Исследование влияния локальных неоднородностей морской поверхности на турбулентный обмен в атмосфере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат физико-математических наук Смирнов, Александр Сергеевич

• Смирнов, Александр Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Смирнов, Александр Сергеевич

Введение

Глава 1 Методы исследования атмосферной турбулентности

1.1. Общие методы научного исследования

1.2. Обзор основных методов получения турбулентных потоков

1.2.1. Метод турбулентных пульсаций или прямой метод

1.2.2. Метод бюджета дисперсий или диссипативный метод

1.2.3. Профильный или градиентный метод

1.2.4. Аэродинамический метод

1.2.5. Параметр шероховатости

1.2.6. Коэффициенты обмена

1.3. Регистрация и обработка данных турбулентных измерений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния локальных неоднородностей морской поверхности на турбулентный обмен в атмосфере»

Режим турбулентного движения воздушного потока существенно зависит от его взаимодействия с подстилающей поверхностью. Турбулентные течения над неподвижными подстилающими поверхностями в настоящее время достаточно хорошо изучены. Более трудным для изучения оказывается взаимодействие атмосферы с морской поверхностью, поскольку само состояние морской поверхности зависит от движения воздушных масс над ней. Важным аспектом исследования характеристик ветра над водоемами является изучение свойств подстилающей водной поверхности, влияющих на аэродинамическую структуру воздушного потока, и в том числе изучение параметра шероховатости. Несмотря на многочисленные исследования в этой области, до сих пор нет четкого понимания характера зависимости сопротивления водной поверхности от средней скорости ветра, возраста волнения, динамического и температурного состояния морской поверхности [Китайгородский, 2002].

Еще сложнее обстоит дело при наличии поверхностных неоднородностей различных масштабов [Волков, Репина, 2002]. В работе [Цванг, 1987] указывается на необходимость «исследования влияния неоднородностей подстилающей поверхности на процессы взаимодействия с нею атмосферы». В работе [Гурталова и др., 1987] авторы отмечают, что «.особенностью взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью является мелкомасштабная горизонтальная неоднородность (пестрота) температуры поверхности. Такая пестрота может стимулировать возникновение мелких адвективных потоков даже над аэродинамически однородной поверхностью». Эти неоднородности сказываются на характеристиках не только приземного слоя атмосферы, но и в нижней части АПС (атмосферного пограничного слоя) [Алигусейнов и др., 1987]. В работе [Алигусейнов и др., 1995] показано, что существует эффект воздействия мелкомасштабных температурных неоднородностей поверхности на некоторые характеристики турбулентности приземного слоя атмосферы. Эти неоднородности могут быть возможной причиной разброса универсальных функций подобия, получаемых разными авторами, и приводят к ограничению универсальности используемых на практике, в частности в климатических моделях, универсальных функций подобия [Алигусейнов и др., 1996].

Данная работа является логическим продолжением экспериментальных исследований влияния локальных неоднородностей приземной поверхности на характеристики атмосферной турбулентности [Кухарец, Перепелкин, Цванг, 1999], [Кухарец, Цванг, 1999], и исследует влияние неоднородностей морской поверхности, как на открытой воде, так и надо льдом.

С другой стороны, изменение структурных характеристик атмосферной турбулентности несет информацию о структуре подстилающей поверхности и может служить индикатором ее изменчивости [Репина, 1998], [Волков, Репина, 1997]. Данные океанских экспериментов подтверждают связь структурных неоднородностей морской поверхности, обусловленных, в частности, выходом внутренних волн на поверхность, и атмосферных возмущений [Волков, Кушнир, 1982]. Также подтверждается существенная связь структурных и температурных характеристик поверхности [Бортковский, 1997] с процессами, происходящими в атмосфере.

Вопросы климатологии полярных областей привлекают к себе повышенное внимание в связи со специфичностью климатических процессов Арктики и Антарктики и необходимостью уяснить себе роль этих областей в механизме формирования климата и погоды. Крайняя разряженность сети полярных станций и сравнительно короткие ряды наблюдений затрудняют анализ и интерпретацию данных. Кроме того, методы обработки наблюдений, разработанные для умеренных широт, не всегда подходят для полярных районов. Следовательно, в виду важности учета высокоширотных процессов в климатических моделях, необходима разработка параметризаций специфических полярных процессов.

