1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Физика атмосферы и океана
  4. T. 57, № 1, 2021

Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2021, T. 57, № 1, стр. 34-52

Спиральность и турбулентность в атмосферном пограничном слое

Н. В. Вазаева a, b, *, О. Г. Чхетиани a, М. В. Курганский a, М. А. Каллистратова a

a Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
119017 Москва, Пыжевский пер., 3, Россия

b МГТУ им. Н.Э. Баумана
105005 Москва, 2-я Бауманская ул., 5, стр. 1, Россия

* E-mail: vazaevanv@ifaran.ru

Поступила в редакцию 17.07.2020
После доработки 03.08.2020
Принята к публикации 14.10.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Спиральность присуща множеству циркуляционных движений и структур в атмосферном пограничном слое (АПС), в котором она непрерывно воспроизводится вследствие совместного действия вращения Земли и трения, что связано с явлениями обратного каскада и крупномасштабной перестройки течений. Фактор спиральности требует его корректного учета при построении атмосферных моделей и, соответственно, необходимо знание о распределении спиральности в АПС и ее связи с динамическими атмосферными процессами. В настоящем исследовании спиральность циркуляционных структур различного пространственного и временного масштаба в АПС определяется по результатам анализа данных полевых измерений. Качественное и количественное сравнения с измеренными значениями проводятся на основе результатов численного моделирования с помощью квазидвумерной модели и мезомасштабной атмосферной негидростатической модели WRF-ARW, в частности WRF-LES. Получено неплохое соответствие с наблюдаемыми пространственными распределениями циркуляционных движений. Показана связь турбулентных характеристик и спиральности исследуемых структур. Проводится сопоставление оценок спиральности циркуляционных структур различного масштаба в АПС и свободной атмосфере.

Ключевые слова: атмосферный пограничный слой, мезомасштабная циркуляция, стрики, термики, спиральность, турбулентность, неустойчивость, численное моделирование

1. ВВЕДЕНИЕ

Атмосферный пограничный слой (АПС) является одной из систем, в которых спиральность – скалярное произведение векторных полей скорости и завихренности – воспроизводится непрерывно и естественным путем, благодаря совместному действию вращения Земли и трения. С точки зрения гидродинамики интерес к спиральности обусловлен и тем, что это второй (после энергии) квадратичный по полю скорости инвариант движений идеальной баротропной жидкости. Он был обнаружен сравнительно недавно – в начале 1960-х гг. – и имеет тесную связь с топологическими характеристиками вихревых течений [1]. Роль спиральности в динамике турбулентных течений до сих пор не вполне прояснена и остается предметом дискуссий и интенсивных исследований. В ряде случаев, по всей видимости, именно со спиральностью связано явление обратного каскада энергии и крупномасштабной перестройки течений [2–4].

Фактор спиральности требует его корректного учета при развитии атмосферных моделей различных масштабов и, соответственно, необходимо знание о распределении спиральности в АПС и ее связи с динамическими атмосферными процессами.

В настоящей работе спиральность определяется для вихревой циркуляции различных пространственных и временных масштабов; термической конвекции, низкоуровневых струйных течений и полярных мезоциклонов (ПМЦ). Такие циркуляционные структуры значительно влияют на характеристики турбулентности, определяют вертикальный профиль среднего течения, играют существенную роль в процессах турбулентного перемешивания и переноса влаги, тепла, импульса и других субстанций через АПС. По оценкам [5], одни только мезомасштабные валиковые структуры отвечают за 20–60% всего тепломассопереноса через АПС. Р. Чижелски в своей работе [6] о параметризации турбулентности в потоках со спиральностью приводит сводные данные [7, 8] об оценках размера и спиральности нескольких видов циркуляционных структур (табл. 1). В нашем исследовании мы расширили и уточнили эти результаты.

Таблица 1.  

Оценки спиральности для различных атмосферных вихрей [6]

Вихревая структура Высота, м Радиус, м Спиральность, м/с2
Тайфун 104 105 10–1
Шторм 104 103 10–2
Торнадо 103 102 10–1–10–2
Экмановский слой 103 – 10–1
Мезомасштабная валиковая циркуляция 103 103 10–2–10–3
Вращающийся термик 103 102 10–2
Пыльный вихрь 103 101 101

Мезомасштабные упорядоченные спиралевидные вихри с горизонтальной осью образуются уже при достаточно слабом ветре 2–3.5 м/с [9–14], когда происходит перестройка трехмерных конвективных ячеек в продольно ориентированные, и представляют собой устойчивую систему вытянутых горизонтальных валов. Они наблюдаются при устойчивой и слабонеустойчивой стратификации пограничного слоя, могут достигать горизонтального масштаба в 3–5 км и существовать на протяжении нескольких дней [13, 15–17]. Детальное исследование валиковой циркуляции при различных условиях проводилось в [10, 18–20]. Анализ нелинейной задачи в диапазоне чисел Рейнольдса от 100 до 400 с применением квазидвумерной численной модели проводился в [21].

