Глава 5 Гидрометеорологические исследования

 ГЛАВА 5.

Гидрометеорологические исследования

Результаты экспедиции 2018 г. Для оценки характеристик атмосферной турбулентности над озером осуществлялись высокочастотные измерения с помощью ультразвукового акустического анемометра производства METEK, установленного на мачте НИС «Молтур» на высоте 9.5 м над поверхностью озера (Рис. 5.1а). Анемометр осуществлял измерения трех компонент скорости ветра, а также акустической температуры воздуха с частотой 40 Гц. Кроме того, анемометр был оснащен инклинометром, измерявшим углы крена и тангажа координатной системы, привязанной к осям прибора. На рис. 5.1b схематически показана ориентация координатной системы акустического анемометра (показана красным цветом, оси с индексами «s») относительно координатной системы, ось OY которой направлена вдоль судна, ось OZ направлена вертикально вверх, а ось OX направлена горизонтально и перпендикулярна плоскости YOZ. Также на рис. 5.1b синим цветом показаны углы рысканья, крена и тангажа.

Рис. 5.1. а) Расположение акустического анемометра на мачте НИС «Молтур»; б) схематическое изображение ориентации координатной системы прибора относительно координатной системы, связанной осью OY с продольной осью судна и вертикальной осью OZ и горизонтальной OX.

Угол рысканья мы считаем относительно оси OY фиксированным и равным 14^о. Он был измерен по фотографии с помощью графического редактора. Угол рысканья самого судна относительно курса мог меняться, пусть и в небольших пределах. Углы крена и тангажа относительно горизонтальной и вертикальной плоскостей измерялись с помощью инклинометра. На рис. 5.1b указаны лишь их средние значения.

Рис. 5.2.. Система координат прибора, а также углы крена и тангажа, измеряемые инклинометром.

На рис. 5.2 изображена система координат прибора, а также углы крена и тангажа, измеряемые инклинометром.

Вектор скорости ветра в неподвижной (географической) системе координат. Акустический анемометр, установленный на мачте судна, измеряет три компоненты скорости воздушного потока относительно подвижной системы координат прибора. Эта система координат испытывает как повороты вокруг всех трех осей (углы крена, тангажа, рысканья), так и трансляционное перемещение вследствие как качки, так и движения судна по курсу. Для восстановления трех компонент скорости ветра необходим переход к неподвижной системе географических координат (ось OX направлена с запада на восток, ось OY направлена с юга на север, ось OZ направлена вертикально). Для этого необходимо иметь измерения: 1) углов крена, тангажа и рысканья прибора; 2) три компоненты скорости движения самого прибора в пространстве. Последние три величины включают в себя вклад качки и движения судна по курсу. Более того, необходимо знать и угол рысканья судна относительно курса. Если известны все три угла крена, тангажа и рысканья и скорости их изменения во времени, а также известны координаты прибора относительно центра масс судна, то вектор скорости ветра в неподвижной (географической) системе координат связан с измеряемым вектором скорости следующим образом [45]:

(1)

где - вектор скорости ветра в неподвижной географической системе координат; - измеряемый вектор скорости воздушного потока. T - матрица перехода от системы координат прибора к неподвижной системе кординат, связанной с судном. M - вектор угловой скорости системы координат прибора. Ω. - вектор положения прибора относительно центра тяжести судна. - вектор трансляционного движения координатной системы прибора относительно неподвижной координатной системы.

Матрица перехода описывает переход к неподвижной системе координат путем вращения системы координат прибора с использованием углов крена, тангажа и рысканья. Такой переход может быть получен путем последовательного вращения системы координат прибора вокруг каждой из осей координат.

Во время экспедиции на озере Иссык-Куль отсутствовали измерения угла рысканья судна относительно его курса. Мы можем положить, что этот угол пренебрежимо мал и считать его равным нулю. Кроме того, неизвестны и координаты прибора относительно центра массы судна (вектор M в формуле (1)). Поэтому представляется затруднительной оценка скорости движения прибора в пространстве за счет качки. Однако, во-первых, в некоторые периоды в точке, где был закреплен прибор проводились измерения с помощью акселерометра/магнетометра, встроенного в смартфон. Это позволяет оценить скорость передвижения прибора при качке. Во-вторых, за время экспедиции существенное волнение наблюдалось лишь в течение первых суток. В остальное время, качка была слабой и ее влиянием можно пренебречь, т. е. принять второе слагаемое в формуле (1) равным нулю.

