книги из ГПНТБ / Процессы переноса в близи поверхности раздела океан - атмосфера

Ч а с т ь I

ДИНАМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ

Г л а в а 1

СТРУКТУРА ВЕТРА В ПРИВОДНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

Физические процессы, происходящие в нижнем, прилегающем к водной поверхности слое воздуха, играют важную роль в форми­ ровании режима верхнего слоя моря и влияют на строение всей толщи пограничных слоев по обе стороны от границы раздела. В приземном слое атмосферы над морем, или в «приводном» слое, т. е. в слое воздуха, где влияние силы Кориолиса пренебрежимо мало, а турбулентные потоки можно считать постоянными по вы­ соте, происходят сложные процессы взаимного обмена теплом, вла­ гой и механической энергией между морем и атмосферой.

Массо- и энергообмен через границу раздела вода—воздух

взначительной степени регулируется турбулентными движениями

вприводном слое атмосферы. Особенно важными для выяснения механизма взаимодействия океана и атмосферы являются динами­ ческие характеристики турбулентного поля ветра, определяющие непосредственный обмен механической энергией через жидкую гра­ ницу раздела. Они же ответственны за формирование морского волнения, в свою очередь оказывающего существенное обратное

влияние на структуру поля ветра.

В настоящее время структура турбулентности вблизи взволно­ ванной морской поверхности изучена слабо. Ощущается не только недостаток экспериментальных данных, но и связанное с этим от­ сутствие законченной гидродинамической теории, описывающей механизм взаимодействия между подвижной жидкой границей раз­ дела вода—воздух и турбулентным ветром. Поэтому основное зна­ чение как в физике пограничного слоя атмосферы над морем, так и для решения ряда прикладных задач приобретают эксперимен­ тальные исследования процессов, происходящих вблизи поверхно­ сти раздела.

Главные задачи экспериментального исследования приводного слоя атмосферы можно сформулировать следующим образом:

1) определение закономерностей вертикального распределения основных характеристик турбулентности и выяснение их связей

5

с внешними параметрами; в частности, отыскание зависимостей ха­ рактеристик приводного слоя от свойств водной подстилающей по­ верхности и выяснение взаимосвязей между структурой полей ветра

иволнения;

2)выяснение возможностей применения при описании строен приводного слоя основных закономерностей теории турбулентности

изаконов строения пограничного слоя, полученных и эксперимен­ тально проверенных для турбулентного потока газа или жидкости над твердой стенкой. Эта задача является тем более важной, что полученные в морских условиях экспериментальные данные указы­ вают на ряд специфических особенностей строения приводного слоя.

Описание турбулентности в приводном слое атмосферы требует знания ряда динамических и термических характеристик турбулент­ ного поля ветра. Перечислим наиболее важные из них.

1. Вертикальные турбулентные потоки количества движения тепла Р и влаги Е, наиболее непосредственно описывающие взаимо­ действие атмосферы и подстилающей поверхности. Турбулентные потоки представляются обычно смешанными вторыми моментами:

Здесь и', w' — пульсации продольной и вертикальной составляющих скорости ветра; 0' и q'— пульсации температуры и влажности воз­ духа.

Пульсации соответствующего элемента определяются как раз­ ность между мгновенным значением измеряемой величины X(t)

в момент t и ее средним значением X за некоторый достаточно большой период времени Т:

x ' = X ( t ) - X ,

т

X = ± r \ X { t ) d t .

о

При условии статистической стационарности и однородности по горизонтали полей метеоэлементов турбулентные потоки считаются постоянными по высоте.

2. Статистические характеристики турбулентности, наибол важными из которых являются дисперсии о^, структурные Dij(At),

корреляционные Rij(At) и спектральные Sij(со) функции метеоэле­ ментов:

Здесь At — аргумент структурной и корреляционной функций.

6

Для стационарного случайного процесса, как известно, выпол­ няются соотношения:

Функция спектральной плотности определяется обычно как об­ ращение Фурье корреляционной функции Rij(At).

3.Средние, профильные значения скорости ветра, температуры

ивлажности воздуха. В этой главе нас будет интересовать только профиль скорости ветра ..в адиабатических условиях, который опи­ сывается широко известным логарифмическим законом

Здесь у* = Ут/ра— скорость трения или динамическая скорость; г0— параметр шероховатости поверхности; х = 0,4 — постоянная Кар­ мана; А0 — эффективная высота неровностей на поверхности, оказы­ вающих сопротивление воздушному потоку; т — коэффициент, ха­ рактеризующий размер, форму и расположение элементов шерохо­ ватости на поверхности; v — кинематический коэффициент вязкости воздуха.

4.Компоненты уравнения баланса энергии турбулентности, опи­ сывающие изменение во времени плотности кинетической энергии пульсационного движения, порождение энергии турбулентности от среднего движения и под влиянием сил плавучести, приток энергии

вслой за счет диффузии и расход на диссипацию в тепло.

5.Характеристики подстилающей поверхности. Поверхность моря нельзя рассматривать просто как один из типов подстилающей поверхности, такой же, как, например, твердая стенка. Сложность

иизменчивость физических процессов, происходящих вблизи по­ верхности моря, тесно связаны с параметрами самой водной поверх­ ности, зависящими в свою очередь от характеристик поля ветра.

