Экология СПРАВОЧНИК

Поведение воздушного потока над препятствием зависит в принципе от 1) вертикального профиля ветра, 2) распределения устойчивости и 3) формы препятствия. Рассмотрим воздействие простого протяженного хребта, нормального к воздушному потоку в устойчивой атмосфере, в которой потенциальная температура возрастает с высотой. Для этих условий Фёрхтготт [37] выделил три основных типа потока в зависимости от вертикального профиля скорости ветра (рис. 3.5). При слабых ветрах, скорость которых почти не меняется с высотой, поток течет плавно над хребтом, образуя пологую волиу (рис. 3.5 а), со слабыми вертикальными движениями. Такой поток называют ламинарным течением. При более сильных ветрах, скорость которых немного растет с высотой, воздух на подветренной стороне хребта образует стоячий вихрь (рис. 3.5 6). При более интенсивном вертикальном градиенте скорости ветра влияние гор создает последовательность подветренных волн (рис. 3.5в), которая может распространяться за препятствием на 25 км и более (фото 2). Эти гравитационные волны стационарны, при условии что характеристики потока не изменяются. Подветренные волны обычно образуются только тогда, когда существует мощный по вертикали воздушный поток, отклоняющийся от нормали к линии хребта не более чем на 30°, причем направление ветра с высотой меняется незначительно. Скорость ветра должна увеличиваться с высотой от наименьшей горизонтальной скорости около 7 м/с на уровне гребня для низких хребтов (1 км) и от 15 м/с — для хребтов высотой 4 км [86].[ ...]

Фото 2 Волновые облака 7 марта 1966 г над Передовым хребтом в Скалистых горах, Боулдер, штат Колорадо (Роберт Бампас, Национальный центр атмосферных исследований, Боулдер, штат Колорадо).[ ...]

Схема Фёрхтготта подтверждается результатами наблюдений, выполненных во Французских Альпах Жербье и Беранже [41]. Указанные авторы выделили три общих случая в соответствии со значением составляющей ветра, нормальной хребту.[ ...]

Теории воздушного потока над горами математически сложны, и здесь приводятся только их существенные моменты. Горное препятствие создает возмущение в натекающем потоке воздуха, а на подветренной стороне вертикальному смещению противодействует восстанавливающая сила тяжести. Частицы воздуха «проскакивают» положение равновесия, и поэтому в потоке развиваются вертикальные колебания на подветренной стороне хребта. Если атмосфера устойчива и ветры слабые, период колебаний короткий (т. е. частота высока), тогда как в ситуациях с низкой устойчивостью и сильными ветрами образуются медленные колебания с большой длиной волны. Устойчивая атмосфера благоприятствует образованию волн малой длины и большой амплитуды потому, что большая устойчивость увеличивает возвращающее к равновесию действие силы тяжести на движущийся воздух. Существование тонкого слоя инверсии на уровне гребня хребта особо способствует образованию волн [31]. Собственные колебания воздушного течения над горами усиливаются при резонансе, который может наблюдаться, если орографически вынужденная волна усиливает свободные волны [8].[ ...]

В стратифицированной атмосфере, движущейся над синусоидальными хребтами, гравитационные волны наблюдаются, когда внутренняя (собственная) частота движения (п =и1г) меньше, чем частота Брента—Вяйсяля; здесь £ = 2л/длина волны местных хребтов. Гравитационные волны этого типа являются «вертикально распространяющимися» — под этим подразумевается, что возмущение не затухает с высотой. Линии равных фаз для таких волн наклонены с высотой против потока, что связано с распространением энергии вертикально вверх от земли. Предполагается, что никакие компоненты потока не могут излучать энергию вниз («условие излучения»).[ ...]

Примеры вертикальных профилей температуры и ветра и рассчитанное распределение волновых движений представлены на рис. 3.6. На рис. 3.6 а линии тока наклонены вверх по течению вблизи хребта, а над подветренными склонами имеется сильный нисходящий поток. По вертикали система линий тока повторяется с длиной волны 2л/1, но на высоте 10 км нисходящий поток смещается на 2—3 км к востоку. На рис. 3.6 б представлены подветренные волны в нижнем слое атмосферы, а также вертикально распространяющиеся волны в верхних слоях с наклонными линиями равных фаз. Расчеты Сойера [98] по данным зондирования в действительно наблюдавшихся воздушных течениях в общем согласуются с данными наблюдений волн, полученными в то же время. Система течений на подветренной стороне, изображенная на рис. 3.6 а, достаточно характерна, но зависимости между амплитудой волн над хребтом или с его подветренной стороны и профилем ветра, температурой и /2 сложны и изменчивы.[ ...]

