Том 31, номер 09, статья № 5

Аннотация:

Представлены результаты лидарных исследований ветровой турбулентности при наличии низкоуровневого струйного течения (НСТ) в пограничном слое атмосферы. Из измерений лидаром Stream Line на Базовом экспериментальном комплексе Института оптики атмосферы СО РАН (июль 2016 г.) и побережье оз. Байкал (август 2015 г.) получены оценки различных параметров турбулентности внутри НСТ. Установлено, что в центральной части НСТ турбулентность очень слабая. В частности, кинетическая энергия турбулентности не превышает 0,1 (м/с)². Впервые из лидарных измерений получены количественные оценки скорости диссипации энергии и интегрального масштаба турбулентности внутри струйного течения с относительной погрешностью не более 12%. Характерной для скорости диссипации является величина около 10^-5 м²/с³. В лидарном эксперименте на побережье оз. Байкал выявлено превышение на 1–2 порядка скорости диссипации энергии турбулентности в нижней части струйного течения над соответствующей величиной в его верхней части. В центральной части НСТ интегральный масштаб турбулентности в среднем составляет около 100 м, что в 2–3 раза меньше эффективной толщины струйного течения.

Ключевые слова:

когерентный доплеровский лидар, ветровая турбулентность, низкоуровневое струйное течение

