Структурні параметри аномального розподілу швидкості вітру
Вимоги до безпеки господарської, авіакосмічної та інших сфер антропогенної діяльності в нижньому двокілометровому шарі атмосфери, необхідність моніторингу рівня забруднення повітря і забезпечення захисту населення у випадках техногенних і природних катастроф, зв’язок струминної течії нижніх рівнів (СТНР) з небезпечними та стихійними гідрометеорологічними явищами роблять проблему детального вивчення режиму температурно-вітрових аномалій першочерговою. Дослідження температурно-вітрових аномалій (струминоподібних посилень вітру та інверсійного розподілу температури повітря) являє собою вивчення розподілу швидкості і напрямку вітру та температури по вертикалі в межах граничного шару атмосфери. Таким чином, розглядається вертикальний профіль метеовеличин, в формуванні якого беруть участь тип циркуляції синоптичного масштабу, термічна стратифікація, ступінь бароклінності нижньої частини атмосфери, впорядковані і конвективні вертикальні рухи, адвекція на нижніх рівнях, ступінь турбулізації граничного шару атмосфери (ГША) і особливості фізико-географічного положення пункту (рельєф, водні об’єкти, великі міста). Різний вклад перерахованих факторів обумовлює різноманіття профілів вітру. Необхідно враховувати, що ГША розподіляється на два горизонтальні шари. Нижній шар – приземний підшар (шар Прандтля) поширюється від поверхні землі до висоти 50...100 м (в деяких випадках до 200...250 м). Основна властивість граничного підшару – постійність з висотою турбулентних течій кількості руху, тепла, водяної пари при збільшенні з висотою коефіцієнта турбулентності. Напрямок вітру в граничному підшарі практично не змінюється з висотою, а швидкість зростає, як правило, за логарифмічним законом. Ця закономірність вперше була виявлена Прандтлем. При відмінності температурної стратифікації від байдужої розподіл швидкості вітру по вертикалі краще апроксимується ступеневим законом. Вище граничного шару розташовується шар Екмана, який є перехідним між турбулізованим граничним підшаром і вільною атмосферою, де силою тертя можна зневажити, оскільки динамічний і термічний вплив підстильної поверхні вже не простежується. Цей шар простирається до висоти 1, 5...2 км, зміна швидкості і напрямок вітру в ньому приблизно описується спіраллю Екмана. Наявність струминоподібних профілів швидкості вітру характерна для верхнього підшару. Такі профілі відрізняються від стандартних і становлять феномен струминної течії нижніх рівнів. Зіставлення літературних відомостей з цього явища трохи ускладнює використання різними дослідниками неоднакових критеріїв при виявленні СТНР. Очевидно, це обумовлено особливостями розв'язуваного прикладного завдання й географічним фактором. В більшості робіт прийнято наступне визначення: СТНР - це пік швидкості вітру більший або рівний 15 м× с-1, у межах граничного шару атмосфери, якщо зменшення швидкості вітру в 300 м шарах вище та нижче рівня максимуму не менше ніж на 4 м× с-1. Вибір значення максимуму швидкості на осі струменя обумовлений тим, що для авіації небезпечними є вітри більше 15 м∙ с-1, і особливо небезпечна наявність таких посилень вітру на малих висотах, тому що на них здійснюється зліт і посадка повітряних суден, політ на гранично малих висотах тощо. Існує деяка невизначеність із самою назвою явища. Так, термін СТНР уперше ввів Л.Л. Мінс в 1944 р. Крім цього використовується термін “мезострумінь”, тому що явище звичайно відноситься за своїм просторовим і часовим масштабом до мезо-діапазону β (за шкалою І. Орланскі від 25 до 250 км та від 1 год до 1 доби). Однак СТНР може зберігатися протягом декількох діб і, таким чином, виходити за часові рамки мезомасштабу, тому дана термінологія може бути не завжди коректною. Крім цього, застосовуються також інші терміни: струминна течія на малих висотах, струминна течія ГША, тропосферний мезострумінь, низькотропосферний струмінь, мезомасштабні вітрові струмені і низькі струмені. Однак, незважаючи на розбіжності у визначеннях цих течій звичайно використаються наступні параметри, що характеризують просторову і динамічну структуру СТНР (рис. 11.1): - потужність СТНР – різниця між висотами в ГША, де швидкість вітру не менше ніж 15 м∙ с-1 (Δ Н, м); - висота осі СТНР – рівень максимуму швидкості вітру (H0, м); - інтенсивність СТНР – швидкість вітру на осі струменя (V0, м∙ с-1). Для розрахунку структурних характеристик СТНР оптимальним варіантом є комплексне використання даних висотних метеорологічних веж, радіолокаційних і радіозондових спостережень. При цьому у зв'язку з недостатньою щільністю мережі радіозондування, має сенс застосування різних методик інтерполяції полів метеорологічних величин і облік супутникової інформації (за оцінками дрейфу хмарних полів, за картиною хвилювання, шляхом фіксації синоптичної обстановки за результатами нефаналізу або за допомогою математичної обробки супутникових даних).
