Diurnal dynamics of the kinetic energy in the atmospheric boundary layer retrieved from minisodar measurements.pdf Введение Кинетическая энергия играет важную роль в физике атмосферного пограничного слоя (АПС), исследовании его структуры и динамики, разработке адекватных физических представлений и построении реалистичных математических моделей [1-3]. Она является одной из характеристик АПС, определяющей как глобальную, так и локальную циркуляцию атмосферы, перенос момента количества движения, тепла и влаги. Более того, она необходима для прогноза и расчета полей метеопараметров и диффузии загрязняющих примесей, а также для анализа и прогноза условий распространения акустического излучения. В последнее время актуальность исследований физики АПС значительно возросла в связи с революционным развитием и применением легких беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) [4], которые, как правило, изготавливаются из легких материалов, используются в АПС (особенно микро- и мини-размерные БПЛА) и, таким образом, подвержены сильному влиянию кинетической энергии турбулентности. Для измерения и прогноза средних значений и дисперсии компонент скорости ветра в АПС в настоящее время разработан ряд методов с использованием лидаров, содаров и радиолокаторов [5-8]. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Например, показатель преломления звуковых волн примерно в 106 раз больше, чем радио- и оптических волн. На фоне сильного взаимодействия звуковых волн с атмосферой возможности получения информации круглосуточно в реальном масштабе времени с существенно большим пространственным и временным разрешением делают содары уникальными инструментами для исследования поля скорости ветра в АПС. Применение минисодаров позволяет одновременно получать длинные временные ряды непрерывных наблюдений высотных профилей как средних значений, так и дисперсий трех компонент скорости ветра и анализировать их пространственно-временную динамику [3, 7, 9]. При этом получаются данные с высоким пространственным (до нескольких метров) и временным разрешением (статистически надежные профили скорости ветра доступны с осреднением, как правило, от 1 до 30 мин). Это позволяет использовать результаты минисодарных измерений для оценки кинетической энергии как средней, так и турбулентной компонент скорости ветра. Так, в [9] были приведены предварительные результаты анализа пространственно-временной динамики кинетической энергии турбулентности в единице массы воздуха на основе данных минисодарных измерений. В данной работе анализируется суточная почасовая динамика полной кинетической энергии атмосферы E(z, t) и ее компонент - кинетической энергии упорядоченного движения EMKE (связанной со средней скоростью ветра) и турбулентной кинетической энергии ETKE (связанной с дисперсией скорости ветра), полученная в результате постобработки данных минисодарных измерений в атмосфере в диапазоне высот 5-200 м. Определяются интервалы времени и диапазоны высот с наибольшей и наименьшей турбулентностью, т.е. наиболее и наименее благоприятные для полетов БПЛА. Так как в настоящее время БПЛА делают из легких пенопластов, но достаточных размеров (1-2 м), то для таких объектов эти оценки чрезвычайно важны. Применяемые методы и приближения Полная кинетическая энергия АПС определяется энергией движения воздушных масс - энергией ветра. В дальнейшем будем использовать приведенную кинетическую энергию , в м2/с2 (м2/с2 = Дж/кг). Естественно, что полученные для приведенной кинетической энергии закономерности будут выполняться и для кинетической энергии атмосферы. По этой причине будем применять термин «кинетическая энергия», подразумевая приведенную кинетическую энергию. Она равна сумме двух составляющих: кинетической энергии EMКE упорядоченного движения, связанной со средней скоростью ветра, и турбулентной кинетической энергии ETKE движения воздушных масс, связанной с дисперсией скорости ветра. Среднюю кинетическую энергию единицы массы воздуха можно представить в виде [1-3] (1) где ; t - время наблюдения; угловые скобки обозначают усреднение по серии измерений; , , - компоненты скорости ветра, а - их дисперсии. В этом случае изменения значений стоящих в круглых скобках выражений будут определять значения и соответственно. Суточная почасовая динамика кинетической энергии рассчитывалась по формуле (1) из результатов минисодарных