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

Используя значения, приведенные в табл. 8.8, можно вычислить испарение за большой промежуток времени (месяц, сезон) по фор­ муле

ваются путем суммирования вероятностей единичных интервалов; эффективные коэффициенты С'Е для различных интервалов нахо­

дятся по табл. 8.8.

Первое слагаемое формулы (8.37) выражает вклад нештормо­

вых условий в суммарный поток влаги; в нем и0, так же как и выше, — средняя скорость ветра при исключении штормов из ряда,

а СЕ (и, ои, ДО, сгде, Ае, аДе) — коэффициент испарения, учитываю­ щий (с точностью до вторых моментов ои, аде, аДе) временную структуру метеорологических элементов.

Аналогичная формула служит для расчета вертикального тур­ булентного потока тепла. Результаты расчета среднемесячных ве­

личин потоков Р и Е для кораблей погоды С и D по формулам вида (8.37) представлены на рис. 8.7. Видно, что существенное (до 35— 40%) возрастание потоков тепла и влаги, вызванное штормами, на­ блюдается в осенне-зимние месяцы, тогда как в летний сезон эф­ фект незначителен из-за малой вероятности штормов.

В приведенных выше расчетах в качестве максимальной скоро­ сти ветра принималась скорость 30 м/с, так как вероятность более высоких, ураганных скоростей очень мала. Все же представляет ин­ терес оценка среднего вклада тропических ураганов в тепло- и влагообмен океана и атмосферы в целом. Такой вклад приближенно можно выразить отношением

по смыслу аналогичным формуле (8.33). Здесь Ен и Рн — потоки влаги и тепла при ураганах; Е и Р — то же при средней скорости ветра; ин — характерная скорость ветра в урагане; SH— средняя площадь урагана, в пределах которой и ^ и н \ л — среднее число ураганов за год; ^ — средняя «продолжительность жизни» тропи­ ческого урагана; и —-средняя скорость ветра над океаном; S 0—

Рис. 8.7. Годовой ход турбулентных потоков тепла Р и затрат тепла на испарение JSf’E, вычисленный по данным кораблей погоды С и D.

площадь Мирового океана; ^0 = 365 сут. В выражении (8.38) отсут­ ствуют перепады влажности (температуры), поскольку предпола­ гается, что их значения в урагане мало отличаются от средних. Если принять, что для центральной части урагана, заключенной

(см. рис. 8.2); п = 29 (Петерсен, 1970); tH = 5,5 сут (Кодрау, 1965;

212

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При работе над книгой авторы считали наиболее важным после­ довательно изложить основные представления о характере процес­ сов массо- и энергообмена в нижнем слое атмосферы над морем. При этом казалось целесообразным сделать основной упор на обоб­ щение и истолкование имеющихся в настоящее время эксперимен­ тальных данных с целью получить физические представления о свое­ образных процессах, происходящих вблизи границы раздела вода—воздух. Значительная часть книги посвящена методам рас­ чета основных характеристик обмена в приводном слое количест­ вом движения, теплом и влагой. Эти методы вместе с данными о распределениях вероятностей средних скоростей ветра, темпера­ туры и влажности над океаном, накопленными в результате работы кораблей погоды, дают возможность решить целый ряд вопросов климатологии.

Книга ни в коем случае не претендует на универсальность. Со­ временное состояние исследований (главным образом эксперимен­ тальных) не позволило учесть или сколько-нибудь полно оценить ряд факторов, которые при определенных условиях могут оказаться существенными. Поэтому в книге практически не затронуты слабо изученные вопросы поглощения радиационных потоков в приводном

ных измерений с целью получить данные об особенностях струк­ туры турбулентности в непосредственной близости к водной поверх­ ности, особенностях обмена при штормовых условиях, о вертикаль­ ной структуре воздушного потока в самой нижней части приводного слоя, наполненного брызгами, о структуре самой волновой поверх­ ности при штормовых условиях.