Своеобразие взаимодействия океана и атмосферы в полярных областях связано, прежде всего, с особенностями формирования процессов обмена между ними при наличии льдов на поверхности океана и вытекающими отсюда особенностями пограничных слоев в обеих средах. Механизм энергообмена между атмосферой и подстилающей поверхностью в Арктическом бассейне очень сложен, поскольку эта подстилающая поверхность обладает сложной структурой. Здесь присутствуют самые разнообразные типы поверхности: открытая вода в состоянии штиля, развитого волнения и шторма; сплошной ледяной покров (гладкий, заснеженный, покрытый торосами); таящий лед; лед с полыньями и разводьями; льды разного возраста и различной толщины; континентальный лед сложной орографии. С одной стороны, ледяной покров существенно препятствует теплообмену между атмосферой и океаном, а с другой - наличие и развитие ледяного покрова определяется интенсивностью процессов теплового и динамического взаимодействия между атмосферой и океаном. Интерес к исследованиям морского льда и связанных с ним процессов объясняется тем, что его пространственно-временная изменчивость играет важную роль в крупномасштабных атмосферных и океанских процессах [Макштас, 1984]. Ледяной покров определяет изменение альбедо, потоки тепла и влаги, а также динамическое взаимодействие между океаном и атмосферой. На формирование термического режима приводного слоя атмосферы существенное влияние оказывают и фазовые превращения на поверхности океана, связанные с замерзанием водной поверхности и таянием льдов. Особый интерес представляет изучение влияния на тепловой баланс полярных районов полыней и разводий (трещин, каналов).

Все вышеперечисленные факты определяют актуальность данной работы.

Целью диссертационной работы является изучение влияния на структуру атмосферной турбулентности в приводном слое различных неоднородностей (слики, пятна ряби и др.) на поверхности моря [Баханов и др., 2004], связанных с глубинными процессами (сдвиги течений, выход внутренних волн на поверхность), с наличием на поверхности моря пленок поверхностно-активных веществ (ПАВ) естественного и искусственного происхождения, с особенностями ветро-волнового взаимодействия (циркуляция Лангмюра), а также исследование взаимосвязи атмосферы с поверхностью моря, покрытого льдом сложной структуры -при наличии полыней, разводий, торосов и других поверхностных неоднородностей.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие конкретные задачи:

1. Произведен сравнительный анализ различных методов вычисления турбулентных потоков, а также параметра шероховатости поверхности и коэффициентов обмена, выявлены их достоинства и недостатки, и даны рекомендации по их использованию.

2. Разработана методика измерений и создан программно-аппаратный комплекс для регистрации и обработки данных турбулентных измерений в атмосфере, примененный автором во время экспериментальных работ как в океане, так и в прибрежных районах морей России.

3. Исследовано влияние различных особенностей морского эксперимента (качка судна, искажение воздушного потока при обтекании корпуса судна и др.) на репрезентативность получаемых данных. Даны рекомендации по устранению помех, возникающих во время турбулентных измерений с борта судна.

4. Произведены дистанционные и контактные измерения температуры покрытой льдом поверхности, обнаружена её существенная пространственная неоднородность, связанная со структурой льда и степенью заснеженности поверхности.

5. Экспериментально исследована зависимость турбулентного потока тепла от типа и толщины льда. По многочисленным экспериментальным данным установлен характер зависимости турбулентного потока тепла от толщины и сплоченности льда

6. На основе натурных наблюдений произведен расчет значений параметра шероховатости Zo и коэффициента аэродинамического сопротивления Со для различных типов ледовой поверхности, а также построена теоретическая модель движения воздушного потока над всторошенным полем, произведено сравнение модельных и экспериментальных данных.

7. Произведено экспериментальное изучение естественных и созданных искусственно сликовых пятен и участков поверхности с увеличенной интенсивностью ряби на открытой морской поверхности. Показано, что возникающие в зонах сликов и возмущений неоднородности параметра шероховатости приводят к изменениям в поле пульсаций температуры и скорости ветра в приводном слое атмосферы. Доказана возможность дистанционного обнаружения неоднородностей морской поверхности по изменениям характеристик атмосферной турбулентности приводного слоя атмосферы,

8. Получено экспериментальное подтверждение влияния рельефа дна на процессы в приводном слое атмосферы.

9. Экспериментально исследовано изменение параметра шероховатости морской поверхности при переходе от глубоководной к мелководной части моря.

Объектом исследования в настоящей работе являются компоненты метеорологических полей - температура воздуха и поверхности (водной или льда и снега), скорость ветра, а также влажность воздуха.