Постоянно существующие в АПС субмезомасштабные вихревые структуры – размером от десятков до сотен метров и длительностью от десятков секунд до минуты – в современной литературе называют стриками — короткоживущими, мелкомасштабными, расположенными близко к земле быстро чередующимися продольными валиками [22–27]. Их образование связывается с развитием немодальных или оптимальных возмущений в стратифицированном экмановском слое, испытывающих интенсивный алгебраический рост за конечные промежутки времени [28]. Анализ оптимальных возмущений в АПС впервые был выполнен Фостером [29]. Предложенная в [27] модель развития алгебраических немодальных возмущений позволяет оценить характерные масштабы стриков в АПС. Близкие к ним значения были получены при измерениях содаром высокого разрешения.

В нашем исследовании для получения данных о параметрах ветра и турбулентности в АПС, их количественных измерений, для описания временных и спектральных характеристик горизонтальных когерентных структур различного масштаба, термической конвекции, низкоуровневых струйных течений используются результаты акустического зондирования, полученные в экспедициях ИФА им. А.М. Обухова РАН в 2007, 2012, 2016–2019 гг.

Помимо экспериментальных и теоретических подходов, в настоящее время широкое распространение получило численное моделирование. Передовые атмосферные негидростатические модели, в частности, негидростатическая атмосферная мезомасштабная WRF-ARW (Advanced Research WRF) и вихреразрешающая (LES – Large-Eddy Simulation) модель WRF-LES [30, 31], используются для воспроизведения и анализа чувствительности к начальным и граничным условиям наблюдаемой картины циркуляции в АПС. Прямое численное моделирование (DNS) [32–34] может приводить к неустойчивости и разрушению спиралевидных вихрей вследствие небольших трехмерных возмущений, поэтому в нашем исследовании оно не используется. Достаточно стабильная картина валиковой циркуляции воспроизводится LES-моделированием [35–38] при определенном соотношении глубины пограничного слоя и масштаба длины Монина–Обухова, когда конвективные ячейки Рэлея–Бенара трансформируются в валиковую циркуляцию [35, 39, 39 ]. При этом есть вероятность возникновения при детализированных расчетах сильно растущих оптимальных возмущений, приводящих к перманентной генерации стриков [20, 23, 24, 28, 29], устойчивость которых еще недостаточно изучена.

Наибольшими крупномасштабными структурами из анализируемых здесь являются полярные мезоциклоны (ПМЦ). Это достаточно коротко живущие образования – обычно от 3 до 36 ч – с масштабом до 1000 км, скоростью перемещения циклона приблизительно 50 км/ч и скоростью ветра, превышающей у поверхности 15 м/с. ПМЦ в основном формируются вблизи главной бароклинной зоны (полярный фронт) в результате адвекции холодного воздуха над более теплой водной поверхностью. Для ПМЦ спиральность оценивалась как для целостного вихревого образования, путем усреднения по предварительно выбранной площади, “заметаемой” мезоциклоном при его движении. Использовались данные реанализа ECMWF (Европейского центра среднесрочных прогнозов) и результаты численного моделирования в модели WRF-ARW.

2. ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Измерения вертикальных профилей компонент скорости ветра проводились акустическим зондированием атмосферы [40]. В настоящее время акустическое зондирование является хорошо апробированным, надежным и точным методом исследования нижней части АПС [41–43] и широко применяется во всем мире [44, 45 ].

В наших измерениях использовались разработанные и изготовленные в ИФА РАН доплеровские трехкомпонентные моностатические содары ЛАТАН-3М и минисодары ЛАТАН-3м с частотно-кодированным зондирующим импульсом (измерение вертикальных профилей 3-х компонент скорости ветра) [46–48]. Все измерения проходили в летний период, ниже показаны измерения, анализируемые в настоящей работе.

В 2007 г. акустическое зондирование проводилось в прикаспийской низменности в республике Калмыкия вблизи поселка Комсомольский, южнее национального парка “Черные земли”. Использовались содар ЛАТАН-3М с разрешающей способностью по высоте 30 м, интервалом между посылками импульсов 10 с, высотным диапазоном 800 м и базовой несущей частотой 2 кГц и три минисодара с вертикальным разрешением 20 м, периодом следования импульсов 5 с, высотным диапазоном 400 м, базовой несущей частотой 3.5 кГц.

В 2016 г. содарные измерения проводились в республике Калмыкия. Использовался содар с разрешающей способностью по высоте 10 м, интервалом между посылками импульсов 3 с, высотным диапазоном 400 м и базовой несущей частотой 2 кГц.

В 2012, 2017 гг. содарные измерения проводились на Цимлянской научной станции ИФА. Использовался содар с разрешающей способностью по высоте 10 м, интервалом между посылками импульсов 5 с, высотным диапазоном 340 м и базовой несущей частотой 2 кГц. Кроме того, использовался доплеровский трехкомпонентный минисодар высокого разрешения, получивший название ВРМС – Высокого Разрешения Мини Содар (английская аббревиатура – HRMS) [49–51], с высокой достоверностью и хорошей точностью данных. Измерения проводились с разрешающей способностью по высоте 1 м на высотах 3–45 м с временным интервалом 1 с. В [51] приведены сведения об определении точности измерения скорости ветра.

В 2018 г. содарные измерения проводились на Цимлянской научной станции ИФА. Использовался содар с разрешающей способностью по высоте 10 м, интервалом между посылками импульсов 12 с, высотным диапазоном 400 м и базовой несущей частотой 2 кГц. Использовался доплеровский трехкомпонентный минисодар высокого разрешения

В 2019 г. содарные измерения проводились на Цимлянской научной станции ИФА. Использовался содар с разрешающей способностью по высоте 10 м, интервалом между посылками импульсов 5 с, высотным диапазоном 340 м и базовой несущей частотой 2 кГц. Использовался доплеровский трехкомпонентный минисодар высокого разрешения.