измерений, усредненных за период времени 10 мин с пространственным разрешением z = 5 м. Это позволило проанализировать соотношение вкладов ее составляющих в суммарную кинетическую энергию. Измерения проводились минисодаром с рабочей частотой 4900 Гц, длительностью импульса излучения  = 60 мс и периодом посылки импульсов 4 с. При этом излучение периодически посылалось в трех направлениях - вертикальном и наклонных под углами 76 к горизонтали в двух взаимно ортогональных плоскостях. Высотные профили трех компонент скорости ветра , где , i - текущий номер измерения в серии , измерялись в 43 стробах zj принимаемых сигналов вертикальной протяженностью м в диапазоне высот 5-200 м. Обрабатывались серии из профилей, что обеспечивало усреднение полученных результатов за период 10 мин. Компоненты и рассчитывались следующим образом [9, 10]: (2) (3) где (zj, tk), (zj, tk) и (zj, tk) - дисперсии x-, y- и z-компонент скорости ветра в j-м стробе zj в k-й серии измерений, начавшейся в момент времени tk; < > - оператор усреднения. Результаты и их обсуждение Измерения проводились в окрестности г. Santa Clarita, California, USA [11] над ровной подстилающей поверхностью без высокой растительности в течение 7 дней с 12 по 17 сентября 2006 г. Погода была сухая, теплая, солнечная. На рис. 1-3 представлены вертикальные профили компонент кинетической энергии, полученные по результатам постобработки минисодарных данных. Время начала 10-минутных серий измерений указано на рисунках. На рис. 1 представлена динамика компонент кинетической энергии в ночное время, на рис. 2 - суточная почасовая динамика компонент кинетической энергии, на рис. 3 - почасовая динамика в утренние часы до полудня. Рис. 1. Почасовая динамика компонент кинетической энергии скорости ветра 12 сентября 2006 г. в ночное время с 00:00 до 05:00 местного времени с 10-минутным усреднением: а - турбулентная кинетическая энергия ETKE; б - кинетическая энергия упорядоченного движения EMКE На рис. 1 обращают на себя внимание малые величины и разброс значений компоненты кинетической энергии турбулентного движения ETKE в нижнем 30-метровом слое атмосферы. Максимальные значения ETKE наблюдаются в полночь. В 02:00 ETKE росла с высотой в нижнем 75-мет¬ровом слое и уменьшалась для бóльших высот. При z = 200 м она понижалась с 260 дo 180 м2/с2, т.е. на 31%. Эта тенденция уменьшения ETKE наблюдалась до 03:00. Затем ETKE продолжала уменьшаться до 04:00 в нижнем 100-метровом слое, но росла на больших высотах. К 05:00 происходило увеличение ETKE во всем диапазоне высот. Максимальные значения EMKE за период наблюдения 12 сентября 2006 г. отмечались в 01:00 местного времени. При этом, как видно из рис. 1, вклад кинетической энергии среднего движения во всем диапазоне высот примерно в 2 раза меньше, чем вклад турбулентной кинетической энергии, а ее высотный ход подобен высотному ходу ETKE. Аналогичное соотношение вкладов ETKE и EMKE прослеживается и для их суточного хода 14 сентября, представленного на рис. 2. Малый разброс значений ETKE наблюдается до высоты z ≈ 50 м, а наибольший от ETKE min = 50 м2/с2 в 09:00 до ETKE max = 200 м2/с2 в 23:00 - на высоте z ≈ 200 м. С 10:00 до 12:00 вклад кинетической энергии среднего движения в нижнем 100-метровом слое превышает вклад турбулентной компоненты кинетической энергии, что связано с наличием ветрового сдвига на соответствующих профилях скорости ветра. Из рис. 2 также видно, что высотный профиль EMKE растет в утренние часы с 05:00, достигает наибольших значений в 12:00 и затем уменьшается до полуночи. Аналогичное поведение компонент кинетической энергии отмечалось в [3] по результатам измерений содаром FAS64 для трех диапазонов высот z = 20-50, 50-80 и 80-110 м. По данным [3], суточный ход кинетической энергии также характеризовался наличием минимумов и максимумов. Очевидно, что время их появления и величина зависят от метеоусловий, наличия и характеристик облачности, солнечной радиации. Рис. 3 иллюстрирует динамику кинетической энергии в утренние часы 15 сентября 2006 г. с 05:00 до полудня, когда в нижнем 50-метровом слое атмосферы вклад кинетической энергии средней скорости ветра в суммарную кинетическую энергию превышает вклад турбулентной компоненты. При этом характер высотной зависимости ETКE сохраняется: малые величины и разброс значений в приземном слое до высоты z = 50 м и рост на больших