Работа основана на фактическом материале, полученном при непосредственном участии автора в различных экспедициях, проходивших в районах Арктики и Антарктики, непосредственно на льду и с борта различных научно-исследовательских судов, а также в прибрежных районах Черного моря, в самом Черном море при исследовании атмосферных характеристик с борта исследовательских судов, а также с платформы в Голубом заливе возле пос. Симеиз (Крым) в период с 1998 по 2007 год.

Личный вклад автора. Содержание диссертации является частью работ, выполняемых Лабораторий взаимодействия атмосферы и океана (ЛВАО) ИФА им. А.М. Обухова РАН по изучения процессов энергетического обмена между атмосферой и океаном. Автор принимал непосредственное участие во всех экспериментальных работах, результаты которых изложены в данной диссертации. В частности, в комплексных прибрежных экспериментах на базе южного отделения ИО РАН с 1999 по 2006 год, в экспедициях на исследовательском судне «Акванавт» по программе «Черное море», в специализированном эксперименте в Феодосийском заливе и на гидрологической платформе МГИ (пос. Кацивели). Автор принимал участие в двух антарктических экспедициях в морской экспедиции в составе 45 РАЭ (1999-2000 г.г.) на научно-экспедиционном судне «Академик Федоров» и в сезонных работах на ст. Новолазаревская в составе 52 РАЭ (20062007 г.г.), а также в арктических экспедициях на научно-исследовательском судне «Профессор Штокман» в августе-сентябре 2005 года в Баренцевом море, в экспедициях «Аркгика-98» и «Арктика-2000» на НЭС «Академик Федоров» и в российско-американских экспериментах по программе NABOS в море Лаптевых в 2004-2006 годах.

Автором самостоятельно разработана структурная схема комплекса для сбора и обработки данных атмосферной турбулентности, разработаны методики регистрации и обработки данных и программное обеспечение.

Автором проведена вся первичная и статистическая обработка данных использованных в данной работе, произведен анализ и интерпретация экспериментальных данных.

Научная новизна:

1. По данным уникальных измерений в Арктике и Антарктике установлено влияние структуры ледяного покрова на локальный энергообмен атмосферы и океана в полярных районах. Из анализа данных многочисленных полярных экспериментов впервые получена зависимость турбулентного потока тепла от толщины и сплоченности морского льда.

2. Данные моделирования трансформации воздушного потока при пересечении гряды торосов впервые сопоставлены с данными специализированного эксперимента, когда поток импульса изменялся на различных расстояниях от гряды с наветренной и подветренной стороны. Получено хорошее согласие модельных и экспериментальных данных.

3. Впервые собран и проанализирован обширный экспериментальный материал о взаимодействии морской поверхности неоднородной шероховатости и приводного слоя атмосферы. Установлено влияние сликов и пятен интенсивной ряби на турбулентную структуру приводного слоя атмосферы, и, таким образом, доказана возможность дистанционного обнаружения локальных неоднородностей на морской поверхности по измерениям в приводном слое атмосферы.

4. Впервые установлено влияние глубоководных процессов, связанных с изменением рельефа дна (сдвиги течений, выход внутренних волн на поверхность) на турбулентные процессы в приводном слое атмосферы. Отмечена интенсификация обменных процессов в районах резких перепадов глубин.

Научная новизна и практическая ценность. Диссертация выполнялась в соответствии с научными планами ИФА РАН и темой «Разработка методов параметризации потоков тепла в океане» (государственная регистрация №01.200.210462). Автор принимал участие в выполнении работ в рамках проектов: ФЦП "Мировой океан» (проекты № 6.18 и 5.14), грант РФФИ № 98-05-64790; грант РФФИ № 02-05-64385, грант РФФИ № 05-05-64235; грант ИНТ АС №03-51-4789, проект NSF "NABOS". Подготовленный автором стенд награжден дипломом и медалью специализированной выставки «Автоматизация 2005».

Полученные на основе обширного экспериментального материала результаты позволяют расширить современное представление о процессах энерго- и массообмена между океаном (морем) и атмосферой, а также улучшить существующие схемы расчета турбулентных потоков в приводном слое атмосферы с учетом особенностей конкретных регионов и рекомендуются для использования в региональных моделях климата.

Разработанный комплекс программ и методики обработки экспериментальных данных будут использованы для анализа структуры приводного слоя атмосферы в будущих исследованиях.

1. Полученные по данным полярных экспериментов характерные значения измеренных потоков тепла и влаги для разных типов льда могут быть использованы при различных модельных расчетах, в том числе и для долгосрочных прогнозов. Кроме того, в этих расчетах необходимо учитывать температурную неоднородность заснеженной поверхности льда, а также влияние полыней и разводий. Данный результат также важен для построения алгоритмов анализа спутниковых изображений морского льда.