Для случая стационарности и однородности полей ветра, темпе­ ратуры и влажности статистические характеристики пульсаций на достаточном удалении от неровностей подстилающей поверхности описываются хорошо экспериментально проверенными закономерно­ стями, полученными на основе теории подобия Мониным и Обухо­ вым. Подробное изложение ее приводится в обзорах Монина (1958, 1962) и в монографии Монина и Яглома (1965).

Структурная и спектральная функции пульсаций скорости ве­ тра, температуры и влажности описываются для инерционной под­

области частот законами 2/з—5/з.

7

Здесь е — скорость диссипации турбулентной энергии в тепло; со — круговая частота; С — универсальная константа, равная 1,9 (Мо­ нин, Яглом,1967).

Поведение безразмерных дисперсий пульсаций продольной, по­ перечной и вертикальных составляющих скорости ветра описыва­ ется универсальными функциями от высоты и стратификации. При нейтральной термической стратификации эти функции обращаются в универсальные константы:

(Монин, Яглом, 1965).

1.1. Методы морских метеорологических наблюдений

Разнообразие факторов, определяющих строение приводного слоя, и трудность их учета при постановке наблюдений часто при­ водят к противоречивости и даже несравнимости эксперименталь­ ных данных, полученных в морских условиях. Источником таких противоречий является и методическая сторона постановки наблю­ дений.

В микрометеорологии основными методами экспериментального изучения являются профильные (или градиентные) измерения сред­ них значений скорости ветра, температуры и влажности воздуха

ипульсационные измерения, позволяющие получить статистические характеристики микроструктуры турбулентного потока. Первые дают возможность определить потоки количества движения, тепла

ивлаги на основании представлений о закономерностях изменения соответствующих средних значений с высотой. Методы обработки градиентных измерений в настоящее время достаточно хорошо раз­ работаны (Лайхтман, 1970; Казанский, Монин, 1962; Зилитинкевич

иЧаликов, 1968а, 19686; и др.). К достоинствам этих измерений от­ носится сравнительная простота постановки наблюдений.

Наиболее универсальным методом, не имеющим принципиаль­ ных ограничений при использовании и позволяющим определить большое число турбулентных характеристик, является пульсационный. Обычно при исследовании строения слоев воздуха, прилегаю­ щих к подстилающей поверхности, он применяется совместно с гра­ диентными измерениями, дающими дополнительную информацию

ораспределении средних характеристик метеоэлементов по высоте.

8

Экспериментальные работы в морских условиях имеют свои осо­ бенности как в выборе приборов, так и в методике постановки ис­ следований. Экспериментальное изучение приводного слоя атмо­ сферы в значительной степени осложняется трудностями чисто ме­ тодического характера, связанными с фиксацией уровня наблюдений.

В качестве основы для установки приборов применяются непод­ вижные основания и плавучие устройства. Неподвижные основания, такие, как нефтяные вышки (Макова, 1965; Ролль, 1965; и др.), спе­ циальные платформы (Ролль, 1965; Понд и др., 1963; Понд и др., 1966; де Леонибус и Симпсон, 1972; и др.) и конструкции (Виногра­ дова, 1960, 1964; Ролль, 1965; Андреев и др., 1969; Такахаши, 1958;

Преображенский, 1968), позволяют устанавливать приборы непод­ вижно относительно дна моря, но вследствие этого они могут при­ меняться только в мелководной прибрежной зоне и в замкнутых во­ доемах (измерения Чарнока на оз. Лох-Несс). Экспериментальные результаты, полученные в таких условиях, часто бывают искажены влиянием прибрежных районов суши. Ценность подобных наблюде­

устройств двух типов: 1) свободно плавающие по поверхности «от­ слеживающие» буи, 2) буи типа вехи Фруда, позволяющие удер­ живать приборы на заданной высоте относительно среднего уровня моря. Буи первого типа использовались, например, Кузнецовым и Филипповым (1965), Бышевым и Кузнецовым (1969) для поста­ новки пульсационных измерений, Волковым (1969) для измерения профилей ветра и др. При использовании отслеживающих устройств существенно усложняется интерпретация полученного материала, поскольку датчики, установленные на колеблющемся буе, регистри­ руют не только измеряемую величину в некотором слое, но и соб­ ственные перемещения. Попытке интерпретации пульсационных из­ мерений с буя этого типа посвящена работа Китайгородского (1969). Вообще интерпретация такого рода данных требует дополнительных гипотез о структуре воздушного потока над морем. Несомненным преимуществом этой методики является возможность проводить из­ мерения в непосредственной близости к физической поверхности.

Широко применяемые в настоящее время буи типа вехи Фруда (Клеванцова и др., 1963; Макова, 1965; Бортковский и Преображен­ ский, 1965; Зубковский и Тимановский, 1965; Бышев и Кузнецов, 1969; Ефимов и Сизов, 1969; Волков, 1969; и др.) позволяют свести к минимуму вертикальные перемещения и качку установленных на них приборов. Они представляют собой вертикально плавающие ци­ линдрические поплавки с диаметром, много меньшим длины по­ плавка (в 20—30 раз), и малой плавучестью.

Добиться полной неподвижности плавучих буев практически не­ возможно. Обычно пытаются сдвинуть частоту собственных коле­ баний системы в низкочастотную область с тем, чтобы она не

9