Для детектирования когерентных структур различного масштаба применялась последовательная фильтрация. Мезомасштабные структуры, струйное течение и конвекция хорошо фиксируются при 10 минутном осреднении, мелкомасштабные – при 3–5 минутном осреднении для вертикальных скоростей и при 3–5 минутном осреднении с вычетом 9–12 минутного среднего для горизонтальных компонент скорости.

При вычислении спиральности проводилась аппроксимация компонент скорости кубическими сплайнами для сглаживания профиля скорости при вычислении производных.

Вертикальная составляющая спиральности оказывается значительной и превосходящей горизонтальную для интенсивных атмосферных вихрей типа торнадо (смерчей) и пыльных вихрей [6]. Для когерентных структур, исследуемых по данным акустического зондирования, основной вклад в спиральность дают горизонтальные составляющие.

(1)
${{H}_{x}} = u\left( {\frac{{\partial w}}{{\partial y}} - \frac{{\partial v}}{{\partial z}}} \right),\,\,\,\,{{H}_{y}} = v\left( {\frac{{\partial u}}{{\partial z}} - \frac{{\partial w}}{{\partial x}}} \right).$

Здесь u, v, w – компоненты скорости по осям координат x, y, z. Горизонтальными градиентами вертикальной скорости можно пренебречь, и для плотности спиральности с хорошей точностью имеем:

(2)
$H = {{H}_{x}} + {{H}_{y}} \approx v\frac{{\partial u}}{{\partial z}} - u\frac{{\partial v}}{{\partial z}}.$

3. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ WRF-ARW

Для исследования синоптической ситуации была выбрана открытая исследовательская негидростатическая мезомасштабная атмосферная модель WRF – Weather Research and Forecasting [30, 31] (версия 3.9.1.1 и 4.1.1), в частности модуль WRF-LES для воспроизведения мезомасштабной вихревой циркуляции с высоким разрешением.

При расчетах мезомасштабных когерентных структур с горизонтальной осью использовались вложенные сетки. Модификация модели совпадает с использованной в [14]. Вся расчетная область 300 × 225 км рассчитывается на крупной сетке 210 × 138 узлов по горизонтали с шагом 1620 м. Вложенная область детализованного расчета 75 × 50 км считается на сетке 556 × 355 узлов с шагом 540 м, вложенная область для последующего LES-моделирования 75 × 50 км – на сетке 742 × 607 узлов по горизонтали с шагом 180 м. По вертикали все три области имеют 35 уровней до высоты 5000 м со сгущением в пограничном слое. В качестве начальных и граничных данных использованы поля реанализа GFS. Расчет начат за сутки до изучаемого момента. Одному шагу расчета по времени для крупной области соответствуют 3 шага расчета по времени для вложенной области. Временной интервал между начальными полями метеопараметров глобального операционного анализа GFS на сетке 1° × 1° равен 6 часам. Координаты центра расчетной области соответствуют 45.33° с.ш. и 46.04° в.д. В настоящем случае для мезомасштабных когерентных структур определено оптимальное пространственное разрешение примерно 100–180 м. Область попадает в так называемую “серую зону”, исследованию которой в настоящее время посвящено все возрастающее количество публикаций, например, [52]. При дальнейшем уменьшении шага сетки начинают воспроизводиться короткоживущие вихри – стрики.

Для параметризации пограничного слоя использована схема Меллора–Ямады–Янича, промежуточная Shin–Hong scheme и LES параметризация; для параметризации приземного слоя и-спользуется теория Монина–Обухова; Rapid Radiative Transfer Model и Goddard shortwave (Two-stream multi-band scheme) выбраны для параметризации длинноволнового и коротковолнового излучения; для параметризации турбулентности принята схема полной диффузии с использованием трехмерного метода Смагоринского и для LES-моделирования – схема простой диффузии с использованием двухмерного метода (коэффициент K определяется только с использованием горизонтальной деформации); Morrison double-momentum scheme применена для параметризации микрофизики; Unified Noah land-surface model – для параметризации параметров земной поверхности.

При расчетах ПМЦ также использовались вложенные сетки. Характеристики сетки и схемы параметризации кратко приведены в табл. 2.

Таблица 2.  

Моделирование ПМЦ. Описание сетки и схем параметризации

Расчетное время 01.03.2013 00 UTC–31.03.2013 18 UTC
Количество вложенных сеток 2
Тип проекции карты Polar
Шаг сетки 10 000 м (10 км)/3333 м (3.333 км)
Количество шагов сетки в направлении север–юг 327/109
Количество шагов сетки в направлении восток–запад 207/90
Количество вертикальных уровней 50
Шаг по времени для первой области 60 с
Длинноволновая радиация САМ/САМ (Community atmosphere model, W. D. Collins et al., 2004)
Поверхностный слой Monin–Obukhov (Zilitinkevitch)
Модель поверхности земли Noah (Chen et al., 2001)
Атмосферный пограничный слой Mellor–Jamada–Janjic scheme (Janjic, 1994, MWR)

