Том 37, номер 03, статья № 8

Аннотация:

Вопросы турбулентно-волнового взаимодействия в пограничном слое атмосферы (ПСА) пока не достаточно полно изучены. В частности, вопрос о влиянии возникающей в термически устойчивом ПСА внутренней гравитационной волны (ВГВ) на спектр турбулентных флуктуаций скорости ветра оставался открытым. В настоящей работе с использованием данных, полученных импульсным когерентным доплеровским лидаром, исследуется влияние ВГВ на форму кривой для спектральной плотности вертикальной компоненты вектора скорости ветра. Установлено, что ВГВ вызывает существенное изменение формы кривой спектра скорости ветра на частотах ниже границы инерционного интервала турбулентности. При этом в промежутке между частотой ВГВ и нижней границей инерционного интервала зависимость спектра от частоты близка к степенной. Путем анализа 700 лидарных оценок спектров вертикальной скорости ветра установлено, что для такого частотного промежутка показатель степени в среднем равен -3. Результаты работы могут быть использованы для улучшения алгоритмов численного моделирования в термически устойчивом ПСА.

Ключевые слова:

когерентный доплеровский лидар, ветровая турбулентность, внутренняя гравитационная волна, спектральная плотность, показатель степени

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Ламли Дж., Пановский Г. Структура атмосферной турбулентности. М.: Мир, 1966. 264 с.
2. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Ч. 2. М.: Наука, 1967. 720 с.
3. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 292 с.
4. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 342 с.
5. Винниченко Н.К., Пинус Н.З., Шметер С.М., Шур Г.Н. Турбулентность в свободной атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 288 с.
6. Nieuwstadt F.T.M., Van Dop H. Atmospheric Turbulence and Air Pollution Modelling: A Course Held in the Hauque, 21–25 September, 1981. Dordrecht, 1982. 351 p.
7. Бызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 263 с.
8. Banta R.M., Newsome R.K., Lundguist J.K., Pichugina Y.L., Coulter R.L., Mahrt L. Nocturnal low-level jet characteristics over Kansas during CASES-99 // Bound.-Lay. Meteorol. 2002. V. 105. P. 221–252.
9. Edwards J.M., Beljaars A.C.M., Holstag A.A.M., Lock A.P. Representation of boundary-layer processes in numerical weather prediction and climate models // Bound.-Lay. Meteorol. 2020. V. 177. P. 511–539.
10. 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.
11. Обухов А.М. О распределении энергии в спектре турбулентного потока // Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз. 1941. № 4–5. С. 453–463.
12. Lamley J.P. The spectrum of nearly inertial turbulence in a stably stratified fluid // J. Atmos. Sci. 1964. V. 21, N 1. P. 99–102.
13. Bolgiano R.J. Structure of turbulence in stratified media // J. Geophys. Res. 1962. V. 67, N 8. P. 3015–3023.
14. Монин А.С. О спектре турбулентности в температурно-неоднородной атмосфере // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1962. № 3. С. 397–407.
15. Шур Г.Н. Экспериментальные исследования энергетического спектра атмосферной турбулентности // Труды ЦАО. 1962. Вып. 43. С. 79–91.
16. 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.
17. Pierson G., Davies F., Collier C. An analysis of performance of the UFAM Pulsed Doppler lidar for the observing the boundary layer // J. Atmos. Ocean. Technol. 2009. V. 26, N 2. P. 240–250.
18. Dolfi-Bouteyre A., Canat G., Valla M., Augere B., Besson C., Goular D., Lombard L., Cariou J.P., Durecu A., Fleury D., Bricteux L., Brousmiche S., Pulsed 1.5-mm LIDAR for axial aircraft wake vortex detection based on high-brightness large-core fiber amplifier // IEEE J. Sel. Top. Quantum. Electron. 2009. V. 15. P. 441–450.
19. Wu S., Liu B., Liu J., Zhai X., Feng C., Wang G., Zhang H., Yin J., Wang X., Li R., Gallacher D. Wind turbine wake visualization and characteristics analysis by Doppler lidar // Opt. Express. 2016. V. 24, N 10. DOI: 10.1364/OE.24.00A762.
20. 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. DOI: 10.5194/amt-9-5239-2016.
21. 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.
22. Banakh V.A., Smalikho I.N., Falits V.A. Estimation of the turbulence energy dissipation rate in the atmospheric boundary layer from measurements of the radial wind velocity by micropulse coherent Doppler lidar // Opt. Express. 2017. V. 25, N 19. P. 22679–22692.
23. Banakh V.A., Smalikho I.N. Lidar studies of wind turbulence in the stable atmospheric boundary layer // Remote Sens. 2018. V. 10, N 18. P. 1219. DOI: 10.3390/rs10081219.
24. Banakh V.A., Smalikho I.N. Lidar estimates of the anisotropy of wind turbulence in a stable atmospheric boundary layer // Remote Sens. 2019. V. 11, N 18. P. 2115. DOI: 10.3390/rs11182115.
25. Banakh V.A., Smalikho I.N., Falits A.V. Wind–temperature regime and wind turbulence in a stable boundary layer of the atmosphere: Case study // Remote Sens. 2020. V. 12. P. 955. DOI: 10.3390/rs12060955.
26. Smalikho I.N., Banakh V.A. Effect of wind transport of turbulent inhomogeneities on estimation of the turbulence energy dissipation rate from measurements by a conically scanning coherent Doppler lidar // Remote Sens. 2020. V. 12, N 17. P. 2802. DOI: 10.3390/rs12172802.
27. Banakh V.A., Smalikho I.N., Falits A.V. Estimation of the height of turbulent mixing layer from data of Doppler lidar measurements using conical scanning by a probe beam // Atmos. Meas. Tech. 2021. V. 14, N 2. P. 1511–1524.
28. Banakh V.A., Smalikho I.N., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Estimating the parameters of wind turbulence from spectra of radial velocity measured by a pulsed Doppler lidar // Remote Sens. 2021. V. 13. P. 2071. DOI: 10.3390/rs13112071.