2. Огромное практическое значение имеет доказанная экспериментально в данной работе возможность дистанционного обнаружения (с помощью измерения параметров приводного слоя атмосферы) неоднородностей на морской поверхности, источником которых может быть как антропогенное воздействие (в частности, загрязнение), так и проявление глубинных процессов.

3. Большую научную ценность представляет полученное экспериментально подтверждение предположения ряда авторов о существенной зависимости параметра Чарнока а, который используется для расчета параметра шероховатости морской поверхности, от глубины водоема. И эту зависимость необходимо учитывать на практике при расчетах энерго- и массо-обмена атмосферы с водоемами различной глубины.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Структурные и температурные неоднородности покрытой льдом поверхности вносят существенный вклад в турбулентный энергообмен льда и атмосферы. При уменьшении толщины льда турбулентный поток тепла меняет знак и может увеличиваться на порядок. При наличии трещин и разводий поток возрастает в десятки раз. Наблюдается логарифмическая зависимость потока тепла от сплоченности льда. Величины коэффициентов обмена в балк-формулах зависят от толщины льда, его структуры, сплоченности, степени заснеженности.

2. Трансформация ветрового потока при пересечении гряды торосов приводит к образованию внутреннего пограничного слоя. При этом значение коэффициента сопротивления меняется в несколько раз в зависимости от расстояния от гряды. Коэффициент сопротивления и параметр шероховатости льда чрезвычайно изменчивы во времени и в пространстве, и в большой степени зависят от метеоусловий и распределения зон торошения и подвижек льда.

3. Приводный слой атмосферы четко реагирует на все изменения состояния поверхности. Причем, вклад в эти изменения оказывают не только крупномасштабные процессы, но и мезомасштабные структурные и температурные аномалии. Локальные пространственные неоднородности морской поверхности (слики, пятна ряби) в штилевую погоду и при общем волнении 1-2 балла вызывают мезомасштабные образования, общий вклад которых в дисперсию пульсаций температуры и скорости ветра (в зависимости от размера неоднородности, степени изменения морской поверхности, метеоусловий) может составлять 50%. Деформация воздушного потока связана с изменчивостью параметра шероховатости морской поверхности и температуры поверхностной пленки в области слика.

4. Существует связь между процессами в толще воды (связанными с рельефом дна и гидродинамическими процессами), структурой морской поверхности и процессами в приводном слое атмосферы. Наблюдается интенсификация энергообмена и увеличение интенсивности атмосферной турбулентности в районе перепада глубины. Это может быть связано как с изменением поля течения, так и с мезомасштабными неоднородностями температуры поверхности моря. В ряде случаев за свалом глубин образуются мезомасштабные структуры в полях атмосферной турбулентности.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались: на семинарах Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Института космических исследований РАН, Института прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород), Арктического и Антарктического научно-исследовательского института Росгидромета, Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, а также на международных и российских конференциях (ассамблеи EGU, конференция «50 лет российских исследований в Антарктиде, международный симпозиум LOIRA, конференция «Математика, компьютер, образование», симпозиум «Ряды Фурье и их применения» и др.).

Публикации по теме работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 18 печатных работах, которые приводятся в списке цитируемой литературы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В ней содержится 158 страниц, включая 78 рисунков и 12 таблиц. Библиография включает 137 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Смирнов, Александр Сергеевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе рассмотрен широкий спектр вопросов, посвященных взаимодействию атмосферы с подстилающей поверхностью. Особое внимание уделяется тому, как турбулентные процессы в атмосфере реагируют на разного рода неоднородности морской поверхности. Первая глава посвящена описанию различных методов вычисления турбулентных потоков, аппаратуре и методике сбора, регистрации и обработки данных, а также некоторым особенностям проведения пульсационных измерений на борту судна. Во второй главе рассматриваются механизмы турбулентного энергообмена в полярных областях над различными типами льдов, особое внимание уделяется атмосферным процессам над участками открытой воды (полыньи, разводья). В третьей главе рассматривается, как атмосфера реагирует на неоднородности на открытой воде - слики, вызванные как естественными причинами, так и созданные искусственно. В четвертой главе рассматриваются атмосферные процессы в местах перепадов глубин.

