8.3. Методы измерения турбулентных потоков импульса, тепла и влаги

Выше уже отмечалось, что полная проверка выводов из теории подобия, изложенных в § 7, требует знания не только профилей но значений турбулентного потока импульса (напряжения трения) потока тепла и потока влаги (скорости испарения или конденсации) Поскольку к тому же величины (или вообще являются очень важными характеристиками атмосферной турбулентности, наиболее непосредственно описывающими взаимодействие между атмосферой и подстилающей поверхностью, естественно, что задача определения их значений является одной из центральных в физике приземного слоя воздуха. Поэтому имеет смысл хотя бы вкратце описать здесь основные методы измерения турбулентных потоков.

Из прямых методов измерения величин прежде всего следует назвать пульсационный метод, суть которого состоит в регистрации временного хода пульсаций в фиксированной точке атмосферы и последующем вычислении средних по времени значений произведений Поскольку

то эти средние значения уже определяют все интересующие нас величины. При этом, однако, приборы для пульсационных измерений должны регистрировать без искажения все детали пульсаций метеорологических полей, существенно влияющие на значения Последнее требование накладывает жесткие ограничения на параметры аппаратуры, причем даже само аккуратное Выяснение характера этих ограничений является нелегким делом; для этого надо заранее знать, какие именно детали пульсаций влияют на турбулентные потоки, а это требует сведений о спектральном составе турбулентных потоков, остающихся до сих пор очень неполными (подробнее об этом будет сказано в гл. 8 ч. 2 книги). Кроме того, при использовании пульсационного метода для определения турбулентных потоков надо уметь выбрать интервал временного осреднения так, чтобы получающиеся средние значения были близки к средним; взятым по некоторой разумно определенной статистической

совокупности, но чтобы еще не проявлялась постепенная «эволюция уровня» метеорологических величин, о которой мы говорили на стр. 361. Все эти обстоятельства сильно осложняют измерения и в конечном счете приводят к тому, что результаты не всегда оказываются достаточно точными. Тем не менее, пульсационный метод до сих пор остается единственным общим методом непосредственного определения всех трех величин:

Для измерения тонких деталей пульсаций скорости ветра и и до 1958 г. большинство исследователей применяло принцип термоанемометра, уже в течение ряда десятилетий с успехом использующийся для измерений пульсаций скорости потока в аэродинамических лабораториях. Одной из первых работ, в которой этот принцип был успешно применен к измерениям в атмосфере, была работа Гедеке (1935). Позже (в 1947—1949 гг.) удобные приборы такого типа были созданы в СССР Обуховым и Кречмером (см., например, Кречмер (1954)). Более инерционные термоанемометрические приборы примерно в то же время начали применяться австралийскими и английскими исследователями (см., например, Суинбенк (1951а, 1955), Дикон (1955), Макилрой (1955), Джонс и Паскуил (1959));. очень тонкая аппаратура, построенная на принципе термоанемометра, была разработана Маккриди (1953).

Датчиками всех термоанемометрических приборов являются тонкие металлические нити (чаще всего платиновые), порядка 1 см длиной, которые во время измерений подогреваются током до температуры порядка нескольких сот градусов. При этом изменения температуры нити (а следовательно, и ее сопротивления) определяются теплоотдачей в воздух, зависящей от нормальной к нити компоненты скорости обдувающего нить потока и практически не зависящей от небольших изменений температуры воздуха (имеющих обычно порядок долей градуса). Поэтому, измеряя сопротивление нити, можно определить нормальную к нити компоненту скорости ветра. Существенным неудобством является при этом нелинейный характер зависимости сопротивления нити от скорости ветра. Измерение пульсаций сопротивления нити осуществляется с помощью регистрации пульсаций силы тока, проходящего через нить. При вертикальном положении нити термоанемометра эти пульсации соответствуют пульсациям горизонтальной компоненты скорости ветра. Если же установить две нити в вертикальной плоскости, проходящей через направление среднего ветра (что достигается при помощи инерционной флюгарки), и разместить их под углами +45° и —45° к вертикали, то разность сопротивлений этих нитей оказывается пропорциональной вертикальной компоненте скорости ветра (с коэффициентом пропорциональности,

зависящим от скорости среднего ветра). Термоанемометры, использовавшиеся в СССР, позволяют регистрировать пульсации скорости ветра с точностью до 1 см/сек и имеют инерцию (постоянную времени) порядка 0,01 сек; возможны, однако, и еще более точные и менее инерционные приборы этого типа.

Нелинейность термоанемометра существенно затрудняет вычисление средних значений произведений пульсаций. При этом приходится или записывать пульсации силы тока в термоанемометре на фотобумагу, снимать с этой записи ординаты кривых и затем уже численно переводить эти ординаты в значения с помощью специальных тарировочных кривых (Кречмер (1954)), или же дополнительно пропускать пульсации тока через нелинейный прибор с характеристикой, подобранной по тарировочным кривым таким образом, чтобы сигнал на выходе был уже прямо пропорциональным измеряемой пульсации скорости (Маккриди (1953), Р. Тэйлор (1958)). Чтобы избежать этих осложнений и в то же время иметь возможность вычисления средних значений произведений пульсаций с помощью автоматических приборов, в 1958 г.

