Распределение метеовеличин и коэффициента преломления воздуха в нижнем слое атмосферы летом

Далее приведен анализ полученных графиков.

4.1 Вертикальный профиль средней температуры июля

В умеренном поясе на суше в северном полушарии самым теплым месяцем является июль (именно этот месяц и был рассмотрен в данной работе).

Как уже известно, температура воздуха с высотой в среднем изменяется по линейному закону:

,(23)

где Th – абсолютная температура на верхней границе слоя,

T0 – абсолютная температура у основания слоя толщиной h,

gt – вертикальный градиент температуры.

Если принять в соответствии с международной стандартной атмосферой температуру воздуха у земной поверхности (на «нулевой высоте») равной 15°C (288°K), а градиент температуры до высоты 11км равным 6,5°C на километр подъема, то получится «стандартная» зависимость температуры от высоты (в километрах):

.(24)

С годовыми и суточными изменениями приземного значения температуры связаны характер кривой высотного распределения температуры и градиенты пограничного слоя тропосферы. Так, например, летом высотные зависимости температуры от дня к ночи изменяют свой характер, а градиенты изменяют знак с положительного (уменьшение t с высотой) на отрицательный (рост t с высотой – инверсия). В этом смысле стандартное линейное падение температуры с высотой не отражает процессов, происходящих в пограничном слое тропосферы.

В летний период на высотах до 100 м существует (в среднем сезонном профиле) инверсия температуры, являющаяся следствием ночных приземных инверсий. Выше 100 м наблюдается убывание t с высотой [6].

В рассмотренном мною случае, в среднемесячном вертикальном профиле температуры также имеется слой инверсии и слой падения t (см. рисунок 1).

Из графика видно, что инверсия наблюдается до высоты 80 м. В слое от 0 до 24 м слабо выраженная инверсия (градиент равен – 0,004°C/м). Выше 24 м идет резкое увеличение температуры с высотой и продолжается до 40 м (градиент в этом слое составляет – 0,069°C/м). В слое от 40 до 80 м наблюдается уменьшение интенсивности инверсии (градиент слоя равен – 0,005°C/м) – в этом слое инверсия практически такая же как и в слое от 0 до 40 м (различие составляет 0,001°C). На 80 м наблюдается максимальное среднемесячное значение t = 23,3°C. Начиная с 80 м идет уменьшение температуры с высотой (можно сказать, что на уровне 80 м происходит изгиб кривой в сторону уменьшения температуры – это критическая точка). В слое от 80 до 112 м идет слабое падение t (градиент составляет 0,003°C/м). А вот начиная со 112 м и до 180 м наблюдается резкое падение температуры (здесь градиент равен 0,025°C/м). На 180 м наблюдается минимальное среднемесячное значение t = 21,5°C.

Рисунок 1 – Вертикальный профиль средней температуры июля

4.2 Вертикальные профили средней относительной влажности и средней упругости водяного пара июля

Как мы знаем, основной вклад в изменения коэффициента преломления вносят изменения значений влажности. В тропосфере северного полушария независимо от сезона года влажность воздуха уменьшается с высотой, достигая минимумы вблизи тропопаузы. В стандартной атмосфере влажность воздуха убывает с высотой по эмпирическому соотношению (14).

Среднегодовые и сезонные профили распределения влажности не отражают «мгновенных», существующих в данный момент времени профилей. «Мгновенные» профили обладают значительно более сложной конфигурацией с различного рода изгибами и изломами и характеризуются большой изменчивостью во времени [6].

Вертикальный профиль средней относительной влажности июля не имеет больших изломов, а ведет себя довольно сглажено (см. рисунок 2). Падение f с высотой совсем небольшое. В слоях от 0 до 40 м и от 112 до 180 м более выраженное уменьшение влажности. А вот в слое от 40 до 112 м ее падение практически не наблюдается. Вообще разница f между нулевым уровнем и высотой 180 м составляет всего 15%.