В заключении сформулируем основные выводы работы:

Из рассмотрения различных методов вычисления турбулентных потоков можно сделать вывод, что метод турбулентных корреляций (прямой) наиболее точный из всех известных и, при наличии чувствительной высокочастотной аппаратуры, наиболее легок в применении. Его основной недостаток: требование к точной пространственной ориентировке датчиков, что делает очень затруднительными измерения с судов, буев и прочих подвижных оснований. Метод бюджета дисперсий (диссипативный) свободен от этих ограничений, но плохо работает при малых значениях потоков и на больших высотах над поверхностью. И при этом он требует достаточно громоздких вычислений. Профильный или градиентный метод более прост в исполнении, но требует очень высокой точности измерений профилей метеоэлементов, что не всегда достижимо в реальных природных условиях. Аэродинамический метод основан на использовании стандартных судовых метеорологических измерений, и бывает вполне достаточен для описания общих тенденций энергообмена и для описания осредненных по пространству или времени турбулентных потоков, но для условий локального энергообмена он пока дает значительные ошибки из-за неопределенности характера зависимости коэффициентов обмена в балк-формулах от скорости ветра, стратификации и характеристик морского волнения. Таким образом, общих рекомендаций по использованию того или иного метода дать нельзя. Все определяется конкретными условиями проведения эксперимента и наличием необходимой измерительной аппаратуры.

Результаты, полученные нами на основе измерений, проведенных в полярных областях, имеют особую ценность в связи с тем, что из-за суровости климата Арктики и Антарктики в настоящее время данных о погодных условиях и атмосферных процессах в этих регионах собрано крайне мало.

1. На основе обработки обширного экспериментального материала, собранного при участии автора в полярных районах, показано, что поток турбулентного тепла в значительной мере зависит от толщины льда, к примеру, над молодым, тонким блинчатым льдом толщиной 30 см он на 1-2 порядка превышает поток тепла над многолетним паковым льдом. При сплоченности льда в 7 баллов, поток меняет знак и становится отрицательным. Над сплошным многолетним толстым 2-3 метровым льдом поток тепла может достигать минус 20 Вт/м2, и происходит значительное выхолаживание атмосферы. Такой лед служит надежный теплоизоляцией и не пропускает тепло от сравнительно теплой воды (около 0 градусов) в холодную атмосферу (температура которой может опускаться до минус 50 град.).

2. Экспериментально получены значения коэффициентов вторых моментов турбулентных пульсаций для слоя постоянных потоков над ледовой поверхностью о^М^ДЯ2, = al = (yf = A2wul, a2T=(rf = 4T.\ ?T = A<ruJ.

Аи АУ Ацг Ат АиТ

2.5 1.7 1.24 2.5 3.4

3. Измерения поверхностной температуры контактным методом и с помощью ИК-тепловизора показали значительную неоднородность температуры поверхности, которая может достигать нескольких градусов. Это необходимо учитывать при вычислении потоков с помощью балк-формул.

4. Коэффициент аэродинамического сопротивления Со и параметр шероховатости ледовой поверхности zo чрезвычайно изменчивы во времени и в пространстве, и в большой степени зависят, во-первых, от формы, геометрических размеров и расположения на ней различных неровностей (заструги, торосы, ерезы), и, во-вторых, от состояния снежного покрова, от наличия поземки и снегопадов, от стратификации приземного воздуха, и в большой степени зависят от метеоусловий. Экспериментально получены значения для Со, которые находятся в интервале от 0,64 до 2,4-10'3, а - для zo - в интервале от 0,4 до 20-10"2. Экспериментально получена зависимость коэффициента сопротивления от среднеквадратичной высоты неровностей

5. Построена теоретическая модель движения воздушного потока над всторошен-ным полем и получено расчетное значение Со над торосами со средним диаметром основания 2-3 м, плотностью расположения - один торос на 50м2, и высотой 2м составило 3,1-10'3. Модельное значение параметра шероховатости zo при переходе от ровной поверхности к всторошенной изменяется на два порядка. В целом за фоновую шероховатость ровных заснеженных ледяных полей можно принять zo=2,2-10'2 см, и коэффициент сопротивления при этих условиях и скоростях ветра ниже 7 м/с принимается CD =1.4-10"3. Произведено сравнение модельных и экспериментальных данных, показавших хорошее согласие.

6. Показана зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления СЬ и параметра шероховатости zo от скорости ветра - при слабых и умеренных ветрах Со над ледяной заснеженной поверхностью не зависит от скорости ветра. Но при увеличении скорости ветра до 5-7 м/с на поверхности образуется поземка, которая вызывает увеличение Cd. Усиление ветра и возникновение снежных вихрей приводит к увеличению параметра шероховатости на порядок.

