Простейшие задачи динамики атмосферы, страница 13

[1] На самом деле движения воздуха в свободной атмосфере отнюдь не являются ламинарными. В частности, турбулентность приводит здесь к болтанке самолетов. Вертикальный перенос количества движения, тепла и влаги также в основном определяется эффективностью турбулентного обмена. Механизм переноса тепла за счет излучения становится преобладающим только в стратосфере, где вертикальные движения воздуха заторможены вследствие температурной инверсии.

[2] Для оценки скорости ветра общепринятой является шкала Бофорта, которая включает в себя 12  градаций скорости. Каждая градация шкалы носит определенное название. Нулю шкалы соответствует штиль (отсутствие ветра). Ветер в 4 балла называется умеренным и соответствует скорости 5-7 м/с. Ветер в 7 баллов – сильный (скорость – 12-15 м/с). Шторм – это 9-ти балльный ветер со скоростью 18-21 м/с. Наконец, ветер в 12 баллов по Бофорту (ураган) имеет скорость свыше 29 м/с. Бофорт (Fr. Beaufort, 1774 - 1857) – английский адмирал, который в последние десятилетия жизни руководил гидрографической службой Великобритании. Шкала Бофорта основывалась на степени натяжения парусной оснастки судна и волнения моря.

[3] Приведенные уравнения допускают вертикальное движение с постоянной скоростью (не зависящей от времени). Однако, как отмечалось ранее, эта скорость мала.

[4] Вагн Вальфрид Экман (Ekman, 1874-1954) – шведский геофизик и океанограф.

[5] Неадекватность модели приводит также к тому, что ветер у поверхности земли повернут на 45 градусов относительно геострофического ветра в свободной атмосфере, что в общем случае не соответствует действительности. Одним из недостатков модели, в частности, является постоянство коэффициента турбулентного перемешивания. Ниже показывается, что линейная зависимость коэффициента турбулентного перемешивания от высоты в нижнем приземном подслое является более адекватным приближением.

[6] При неустойчивой стратификации атмосферы помимо динамической турбулентности, характерной для произвольного движения воздуха, развивается термическая турбулентность – конвекция, стимулирующая перемешивание воздуха в вертикальном направлении. В этом случае замедляющее влияние трения распространяется на более мощный слой воздуха, и свободная  атмосфера начинается выше. Зато у земной поверхности влияние трения на скорость и направление ветра будет меньше, чем при устойчивой стратификации атмосферы.

Кстати, трение приводит к тому, что скорость ветра у земной поверхности (на уровне флюгера) оказывается приблизительно вдвое меньше, чем скорость геострофического ветра при том же градиенте давления.

Ветер постоянно и быстро меняется по скорости и направлению, колеблясь около каких-то средних величин. Причиной этих колебаний (пульсаций или флуктуаций) ветра является турбулентность. Ветер, обладающий резко выраженными колебаниями скорости и направления, называют порывистым. При особенно сильной порывистости говорят о шквалистом ветре.

[7] Используя установленную связь пути смешения с высотой, полученное выражение для динамической скорости и связь  коэффициента турбулентности  с путем смешения (см. разд. 15), для коэффициента турбулентности находим . Таким образом, из условия постоянства в пределах слоя  напряжения турбулентного трения следует линейная зависимость коэффициента турбулентности от высоты и наоборот.

Когда мы исследовали изменение ветра с высотой в планетарном пограничном слое, предполагалось постоянство коэффициента турбулентного трения. Теперь видно, что такое предположение допустимо только на высотах, превышающих высоту приземного подслоя атмосферы, в пределах которого коэффициент турбулентного трения прямо пропорционален высоте.

[8] Более подробное обсуждение вопроса о значении параметра шероховатости см. в [17].

[9] Макс Маргулес (Margules, 1856-1920) – австрийский метеоролог.