Введение
Оценка и возможность прогноза вертикальных сдвигов скорости ветра в нижней части пограничного слоя атмосферы (ПСА) – важная задача во многих областях хозяйственной деятельности. Актуальность ее решения подтверждается и публикационной активностью в отечественной печати в этом направлении за последние годы. Не претендуя на полноту обзора, отметим лишь ряд публикаций по данной тематике. Одной из важных задач является оперативная оценка сдвигов ветра (вертикальных в том числе) для обеспечения безопасности взлета/посадки воздушных судов. С этой целью рассматриваются существующие методики определения сдвигов ветра (например, в [1-3]) и возможности их совершенствования (например, в [4-6]). Конкретные требования для таких работ можно найти, например, в [7; 8]. Актуальны проблемы влияния сдвига ветра на высотные сооружения, при подборе ветроэнергетических установок [9-11] и в других направлениях научной и практической работы.
Для практических приложений полезной может быть методика оценки вертикальных сдвигов ветра, основанная на результатах работы простейших средств измерений, размещаемых вблизи подстилающей поверхности и не связанных с излучением звуковых, оптических или радиоволн. Например, с использованием стандартных («чашечных») анемометров и пассивных средств измерения температурных профилей (микроволновых профилемеров). В рамках этой задачи авторов интересовали, в первую очередь, случаи устойчивой температурной стратификации ПСА с большой интенсивностью температурных инверсий. Предварительные результаты по ее решению представлены в [12]. Авторы считают необходимым отметить статью [13], где проведен анализ сдвигов скорости ветра, измерявшихся содаром в условиях устойчивой стратификации, но без их конкретной «привязки» к приземным значениям скорости.
Цель исследования – рассмотреть возможность оценки вертикальных сдвигов ветра в нижней части пограничного слоя атмосферы при инверсиях температуры воздуха большой интенсивности с использованием результатов измерения скорости ветра только в приземном слое.
Материалы и методы исследования
Для решения поставленной задачи использовались измерения метеорологических параметров в пункте наблюдения «Базовый экспериментальный комплекс» (БЭК) ИОА СО РАН в пригороде Томска (большая открытая поляна, окруженная лесопосадками). Профили скорости ветра и температуры воздуха получены с помощью содара «Волна-4М» [14], ультразвуковой метеостанции (УЗМ) «Метео-2» [15] и температурного профилемера МТР-5 [16]. При анализе рассматривалась скорость ветра на высотах 10 м (УЗМ), 50, 75 и 100 м (содар). Температура воздуха Т(Н) измерялась до высоты Н=1 км с шагом по времени 5 мин. и с шагом по высоте 50 м. Потенциальные погрешности ее измерения с помощью МТР-5 подробно обсуждаются, например в [17]. Камеральная обработка профилей температуры, включавшая интерполяцию профилей, обеспечивала определение высот верхней (НU) и нижней (НL) границ инверсии, а также значения температуры на этих высотах (брался только нижний слой инверсии при многослойных инверсиях). Все величины при обработке усреднялись по 30-минутным интервалам времени.
Для исследования был выбран период с 2020 по 2022 г. Методика обработки данных по температуре воздуха и выделения случаев инверсий температуры различных форм и типов опубликована в [18]. В этой статье приведена статистика инверсий за указанный период и критерий, по которому выделялись случаи сильных инверсий, т.е. инверсий с большим перепадом температур ΔTinv = T(НU) – T(НL) (инверсии большой интенсивности). В соответствии с [18], под сильными инверсиями подразумеваются случаи ΔTinv ≥ 10,3ºC (конкретно для пункта БЭК). В представленном далее материале фигурируют и результаты, когда ΔTinv < 10,3ºC . Но эти случаи обязательно относятся к эпизодам с реализацией условия ΔTinv ≥ 10,3ºC (суммарной длительностью не менее трех часов в сутки).
Измерение параметров ветра с помощью содара было возможно только в тех областях ПСА, где имелись достаточно большие дисперсии температуры воздуха. Известно, что сильные инверсии температуры подавляют турбулентный теплообмен – одну из причин возникновения случайных неоднородностей в температурном поле. Данный фактор ограничивает высотный диапазон измерения параметров ветра с помощью содара. В этой связи в анализ включался диапазон высот до 100 м, в котором ветер мог быть гарантированно измерен. Более подробно материал о связи области с существенной дисперсией температуры воздуха с температурной стратификацией в пункте наблюдения, следовательно, и с возможностью измерения ветра содаром, опубликован в [19-21].