При движении судна по курсу для определения вектора трансляционной скорости используются сообщения GPS-приемника о скорости и направлении движения. В этом случае, возможен переход к географической системе координат. Во время станций затруднительно точно восстановить ориентацию судна относительно севера, поэтому осуществляется лишь переход к системе координат, связанной с судном, а трансляционная скорость считается равной нулю (т. е. мы пренебрегаем дрейфом судна).

Рис. 5.3 демонстрирует временной ход углов крена и тангажа, измеренных с помощью инклинометра во время сильной и слабой качки. Видно, что во время качки углы крена и тангажа существенно меняются, причем меняются с частотой, которая сравнима с частотой турбулентных пульсаций.

Рис. 5.3. Углы крена (синяя кривая) и тангажа (красная кривая), измеренные с помощью инклинометра в течение одной минуты при отсутствии качки 7-го июля 2018 г. и при качке 4-го июля 2018 г.

Метод турбулентных ковариаций. Высокочастотные измерения акустического анемометра позволяют выполнить расчет турбулентных потоков тепла и импульса методом турбулентных ковариаций. Вертикальные потоки тепла и импульса рассчитываются как ковариации пульсаций вертикальной составляющей скорости ветра и соответствующей величины, а именно

(2)

(3)

где τ - поток импульса (вектор напряжения трения), H - поток тепла, p - плотность воздуха, c_p - удельная теплоемкость при постоянном давлении, θ - потенциальная температура воздуха, а вертикальная черта обозначает осреднение по времени.

Напрямую воспользоваться формулой (3) для оценки потока тепла нельзя, так как с помощью акустического анемометра измеряется акустическая температура воздуха, которая включает в себя поправку на влажность и близка к виртуальной температуре воздуха.

Таким образом, если использовать в формуле (3) вместо потенциальной температуры измеренную акустическую температуру, то рассчитываемый поток будет близок по значению к потоку плавучести. Для расчета потока явного тепла необходимы оценки турбулентного потока влаги (скрытого тепла).

Турбулентный поток тепла (плавучести) во время ночного бриза.

В ночь с 6-го на 7-е июня НИС «Молтур» проводил измерения в Тюпском заливе. Наблюдавшееся восточное и юго-восточное направление ветра соответствовало ночному бризу. В результате ночного бриза, т. е. адвекции холодного воздуха с суши, температура воздуха над Тюпским заливом упала до 13 ^оС в предрассветные часы. В то же время, температура приповерхностного слоя воды оставалась порядка 20 ^оС (Рис. 5.4), хотя непосредственно поверхность воды могла быть холоднее приповерхностного слоя вследствие наличия холодной пленки.

Таким образом, в ночь с 6-го на 7-е июня наблюдалась наибольшая за время экспедиции разность температур воздуха и поверхности воды и достигала порядка 5-7 ^оС. В результате, стратификация над водоемом была неустойчивой, а поток плавучести был положительным (Рис. 5.4), т. е. поток тепла был направлен от поверхности озера в атмосферу.

Временной ход потока плавучести на рис. 5.4 демонстрирует, что наибольших величин порядка 15-20 Втм^-2 поток достигал при наибольшей разности температуры между поверхностью озера и атмосферой.

Рис. 5.4. Временной ход потока плавучести (верхний график) и температуры воздуха и воды в приповерхностим слое (нижний график).

Поток импульса при различной скорости ветра.

На рис. 5.5 представлены значения потока импульса и скорости ветра, измеренные во время нескольких станций.

Рис. 5.5. Временной ход потока импульса (верхний график) и скорости ветра. (нижний график) для некоторых станций.

Видно, что в целом большим значениям скорости ветра соответствуют большие значения потока импульса. Важно заметить, что степень развития волнения, а также стратификация в приводном слое влияют на поток импульса, и их величины менялись от станции к станции. В дальнейшем будет проведен более подробный анализ влияния этих факторов на поток импульса.

Таким образом, рис. 5.4 и рис. 5.5 демонстрируют зависимости потоков тепла и импульса от разности температур воды и воздуха и скорости ветра, соответственно, которые качественно согласуются с известными теоретическими и эмпирическими зависимостями. Это можно рассматривать как первичный критерий качества полученных измерений.