Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
Предложена модель развития субмезомасштабных структур, которые являются следствием развития оптимальных возмущений в атмосферном пограничном слое (АПС) и связаны как со сдвигом ветра, так и с его агеострофической компонентой. Модель позволяет решить задачу об оценке масштабов, которые оказываются порядка 100-200 м по вертикали и 300-600 м по горизонтали, и ориентации стриков. Подобные масштабы характерны и для экспериментальных данных о структуре поля ветра в нижней части АПС, полученных при акустическом зондировании АПС доплеровским трехкомпонентным минисодаром высокого разрешения (ВРМС) в летний период 2017-2019 гг. на Цимлянской научной станции (ЦНС). Измерения проводились с разрешающей способностью по высоте 1 м на высотах 2-45 м с временным интервалом 1 с. Технические возможности ВРМС позволяют детально проследить развитие наблюдаемых субмезомасштабных структур (стриков), экспериментальная регистрация которых ранее не представлялась возможной. Для рассматриваемого периода измерений фиксируются кратковременные быстроразвивающиеся структуры с характерными временами 5-10 минут и масштабами 300-500 м. Эти значения оказываются близкими к полученным модельным оценкам.
Пространственное распределение продольной компоненты скорости по осям y,z, отражающее масштабы стриков, для момента времени, соответствующего максимальному значению безразмерной энергии. Отрицательные значения показаны пунктирной линией. Серые контурные линии – продольная компонента скорости установившейся мезомасштабной циркуляции при Re=150.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ (проект № 20-17-00214).
1.Чхетиани О.Г., Вазаева Н.В. Об алгебраических возмущениях в атмосферном пограничном слое // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. T. 55. № 5. С. 62-75. DOI: https://doi.org/10.31857/S0002-351555562-75
2.Вазаева Н.В. Чхетиани О.Г., Курганский М.В., & Каллистратова М.А. Спиральность и турбулентность в атмосферном пограничном слое //Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57. №. 1. С. 34-52. DOI: 10.31857/S0002351521010120
Наталья Викторовна Вазаева
1) Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН; 2) Институт полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера
Исследование турбулентной структуры атмосферного пограничного слоя проведено на основе самолетных наблюдений, полученных во время измерительной кампании ACLOUD (Arctic CLoud Observations Using airborne measurements during polar Day) в июне 2017 года над морским льдом к северу от Шпицбергена. Измерения осуществлялись самолетами-лабораториями Polar 5 и Polar 6 Института им. Альфреда Вегенера (Бремерхафен, Германия) (Рис.1). Для расчета турбулентных статистик и их вертикальных профилей внутри пограничного слоя использовались регистрируемые с частотой 100 Гц измерения трех компонент скорости ветра и температуры воздуха. Для анализа выбрано несколько контрастных случаев, отличающихся скоростью ветра, величиной длинноволнового радиационного выхолаживания на верхней границе облачности и высотой пограничного слоя. Показано, что при слабом и умеренном ветре длинноволновое выхолаживание на верхней границе облачности (и соответствующий положительный поток плавучести) является основным механизмом генерации турбулентности в пограничном слое. В этих случаях сильные нисходящие движения («перевернутая» конвекция) наблюдались в облачном слое и подоблачном слоях, что выражалось в отрицательных значениях коэффициента асимметрии вертикальной скорости. Турбулентный поток тепла, турбулентная кинетическая энергия (ТКЭ) и дисперсия вертикальной скорости имели ярко выраженный максимум внутри облачного слоя (Рис. 1). Иная турбулентная структура пограничного слоя наблюдалась в случае, когда длинноволновое выхолаживание на верхней границе облачности нижнего яруса было слабым вследствие наличия облачности среднего яруса. В этом случае, ТКЭ достигала меньших значений, а генерация турбулентности происходила за счет сдвига ветра и положительного потока плавучести на поверхности льда. В случае с сильным ветром сдвиговая генерация турбулентности была сопоставима по величине с генерацией за счет длинноволнового выхолаживания на верхней границе облачности. Максимум ТКЭ в этом случае был расположен не в облачном слое, а вблизи поверхности морского льда. Во всех рассмотренных случаях на верхней границе пограничного слоя наблюдался сильный скачок средней температуры воздуха до 5-7 К, а также существенный сдвиг ветра. Сравнение данных наблюдений с решениями диагностической модели перемешанного пограничного слоя при наличии облачности косвенно указывает на наличие турбулентного вовлечения на верхней границы облачности, что имеет важное значение для бюджетов тепла и влаги облачного слоя.
Работа выполнена за счет гранта РНФ № 18-77-10072.
Дмитрий Геннадьевич Чечин