Для вычисления спиральности ПМЦ как целостного вихревого образования использовалась хорошая корреляция спиральности с временным ходом полусуммы квадратов компонент скорости ветра на верхней границе АПС [53, 54]. Исследовался путь прохождения циклона, и на охватывающей этот путь площади рассчитывалось среднее значение такой полусуммы – оценки спиральности. Результаты сравнивались с аналогичными оценками по данным реанализа ECMWF.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ СПИРАЛЬНОСТИ

Мезомасштабные когерентные структуры с горизонтальной осью и низкоуровневое струйное течение

Одним из самых характерных случаев за весь период наблюдений было 28 июля 2007 г. в Калмыкии [46]. В дневное время были зафиксированы мезомасштабные когерентные структуры с горизонтальной осью (роллы), что хорошо видно на рис. 1 – периодическое чередование положительного и отрицательного значения вертикальной компоненты осредненной скорости. В ночные и утренние часы присутствовало низкоуровневое струйное течение (рис. 2).

Рис. 1.

Вертикальная компонента осредненной скорости ветра. Содарные измерения, Калмыкия, 28 июля 2007 г. Параметр осреднения – 10 мин.

Рис. 2.

Профили скорости ветра. Содарные измерения, Калмыкия, 28 июля 2007 г. Параметр осреднения – 10 мин.

Рис. 2.

Окончание

Значение средней по слою плотности спиральности, рассчитанной для роллов, составляет 0.02–0.06 м/с2 (рис. 3). На графике показано среднее значение по слоям, которые затрагивает валиковая циркуляция. Суточный ход плотности спиральности по всем уровням показан на рис. 4а–4г. Исходя из этих характерных данных, плотность спиральности низкоуровневых струйных течений составляет приблизительно 0.2–0.8 м/с2. На рис. 4д–4з показаны профили спиральности по высоте. Достаточную статистическую обеспеченность имеют в этом случае данные до 200–400 м.

Рис. 3.

Средняя по слою плотность спиральность за 28 июля 2007 г. Содарные измерения, Калмыкия. Параметр осреднения – 10 мин.

Рис. 4.

Суточный ход плотности спиральности по всем уровням: (а): для 0–6 ч, (б): для 6–12 ч, (в): для 12–18 ч, (г): для 18–24 ч; и профили спиральности по высоте (д): для 0–6 ч, (е): для 6–12 ч, (ж): для 12–18 ч, (з): для 18–24 ч. Содарные измерения, Калмыкия, 28 июля 2007 г. Параметр осреднения – 10 мин.

Плотность спиральности развивающейся мезомасштабной циркуляции в АПС по результатам численного моделирования показана на рис. 5. Согласно [14], максимальная положительная и отрицательная спиральность в широтном разрезе составляет 0.026 м/с2 и –0.056 м/с2 соответственно. Максимальная положительная и отрицательная спиральность в долготном разрезе составляет 0.07 м/с2 и –0.038 м/с2 соответственно. Таким образом, по результатам численного моделирования можно выделить диапазон 0.02–0.08 м/с2, что согласуется с экспериментальными данными. Значения спиральности по расчетам с помощью квазидвумерной модели с перебором всех возможных значений чисел Рейнольдса от 100 до 400, 0.01–0.16 м/с2 [21] включают в себя диапазоны экспериментальных исследований и численного моделирования отдельного частного случая 28 июля 2007 г. (рис. 6).

Рис. 5.

Пространственное распределение по осям Y(lat)Z и X(lon)Z (сверху вниз) соответствующей компоненты спиральности H, интервал между контурами равен 0.01 м/с2. Отрицательные значения показаны пунктирной линией, нулевые – серой сплошной. Модель WRF-ARW, 28 июля 2007 г., 8 UTC. Шаг сетки 180 м. По оси ординат – высота Z в км, по оси абсцисс – долгота и широта (сверху вниз) в градусах [14].

Рис. 6.

Изменение амплитуд положительной (сплошная линия) и отрицательной (пунктир) составляющей спиральности в зависимости от числа Рейнольдса [21].

Стрики

Плотность спиральности в стриках по результатам экспериментальных исследований составляет 0.5–4 м/с2 (рис. 7). Содар с высоким разрешением фиксирует кратковременные быстроразвивающиеся структуры, что хорошо заметно на рис. 7б. На рис. 8 представлено поле скорости для часовой записи от 23 июля 2018 г. со слабым ветром (11.00–12.00) на Цимлянской научной станции (ЦНС) с 5-минутным осреднением. Хорошо фиксируется основной крупный временной масштаб – 6–8 минут.

Рис. 7.

Плотность спиральности стриков, м/с2. Содарные измерения, Цимлянск, а) 30 июля 2019 г., б) 26 июля 2017 г. Параметр осреднения – 5 мин.

Рис. 8.

Вертикальное поле скорости для часовой записи, выполненной минисодаром приземного слоя от 23 июля 2018 г. (Цимлянская научная станция (ЦНС), 11.00–12.00) с 5-минутным осреднением [51].

На рис. 9 (для 26.07.2017) хорошо фиксируется основной крупный временной масштаб 5–7 мин, наблюдаемый во всех 3 компонентах поля скорости и соответствующий масштабу 300–500 м, определяемому через среднюю скорость ветра, переносящего структуры по методике, описанной в [27]. На рис. 10 представлено поле скорости для 30 июля 2019 г. на ЦНС с 4 минутным осреднением. Масштаб структур крупнее, порядка 7–10 минут.