Согласно [18], сильные инверсии температуры за период анализа реализовывались в основном в зимнее время. В теплое время года такие инверсии хотя и встречались, но редко, и их можно отнести к случайным и непродолжительным событиям. Поэтому дальнейший материал относится только к зимнему времени.
Результаты исследования и их обсуждение
В качестве иллюстрации состояния атмосферы в периоды, выбранные для анализа, приведен рис. 1 с измерениями 22.01.2022. На рис. 1а показана эхограмма содара (амплитуда регистрируемых содаром звуковых сигналов, рассеянных в ПСА). Графики скорости ветра на высотах 10 м (по УЗМ), 50, 75 и 100 м, а также интенсивность инверсии ΔTinv показаны на рис. 1б. Температурный режим в этот день, включая положение границ инверсии, приведен на рис. 1в. «Негладкое» поведение верхней границы инверсии в период примерно с 6 до 10 часов местного времени обусловлено переходом от двухслойной инверсии к однослойной при «разрушении» нижнего слоя.
Рис. 1. Состояние атмосферы в периоды, выбранные для анализа: а) эхограмма содара; б) скорость ветра на разных высотах и интенсивность инверсии; в) высотно-временное распределение температуры воздуха в пункте БЭК 22.01.2022
Экспериментальные данные, аналогичные данным рисунка 1, являлись основой для анализа. Как уже указывалось выше, задача заключалась в оценке взаимосвязи разности скоростей ΔV(H/10) = V(H) – V(10) на высотах H=50, 75 и 100 м со скоростью V(10) на высоте 10 м, а также с интенсивностью инверсии ΔTinv. Всего в анализ было включено 744 часа (31 день) наблюдений за период 2020–2022 гг. (и только в зимнее время). Из них 276 часов относились к случаю сильных инверсий температуры (ΔTinv ≥ 10,3ºC ). Отмечено, что в этот набор данных включались все типы инверсий, без разделения их на приземные и приподнятые, ограниченные по высоте или достигавшие уровня 1 км. Отметим также, что далеко не всегда высотные профили скорости ветра в этих условиях были близки к линейной форме, как это обсуждалось, например, в результатах работы [13].
На рис. 2 продемонстрировано, какие значения величин ΔTinv и V(10) наблюдались в выбранные дни и как эти величины взаимосвязаны. Явно просматривается тенденция уменьшения скорости приземного ветра с увеличением интенсивности инверсий. При этом в случае сильных инверсий скорость приземного ветра была в основном менее 3 м/с (вертикальная линия на графике соответствует границе 10,3ºC).
Общее описание экспериментальных данных дополнено графиками суточного хода величин ΔTinv и ΔV(H/10) в выбранные для анализа дни. Этот материал представлен на рис. 3 (ограничимся иллюстрацией только суточного хода разности ΔV(100/10); другие разности имеют подобную форму, но с меньшими значениями). Обращено внимание на то, что в нескольких эпизодах скорость ветра на уровне 10 м была больше, чем на уровне 100 м, т. е. ΔV(100/10) < 0.
Рис. 2. Взаимосвязь интенсивности инверсий и скорости ветра на высоте 10 м
Рис. 3. Суточный ход: а) ΔTinv; б) ΔV(100/10). Горизонтальная линия на рисунке (а) соответствует границе, выше которой начинается область сильных инверсий
Рис. 4. Взаимосвязь сдвигов ветра ΔV(H/10) с интенсивностью инверсий (а, в, д) и со скоростью ветра на высоте 10 м (б, г, е)
Поскольку одной из задач являлась оценка взаимосвязей
ΔV(H/10) = V(H) – V(10) ⇔ ΔTinv
и ΔV(H/10) ⇔ V(10),
то на рис. 4 приводятся «облака» соответствующих экспериментальных данных. На графиках ΔV(H/10) ⇔ ΔTinv (рис. 4 а, в, д) вертикальными линиями нанесена «граница» сильных инверсий температуры.
Согласно результатам на рис. 4, каких-либо отчетливо выраженных закономерностей в рассматриваемых взаимосвязях нет. Только в случаях сильных инверсий просматривается увеличение ΔV(H/10) с увеличением ΔTinv. Однако следует принять во внимание, что с увеличением ΔTinv наблюдается тенденция уменьшения скорости V(10) в приземном слое. Это приводит к выводу, что необходимо рассмотреть взаимосвязь ΔV(H/10) одновременно с ΔTinv и с V(10). Такая взаимосвязь демонстрируется на рис. 5 с помощью 2D-графиков. Данные графики представлены в одинаковом формате для более наглядной иллюстрации.
