УДК 551.551.2(470.311)
Средние профили скорости ветра в воздушном бассейне г. Москва
В. П. Юшков*, Р. Д. Кузнецов**, М. А. Каллистратова**
Представлены результаты двухлетних измерений профилей средней скорости и направления ветра над центром г. Москва. Измерения проводились доплеровским акустическим локатором (содаром) в режиме непрерывного круглосуточного мониторинга в диапазоне высот от 40 до 250—500 м. Приведены осредненные по сезонам профили и суточный ход скорости ветра, данные о повторяемости скорости и направления ветра на выбранных высотах, а также данные о повторяемости и продолжительности сильного ветра и штилевых условий.
Введение
Исследования поля ветра в городском пограничном слое являются важной частью мониторинга загрязнения окружающей среды. Однако к настоящему времени статистические данные о профилях скорости ветра в воздушном бассейне крупных городов малочисленны. Для г. Москва такие данные были получены только в 1970—1975 гг. по контактным измерениям на высотной мачте в Останкино [2]. Большие возможности для исследования вертикальной структуры поля ветра в урбанизированной местности предоставляет доплеровская акустическая локация [12, 19]. Высокая точность измерений скорости и направления ветра акустическими локаторами (содарами) установлена в ходе многочисленных сравнений дистанционных содарных измерений с локальными измерениями на метеорологических мачтах, которые проводились в разных странах [16].
В Институте физики атмосферы им. А. М. Обухова доплеровская акустическая локация применяется для исследований атмосферного пограничного слоя (АПС) с начала 1980-х годов [5, 7]. В 1987—1999 гг. было проведено несколько одномесячных циклов круглосуточных содарных измерений скорости ветра над городами Алма-Ата и Москва с целью оценки влияния ветра и высоты слоя перемешивания на вынос и диффузию загрязняющих примесей. Эти данные были частично опубликованы в работах [1,3, 4, 8, 12, 21]. В настоящее время в центре г. Москва проводится непрерывное круглогодичное акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя с помощью нового исследовательского содара ЛАТАН-3, в конструкции которого использованы современные компьютерные технологии.
* Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова.
** Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова Российской академии наук.
Полевые испытания этого содара в сопоставлении с контактными измерениями дали коэффициенты корреляции 0,95 для средней скорости ветра и 0,99 для направления ветра [9]. Высотный диапазон содара ЛАТАН-3 при эксплуатации в достаточно тихой местности сельского типа лежит в пределах от 30 до 200—600 м. Верхняя граница высотного диапазона определяется в основном вертикальным распределением естественных рассеива-телей звука — турбулентных неоднородностей температуры, которое зависит от термической стратификации атмосферного пограничного слоя.
Транспортные акустические шумы создают сильные помехи работе содара и снижают достижимую высоту зондирования. Поэтому содарные исследования городского АПС обычно проводятся на окраинах городов либо в парковых зонах [17]. Однако из-за неоднородности городской застройки и городского "острова тепла" данные, полученные на периферии большого города, не всегда репрезентативны для его центральной части. В центре происходят наибольшие транспортные выбросы загрязняющих веществ, поэтому информация о поле ветра именно в центральной части города важна для анализа и краткосрочного прогноза приземных концентраций загрязняющих примесей. Повышенная помехоустойчивость содара ЛАТАН-3 и специальная методика обработки данных позволяют проводить измерения вертикальных профилей скорости и направления ветра вблизи шумных транспортных магистралей [13].
В настоящей статье приведены результаты статистической обработки данных о горизонтальной скорости и направлении ветра, которые были получены при непрерывном круглосуточном зондировании атмосферного пограничного слоя в Центральном округе г. Москва в 2005—2007 гг. Статистика вторых моментов скорости и направления ветра, а также высоты слоя перемешивания, регистрируемой содаром, в этой работе не рассматривается.
1. Место и методика измерений и обработки данных
Акустические антенны содара ЛАТАН-3 установлены на крыше здания Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН на высоте 10 м над подстилающей поверхностью. Несущая частота излучения содара 1700 Гц, вертикальное разрешение 20 м, горизонтальный масштаб осреднения равен одной десятой высоты над антеннами содара, мертвая зона локатора 30 м, максимальный аппаратурный высотный диапазон зондирования 520 м.
Принцип работы доплеровского содара полностью аналогичен принципу работы стандартного радиолокатора. Отличие состоит лишь в том, что в качестве локационных целей используются естественные рассеиватели — турбулентные неоднородности, увлекаемые ветровым потоком. Звуковая антенна излучает звуковой импульс и последовательно принимает эхо-сигнал с высоты, возрастающей по мере распространения вверх зондирующего излучения. Измерение доплеровского сдвига частоты эхо-сигнала позволяет определить профиль составляющей скорости ветра вдоль оси антенны. При использовании трехлучевой схемы зондирования (один луч сода-ра направлен вертикально, два других — наклонены и развернуты под углом 90° в азимутальной плоскости) измеряются все три составляющие скорости ветра. Детальное описание процедуры содарных измерений скорости ветра можно найти в работах [7, 9, 13].