7. Экспериментально получены значения коэффициентов тепло и влагообмена, входящим в расчет потоков по аэродинамическим балк-формулам, над многолетним и молодым льдом. Приводится их сравнение с модельными значениями.

8. При обтекании полыньи воздушным потоком образуется внутренний пограничный слой, характеризуемый функцией его высоты h от расстояния от края х, дается обзор известных параметризаций этой зависимости. Экспериментально получено значение коэффициента сопротивления в полынье Со=1,49-10'3, что меньше, чем надо льдом, покрытым торосами, но больше, чем в открытом океане.

9. В отличии от льдов, открытая морская поверхность, является непрерывно трансформирующейся границей раздела двух сред, и представляет особый интерес, поскольку на ней, с одной стороны, проявляется многообразие процессов, происходящих в толще воды, а с другой - отражаются эффекты воздействия солнечного излучения и динамические процессы в приводном слое атмосферы. Среди многообразия процессов на поверхности воды обращают на себя внимание сликовые пятна, формирующиеся в результате взаимодействия глубинных гидродинамических возмущений с взволнованной поверхностью и поэтому играющие роль индикатора определенных гидродинамических возмущений в толще вод. Размеры и интенсивность сликов определяются многими факторами: антропогенным загрязнением, продуктивностью морских микроорганизмов, температурой воды, осадками, солнечной радиацией.

10. В области сликов возникают вариации излучательной способности морской поверхности и коэффициента отражения поверхности, которые удалось зафиксировать с помощью ИК-тепловизора по радиационной температуре поверхности в ИК-диапазоне. С помощью акустического анемометра и пульсационного микротермометра зафиксированы возмущения в поле пульсаций температуры и скорости воздуха, вызываемые неоднородностями поля шероховатости поверхности.

11. Экспериментально показано, что интегральный параметр шероховатости каждого участка морской поверхности определяется интенсивностью сликовых структур на нем.

12. Эксперимент с искусственными сликами, созданными с помощью олеиновой кислоты, подтверждает возможность регистрации сликов с помощью дистанционных методов по изменению атмосферных параметров, поскольку температурный скачок на поверхности слика по ИК-термограмме составлял 0,4+0,6 °С, а акустический анемометр, установленный на высоте 4 м от поверхности моря, обнаружил реакцию в пульсациях компонент скорости ветра и температуры, которая особенно заметна в произведении

13. Эксперимент с искусственными возмущениями на морской поверхности, созданными с помощью выводимого на разных глубинах сжатого воздуха из баллона показал, что следы выхода сжатого воздуха, хорошо заметные визуально, также хорошо регистрируются с помощью ИК-термограмм по изменению поверхностной температуры, и дают заметный отклик в пульсациях температуры и вертикальной компоненте скорости ветра (на высоте 5 и 8 метров), а также в динамической скорости.

14. Кильватерный след судна или даже моторной лодки создает на поверхности моря возмущения, которые хорошо фиксируются на высоте 5 и 8 метров в сигналах акустического анемометра. При возрасте следа порядка нескольких часов наблюдаются волновые структуры.

15. Измерения, проведенные в районах свалов глубин в Черном море и в районах континентального шельфа в море Лаптевых и в Баренцовом море, полностью подтвердили факт интенсификации энергообмена и увеличение интенсивности атмосферной турбулентности в данных районах. В ряде случаев за свалом глубин наблюдается образование мезомасштабных структур в полях атмосферной турбулентности. Вейвлетобработка сигналов показала наличие возмущений в полях атмосферной турбулентности перед перепадом глубин во всех случаях пересечения. Ту же картину дает и анализ интегральных характеристик атмосферной турбулентности. Данные результаты еще раз подтверждают, что приводный слой атмосферы четко реагирует на процессы в толще воды (в данном случае сдвиговые течения и топографические волны).

16. Показано, что значения параметра шероховатости для прибрежной зоны на порядок-два больше, чем в открытом море, в глубоководных районах. Это связано, в первую очередь, с различием в характере волнения - в условиях глубокой воды волны более пологие и длинные и оказывают значительно меньшее сопротивление воздушному потоку. Таким образом, экспериментально подтверждено предположение ряда авторов о существенной зависимости параметра Чарнока от глубины водоема. Показано, что параметр шероховатости растет не только с увеличением скорости ветра, но и с уменьшением глубины.

17. Также получено заметное различие в значениях коэффициентов А теории подобия, коэффициентов обмена Cd и Сн для мелководных и глубоководных районов, что говорит о необходимости учета глубины водоема при параметрических расчетах характеристик атмосферной турбулентности.

