Влияние внутренних гравитационных волн в атмосферном пограничном слое на измерения характеристик турбулентности пульсационным методом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе представлены результаты анализа влияния регистрируемых содаром в атмосферном пограничном слое субмезомасштабных внутренних гравитационных волн (ВГВ) на измеряемые в приземном слое характеристики турбулентности. Для этого были использованы данные измерений, проводимых в сельской местности в Подмосковье. Посредством визуального анализа содарных эхограмм идентифицировались ВГВ двух классов: внутренние гравитационно-сдвиговые волны (ВГСВ) типа волн Кельвина-Гельмгольца и волны плавучести (ВП). Для 28 эпизодов ВГСВ и 10 эпизодов ВП по данным пульсационных измерений ультразвуковым термометром-анемометром, расположенным на мачте высотой 56 м, были рассчитаны турбулентная кинетическая энергия, а также потоки тепла и импульса. Были исследованы изменения указанных характеристик, сопутствующие прохождению цугов ВГВ, сделаны количественные оценки этих изменений, а также проведено сопоставление степени влияния ВГСВ и ВП.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. В. Зайцева

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: zaycevadv@gmail.com
Россия, Пыжевский пер., д. 3, 119017, Москва

М. А. Каллистратова

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН

Email: zaycevadv@gmail.com
Россия, Пыжевский пер., д. 3, 119017, Москва

В. С. Люлюкин

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН; Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Email: zaycevadv@gmail.com
Россия, Пыжевский пер., д. 3, 119017, Москва; ул. 2-я Бауманская, д. 5, к.1, 105005, Москва

Р. Д. Кузнецов

Финский метеорологический институт, Динамикум

Email: zaycevadv@gmail.com
Финляндия, площадь Эрик Пальмен, 1, FI-00101 Хельсинки