высотах. Наибольшее значение турбулентной кинетической энергии на высоте z = 200 м наблюдается в 05:00, а наименьшее - в 07:00 утра местного времени. Рис. 2. Суточная почасовая динамика компонент кинетической энергии скорости ветра 14 сентября 2006 г. с 00:00 с 10-минутным усреднением: а - турбулентная кинетическая энергия ETKE; б - кинетическая энергия упорядоченного движения EMКE На протяжении измерений 12, 14 и 15 сентября 2006 г. суммарная приведенная энергия турбулентности изменялась от нескольких десятков до нескольких сотен м2/с2, что согласуется с имеющимися литературными данными [3, 12]. Из рис. 1-3 видно, что турбулентная кинетическая энергия растет с высотой наблюдения z и в приземном слое до высот 25-50 м она слабо зависит от z. Так, 12 сентября она изменяется от 10 до 90 м2/с2 на z = 25 м, а 14 и 15 сентября она слабо меняется с высотой до z = 50 м. Разброс значений суммарной кинетической энергии также увеличивается с ростом z, и на высоте 200 м она изменяется уже от 70 до 200 м2/с2, т.е. почти утраивается в течение суток. Аналогичное поведение кинетической энергии отмечено в [3, 12]. Рис. 3. Почасовая динамика кинетической энергии скорости ветра 15 сентября 2006 г. с 05:00 до 12:00 с 10-минутным усреднением: а - турбулентная кинетическая энергия ETKE; б - кинетическая энергия упорядоченного движения EMКE Таким образом, на основе приведенных данных можно заключить, что величина кинетической энергии в приземном слое до высот 25-100 м слабо зависит от высоты наблюдения z и растет при дальнейшем увеличении z. Суточный ход радиационного нагрева поверхности земли обуславливает наличие минимумов и максимумов кинетической энергии, время появления которых зависит от метеорологических условий наблюдения. Рассмотрим высотную зависимость величины горизонтальной скорости ветра, усредненной по 5-метровому слою на высоте z, и пространственно-временную динамику вектора скорости ветра. На рис. 4 приведены высотные зависимости горизонтальной скорости ветра Vav и ее компонент Vx и Vy (измерения с 11:00 до 23:00 13 сентября 2006 г., усредненные за 10-минутный период). Несложно видеть, что на малых высотах от 5 до 100 м горизонтальная скорость относительно устойчива по величине, также устойчивы и ее компоненты Vx и Vy. Существенные изменения горизонтальной скорости и ее компонент наблюдаются в интервале высот от 100 до 200 м, причем практически в любое время суток. Рис. 4. Высотные зависимости величины горизонтальной скорости упорядоченного движения Vav и ее компонент Vx и Vy в зависимости от высоты слоя (по результатам почасовых усредненных за 10 мин минисодарных измерений компонент скорости ветра с 11:00 до 23:00 13 сентября 2006 г.) Данная ситуация связана с тем, что в приземном слое средняя скорость ветра и ее турбулентные флуктуации существенно замедляются взаимодействием воздушных масс с неподвижной подстилающей поверхностью. При увеличении высоты от 100 до 200 м наблюдаются значительные турбулентные флуктуации скорости ветра и ее компонент, т.е. воздействие турбулентности усиливается. Наибольшее влияние турбулентность имеет в интервале высот 150-200 м, где этот высотный коридор представляет наибольшую опасность для БПЛА. Время суток также существенно влияет на результаты наблюдения. В дневное время, как можно видеть из рис. 4, не отмечается существенных флуктуаций горизонтальной скорости ветра на всех наблюдаемых высотах. Нет существенных флуктуаций и у компонент Vx и Vy. Ситуация начинает меняться во время заката солнца (около 17:00). В интервале высот 100-200 м появляются существенные флуктуации горизонтальной скорости ветра с высотой. Это продолжается до 19:00. Можно полагать, что данная ситуация обусловлена окончанием светового дня и началом неоднородного охлаждения земной поверхности. При этом в период с 16:00 до 19:00 в соседних слоях значения скорости резко изменяются от слоя к слою. Более того, начиная с 16:00 и до конца периода наблюдения (23:00) компоненты горизонтальной скорости Vx и Vy значительно отличаются. На рис. 5 представлена суточная почасовая динамика вектора скорости ветра (северное направление - вверх, южное - вниз, восточное - направо, западное - налево) с 05:00 16 сентября до 17 сентября. Масштаб скорости указан на рисунке. Из рисунка видно, что в любое время суток до высот ~100 м направление горизонтальной скорости ветра не испытывает резких изменений