ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 2, с. 218-229
УДК 551.551
ВНУТРЕННИЕ ГРАВИТАЦИОННО-СДВИГОВЫЕ ВОЛНЫ В АТМОСФЕРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ ПО ДАННЫМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ
© 2015 г. В. С. Люлюкин*, М. А. Каллистратова*, Р. Д. Кузнецов*, **, Д. Д. Кузнецов*,
И. П. Чунчузов*, Г. Ю. Широкова***
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 **Финский метеорологический институт FI-00101 Хельсинки, Финляндия ***Университет штата Колорадо CIRA, CO 80523-1375Форт Коллинз, США E-mail: Lyulyukin@gmail.com Поступила в редакцию 24.09.2013 г., после доработки 22.07.2014 г.
Начиная с 2008 года, на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН проводится непрерывный круглогодичный дистанционный мониторинг параметров атмосферного пограничного слоя с помощью доплеровского акустического локатора (содара) ЛАТАН-3. При визуальном анализе содарных эхограмм, полученных за три года, были обнаружены многочисленные случаи возникновения цугов волнообразных структур в поле интенсивности рассеянного звукового сигнала. Подобные структуры ранее эпизодически наблюдались в данных содарного, радарного и лидарного зондирования. Структуры в виде квазипериодических "наклонных полос", либо "кошачьих глаз" возникают при устойчивой стратификации и значительных вертикальных сдвигах скорости ветра и являются результатом потери динамической устойчивости воздушного потока. В зарубежной литературе структуры, которые мы называем внутренними гравитационно-сдвиговыми волнами, часто отождествляются с волнами Кельвина—Гельмгольца. В настоящей работе произведена селекция эпизодов волнообразных структур на эхограммах содара ЛАТАН-3, приведены статистические данные о частоте их повторяемости в различные года и сезоны, об их связи со сдвигом скорости ветра и о связи их пространственного периода с толщиной слоя волновой активности. Обсуждаются критерии идентификации гравитационно-сдвиговых волн, метеорологические условия их возбуждения, а также проблемы их натурных наблюдений.
Ключевые слова: ВГСВ, ВКГ, АПС, наземное дистанционное зондирование, атмосфера, содары.
Б01: 10.7868/80002351515020108
1. ВВЕДЕНИЕ
Существование в нижней тропосфере мезо-масштабных волнообразных структур (с длинами волн от сотни метров до нескольких километров) было известно еще в позапрошлом веке по наблюдениям облаков необычной формы. Схематическое изображение форм таких структур, а также примеры фотографий облаков в виде валов с характерной завихренностью в верхней части и в виде наклонных полос приведены на рис. 1. Такие структуры образуются из-за потери устойчивости воздушного течения при скачке плотности воздуха и скорости ветра на верхней границе облака и являются типичным образцом волн Кельвина— Гельмгольца (ВКГ). Время жизни облачных вол-
новых структур, показанных на рис. 1, составляет несколько минут, а затем они размываются.
Лабораторные исследования сдвиговых течений в двухслойных жидкостях, которые были начаты в 1970-х годах [1] и позднее продолжены [2], продемонстрировали возникновение и обрушение ВКГ, формы которых хорошо согласуются как с наблюдаемыми в облаках волнообразными структурами, так и с результатами численного моделирования [3]. Однако в безоблачном атмосферном пограничном слое (АПС) подобные структуры не идентифицировались до появления средств наземного дистанционного зондирования атмосферы (содаров, радаров и лидаров).
С развитием техники зондирования, позволяющей с высоким разрешением визуализировать ме-зомасштабные турбулентные образования, волнообразные структуры в поле интенсивности эхо-сигнала стали эпизодически обнаруживаться в низкоуровневых струйных течениях, которые возникают при устойчивой термической стратификации АПС и характеризуются сильными ветровыми сдвигами. В дальнейшем при доплеровских радарных и лидарных измерениях подобные структуры были обнаружены и в поле ветра.
Отметим, что до сих пор ни в российской, ни в зарубежной литературе нет устоявшейся терминологии для обозначения волновых движений в безоблачной атмосфере. Во многих зарубежных публикациях рассматриваемые нами структуры именуются волнами Кельвина—Гельмгольца (ВКГ), хотя последние являются лишь частным случаем, который реализуется при скачкообразном разрыве плотности и скорости движения среды. В атмосфере подобных разрывов, как правило, не бывает, и потеря устойчивости течения и волнообразные структуры возникают при достаточно плавных изменениях плотности воздуха и скорости ветра с высотой. Поэтому мы будем в дальнейшем использовать термин "внутренние гравитационно-сдвиговые волны" (ВГСВ).
Генерация, распространение и разрушение внутренних гравитационных волн в атмосфере является одной из важнейших проблем динамической метеорологии, поскольку с волнами связан вертикальный перенос тепла, импульса и влаги через устойчивые слои. За последние три десятилетия было опубликовано несколько сотен журнальных статей, посвященных ВГСВ. Подавляющее большинство этих публикаций направлено на теоретические исследования гидродинамических проблем, связанных с волнами, как например [4—6], либо на численное моделирование мезомасштабных и крупномасштабных волновых процессов [7—10]. Наблюдениям волн в атмосфере, их климатологии и измерениям их параметров уделяется значительно меньше внимания. Такая же тенденция прослеживается и в известных монографиях [11—13].