Рисунок 2 – Вертикальный профиль средней относительной влажности июля

Вертикальный профиль средней упругости водяного пара июля практически повторяет ход вертикального профиля f (см. рисунок 3). В слоях от 0 до 24 м и от 112 до 180 м наблюдается более выраженное падение, а в слое от 24 до 112 м изменений в упругости водяного пара практически не наблюдается (отличие состоит в том, что относительная влажность практически не меняется с 40 м, а упругость водяного пара с 24 м). Разница е между нулевым уровнем и высотой 180 м составляет всего 4,4 гПа. Из графиков видно, что, действительно, среднемесячные профили распределения влажности не отражают «мгновенных», существующих в данный момент времени профилей.

Рисунок 3 – Вертикальный профиль средней упругости водяного пара июля

4.3 Вертикальный профиль среднего показателя преломления воздуха в июле

Вследствие большой изменчивости показатель преломления удобно характеризовать средними (усредненными за определенный период времени) величинами. Конкретные профили коэффициента преломления, полученные во время одного зондирования, существенно отличаются от усредненных высотных распределений N и от стандартной радиоатмосферы. Эти отличия обусловлены нерегулярным характером высотного распределения температуры и влажности, которое изменяется во времени и зависит от погоды и климата [6].

Представление о закономерностях среднего изменения с высотой коэффициента преломления атмосферы можно получить из анализа выражения (9). Из этого выражения следует, что увеличение Р и е вызывает рост N, в то время как увеличение Т приводит к уменьшению N. Если взять частные производные соотношения (9) последовательно по Р, е и Т, то получится выражение для оценки величины вклада, вносимого каждым метеорологическим параметром в изменение N. Для средних летних условий это выражение примет вид:

,(25)

где ∆T, ∆P, ∆e – приращения средних значений температуры, давления, упругости водяного пара соответственно.

Из выражения (25) видно, что изменения величины N в одной точке в основном зависят от изменения температуры и влажности, причем влияние влажности заметно превосходит влияние температуры, т.к. величины ∆e и ∆T при выбранной системе единиц примерно одного порядка; влияние давления в этом случае настолько мало, что им можно даже пренебречь [7].

По средним значениям N на высотах 0, 24, 40, 112, 180 м был построен график вертикального профиля показателя преломления воздуха в июле (см. рисунок 4). Из графика видно, что показатель преломления убывает с высотой. Это происходит потому, что (если опять же анализировать выражение (9) ) Р и е с высотой уменьшаются, а Т увеличивается до определенного уровня, а потом уменьшается. В слое от 0 до 24 м идет достаточно выраженное падение N (градиент здесь равен – 0,183 N – ед/м). В слое от 24 до 40 м немного уменьшается интенсивность падения N, но не сильно (градиент составляет – 0,100 N–ед/м). А вот от 40 до 112 м наблюдается самое маленькое (незначительное) уменьшение N с высотой (градиент слоя составляет всего – 0,053 N – ед/м). Начиная со 112 и до 180 м наблюдается самое сильное падение N с высотой (градиент здесь самый большой и равен – 0,204 N – ед/м). Разница между нулевым уровнем и высотой 180 м составляет 23,7 N – ед/м (такая небольшая разница скорее всего обусловлена сглаженным среднемесячным ходом влажности – изменения ее тоже очень маленькие по вертикали).

Данный, среднемесячный профиль N близок к стандартной линейной зависимости. И поэтому можно аппроксимировать этот профиль линейной зависимостью (на графике аппроксимация показана черной линией).

Уравнение этой линии выглядит следующим образом:

,(26)

где у – значение N,

х – значение высоты.

Величина достоверности аппроксимации составляет: R2 = 0,9356.

Рисунок 4 – Вертикальный профиль среднего показателя преломления воздуха в июле

Видно, что эта характеристика составляет приблизительно 94%. Это говорит о том, что аппроксимация вполне достоверна.