Рис. 9.

Компоненты скорости (U, V, W) от 26.07.2017 (ЦНС, 12.00–13.30) по данным минисодара. Горизонтальные компоненты с 4-минутным осреднением за вычетом 12-минутного среднего. Вертикальная компонента (нижний график) – 4-минутное осреднение [51].

Рис. 10.

Вертикальное поле скорости для часовой записи, выполненной минисодаром приземного слоя от 30 июля 2019 г. (Цимлянская научная станция (ЦНС) с 4-минутным осреднением.

Частотные спектры вертикальной компоненты скорости, измеренные (а) с помощью акустического анемометра Gill Wind Master Pro HS Part 1951-PK-020 и (б) с помощью содара высокого разрешения, хорошо коррелируют между собой в области совмещения частотных спектров (рис. 11). Для горизонтальных компонент скорости корреляция отсутствует в силу конструктивных особенностей содара, в котором антенны направлены под углом к горизонтальной плоскости. Результаты показывают, что в области малых частот спектр имеет наклон, близкий к –1, что также наблюдалось в [55]; при увеличении частоты спектр имеет наклон, близкий к –5/3. Наклон –1 связан с развитием стриков [30] в АПС.

Рис. 11.

Частотный спектр вертикальной компоненты скорости w. Цимлянск, 30 июля 2019 г.

Термическая конвекция

Термическая конвекция четко детектируется 27 июля 2018 г. (рис. 12а) и 31 июля 2019 г. (рис. 12б). Распределение плотности спиральности по высоте показано на рис. 13, видно, что диапазон изменения спиральности для термической конвекции в этих характерных случаях равен примерно 0.2–2.2 м/с2.

Рис. 12.

Распределение вертикальной скорости по высоте, м/с. Содарные измерения, Цимлянск, (а) 27 июля 2018 г., (б) 31 июля 2019 г. Параметр осреднения – 4 мин.

Рис. 13.

Распределение плотности спиральности по высоте, м/с2. Содарные измерения, Цимлянск, (а) 27 июля 2018 г., (б) 31 июля 2019 г. Параметр осреднения компонент скорости ветра – 4 мин.

Термики

Отдельные термики хорошо визуализируются для данных, полученных в Калмыкии 23 и 24 июля 2016 г. (рис. 14а, 14б). Распределение плотности спиральности по высоте показано на рис. 15: диапазон изменения спиральности для отдельных термиков равен примерно 0.4–1.4 м/с2.

Рис. 14.

Распределение вертикальной скорости по высоте, м/с. Содарные измерения, Калмыкия, (а) 23 июля 2016 г., (б) 24 июля 2016 г. Параметр осреднения – 4 мин.

Рис. 15.

Распределение плотности спиральности по высоте, м/с2. Содарные измерения, Калмыкия, (а) 23 июля 2016 г., (б) 24 июля 2016 г. Параметр осреднения компонент скорости ветра – 4 мин.

Полярные мезоциклоны

ПМЦ в основном формируются в Арктической области и способны за период своего существования проходить около 100 км, достигая побережья материка. Рассмотрим случаи ПМЦ, наблюдаемые над Норвежским и Баренцевым морями в период с 27 по 31 марта 2013 г. Оценка плотности спиральности ПМЦ по данным реанализа составляет примерно 0.04–0.14 м/с2; по результатам численного моделирования – 0.1–0.45 м/с2 (рис. 16).

Рис. 16.

Временной ход оцененных значений плотности спиральности по данным ECMWF и по результатам WRF на примере полярных мезоциклонов 27–31 марта, 2013. Уровень 975 гПа.

5. ТУРБУЛЕНТНОСТЬ

Измерение турбулентной спиральности, ротора (вихря) скорости и получение данных о спектрах ранее проводилось в ИФА РАН с использованием акустического фазового метода [56–58], предполагающего измерения циркуляции скорости по замкнутому контуру. Отметим также данные измерений турбулентности и вертикальных токов в АПС [59]. В [55] получены значения турбулентной спиральности, примерно равные 0.02–0.03 м/с2. В эксперименте 2012 г. для измерения ротора скорости, спиральности и потенциального вихря была использована установка, состоявшая из четырех акустических анемометров, размещенных в вершинах прямоугольного тетраэдра, горизонтальное основание которого представляло собой прямоугольный треугольник с равными катетами, а верхняя точка тетраэдра находилась точно над вершиной прямого угла. Методика расчета подробно описана в [60]. Источники и стоки турбулентной спиральности – суперспиральность, сила Кориолиса, термическая стратификация, – а также знак турбулентной спиральности и его зависимость от локальных метеорологических условий детально исследованы в [4].

Данные эксперимента 2012 г. в [60] сравнивались с измеренными содарами значениями. На рис. 17 приведены результаты измерения турбулентной спиральности с усреднением 15 мин, и данные акустического зондирования с усреднением 10 мин. Турбулентная спиральность измерялась в приземном слое – до высоты 10 м, спиральность поля скорости, вычисленная по данным акустического зондирования, усреднена в слое до 70 м. Видна хорошая корреляция в вечерние часы (коэффициент корреляции с 20:00 до 21:00 ч равен 0.784), при отсутствии конвекции. В утренние часы временной ход обеих измеренных спиральностей хорошо коррелирует между собой, но амплитудные значения не совпадают, вероятнее всего за счет развивающихся конвективных движений – термиков.