При среднем значении вертикального градиента температуры, равном 5°С/км, можно указать полезное приближенное соотношение для длины волны X £км) подветренных волн в нижней тропосфере: А, = 0,5и, где и — среднее значение тропосферной скорости ветра (м/с) (см. [30] ). Соотношение между X и и близко к линейному. Однако гребень первой подветренной волны вниз по течению от горного хребта расположен приблизительно на 0,7ЬХ. Наблюдения подветренных волн показывают, что длины волн заключены в пределах 5—30 км с наиболее вероятными значениями около 10 км. Согласно Крюэт (32], горизонтальное распространение области подветренных волн вниз по ветру от горных препятствий обратно пропорционально толщине устойчивого слоя. Результаты Крюэт опираются на исследование 226 случаев подветренных волн над Западной Европой и Северной Африкой за 1966—1968 гг. по фотографиям со спутников и измерениям с самолета. Устойчивый слой захватывает энергию возмущения, вызванного горами, действуя как «волновод».[ ...]

Амплитуда подветренной волны зависит от уменьшения с высотой /2, от высоты и ширины горы. Анализ показывает, что самые большие амплитуды волн наблюдаются, когда характеристики воздушного потока едва удовлетворяют волновому условию [31]. Кроме того, максимальные амплитуды наблюдаются преимущественно тогда, когда в нижней тропосфере существует тонкий инверсионный слой. Для данной высоты препятствия амплитуда будет самой большой, когда ширина хребта соответствует собственным длинам волн в данном воздушном потоке: это наблюдается, когда Х/л равно половине ширины препятствия. Таким образом, самые большие волны, наблюдающиеся в воздушном потоке, необязательно связаны с самыми высокими горными хребтами. Высота, где амплитуда волн наибольшая, обычно отмечена вершиной облака (если таковое наблюдается) и обычно на этой высоте есть инверсионный слой [106].[ ...]

Когда рельеф состоит из последовательности хребтов, перпендикулярных к воздушному потоку, то возможно наложение нескольких систем волн, возникающих независимо в результате влияния отдельных препятствий [106]. Это может привести к усилению или к исчезновению волн, в зависимости от расположения (соотношения фаз) индивидуальных последовательностей волн. Препятствие, расположенное ниже по течению на расстоянии, равном половине длины волны, может уничтожить подветренные волны, возникшие у хребта выше по течению. По этой причине воздух иногда опускается в потоке, пересекающем в том или ином месте широкий горный хребет; Уоллингтон [126] наблюдал это явление с самолета при полетах через горы Уэльса. Однако даже над единичными симметричными хребтами обычно существуют две или более волновых моды с максимальными амплитудами на различных высотах в нижней тропосфере, возникающие в зависимости от сложных характеристик воздушного потока.[ ...]

Строго говоря, с помощью теорий волнового движения, применимых к возмущениям малой амплитуды, нельзя описать блокирование воздушного потока выше по течению от препятствия, развитие роторов или явления гидравлического прыжка. Теории возмущений большой амплитуды разрабатывались значительно медленнее, так как для них уравнения движения становятся, за редкими исключениями, нелинейными.[ ...]

Рисунки к данной главе:

Типы воздушного течения над горными препятствиями в зависимости от вертикального профиля скорости ветра. (Из [30].)

Рассчитанные линии тока, описывающие развитие волн над хребтом для двух идеализированных профилей скорости ветра и и потенциальной температуры в. (Из [98].)

Схематическое изображение потока воды над препятствием в канале. (Из [72].)

Влияние формы горы на воздушный поток. (Из [4], по [41].)

Положение подветренных волн в зависимости от направления ветра во

Схематическое изображение вихревой дорожки Кармана на подветренной стороне цилиндрического препятствия (диаметром й). (По [25].)