Вплив низьких струменів на практичну діяльність та їх зв'язок з небезпечними і стихійними гідрометеорологічними явищами. Струминні течії нижніх рівнів безпосередньо впливають на різноманітні види людської діяльності. Вперше про практичне значення СТНР згадав Л.Л. Мінс в 1952 р., який відмітив їх роль у формуванні шквалових ліній і небезпечних явищ погоди. Складність пілотування літальних апаратів при виконанні заходу на посадку або при зльоті у випадку наявності СТНР полягає в тому, що спочатку відбувається швидке наростання швидкості зустрічного вітру, що потім зміниться її убуванням вище осі струменя. Присутність струменя поблизу землі у сполученні зі значним зсувом вітру нижче осі, впливає на втрату підйомної сили літака при зниженні, що особливо небезпечно при наявності короткої злітно-посадкової смуги. Найбільше це позначається на швидкісних реактивних літаках. Таким чином, з появою реактивних літаків виявилося необхідним взяти до уваги вплив СТНР на посадку літаків, що й було реалізовано в нормативній документації Всесвітньої Метеорологічної Організації (ВМО). При дослідженні поширення лісових пожеж відзначено, що особливо інтенсивне горіння відбувається при наявності струменя поблизу земної поверхні, а не просто сильного вітру. З'явилася необхідність враховувати СТНР при плануванні висотного будівництва, при вивченні маршруту перельоту птахів, при будівництві вітроенергетичних станцій. Низькі струмені можуть впливати на формування деяких особливостей ландшафту. Є припущення, що формування полонин на пологих вершинах і в сідловинах, а також розташування верхньої межі поширення лісу в Українських Карпатах пов'язані із впливом низькотропосферних струменів. В роботах американських метеорологів показано, що СТНР є одним із факторів утворення клімату для Великих Рівнин (США), оскільки вони стимулюють збільшення кількості нічних опадів влітку та збільшують вологовміст більш ніж на 45% у порівнянні з кліматичними показниками. Причому, збільшення кількості нічних опадів (на 25% у порівнянні з денними) над Великими Рівнинами й північчю центральних штатів призводить до зменшення кількості опадів над узбережжям Мексиканської затоки та східним узбережжям США. Крім безпосереднього впливу на різні сфери діяльності людини, СТНР перебувають у тісному взаємозв'язку з рядом СГЯ. Оскільки при утворенні торнадо характерна нестійка стратифікація зверху та стійка знизу, то прогноз небезпечних явищ, що звичайно супроводжують торнадо, зводиться до з'ясування механізму реалізації нестійкості нижнього шару атмосфери. Так, Р.Г. Бітом і Ф.С. Бейтсом в 1955 р. була запропонована гіпотеза, про те, що таким механізмом є струмінь у нижній тропосфері, що створює конвергенцію повітряних струменів унизу вертикального вихору і дивергенцію вгорі. Варто помітити, що при аналізі гроз основна увага звичайно приділяється особливостям термічної стратифікації повітряних шарів. Однак, коли цікавляться динамікою, то виявляють і струмінь. Причиною тісного зв'язку нічних гроз і низьких струменів, на думку А.К. Блакадера, є той факт, що добові коливання вітру на нижніх рівнях викликають нічне посилення адвекції, що може бути істотним фактором у збільшенні частоти нічних гроз. Орієнтація грозових осередків, у свою чергу, непогано збігається з віссю максимальних вітрів у нижньому шарі тропосфери, і, у відомій мірі, наявність СТНР визначає тривалість грозової діяльності. Нерідко СТНР супроводжуються інверсійним розподілом температури у нижній тропосфері, що в окремих випадках може, внаслідок ослаблення вертикального повітрообміну, призвести до зростання концентрації забруднюючих речовин біля поверхні землі більше гранично допустимих норм. Гіпотези щодо формування та розвитку струминних течій нижніх рівнів. Вивчення особливостей термічного і динамічного стану ГША при наявності струминних течій нижніх рівнів почалося в 30-ті роки. Так, А. Вагнер пояснював добові коливання вітру ГША денними коливаннями полів тиску і температури, а також суперпозицією місцевих циркуляцій. Один з перших комплексних експериментів по вивченню структури й кліматології струменів був проведений в 40-х роках над півднем і південним сходом США. Причому саме тоді з'явився термін " струминна течія нижніх рівнів" або “low-level jet”. Саме для нічного граничного шару була створена перша математична модель ГША, як одного з додатків класичної теорії граничного шару. А.