Диссертация выполнялась в соответствии с научными планами ИФА РАН и темой «Разработка методов параметризации потоков тепла в океане» (государственная регистрация № 01.200.210462). Автор принимал участие в выполнении работ в рамках проектов: ФЦП "Мировой океан» (проекты №6.18 и 5.14), грант РФФИ №98-05-64790; грант РФФИ № 02-05-64385, грант РФФИ №05-05-64235; грант ИНТАС № 03-51-4789, проект NSF "NABOS". Подготовленный автором стенд награжден дипломом и медалью специализированной выставки «Автоматизация 2005».

Полученные на основе обширного экспериментального материала результаты позволяют расширить современное представление о процессах энерго- и массообмена между океаном (морем) и атмосферой, а также улучшить существующие схемы расчета турбулентных потоков в приводном слое атмосферы с учетом особенностей конкретных регионов и рекомендуются для использования в региональных моделях климата.

Разработанный комплекс программ и методики обработки экспериментальных данных будут использованы для анализа структуры приводного слоя атмосферы в будущих исследованиях.

В заключение автор выражает глубокую признательность научному руководителю И.А.Репиной за постоянное внимание к его работе и чуткое научное руководство. Автор признателен заведующему лабораторией взаимодействия атмосферы и океана (ЛВАО) Ю.А. Волкову и всем ее сотрудникам за поддержку и помощь в ходе работы над диссертацией. Также нельзя не выразить благодарности официальным оппонентам -Б.М. Копрову и В Н. Носову, за их ценные замечания и труд по чтению данной работы. Автор также выражает признательность всем оппонентам, приславшим отзывы на автореферерат диссертации, за сделанные ими ценные замечания. Особо хочется поблагодарить |С.С. Кашкарова[ совместная работа с которым в экспедициях послужила мне хорошей школой. Также хочется поблагодарить М.А. Каллистратову, без поддержки которой данная работа могла бы еще долго не увидеть свет. Особо нужно выразить признательность С.Н. Куличкову за обсуждения работы и ряд полезных замечаний, сделанных в ходе ее выполнения. Автор выражает благодарность моей семье и всем моим близким за их терпимость и поддержку в течение всего периода работы над диссертацией.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Смирнов, Александр Сергеевич, 2007 год

1. Алигусейнов А.К., Кухарец В.П., Перепелкин В.Г., Цванг JI.P. О связи радиационной температуры поверхности с характеристиками турбулентности приземного слоя атмосферы // в кн. "Метеорологические исследования" 1987, №28, с.42-48

2. Алигусейнов А.К., Кухарец В.П., Перепелкин В.Г., Цванг ЯР. Об одном механизме воздействия поверхности земли на атмосферную турбулентность // Доклады АН СССР, т.345, №5, 1995, стр. 681-673

3. Алигусейнов А.К., Кухарец В.П., Перепелкин В.Г., Цванг ЯР. Мелкомасштабные пространственные температурные неоднородности поверхности и турбулентность в приземном слое атмосферы // Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 1996, т.32, №6, с.783-789

4. Баханов В В., Горячкин ЮН, Корчагин Н.Н., Репина И.А. Локальные проявления глубинных процессов на поверхности моря и в приводном слое атмосферы // в сб. "Проявление глубинных процессов на морской поверхности, ИПФ РАН", Нижний Новгород 2004, с. 40-53

5. Бовшеверов В.М., Воронов Б.П. Акустический флюгер // Изв. АН СССР, сер. геофиз, 1960, №6, с.883-885

6. Бовшеверов В.М., Гурвич А.С., Цванг Л.Р. Прямые измерения турбулентного потока тепла в приземном слое атмосферы. // ДАН СССР, 1959, т. 125, №6, с. 1242-1245

7. Боев А.Г., Ясницкая Н.Н. Гашение морского волнения пленкой поверхностно-активного вещества конечной толщины. // Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2003. т. 39. №1. С. 132-141

8. Бортковский Р.С. О влиянии температуры воды на состояние поверхности океана и на процессы переноса//Изв. РАН. Физика атмосферы и океана.1997. Т.ЗЗ. №2. С.266-273

9. Буш К. Потоки в приземном слое над морем. // В сб. Моделирование и прогноз верхних слоев океана (под ред. Крауса). Л.: Гидромеггеоиздат, 1979, с. 91-113.

