ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 5, с. 636-642
УДК 551.508.25:551.510.522
О ХАРАКТЕРИСТИКАХ РАДИАЦИОННОГО ПЕРЕНОСА ТЕПЛА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ
ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
© 2007 г. А. А. Елисеев, В. И. Привалов
Научно-исследовательский центр дистанционного зондирования атмосферы 188685 Воейково, Всеволожский р-н, Ленинградская обл.
E-mail: ozone@voeikovo.ru Поступила в редакцию 13.06.2006 г., после доработки 20.11.2006 г.
Приводятся результаты прямых измерений длинноволнового (ДВ) радиационного притока тепла (РПТ) в приземном слое атмосферы (ПСА), выполненных в августе 2003 г. на базе ИФА РАН в Цимлянске. Условия измерений - неустойчивая и устойчивая стратификация при слабом ветре и безоблачном небе, а также в нестационарных условиях, при кучевой облачности в дневное время. Подстилающая поверхность - сухая степь с редкой травой. Измерения РПТ in situ проводились посредством оригинального оптико-акустического приемника с квазисферическим углом зрения на высотах от 0.15 до 4 м. Показано, что радиационный нагрев в ПСА, особенно в околополуденные часы, многократно превосходил фактический. Днем величина радиационного нагрева достигала максимума на высотах измерений 0.15-1 м и уменьшалась с высотой. Радиационный нагрев на этих высотах в околополуденные часы составлял в среднем около 20 К/ч, достигая при безоблачном небе и слабом ветре 60 К/ч. При инверсионной стратификации радиационное выхолаживание обычно превосходило фактическое, составляя в среднем от 0 до минус 8 К/ч, мало меняясь с высотой. В течение ночи наблюдались периоды с близкими по фазе флюктуациями радиационного и фактического выхолаживания, иногда переходящего в нагрев. Для разных высот получены уравнения регрессии, показывающие высокую корреляцию между значением РПТ на высотах измерений 0.5 и 1 м и перепадом температур "почва-воздух на высоте измерений". Полученные среднесуточные профили РПТ характеризуются нагревом порядка нескольких К/ч в нижней части слоя измерений, который уменьшается с высотой и переходит в выхолаживание на высотах до 4 м. Изменение эффективного излучения с высотой в слое измерений, полученное суммированием значений РПТ на нескольких высотах, было значительным, достигая в среднем в околополуденные часы минус 25 Вт/м2, в вечерние часы +10 Вт/м2. Нерадиационный (турбулентный) приток тепла, полученный как разность измеренных скоростей фактического и радиационного изменения температуры in situ, днем многократно уменьшал радиационный нагрев. Оценены основные источники погрешностей прямых измерений РПТ.
ВВЕДЕНИЕ, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Первые теоретические работы по радиационному переносу тепла в атмосфере, выполненные астрофизиками в начале XX века, были направлены на объяснение наблюдаемого распределения температуры во всей толще атмосферы. Было установлено, что радиационный теплообмен играет определяющую роль в формировании профиля температуры. Этот вывод справедлив и в отношении приземного слоя атмосферы (ПСА). Задача о переносе тепла в движущейся жидкости при одновременном учете радиационного и турбулентного механизмов была поставлена А.А. Фридманом [1] и детально рассмотрена Е.С. Кузнецовым [2]. В ряде работ, в основном расчетных, например, в [3], были исследованы характеристики эффективного излучения, позволившие определить значения радиационного притока тепла (РПТ) для условий свободной атмосферы. В ряде работ как расчет-
ных [4, 5], так и экспериментальных [6] были выполнены оценки радиационного притока тепла в ПСА, показавшие, что радиационный нагрев днем может во много раз превосходить наблюдаемые изменения температуры, что говорит о компенсации РПТ нерадиационными механизмами. В работе [7] были измерены радиационный и турбулентный притоки тепла в слое 1-5 м и было обнаружено значительное турбулентное выхолаживание, превосходящее по модулю радиационное нагревание слоя при неизменной по времени средней температуре слоя. Очевидно, что при сверхадиабатической стратификации режим приземного слоя формируется под воздействием, в основном, радиационного и турбулентного механизмов, причем первичную роль играет радиационный приток, а турбулентность (конвекция) является механизмом выравнивания контрастов температуры, возникающих за счет радиации.
Исследование притоков тепла в инверсионных условиях [8-11] при слабом турбулентном перемешивании показывает преобладающую роль РПТ в ночном выхолаживании и более сложную зависимость между радиационным и нерадиационным притоками тепла.
Особенностью процессов переноса тепла в ПСА, которая делает весьма сложным их экспериментальное исследование, является малое относительное изменение потоков с высотой. При этом величина РПТ в ПСА может быть значительной при малой толщине слоев и при этом весьма значительно изменяться с высотой, даже изменять знак, что делает необходимым иметь высокое разрешение при исследованиях притоков тепла. Поэтому авторы использовали метод прямого измерения РПТ, позволяющий получить большую точность при значительно большем пространственном разрешении. В данной работе представлены некоторые результаты натурных исследований РПТ в ДВ диапазоне.
МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ
Идея измерения РПТ "в точке" состоит в том, что чувствительный элемент приемника должен характеризовать радиационный баланс малого объема воздуха, находящегося в месте расположения приемника [12]. Индикатором РПТ служит знак и модуль превышения температуры чувствительного элемента приемника РПТ относительно окружающего воздуха. Этот принцип прямого измерения РПТ, где чувствительным элементом приемника РПТ служит изолированный объем воздуха, осуществлен в оптико-акустическом (ОА) методе [13, 14], где таким приемником служит спектрофон. При соблюдении ряда технических и методических требований значение радиационного баланса массы воздуха в лу-чеприемнике спектрофона пропорционально, как показано в [13, 15], радиационному притоку тепла. Уравнение для определения РПТ по показанию спектрофона со сферическим углом зрения при натурных измерениях может быть описано в виде
U/ C *Ф =
= (pCp \^Ргкхг (Ext + Exi -2 Ex( ТВозд)) dk, (1)
АХ
где U - показание спектрофона, мВ; С* - чувствительность спектрофона, мВ ч/К; Ф - поправочный множитель для учета отличия косинусной характеристики лучеприемника спектрофона от идеальной косинусной характеристики; k - длина волны; рг-, kki - плотность и спектральный показатель массового поглощения i-го газа, содержащегося в воздухе лучеприемника (водяной пар, СО2).
Ekt, Eki, £Х(Гвозд) - спектральная плотность потока радиации, падающего на лучеприемник из ниж-
него и верхнего полупространства и от "черных" пластин обтюратора при температуре окружающего воздуха соответственно; р - плотность воздуха; Ср - теплоемкость при постоянном давлении. Правая часть (1) - РПТ в единицах скорости радиационного изменения температуры окружающего воздуха, К/ч. Пределы интегрирования АХ определяются полосой пропускания материала окна приемника.
Калибровка спектрофона-приемника РПТ, т.е. определение С* в (1), выполнялась, аналогично [15], по "черному телу" и калибровочной газовой смеси. Для повышения точности окно лучеприемника облучалось поочередно излучением от "черных тел" с различной температурой, из малого телесного угла. Лучеприемник, как и трасса между "черным телом" и лучеприемником, были заполнены воздухом с известной концентрацией водяного пара и СО2. При калибровке измерялись сигналы спектрофона, температуры "черных тел", влажность воздуха. Поглощенная радиация определялась расчетным путем, с использованием по-линейного расчета по версии HITRAN-96 [16].
Погрешность прямого измерения РПТ по нашей оценке не превышает 30% и определяется в основном погрешностью процедуры калибровки, а также отличием косинусной характеристики от идеальной и отличием температуры обтюраторов и влажности в лучеприемнике от температуры и влажности окружающего воздуха.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Прямое измерение РПТ в точке производилось оригинальным приемником РПТ (спектрофоном). Спектрофон был выполнен в блоке с радиометром пироэлектрического типа для измерения радиационной температуры почвы. Блок содержал также термометр для измерения температуры воздуха. Блок посредством мачты с пантографом (конструкции ИФА РАН) располагался поочередно на различных высотах, где выполнялись измерения, от 0.5 (иногда от 0.15) до 4 метров. В дневное время блок затенялся экраном от прямой солнечной радиации. Длительность измерений на одной высоте (серия) составляла обычно около 30 мин. Перед началом серии лучеприемник спектрофона в течение одной минуты принудительно перезаполнялся окружающим воздухом. Во время проведения серии состав воздуха в лучеприемнике оставался постоянным. Периодичность регистрации единичного значения РПТ (среднего из 100 отсчетов), а также показаний радиометра и термометра, составляла обычно 1 мин.
С той же периодичностью измерялись также значения суммарной и рассеянной радиации посредством незатененного и затененного пирано-метров конструкции ЛЭТИ и М-115 соответствен-
Высота, м 10 г
_11 чнП-18 ч^-21 ч^-24 ч
10 20 30
440 50 60 РПТ, К/ч
0.1
Рис. 1. Вертикальные профили РПТ, К/ч в различное время суток 24 августа 2003 г.
Высота, м 10
Рис. 2. Вертикальные профили среднесуточных значений РПТ, К/ч: а - профиль 18 августа 2003 г., Цим-лянск, Ь, с, С - профили, ранее полученные в различные сутки в аналогичных условиях северного Казахстана.
но, установленных на высоте 1.5 м на отдельных стойках.
Управление процессом измерений, визуальный просмотр, запись и последующая обработка результатов выполнялись с помощью разработанных пакетов программ.
При анализе результатов были использованы записи временного хода абсолютных значений температур на высотах от 1 до 26 м, выполненные ИФА РАН.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Подстилающая поверхность на площадке для наблюдений и вокруг нее - сухая степь с редкой и низкой травой. Условия измерений характеризовались устойчивой погодой практически без осадков, при средних за период измерений значениях максимальной суточной температуры воздуха 28°С, минимальной
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.