Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Одной из важных задач динамической метеорологии является изучение и возможность прогнозирования порывов ветра в приземном слое атмосферы. Актуальность решения данной проблемы определяется в том числе ее практической значимостью в различных областях хозяйственной деятельности. Исследованию порывов ветра посвящено большое число публикаций как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Например, в работе [1] рассмотрено несколько вариантов прогноза порывов ветра и обсуждается их оправдываемость. Там же имеется и краткий обзор литературы по данной проблеме. Одним из возможных предикторов при прогнозировании порывов ветра в работе [1] используется величина кинетической энергии турбулентности в комбинации со средней скоростью ветра. Поэтому изучение вариаций этой комбинации при различных условиях представляет безусловный интерес.

Цель исследования. Как отмечалось выше, одним из возможных предикторов порывов ветра в приземном слое атмосферы может служить величина [1]

, (1)

где – средняя скорость горизонтального ветра (м/с), – «мгновенная» скорость горизонтального ветра, u и v – «мгновенные» (случайные) значения продольной и поперечной составляющих горизонтального ветра соответственно (м/с), – кинетическая энергия турбулентности (м2/с2), – дисперсии турбулентных составляющих соответственно продольного, поперечного и вертикального ветра (м2/с2). Средняя скорость ветра , а также дисперсии компонентов вектора ветра вычисляются по одному и тому же интервалу времени Δt. При общем анализе порывов целесообразно рассматривать нормированную величину

, (2)

которую можно назвать коэффициентом порывистости [2]. Именно коэффициент порывистости являлся основной целью наших исследований. Была поставлена задача оценить величины и исследовать зависимость этого коэффициента от места и высоты измерений в приземном слое атмосферы, от сезона года и времени суток.

Материалы и методы исследования

Исследование коэффициента порывистости основывалось на экспериментальных данных, полученных с помощью ультразвуковых анемометров-термометров (ультразвуковых метеостанций – далее УЗМ) «Метео-2» [3]. Для анализа использовались измерения, полученные за период с января по июль 2018 г. (включительно) на территории обсерватории Института оптики атмосферы (ИОА) СО РАН «Базовый экспериментальный комплекс – БЭК») в пригороде Томска. Эта территория (естественный ландшафт) характеризуется большой открытой площадью с травяным покрытием, окруженной лесопосадками (на удалении порядка 100 м) не очень большой высоты (до 10 м). Одновременно работали две УЗМ, размещенные на одной мачте на высотах 5 и 10 м. Далее полученные в данном пункте на указанных высотах результаты будут обозначаться как «БЭК-5» и «БЭК-10». Кроме того, для анализа были использованы результаты работы УЗМ «Метео-2», размещенной на крыше лабораторного корпуса ИОА СО РАН на высоте 12 м от подстилающей поверхности (5 м от уровня крыши). Данный пункт наблюдений («Томск») расположен на окраине г. Томска, и его можно характеризовать как урбанизированную территорию (территория Академгородка). Измерения «мгновенных» значений метеорологических характеристик в приземном слое производились круглосуточно 10–11 раз в секунду в зависимости от конкретного экземпляра УЗМ.

Прежде чем приступить к анализу полученных результатов, следует обратить внимание на некоторые методические аспекты, касающиеся обработки экспериментальных данных. Вычисление продольного и поперечного компонентов горизонтального ветра, включая средние значения и пульсационные составляющие, проводилось с использованием скользящих средних с «временным окном» δτ, как это изложено в работе [4]. Важность корректного выделения турбулентных составляющих для достоверной оценки характеристик турбулентности в приземном слое атмосферы и оправданность применяемой для этого методики мы уже отмечали в работе [4] при исследовании внешних масштабов турбулентности. Представленные далее материалы получены при δτ = 5 мин и Δt = 10 мин. Величина Δt = 10 мин является достаточно типичным интервалом обработки (см., например, [1]). Задание «скользящего окна» размером δτ = 5 мин обусловлено стремлением сохранить в обрабатываемых выборках относительно медленные вариации компонентов вектора ветра, предшествующие порывам ветра. Хотя это может несколько завысить значения дисперсий этих компонентов по сравнению со случаем применения более узкого «окна» δτ. Необходимо также отметить, что формула (1) справедлива, как это указано в [1], для случая нормального закона распределения скорости ветра. Однако проведенный нами анализ показал, что этому закону в целом удовлетворяют только поперечная (v) и вертикальная (w) составляющие вектора ветра. В то же время модуль скорости (Vh) и продольная составляющая (u) в основном стремятся к логарифмически-нормальному закону распределения. Тем не менее в дальнейшем для анализа нами все же используется формула (1), точнее, полученная на ее основе формула (2).