Среди экспериментальных исследований ВГСВ основное место занимают радиолокационные наблюдения волн в верхней тропосфере, нижней стратосфере и ионосфере [14—16]. Это связано с распространенностью сетей непрерывного мониторинга атмосферы импульсными СВЧ- и ВЧ-радарами, которые достаточно часто регистируют ВГСВ на высотах 2—20 км и 50— 100 км. Однако вертикальная разрешающая способность таких радаров (100—200 м) недостаточна для исследования устойчиво стратифицированного АПС.
(а)
/си^с ООО \\\
(б)
(в)
Рис. 1. Волны Кельвина—Гельмгольца (ВКГ) в атмосфере. а — Схематическое изображение "валов" (г), "кошачьих глаз" (гг) и "наклонных полос" (ггг); б, в — примеры облаков с ВКГ, Воскресенский район Московской обл. 6 октября 2013 г., б — валы, время снимка 14:37:02; в — наклонные полосы, время снимка 13:45:54 (фотографии Г.Ю. Широковой).
В атмосферном пограничном слое дистанционных наблюдений ВГСВ немного, и практически нет климатологической информации. По-видимому, это объясняется отсутствием сетевого мониторинга АПС и эпизодичностью зондирования этого слоя. Насколько нам известно, с 1968 г. по настоящее время опубликовано лишь около полутора десятков статей об обнаружении цугов ВГСВ на высотах до одного километра с помощью частотно--модулированных (ЧМ) радаров, а
(а)
600 -
500
250-
а
н о о
« 200
150 -
300 -Г
03:56
03:28
03:30 (б)
03:32
200
а
н о о
3 «
100-
08:10
08:20
(в)
08:30
600 -
а
н о о
3 «
400 -
200 -
100
т-1-г
06:30 07:00 07:30 08:00 (г)
а
н о о
3 «
50 -
0
02:25 02:30 02:35 02:40 02:45 Местное время
Рис. 2. Визуализация ВГСВ на радарных и содарных эхограммах. а — Частотно-модулированный радар, Сан Диего; верх: 23 июня 1970 г.; низ: 25 июня 1970 г. б — Содар, Оклахома, 6 сентября 1971 г. в — Содар, Колорадо, 2 марта 1971 г. г - Содар, ЗНС ИФА РАН, 28 марта 1991 г. Адаптировано из [24-27].
также содаров и лидаров, которые имеют достаточное для детальных исследований структурных образований разрешение по вертикали (2-20 м). Однако сравнения результатов наблюдений ВГСВ в АПС с теоретическими моделями приведены лишь в нескольких работах, причем качественные, а не количественные [17-19]. В то же время исследования ВГСВ весьма важны именно в атмосферном пограничном слое, так как такие волны могут
оказывать значительное влияние на развитие турбулентности и тепло- и массообмен [20]. Изучение и понимание роли гравитационно-сдвиговых волн существенно для уточнения параметризаций устойчивого пограничного слоя в численных моделях атмосферной циркуляции. Кроме того, исследования волн в АПС необходимы для решения многих прикладных задач, связанных с ближним переносом загрязнений и с ветроэнергетикой (см., например, [21]).
Цель данной работы состоит в изучении статистики повторяемости ВГСВ, высот их расположения, их длительности, амплитуды, периода и длины, а также в сопоставлении некоторых параметров ВГСВ с параметрами низкоуровневых струйных течений (НСТ) по данным, полученным в ходе многолетнего круглосуточного акустического (содар-ного) зондирования атмосферы в Московской области [22, 23]. В разделе 2 приведены примеры визуализации ВГСВ средствами наземного дистанционного зондирования. В разделе 3 описана аппаратура и условия проведения акустической локации атмосферы на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, а также сформулированы критерии идентификации ВГСВ на содарных эхограммах. Раздел 4 посвящен изложению статистических результатов, полученных по данным зондирования в 2009-2011 г. В Заключении представлены выводы из проделанной работы и сформулированы некоторые нерешенные проблемы экспериментальных исследований ВГСВ.
2. ФОРМЫ ВНУТРЕННИХ ГРАВИТАЦИОННО-СДВИГОВЫХ ВОЛН, НАБЛЮДАЕМЫХ РАДАРАМИ, СОДАРАМИ И ЛИДАРАМИ
При исследованиях статически устойчивого АПС путем наземного дистанционного зондирования на временной развертке интенсивности эхо-сигнала обнаруживаются характерные волнообразные структуры. По форме эти структуры похожи на изображения волн Кельвина-Гельмгольца на рис. 1, и обычно они отождествляются с ВГСВ. Первые случаи обнаружения ВГСВ в безоблачном атмосферном пограничном слое с помощью радаров и содаров относятся к середине 1960 г. Дать исчерпывающее словесное описание исследуемых нами объектов весьма трудно; поэтому ниже мы приводим примеры визуализации ВГСВ.
На рис. 2 показаны образцы первых регистра-ций внутренних гравитационно-сдвиговых волн в безоблачном АПС на радарных и содарных эхо-граммах в координатах высота-текущее время [24-27]. Степень почернения на графиках соответствует степени интенсивности принятого локатором сигнала, вызванного обратным рассеяние
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.