1.4.4. Профили ветра и их трансформация над подстилающей поверхностью

Для установившегося полностью турбулентного воздушного потока над шероховатыми поверхностями в условиях нейтральной устойчивости лабораторные и натурные исследования дают простое соотношение между вертикальными градиентами скорости жидкости и напряжением сдвига:

где средняя скорость ветра на высоте 2; скорость трения; К - постоянная Кармана, принимаемая обычно равной 0,40.

Интегрирование (1.10) дает для слоя с постоянным касательным напряжением логарифмический закон распределения скорости ветра

где С — постоянная интегрирования.

Для шероховатых поверхностей касательное напряжение на незагрязненной плоской поверхности пренебрежимо мало по сравнению с трением за счет элементов выступов и (1.11) принимает вид

где параметр шероховатости, являющийся постоянным для поверхностей со сравнительно однородными мелкими выступами, но изменяющийся в широких пределах: от 0,1 см для совершенно гладкого снега до 100 см для лесистой местности [20, 31, 41].

Исследованиями установлена возможность различных режимов движения воздушного потока над водной поверхностью: гладкого, гладкого турбулентного, с развивающейся шероховатостью и полностью шероховатого. Для некоторых режимов движения и обтекания воздушным потоком выступов шероховатости найдены аналитические выражения.

В условиях нейтральной стратификации атмосферы и режима гладкого турбулентного движения воздушного потока относительный параметр шероховатости выражается зависимостью [26, 31, 245]

где безразмерная динамическая скорость

Изменения режима движения и скорости воздушного потока над подстилающей поверхностью обычно весьма существенно отражаются на характере распределения по вертикали не только пульсаций скорости, но и осредненных во времени значений.

Рис. 1.4. Профили скорости ветра над мелководьем (а) [41] и открытым (Северным) морем (б) [41, 193].

При решении практических задач, например для пересчета скорости с одного горизонта на другой, обычно используют эмпирические значения коэффициента.

Коэффициент перехода от осредненной по многочисленным измерениям скорости ветра на высоте 2,0 м к скорости ветра на высоте 10 м над водной поверхностью принимался ранее [51, 154] равным 1,25. При оценке коэффициента перехода по данным срочных измерений ветра обнаруживается некоторое влияние на него абсолютной скорости ветра. Это обстоятельство видно при рассмотрении профилей, полученных над мелководьем Роллом (рис. 1.4 а) [41] и открытым морем Броксом (рис. 1.4 6) [41, 193]. Несмотря на различия в распределении скоростей, среднее значение коэффициента перехода между указанными горизонтами измерения при использовании данных срочных наблюдений без большой погрешности может быть принято равным 1,17. Не исключено, что это значение будет уточнено на основании материалов наблюдений на внутренних водоемах различных типов и размеров.

Много работ посвящено оценкам коэффициентов для пересчета скорости ветра, измеренной на берегу, к скорости ветра над водной поверхностью. Ранее, на основании исследований ГГО и ГГИ [154], коэффициент перехода от данных измерений флюгером на уровне вершин деревьев к водной поверхности принимался

равным 3,0, а для перехода от данных измерений флюгером на открытом ровном берегу — равным 1,1.

Многочисленные синхронные измерения скорости ветра на берегах нескольких водоемов (озера Балхаш, Белое, Большое Яровое, водохранилища Кайраккумское, Каховское и Кременчугское), выполненные экспедиционными группами ГГИ в период с 1960 по 1985 г., показали возможность использования данных береговых пунктов, расположенных на ровной и незащищенной местности, для характеристики ветра над водной поверхностью преимущественно без введения поправочных коэффициентов.

Рис. 1.5. Зависимость коэффициента перехода от скорости ветра на береговых пунктах и над водной поверхностью Новосибирского водохранилища [155].

Рис. 1.6. Изменение осреднениых коэффициентов перехода на Новосибирском водохранилище в течение суток в различные сезоны года [155]. 1 — весна, 2 — лето, 3 — осень.

Обстоятельные результаты дифференцированного рассмотрения этого вопроса получены Сергиенковой [155] на основании сопоставлений данных регистрации ветра на двух береговых и островных пунктах Новосибирского водохранилища. Они показывают, что рассматриваемый ветровой коэффициент значителен только при слабых ветрах и уменьшается до 1,0 при скорости ветра более (рис. 1.5). Весьма отчетливо выражен суточный и сезонный ход коэффициентов перехода. В суточном ходе коэффициентов в весенние и летние месяцы отмечаются один максимум (примерно в и один минимум (в 13-15 ч). В

осенние месяцы (рис. 1.6) выражены два максимума (в 5 и 21 ч) и один минимум (в 14 ч).

Нередко возникает необходимость оценки максимальной скорости ветра по данным срочных наблюдений в пунктах, оборудованных флюгерами. Исследованиями уже давно установлено, что максимальная скорость ветра, зарегирстрированная самописцем непрерывного действия, обычно превышает максимальную скорость, измеренную по флюгеру в установленные сроки. В работе [108] приведены коэффициенты для определения максимальной месячной скорости по данным четырех- и восьмисрочных наблюдений в пунктах, оборудованных флюгерами. Обработке были подвергнуты 3-10-летние ряды наблюдений по 64 станциям. Установлено, что достоверная максимальная месячная скорость ветра превышает максимальную месячную скорость, измеренную при 4- и 8-срочных наблюдениях, в 1,25-1,20 раза при скорости ветра 8-11 м/с и в 1,10 раза при скорости 16-19 м/с.

Таким образом, при использовании данных наблюдений за ветром по береговому пункту для расчетов динамических явлений в водоеме необходимо учесть возможную защищенность измерительных устройств; осуществить пересчет скорости от горизонта измерения к стандартной высоте 10 м над поверхностью суши; учесть возможное изменение скорости между местом размещения ветроизмерительных приборов на берегу и открытой водной поверхностью; учесть переход от периодически выполняемых срочных измерений к непрерывной регистрации.

Некоторые из перечисленных характеристик ветра применительно к крупным внутренним водоемам могут быть уточнены на основании рекомендаций работы [31].