при переходе от слоя к слою. В интервале высот от 100 до 200 м направление скорости ветра меняется, причем если с 05:00 до 06:00 (восход солнца в 05:00) изменения начинаются с высот 150 м и выше, то с 07:00 до 08:00 они начинаются уже с высоты 100 м. Это можно связать с неравномерным нагревом охлажденной в ночное время земной поверхности. С 09:00 до 10:00 нижняя граница турбулентного слоя вновь растет до высот 150 м и к 14:00 достигает 200 м. Новое снижение нижней границы турбулентного слоя можно видеть с 16:00 до 18:00. В дневное время (с 05:00 до 17:00), величина скорости ветра значительно превосходит соответствующие ночные значения (с 18:00 16 сентября до 03:00 17 сентября 2006 г.). В дневное время наибольшие значения скорости ветра фиксируются в утренние (с 04:00 до 06:00-07:00) и дневные часы (с 09:00 до 16:00-17:00). Минимальные значения скорости ветра наблюдаются в ночные часы (с 22:00 до 03:00). Рис. 5. Пространственно-временная динамика вектора скорости ветра с 05:00 16 сентября до 05:00 17 сентября. Масштаб скорости указан на рисунке, северное направление - вверх, южное - вниз, восточное - направо, западное - налево Следует особо отметить следующее. На основе визуального анализа рис. 4 и 5 можно заключить, что в периоды наибольших возмущений (активного влияния турбулентности) линейные размеры областей возмущений соизмеримы с пространственным разрешением z = 5 м применяемого метода наблюдений. Это можно видеть, например, с 07:00 до 11:00 16 сентября и с 01:00 до 03:00 17 сентября (рис. 5). Эти возмущения представляют наибольшую опасность для малоразмерных БПЛА. Таким образом, на основе постобработки результатов минисодарных измерений пространственно-времен¬ной динамики трех компонент скорости ветра и их дисперсий в пограничном 200-метровом слое атмосферы оценены значения приведенной кинетической энергии атмосферы и ее компонент, уделяя особое внимание турбулентной кинетической энергии. За суточный период непрерывных наблюдений энергия турбулентности в приземном слое была очень низкой до высот ~ 50 м. Данная ситуация связана с тем, что в приземном слое скорость ветра и турбулентное движение существенно замедляются взаимодействием воздушных масс с неподвижной земной поверхностью. При увеличении высоты наблюдений от 50 до 100 м турбулентная кинетическая энергия быстро растет, а на высотах более 100 м фиксируется уже ее сильный рост. Наибольшие значения турбулентная кинетическая энергия имеет в интервале высот 150-200 м. Этот высотный коридор представляет наибольшую опасность для полетов БПЛА. Заключение На основе постобработки данных минисодарных измерений пространственно-временной динамики трех компонент скорости ветра и их дисперсий в пограничном 200-метровом слое атмосферы оценены значения кинетической энергии. Анализ вертикальных профилей кинетической энергии в атмосферном пограничном слое показал, что в нижнем приземном слое до высот ~ 50 м величины и разброс значений турбулентной кинетической энергии ETKE очень малы и резко увеличиваются с ростом высоты. Наибольшие значения ETKE наблюдались в полночь, так же как и наибольшие значения EMKE. В утренние часы вклад кинетической энергии среднего движения в нижнем 100-мет¬ровом слое атмосферы превышает вклад турбулентной кинетической энергии, что можно связать с наличием ветрового сдвига на соответствующих профилях вектора скорости ветра. Значения EMKE растут в утренние часы, достигают наибольших значений к полудню и затем уменьшается к полуночи. На протяжении измерений суммарная кинетическая энергия, приведенная к единице массы воздуха, изменялась от нескольких десятков до нескольких сотен м2/с2 (Дж/кг). Суточный ход кинетической энергии характеризуется наличием нескольких максимумов и минимумов, время появления и величина которых зависят от метеоусловий наблюдения, наличия и характеристик облачности, солнечной радиации. На основе проведенного анализа сделано заключение, что во временные периоды наибольших возмущений (активного турбулентного движения воздушных потоков) линейные размеры областей возмущений соизмеримы с пространственным разрешением z = 5 м применяемого метода наблюдений. Проиллюстрирована возможность выявления времени наибольшего и наименьшего воздействия турбулентности, т.е. наиболее и наименее благоприятного времени для полетов легких летательных аппаратов.

Скачать электронную версию публикации