Качественный вывод о взаимной компенсации (в климатологи­ ческом плане) эффектов холодной пленки и штормового усиления обмена также может быть уточнен по мере накопления экспери­ ментальных данных.

Наши знания о свойствах поверхностной пленки в настоящее время достаточны для удовлетворительного решения большинства связанных с нею климатологических вопросов. Развитие термиче­

214

SUMMARY

This book is devoted to the problems of air-sea interaction, that is to the physical processes taking place in both medias. The book consists of two parts. The first one deals with the dynamical aspects of interaction (Chapters 1 to 4), in the second part (Chapters 5 to 8) some features of heat and mass transfer are considered.

In Chapter 1 information about the structure of wind pulsation in the lower layer of atmosphere over the sea is discussed. In this layer complicated processes of exchange by energy and mass through air—water boundary are studied and the influence of Coriolis force may be neglected.

Experimental data on turbulent characteristics of air near the sea surface obtained up to date are discussed. Peculiarities of the statistical characteristics of wind pulsations influenced by wave os­

over the solid surface.

In particular, oscillations induced by surface waves distort verti­ cal distribution of turbulent characteristics and change spectra and correlation functions. Consideration of the experimental data made it clear that parameters u*, z succesfully used for description of the boundary layer over the solid surface are insufficient for description of the near water surface layer.

It is impossible now to take into account properly the influence of interaction between wave-induced and turbulent wind speed pul­ sations. Therefore the hypothesis about weak interactions between these components is used to find general laws of the wind structure. This hypothesis allows to study both pulsation components separa­ tely and to consider turbulence on the basis of similarity theory.

Empirical dependences of variances, correlation and spectral fun­ ctions from mean wind velocity, height and wave parameters were received. Some features of momentum flux and mean wind velocity

profiles are shown.

From obtained experimental data the attempt is made to evaluate turbulent energy budget components.

In Chapter 2 experimental data on drag coefficient of water sur­ face (Cu) are collected. Results of field and laboratory studies of the drag coefficient by various authors are compared. Dependence of Cu on wind velocity under different wave conditions is discussed.

216

In Chapter 3 a simplified model for the interaction between tur­ bulent air flow and surface covered with moving “rarely” spaced obstacles is suggested. The obstacles are named rarely spaced when their form drag per square unit of horizontal interface has the same order of magnitude as the skin-friction force. The boundary condi­

of obstacles and of the density of their distribution.

An additional turbulization of air flow caused by the presence of obstacles at the surface results in the deviation of the profiles of mean velocity u{z) and turbulent energy b(z) from their equilibrium form. The perturbances of the profiles are connected with the turbu­ lent energy flux Ф directed up from the surface. These perturbances decrease with height, function u(z) approaches logarithmic shape more rapidly than b(z) approaches its constant value. Keeping in mind further application of these results to ocean surface the wind drag coefficient was calculated as a function of waves’ height, velo^ city and aerodynamic properties. This simple model explains good agreement of field and laboratory studies for drag coefficient de­ scribed in Chapter 2.

In Chapter 4 the momentum transfer from atmosphere to sea surface under stormy conditions is considered. The role of sprayed drops accelerating during their flight and resulting in increase of vertical momentum flux is taken into account. The change of mo­ mentum of a drop of given radius is obtained from numerical solu­ tion of the motion equations. The total momentum transfer by all drops is found by multiplication of momentum increment of one drop of average effective radius to a vertical drops’ flux (cm-2 sec-1).

Experimental data on the wind dependence of spray generation on the surface (vertical flux), on the distribution of drops’ sizes in spray and on the initial vertical velocities of drops are collected. All these data are used for evaluation of the wind stress for storm wind velocities approximately up to 25 m/sec. It is shown that the mo­ mentum transfer by spray is comparable with the pure turbulent transfer under stormy conditions. The calculated wind dependence of drag coefficient Cu on wind is compared with the data of measu­ rements and results of indirect determination given in the cited pub­ lications. The results of the comparison are satisfactory enough.