Непрерывная регистрация интенсивности акустического эхо-сигнала каждой из трех антенн позволяет визуализировать на эхограммах структуру турбулентности в координатах высота — текущее время. По этим эхо-граммам определяются тип атмосферной стратификации и высота слоя перемешивания. Каждые 15 с по доплеровскому сдвигу частоты эхо-сигнала в двух азимутальных направлениях определяются "мгновенные" вертикальные профили двух составляющих скорости ветра на дискретных высотах с шагом по высоте 20 м. Затем мгновенные профили усредняются за 30 мин для получения устойчивых значений составляющих, и по ним вычисляют модуль горизонтальной скорости и направление ветра.
Эхо-сигнал вертикально направленной антенны не использовался для расчета средней скорости горизонтального ветра, так как среднее значение вертикальной составляющей скорости за 30-минутную серию измерений оказалось меньше ошибки измерения горизонтальных составляющих. Одновременно с измерением интенсивности эхо-сигнала и доплеровского сдвига частоты проводятся измерения уровня акустического шума в соседних с сигнальной частотных полосах приема и оценивается отношение сигнал — шум на каждом уровне. Зашумленные сигналы отбраковываются. В осредненные за 30 мин профили включаются только те высоты, на которых доля принятых к обработке измерений составляет не менее 25%. Это пороговое число измеренных значений, при котором усредненные профили ветра могут считаться достоверными, было определено в ходе предварительных испытаний метода и сопоставлений с традиционными контактными измерениями [9, 13]. Отношение сигнал — шум уменьшается с увеличением высоты из-за уменьшения интенсивности турбулентности, рассеивающей звук, а также из-за сферической расходимости излучаемой и рассеиваемой волн. Кроме того, отношение сигнал — шум зависит от интенсивности транспортных акустических шумов, которые усиливаются в "часы пик". По этим причинам реальная предельная высота, до которой получен усредненный профиль, меняется от серии к серии. Детальное описание критериев и методики отбраковки данных содержится в работе [13].
На рис. 1 приведены фрагмент содарной эхограммы за 22 июля 2006 г. и осредненные по двум сериям измерений профили модуля скорости ветра. Слоистая структура эхо-сигнала ночью обычно отождествляется со слоем приземной радиационной инверсии [10, 14, 20, 21]. Как видно из эхограм-мы, форма профилей скорости ветра в ночное время близка к линейной, градиент скорости достигал 6 м/с на 100 м, на верхней границе этого слоя сформировался максимум скорости. В период с 3 до 4 ч ночи на эхограмме видны периодические колебания верхней границы этого слоя, по-видимому, под влиянием внутренних гравитационных волн. Средний градиент скорости ветра при таких волновых движениях, как видно, заметно уменьшается. С 8 до 9 ч, когда происходит утренний прогрев подстилающей поверхности, на эхограмме видны монотонный подъем и разрушение инверсионного слоя. Вид эхограммы с 9 до 12 ч соответствует перемежающимся турбулентным структурам, вызванным конвективными термиками. В этот период скорость ветра слабо меняется с высотой из-за интенсивного турбулентного перемешивания. Наблюдавшаяся в тот день суточная изменчивость профиля скорости ветра характерна для ясной летней погоды в средних широтах [2]. В нижней части профилей скорости проявляется влияние
Рис. 1. Фрагмент содарной эхограммы, полученной 22 июля 2006 г. в центре Москвы (а), и профили скорости ветра, осредненные по двум 30-минутным сериям в интервалах времени, соответствующих эхограмме (б).
На рисунке а на оси абсцисс указано локальное время, на оси ординат — высота над акустическими антеннами содара. Степень почернения пропорциональна интенсивности турбулентных пульсаций температуры. Тонкими линиями показана доля надежных данных о скорости ветра для часового интервала измерений; доля надежных данных резко уменьшается выше верхней границы слоистой структуры эхо-сигнала, а также уменьшается с началом утреннего транспортного движения. На рисунке б на верхней шкале абсцисс указано среднее по слою направление ветра в румбах. Точки на графике соответствуют данным с хорошей статистической обеспеченностью (не менее 25% данных принято к обработке в каждой серии).
большой высоты шероховатости в городе: здания препятствуют развитию воздушного потока до высоты ~ 50—60 м. Важно, что форма профилей на этих высотах сильно зависит от средней скорости и направления ветра.
2. Статистические данные о средней скорости и направлении ветра
По 30-минутным сериям рассчитывались усредненные профили скорости ветра, повт
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.