Результаты исследования и их обсуждение

Поскольку динамические процессы в приземном слое атмосферы характеризуются большим разнообразием, то их изучение вполне естественно проводить с использованием статистического анализа. В представленном далее материале основные результаты будут изложены в виде графиков с соответствующими комментариями и выводами. Прежде всего, приведем примеры разверток во времени коэффициентов порывистости в пунктах «БЭК-5» и «Томск» для всего периода проводившихся наблюдений (рис. 1, а, б). В дальнейшем коэффициенты порывистости будут обозначаться: k5 для случая «БЭК-5», k10 – для случая «БЭК-10», kT – для случая «Томск». Аналогичные индексы применяются и для других оценок.

Для случая «БЭК-10» коэффициент порывистости k10 имеет практически идентичный развертке k5 вид. Отличия имеются только для небольших значений этих коэффициентов. Это хорошо заметно при сравнении гистограмм распределения k5 и k10, рассчитанных для всего периода измерений с шагом 0,1 и приведенных на рис. 1, в (обозначены соответственно p5, p10). В свою очередь коэффициент порывистости kT для пункта «Томск» заметно отличается от коэффициентов k5 и k10 как по величине, так и по форме гистограммы pT (близкой к нормальному закону распределения). В качестве дополнительной информации на рис. 1, г, приведены графики интегрального распределения коэффициентов k5, k10 и kT (обозначены соответственно F5, F10 и FT).

Приведенные на рис. 1 графики дают общее представление о коэффициентах порывистости в разные сезоны года, в разных по типу подстилающей поверхности пунктах наблюдения, на разных высотах. Более детальную информацию можно получить с помощью табл. 1, где представлены среднемесячные значения коэффициентов k5, k10 и kT, а также их медианы и среднеквадратические отклонения (СКО).

а) б)

в) г)

Рис. 1. Коэффициенты порывистости за период с января по июль 2018 г. в пунктах наблюдения «БЭК–5» (а) и «Томск» (б), а также нормированные гистограммы распределения (в) и интегральные функции распределения (г) для всех пунктов наблюдения

Таблица 1

Среднемесячные значения коэффициентов порывистости

Согласно приведенной табл. 1 и графикам на рис. 1 можно констатировать очевидный факт, что во все сезоны года значения коэффициента порывистости в пункте «Томск» (урбанизированная территория) заметно превышают коэффициент порывистости в пункте с естественным ландшафтом. В свою очередь, сезонный ход средних значений коэффициентов порывистости просматривается только для территории с естественным ландшафтом и только для высоты 5 м. Хотя этот ход и не очень значим. Слабое различие коэффициентов k5 и k10 объясняется, по-видимому, слишком малым разносом по высоте измерительных устройств. Однако функции распределения (как интегральные, так и «дифференциальные») это различие все же фиксируют. В целом средние значения коэффициента k10 несколько меньше коэффициента k5, что соответствует результатам, приведенным в [2]. Считаем полезным кратко рассмотреть суточный ход коэффициентов порывистости. На рис. 2 показаны результаты вычисления среднего суточного хода (ССХ) коэффициентов k5 и kT для двух зимних (январь и февраль) и двух летних (июнь и июль) месяцев 2018 г. Для января «полуотрезками» показаны значения СКО.

Согласно рис. 2 в зимние месяцы ССХ коэффициентов порывистости выражен слабо (или вообще отсутствует). Однако летом днем значения коэффициентов k5 и kT заметно выше, чем ночью. Отметим без дополнительных иллюстраций, что в зимние месяцы СКО при оценках ССХ коэффициентов порывистости в пункте «Томск» несколько превышают СКО в пункте «БЭК». В летние месяцы они примерно совпадают. Этот вывод подтверждает визуальное сравнение «флуктуаций» графиков на рис. 1, а, б.