В соответствии с результатами на рис. 5, очевидно, что в случаях сильных инверсий (граница обозначена вертикальной линией) с увеличением ΔTinv даже при скоростях ветра на уровне 10 м, близких к штилю, сдвиги ветра ΔV(H/10) = V(H) – V(10) могут быть значительными. Они вполне сравнимы со сдвигами при относительно сильном ветре в приземном слое в случае небольшой интенсивности инверсий ΔTinv .
Рис. 5. Взаимосвязь вертикальных сдвигов скорости ветра на разных высотах одновременно с интенсивностью инверсий ΔTinv и скоростью ветра на высоте 10 м. На рисунке (г) показана «сетка», по которой построены графики (а, б, в)
Статистическую обеспеченность результатов, представленных на рис. 5 а-в, комментирует рис. 5г, где показана «сетка», связывающая между собой точки выборки ΔV(H/10){ΔTinv, V(10)}, по которым построены графики на рис. 5 а-в. Понятно, что по границам этих графиков статистическая обеспеченность не всегда достаточна.
Представленные на рис. 5 графики являются фактически итогом проверки возможности использования приземных значений скорости ветра в условиях температурных инверсий для оценки вероятных величин вертикальных сдвигов ветра в нижней части ПСА. Тенденция очевидна – увеличение интенсивности инверсии при фиксированном значении скорости ветра на высоте 10 м приводит в целом к увеличению вертикальных сдвигов ветра. Однако «строгой» взаимосвязи ΔV(H/10){ΔTinv, V(10)}, подходящей для аналитической аппроксимации, нет. Наблюдается высокая степень «мелкомасштабной» вариативности результатов. По-видимому, в анализ необходимо включать какие-либо дополнительные параметры, которые можно получить в приземном слое (например, дисперсию скорости ветра) и/или дополнительные характеристики температурных профилей (например, средний градиент температуры в инверсии).
Выводы
Завершая изложение полученных результатов, авторы напоминают, что рассматривались только те эпизоды (суточные измерения), когда в пограничном слое атмосферы хотя бы на некоторое время (не менее трех часов) образовывались инверсии температуры воздуха большой интенсивности. В итоге можно сделать следующие выводы.
‒ Скорость приземного ветра обычно уменьшалась с увеличением интенсивности температурных инверсий в ПСА.
‒ Даже при скорости ветра в приземном слое атмосферы, близкой к штилю, скорость ветра в более высоких слоях достигала относительно больших значений, приводя к большим вертикальным сдвигам.
‒ С увеличением интенсивности температурных инверсий наблюдается тенденция увеличения вертикальных сдвигов скорости ветра в ПСА.
‒ Имеется потенциальная возможность проводить оценку вертикальных сдвигов скорости ветра в нижней части устойчиво стратифицированного пограничного слоя атмосферы по измерениям только приземной скорости ветра и высотных профилей температуры воздуха.
Естественно, что сделанные выводы относятся к конкретному месту проводившихся измерений (и в зимнее время). Но можно предположить, что отмеченные закономерности будут характерны и для других районов измерений с подобной текстурой подстилающей поверхности и климатическим режимом.
Авторы напоминают, что представленные выше результаты получены для случаев температурных инверсий в ПСА без разделения их на типы – приземные или приподнятые. Возможно, включение в анализ и этого фактора позволит уточнить структуру взаимосвязи ΔV(H/10){ΔTinv, V(10)}. Кроме того, полезным может быть расширение числа рассматриваемых в качестве предикторов параметров, оценка которых доступна для стандартных анемометров и температурных профилемеров. Например, направление ветра, дисперсия скорости приземного ветра, средний градиент температуры в инверсиях и т. п.
Авторы отмечают, что использовались результаты по скорости ветра только до высоты 100 м, гарантированно измерявшейся содаром в условиях сильных температурных инверсий. Возможно, использование других технических средств, обеспечивающих в данных условиях диагностику поля ветра с необходимым пространственно-временным разрешением до более высоких уровней (например, лидаров), позволит улучшить методику оценки вертикальных сдвигов ветра при инверсиях температуры по измерениям скорости ветра только в приземном слое.