Динамика мезомасштабных процессов ».

Научно-исследовательская группа работает по теме
«Динамика мезомасштабных процессов».
Исследования по этой тематике начаты более 50 лет назад еще первым
заведующим кафедры профессором Дюбюком А.Ф, известным синоптиком и
гидродинамиком страны. С самого начала характерной чертой этих
исследований было тесное сочетание теоретических исследований с
результатами измерений и наблюдений в природе, стремление к
установлению фундаментальных законов физики атмосферы. Главное
внимание исследователей кафедры при этом было обращено на процессы
обтекания гор воздушным потоком. В настоящее время это явление
достаточно хорошо изучено в рамках среднего масштаба в стационарном и
двумерном приближении, т.е. когда горы имеют вид двумерных хребтов, а
возмущения стационируют и перестают изменяться во времени. При
проведении данных исследований особое внимание обращалось на
нелинейность процессов и на вертикальную неограниченность атмосферы. В
первую очередь на кафедре были созданы модели обтекания тропосферы –
сначала для гор идеального профиля (полукруга, полуэлипса), а затем для гор
произвольного достаточно плавного профиля. В этих работах не учитывалось
разделение атмосферы на различные слои (тропосферу, стратосферу,
мезосферу и т.д.). На рис. 1, 2 представлены два примера траекторий,
полученных при использовании
этих моделей. На первом рисунке
иллюстрируется обтекание полуцилиндра, на втором – гор Крыма при ветре с
северо-запада. Сплошными жирными линиями на рисунках представлены
траектории движения; основной поток направлен слева на право.
Исследования подтвердили, что возмущения зависят от максимальной
высоты гор и от характеристик натекающего потока, а именно от таких его
параметров, как частота Брента-Вяйсяля N, скорость U и масштаб Лира,
определяемый совместно указанными величинами по формуле:
k=
2π
λc
, λc = 2π
U
, N 2 = g (γ a − γ ) / Tc .
N
Одновременно были установлены две новые закономерности характера
возмущений в случае, когда профиль гор имеет достаточную протяженность
по потоку. Во-первых, выяснилось, что в таком случае в поле траекторий
начинают непосредственно проявляться особенности формы обтекаемого
рельефа. В терминах гидродинамики этот результат означает, что в поле
возмущений начинает проявляться не только масштаб Лира, но и масштаб
формы рельефа. Во-вторых, было показано, что понятие о периодических
подветренных волнах должно быть пересмотрено. Основные возмущения
атмосферы располагаются непосредственно над горами и они не имеют
периодического характера, а классические периодические подветренные
волны вниз по потоку от гор могут либо отсутствовать либо иметь
совершенно небольшие амплитуды. Эти результаты иллюстрирует рис.2.
Рисунок показывает, что траектория движения, имеющая в натекающем
потоке высоту 5 км (примерно равную величине масштаба Лира), почти
повторяет форму обтекаемого рельефа. Можно также заметить практическое
отсутствие подветренных волн.
Рис.1.
Обтекание полуцилиндра радиуса r_0 . Тонкими линиями
представлены изолинии вертикальной скорости w/U.
Полезно интерпретировать данные результаты, полагая, что U=11.75 м/с,
вертикальный градиент температуры γ =6.08 град/км, λc =6.28 км.
Рис.2. Поля траекторий и облачности при обтекании гор Крыма.. Цифрами
даны высоты траекторий в натекающем потоке (в км). λc =5.9 км.
Появившаяся возможность исследовать роль формы рельефа позволила
начать проводить на новом уровне сопоставления результатов
моделирования с результатами наблюдений и измерений в природе. Метод
таких сопоставлений можно проиллюстрировать с помощью рис. 2, где
совместно с полем траекторий представлено пространственное положение
облаков Ac lent, измеренное нами во время проведения специальной
экспедиции. Один из самых ярких примеров наблюдения таких
многоярусных облаков в природе представлен на фотографии. Она
показывает, что иногда такие облака могут приниматься за «летающие
тарелки»
НЛО.
Соответствующий
анализ
результатов,
проиллюстрированных на рис.2, привел к заключению, что положение двух
верхних облаков идеально согласуется с результатами модельных расчетов.
Положение двух других облаков с теоретическими данными не столь хорошо
согласуются, однако наличие у возмущений достаточных амплитуд в этой
части пространства они подтверждают. Аналогичные сопоставления расчетов
со многими другими наблюдениями в природе позволили сделать вывод, что
созданные модели могут с успехом использоваться для изучения важнейших
закономерностей явления обтекания гор.