Рис. 17.

Турбулентная спиральность и спиральность по данным акустического зондирования, Цимлянск, 8 августа 2012. (а) – утро, (б) – вечер.

Значение турбулентной спиральности по данным измерений с учетом 15 минутного осреднения – примерно 0.01–0.1 м/с2.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящем исследовании получены зависимости плотности спиральности от вида циркуляционных структур АПС. Уточнены и дополнены данные, представленные в [6]. Показаны спектры крупномасштабной турбулентности в момент интенсивного развития когерентных структур небольшого масштаба – стриков. Все результаты исследования отображены на итоговом графике (рис. 18).

Рис. 18.

Оценки плотности спиральности для различных циркуляционных структур АПС.

По результатам численного моделирования для роллов средняя спиральность составляет приблизительно 0.02–0.08 м/с2, по результатам моделирования в квазидвумерной модели с перебором всех возможных чисел Рейнольдса – 0.01–0.16 м/с2; по результатам экспериментальных наблюдений – 0.02–0.06 м/с2. Плотность спиральности стриков по результатам экспериментальных исследований – 0.5–4 м/с2; полярных мезоциклонов по данным реанализа – 0.04–0.14 м/с2; по результатам численного моделирования – 0.1–0.45 м/с2; низкоуровневых струйных течений по результатам экспериментальных измерений – 0.2–0.8 м/с2; термической конвекции по данным экспериментальных измерений – 0.1–1.4 м/с2; турбулентной спиральности – 0.01–0.1 м/с2; вращающихся термиков, “пыльных вихрей” и тайфунов по различным сторонним оценкам – 0.01, 10 и 0.1 м/с2 соответственно.

Авторы выражают особую признательность Голицыну Г.С. за проявленный интерес к работе и конструктивные замечания, за постоянную поддержку настоящего исследования. Авторы глубоко благодарны В.Ф. Крамару, Р.Д. Кузнецову, В.С. Люлюкину, Д.А. Зайцевой, Д.Д. Кузнецову, Е.А. Шишову за совместное участие в полевых измерениях и предоставленные экспериментальные данные. Отдельно хочется поблагодарить В.А. Безверхнего и Л.О. Максименкова за постоянную помощь и консультации по вопросам обработки данных и моделирования.

Статью хотелось бы посвятить памяти Бориса Михайловича Копрова, чей неизменный интерес к исследованию атмосферного пограничного слоя, неиссякаемый оптимизм, точность и энтузиазм при проведении экспериментов внесли большой вклад в развитие работ по турбулентности и спиральности.

Исследования выполнены при поддержке РФФИ: проекты №№ 19-05-01008, 18-35-00600, 17-05-01116.

Список литературы

  1. Moffatt H.K., Tsinober A. Helicity in laminar and turbulent flow // Annu. Rev. Fluid Mech. 1992. T. 24. № 1. C. 281–312.

  2. Гледзер Е.Б., Чхетиани О.Г. Обратный каскад энергии в развитой турбулентности при нарушении симметрии спиральных мод. // Письма в ЖЭТФ. 2015. Т. 102. № 7. С. 521–529.

  3. Chkhetiani O.G., Gledzer E.B. Helical turbulence with small-scale energy and helicity sources and external intermediate scale noises as the origin of large scale generation // Phys. A. 2017. T. 486. C. 416–433.

  4. Chkhetiani O.G., Kurgansky M.V., Vazaeva N.V. Turbulent Helicity in the Atmospheric Boundary Layer // Boundary-Layer Meteorology. 2018. V. 168. P. 361–385.

  5. Chou S.H., Ferguson M.P. Heat fluxes and roll circulations over the western Gulf Stream during an intense cold-air outbreak. // Boundary-Layer Meteorology. 1991. V. 55 № 3. P. 255–281.

  6. Чижелски Р. Параметризация турбулентности в потоках со спиральностью // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1999. Т. 35. № 2. С. 174–188.

  7. Etling D. Some aspects of helicity in atmospheric flows // Beitraege zur Physik der Atmosphaere. 1985. T. 58. № 1. C. 88–100.

  8. Zhemin Tan, Rongsheng Wu. Helicity dynamics of atmospheric flow // Adv. Atmos. Sci. 1994. T. 11. № 2. C. 175–188.

  9. Etling D., Brown R.A. Roll vortices in the planetary boundary layer. A review. // Boundary-Layer Meteorology. 1993. V. 65. № 3. P. 215–248.

  10. Михайлова Л.А., Орданович А.Е. Моделирование двухмерных упорядоченных вихрей в пограничном слое атмосферы // Метеорология и гидрология. 1988. № 11. С. 29–42.

  11. Weckwerth T.M., Wilson J.W., Wakimoto R.M., Crook N.A. Horizontal convective rolls: Determining the environmental conditions supporting their existence and characteristics // Mon. Weather Rev. 1997. V. 125. № 4. P. 505–526.

  12. Young G.S., Kristovich D.A.R., Hjelmfelt M.R., Foster R.C. Supplement to rolls, streets, waves, and more // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2002. V. 83. № 7. P. 1001–1001.

  13. Foster R. Signature of large aspect ratio roll vortices in synthetic aperture radar images of tropical cyclones // Oceanography. 2013. V. 26. № 2. P. 58–67.