Понятно, что величины коэффициентов порывистости во многом зависят от типа текущей стратификации, которая может «регулировать» пульсационные составляющие вектора ветра в приземном слое атмосферы. Анализ влияния стратификации на порывистость ветра в конкретных пунктах наблюдения составляет отдельный класс задач и в данной работе не проводится. Однако считаем полезным с помощью рис. 3 проиллюстрировать связь коэффициента порывистости (на примере результатов «БЭК-5») с вертикальным турбулентным потоком тепла Qw (Вт/м2), который может характеризовать текущий тип стратификации. Рисунок построен по совокупности всех измерений за период январь – июль 2018 г. Отрицательные значения Qw в целом характерны для устойчиво стратифицированного приземного слоя. Можно сделать вывод (достаточно очевидный), что повышенные значения коэффициентов порывистости имеют место в основном при неустойчивой и близкой к нейтральной стратификации приземного слоя атмосферы.

Отметим, что приведенные выше оценки коэффициентов порывистости в целом согласуются с результатами, опубликованными, например, в работах [2, 5, 6]. При этом следует учесть, что коэффициенты порывистости рассчитывались нами по «мгновенным» данным, т.е. по результатам измерений с частотой порядка 10 Гц, а в цитируемых работах применялось предварительное «внутреннее» усреднение «мгновенных» данных. Отметим также, что формы гистограмм коэффициента порывистости, опубликованные, например, в [6, 7] для разных пунктов наблюдений, в целом согласуются с формами гистограмм на рис. 1, в (с учетом замечания по поводу «внутреннего» усреднения).

Рис. 2. Средний суточный ход коэффициентов порывистости для некоторых месяцев 2018 г. (указаны на графике) в пунктах наблюдения «БЭК–5» и «Томск»

Рис. 3. Зависимость коэффициента порывистости от вертикального турбулентного потока тепла в пункте наблюдения «БЭК-5» за период наблюдения с января по июль 2018 г.

Рис. 4. Скорость горизонтального ветра в пункте наблюдения «Томск» с 01:00 до 01:30 местного времени 8.05.2018

Изложенный выше материал касался анализа коэффициента порывистости вне зависимости от величины среднего ветра на интервале обработки. Однако коэффициент порывистости может иметь большое значение при относительно слабом ветре. Для примера на рис. 4 приведен 30-минутный эпизод с разверткой «мгновенных» значений Vh(t) в пункте наблюдения «Томск».

В это время имели место большие значения коэффициента порывистости kT при относительно небольшой скорости в порывах ветра. В табл. 2 приведены значения kT для трех 10-минутных интервалов, а также средние и максимальные значения скорости ветра на этих интервалах.

Таблица 2

Пункт наблюдения «Томск» 8.05.2018

Естественно, что наиболее важными являются порывы ветра, способные нанести существенный ущерб при воздействии на природные или искусственные объекты. В этой связи считаем необходимым отметить, что могут реализовываться ситуации с не очень большими значениями коэффициентов порывистости, но с большими порывами ветра. Для примера на рис. 5 приведены эпизоды с 30-минутными развертками «мгновенных» значений Vh(t) в пункте наблюдения «БЭК-5» 12.01.2018. В этих эпизодах имели место большие порывы ветра при относительно небольших значениях k5. Подобные результаты были опубликованы, например, в [8].

В табл. 3 приведены значения k5 для соответствующих 10-минутных интервалов времени, отображенных на рис. 5, а также средние и максимальные значения скорости ветра на этих интервалах. В рассматриваемых эпизодах значения k5 можно отнести, согласно рис. 1, г, к случаю «несколько выше среднего уровня».

Два эпизода, приведенные на рис. 5, выбраны для иллюстрации еще одной особенности структуры порывов ветра. В первом случае (рис. 5, а) частота следования порывов достаточно высокая («быстрые» порывы), а во втором (рис. 5, б) между областями с большими скоростями ветра имеется некоторое «замирание» («медленные» порывы). При этом коэффициенты порывистости в этих эпизодах различаются не очень значительно. Не приводя дополнительных иллюстраций, отметим также, что k5 и k10 были примерно одинаковы, средняя скорость ветра на высоте 10 м была больше, чем на высоте 5 м, в то же время значения максимальных порывов в первом эпизоде на высоте 10 м меньше, а во втором – больше по сравнению с высотой 5 м (за исключением последнего интервала времени). Это отражено в табл. 3.

а) б)

Рис. 5. Примеры эпизодов с порывами ветра в пункте наблюдения «БЭК-5» 12.01.2018