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Бызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 263 с.
2. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя. Томск: Изд-во ИОМ СО РАН, 2001. 278 с.
3. Кузнецов Р.Д. Акустический локатор ЛАТАН-3 для исследования атмосферного пограничного слоя // Оптика атмосф. и океана. 2007. Т. 20, № 8. С. 749–753.
4. Naihanson F.E. Radar Design Principles. New York: McGraw-Hill, 1980. 626 p.
5. Doviak R.J., Zrnic D.S. Doppler radar and weather observations. San Diego: Academic Press, 1984. 458 p.
6. Bilbro J.M. Atmospheric laser Doppler velocimetry: An overview // Opti. Eng. 1980. V. 20, N 12. P. 2048–2054.
7. Hall F.F., Huffaker R.M., Hardesty R.M., Jackson M.E., Lawrence T.R., Post M.J., Richter R.A., Weber B.F. Wind measurement accuracy of the NOAA pulsed infrared Doppler lidar // Appl. Opt. 1984. V. 23, N 15. P. 2503–2506.
8. Henderson S.W., Hale C.P., Magee J.R., Kavaya M.J., Huffaker A.V. Eye-safe coherent laser radar system at 2 mm using Tm. Ho: YAG lasers // Opt. Lett. 1991. V. 16. P. 773–775.
9. Werner Ch., Flamant P.H., Reitebuch O., Kopp F., Streicher J., Rahm S., Nagel E., Klier M., Herrmann H., Loth C., Delville P., Drobinski Ph., Romand B., Boitel Ch., Oh D., Lopez M., Meissonnier M., Bruneau D., Dabas A. Wind infrared Doppler lidar instrument // Opt. Eng. 2001. V. 40, N 1. P. 115–125.
10. Kameyama S., Ando T., Asaka K., Hirano Y., Wadaka S. Compact all-fiber pulsed coherent Doppler lidar system for wind sensing // Appl. Opt. 2007. V. 46, N 11. P. 1953–1962.
11. Kallistratova M.A, Kouznetsov R.D., Kuznetsov D.D. Kuznetsova I.N., Nakhaev M., Chirokova G. The summertime low-level jet characteristics measured by sodars over rural and urban areas // Meteorol. Z. 2009. V. 18, N 3. P. 289–295.
12. Kallistratova M.A., Kouznetsov R.D. Low-level jets in the Moscow region in summer and winter observed with a sodar network // Bound.-Layer Meteorol. 2012. V. 143. P. 159–175.
13. Kallistratova M.A., Kouznetsov R.D., Kramar V.F., Kuznetsov D.D. Profiles of wind speed variances within nocturnal low-level jets observed with a sodar // J. Atmos. Ocean. Technol. 2013. V. 30, N 9. P. 1970–1977.
14. Prabha T.V., Leclerc M.Y., Karipot A., Hollinger D.Y. Influence of nocturnal low-level jets on eddy-covariance fluxes over a tall forest canopy // Bound.-Layer Meteorol. 2008. V. 126. P. 219–236.
15. Newsom R.K., Banta R.M. Shear-flow instability in the stable nocturnal boundary layer as observed by Doppler lidar during CASES-99 // J. Atmos. Sci. 2003. V. 60, N 1. P. 16–33.
16. Banta R.M., Newsom R.K., Lundquist J.K., Pichugina Y.L., Coulter R.L., Mahrt L. Nocturnal low-level jet characteristics over Kansas during CASES-99 // Bound.-Layer Meteor. 2002. V. 105. P. 221–252.
17. Banta R.M., Pichugina Y.L., Newsom R.K. Relationship between low-level jet properties and turbulence kinetic energy in the nocturnal stable boundary layer // J. Atmos. Sci. 2003. V. 60. P. 2549–2555.
18. Banta R.M., Pichugina Y. L., Brewer W.A. Turbulent velocity-variance profiles in the stable boundary layer generated by a nocturnal low-level jet // J. Atmos. Sci. 2006. V. 63. P. 2700–2719.
19. Pichugina Y.L., Banta R.M., Kelley N.D., Brewer W.A. Nocturnal boundary layer height estimate from Doppler lidar measurements // Proc. the 18th Symposium on Boundary Layer and Turbulence. 10 June, 2008. Stockholm, Sweden. 7B.6.
20. Grund C.J., Banta R.M., George J.L., Howell J.N., Post M.J., Richter R.A., Weickman A.M. High-resolution Doppler lidar for boundary layer and cloud research // J. Atmos. Ocean. Technol. 2001. V. 18, N 3. P. 376–393.
21. Smalikho I., Köpp F., Rahm S. Measurement of atmospheric turbulence by 2-mm Doppler lidar // J. Atmos. Ocean. Technol. 2005. V. 22, N 11. P. 1733–1747.
22. Банах В.А., Смалихо И.Н., Пичугина Е.Л., Брюер А. Репрезентативность измерений скорости диссипации энергии турбулентности сканирующим когерентным доплеровским лидаром // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22, № 10. С. 966–972; Bаnakh V.А., Smaliho I.N., Pichugina Е.L., Brewer W.A. Representativeness of measurements of the dissipation rate of turbulence energy by scanning Doppler lidar // Atmos. Ocean. Opt. 2010. V. 23, N 1. P. 48–54.
23. Банах В.А., Смалихо И.Н. Когерентные доплеровские ветровые лидары в турбулентной атмосфере. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2013. 304 с.
24. Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В. Лидарные измерения параметров ветровой турбулентности в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 4. С. 342–349.
25. Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В., Руди Ю.А. Определение скорости диссипации энергии турбулентности из данных, измеренных лидаром Stream Line в приземном слое атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 10. С. 901–905.
26. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Ч. 2. М.: Наука, 1967. 720 с.
27. Ламли Дж., Пановский Г. Структура атмосферной турбулентности. М.: Мир, 1966. 264 с.
28. von Kàrmàn T. Progress in the statistical theory of turbulence // Proc. the National Acad. Sci. 1948. V. 34, N 11. P. 530–539. DOI: 10.1073/pnas.34.11.530.
29. Смалихо И.Н., Банах В.А. Точность оценивания скорости диссипации энергии турбулентности из измерений ветра импульсным когерентным доплеровским лидаром при коническом сканировании зондирующим пучком. Часть I. Алгоритм обработки лидарных данных // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 3. С. 213–219; Smalikho I.N., Bаnakh V.А. Accuracy of estimation of the turbulent energy dissipation rate from wind measurements with a conically scanning pulsed coherent Doppler lidar. Part I. Algorithm of data processing // Atmos. Ocean. Opt. 2013. V. 26, N 5. P. 404–410.
30. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Докл. АН СССР. 1941. Т. 30, № 4. С. 299–303.
31. Smalikho I.N., Banakh V.A. Measurements of wind turbulence parameters by a conically scanning coherent Doppler lidar in the atmospheric boundary layer // Atmos. Meas. Tech. 2017. V. 10, N 11. P. 4191–4208.
32. Banakh V.A., Smalikho I.N. Lidar observations of atmospheric internal waves in the boundary layer of atmosphere on the coast of Lake Baikal // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9, N 10. P. 5239–5248.
33. Eberhard W.L., Cupp R.E., Healy K.R. Doppler lidar measurement of profiles of turbulence and momentum flux // J. Atmos. Ocean. Technol. 1989. V. 6. P. 809–819.