В дальнейшем была решена задача учета вышеуказанного разделения
атмосферы на слои по величине градиента температуры. Для этого были
созданы многослойные модели, позволившие в первом приближении учесть
эти особенности строения атмосферы. Соответствующие расчеты показали,
что динамическое взаимодействие между отдельными слоями атмосферы
может существенно влиять на орографические возмущения. Было показано,
что наличие стратосферы и других слоев может приводить к заметному
перераспределению волновой энергии между слоями,- в частности к эффекту
квазирезонанса. Данный результат иллюстрируется примерами результатов
расчета, представленных на рис. 3 и 4. В этих случаях значения масштаба
Лира в отдельных слоях практически одинаковы, а высоты поверхностей
раздела различаются. В результате в первом случае орографические
возмущения, как легко видеть, «заперты» в тропосфере, а во втором они
почти беспрепятственно распространяются до больших высот. Относительно
недавно удалось начать исследование вопроса, какую роль может играть в
данном явлении сдвиг скорости в натекающем потоке.
Рис.3. Поле траекторий при обтекании гор в районе Кисловодска. Расчеты по
трехслойной модели, параметры которой (скорость, градиенты, высоты
поверхностей раздела, масштабы Лира) даны в верхней части рисунка.
Созданные средства моделирования явления обтекания позволили
рассмотреть ряд вопросов практической метеорологии. С этой целью была
рассмотрена энергетическая сторона проблемы. Для этого изучался вопрос о
волновом сопротивлении, возникающем при обтекании гор. В результате
удалось
рассчитать
потоки
волновой
энергии,
порождаемые
орографическими возмущениями. Выяснилось, в частности, что
вертикальный поток энергии над такими не очень высокими горами, как
Уральские горы, может составлять от 28 до 160 ватт на квадратный метр
горной территории. Этим было количественно подтверждено два важных
вывода. 1. Качество прогноза погоды без учета влияния гор на атмосферные
потоки повысить невозможно. 2. Орографические возмущения должны
существенно влиять на энергетику стратосферы и более высоких слоев
атмосферы.
Рис.4. Второй вариант обтекания. Поле траекторий при обтекании гор в
районе Кисловодска. Расчеты по трехслойной модели, параметры которой
(скорость, градиенты, высоты поверхностей раздела, масштабы Лира) даны в
верхней части рисунка.
В качестве второй проблемы практической метеорологии была
рассмотрена проблема обеспечения безопасности полетов авиации над
горами. Как известно, подъемная сила самолета определяется при прочих
равных условиях углом атаки крыла, т.е. углом между плоскостью крыла и
направлением встречного потока. В реальном полете самолет встречается с
такими возмущениями атмосферы, где вертикальные токи могут заметно
изменять данный угол. Созданные модели позволяют рассчитывать величину
вертикальной скорости в пространстве над горами и, значит, изменения угла
атаки за этот счет. У пассажирских самолетов устойчивость управления
обеспечивается только тогда, когда этот угол не выходит из некоторого
достаточно узкого диапазона значений. Обычно полагают, что потеря
устойчивости наступает, когда изменения угла атаки достигают нескольких
градусов. Нами были проведены многочисленные расчеты для довольно
различных реальных горных рельефов и для достаточно разных потоков
атмосферы перед горами. При этом для простоты все разнообразие типов
самолетов условно было заменено двумя – скоростными, летающими выше 5
км, и легкомоторными, летающими вблизи земли. Кроме того, было принято
считать, что самолеты теряют устойчивость управления при изменении угла
атаки выше 7 градусов. В результате было показано, что во многих областях
над горами изменения угла атаки могут составлять 9 и более градусов, т.е.
что самолеты при полете над горами могут попадать в ситуации, чреватые
катастрофой. В качестве примера в таблице ниже представлены оценки
экстремальных значений величины скорости W и изменений угла атаки D,
полученные нами для горного района Ирана при значении λc =7.8 км
(буквами e, g обозначены главные хребты района высотой порядка 1.5 км).
Место
Земля у хребта e
Земля у хребта g
Высоты 3--4 км
Высоты > 4 км
W, м/с
-10/+7
-10/+7
-6/+5
-6/+5
D, град
10
10
8
9
Созданная многослойная модель обтекания недавно была использована для
анализа поля озона над Антарктидой. Исследовалось влияние на общее
содержание озона орографических возмущений, возбуждаемых в потоках
атмосферы, пересекающих Антарктический полуостров. В результате
удалось показать, что вариации озона, фиксируемые при многих измерениях,
могут быть объяснены влиянием таких возмущений. Стало очевидным, что
такого рода связи следует исследовать и в дальнейшем.
В результате проведенной работы многие закономерности явления
обтекания установлены. Вместе с этим понятно, что предстоит сделать еще
больше. Необходимо изучить трехмерные аспекты таких процессов,
научиться моделировать нестационарные случаи обтекания. Следует более
подробно исследовать эффекты динамики взаимодействия между главными
атмосферными слоями,- и прежде всего между тропосферой и стратосферой.
Для решения этих задач, по-видимому, надо переходить к созданию
численных
моделей
явления
обтекания,
научится
учитывать
неадиабатические факторы и т.д.