  14. Вазаева Н.В., Чхетиани О.Г., Максименков Л.О. Организованная валиковая циркуляция и перенос минеральных аэрозолей в атмосферном пограничном слое // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 2. С. 17–31.

  15. Chou S.H., Atlas D. Satellite estimates of ocean-air heat fluxes during cold air outbreaks // Mon. Weather Rev. 1982. V. 110. № 10. P. 1434–1450.

  16. Hein P.F., Brown R.A. Observations of longitudinal roll vortices during arctic cold air outbreaks over open water // Boundary-Layer Meteorology. 1988. V. 45. № 1–2. P. 177–199.

  17. Brümmer B. Roll and cell convection in wintertime arctic cold-air outbreaks // J. Atmos. Sci. 1999. V. 56. № 15. P. 2613–2636.

  18. Brown R.A. Longitudinal instabilities and secondary flows in the planetary boundary layer // Rev. Geophys. Space Phus. 1980. V. 18. № 3. P. 683–697.

  19. Stensrud D.J., Shirer H.N. Development of boundary layer rolls from dynamic instabilities // J. Atmos. Sci. 1988. V. 45. № 6. P. 1007–1019.

  20. Dubos T., Barthlott C., Drobinski P. Emergence and secondary instability of Ekman layer rolls // J. Atmos. Sci. 2008. V. 65. № 7. P. 2326–2342.

  21. Drobinski P., Carlotti P., Redelsperger J.-L., Banta R., Masson V., Newsom R. Numerical and experimental investigation of the neutral atmospheric surface layer // J. Atmos. Sci. 2007. V. 64. P. 137–156.

  22. Вазаева Н.В., Чхетиани О.Г., Шестакова Л.В., Максименков Л.О. Нелинейное развитие структур в экмановском слое // Вычисл. мех. сплош. сред. 2017. Т. 10. № 2. С. 197–211.

  23. Anderson P.S. Fine-scale structure observed in a stable atmospheric boundary layer by sodar and kite- borne tethersonde // Boundary-Layer Meteorology. 2003. V. 107. № 2. P. 323–351.

  24. Mason P., Thomson D. Large-eddy simulations of the neutral-static-stability planetary boundary layer. // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 1987. V. 113. № 476. P. 413–443.

  25. Lin C.-L., McWilliams J., Moeng C.-H., Sullivan P. Coherent structures and dynamics in a neutrally stratified planetary boundary layer flow // Phys. Fluids. 1996. V. 8. P. 2626–2639.

  26. Бызова Н.Л., Иванов В.Н., Мацкевич М.К. Измерение компонент завихренности в нижнем 300-метровом слое атмосферы // Изв. РАН Физика атмосферы и океана. 1996. Т. 32. № 3. С. 323–328.

  27. Шишов Е.А., Копров Б.М., Копров В.М. Статистические характеристики пространственно-временнóй изменчивости направления ветра в приземном слое // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53. № 1. С. 23–28.

  28. Hibino K., Ishikawa H., Ishioka K. Effect of a capping inversion on the stability of an Ekman boundary layer // J. Meteorol. Soc. Jpn. Ser. II. 2012. V. 90. № 2. P. 311–319.

  29. Foster R.C. Structure and energetics of optimal Ekman layer perturbations // J. Fluid Mech. 1997. V. 333. P. 97–123.

  30. Чхетиани О.Г., Вазаева Н.В. Об алгебраических возмущениях в атмосферном пограничном слое // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 5. С. 62–75.

  31. Skamarock W.C. et al. A description of the Advanced Research WRF Version 3. // NCAR Techn. Note–475 + + STR. June 2008. 125 p.

  32. Вельтищев Н.Ф., Жупанов В.Д. Численные прогнозы погоды по негидростатическим моделям общего пользования WRF-ARW и WRF-NMM. 80 лет Гидрометцентру России. М.: ТРИАДА ЛТД, 2010. С. 94–135.

  33. Coleman G.N., Ferziger J.H., Spalart P.R. A numerical study of the turbulent Ekman layer // J. Fluid Mech. 1990. V. 213. P. 313–348.

  34. Coleman G.N., Ferziger J.H., Spalart P.R. A numerical study of the convective boundary layer // Boundary-Layer Meteorology. 1994. V. 70. № 3. P. 247–272.

  35. Deusebio E., Lindborg E. Helicity in the Ekman boundary layer // J. Fluid Mech. 2014. V. 755. P. 654–671.

  36. Moeng C.H. et al. Examining two-way grid nesting for large eddy simulation of the PBL using the WRF model // Mon. Weather Rev. 2007. V. 135. № 6. P. 2295–2311.

  37. Ito J., Niino H., Nakanishi M. Large eddy simulation on dust suspension in a convective mixed layer // SOLA. 2010. V. 6. P. 133–136.

  38. Ching J. et al. Convectively induced secondary circulations in fine-grid mesoscale numerical weather prediction models // Mon. Weather Rev. 2014. V. 142. № 9. P. 3284–3302.

  39. Zhang Y., Hu R., Zheng X. Large-scale coherent structures of suspended dust concentration in the neutral atmospheric surface layer: A large-eddy simulation study // Phys. Fluids. 2018. V. 3. № 4. P. 046601.