4.4 Повторяемость различных видов рефракции в июле

В ряде приложений широко применяются данные не о самом коэффициенте преломления, а о величине его вертикального градиента. Для стандартной атмосферы с нормальной (стандартной) рефракцией вертикальный градиент равен:  N – ед/м. Однако в приземном слое градиенты, близкие к стандартному, наблюдаются сравнительно редко вследствие большой изменчивости профиля N на этих высотах. К стандартной величине градиента близки лишь средние значения градиента в достаточно толстом слое воздуха – в слое 0 – 1000 м и более, причем время усреднения тоже должно быть достаточно большим – усреднение за месяц, за сезон и т.п.

Как и приземные значения показателя преломления, градиенты подвержены сезонным изменениям, причем сезонный ход среднемесячных значений градиента связан с сезонным ходом самого коэффициента преломления. С увеличением высоты слоя воздуха сезонные колебания градиентов уменьшаются, и на высотах более 600 м ими можно пренебречь [6].

Детальное рассмотрение многочисленных N – профилей, полученных в разную погоду в разное время суток, показало в основном большинстве случаев наличие критических и сверхкритических градиентов величины N в самом нижнем 25 – метровом слое атмосферы. Для слоя 25 – 121 м – характерна повышенная рефракция. Слой выше 120 м выглядит самым стабильным, он приближается к стандартной атмосфере.

Как следует из выражения (9), появление больших градиентов N должно иметь место в тех слоях атмосферы, где наиболее резко выражена инверсия температуры и происходит падение с высотой абсолютной влажности воздуха. Летом именно в слое до 100 м наиболее резко выражены ночные инверсии температуры, а днем наблюдается значительное падение влажности с высотой. Оба эти фактора и обусловливают сверхкритическую и повышенную рефракции в нижнем 120 метровом слое атмосферы [7].

По полученным значениям N на разных высотах (во все дни июля) определялись вертикальные градиенты dN/dH для слоев 0 – 24, 24 – 40,

40 – 112, 112 – 180 м. Градиенты были разбиты на 4 интервала:

1. Отрицательный ();

2. Пониженный ();

3. Повышенный ();

4. Сверхкритический ().

В соответствии с этой разбивкой для каждого вида рефракции были посчитаны их повторяемости. (см. таблицы 2, 3).

Таблица 2 – Повторяемость различных видов рефракции в июле

Таблица 3 – Повторяемость различных видов рефракции в каждом слое

Отрицательная рефракция наблюдалась в общем случае за месяц всего в 18% из 100%. Она была отмечена во всех слоях. От 0 – 24, 24 – 40, 40 – 112 м чаще всего (повторяемость рефракции в этих слоях практически одинаковая, но наблюдалась она в разные дни), и лишь 1 раз в слое 112 – 180 м (9 июля).

Положительная пониженная рефракция наблюдалась меньшее количество раз за месяц и составила всего 9%. Была отмечена она в основном в слое

40 – 112 м, а вот в слое 0 – 24 м наблюдали ее всего 2 раза (16 и 24 июля).

За месяц чаще всего наблюдали положительную повышенную рефракцию и сверхрефракцию, которые составили соответственно 19% и 54%. Повышенная рефракция чаще отмечалась в слоях 24 – 40, 40 – 112,

112 – 180 м; меньше всего в слое 0 – 24 м (всего 3 раза). Полученные результаты соответствуют выводам, сделанным в работе [7] о том, что для слоя 25 – 121 м характерна повышенная рефракция. Сверхрефракция составила самый большой процент повторяемости за месяц (наблюдалась она во всех слоях). Наиболее часто она встречалась в слоях 0 – 24 и 112 – 180 м (повторяемость ее в этих слоях практически одинаковая). Меньше всего раз сверхрефракция была отмечена в слоях 24 – 40 и 40 – 112 м. Это так же соответствует выводам в работе [7] о том, что сверхрефракция в большинстве случаев наблюдается в нижнем 25 – метровом слое.