Бовшеверовым и Гурвичем был создан линейный прибор для измерений пульсаций скорости — ультраакустический микроанемометр, основанный на зависимости времени распространения звука от излучателя до микрофона от скорости движения воздуха на его пути (см. Гурвич (1959), Бовшеверов и Воронов (1960)). Важнейшей частью этого прибора являются миниатюрные цилиндрические излучатели звука и микрофоны, имеющие диаметр и длину около 5 мм. Прибор содержит два излучателя и и два приемника (микрофона) причем пара помещается на расстоянии 2,5 см от пары (см. рис. 70). При этом звук (точнее говоря, ультразвук) распространяется по практически совпадающим путям от и от в противоположных направлениях, и при совпадающих фазах колебаний излучателей разность фаз колебаний микрофонов оказывается пропорциональной компоненте скорости ветра по направлению базы прибора и фактически не зависящей от температуры воздуха. Такой прибор также позволяет измерять пульсации скорости с точностью до 1 см/сек, а его инерция меньше 0,001 сек.

Помимо термоанемометров и акустических анемометров для измерения пульсаций скорости ветра иногда используются

Рис. 70. Схема расположения излучателей и приемников в акустическом микроанемометре.

также специальные микрофлюгарки, построенные на принципе обычного флюгера. Особенно удобным оказывается применение микрофлюгарок для регистрации пульсаций направления ветра, что вместе с данными о пульсациях полной скорости (определяемыми, например, с помощью термоанемометра) позволяет определить мгновенные значения всех трех компонент скорости например, Крамер и Рекорд (1953) и Леттау и Дэвидсон (1957), раздел 5.2). Однако инерционность такой аппаратуры превосходит инерционность аппаратуры, описанной выше, а возможности автоматизации измерений и их последующей обработки оказываются здесь меньшими.

Измерение пульсаций температуры V можно производить с помощью приборов, основанных на принципе термометра сопротивления (с проводниковыми или полупроводниковыми датчиками), или с помощью миниатюрных термопар. В качестве типичного примера прибора для измерения значений Т можно упомянуть микротермометр Кречмера (1954), представляющий собой термометр сопротивления с платиновой нитью (тех же размеров и с той же инерцией, что и в применявшемся в СССР термоанемометре) в качестве датчика. При использовании этой нити для измерения пульсаций температуры через нее пропускается очень слабый ток, при котором ее перегрев относительно окружающего воздуха не превосходит 0,01°. В таком случае теплоотдача в воздух практически отсутствует, и температура нити (а следовательно, и ее сопротивление) зависит поэтому только от колебаний температуры воздуха не зависит от скорости ветра. В результате пульсации силы тока, проходящего через нить, оказываются пропорциональными пульсациям температуры воздуха (с коэффициентом пропорциональности, определяемым только параметрамиприбора).

Для измерения пульсаций влажности О можно использовать сухой и смоченный термометры сопротивления (или сухую и смоченную термопары), дающие мгновенные значения двух температур по которым значение О определяется с помощью так называемого психрометрического уравнения (см., например, Мидлтон и Спилхауз (1953) или Кедроливанский и Стернзат (1953)). При этом О можно находить по значениям численно (Макилрой (1955)), а можно вместо этого подавать пульсации на уход специального электрического аналогового устройства, автоматически выполняющего операцию, эквивалентную решению психрометрического уравнения (Суинбенк (19516), Р. Тэйлор (19566), Тэйлор и Дайер (1958), Дайер (1961)). В обоих случаях задача оценки точности

- получаемых значений О и учета влияния погрешностей и инерции прибора на значение величины оказывается

заметно более трудной, чем в случае определения величин Т и q (ср. Р. Тэйлор (1963)); поэтому надежное получение значений с помощью пульдационного метода остается пока еще делом будущего. Значительные перспективы открывает в этом отношении использование вместо двух термометров практически безынерционного оптического метода измерения пульсаций влажности, основанного на зависимости коэффициента преломления воздуха от содержания водяного пара (см. Елагина (1962)). Однако такая аппаратура пока еще не доведена до состояния, позволяющего систематически использовать ее в полевых условиях.

Рис. 71. Пример корреляционного графика для пульсаций температуры и вертикальной скорости.