К. Блакадер запропонував свою теорію формування СТНР, звернувши увагу на те, що вітер у них виявляється сильнішим за геострофічний. Допускаючи, що баричний градієнт у період еволюції струменя не змінюється, автор вважав, що зміни вітру в струмені можуть відбуватися лише за рахунок інерційних коливань швидкості вітру, які обумовлені добовою зміною активності турбулентного обміну. Таке звільнення " стриманого денного тертя" призводить до появи максимуму швидкості на верхній межі приземної інверсії. Ця гіпотеза пояснює добову еволюцію явища: ранкове загострення та денне розмивання, але не пояснює існування низьких струменів, що зберігаються більше однієї доби. В 1967 р. вийшла робота П.О. Воронцова, де вперше виділені 4 типи СТНР - нічні, орографічні, термічні та загальноциркуляційні. Якщо перші три типи пов'язані з конкретними фізико-географічними умовами, то загальноциркуляційні струмені, займають порівняно більшу площу та існують протягом декількох діб, розвиваючись, в основному, в баричних утвореннях циклонічного типу. Очевидно, джерелом енергії, що викликає надгеострофічне збільшення швидкості вітру на площі в сотні км2, можуть бути тільки процеси макромасштабу, пов'язані з різко вираженими фронтальними розділами й циклонами, що активно розвиваються. Крім того, П.О. Воронцов провів порівняльний аналіз можливих механізмів утворення СТНР і дійшов до висновку, що основною причиною формування низького струменя є різке зменшення турбулентного тертя в зоні струменя, завдяки чому створюються умови для стрибкоподібного росту швидкості вітру, що збігається з гіпотезою А.К. Блакадера. У роботах Л.З. Проха (60-ті рр. ХХ століття), який вивчав СТНР над Українськими Карпатами, також показане переважне утворення низьких струменів в областях циклонічної циркуляції, що знайшло підтвердження в інших дослідженнях, виконаних за матеріалами того ж регіону. Починаючи з 60-х років стали з'являтися гіпотези про зв'язок СТНР і внутрішніх гравітаційних хвиль (ВГВ), що розвиваються в приземній або піднесеній інверсіях. Так, М.І. Новожиловим була запропонована гіпотеза про виникнення СТНР у зонах хвилеподібних рухів. На думку автора, якщо хвиля, що біжить, захоплює лише певний шар, обмежений зверху й знизу незбуреними потоками, то з найбільшою амплітудою будуть коливатися частки, що перебувають у середині цього шару. Всі інші частки будуть коливатися з меншими амплітудами, і з віддаленням від середини шару вверх або вниз коливання будуть менш значними. При цьому в результаті нестисливості середовища, на одних ділянках будуть спостерігатися згущення ліній струму, на інших - їх розрядка. Згущення в області улоговини буде відбуватися в нижній половині шару, в області гребеня - у верхній. Зона найбільшого згущення, тобто СТНР (струминна поверхня), буде обмежена зверху і знизу шарами з меншими швидкостями вітру. Хвильовий характер явища підтверджується як наявністю хвилястих хмар поблизу їх рівнів, так і коливанням самих рівнів низьких струменів у часі та просторі. Відповідно до даної гіпотези, посилення вітру повинне відбуватися тільки в затримуючих шарах, ближче до їх верхньої межі. Таким чином, існує безліч гіпотез, що досить добре працюють за одних умов, і практично непридатні за інших. Низькотропосферні струмені спостерігаються при будь-якому типі атмосферної циркуляції, на фоні як різких змін метеовеличин, так і при поступовій трансформації властивостей повітряної маси; при цьому стратифікація температури також може бути стійкою, байдужною або нестійкою. Існують як фронтальні, так і внутрішньомасові струмені. Подібні відомості свідчать про участь різноманітних механізмів у формуванні і розвитку СТНР, тобто струмені, що утворюються за неоднакових умов, очевидно, мають різну фізичну природу - наприклад, нічне посилення вітру в області приземної інверсії та струмінь під конвективною хмарою, і це варто враховувати при дослідженні явища.
|
