Том 37, номер 12, статья № 8

Аннотация:

Изучение внутренних гравитационных волн (ВГВ), образующихся в пограничном слое атмосферы (ПСА) при устойчивой температурной стратификации, и механизмов взаимодействия ВГВ с ветровой турбулентностью важно для понимания динамических процессов в атмосфере и улучшения алгоритмов численного моделирования ПСА и прогноза погоды. Настоящая работа посвящена исследованиям волновых структур и турбулентности в устойчивом ПСА с использованием результатов экспериментов, проведенных нами в 2023 г. В этих экспериментах одновременно были задействованы два импульсных когерентных доплеровских лидара (ИКДЛ), разнесенных на расстояние 3250 м. Анализ данных показал, что по измерениям двумя ИКДЛ можно оценить временной сдвиг моментов прохождения передним фронтом атмосферной волны точек расположения лидаров, по которому определяется скорость ее распространения. Впервые выявлен случай распространения атмосферной волны в слое от 200 м до 1 км с максимумом амплитуды квазигармонических колебаний вертикальной составляющей вектора скорости ветра ~ 4 м/с (на высоте 400 м). Установлено, что вследствие передачи энергии от атмосферной волны к мелкомасштабным флуктуациям ветра возможно увеличение скорости диссипации турбулентной энергии на четыре порядка всего за несколько десятков минут.

Ключевые слова:

когерентный доплеровский лидар, ветровая турбулентность, внутренняя гравитационная волна, спектральная плотность, пограничный слой атмосферы

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Finnigan J.J., Einaudi F., Fua D. The interaction between an internal gravity wave and turbulence in the stably-stratified nocturnal boundary layer // J. Atmos. Sci. 1984. V. 41. P. 2409–2436. DOI: 10.1175/1520-0469(1984)041<2409:TIBAIG>2.0.CO;2.
2. 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 Sens. 2023. V. 15. P. 2894. DOI: 10.3390/rs15112894.
3. Зилитинкевич С.С. Атмосферная турбулентность и планетарные пограничные слои. М.: Физматлит, 2013. 246 с.
4. Курбацкий А.Ф., Курбацкая Л.И. О турбулентном числе Прандтля в устойчиво стратифицированном атмосферном пограничном слое // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2010. Т. 46, № 2. P. 187–196.
5. Kurbatskaya L.I. Eddy Mixing, Gravity Waves and the intermittent turbulence in atmospheric flows under stronger stratification // AIP Conf. Proc. 2021. V. 2351. P. 040008. DOI: 10.1063/5.0052012.
6. Курбацкая Л.И. Вихревые коэффициенты переноса импульса и тепла в пограничном слое атмосферы: Численное исследование // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. 2020. Т. 4, №1. С. 74–82. DOI: 10.33764/2618-981Х-2020-4-1-74-82.
7. Sun J., Nappo C.J., Mahrt L., Beluši´c D., Grisogono B., Stauffer D.R., Pulido M., Staquet C., Jiang Q., Pouquet A., Yagüe C., Galperin B., Smith R.B., Finnigan J.J., Mayor S.D., Svensson G., Grachev A.A., Neff W.D. Review of wave turbulence interactions in the stable atmospheric boundary layer // Rev. Geophys. 2015. V. 53. P. 956–993. DOI: 10.1002/2015RG000487.
8. 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. DOI: 10.1364/AO.46. 001953.
9. Parmentier R., Boquet M., Cariou J.P., Sauvage L. Windcube^TM pulsed lidar compact wind profiler: Overview on more than two years of comparison with calibrated sensors at different location // Proc. the 15th Coherent Laser Radar Conference, Toulouse, France. 2009. P. 267–270.
10. 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. DOI: 10.1175/2008JTECHA1128.1.
11. Liu J., Chen W., Zhu X., Zhu X., Zhang X., Liu Yu., Shi W. Development of 1.5 mm all-fiber pulsed coherent Doppler wind lidar // Proc. the 18th Coherent Laser Radar Conference, Boulder, USA. 2016.
12. Boquet M., Royer P., Pureur V., Cariou J.P., Smith M. Long range off-shore wind assessment by high power scanning Lidars // Proc. the 18th Coherent Laser Radar Conference, Boulder, USA. 2016.
13. Vasiljevic N., Lea G., Courtney M., Cariou J.P., Mann J., Mikkelsen T. Long-range wind scanner system // Remote Sens. 2016. V. 8. P. 896. DOI: 10.3390/rs8110896.
14. 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. P. A762. DOI: 10.1364/OE.24.00A762.
15. Li X., Xu X., Zhang Z., Liu J., Bai X. Измерение поля атмосферного ветра с помощью полностью волоконного лидара с длиной волны генерации 1,5 мкм // Письма в ЖТФ. 2023. Т. 49, вып. 16. С. 3–7.
16. 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. DOI: 10.5194/amt-2017-140.
17. 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.
18. Смалихо И.Н., Банах В.А., Разенков И.А., Сухарев А.А., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Сравнение результатов совместных измерений скорости ветра когерентными доплеровскими лидарами Stream Line и ЛРВ // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 10. С. 826–835. DOI: 10.15372/AOO20221005; Smalikho I.N., Banakh V.A., Razenkov I.A., Sukharev A.A., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Comparison of results of joint wind velocity measurements with the Stream Line and WPL coherent Doppler lidars // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N S1. P. S79–S91.
19. Frehlich R.G., Yadlowsky M.J. Performance of mean-requency estimators for Doppler radar and lidar // J. Atmos. Ocean. Technol. 1994. V. 11, N 5. P. 1217–1230. DOI: 10.1175/1520-0426(1994)011<1217:POMFEF>2.0.CO;2.
20. Frehlich R.G., Hannon S.M., Henderson S.W. Performance of a 2-mm coherent Doppler lidar for wind measurements // J. Atmos. Ocean. Technol. 1994. V. 11, N 6. P. 1517–1528. DOI: 10.1175/1520-0426(1994)011<1517:POACDL>2.0.CO;2.
21. Frehlich R.G., Cornman L.B. Estimating spatial velocity statistics with coherent Doppler lidar // J. Atmos. Ocean. Technol. 2002. V. 19, N 3. P. 355–366. DOI: 10.1175/1520-0426-19.3.355.
22. 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.
23. Винниченко Н.К., Пинус Н.З., Шметер С.М., Шур Г.Н. Турбулентность в свободной атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 288 с.
24. Бызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 263 с.