Пульсационные измерения в принципе позволяют определять для ряда последовательных моментов времени одновременные значения и и или до и Т, или до и

В качестве примера, иллюстрирующего получающиеся при этом результаты, на рис. 71 (заимствованном из работы Монина (1953)) приводится пример корреляционного графика, характеризующего связь между, пульсациями до и Т, по измерениям на высоте в инверсионных условиях. Этому графику соответствует коэффициент корреляции между значениями до и Т, равный —0,24; турбулентный поток тепла здесь равен На рис. 72 (взятом из той же работы) приводится пример корреляционного графика, характеризующего связь между пульсациями и и до, также по измерениям на высоте Здесь коэффициент корреляции равен —0,65, а

Разумеется, численный подсчет средних значений произведений пульсаций и их коэффициентов корреляции по записям типа изображенных на рис. 1 на стр. 10 весьма трудоемок и утомителен. Однако, если используемые приборы линейны (как, например, микротермометр или ультразвуковой микроанемометр) или же превращаются в практически линейные с помощью добавления к ним специальной линеаризирующей приставки, то средние

значения произведений (или квадратов) пульсаций можно получать автоматически. Для этого надо только подать сигналы на выходе пульсационных приборов на вход специального коррелометра — интегрирующего устройства, подсчитывающего интеграл от произведения двух вводимых в него функций. Подобные автоматические коррелометры были созданы в СССР Бовшеверовым, Гурвичем, Татарским и Цвангом (1959) (см. также Бовшеверов, Гурвич, Мордухович и Цванг (1962)) и были сразу же использованы ими для определения турбулентного потока тепла (Бовшеверов, Гурвич, Цванг (1959)).

Рис. 72. Пример корреляционного графика для пульсаций горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра.

В Австралии родственная аппаратура была разработана Тэйлором и Уэббом (1955) и Дайером (1958).

Кроме пульсационного метода для измерения турбулентного напряжения трения можно применять также динамометрический метод, впервые предложенный Шеппардом (1947), а затем использовавшийся Паскуилом (1950), Райдером (1954), некоторыми американскими исследователями (см. Леттау и Дэвидсон (1957), раздел 3.2) и Гурвичем (1961). Сущность этого метода заключается в том, что кусок почвы с характерным для окружающей местности травяным покровом помещается вровень с поверхностью почвы на подвижную платформу (подвешенную на нитях в опытах Гурвича и плавающую в жидкости в опытах других исследователей), удерживаемую на месте специальной пружиной. Сила трения, действующая на платформу при наличии ветра, при этом определяется с помощью измерения либо натяжения пружины (Шеппард, Паскуил и др.), либо

смещения платформы (Гурвич). Приборы для измерения величин с помощью этого метода весьма капризны и работа с ними требует большой осторожности, но точность лучших из них не уступает точности лучших из имеющихся пульсационных приборов, предназначенных для той же цели.

Турбулентный поток влаги в метеорологии чаще всего измеряется с помощью почвенных испарителей. В этих приборах используется кусок почвы, вырезанный (по возможности без нарушения его структуры) из своего окружения и помещенный в специальный открытый сверху сосуд, края которого находятся на уровне почвы. Вес вырезанного куска измеряется через определенные промежутки времени, и отсюда находится скорость потери им влаги. К сожалению, пока трудно сказать, в какой мере скорость испарения вырезанного образца совпадает со скоростью испарения неповрежденной почвы. Поэтому в последние годы многие исследователи считают, что данные, полученные с помощью почвенных испарителей, вообще не имеют серьезного научного значения. Чтобы опровергнуть это мнение, необходимо иметь богатый материал одновременных измерений испарения с помощью испарителей и с помощью пульсационного метода, позволяющего установить, что между показаниями двух типов приборов действительно имеется значительная связь, и выяснить характер этой связи. Пока, однако, такой материал все еще отсутствует, так как вообще пульсационные измерения испарения до сих пор очень мало развиты и имеют небольшую точность.

Для определения турбулентного потока тепла и испарения можно привлечь также уравнение теплового баланса подстилающей поверхности

где В — радиационный баланс поверхности Земли (т. е. сумма приходящей длинноволновой и коротковолновой радиации, из которой вычтена уходящая радиация), поток тепла в почву, скрытая теплота испарения. В некоторых случаях при очень сухой почве можно предполагать, что последний член в правой части мал по сравнению с двумя остальными. Тогда, из мерив величины (определение последней из которых, впрочем, сопряжено с рядом трудностей и обычно оказывается не очень надежным), мы можем вычислить и величину q. В других случаях, когда величина измеряется с помощью пульсационного метода, можно воспользоваться уравнением (8.16) и данными измерений для нахождения испарения Если неизвестно, но значения полученные с помощью испа рителей, рассматриваются как достаточно надежные, то по ним

с помощью (8.16) можно восстановить и значение q (ср. Райдер (1954)); если же и измеряются непосредственно, то уравнение (8.16) можно использовать для дополнительной проверки полученных данных (Дайер (1961)). Наконец, если ни ни не измеряются непосредственно, но имеются данные о профилях температуры и влажности, то можно воспользоваться предположением о равенстве коэффициентов обмена для тепла и для влаги, из которого следует, что

где значения средней температуры на двух фиксированных высотах значения влажности на тех же высотах. Из (8.16) и (8.17) вытекает, что

где

последние равенства позволяют подсчитать значения по измеренным значениям . Аналогичные формулы можно получить и исходя из некоторых других предположений о связи между разными коэффициентами обмена (см., например, Леттау и Дэвидсон (1957), раздел 7.3). Заметим, однако, что, поскольку величины могут быть измерены лишь с большой ошибкой, точность балансового метода заметно уступает точности, например, пульсационного определения