Ученые разработали
модели для расчета турбулентных потоков в устойчивом приграничном слое – самом
близком к земле слое атмосферы. Этот результат важен для оценки распространения
атмосферных загрязнений, а также для улучшения достоверности прогноза погоды и
изменений климата. Статья опубликована в журнале
Atmospheric Chemistry and Physics. Исследования поддержаны грантом Российского
научного фонда.
Адекватное описание турбулентного обмена в близком к земле
слое атмосферы имеет большое значение при решении различных задач. Наиболее
важная из них – проблема загрязнения воздуха. Статичные условия формируются
практически каждую ночь над поверхностью суши, а также типичны для пространств,
занятых водоемами с температурой поверхности более низкой, чем температура
окружающего воздуха. В зимнее время года сильно устойчивая атмосфера
наблюдается над покрытой льдом поверхностью Северного Ледовитого океана и в
антициклонах над заснеженными континентами. Тем не менее процессы в устойчивом
пограничном слое атмосферы остаются малоизученными. В частности, до сих пор не
решена проблема адекватного описания турбулентного обмена в приземном слое при
этих условиях.
В своей работе авторы воспользовались уравнением
непрерывности и обширным банком данных специализированных наблюдений в
приземном слое атмосферы. Ученые рассматривали потоки воздуха между двумя
вихрями цилиндрической формы с устойчивым разделением – случай, характерный для
атмосферных движений над поверхностью водоемов.
Исследователи дополнили эту информацию собственными
моделями. Скорости при сильно устойчивых движениях совпадали с посчитанными
прежде. Это удачное экспериментальное открытие дает универсальную оценку
скорости рассеивания турбулентной энергии, работающую во всем диапазоне
устойчивости – от нейтральных до сильно устойчивых пограничных слоев.
«В случае сильно устойчивых пограничных слоев встает вопрос
о применимости теорий подобия, обычно используемых для описания турбулентного
обмена в климатических моделях. Проблемы в условиях устойчивого приземного слоя
обусловлены недостаточной изученностью и адекватным представлением источников
турбулентности. Широко обсуждается само наличие этого явления в устойчивом
приземном слое. Наша работа – новый шаг в моделировании турбулентных течений.
Разработанный теоретический подход может быть использован для расчета динамики
атмосферы в симуляциях погоды и климата, а также в задачах, использующих
информацию о турбулентности в химии атмосферы, аэрозольных науках и физике
облаков», – рассказывает Ирина Репина, доктор физико-математических наук,
заведующая лаборатории взаимодействия атмосферы и океана Института физики
атмосферы имени А. М. Обухова РАН.
В работе также приняли участие ученые из Финляндии (Финский
метеорологический институт, Институт системных исследований атмосферы и земли)
и Нижнего Новгорода (Университет Лобачевского, Институт прикладной физики).
Картинка: формирование приземной
инверсии с повышенной концентрацией загрязняющих веществ при сильно устойчивых
условиях в атмосфере: (а) Телецкое озеро, (б) Аляска, г. Фэрбанкс.
Источник:
Ирина Репина