ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 5, с. 579-587
УДК 551.551.2:551.501.796
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ СЕТЬЮ ДОПЛЕРОВСКИХ СОДАРОВ
© 2009 г. |И. Г. Гранбёрг]*, В. Ф. Крамар*, Р. Д. Кузнецов*, О. Г. Чхетиани*' **
М. А. Каллистратова*, С. Н. Куличков*, М. С. Артамонова*, Д. Д. Кузнецов*, В. Г. Перепелкин*, Д. В. Перепелкин*, Ф. А. Погарский*
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 **Институт космических исследований РАН 117810 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32 E-mail: ochkheti@mx.iki.rssi.ru Поступила в редакцию 31.07.2008 г., после доработки 13.11.2008 г.
Исследования, проведенные в 1991-2004 гг. ИФА им. A.M. Обухова РАН и НИФХИ им. Л.Я. Карпова, позволили получить информацию о структуре приземного (до 20 м), подынверсионного и инверсионного слоев до 800 м - 1 км, где происходит вынос аридного аэрозоля. Одной из главных задач экспедиции 2007 г. состояла в регистрации пространственно-вихревых структур в слое 30-700 м, которые непосредственно обеспечивают вынос и дальний перенос тонкодисперсного (<5 мкм) пустынного аэрозоля. В работе описана постановка и представлены некоторые результаты эксперимента по дистанционному зондированию атмосферного пограничного слоя системой содаров во время проведения эксперимента "Хар-Гзыр-2007" ("Черные Земли-2007") по исследованию конвективного выноса аридного аэрозоля с опустыненных земель. Система содаров, предназначенная для изучения пространственной структуры когерентных вихревых структур, состояла из трех идентичных минисодаров (несущая частота 3.8 кГц), разнесенных по углам треугольника со сторонами около 3.5 км, и одного содара (несущая частота 1.7 кГц). Определялись вертикальные профили трех компонент скорости ветра и характеристик температурных флуктуа-ций. Описана процедура идентификации вихревых когерентных структур. Приведены оценки величины вариаций вертикальной и горизонтальных компонент скорости ветра, а также масштабов, характерных для таких структур.
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования, проведенные в 1991-2004 г. на пустынных территориях Калмыкии и Арала [1, 2], показали высокое содержание пылесолевых частиц в атмосферном пограничном слое (АПС). Даже в периоды отсутствия пыльных бурь из песчаных массивов, состоящих из агрегатных частиц размером порядка 80-150 мкм, в воздух за счет термодиффузионно-кон-вективных процессов поднимается значительное количество долгоживущего аэрозоля размером менее 5 мкм. Такие частицы составляют до 8% от общей массы каждой агрегатной частицы и вносят существенный вклад в загрязнение атмосферы. В работе [2] было выделено три стадии процесса проникновения мелкодисперсного аэрозоля с поверхности песчаных пустынь в атмосферу: 1) подъем пылесолевых частиц с поверхности и формирование приповерхностного аэрозольного слоя, 2) вынос частиц в АПС, 3) перенос частиц тропосферными ветровыми течениями. Вторая стадия этого
процесса обеспечивается, по-видимому, вихревыми когерентными структурами в АПС.
Возникновение квазирегулярных вихревых структур является характерной чертой АПС. Исследованиям таких структур посвящено много публикаций (см., например, [3-8]). По различным оценкам когерентные вихревые структуры обеспечивают от 20-ти до 60-ти процентов всего тепломассопереноса через АПС. Присутствие уже достаточно слабого ветра 2-3.5 м/с приводит к перестройке трехмерных конвективных ячеек в продольно ориентированные примерно по направлению ветра горизонтальные валы [8]. Теоретические походы связывают появление таких структур с классической динамической неустойчивостью экмановского течения в окрестности точки перегиба либо с развитием конвекции под действием ветрового сдвига [4]. Динамическая неустойчивость развивается и наблюдается и в условиях, близких к нейтральным. В работе [8] проанализировано 27 экспериментов по изучению характери-
Рис. 1. Схема валиковой циркуляции в АПС.
стик наблюдающихся в атмосферном пограничном слое структур, имеющих форму валов. Отмечено, что в большинстве рассмотренных случаев создавались условия для действия обоих предлагаемых типов неустойчивости. Схема валиковой циркуляции в АПС приведена на рис. 1.
Предварительные результаты расчета выноса пыли валовыми структурами в рамках моделей турбулентности АПС [9, 10] указывают на возможность удержания мелкодисперсной пыли вблизи
верхней границы слоя перемешивания. Определенные аргументы в пользу этого механизма дают измерения распределения аэрозоля над полупустынной территорией Калмыкии, где на высотах около одного километра были обнаружены аэрозольные слои с пространственной периодической модуляцией [2]. Таким образом, можно полагать, что существующие в атмосфере крупномасштабные вихревые структуры способствуют удержанию мелкодисперсного аэрозоля, и этот эффект является
Черноземельский □
- I
* . v JP& . 2
У
А * J*
Комсомольский
I
ЯИ / .