  40. Salesky S.T., Chamecki M., Bou-Zeid E. On the nature of the transition between roll and cellular organization in the convective boundary layer // Boundary-layer meteorology. 2017. V. 163. № 1. P. 41–68.

  41. Каллистратова М.А., Кузнецов Р.Д., Петенко И.В. Реализация идей А.М. Обухова о наземном дистанционном зондировании нижней тропосферы акустическими и электромагнитными волнами // Г.С. Голицын, И.И. Мохов, С.Н. Куличков, М.В. Курганский, О.Г. Чхетиани (Ред.) “Турбулентность, динамика атмосферы и климата”. Труды международной конференции, посвященной памяти А.М. Обухова, Москва, 13–16 мая 2013 г. М: ГЕОС, 2014. С. 593–620.

  42. Crescenti G.H. A look back on two decades of Doppler sodar comparison studies // Bull. Amer. Meteorol. Soc. V. 78. № 4. 1997. C. 651–673.

  43. Coulter R.L., Kallistratova M.A. The role of acoustic sounding in a high technology era // Meteorol. Atmos. Phys. 1999. V. 71. № 1–2. P. 3–13.

  44. Emeis S. Surface-Based Remote Sensing of the Atmospheric Boundary Layer (Chapter 3) // Atmos. Oceanogr. Sci. Library. Springer, 2011. V. 40.

  45. Anderson P.S., Ladkin R.S., Renfrew I.A. Anautonomous Doppler sodar wind profiling system // J. Atmos. Oceanic Technol. 2005. V. 22. № 9. P. 1309–1325.

  46. Kallistratova M.A., Kouznetsov R.D., Kramar V.F., Kuznetsov D.D. Profiles of vertical wind speed variances withinnocturnal low-level jets observed with a sodar // J. Atmos. Oceanic Technol. 2013. V. 30. № 9. P. 1970–1977.

  47. Гранберг И.Г., Крамар В.Ф., Кузнецов Р.Д., Чхетиани О.Г., Каллистратова М.А., Куличков С.Н., Артамонова М.С., Кузнецов Д.Д., Перепелкин В.Г., Погарский Ф.А. Исследование пространственной структуры атмосферного пограничного слоя сетью доплеровских содаров // Изв. РАН. ФАО. 2009. Т. 45. № 5. С. 579–587.

  48. Кузнецов Р.Д. Акустический локатор ЛАТАН-3 для исследований атмосферного пограничного слоя // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 8. С. 749–753.

  49. Kouznetsov R.D. The multi-frequency sodar with high temporal resolution // Meteorologische Zeitschrift. 2009. V. 18. № 2. P. 169–173.

  50. Yagi A., Inagaki A., Kanda M., Fujiwara C., Fujiyoshi Y. Nature of streaky structures observed with a doppler lidar // Boundary-layer meteorology. 2017. V. 163. № 1. P. 19–40.

  51. Крамар В.Ф., Чхетиани О.Г., Вазаева Н.В., Каллистратова М.А., Кузнецов Р.Д., Куличков С.Н., Люлюкин В.С., Кузнецов Д.Д. Содар для исследований микроструктуры приземного слоя атмосферы. “Турбулентность, динамика атмосферы и климата”. Международная конференция, посвященная столетию со дня рождения акад. А.М. Обухова. Москва. 16–18 мая 2018 г. Сборник трудов. Москва: Физматкнига, 2018. С. 238–249.

  52. Doubrawa P., Muñoz-Esparza D. Simulating Real Atmospheric Boundary Layers at Gray-Zone Resolutions: How Do Currently Available Turbulence Parameterizations Perform? // Atmosphere. 2020. V. 11. № 4. P. 345.

  53. Курганский М.В. О связи между спиральностью и потенциальным вихрем в сжимаемой вращающейся жидкости // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1989. Т. 25. №.12. С. 1326–1329.

  54. Вазаева Н.В., Чхетиани О.Г., Кузнецов Р.Д., Каллистратова М.А., Крамар В.Ф., Люлюкин В.С., Кузнецов Д.Д. Оценка спиральности в атмосферном пограничном слое по данным акустического зондирования // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53. № 2. С. 174–186.

  55. Копров Б.М., Копров В.М., Пономарев В.М., Чхетиани О.Г. Измерение турбулентной спиральности и ее спектра в пограничном слое атмосферы // Докл. АН. 2005. Т. 403. № 5. С. 627–630.

  56. Бовшеверов В.М., Гурвич А.С., Кочетков А.Н., Ломадзе С.О. Измерение частотного спектра мелкомасштабной циркуляции скорости в турбулентном потоке // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7. № 4. С. 371–376.

  57. Koprov B.M., Azizyan G.V., Kalugin V.V. Spectra of velocity circulation in the surface layer of the atmosphere // Topics in Micrometeorology. A Festschrift for Arch Dyer. Dordrecht: Springer, 1988. C. 137–143.

  58. Новиков Е.А. Поток вихря // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1972. Т. 8. № 7. С. 759–762.

  59. Воронцов П.А. Турбулентность и вертикальные токи в пограничном слое атмосферы Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 295 с.

  60. Копров Б.М., Копров В.М., Курганский М.В., Чхетиани О.Г. Спиральность и потенциальный вихрь в приземной турбулентности // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51. № 6. С. 637–647.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Физика атмосферы и океана

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал