения и тепла вихрями, аналогично тому, как это может быть установлено в лабораторных условиях для вязкой проводящей жидкости, Тем не менее многие скорее предпочли бы неверную теорию, чем вообще отсутствие математического описания деталей процесса. Примснительно к атмосфере это неразумно, поскольку ситуации в ней различаются так сильно, что любая точная теория оказалась бы бесполезной, особенно такая, как теория турбулентного переноса, которая не открывает здесь ничего нового, нс базируется на динамике процессов и является лишь представлением кинематичсской идеи.

Облачные улицы часто возпнка1от над морем, в особенности там, где воздушный поток нагревается медленно, а слой постоянной глубины расположен над большой территорией. Так как нагревание идет медленно, то взаимодействие между терми- своводнля конвенция в сгхои лтмосевга ками может достичь более или менее стационарного состояния. Усиление конвекции нс отражается на структуре облачных улиц, но диапазон размеров облаков увеличивается. В слое, отгороженном инверсией, через которую облака не могут проникнуть, интенсивная конвскция редка, но обычно образуется слой облаков с наковальнями.

Облачные улицы формируются и выстраиваются в ряды в течение 10 — 30 мин с момента появления облаков, так что их структура уже как бы существует в движении воздуха внизу, Это можно наблюдать, когда воздух движется от холодной суши к теплому морю, где ситуация, подходящая для создания улиц, уже имеется, или когда опи образуются утром.

Указанное время сравнимо со временем подъема частиц сквозь конвектнвпый слой. Таким образом, механизм образования облачных улиц пе может быть прямо связан с вращением Земли, поскольку для проявления эффекта вращения требуется существенно бблыпая часть суток. Одна из теорий облачных улиц предполагает, что опи возникают в слое Экмана. В слое Экмана скорости ветра постоянны по величине и направлению на каждой высоте над большой территорией и определяются из баланса сил, обусловленных градиентом давления, сил Кориолиса и касательных напряжений (см.

разя, 4.10). Такой профиль ветра неустойчив по отношеншо к возмущениям, которые соответствуют образованию облачных улиц. Этот профиль зависит от постоянного коэффициента турбулентного переноса, который равен нулю, когда есть улицы. Более того, так как в воздухе имеется сильный вертикальный обмен, профиль ветра нс может быть стационарным. Наконец, частицы воздуха совершают полный оборот в ячейке за время, много меньшее суток.

Энджел и Пек (1963 и 1967) провели шаропилотныс измерения, показывающие, что длительность одного оборота частицы в ячейке имеет порядок 30 мцп, что согласуется со значениями скоростей порядка 1 — 1О и/с, измеренными планеристами в облаках илн восходящих потоках в облачных улицах. Это означает, что для динамики рассматриваемого движения сила Кориолиса не является существенным фактором. Улицы выглядят лежащими примерно по ветру.

Частицы воздуха движутся по спирали (рис. 9.8.2), и обычно полагают, что расположение улиц в виде продольно ориентированных валков вызвано трением о подстилающую поверхность. Трудность объяснения поперечно ориентированных валков заключается в том, что на стыке между двумя соседними валками один из них создавал бы восходящий поток, а другой — нисходящий.

Это происходило бы потому, что валки должны вращаться в направлении завихренности, определяемой сдвигом ГЛАВА Р 378 ветра, который в свою очередь порождается трением о подстилающую поверхность. В случае же продольной ориентации соседние валки имеют противоложное направление вращения. С другой стороны, в свободной атмосфере сдвиговый слой может порождать облачные валы с тем же самым направлением вращения, что и у сдвига, поскольку верхняя и нижняя границы срываемого слоя могут быть деформированы так, что Рнс.

9.8АЬ Усредненное спиральное данжевне частиц в конвектнвных облачных улицах, Облака могут образовываться в верхней части восхозяшего течения лабо в ячейках, лнба непосредственна над пнин На рисунке показаны об.гака, генерируемые только срсдннмн «»ейкамн. Если бы уровень ьондснсанин находился аа высоте, помеченной штриховой линней, а течение была ламипарньгм, та облачный стой полностью завял б» часть объема я 1сгк выпье уровня копдепсапни. образуются срывные вихри (правая часть рис. 63.2). В слоях альтокумулюсов, вытянутых в длинпыс ячейки, движение при сильном сдвиге приводит к образованию облачных валов, описанных в гл.

Характеристики

Список файлов книги