научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ СЕТЬЮ ДОПЛЕРОВСКИХ СОДАРОВ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ СЕТЬЮ ДОПЛЕРОВСКИХ СОДАРОВ»

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.

Показать целиком