0
16 24 км
_I_I
Рис. 2. Снимок облачных улиц над районом содарных измерений, сделанный со спутника МОЭК-АОиЛ 28 июля 2007 г. ] 14:03 (мск. время)1. Цифрами 1, 2 и 3 около поселка Комсомольский показаны местоположения содаров.
1 Снимок предоставлен отделом технологий спутникового мониторинга ИКИ РАН из системы ИСДМ Рослесхоза.
8
существенным для вертикального выноса такого аэрозоля и последующего его переноса на большие расстояния.
Присутствие валов в АПС часто обнаруживается на спутниковых изображениях в виде "облачных улиц". Спутниковая фотография облачных улиц во время описанных ниже измерений приведена на рис. 2. Облачные валы вытянуты приблизительно вдоль направления геострофического ветра на многие километры и имеют горизонтальные масштабы 3-5 км (поперек вала). Однако связь облачных улиц со структурами в АПС осложнена процессами конденсации влаги и адвекции, поэтому необходимы измерения характеристик таких структур непосредственно в АПС. Многоточечные содарные измерения являются наиболее простым способом получения таких количественных данных о пространственных масштабах и других характеристиках когерентных структур в нижней части АПС, которые требуются для оценок и моделирования выноса субмикронного аэрозоля в верхнюю тропосферу.
Ниже приведены некоторые результаты акустического зондирования атмосферного пограничного слоя сетью доплеровских содаров в Калмыкии, в рамках эксперимента "Хар-Гзыр-2007" ("Черные Земли-2007") по исследованию конвективного выноса в атмосферу аридного аэрозоля в районах опустынивания.
2. АППАРАТУРА И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
В эксперименте использовалось четыре экземпляра разработанного в ИФА РАН доплеровско-го трехкомпонентного моностатического содара ЛАТАН-3 [11] с частотно-кодированным зондирующим импульсом. Многочастотное акустическое зондирование увеличило помехоустойчивость содаров и повысило статистическую обеспеченность данных по сравнению с одночастотным зондированием [12].
Содары обеспечивали измерения вертикальных профилей трех компонент скорости ветра и визуализацию высотно-временного хода интенсивности рассеянного сигнала, пропорциональной интенсивности турбулентных флуктуаций температуры. Кроме того, проводились локальные измерения температуры и скорости ветра на 16-ти метровой метеорологической мачте. Эти измерения позволяли следить за изменениями тепловых условий в периоды времени, выбранные для анализа перемещения вихревых структур, а также получать данные о скорости ветра и ее пульсациях в приземном слое атмосферы (в "мертвой зоне" содара).
Один из содаров был длинноволновым и использовался для оценки вертикальной протяженности восходящих конвективных потоков воздуха. Этот со-дар излучал пакет зондирующих импульсов на 6-ти различных частотах, центрированных около базовой несущей частоты 2 кГц. Длительность импульса составляла 180 мсек, что соответствовало разрешающей способности по высоте около 30 м. Каждая из трех антенн (одна вертикально направленная и две наклонных) содара по очереди излучала пакеты импульсов с интервалом 10 секунд. Высотный диапазон содара достигал 800 м.
Оценка горизонтальных масштабов конвективных движений и деталей пространственной структуры вихревых когерентных образований проводилась с помощью трех идентичных минисодаров, разнесенных в пространстве. Минисодары излучали импульсы на 8-ми частотах, центрированных около базовой несущей частотой 3500 Гц, одновременно тремя антеннами с периодом следования 5 с. Длительность импульса 100 мс обеспечивала более высокое вертикальное разрешение (около 20 м), но высотный диапазон минисодаров был значительно меньше, чем диапазон длинноволнового содара и составлял лишь 150-400 м. Измерения проводились вблизи поселка Комсомольский, южнее национального парка "Хар-Гзыр" ("Черные земли"). Минисо-дары располагались в вершинах треугольника, в точках 1,2 и 3, показанных на рис. 2. Расстояние 1-2 составляло 3.5 км; расстояние 1-3 - 1.4 км и расстояние 3-2 равнялось 3.2 км (см. рис. 2). Длинноволновый содар размещался рядом в с минисодаром в точке 1.
Точка 1 находилась на северо-западной окраине поселка, на площадке автобазы дорожных строителей. Точка 2 располагалась в типичной пустынной местности (где было автономное аккумуляторное питание аппаратуры); там же была установлена метеорологическая мачта, оборудованная двумя акустическими термометрами-анемометрами на высотах 2.5 и 15 м. Точка 3 была размещена на юго-западной окраине поселка, на территории лесхоза.
Фотография акустических антенн минисодара, КУНГа с аппаратурой и метеорологической мачты, расположенных в точке 2, приведена на рис. 3.
Местность в районе измерений была достаточно однородной с песчаной почвой и редкой растительностью. Одноэтажная застройка поселка, в основном, не влияла на результаты содарных измерений, нижняя граница которых располагалась на высоте 30 м. Однако при строго восточном ветре "след" поселка мог влиять на поле ветра в точке 2, поэтому данные, полученные при восточном ветре, отбраковывались.
Измерения проводились в период с 21 июля по 01 августа 2007 г. Длинноволновый содар и мини-
Рис. 3. Минисодар и мачта с аку
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.