big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Возможности количественного учета тепловой трансформации воздуха

Задача определения температурного поля нижних слоев атмосферы путем теоретических расчетов впервые была правильно поставлена И. А. Кибелем в 1945 г., рассмотревшим не только радиационный, но и турбулентный приток тепла. Новое в решении этой задачи внесла Е. Н. Блинова, которая учла горизонтальный турбулентный обмен, обусловленный контрастами температуры экватор — полюс. Эти исследования в последующем получили развитие. Так, например, в 1950 г. в соответствии с распределением материков и океанов, учтя величину альбедо вдоль широтных зон, для случая зональной циркуляции С. А. Машкович получил формулу, позволяющую найти поле ветра по рассчитанному полю температуры. Результаты расчетов оказались близкими к действительному распределению температуры и ветра. В частности, для зимы был получен максимум скорости ветра 30 м/сек. на 40° с. ш. и на высоте 10—12 км.

В теории зонального распределения температуры, предложенной Л. Р. Ракиповой, рассмотрен более широкий комплекс факторов, влияющих на формирование поля температуры атмосферы. Среди них радиационные потоки тепла с учетом широтного распределения солнечной радиации и альбедо (обусловленное отражательной способностью облаков, подстилающей поверхности и атмосферы), селективность поглощения, диффузность распространения длинноволновой радиации, турбулентные потоки тепла (вертикальный и горизонтальный), теплота конденсации и испарения и др. В результате был произведен анализ адвективной и турбулентной макропередачи тепла и рассчитано зональное распределение температуры.

В 1946—1947 гг. автор в работе на основании приближенного учета неадвективных изменений температуры движущихся масс воздуха в западно-восточном направлении показал действие материков и океанов на формирование поля температуры и давления на высотах в различные сезоны года. Для определения величины трансформации воздуха были использованы карты абсолютной и относительной топографии.

Индивидуальное изменение температуры  можно выразить с помощью уравнения притока тепла

где ср — теплоемкость воздуха при постоянном давлении; р — плотность воздуха; А — термический эквивалент работы;  — индивидуальное изменение давления; έ1, έ 2, έ3 — соответственно выражают приток тепла к единице объема путем турбулентного обмена и теплопроводности от излучения, конденсации и испарения.

Выражая  через локальное изменение температуры, получим

В этом выражении член  содержащий производные температуры по горизонтальным осям и х и у, характеризует адвективные изменения температуры. Все остальные члены, зависящие от притока тепла вследствие турбулентной теплопроводности, излучения, конденсации и испарения, изменения давления и вертикальных перемещений, характеризуют неадвективные изменения температуры.

Таким образом, локальное изменение температуры можно представить в виде

где

В выражении для неадвективного изменения температуры собственно тепловую трансформацию описывает первый член, где изменения температуры происходят за счет неадиабатических процессов, а второй и третий члены — за счет адиабатических процессов при изменении давления движущихся воздушных частиц и при вертикальных движениях.

Вторым членом вследствие его малости вообще можно пренебречь, что касается третьего члена, то при рассмотрении процессов формирования поля температуры в сезонном аспекте его также можно не учитывать. Последнее допущение возможно при предположении, что в течение сезона, особенно во внетропической зоне, адиабатические изменения температуры за счет вертикальных движений взаимно компенсируются.

Этого, очевидно, нельзя допустить в отношении влияния конденсации и испарения, так как в районах больших сумм осадков испарение невелико. Однако, как будет указано далее, в формировании структуры высотного температурного поля, данный фактор не является определяющим, хотя, возможно, и вносит заметные искажения.

Таким образом, для приближенного количественного определения тепловой трансформации можно ограничиться учетом только одного основного члена έ1 характеризующего приток и расход тепла путем турбулентного теплообмена и теплопроводности.

Эта величина может быть выражена уравнением

где k — коэффициент турбулентной теплопроводности, определение которого сопряжено с известными трудностями.

Так как турбулентный теплообмен наиболее интенсивен я приземном слое воздуха, где разности температур между воздушной массой и подстилающей поверхностью могут иметь наибольшие значения, то и трансформационные изменения температуры, очевидно, будут наибольшими в этом слое при перемещении холодной воздушной массы на теплую подстилающую поверхность или наоборот. При этом величина трансформационных изменений температуры будет тем больше, чем больше разность температур.

Для определения трансформационного изменения температуры в течение различных сезонов на территории северного полушария была использована простая зависимость, описывающая качественную сторону этого процесса:

где Та — температура воздуха, Tw —температура подстилающей поверхности и с — постоянная, которая может быть подобрана эмпирически.

Формула, соответствуя закону теплообмена, указывает, что приток тепла к единице объема воздуха тем больше, чем больше разность температур между воздухом и подстилающей поверхностью.

Зимой вследствие значительно более низких температур над континентами в умеренных широтах в сравнении с океанами воздушные массы, поступающие с континента на океан, приобретая большие вертикальные градиенты температуры в нижнем слое, становятся неустойчивыми. Поэтому зимой приток тепла путем турбулентной теплопроводности от подстилающей поверхности в западных частях океана будет большой. Летом воздушные массы, поступающие на океан, являясь большей частью прогретыми в нижнем слое, оказываются теплее поверхности океана, поэтому, охлаждаясь, становятся устойчивыми. Однако по абсолютной величине эта разность температур значительно меньше, чем зимой. Соответственно этому величина притока тепла or турбулентной теплопроводности (έ1) летом над океанами будет меньше, чем зимой.

 

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.