The peculiarities of vertical distribution of temperature in the undersurface water layer are considered in Chapter 5. At the ordi­ nary conditions sea surface losses heat by turbulent and radiative transfer mechanisms. This heat loss stimulates the cooling of surface water film and generates the negative temperature difference (0o—0w). These differences are able to reach of noticeable values. Owing to weakening of vertical exchange processes near the air-sea interface they can be sometimes comparable with the water-air tem­ perature differences (0O—0a).

217

Some experimental data about the profiles of heat — conductivity coefficient in the subsurface water layer are given. A linear growth of this coefficient with depth (having the molecular value on the surface) is shown. The measurements of temperature differences in the subsurface water layer under open sea conditions show that these differences take place in presence of waves too.

A method for calculation of (0O—0Ю) which is based on the data about the vertical heat fluxes over a water surface is suggested. For such calculations the amount of clouds and water—air tempera­ ture difference should be known.

Existence of a close correlation between the temperature and humidity in near-water air layer is shown. Thus the vertical humidity' difference can be determined when (0O—0a) is known. The nomo­ gram for calculating of Bowen ratio as function of (0O—0a) and 0a is given.

The opportunity to estimate the influence of cold film on clima­ tological values of heat fluxes near the ocean surface is shown. It proved to be that the phenomenon is noticeable at summer monthes only. There is noticed the partial compensation of two ef­ fects (which are not taken into account in the ordinary climatolo­ gical computation), namely the attenuation of heat exchange by cold film and the storm intensification of it by spray action.

In Chapter 6 heat and mass exchange coefficients (the Stanton and Dalton numbers C9 and CE are calculated on the basis of dyna­ mical model developed in Chapter 3. Some experiments performed recently on study the relation between C9 (or CE) and Cu in tubes covered with roughnesses of various sizes and shapes are considered. These experiments show that value of C9/C„ (or CE/CU) is decreas­ ing function of the Reynolds number of roughness. Value of this de­ crease is connected with aerodynamical properties and distribution of obstacles.

The theory of Chapter 6 gives approximate explanation for such behavior of coefficients.

The values of C9 and CE are calculated as functions of wave’s height; their velocity and aerodynamical properties.

The coefficients for real sea surface could be obtained if the sur­ face is considered as a totality of running waves with a given proba­ bility function of heights, phase velocities and aerodynamical pro­ perties. Some estimations are given in Chapters 3 and 6, but they should be considered as preliminary ones.

A model of heat and mass transfer over the sea surface is gene­ ralized in Chapter 7 for the nonneutral stratification cases using

a deep inversion sublayer is formed. The empirical data on the de­ pendence of turbulent Prandtl and Schmidt numbers from z/L are

218

ЛИТЕРАТУРА

А л ь т б е р г В. К-, П о п о в Е. А.

1934. Некоторые результаты измерений температуры воды в поверхностных слоях и на глубине. — Изв. ГГИ, № 67, с. 27—35.

Американский морской климатический атлас мира.

1955—1959, 1969. U. S. Navy Marine Climatic Atlas of the World. Vol. I—V,

атмосферы. — Тр. ГГО, вып. 241, с. 79—84.

А н д р е е в Е. Г., Л а в о р к о В. С., П и в о в а р о в А. А., Х у н д ж у а Г. Г. 1969. О вертикальном профиле температуры вблизи границы раздела море— атмосфера. — Океанология, т. 9, № 2, с. 348—352.

А н и с и м о в а Е. П., С п е р а н с к а я А. А.

1970. Инструментальное исследование статистических характеристик турбу­

С т р о к и н а Л. А.

1973. О расчете среднемесячных значений потоков тепла и влаги над океа­ ном.— Метеорология и гидрология, № 5, с. 3—11.

Engrs), v. 91, No. HY2, p. 205—221.

220