Из полученных результатов можно сделать вывод о том, что наибольшую повторяемость в июле повышенной и сверхкритической рефракций в нижнем 180 – метровом слое атмосферы обусловливают 2 фактора:

Резко выраженная инверсия температуры воздуха;

Падение с высотой влажности воздуха.

Заключение

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:

В летний период в умеренном климатическом поясе на высотах до

80 м существует (в среднем месячном профиле) инверсия

температуры, являющаяся следствием ночных приземных инверсий.

Выше 80 м наблюдается убывание температуры с высотой;

Сглаженный ход (падение) среднемесячных вертикальных профилей относительной влажности и упругости водяного пара обусловлен тем, что эти профили распределения влажности не отражают «мгновенных», существующих в данный момент времени профилей, которые обладают значительно более сложной конфигурацией с различного рода изгибами и изломами и характеризуются большой изменчивостью во времени;

Изменения величины N в основном зависят от изменения температуры и влажности, причем влияние влажности заметно превосходит влияние температуры, влияние давления мало;

Показатель преломления убывает с высотой из – за того, что давление и упругость водяного пара с высотой уменьшаются, температура увеличивается до определенного уровня, а потом уменьшается;

Среднемесячный профиль N близок к стандартной линейной зависимости;

Наибольшую повторяемость летом повышенной (19%) и сверхкритической (54%) рефракций в нижнем 180 – метровом слое атмосферы обусловливают 2 фактора:

резко выраженная инверсия температуры воздуха;

падение с высотой влажности воздуха;

Летом в умеренном климатическом поясе образуются весьма благоприятные метеоусловия для появления сверхрефракции, которая в свою очередь повышает (из – за волноводов) дальность радиосвязи на СВЧ и дальность радиолокационного наблюдения объектов.

И в заключении можно сказать о том, что исследование вертикального профиля показателя преломления радиоволн (и его градиентов), особенно в нижнем слое атмосферы до высоты 300 – 500 м над поверхностью земли, имеет большое значение для обеспечения надежной работы радиорелейных линий, станций слежения за спутниками и некоторых других современных радиосистем. Однако данных о пространственно – временном распределении показателя преломления радиоволн в нижнем слое атмосферы явно недостаточно – эта проблема остается очень актуальной в наше время.

Список использованной литературы

1.                 Бин Б.Р., Даттон Е.Дж. Радиометеорология: Пер. с англ. /Под ред. А.А. Семенова. – Л.: ГМИ, 1971. – 363с.

2.                 Павлов Н.Ф. Аэрология, радиометеорология и техника безопасности. – Л.: ГМИ, 1980. – 432с.

3.                 Материалы высотных метеорологических наблюдений – Часть 2, вып. 4. – М.: ЦВГМО, 1978. – 195с.

4.                 Климатический атлас СССР/ Гл.ред. Т.П. Сидоренкова. – М.: ПКО “Картография”, 1972. – 610с.

5.                 Атлас по географии России: (с компл. контур. карт) / Сост. и под. к изд. ПКО “Картография” в 1996г.; Отв. ред. В.И. Щербакова. – Испр. в 1998г. – М-бы разн. – М.: Роскартография, 2000. – 1атл.(56с.)

6.                 Казаков Л.Я., Ломакин А.Н. Неоднородности коэффициента преломления воздуха в тропосфере. – М.: Наука, 1976. – 168с.

7.                 Вяльцева Э.Е. Изменчивость коэффициента преломления атмосферы для УКВ в пограничном слое // Метеорология и гидрология. – 1972. - №2. – С. 8 – 14.

Приложение

Таблица 1 – Среднесуточные значения радиометеорологических величин на разных высотах

Страницы: 1, 2, 3, 4