Д. Д. Кузнецов

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН

Email: zaycevadv@gmail.com
Россия, Пыжевский пер., д. 3, 119017, Москва

Список литературы

  1. Зайцева Д.В., Каллистратова М. А., Люлюкин В. С. и др. Воздействие внутренних гравитационных волн на флуктуации метеорологических параметров атмосферного пограничного слоя // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2018. Т. 54. № 2. С. 195–205.
  2. Зайцева Д.В., Каллистратова М. А., Люлюкин В. С. и др. Субмезомасштабные волнообразные структуры в атмосферном пограничном слое и их параметры по данным содарных измерений в Подмосковье // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2023. Т. 59. № 3. С. 275–285.
  3. Кадыгров Е.Н., Кузнецова И. Н. Методические рекомендации по использованию данных дистанционных измерений профилей температуры в атмосферном пограничном слое микроволновыми профилемерами: теория и практика. Долгопрудный: Физматкнига, 2015. 171 с.
  4. Камардин А.П., Одинцов С. Л., Скороходов А. В. Идентификация внутренних гравитационных волн в атмосферном пограничном слое по данным содара // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 9. С. 812–818.
  5. Кузнецов Р. Д. Акустический локатор ЛАТАН-3 для исследований атмосферного пограничного слоя // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 8. С. 749–753.
  6. Люлюкин В.С., Каллистратова М. А., Кузнецов Р. Д. и др. Внутренние гравитационно- сдвиговые волны в атмосферном пограничном слое по данным акустической локации // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51. № 2. С. 218–218.
  7. Banakh, V. A., Smalikho, I. N. The impact of internal gravity waves on the spectra of turbulent fluctuations of vertical wind velocity in the stable atmospheric boundary layer // Remote Sensing. 2023. V.15. № 11. 2894.
  8. Banta R.M., Mahrt L., Vickers D. et al. The very stable boundary layer on nights with weak low-level jets // J. Atmos. Sci. 2007. V. 64. № 9. P. 3068–3090.
  9. Carpenter J.R., Tedford E. W., Heifetz E. et al. Instability in stratified shear flow: Review of a physical interpretation based on interacting waves // Appl. Mech. Rev. 2012. V. 64. № 6. 060801
  10. Cava D., Giostra U., Katul G. Characteristics of gravity waves over an Antarctic Ice sheet during austral summer // Atmosphere. 2015. V. 6. № 9. P. 1271–1289.
  11. Durden D.J., Nappo C. J., Leclerc M. Y.et al. On the impact of wave-like disturbances on turbulent fluxes and turbulence statistics in nighttime conditions: a case study // Biogeosciences. 2013. V. 10. № 12. P. 8433–8443.
  12. Jiang Q. Impact of Elevated Kelvin–Helmholtz Billows on the Atmospheric Boundary Layer // J. Atmos. Sci. 2021. V. 78. № 12. P. 3983–3999.
  13. Howell J.F., Mahrt L. Multiresolution flux decomposition // Boundary-Layer Meteorol. 1997. V. 83. № 1. P. 117–137.
  14. Kaimal J.C., Finnigan J. J. Atmospheric boundary layer flows: their structure and measurement. New York: Oxford University Press, 1994. 289 P.
  15. Mahrt L., Vickers D. Extremely weak mixing in stable conditions // Boundary-Layer Meteorol. 2006. V. 119. P. 19–39.
  16. Nappo C.J., Miller D. R., Hiscox A. L. Wave-modified flux and plume dispersion in the stable boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 2008. V. 129. № 2. P. 211–223.
  17. Petenko I., Casasanta G., Kallistratova M. et al. Kelvin–Helmholtz billows in the rising turbulent layer during morning evolution of the abl at Dome C, Antarctica // Boundary-Layer Meteorol. 2023. V. 187. P. 163–192.
  18. Potekaev A., Shamaneva L., Kulagina V. Spatiotemporal dynamics of the kinetic energy in the atmospheric boundary layer from minisodar measurements // Atmosphere. 2021. V. 12. № 4. 421.
  19. Rorai C., Mininni P. D., Pouquet A. Turbulence comes in bursts in stably stratified flows // Physical Review E. 2014. V. 89. № 4. P. 043002.
  20. Shamanaeva L.G., Potekaev A. I., Krasnenko N. P. et al. Dynamics of the kinetic energy in the atmospheric boundary layer from the results of minisodar measurements // Russ. Phys. J. 2018. V. 61. P. 2282–2287.
  21. Sun J., Lenschow D. H., Burns S. P. et al. Atmospheric disturbances that generate intermittent turbulence in nocturnal boundary layers // Boundary-Layer Meteorol. 2004. V. 110. P. 255–279.
  22. Sun J., Mahrt L., Banta R. M. et al. Turbulence regimes and turbulence intermittency in the stable boundary layer during CASES-99 // J. Atmos. Sci. 2012. V. 69. № 1. P. 338–351.
  23. Sun J., Nappo C. J., Mahrt L. et al. Review of wave‐turbulence interactions in the stable atmospheric boundary layer // Reviews of geophysics. 2015a. V. 53. № 3. P. 956–993.
  24. Sun J., Mahrt L., Nappo C. et al. Wind and temperature oscillations generated by wave–turbulence interactions in the stably stratified boundary layer // J. Atmos. Sci. 2015b. V. 72. № 4. P. 1484–1503.
  25. Vercauteren N., Klein R. A clustering method to characterize intermittent bursts of turbulence and interaction with submesomotions in the stable boundary layer // J. Atmos. Sci. 2015. V. 72. № 4. P. 1504–1517.
  26. Viana S., Yagüe C., Maqueda G. Propagation and effects of a mesoscale gravity wave over a weakly-stratified nocturnal boundary layer during the SABLES2006 field campaign // Boundary-Layer meteorol. 2009. V. 133. № 2. P. 165–188.
  27. Vickers D., Mahrt L. The cospectral gap and turbulent flux calculations // J. Atmos. Oceanic Tech. 2003. V. 20. № 5. P. 660–672.
  28. Zaitseva D., Kallistratova M., Lyulyukin V. et al. On the influence of internal gravity waves on the intensity of turbulence in the atmospheric boundary layer // IOP Conf. Series Earth Environ. Sci. 2022. V. 1040. № 1. P. 012034.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Эпизод ВГСВ 24.04.2012. (а) Содарная эхограмма. (б) профили средней скорости ветра (чёрные линии, нижняя ось абсцисс) и температуры (серые линии, верхняя ось абсцисс). Время осреднения 30 минут. (в) радиальная скорость ветра по измерениям наклонной антенны на высотах 60, 80, 100 и 120 м. Временные ряды были сдвинуты относительно друг друга для наглядности. (г) горизонтальная скорость ветра (черная линия) и акустическая температура (серая линия). (д) вертикальная скорость ветра. По оси абсцисс везде кроме (б) отложено местное время. Панели (г) и (д) построены по данным измерений соника (высота 56 м). Ко временным рядам эхо-сигнала и радиальной скорости (панели (а) и (в)) для наглядности было применено скользящее осреднение по 1 минуте. Вертикальными пунктирными линиями обозначено время начала и конца волнового цуга.

Скачать (552KB)
3. Рис. 2. Эпизод ВГСВ 24.04.2012. Кратномасштабные разложения потока тепла. По оси абсцисс отложено местное время, по оси ординат — масштаб времени (обратный частоте). Шкала представлена справа. Спектры рассчитаны через каждые 60 секунд.

Скачать (267KB)
4. Рис. 3. Эпизод ВГСВ 24.04.2012. Временные ряды (а) ткэ, (б) потока импульса и (в) потока тепла, рассчитанные по данным измерений соника с осреднением в 1 минуту. Вертикальные линии указывают на время начала и окончания эпизода.

Скачать (294KB)
5. Рис. 4. То же что на рис. 1, но для эпизода ВП 11.06.2009.

Скачать (527KB)
6. Рис. 5. То же, что на рис. 2, но для эпизода ВП 11.06.2009.

Скачать (233KB)
7. Рис. 6. То же, что на рис. 3 , но для эпизода ВП 11.06.2009.

Скачать (240KB)
8. Рис. 7. Диаграмма рассеяния Ri и r для ткэ (а), q (б) и τ (в). Кружками отмечены значения для ВГСВ, треугольниками — для ВП.

Скачать (98KB)

© Российская академия наук, 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.