Приземный слой ветра

Под высотой приземного слоя hп понимается уровень, до которого напряжение трения не зависит от высоты z и равно. Здесь _ плотность воздуха; _ вертикальная составляющая коэффициента турбулентной вязкости; hп _ высота приземного слоя; u _ скорость ветра. По оценкам разных авторов высота приземного слоя находится в пределах 50₂₀₀ м.

Вектор касательного напряжения в приземном слое изменяется незначительно и может считаться здесь постоянным как по величине, так и по направлению. Это обстоятельство позволило ввести постоянную по высоте «скорость трения». Величина является основным масштабом скорости ветра. В приземном слое допустимо использовать теорию логарифмического пограничного слоя. Коэффициент сопротивления может быть выражен формулой.

.

где u _ значение средней скорости на некотором стандартном уровне.

Характерной особенностью строения приземного слоя ветра является наличие обусловленных турбулентностью пульсаций почти всех метеорологических элементов. Через любую фиксированную точку в пространстве, заполненную турбулентным потоком, непрерывно проходят вихри, выделившиеся из основного потока на самых различных расстояниях. Каждый вихрь приносит в рассматриваемую точку свойства, характерные для его «материнского» уровня. Поскольку движение вихрей является совершенно беспорядочным и каждый вихрь, пройдя некоторый путь, смешивается со средой, турбулентность приводит к выравниванию неравномерно распределенных свойств.

Интенсивность турбулентного движения в пограничном слое определяется рядом факторов, основные из которых можно разделить на термические и динамические. Турбулентность термического происхождения связана с неустойчивой стратификацией атмосферы. Основным фактором, вызывающим ее, являются конвективные движения в форме тепловых струй. Турбулентность динамического происхождения связана, прежде всего, с трением движущихся масс воздуха о подстилающую поверхность, вызывающим деформацию скоростного поля. Чем больше величина шероховатости и скорости ветра, тем интенсивнее будет этот вид турбулентности.

Минимальные размеры атмосферных вихрей имеют порядок 1₂ см и относятся к области, в которой происходит диссипация турбулентной энергии. Они наблюдаются вблизи подстилающей поверхности. Характерные размеры атмосферных вихрей для приземного слоя равны от 1 м до 10 м, для пограничного слоя _ от 10 м до 1000 м.

Основной характеристикой турбулентного состояния воздушного потока являются пульсации скорости. Эти пульсации вдоль оси OX декартовой системы координат называют продольными составляющими, направленные вдоль оси OY _ поперечными, а вдоль оси OZ _ вертикальными.

Одним из основных свойств турбулентного движения является его кинетическая энергия, характеризующая степень развития турбулентного потока. Среднюю величину турбулентной энергии, отнесенной к единице массы, определяют выражением.

.

где, , _ горизонтальные, поперечные и вертикальные составляющие пульсационной скорости.

Безразмерная величина носит название интенсивности турбулентности (здесь _ средняя скорость потока в данной точке). Распределение турбулентной энергии и ее интенсивности с высотой в пограничном слое зависит от притока солнечной энергии, неоднородности подстилающей поверхности, стратификации атмосферы и некоторых внешних параметров.

На долю продольной компоненты приходится максимальное количество кинетической энергии. В отличие от продольной компоненты на вертикальную компоненту скорости ветра существенное влияние оказывает подстилающая поверхность, которая в нижних слоях ограничивает развитие вихрей по вертикали.

Участок спектра вихрей, на долю которого приходится почти вся энергия потока, называют масштабом турбулентности. В приземном слое коэффициент турбулентного перемешивания равен.

.

где l_ путь смешения вихря,.

_ вертикальная составляющая вектора скорости ветра.

В ряде работ предложен метод расчета коэффициента турбулентности:

.

где _ кинематический коэффициент турбулентности для количества движения;

_ скорость диссипации турбулентной энергии;

l _ путь смешения вихря.

Основой физического описания приземного слоя атмосферы является предложенная Мониным А. С. и Обуховым А. М. теория подобия для турбулентного режима в стратифицированной средеhttp://sam-vl.narod.ru/Aerodynamics/Aerodynamicsw.htm — _ftn3. В качестве приземного слоя атмосферы рассматривается плоскопараллельное стационарное течение жидкости в полупространстве z>0 над однородной поверхностью Z=0 (характеризуемой определенной шероховатостью Z0). При характеристики турбулентности на высоте z будут зависеть от следующих величин:

.

Поскольку в данном случае имеется четыре независимых размерноси _ длина, время, масса и температура, то из этих пяти величин можно составить лишь одну независимую безразмерную комбинацию. Обухов и Монин ввели величину.

.

где L _ масштаб Монина _ Обухова, имеющий размерность длины.

Параметр L представляет собой отношение скорости продукции конвективной энергии к скорости продукции механической энергии при стратификации, близкой к безразличной. Эта величина играет ту же роль, что и динамическое число Ричардсона.

Поскольку скорость продукции механической энергии растет с уменьшением высоты, а скорость продукции конвективной энергии с высотой не меняется, в нижних слоях атмосферы эффектом плавучести можно пренебречь. Масштаб L определяет толщину слоя, в котором термические факторы не играют заметной роли, поэтому он может быть назван высотой подслоя динамической турбулентности.