10. Быкова Л.П., Дубов А.С. Влияние лесных полос на распределение концентрации пыли при пыльных бурях. // Метеорология и Гидрология. 1974. № 7. С. 34-41

11. Быкова Л.П., Преображенский Л.Ю. Аэродинамические характеристики подстилающей поверхности арктических районов. // Тр. ГГО. 1972. Вып.399. С.52-65.

12. Волков Ю.А., Копров Б.М. К методике измерения турбулентных потоков тепла, влажности и количества движения с борта судна. // в сб. "ТРОПЭКС-72", Л.:Гидрометеоиздат", 1974, С.313-318

13. Волков Ю.А., Кухарец В.П., Цванг Л.Р. Турбулентность в пограничном слое атмосферы над степной и морской поверхностями. // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1968, т.4, №10, с. 1026-1044

14. Волков Ю.А., Кушнир В.М. Экспериментальные данные о взаимосвязи атмосферных возмущений и внутренних волн в океане // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. Т.18. №6. С.659-666

15. Волков Ю.А, Ломадзе С.О., Нестерова Т.Н., Смирнов А.С. Экспедиционный геофизический вычислительный комплекс. // Труды 35-го рейса НИС "Академик Курчатов", 1982

16. Волков Ю.А, Репина И.А. Когерентные структуры в атмосферном слое над морем. // Математика, компьютер, образование, т. 4,1997, с. 85-92.

17. Волков Ю.А., Смирнов А.С., Репина И.А. Взаимодействие океана и атмосферы в северной полярной области. // Сборник трудов "Арктика-98" ИО РАН, 2000

18. Волков Ю.А., Смирнов А.С., Репина И.А. Энергетический обмен в северной полярной области по данным эксперимента "Арктика-98". // в сб. "Опыт системных исследований в Арктике" под ред. Лисицына А.П., Романкевича Е. А., Фролова И.Е., 2002, с 285-290.

19. Волков Ю.А., Кузьмин А.В., Медведев А.М., Репина И.А., Трохимовский Ю.Г. Радиометрические исследования температурного режима поверхности воды в лабораторных условиях // Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 2004, №1, с.

20. Волны в пограничных областях океана. // под ред. В.В. Ефимова, Гидрометеоиздат, 1985 г. 280 с

21. Гайданский С.И., Гершензон В.Е., Громов В.К. Регистрация поверхностных проявлений внутренних волн в океане методами СВЧ радиометрии, // Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1988, т.24, N 9, с. 1000-1005

22. Горшков К.А., Долина И.С., Соустова И.А., Троицкая Ю.И. Модуляция инкремента коротких ветровых волн в присутствии интенсивных внутренних волн, // в сб. "Проявление глубинных процессов на морской поверхности, ИПФ РАН", Нижний Новгород 2004, с. 40-53

23. Гурталова Т., Зелены Я., Пшондка 3., Фокен Т., Цванг JI.P. Комплексные исследования приземного слоя атмосферы // в кн. Метеорологические исследования. Взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью. М., 1987, №28, с.13-19

24. Дулов В.А., Кудрявцев В.Н. Влияние внутренних волн на интенсивность обрушений ветровых волн. Теоретический анализ. // Морской гидрофизический журнал, 1988, №2, с. 9-15.

25. Дюбкин И.А., Романов Е.В. Натурный эксперимент по выявлению искажающего влияния архитектуры судна на поле температуры воздуха и скорости ветра // в кн. "Метеорологические исследования" 1980, №25, с. 40-51

26. Елагина Л.Г. Оптический прибор для измерения турбулентных пульсаций влажности // Изв. АН СССР, сер. геофиз, 1962, №8, с. 1100-1107

27. Ефимов В.В., Куликов Е.А., Рабинович А.Б., Файн И.В. Волны в пограничных областях океана, // Л.:Гидрометеоиздат, 1985,280 с.

28. Зубковский C.JL, Кузнецов О.А., Панин Г.Н. Некоторые результаты измерений пульсаций температуры, влажности и скорости ветра в приводном слое. // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1974, т. 10, №6, с.655-660

29. Зубковский С.Л., Кухарец В.П., Цванг Л.Р. Вертикальные профили характеристик турбулентности в приземном и пограничном слоях атмосферы при неустойчивой стратификации. //Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1979, т. 15, №1, с.44-52

30. Кашкаров С.С., Нестерова Т.Н., Смирнов А.С. Флуктуации интенсивности сферической волны при рассеянии "назад" на "точечном" рассеивателе, находящемся за случайно-неоднородным слоем. // Тезисы докладов Часть 3, Томск, 198135.